[論文レビュー] Mitigation of Human RF Exposure in 5G Downlink

Imtiaz Nasim, Seungmo Kim|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2018

Wireless Body Area Networks参考文献 6被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、5Gネットワークのダウンリンクプロトコルを提案し、最大EMF露出に基づいて基地局（BS）を選択することで、特定吸収率（SAR）を安全基準以下に保ちつつ、高いデータレートを維持する。プロトコルは高放出のBSを除外することでSAR露出を低減し、UEの70％が10 W/m²の電力密度ガイドライン未満に抑えられる。データレートは依然として7–17 Gbpsに達しており、ネットワーク性能を損なわせることなく効果的なEMF低減が可能であることが示された。

ABSTRACT

While research on communications at frequencies above 6 gigahertz (GHz) has been primarily confined to performance improvement, their potentially harmful impacts on human health are not studied as significantly. Most of the existing studies that paid attention to the health impacts above 6 GHz focused only on the uplink due to closer contact with a transmitter to a human body. In this letter, we present the human electromagnetic field (EMF) exposure in the downlink of Fifth-Generation Wireless Systems (5G). Moreover, we propose a downlink protocol that guarantees the EMF exposure under a threshold while keeping the data rate above the 5G requirements.

研究の動機と目的

• 6 GHzを超える周波数帯における5Gダウンリンクにおける人間の電磁界（EMF）露出のリスクを調査すること。
• 従来の研究が主にアップリンク露出に注目しているのに対し、ダウンリンクのギャップを埋めること。
• 5Gネットワークにおける高いデータレートを維持しつつ、EMF露出が安全基準以下に保たれるプロトコルを提案すること。
• 高周波数帯において健康影響を評価する指標として、SARが電力密度（PD）よりも有用であることを示すこと。
• 完全に負荷がかかるネットワーク状態を想定した保守的で極限状態の解析により、安全余裕を確保すること。

提案手法

• 最大露出評価のため、都市マイクロ（UMi）パスロスモデルを用いた完全に負荷がかかる19セルの5G、4G、3.9Gネットワークを想定した極限状態のシステムモデルを採用。
• 3GPPリリース15に準拠した5Gのビーム幅と前方対後方比に基づき、方位角およびエレベーション利得を組み合わせた3次元アンテナ放射パターンモデルを用いる。
• Friis伝送方程式とパスロスモデルを用いて電力密度（PD）を計算し、式（6）から得られる浸透深さ（δ）との逆関係を用いてPDをSARに変換する。
• 電力密度（PD）がしきい値（10 W/m²）未満である基地局のみをサービングBSとして制限する基地局選択プロトコルを実装し、EMF露出が安全基準内に保たれるようにする。
• 1セクタあたり10,000回のUEドロップを想定し、PD、SAR、およびダウンリンクデータレートの累積分布関数（CDF）を用いて性能を評価する。
• 5G、4G、3.9Gシステム間の比較を通じて、周波数の上昇、小セルトポロジー、指向性ビームフォーミングの影響によるSARの増加を明らかにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 5Gダウンリンクにおける人間のEMF露出は、4Gおよび3.9Gと比較してSARおよび電力密度の観点でどのように異なるか？
• RQ2 6 GHzを超える周波数帯において、SARが電力密度（PD）よりも健康影響を評価する上でより有用な指標である理由は何か？
• RQ3 ダウンリンク伝送プロトコルは、データレート性能を損なわせることなくEMF露出を効果的に低減できるか？
• RQ4 5GネットワークにおけるEMF露出低減と実現可能なダウンリンクデータレートの間には、どのようなトレードオフがあるか？
• RQ5 5Gにおける小セルおよび高利得指向性アンテナの使用は、人体に近い位置でのSARレベルをどの程度悪化させるか？

主な発見

• 5Gダウンリンクでは、4Gおよび3.9Gと比較して顕著に高いSARレベルが観測され、UEの約70％が10 W/m²のPDガイドラインを超えて露出している。
• 提案されたプロトコルは、低放出基地局のみを選択することでPDを10 W/m²のしきい値未満に抑え、現在の安全基準に準拠していることを確認した。
• 制限が加えられても、プロトコルはダウンリンクデータレートを7～17 Gbpsに維持しており、スペクトル効率は8.2～20 bps/Hzに達し、5Gの目標である7.73 bps/Hzを上回っている。
• 5GにおけるSARの上昇は、28 GHz帯の浅い浸透深さおよび、BS-UE距離が近い小セルトポロジーに起因している。
• 本研究では、現在の安全基準がPDに基づいているものの、SARがエネルギー吸収のより正確な指標であることが判明し、規制当局が5G以降のSARベースの基準を策定すべきであると提言する。
• CDFを用いた評価により、19セルネットワーク構成全体でPDおよびSARが一貫して低減されていることが実証された。