[論文レビュー] Green Cellular - Optimizing the Cellular Network for Minimal Emission from Mobile Stations

Дорон Эзри, Shimi Shilo|ArXiv.org|Jun 29, 2009

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 14被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、送信専用の『グリーンアンテナ』を導入することで、放射線源を追加せずに上行リンクの信号受信を向上させる新規なセルラーネットワークアーキテクチャ『グリーンセルラー』を提案する。これにより、特に屋内環境において、移動局（MS）の送信電力を顕著に低減できる。その結果、中央値での上行リンク送信電力が最大10 dBまで低下し、電波放射線へのユーザー暴露を最小限に抑える予防原則に適合する。

ABSTRACT

Wireless systems, which include cellular phones, have become an essential part of the modern life. However the mounting evidence that cellular radiation might adversely affect the health of its users, leads to a growing concern among authorities and the general public. Radiating antennas in the proximity of the user, such as antennas of mobile phones are of special interest for this matter. In this paper we suggest a new architecture for wireless networks, aiming at minimal emission from mobile stations, without any additional radiation sources. The new architecture, dubbed Green Cellular, abandons the classical transceiver base station design and suggests the augmentation of transceiver base stations with receive only devices. These devices, dubbed Green Antennas, are not aiming at coverage extension but rather at minimizing the emission from mobile stations. We discuss the implications of the Green Cellular architecture on 3G and 4G cellular technologies. We conclude by showing that employing the Green Cellular approach may lead to a significant decrease in the emission from mobile stations, especially in indoor scenarios. This is achieved without exposing the user to any additional radiation source.

研究の動機と目的

• 携帯端末の体に近い位置でのセルラーラジオ周波数放射線の健康への潜在的影響に関する、増加する一般市民および規制当局の懸念に対処すること。
• 新たな放射線源を導入せずに、移動局の上行リンク送信電力を最小限に抑えること。
• 既存の3Gおよび4G技術と互換性を保ちつつ、ユーザーの暴露低減を最適化するネットワークアーキテクチャを検討すること。
• グリーンアンテナの導入が、屋内および都市部環境におけるMSの放射電力低減に果たす可能性と影響を評価すること。

提案手法

• 送信受信機能を備えた従来の基地局に加え、専用の受信専用デバイス（グリーンアンテナ）を追加する新しいネットワークアーキテクチャ『グリーンセルラー』を提案する。
• グリーンアンテナは、有線または指向性マイクロ波回線を介してコアネットワークに接続され、追加のRF放射を生じさせない。
• 3Gおよび4Gネットワークに既存の上行リンク電力制御メカニズムを活用し、グリーンアンテナ経由で強い上行リンク信号を受信した場合に、MSが送信電力を低減できるようにする。
• グリーンアンテナは、サービスを受ける基地局での信号対インターフェアレンス＋ノイズ比（SINR）を向上させるように戦略的に配置され、MSの上行リンク電力を低減する。
• このアーキテクチャは、SINRに応じたダイバーシティ合成をサポートし、グリーンアンテナをリモートダイバーシティ受信アンテナとして扱う。
• シミュレーションでは、都市環境を想定した混合音声およびデータトラフィック、屋内／屋外ユーザー、および遮断損失や fading を含む現実的な伝搬条件を想定した、商用4Gネットワーク計画ツールを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 新たな放射線源を追加せずに、移動局の送信電力を最小限に抑えるネットワークアーキテクチャを設計可能か？
• RQ2 受信専用のグリーンアンテナを導入することで、屋内および屋外環境における移動局の上行リンク送信電力にどのような影響を与えるか？
• RQ3 3Gおよび4Gシステムにおいて、グリーンアンテナの導入が上行リンク干渉および全体のネットワーク容量に与える影響は何か？
• RQ4 グリーンアンテナの基地局からの相対的位置が、MSの接続およびハンドオーバー行動に与える影響は何か？
• RQ5 特に遮断損失の大きな屋内環境において、グリーンアンテナはユーザーのRF放射線への露出をどの程度低減できるか？

主な発見

• グリーンセルラーアーキテクチャにより、屋内移動局の上行リンク送信電力中央値が従来のネットワークと比較して約10 dB低下する。
• グリーンアンテナが周囲に設置されると、屋内MSの平均上行リンク送信電力が8 dB以上低下する。
• グリーンアンテナを導入した場合、約40%の屋内ユーザーが4 dBm未満の送信電力に達するが、これはクラス2のBluetoothヘッドセットと同等である。一方、従来のネットワークではこの割合はわずか7%にとどまる。
• 送信電力の低減は、遮断損失が低く、グリーンアンテナによる上行リンクリンク品質の向上が顕著な屋内環境で特に顕著である。
• 理論的には、MSの最小送信電力能力およびネットワークのシグナル伝送制約の範囲内で、MSの送信電力を任意に低くできる。
• このアーキテクチャは、コアネットワークの変更や既存インfraの再編成を必要とせず、有線または指向性リンクによる拡張として動作する。