CC BY
15
[ее]
http://dx.doi.org/10.35596/1729-7648-2021-19-6-42-50
Оригинальная статья Original paper
УДК 621.391.82
ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБСТАНОВКИ, СОЗДАВАЕМОЙ ИЗЛУЧЕНИЯМИ АБОНЕНТСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ СОТОВОЙ (МОБИЛЬНОЙ) СВЯЗИ В ЗДАНИЯХ
© Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, 2021
Аннотация. Цель работы - обоснование методики оценки интенсивности электромагнитного фона, создаваемого множеством излучающих абонентских устройств мобильной связи в многоэтажных зданиях. Для известных эмпирических моделей распространения радиоволн в зданиях получены выражения для плотности распределения вероятности и математического ожидания плотности потока мощности электромагнитных полей, создаваемых внутри здания этими устройствами из различных областей внутреннего пространства здания: из ближней зоны с распространением радиоволн, аналогичным условиям свободного пространства; и из дальней зоны, для которой наряду с интенсивным затуханием радиоволн вследствие внутренних препятствий (стен, перекрытий и др.) в отдельных направлениях возможно и «квазиволноводное» распространение радиоволн вдоль коридоров и производственных помещений. Получены соотношения для средних уровней отдельных слагаемых электромагнитного фона, определяемых в виде скалярных сумм значений плотности потока мощности полей, создаваемых излучениями множеств источников как ближней зоны, так и дальней зоны в целом либо ее отдельных частей, характеризуемых различными условиями распространения радиоволн. Предложена методика оценки электромагнитного фона внутри здания сложной формы с аппроксимацией участков внутренней поверхности помещения, в котором располагается точка наблюдения, и внешней поверхности здания, во внутреннем пространстве которого случайно распределены источники излучений, соответствующими участками внутренних и внешних сферических поверхностей, стягивающими соответствующие телесные углы, в элементах пространства которых возможны различные пространственные плотности и мощности излучения источников и различные условия распространения радиоволн. Результаты могут быть использованы для анализа электромагнитной экологии помещений и электромагнитной безопасности населения при полномасштабном внедрении мобильной связи 4G/5G/6G, а также для анализа электромагнитной совместимости систем, использующих полосы частот мобильной связи на первичной и вторичной основе.
Ключевые слова: мобильная связь, 4G, 5G, 6G, многоэтажное здание, абонентское устройство, электромагнитное излучение, электромагнитный фон, распространение радиоволн, электромагнитная безопасность.
Конфликт интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.
Для цитирования. Мордачев В.И. Характеристики электромагнитной обстановки, создаваемой излучениями абонентского оборудования сотовой (мобильной) связи ...4G/5G/6G в зданиях. Доклады БГУИР. 2021; 19(6): 42-50.
В.И. МОРДАЧЕВ
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники (г. Минск, Республика Беларусь)
Поступила в редакцию 3 мая 2021
CHARACTERISTICS OF THE ELECTROMAGNETIC ENVIRONMENT CREATED BY RADIATIONS OF USER EQUIPMENT OF ...4G/5G/6G CELLULAR (MOBILE)
COMMUNICATIONS IN BUILDINGS
VLADIMIR I. MORDACHEV
Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics (Minsk, Republic of Belarus)
Submitted 3 May 2021
© Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics, 2021
Abstract. The goal of the work is to substantiate the technique for assessing the intensity of electromagnetic background generated by the set of radiating user devices of mobile communications in multi-storey buildings. For known empirical models of radio wave propagation in buildings, expressions are obtained for the probability distribution density and expectation of the power flux density of electromagnetic fields generated inside building by these sources from various parts of the building's interior space: from the near zone with radio wave propagation conditions similar to free space; and from the far zone, for which, along with intense attenuation of radio waves due to internal obstacles, a «quasi-waveguide» propagation of radio waves along corridors and industrial premises is also possible in certain directions. Relationships are obtained for the average levels of individual components of the electromagnetic background, determined as scalar sums of power flux density values of the fields generated by the sets of radiating devices of both the near zone and the far zone as a whole or its individual parts, characterized by different conditions of radio wave propagation. A method is proposed for assessing the electromagnetic background inside buildings based on approximation of sections of the inner surface of the premises in which the observation point is located, and the outer surface of the building, in the inner space of which radiation sources are randomly distributed, by the corresponding sections of the inner and outer spherical surfaces that are the subtend areas of the corresponding solid angles, in space elements of which a different spatial densities and radiation powers of sources and different conditions of radio wave propagation are possible. The results can be used to analyze the electromagnetic ecology of habitat and the electromagnetic safety of population at the full-scale implementation of 4G/5G/6G mobile communications, as well as to analyze the electromagnetic compatibility of systems using frequency bands for mobile communications on a primary and secondary basis.
