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破解5G基地台迷思 评估大规模MIMO的电磁波效应
新型工具、模型与初始测量

【作者: 愛美科提供】2021年10月21日 星期四

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大规模多输入多输出(Massive MIMO)技术,如同毫米波与小型基地台技术,被视为实现未来5G网路的关键推手。这项技术采用由几十个子元件构成的天线阵列,而这些元件能控制无线电波束,并传输到行动装置使用者的确切位置,进而大幅提升资料传输率和讯号覆盖范围,甚至当使用者不在天线传输的视线范围内,或是在出现大量反射的(室内)网路使用情境中,效能皆然。


导入这些全新的无线网路技术必定要开发出新方法,来建模并预测其所带来的电磁场暴露(electromagnetic field exposure)。到目前为止,计算行动网路所发射的电磁波都还算简单易懂,主要考量两项叁数,亦即使用者与天线的相对位置,以及天线的无线电讯号方向(辐射场型)。


不过呢,可控的无线电波束也增加了这些计算的复杂度。想像个情景,有两个人同坐在某公园的一张长椅上,在3G或4G时代,两人会从头到脚暴露在附近行动网路天线所发射的电磁波之下。但如果是在大规模MIMO基地台的使用情境呢,每个人会因为波束控制(beam steering)效应而感受到完全不同的电磁波暴露等级,就算彼此仅仅相隔几十公分。


本文将介绍一些新型工具和模型来评估大规模MIMO系统的电磁波暴露效应,并与现有方法进行比较。同时分享欧洲首场3.5GHz大规模MIMO现实试验所使用的电磁波测量方法,提供更多相关资讯。最後,更首度尝试解释这些试验所得的数据,采纳国际非游离辐射防护委员会(ICNIRP)的电磁波暴露标准。


大规模MIMO的成功密技:预编码设计

4G时代,天线通常由涵盖角度为120度的单一波束发射讯号。然而,采用大规模MIMO技术的5G网路却预先考量了每位使用者的空间通道(spatial channel)。运用复杂的预编码技术,能够调变无线电讯号的振幅与相位,进而控制波束导向至特定方向,因此能够提供使用者个人热点。


为了进一步了解这些预编码机制,并评估其对产生电磁场的影响,爱美科在比利时根特大学设置的WAVES研究团队进行了几次模拟,并在其实验室中验证所取得的数据。


他们模拟了工业的室内使用情境,不仅塞满了金属物品,还在5G天线与19位虚拟使用者之间额外放置一块金属片。基於测试目的,该实验的大规模MIMO基地台提供每位使用者36个天线元件。



图一 : 为了评估大规模MIMO系统的电磁场暴露效应,爱美科实验在占地15m X 40m X 5m的工业室内场景中设置了水泥墙和理想电导体(PEC)散射体,并采用3.7GHz频段、6x6阵列且天线空间分隔的大规模MIMO基地台,虚拟使用者(用户端设备)共计19人。(source:imec/Ghent University)
图一 : 为了评估大规模MIMO系统的电磁场暴露效应,爱美科实验在占地15m X 40m X 5m的工业室内场景中设置了水泥墙和理想电导体(PEC)散射体,并采用3.7GHz频段、6x6阵列且天线空间分隔的大规模MIMO基地台,虚拟使用者(用户端设备)共计19人。(source:imec/Ghent University)

该实验研究了三种预编码策略:等效增益(equal gain)传输、最大比率(maximum ration)传输与强制归零(zero forcing)。


结果显示,每种预编码策略都能有效产生个人热点或无线电波束,行动网路就算在严峻的条件下,也能实现优异的传输效能。同时,大规模MIMO技术采用以使用者为主的运作方法,似??也让电磁场暴露的测量变得更加难以


预测。


如前所述,在3G或4G的使用场景,电磁场的暴露主要依据使用者与天线的距离以及无线电讯号的方向而定。但就5G来说,使用者与智慧型手机的互动也成了重要因素。因此,目前全球对无线网路电磁波生成所知的一切已不再适用了。


测量电磁场暴露最大值与平均值的新方法

因此,WAVES研究团队改造了现有的混合式射线追踪技术,开发出新工具和模型来准确测量与评估大规模MIMO系统对人体局部与整体所产生的电磁场暴露影响。


大规模MIMO网路使用两种波束来调校无线电讯号的方向至使用者的位置,包含用来确认使用者位置的控制波束,以及实际的使用者波束。为了准确计算5G的电磁场数值,必须检查并核算这两种波束。


