[논문 리뷰] Mitigation of Human RF Exposure in 5G Downlink

Imtiaz Nasim, Seungmo Kim|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 23.

Wireless Body Area Networks참고 문헌 6인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 5G 네트워크의 다운링크 프로토콜을 제안하며, 특정 흡수율(SAR)이 안전 기준 이하로 유지되면서도 높은 데이터 전송 속도를 유지를 위해 최대 전자기장(EMF) 노출 기반으로 기지국(BS)을 선택한다. 프로토콜은 고노출 기지국을 배제함으로써 SAR 노출을 감소시켜, 최대 70%의 사용자 equipment(UE)가 10 W/m²의 전력 밀도 지침 이하로 유지되며, 데이터 전송 속도는 여전히 7–17 Gbps에 도달함을 보여주어 네트워크 성능을 희생시키지 않은 효과적인 EMF 완화를 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 6 GHz 이상의 주파수에서 5G 다운링크에서 인간의 전자기장(EMF) 노출 위험을 조사한다.
• 기존 연구가 주로 업링크 노출에 집중하는 데 반해, 다운링크에 대한 연구 격차를 보완한다.
• 5G 네트워크에서 고속 데이터 전송을 유지하면서도 EMF 노출이 안전 기준 이하로 유지되도록 프로토콜을 제안한다.
• 고주파수에서 건강 영향 평가에 있어 전력 밀도(PD)보다 SAR가 더 유용한 지표임을 입증한다.
• 완전히 포화된 네트워크 조건에서의 보수적이고 최악의 경우 분석을 통해 안전 여유를 확보한다.

제안 방법

• 최대 노출 평가를 위해 도시 마이크로(UMi) 경로 손실 모델을 사용한 19셀 5G, 4G, 3.9G 네트워크를 완전히 포화된 최악의 시스템 모델로 채택한다.
• 3GPP 릴리스 15 기반으로 5G의 조사각 및 고도 각도 이득을 포함한 3차원 안테나 방사 패턴 모델을 사용한다.
• 프리우스 전송 방정정식과 경로 손실 모델을 사용해 전력 밀도(PD)를 계산한 후, 식 (6)에서 제시된 침투 깊이(δ)와의 역관계를 이용해 PD를 SAR로 변환한다.
• 서빙 기지국을 전력 밀도(PD)가 임계값(10 W/m²) 이하인 기지국으로 제한하는 기지국 선택 프로토콜을 구현하여 EMF 노출이 안전 기준 이내로 유지되도록 보장한다.
• 각 셀당 10,000건의 UE 드롭을 기반으로 PD, SAR 및 다운링크 데이터 전송 속도의 누적분포함수(CDF)를 사용해 성능을 평가한다.
• 5G, 4G, 3.9G 시스템 간의 결과를 비교하여 고주파수, 소셀 구조 및 방향성 빔포밍으로 인한 5G에서의 증가한 SAR를 강조한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 5G 다운링크에서의 인간 EMF 노출은 4G 및 3.9G와 비교해 SAR 및 전력 밀도 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ2 6 GHz 이상의 주파수에서 건강 영향 평가에 있어 전력 밀도(PD)보다 SAR가 더 정보적인 지표인 이유는 무엇인가?
• RQ3 다운링크 전송 프로토콜이 데이터 전송 속도 성능을 희생시키지 않고도 효과적으로 EMF 노출을 감소시킬 수 있는가?
• RQ4 5G 네트워크에서 EMF 노출 완화와 달성 가능한 다운링크 데이터 전송 속도 사이의 상호 교환 관계는 어떠한가?
• RQ5 5G에서 소셀 및 고이득 방향성 안테나의 사용이 인간 신체 근처의 SAR 수준을 얼마나 악화시키는가?

주요 결과

• 5G 다운링크 노출은 4G 및 3.9G보다 상당히 높은 SAR 수준을 보이며, 거의 70%의 UE가 10 W/m²의 전력 밀도 지침을 초과한다.
• 제안된 프로토콜은 저노출 기지국만 선택함으로써 PD를 10 W/m² 이하로 제한하여 현재 안전 지침 준수를 보장한다.
• 제한 조건에도 불구하고 프로토콜은 다운링크 데이터 전송 속도를 7~17 Gbps로 유지하며, 스펙트럼 효율은 8.2~20 bps/Hz에 도달하여 5G 목표치인 7.73 bps/Hz를 초과한다.
• 5G의 SAR 수준이 높은 것은 28 GHz에서의 얕은 침투 깊이와 더 가까운 BS-UE 거리로 인한 소셀 구조 때문이지만, 이는 주로 고주파수와 방향성 빔포밍의 영향을 받는다.
• 본 연구는 현재 안전 지침이 전력 밀도 기반임을 확인했지만, SAR가 에너지 흡수를 더 정확하게 반영하므로, 향후 5G 및 그 이상의 표준에서 SAR 기반 기준 설정을 촉구한다.
• CDF 분석을 통해 19셀 네트워크 레이아웃 전반에서 PD 및 SAR가 일관되게 감소하는 프로토콜의 효과가 입증되었다.