Keywords: mobile communications, 4G, 5G, 6G, multi-storey building, user's equipment, electromagnetic radiation, electromagnetic background, radio waves propagation, electromagnetic safety.
Conflict of interests. The author declare no conflict of interests.
For citation. Mordachev V.I. Characteristics of the electromagnetic environment created by radiations of user equipment of ...4G/5G/6G cellular (mobile) communications in buildings. Doklady BGUIR. 2021; 19(6): 42-50.
Введение
Эволюция систем и услуг сотовой (мобильной) связи (СС) к четвертому (4G) и пятому (5G), а в перспективе - к шестому (6G) поколению сопровождается интенсивным ростом пространственной плотности абонентских устройств (АУ), электромагнитное излучение (ЭМИ) которых обеспечивает все многообразие беспроводных услуг телефонии и передачи данных. Эта плотность может достигать 105 АУ/км2 в сетях 4G (IMT-Advanced), 106 АУ/км2 в сетях 5G (IMT-2020) и 107 АУ/км2 в перспективных сетях 6G [1, 2]. В силу большого разнообразия функций и объемов трафика передачи данных различных АУ при примерно одинаковой мощности их ЭМИ (21-23 дБм [3]) в периоды наибольшей нагрузки сетей СС средняя мощность ЭМИ (как и относительная продолжительность нахождения АУ в активном состоянии, т. е. в режиме излучения) может отличаться на несколько порядков. Тем не менее в силу очень высокой декларируемой пространственной плотности АУ СС 4G/5G/6G суммарная интенсивность создаваемого ими электромагнитного фона (ЭМФ) может превышать принятые в [4, 5] предельно допустимые уровни (ПДУ) и представлять опасность для населения [6-9].
Очевидной принципиальной особенностью максимальной пространственной концентрации АУ для реализации сервисов СС 40/50/60 является их объемное (3D) размещение в многоэтажных жилых, офисных и производственных зданиях. В то же время как в основных рекомендациях [1, 3 и др.], так и в известных исследованиях процессов формирования радиочастотного ЭМФ совокупностью ЭМИ абонентского оборудования и базовых станций СС [6-9 и др.] рассматривается лишь территориальное (2D) размещение АУ. В какой-то мере это может быть объяснено как трудностями объективного анализа процессов распространения радиоволн (РРВ) внутри зданий [10], так и тем, что внедрение основных сценариев реализации систем и услуг 50 находится лишь в начальной стадии. Тем не менее задача анализа характеристик ЭМФ, создаваемого совокупностью излучений АУ 40/50/60 при их случайном распределении по внутреннему пространству зданий, представляет все возрастающий интерес с точки зрения электромагнитной безопасности населения и электромагнитной экологии среды его обитания и деятельности, а также электромагнитной совместимости систем, использующих полосы частот СС на первичной и вторичной основе.
Цель данной работы - системный анализ общих закономерностей формирования статистических характеристик электромагнитной обстановки (ЭМО) в помещениях, образуемой множеством ЭМИ пространственно рассредоточенных АУ СС при различной степени насыщения ими внутреннего пространства зданий, и обоснование методики оценки интенсивности ЭМФ, создаваемого излучающими АУ в многоэтажных зданиях.
Анализ статистических характеристик интенсивности ЭМФ в рассматриваемом случае выполнен по традиционной методике [6-9], основанной на использовании известных эмпирических моделей условий РРВ в зданиях и равномерного случайного распределения излучающих АУ в пространстве, а также на определении интенсивности ЭМФ в форме скалярной суммы значений плотности потока мощности (ППМ) электромагнитных полей (ЭМП), создаваемых отдельными АУ в точке наблюдения (ТН).