WAVES研究成员找到了一种新方法来确定电磁场暴露的最大值与平均值,其中,暴露的最大值透过详细记录控制波束,随後乘以X倍来定义,举例来说,如果计算者假设只有单一使用者独占该讯号,则乘以100%。


为了实现这项计算方法,通常必须进行详细的带内测量,在本实验中,就是3.5GHz频段,藉此确定控制讯号与使用者讯号的叁数。尽管现在的计算方法通常需要原电信商提供这些叁数,WAVES研究团队已成功找到方法来自行计算。根据计算结果就能重建出目标讯号,然後再算出暴露最大值与平均值。


该研究团队发现,利用典型的频谱分析仪,他们不需电信运营商就能独立完成计算,不仅所需的资料量小,还能达到成本效益(因为频谱分析仪比起现有的专用方案,价格低了数倍)。而且这套方法还能用来计算3G、4G和5G网路。


经过一系列的实验(包含检测实验室实验与两次现场实验),这项新方法已获得证实,其测量结果与运用更高单价的仪器测得的数值相符。


现场测试:德国杜赛道夫与法国里尔

:为了确认实验结果,该研究团队在德国杜赛道夫与法国里尔的5G测试场域进行了几项实验,评估了各种不同场景,从一般通话、视讯通话,到提升网路负载至理论最大值。


在距离5G基地台60~70公尺的地方,这些实验记录了以下电磁场辐射等级:


冘 一般通话:0.3V/m(平均值)~5.5V/m(最坏情况)


冘 视讯通话:0.3V/m(平均值)~5.4V/m(最坏情况)


冘 最大网路负载:3.7V/m(平均值)~5.3V/m(最坏情况)



图二 : 新型电磁场测量方法的现场验证情景。(source:imec/Ghent University)
图二 : 新型电磁场测量方法的现场验证情景。(source:imec/Ghent University)

这些测量结果指出,与智慧型手机进行互动的网路使用者他们因此使用了专用的5G无线电波束,可能会接受到较高的(局部)电磁波数值。不过,未使用5G的网路使用者(平均来说)其所承受的电磁辐射似??比4G网路还要来得少。换句话说,5G有可能降低全球行动网路的电磁波暴露,尤其5G技术在导入之初,就被视为重新思考并优化整体网路的契机,还可??降低特定天线发射的辐射。


尽管如此,这方面还需要进一步研究。例如,目前的试验都是在实验专用网路上进行,使用的都是早期版本的5G技术,不仅使用者数量少,资料流量也有限。然而,随着新冠肺炎疫情的旅游限制解禁,未来实验将在已启用商用5G的澳洲和瑞士进行。藉此提供更多的精准数据,对进一步开发与改良5G技术来说至关重要。


破解健康危机迷思

在很多国家,民众对5G网路产生的电磁辐射表示担??,甚至因为地方与国际的衡量方法或标准不一,使得这项议题更为复杂。


从科学的角度来看,世界卫生组织(WHO)根据ICNIRP的相关准则,已经发布了黄金标准。该标准考量了那些经过科学证实暴露在行动网路电磁辐射之下所带来的影响,即如果长期握着手机靠近头部会导致脑部发热。


WHO的标准在900MHz频段下为41V/m,相当於3.5GHZ频段下的61V/m。要注意的是,该标准还容许了50倍的安全限度。


尽管WHO的标准获多国采用,包括荷兰,其他国家和地区仍选择了较保守的标准。例如,比利时法兰德斯区采用的标准在900Hz频段下为每一天线3V/m。


就法兰德斯而言,针对每一天线辐射(单位为V/m)的现行标准显然已经过时。新衡量方法与标准正在筹备中,不仅会根据像是大规模MIMO等新技术改良,还会考量5G未来会使用的高频段。国际上,随着其他技术的导入,例如毫米波,相同作法势必也会跟进。


总结

显而易见,5G网路和前几代技术不同,优先考量了使用者。虽然这麽做带给讯号品质正面影响,但就电磁辐射场型而言,却变得更难以预测。


一项关键发现是,与智慧型手机互动的人可能感受到较高程度的(局部)电磁场暴露,他们也因此运用了专用的5G无线电波束,但不使用5G网路的人接收到的辐射似??比在4G网路中的还要少。


上述两项发现可能会对5G网路的部署与启用产生深远影响,但5G在电磁波领域到底带来那些确切影响,仍待更多研究进行评估。


(本文由爱美科授权提供;作者Wout Jeseph教授任职於爱美科WAVES研究团队/编译:吴雅婷)


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