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https://ieeexplore.ieee.org/document/9277530

論文創新點

研究提出了一種基于通信系統的確定性模型以獲得簡單公式，只需要知道天線的服務區域角度擴展和包絡輻射模式即可。通過研究提出的模型獲得的公式可以得到功率衰減系數的有效近似值，使這些公式適用于人體暴露評估中5G小區內電磁場的初步快速估計。

01

實驗方法

該模型是用在一些簡單的分析公式中，這些公式近似于通過在5G基站中使用有源天線系統確定的人體暴露評估衰減系數。與其他需要天線方向圖詳細知識的方法不同，所提出的公式只需要了解包絡輻射方向圖，也稱為波束包絡。根據功率密度評估衰減系數，EMF的降低可以直接評估為功率密度降低系數的平方根。

使用簡化的2D確定性自由空間傳播模型分析波束控制天線的使用對場水平的影響，如圖1所示。2D模型由大量用戶P組成(在圓周C上畫為彩色圓圈)，每個用戶覆蓋(?α、α)角度范圍；單位時間內服務于P(單元的用戶總數)以外的N個用戶，包括RU用戶(參考用戶，以紅色圓圈表示)；M=(P?1)/(N?1)為所有P用戶提供服務需要的時間；假設所有可能的輻射方向圖相對于主瓣對稱，并且與角度旋轉相等。文章提出的方法的基本思想是比較在觀測位置(角度)θ0接收到的功率密度，其中RU被放置在兩個不同的場景(各向同性天線和波束控制天線)中。

如上所述，對兩種情況中其他用戶在場的情況下(即N>1)，求觀測點的功率密度之比。這個比率稱為Fant：

表明EMF功率降低與基站服務的角度扇區擴展以及天線的方向性成反比。

圖1. 簡化的2D空間傳播模型。

該模型是為波束控制和波束網格天線開發的。在用戶眾多的情況下，Fant可以近似為：

其中D’(θ0)=β(θ0)D。實際上，根據上述近似，使用波束網格的效果相當于減少公式中的方向性。D0與RU方向的包絡輻射模式一致。

模型還可擴展到分析每個用戶只有一層的多用戶大規模MIMO天線的情況，表明在對天線波束進行適當假設的情況下，可以在不明確了解MIMO系統層數的情況下估計衰減參數。

其中，Dsb是供應商提供的單波束天線方向圖的方向性。Dsb值可通過供應商提供的包絡輻射模式圖獲得。

將估算2D幾何體中Fant所遵循的步驟并行化，只需稍作修改，就可以將積分擴展到3D，從而在N較大的相關情況下獲得以下近似值：

其中ω是天線所服務區域的立體角，Deq是等效方向性，其值取決于天線。

02

實驗結果

將文章提出的簡單確定性模型獲得的結果與統計模型的結果進行比較。如圖2為波束轉向情況，針對單位時間內服務的不同用戶數N繪制了8個元素的均勻線性相位陣列和α=π/2情況下Fant的CDF；第95百分位的線顯示為黑色垂線。將黑線與N=200的情況(粗紅曲線)進行比較。

可以看出，單位時間內的用戶數量越多，出現大量用戶集群的可能性越小。因此，當N較大時，統計模型趨向于確定性模型。其中的CDF趨向于高度集中在π/(αD’)值上(圖中的垂直實線)，使得π/(αD’)成為大N時95百分位值的合理近似值。同樣的結論適用于波束網格天線和多用戶MIMO天線的情況，如圖3和圖4所示。

圖2. 波束轉向情況下8個元素的均勻線性相位陣列和α=π/2的Fant的CDF。

圖3.波束網格天線的情況下8個元素的均勻線性相位陣列和α=π/3的Fant的CDF(波束交叉為3dB，β=0.5)。

圖4. MIMO模型對覆蓋角為2α=2π、層數為L=2和L=3的8個和16個單元的ULA天線進行了模擬。

03

總結與展望

在人員安全合規性框架中的相關值是標準規定的一段時間內測量點處的功率密度或場平均值。從測量數據開始，可以使用功率外推技術來估計最大功率。然而，這個值是一個上限，在實際場景中是達不到的。事實上，5G天線將其波段的最大值指向要服務的用戶，根據5G通信系統采用的調度策略，導致用戶的功率密度平均值下降。因此，需要進一步計算來獲得平均功率密度的實際值。文章主要討論這第二步。

文章通過一個簡化的通信系統確定性模型，提出了一些簡單公式，用于估計由部署在5G通信系統中的現代天線決定的電磁場功率密度降低。實驗結果表明，盡管該方法很簡單，但與最新文獻中報告的結果相比，該公式對大量用戶情況下的功率密度給出了一個合理的近似值。另外考慮到直接從包絡輻射模式圖中獲得Deq的可能性，使得文章提出的公式對于初步快速估計5G小區中的電磁場以進行人體暴露評估非常有用。

審核編輯：劉清