Модель условий РРВ. Принимая во внимание чрезвычайно сложный характер РРВ в зданиях, при решении данной задачи использованы следующие известные эмпирические модели этих условий РРВ:
1. Обобщенная эмпирическая модель затухания радиоволн [10, 11]:
где V - коэффициент, определяющий степень увеличения затухания радиоволн с увеличением расстояния до ТН и в усредненной форме отражающий влияние внутренних препятствий (стен, перекрытий, оборудования и т.п.) на процесс РРВ; Ro - «эталонное» расстояние, определяемое с учетом особенностей расположения ТН внутри либо вне здания. Без учета «квазиволноводного» характера РРВ вдоль коридоров и помещений различного назначения в пределах прямой видимости (для этих условий V» 1,6...1,8), для частот основной части диапазона УВЧ и нижней части диапазона СВЧ v » 4...6 для РРВ внутри офисных и жилых зданий, v » 2...3 для РРВ в производственных зданиях, v » 3...5 для сотовой связи в условиях затенения городской застройкой для ТН вне помещений вблизи земной поверхности [11]. Величина R0 определяется эмпирически для каждого случая с учетом взаимного расположения ТН и внутренних поверхностей помещения либо затеняющих элементов застройки.
2. Эмпирическая модель [12] (Ericsson indoor path loss model), являющаяся развитием модели (1) для многоэтажных зданий и частот излучения, близких к 900 МГц (что примерно соответствует частотам ЭМИ АУ в сетях mMTC 5G [3] и в полосах частот № 5, 6, 8, 12-14, 17-20, 26-28, 44, 68 LTE [13]), и характеризуемая различными значениями v при различных расстояниях между ТН и АУ:
на расстояниях от R0 = 1 м до Ri = 10 м - модель (1) для РРВ в свободном пространстве с показателем степени v = 2; на расстояниях от R1 = 10 м до R2 = 2R1 = 20 м - модель (1) степени v = 3; на расстояниях от R2 = 20 м до R3 = 4R1 = 40 м - модель (1) степени v = 6; на расстояниях R > R3 = 4R1 = 40 м - модель (1) степени v = 12:
Методика анализа
Lt (R ) = LC (R/R0 )V , LC = const,
(1)
Z = Pe/{A%R2), R < R < R Z = RPe/(r3 ), R1 < R < R2 = 2R
1
v = 3
Z = 2Ri4 Pe/(R 6) Z = 8192 R10 Pe/(r12 ),
R2 = 2R1 < R < R3 = 4R1,
v = 6
R3 = 4R1 < R < Rm » R3,
v = 12
(2)
где Z, Вт/м2, - ППМ ЭМП в ТН, создаваемая АУ с эквивалентной изотропной излучаемой мощностью (ЭИИМ) Pe , удаленным на расстояние R от ТН.
Модель пространственного размещения АУ и ТН. Будем рассматривать случайное размещение АУ со средней плотностью pe, АУ/м3, во внутреннем пространстве многоэтажного здания. В помещении, в котором находится ТН, располагается также некоторое количество АУ; условия РРВ между ТН и этими АУ можно считать соответствующими (2). Для ЭМП АУ вне этого помещения, но располагаемых внутри здания, следует использовать модель (1) с параметром V Ф 2, либо модель (2). В качестве первичной модели пространственного размещения ТН и множества АУ рассматривается модель, изображенная на рис. 1.
В этой модели Rm - «эталонное» расстояние, ограничивающее область свободного РРВ между ТН и АУ, Rм - радиус области радиовидимости АУ из ТН; для АУ за ее пределами уровень сигналов этих АУ в ТН меньше порогового уровня (например, пороговой чувствительности их радиоприема). Для сигналов АУ из кольцевой области, ограниченной радиусами Rm и Rм , условия РРВ в ТН усложняются за счет присутствия многочисленных препятствий в виде стен, межэтажных перекрытий и т. п.; для этих условий V > 2.
