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破解5G基地台迷思 評估大規模MIMO的電磁波效應
新型工具、模型與初始測量

【作者: 愛美科提供】   2021年10月21日 星期四

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大規模多輸入多輸出(Massive MIMO)技術,如同毫米波與小型基地台技術,被視為實現未來5G網路的關鍵推手。這項技術採用由幾十個子元件構成的天線陣列,而這些元件能控制無線電波束,並傳輸到行動裝置使用者的確切位置,進而大幅提升資料傳輸率和訊號覆蓋範圍,甚至當使用者不在天線傳輸的視線範圍內,或是在出現大量反射的(室內)網路使用情境中,效能皆然。


導入這些全新的無線網路技術必定要開發出新方法,來建模並預測其所帶來的電磁場暴露(electromagnetic field exposure)。到目前為止,計算行動網路所發射的電磁波都還算簡單易懂,主要考量兩項參數,亦即使用者與天線的相對位置,以及天線的無線電訊號方向(輻射場型)。


不過呢,可控的無線電波束也增加了這些計算的複雜度。想像個情景,有兩個人同坐在某公園的一張長椅上,在3G或4G時代,兩人會從頭到腳暴露在附近行動網路天線所發射的電磁波之下。但如果是在大規模MIMO基地台的使用情境呢,每個人會因為波束控制(beam steering)效應而感受到完全不同的電磁波暴露等級,就算彼此僅僅相隔幾十公分。


本文將介紹一些新型工具和模型來評估大規模MIMO系統的電磁波暴露效應,並與現有方法進行比較。同時分享歐洲首場3.5GHz大規模MIMO現實試驗所使用的電磁波測量方法,提供更多相關資訊。最後,更首度嘗試解釋這些試驗所得的數據,採納國際非游離輻射防護委員會(ICNIRP)的電磁波暴露標準。


大規模MIMO的成功密技:預編碼設計

4G時代,天線通常由涵蓋角度為120度的單一波束發射訊號。然而,採用大規模MIMO技術的5G網路卻預先考量了每位使用者的空間通道(spatial channel)。運用複雜的預編碼技術,能夠調變無線電訊號的振幅與相位,進而控制波束導向至特定方向,因此能夠提供使用者個人熱點。


為了進一步瞭解這些預編碼機制,並評估其對產生電磁場的影響,愛美科在比利時根特大學設置的WAVES研究團隊進行了幾次模擬,並在其實驗室中驗證所取得的數據。


他們模擬了工業的室內使用情境,不僅塞滿了金屬物品,還在5G天線與19位虛擬使用者之間額外放置一塊金屬片。基於測試目的,該實驗的大規模MIMO基地台提供每位使用者36個天線元件。



圖一 : 為了評估大規模MIMO系統的電磁場暴露效應,愛美科實驗在占地15m X 40m X 5m的工業室內場景中設置了水泥牆和理想電導體(PEC)散射體,並採用3.7GHz頻段、6x6陣列且天線空間分隔的大規模MIMO基地台,虛擬使用者(用戶端設備)共計19人。(source:imec/Ghent University)
圖一 : 為了評估大規模MIMO系統的電磁場暴露效應,愛美科實驗在占地15m X 40m X 5m的工業室內場景中設置了水泥牆和理想電導體(PEC)散射體,並採用3.7GHz頻段、6x6陣列且天線空間分隔的大規模MIMO基地台,虛擬使用者(用戶端設備)共計19人。(source:imec/Ghent University)

該實驗研究了三種預編碼策略:等效增益(equal gain)傳輸、最大比率(maximum ration)傳輸與強制歸零(zero forcing)。


結果顯示,每種預編碼策略都能有效產生個人熱點或無線電波束,行動網路就算在嚴峻的條件下,也能實現優異的傳輸效能。同時,大規模MIMO技術採用以使用者為主的運作方法,似乎也讓電磁場暴露的測量變得更加難以


預測。


如前所述,在3G或4G的使用場景,電磁場的暴露主要依據使用者與天線的距離以及無線電訊號的方向而定。但就5G來說,使用者與智慧型手機的互動也成了重要因素。因此,目前全球對無線網路電磁波生成所知的一切已不再適用了。


測量電磁場暴露最大值與平均值的新方法

因此,WAVES研究團隊改造了現有的混合式射線追蹤技術,開發出新工具和模型來準確測量與評估大規模MIMO系統對人體局部與整體所產生的電磁場暴露影響。


大規模MIMO網路使用兩種波束來調校無線電訊號的方向至使用者的位置,包含用來確認使用者位置的控制波束,以及實際的使用者波束。為了準確計算5G的電磁場數值,必須檢查並核算這兩種波束。


