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

論文創(chuàng)新點(diǎn)

研究提出了一種基于通信系統(tǒng)的確定性模型以獲得簡(jiǎn)單公式，只需要知道天線的服務(wù)區(qū)域角度擴(kuò)展和包絡(luò)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(shù)的有效近似值，使這些公式適用于人體暴露評(píng)估中5G小區(qū)內(nèi)電磁場(chǎng)的初步快速估計(jì)。

01

實(shí)驗(yàn)方法

該模型是用在一些簡(jiǎn)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(tǒng)確定的人體暴露評(píng)估衰減系數(shù)。與其他需要天線方向圖詳細(xì)知識(shí)的方法不同，所提出的公式只需要了解包絡(luò)輻射方向圖，也稱為波束包絡(luò)。根據(jù)功率密度評(píng)估衰減系數(shù)，EMF的降低可以直接評(píng)估為功率密度降低系數(shù)的平方根。

使用簡(jiǎn)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(duì)場(chǎng)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(gè)用戶覆蓋(?α、α)角度范圍；單位時(shí)間內(nèi)服務(wù)于P(單元的用戶總數(shù))以外的N個(gè)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(wù)需要的時(shí)間；假設(shè)所有可能的輻射方向圖相對(duì)于主瓣對(duì)稱，并且與角度旋轉(zhuǎn)相等。文章提出的方法的基本思想是比較在觀測(cè)位置(角度)θ0接收到的功率密度，其中RU被放置在兩個(gè)不同的場(chǎng)景(各向同性天線和波束控制天線)中。

如上所述，對(duì)兩種情況中其他用戶在場(chǎng)的情況下(即N>1)，求觀測(cè)點(diǎn)的功率密度之比。這個(gè)比率稱為Fant：

表明EMF功率降低與基站服務(wù)的角度扇區(qū)擴(kuò)展以及天線的方向性成反比。

圖1. 簡(jiǎn)化的2D空間傳播模型。

該模型是為波束控制和波束網(wǎng)格天線開發(fā)的。在用戶眾多的情況下，F(xiàn)ant可以近似為：

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

模型還可擴(kuò)展到分析每個(gè)用戶只有一層的多用戶大規(guī)模MIMO天線的情況，表明在對(duì)天線波束進(jìn)行適當(dāng)假設(shè)的情況下，可以在不明確了解MIMO系統(tǒng)層數(shù)的情況下估計(jì)衰減參數(shù)。

其中，Dsb是供應(yīng)商提供的單波束天線方向圖的方向性。Dsb值可通過供應(yīng)商提供的包絡(luò)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?jǐn)U展到3D，從而在N較大的相關(guān)情況下獲得以下近似值：

其中ω是天線所服務(wù)區(qū)域的立體角，Deq是等效方向性，其值取決于天線。

02

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將文章提出的簡(jiǎn)單確定性模型獲得的結(jié)果與統(tǒng)計(jì)模型的結(jié)果進(jìn)行比較。如圖2為波束轉(zhuǎn)向情況，針對(duì)單位時(shí)間內(nèi)服務(wù)的不同用戶數(shù)N繪制了8個(gè)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(jìn)行比較。

可以看出，單位時(shí)間內(nèi)的用戶數(shù)量越多，出現(xiàn)大量用戶集群的可能性越小。因此，當(dāng)N較大時(shí)，統(tǒng)計(jì)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(shí)線)，使得π/(αD’)成為大N時(shí)95百分位值的合理近似值。同樣的結(jié)論適用于波束網(wǎng)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(zhuǎn)向情況下8個(gè)元素的均勻線性相位陣列和α=π/2的Fant的CDF。

圖3.波束網(wǎng)格天線的情況下8個(gè)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(duì)覆蓋角為2α=2π、層數(shù)為L(zhǎng)=2和L=3的8個(gè)和16個(gè)單元的ULA天線進(jìn)行了模擬。

03

總結(jié)與展望

在人員安全合規(guī)性框架中的相關(guān)值是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的一段時(shí)間內(nèi)測(cè)量點(diǎn)處的功率密度或場(chǎng)平均值。從測(cè)量數(shù)據(jù)開始，可以使用功率外推技術(shù)來估計(jì)最大功率。然而，這個(gè)值是一個(gè)上限，在實(shí)際場(chǎng)景中是達(dá)不到的。事實(shí)上，5G天線將其波段的最大值指向要服務(wù)的用戶，根據(jù)5G通信系統(tǒng)采用的調(diào)度策略，導(dǎo)致用戶的功率密度平均值下降。因此，需要進(jìn)一步計(jì)算來獲得平均功率密度的實(shí)際值。文章主要討論這第二步。

文章通過一個(gè)簡(jiǎn)化的通信系統(tǒng)確定性模型，提出了一些簡(jiǎn)單公式，用于估計(jì)由部署在5G通信系統(tǒng)中的現(xiàn)代天線決定的電磁場(chǎng)功率密度降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，盡管該方法很簡(jiǎn)單，但與最新文獻(xiàn)中報(bào)告的結(jié)果相比，該公式對(duì)大量用戶情況下的功率密度給出了一個(gè)合理的近似值。另外考慮到直接從包絡(luò)輻射模式圖中獲得Deq的可能性，使得文章提出的公式對(duì)于初步快速估計(jì)5G小區(qū)中的電磁場(chǎng)以進(jìn)行人體暴露評(píng)估非常有用。

審核編輯：劉清