Рис. 1. 3D-модель пространственного размещения точки наблюдения (ТН) и множества АУ Fig. 1. 3D-model of the spatial location of the observation point (OP) and the set of user equipment (UE)
Рис. 2. Расчетные зависимости zsi ue / Zt,2ue от отношения ZJZo для различных условий РРВ внутри здания (различных v) Fig. 2. Dependences of Zy.iue / Ze2ue on the ratio Zm/Zo for different conditions of radiowave propagation inside building (different v)
Результаты анализа и их обсуждение
Для принятых моделей пространственного размещения АУ и условий РРВ между АУ и ТН, а также в предположении, что все АУ имеют ненаправленное излучение со средней ЭИИМ Pe , по известной методике [6, 7] могут быть определены следующие характеристики:
1. Плотность распределения вероятности (п.р.в.) удаленности от ТН точечных объектов «АУ», располагаемых равномерно случайно со средней плотностью pe в «ближней зоне» -сферической области радиуса Rm :
w(R) = 3R 2/() 0 < R < Rm . (3)
2. П.р.в. удаленности от ТН точечных объектов «АУ», располагаемых равномерно случайно в «дальней зоне» - сферическом кольце с параметрами Ят и Ям:
ЩЯ) = 3Я V(ЯМ -Ят ), Ят < Я < Ям . (4)
3. П.р.в. ща(2) и математическое ожидание т\а(2) значений ППМ 2 ЭМП, создаваемых в ТН излучениями АУ ближней зоны:
Ща(2) = 32*7(2252), та(2) = 32т; 2>2И = Ре/(4*%). (5)
Гиперболическое распределение (5) степени -5/2, полученное для 3D-модели случайного равномерного пространственного распределения точечных источников ЭМИ, обладает первым начальным моментом в отличие от аналогичного гиперболического распределения ща(2) минус второй степени, характерного для 2D-модели их пространственного распределения [6, 7, 14]. Это позволяет избежать ряда ограничений и далее определять средний уровень ЭМФ как произведение среднего значения ППМ, создаваемого отдельным АУ в ТН, и среднего числа АУ в рассматриваемой области пространства.
4. Средний уровень 2ЕшЕ, Вт/м2, ЭМФ, образуемого в ТН излучениями АУ ближней зоны, определяется в виде скалярной суммы средних значений ППМ этих ЭМИ в ТН:
2^ = та (2 = РеР^^), ^ = Г3 Ре =Ре (Ре2т Г/(&У*) , (6)
где - среднее число излучающих АУ в сферической области радиуса Ят объемом У$.
5. Для АУ, расположенных в дальней зоне, модель (1) РРВ в ТН приобретает следующий
вид:
2 = К-2Ре1(4тЯ?\ Ят <Я <Ям . (7)
6. П.р.в. щь(2) ППМ ЭМП, создаваемых в ТН совокупностью АУ дальней зоны:
(2 ) = 3/
v2
(203/" -2т*)
2 0 = ят
2Ре/(ЯМ)< 2 < 2„
(8)
(9)
7. Математическое ожидание т\Ь(2) значений ППМ ЭМП, создаваемых в ТН излучениями АУ дальней зоны:
т1Ь (2) = 32*2(( - 2)) - 3)( - 2Г )], V * 3
т,ъ (2)« 320^ 2(-3)7(-3), V* 3, 2^ >> 2^, 2(-3) >> 20^3) т1ь (2 )=[2т2^(2т - 20 )п(2т/20 ), V= 3
т1ь (2) ~ 20 1п(т i20 ) V = 3, 2т >> 20
8. Средний уровень 2е2пе, Вт/м2, составляющей ЭМФ, образуемой в ТН излучениями АУ дальней зоны, также определяется скалярной суммой средних значений ППМ этих ЭМИ в ТН:
2.2ЦЕ = Щ,(2= реР^^^-^ -2(3))/[2( -3)*], V * 3
= тхъ (2 ^ = [[/((^^¿тЩ^т!2, ),
NvsR = УзкРе = РР^т32 )3/V -1]*)
V = 3
(10)
где - среднее число излучающих АУ в сферическом кольце дальней зоны объемом Уж.