WAVES研究成員找到了一種新方法來確定電磁場暴露的最大值與平均值,其中,暴露的最大值透過詳細記錄控制波束,隨後乘以X倍來定義,舉例來說,如果計算者假設只有單一使用者獨佔該訊號,則乘以100%。


為了實現這項計算方法,通常必須進行詳細的帶內測量,在本實驗中,就是3.5GHz頻段,藉此確定控制訊號與使用者訊號的參數。儘管現在的計算方法通常需要原電信商提供這些參數,WAVES研究團隊已成功找到方法來自行計算。根據計算結果就能重建出目標訊號,然後再算出暴露最大值與平均值。


該研究團隊發現,利用典型的頻譜分析儀,他們不需電信運營商就能獨立完成計算,不僅所需的資料量小,還能達到成本效益(因為頻譜分析儀比起現有的專用方案,價格低了數倍)。而且這套方法還能用來計算3G、4G和5G網路。


經過一系列的實驗(包含檢測實驗室實驗與兩次現場實驗),這項新方法已獲得證實,其測量結果與運用更高單價的儀器測得的數值相符。


現場測試:德國杜賽道夫與法國里爾

:為了確認實驗結果,該研究團隊在德國杜賽道夫與法國里爾的5G測試場域進行了幾項實驗,評估了各種不同場景,從一般通話、視訊通話,到提升網路負載至理論最大值。


在距離5G基地台60~70公尺的地方,這些實驗記錄了以下電磁場輻射等級:


 一般通話:0.3V/m(平均值)~5.5V/m(最壞情況)


 視訊通話:0.3V/m(平均值)~5.4V/m(最壞情況)


 最大網路負載:3.7V/m(平均值)~5.3V/m(最壞情況)



圖二 : 新型電磁場測量方法的現場驗證情景。(source:imec/Ghent University)
圖二 : 新型電磁場測量方法的現場驗證情景。(source:imec/Ghent University)

這些測量結果指出,與智慧型手機進行互動的網路使用者—他們因此使用了專用的5G無線電波束,可能會接受到較高的(局部)電磁波數值。不過,未使用5G的網路使用者(平均來說)其所承受的電磁輻射似乎比4G網路還要來得少。換句話說,5G有可能降低全球行動網路的電磁波暴露,尤其5G技術在導入之初,就被視為重新思考並優化整體網路的契機,還可望降低特定天線發射的輻射。


儘管如此,這方面還需要進一步研究。例如,目前的試驗都是在實驗專用網路上進行,使用的都是早期版本的5G技術,不僅使用者數量少,資料流量也有限。然而,隨著新冠肺炎疫情的旅遊限制解禁,未來實驗將在已啟用商用5G的澳洲和瑞士進行。藉此提供更多的精準數據,對進一步開發與改良5G技術來說至關重要。


破解健康危機迷思

在很多國家,民眾對5G網路產生的電磁輻射表示擔憂,甚至因為地方與國際的衡量方法或標準不一,使得這項議題更為複雜。


從科學的角度來看,世界衛生組織(WHO)根據ICNIRP的相關準則,已經發布了黃金標準。該標準考量了那些經過科學證實暴露在行動網路電磁輻射之下所帶來的影響,即如果長期握著手機靠近頭部會導致腦部發熱。


WHO的標準在900MHz頻段下為41V/m,相當於3.5GHZ頻段下的61V/m。要注意的是,該標準還容許了50倍的安全限度。


儘管WHO的標準獲多國採用,包括荷蘭,其他國家和地區仍選擇了較保守的標準。例如,比利時法蘭德斯區採用的標準在900Hz頻段下為每一天線3V/m。


就法蘭德斯而言,針對每一天線輻射(單位為V/m)的現行標準顯然已經過時。新衡量方法與標準正在籌備中,不僅會根據像是大規模MIMO等新技術改良,還會考量5G未來會使用的高頻段。國際上,隨著其他技術的導入,例如毫米波,相同作法勢必也會跟進。


總結

顯而易見,5G網路和前幾代技術不同,優先考量了使用者。雖然這麼做帶給訊號品質正面影響,但就電磁輻射場型而言,卻變得更難以預測。


一項關鍵發現是,與智慧型手機互動的人可能感受到較高程度的(局部)電磁場暴露,他們也因此運用了專用的5G無線電波束,但不使用5G網路的人接收到的輻射似乎比在4G網路中的還要少。


上述兩項發現可能會對5G網路的部署與啟用產生深遠影響,但5G在電磁波領域到底帶來那些確切影響,仍待更多研究進行評估。


(本文由愛美科授權提供;作者Wout Jeseph教授任職於愛美科WAVES研究團隊/編譯:吳雅婷)


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