[논문 리뷰] Human Exposure to RF Fields in 5G Downlink

Imtiaz Nasim, Seungmo Kim|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 10.

Electromagnetic Fields and Biological Effects참고 문헌 11인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 3GPP 릴리스 14 기반 시뮬레이션을 사용하여 5G 다운링크에서 인간의 RF 필드 노출을 조사한다. 5G(28 GHz, 200 m 세포 반경)와 릴리스 9(1.9 GHz, 1,000 m 세포 반경)를 비교하며, 밀도 높은 소셀과 고도로 방향성 있는 비트로 인해 5G 다운링크가 더 높은 전력 밀도(PD)와 특별 흡수율(SAR)을 유발함을 발견하였다. 이는 밀리미터파 안전 기준에 SAR를 핵심 지표로 포함시켜야 한다는 것을 시사하며, 이는 장거리 전파 조건에서도 성립한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다운링크에 비해 아직 탐색이 부족한 분야인 5G 다운링크에서 인간의 RF 노출 수준을 분석하기 위해.
• 5G(28 GHz, 200 m 사이트 간 거리)와 릴리스 9(1.9 GHz, 1,000 m 사이트 간 거리) 시스템 간의 PD 및 SAR 수준을 비교하기 위해.
• 밀리미터파 주파수에서 먼 거리에서도 SAR가 무시할 수 없는지 평가하기 위해, 특히 밀리미터파 주파수에서 깊이 침투가 얕은 점을 고려하여.
• 5G 밀리미터파 네트워크에서 밀도 높은 소셀 배치와 고이득 빔포밍이 인간에게 미치는 건강 위험을 부각하기 위해.
• 다운링크 RF 필드에 대한 인간의 노출을 최소화하기 위한 규제 및 시스템 수준의 설계 개선을 촉구하기 위해.

제안 방법

• 28 GHz에서 16×16 및 8×8 진동수 배열을 사용하여 3GPP 릴리스 14 사양에 기반한 5G 네트워크 시뮬레이션을 수행한다.
• 실제 다운링크 빔포밍을 모델링하기 위해 시간분할 duplexing(TDD) 및 단일 사용자 MIMO 전송 방식을 사용한다.
• 도시 매크로(UMa), 도시 마이크로(UMi), 풍부한 산란(RMA) 환경에서 액세스 포인트(AP)로부터 다양한 거리에서 PD 및 SAR 값을 비교한다.
• ICNIRP 및 FCC 지침을 적용하여 PD 및 SAR 노출 한계를 평가하고, 장거리 조건에서의 준수 여부를 분석한다.
• 10g 조직 기반으로 SAR를 계산하기 위해 3차원 해부학적 머리 및 몸체 프로브를 사용하여 인간의 노출를 모델링한다.
• 더 작은 세포 크기(200 m 대비 1,000 m ISD)와 더 높은 안테나 이득(각 요소당 최대 5 dBi)이 RF 노출 지표에 미치는 영향을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 5G 다운링크 노출은 현재 4G 시스템보다 유의미하게 높은 전력 밀도(PD)를 유발하는가?
• RQ2 밀리미터파 주파수에서 침투 깊이가 얕음에도 불구하고, 밀리미터파 다운링크에서 먼 거리 조건에서도 특별 흡수율(SAR)이 무시할 수 없는가?
• RQ3 밀도 높은 소셀과 고이득 빔포밍은 5G에서 인간의 RF 노출을 얼마나 증가시키는가?
• RQ4 멀리 떨어진 조건에서도 밀리미터파 다운링크 노출 평가에 SAR를 규제 지표로 고려해야 하는가?
• RQ5 사이트 간 거리 및 어레이 크기와 같은 5G 시스템 파라미터는 PD 및 SAR 수준에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 5G 다운링크 RF 필드는 릴리스 9보다 유의미하게 높은 전력 밀도(PD)를 유도하며, 더 작은 세포 크기로 인해 최대 50 m 거리까지 PD 값이 높게 유지된다.
• 5G에서 16×16 진동수 배열을 사용할 경우, 릴리스 9의 4×4 어레이에 비해 훨씬 높은 PD 및 SAR 수준을 보이며, 특히 사용자가 빔 방향에 가까울 경우 더욱 두드러진다.
• 42.5 GHz에서 침투 깊이가 0.41 mm로 얕음에도 불구하고, 높은 빔 집중도와 AP에의 근접성으로 인해 밀리미터파 다운링크 신호가 머리 및 몸통에서 유의미하게 높은 SAR 수준을 유발한다.
• 멀리 떨어진 조건에서도 5G 다운링크의 SAR는 릴리스 9를 초과하며, 이는 near-field 노출에서만 SAR가 관련이 있다는 가정을 도전한다.
• 현재 PD 기반의 규제 기준만으로는 5G 밀리미터파 시스템에 대해 충분하지 않으며, 현실적인 배치 조건에서 SAR 수준이 안전 기준을 초과함을 시사한다.
• 이 연구는 밀리미터파 다운링크 노출 평가 시 PD와 함께 SAR를 고려해야 하며, 특히 소셀이 밀도 높게 배치된 도시 지역에서 그러한 고려가 중요하다고 결론 내린다.