9. Суммарная средняя интенсивность 2епе, Вт/м2, ЭМФ, создаваемого в ТН излучениями множества АУ из всей сферической области их радиовидимости из ТН, определяется очевидным образом: 2епе = 2еше + 2е2пе . Интерес представляет отношение 2еше / 2е2те , характеризующее относительный вклад излучений АУ дальней зоны в суммарный уровень ЭМФ в ТН:
(V-3)[/20 )(3-^-1], V* 3
^ 3 2т>> 2/, V> 3
еще/ v 2 те ~ (3 - v)(20 /2т )(3 ^, 2т>> 20 , V < 3
ешЕ/ ^ е2ПЕ = 3/ 1п(т12 0 ), V = 3
Расчетные зависимости (11) от отношения 2т / 20 для различных V приведены на рис. 2. Эти зависимости иллюстрируют наличие асимптот при 2т >> 2э , а также позволяют примерно
2 2
Е1ПЕ /2Е2ПЕ Е1т12Е2ПЕ '' 2 е1те/2 Е
2vi ТЕ 12
(11)
оценить относительный вклад в интенсивность ЭМФ в ТН излучений АУ ближней зоны, который оказывается преобладающим только при V > 4, а при V < 4, как правило, существенно уступает вкладу излучений АУ дальней зоны.
10. На практике совокупность АУ в окрестности ТН располагается не по всему объему ближней зоны, а вблизи ее внутренней поверхности. Если все излучающих АУ этой области располагаются равномерно по ее внутренней поверхности на удаленности Rm от ТН, то средний уровень г^иЕ, Вт/м2, ЭМФ, создаваемого ими в ТН, определяется соотношением
г^т = ЛА = рер//2/(6^)== шь3Е = Музре/), (12)
где EMLsE - эквивалентная средняя электромагнитная нагрузка на внутреннюю сферическую границу ближней зоны, равная отношению суммарной средней мощности излучений АУ этой зоны, приходящейся на единицу площади этой границы.
11. Если излучающие АУ располагаются случайно равномерно со средней плотностью ре не по всей сфере радиуса Д т и не по всему сферическому кольцу с параметрами Дт, Дм, а лишь в некотором телесном угле О (рис. 3), образуемом подобными стягивающими поверхностями Ат и А02 произвольной конфигурации, то соотношения (5), (6), (8), (9), (11) сохраняют силу, а средние интенсивности (6), (10) составляющих ЭМФ в ТН должны быть умножены на отношение О/4л.
Это позволяет предложить общую методику определения интенсивности ЭМФ в ТН, располагаемой в помещении и в здании сложной формы, на основе аппроксимации отдельных участков внутренней поверхности Блг помещения, в котором располагается ТН (внутренней поверхности ближней зоны), и внешней поверхности здания Брг, в котором располагается это помещение (внешней поверхности дальней зоны). Эта аппроксимация осуществляется соответствующими участками внутренних и внешних сферических поверхностей, стягивающими соответствующие телесные углы ] е [1, 7] (рис. 4).
Рис. 3. Модель пространственного размещения
ТН и множества АУ в телесном угле Q, образуемом стягивающими поверхностями Am на границе ближней зоны и Aq2 на границе дальней зоны Fig. 3. Model of the spatial location of OP and the set of UE in the solid angle Q, formed by the subtend areas Am at the border of the near zone and Aq2 at the border of the far zone
Рис. 4. Поэлементный анализ внутреннего пространства здания в отдельных телесных углах Qj, je[1J], стягивающие поверхности которых ASj, Asj аппроксимируют внешние поверхности здания и внутренние поверхности помещения соответственно Fig. 4. Element-wise analysis of the building internal space in separate solid angles Qj, je [1, J], the subtend
areas of which ASj, ASJ- approximate the external surfaces of the building and the internal surfaces of the premises, respectively
В общем случае суммарная средняя интенсивность г^Е, Вт/м2, эмф, создаваемого в ТН излучениями множества АУ, располагаемых в здании, может быть определена следующим образом:
V у * 3;
7 7
¿2иЕ = ^ + ^ 22иЕ, , (13)
,=1 у=1
¿ЯЩ, =Ре1ЛА /(4лДт, );
^2иЕ, = Ре2,Ре2, ^Км, 3 - С/ ~2 К/М(, - 3) 1
г22иЕ, = АБ,Ре2,Ре2,Дт, ' 1п(Дм, /Дт, )(4лДММ, ) V, = 3,
где Ре1, , ре1, и Ре2, , Ре2, - средняя ЭИИМ и средняя плотность размещения АУ в телесном угле О, соответственно в пространстве ближней зоны, ограниченном стягивающей поверхностью А, , и в пространстве дальней зоны между стягивающими поверхностями А, и Аб, . Величины каждого из элементарных телесных углов О, могут выбираться произвольно с учетом конфигурации ближней зоны и самого здания, степени равномерности пространственного распределения АУ и зависимости параметра V условий РРВ от ориентации О,, ,е [1,7].
