[論文レビュー] Human Exposure to RF Fields in 5G Downlink

Imtiaz Nasim, Seungmo Kim|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2017

Electromagnetic Fields and Biological Effects参考文献 11被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、3GPP Release 14に基づくシミュレーションを用いて、5Gダウンリンクにおける人間のRF場への露出を調査し、5G（28 GHz、200 mセル半径）とRelease 9（1.9 GHz、1,000 mセル半径）を比較している。5Gダウンリンクは、小セルの密度の向上と高指向性ビームの導入により、顕著に高い電力密度（PD）と比吸収率（SAR）を発生させることが判明した。これは、遠距離伝搬であってもmmWaveの安全基準においてSARを主要な指標に含めるべきであることを示唆している。

ABSTRACT

While cellular communications in millimeter wave (mmW) bands have been attracting significant research interest, their potential harmful impacts on human health are not as significantly studied. Prior research on human exposure to radio frequency (RF) fields in a cellular communications system has been focused on uplink only due to the closer physical contact of a transmitter to a human body. However, this paper claims the necessity of thorough investigation on human exposure to downlink RF fields, as cellular systems deployed in mmW bands will entail (i) deployment of more transmitters due to smaller cell size and (ii) higher concentration of RF energy using a highly directional antenna. In this paper, we present human RF exposure levels in downlink of a Fifth Generation Wireless Systems (5G). Our results show that 5G downlink RF fields generate significantly higher power density (PD) and specific absorption rate (SAR) than a current cellular system. This paper also shows that SAR should also be taken into account for determining human RF exposure in the mmW downlink.

研究の動機と目的

• ダウンリンクにおいてはこれまであまり調査が行われてこなかった5Gダウンリンクにおける人間のRF露出レベルを分析すること。
• 5G（28 GHz、200 m インターサイト距離）とRelease 9（1.9 GHz、1,000 m インターサイト距離）のシステム間でPDおよびSARレベルを比較すること。
• mmWave周波数帯における遠距離伝搬でもSARが無視できない水準であるかどうかを評価し、距離に応じてSARが無視できるという仮定に疑問を呈すること。
• 5G mmWaveネットワークにおける高密度小セルと高利得ビームフォーミングが引き起こす健康リスクを強調すること。
• 人間のRF露出を最小限に抑えるために、規制およびシステムレベルの設計見直しを提言すること。

提案手法

• 3GPP Release 14仕様に従い、28 GHzで16×16および8×8フェーズドアレイアンテナを用いた5Gネットワークのシミュレーションを実施した。
• 時間分割duplex（TDD）および単一ユーザーMIMO伝送方式を用いて、現実的なダウンリンクビームフォーミングをモデル化した。
• 都市マクロ（UMa）、都市マイクロ（UMi）、豊富な散乱環境（RMA）の3つの環境において、アクセスポイント（AP）からの距離に応じたPDおよびSAR値を比較した。
• ICNIRPおよびFCCのガイドラインに従い、SARおよびPDの露出限度を適用し、遠距離伝搬条件での適合性を評価した。
• 10g組織におけるSARを計算するために、3次元解剖学的頭部および体幹プロトタイプを用いて人間の露出をモデル化した。
• セルサイズの縮小（200 m 対 1,000 m ISD）およびアンテナ利得の上昇（1素子あたり最大5 dBi）がRF露出指標に与える影響を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 5Gダウンリンク露出は、現在の4Gシステムと比較して顕著に高い電力密度（PD）を発生するか？
• RQ2 mmWave周波数帯の浅い浸透深さを考慮しても、遠距離伝搬条件下で5Gダウンリンクの比吸収率（SAR）は無視できない水準か？
• RQ3 高密度小セルと高利得ビームフォーミングは、5Gにおける人間のRF露出をどの程度増加させるか？
• RQ4 遠距離伝搬条件であっても、mmWaveダウンリンク露出の規制指標としてSARを考慮すべきか？
• RQ5 インターサイト距離やアレイサイズといった5Gシステムパラメータは、PDおよびSARレベルにどのように影響を与えるか？

主な発見

• 5GダウンリンクRF場は、Release 9と比較して顕著に高い電力密度（PD）を発生させ、小セルサイズの縮小に起因して、距離が50 mまでPDが依然として高い水準を維持している。
• 5Gで使用される16×16フェーズドアレイは、Release 9の4×4アレイと比較して、特にビーム方向に近いユーザーでははるかに高いPDおよびSARを発生させる。
• 42.5 GHzにおける浸透深さが0.41 mmと浅いにもかかわらず、高指向性ビームとAPに近接する状況により、頭部および体幹におけるSARが顕著に上昇している。
• 遠距離伝搬条件でも5GダウンリンクのSARはRelease 9を上回っており、SARは近距離露出でのみ関係があるという仮定に疑問を呈している。
• 現在の基準はPDのみに基づいているが、実際の展開状況を想定するとSARが安全基準を超える可能性があるため、5G mmWaveシステムでは不十分であると示唆している。
• 本研究は、高密度都市部における小セル展開が進む状況では、SARをPDとともにmmWaveダウンリンク露出評価に組み込む必要があると結論づけている。