Принимая во внимание, что модель (1) применяется для описания условий РРВ не только внутри зданий, но и вне зданий в условиях города [11], эта методика может быть использована и для оценок интенсивности ЭМФ в ТН, располагаемых вне помещений в условиях плотной многоэтажной городской застройки.
12. Для эмпирической модели (2) условий РРВ [12], уточняющей модель (1) для многоэтажных зданий и частот излучения, близких к 900 МГц, и 3D-модели пространственного размещения ТН и множества АУ внутри здания, аналогичной изображенной на рис. 1, получены следующие соотношения для суммарной средней интенсивности ЭМФ, создаваемого в ТН излучениями множества АУ, распределенных случайно равномерно с плотностью ре, АУ/м3, по внутреннему пространству здания:
- для области, ограниченной расстояниями от ТН до АУ от Д0 = 1 м до Д\ = 10 м, для которой характерны условия РРВ в свободном пространстве (V = 2) и адекватны статистические модели (3), (5) с параметром Дт = Д\, средний уровень ¿21 составляющей ЭМФ, образуемой в ТН излучениями АУ этой области, определяется соотношением, аналогичным (6):
¿21 =РеР//2/(2Мт)> ^ = ) ; (14)
- для области, ограниченной расстояниями от ТН до АУ от Д1 = 10 м до Д2 = 20 м, для которой характерны условия РРВ с параметром V = 3 и адекватны статистические модели (4), (8) с параметрами Дт = Д\, Дм = Д2, средний уровень ¿22 составляющей ЭМФ, образуемой в ТН излучениями АУ этой области, определяется соотношением:
¿22 ЦРеРе^пВ)),/^;) рР*/((/Й;) 0,692^ (15)
- для области, ограниченной расстояниями от ТН до АУ от Д2 = 20 м до Д3 = 40 м, для которой характерны условия РРВ с параметром V = 6 и адекватны модель (4) с параметрами Дт = Д2, Дм = Д3 и модель (8), средний уровень ¿23 составляющей ЭМФ, образуемой в ТН излучениями АУ этой области, определяется соотношением:
¿23 = ^РePe32|{964^Z; )*РePe3/2/(l3,^лftz;;)* 0^2 2 « 0,157^; (16)
- для области, ограниченной расстояниями от ТН до АУ Д > Д3 = 40 м, для которой характерны условия РРВ с параметром V = 12 и адекватны модель (4) с параметром Дт = Д3 и параметром Дм, соответствующим удаленности от ТН границы радиовидимости АУ по уровню ¿0, и модель (8), средний уровень составляющей ЭМФ, образуемой в ТН излучениями АУ этой области, определяется соотношением
¿24 =РePe3/2/(l92^/^Zl;))2з/l4 ^/96, Дм =2 (РеДт^,)). (17)
Таким образом, если условия РРВ внутри здания соответствуют эмпирической модели (2) [12], то основной вклад в интенсивность ЭМФ, создаваемого излучениями всего множества АУ, распределенных случайно равномерно по внутреннему пространству многоэтажного здания, вносят излучения АУ ближней зоны, для которых условия РРВ в ТН
соответствуют условиям РРВ в свободном пространстве, а вклад ЭМИ АУ дальней зоны не превышает 3 дБ: Zeue = Zei+Ze2+Ze3+Ze4 « 1,85Zei.
Заключение
1. Для известных эмпирических моделей условий РРВ в зданиях и равномерного объемного случайного распределения излучающих АУ СС по внутреннему пространству многоэтажного здания получен ряд важных соотношений, характеризующих процессы формирования электромагнитной обстановки, создаваемой в здании этими источниками ЭМИ:
- соотношения (5), (8), (9) для статистических характеристик ансамбля значений ППМ ЭМП, создаваемых в ТН излучениями АУ из различных областей внутреннего пространства здания: из ближней зоны (помещения, в котором расположена ТН) с условиями РРВ между АУ и ТН, аналогичными условиям РРВ в свободном пространстве (v = 2); и из дальней зоны (пространства здания за пределами ближней зоны), для которой наряду с более значительным затуханием радиоволн (v > 2), обусловленным необходимостью преодоления ими элементов конструкции здания, в отдельных направлениях возможно и «квазиволноводное» РРВ (v< 2) от АУ к ТН вдоль коридоров и помещений различного назначения;
- соотношения (6), (10), (14)-(17), позволяющие оценить средние уровни отдельных слагаемых ЭМФ в ТН, определяемых в виде скалярных сумм средних значений соответствующих ансамблей ППМ ЭМП в ТН, создаваемых излучениями множеств АУ как ближней зоны, так и дальней зоны в целом либо ее отдельных частей, характеризуемых различными условиями РРВ (различными v);
- соотношения (11) для отношения интенсивностей составляющих ЭМФ ближней и дальней зон. Полученные оценки свидетельствуют о том, что при v > 3 это отношение асимптотически приближается к значению v-3. При v > 4 вклад ЭМП АУ ближней зоны в суммарную интенсивность ЭМФ в ТН оказывается преобладающим, но при v < 4 он существенно уступает вкладу излучений АУ дальней зоны, а при v < 3 интенсивность ЭМФ в ТН практически определяется совокупностью ЭМП АУ дальней зоны.
2. Предложена методика определения интенсивности ЭМФ в помещении здания сложной формы на основе аппроксимации участков внутренней поверхности помещения, в котором располагается ТН, и внешней поверхности здания, во внутреннем пространстве которого случайно распределены излучающие АУ. Эта аппроксимация осуществляется соответствующими подобными участками внутренних и внешних сферических поверхностей, стягивающими соответствующие телесные углы, в отдельных элементах пространства которых возможны различные пространственные плотности и ЭИИМ АУ, а также различные условия РРВ. В общем случае суммарная средняя интенсивность ЭМФ, создаваемого в ТН излучениями множества АУ, располагаемых в здании, определяется соотношением (13). Эта методика может быть использована и для усредненных системных оценок интенсивности ЭМФ в ТН, располагаемых как внутри, так и вне помещений, при случайном 3D-размещении множества точечных источников ЭМИ в плотной многоэтажной городской застройке как внутри, так и вне зданий, с различной пространственной плотностью и различной ЭИИМ.
3. Соотношения (6), (10), (13), (14)-(17) могут быть использованы для анализа интенсивности ЭМФ, создаваемого в многоэтажных зданиях множеством источников ЭМИ -разнообразными мобильными АУ СС 4G/5G, функционирующими в «квазинепрерывном» режиме FDD, а также стационарными пико-базовыми станциями СС, что позволяет выполнить оценки электромагнитной безопасности населения в этих зданиях, а также ЭМС этих источников ЭМИ с системами, использующими полосы частот СС на вторичной основе.
4. Для ЭМФ, образуемого в сетях 5G множеством ЭМИ АУ массовой межмашинной связи (mMTC) и представляющего собой импульсный электромагнитный случайный процесс в виде пуассоновского потока случайных импульсов [3], соотношения (5), (8) позволяют определить п.р.в. ППМ отдельных импульсов, а соотношения (6), (10), (13), (14)-(17) позволяют оценить их суммарную среднюю мощность в различных условиях. При этом данные оценки не могут непосредственно использоваться для анализа электромагнитной безопасности населения сравнением их результатов с действующим ПДУ ЭМП 10 мкВт/см2, поскольку опасные уровни средней мощности импульсного электромагнитного воздействия на один-два порядка меньше
данного ПДУ, установленного для непрерывного и квазинепрерывного электромагнитного воздействия, о чем свидетельствуют принятые гигиенические нормативы [4, 5] для этих видов электромагнитных воздействий на население и аргументация [15, 16]. Принимая во внимание сложный спектрально-временной характер этих сигналов и декларирование их использования системами СС в двух-, трехдекадном частотном диапазоне (УВЧ+СВЧ+КВЧ) [1, 3], актуальным является проведение глубоких, квалифицированных и независимых исследований степени их опасности для населения с целью научного обоснования соответствующих гигиенических нормативов, позволяющих проектировать и строить безопасные сети СС 40/50/60.
1. IMT Vision - Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond. Rec. ITU-R M.2083;2015:19.
2. Zhang Z., Xiao Y., Ma Z., Xiao M., Ding Z., Lei X., Karagiannidis G.K., Fan P. 6G Wireless Networks: Vision, Requirements, Architecture, and Key Technologies. IEEE VTMagazine, 2019;14(3):28-41.
3. Guidelines for evaluation of radio interface technologies for IMT-2020. Report ITU-R M.2412;2017:143.
4. Requirements for radio frequency electromagnetic radiation when exposed to humans. Sanitary norms and rules registered by Belarus Ministry of Health 05.03.2015; 23. (in Russ.)
5. Hygienic standards and requirements for ensuring the safety and (or) harmlessness of environmental factors for humans. SanPiN 1.2.3685-21, reg. by Russian Ministry of Justice 29.01.202; 62296. (in Russ.)
6. Mordachev V. Worst-Case Estimation of Electromagnetic Background Created by Cellular Mobile Stations Near Ground Surface. Proc. of the Int. Symp. "EMCEurope 2014", Sweden, Sept. 1-4, 2014: 1275-1280.
7. Mordachev V. System-Level Estimation of Prevailing Levels of EM Fields of Mobile Phones Considering Near-Field Zone Limitations of Their Antennas. Proc. of the Int. Symp. "EMC Europe 2017", Angers, France, Sept. 4-8, 2017; 6: 64.
8. Mordachev V. Restrictions on Wideband Systems of Mobile Communications of New Generations at Declared Expansion of Data Transfer Rates. Proc. of the Int. Symp. "EMC Europe 2018", Amsterdam, The Netherlands, Aug. 27-30, 2018: 202-207.
9. Mordachev V. Estimation of Electromagnetic Background Intensity Created by Wireless Systems in Terms of the Prediction of Area Traffic Capacity. Proc. of the Int. Symp. "EMC Europe 2019 ", Barcelona, Spain, Sept. 2-6, 2019: 82-87.
10. Propagation data and prediction methods for the planning of indoor radiocommunication systems and radio local area networks in the frequency range 300 MHz to 450 GHz. Rec. ITU-R P.1238-10; 2019: 26.
11. Rappaport T.S. [Wireless Communications: Principles and Practice, 2nd ed.]. Prentice Hall, 2002: 710.
12. Akerberg D. Properties of a TDMA pico cellular office communication system. IEEE Globecom, Dec. 1988:
13. ETSI TS 136 101 V14.3.0. LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE) radio transmission and reception (3GPP TS 36.101 version 14.3.0 Release 14).
14. Mordachev V. [System ecology of cellular communications]. Minsk: BSU Publishers; 2009: 319. (in Russ.)
15. Grigoriev O.A., Zubarev Y.B. [Electromagnetic Environment Management: Balance between Public Health and New Communication Technology]. Vestnik Sviasy. 2020;(12):20-27. (in Russ.)
16. Nikitina V. [Trends in the Development of Modern Radio Technologies. The Problem of Providing Electromagnetic Safety of The Population]. Proc. of the Conf. "Actual Problems of Radiobiology and Hygiene of Non-Ionizing Radiation" (BioEMF-2019), Moscow, Russia, Nov. 12-13, 2019: 66-69. (in Russ.)
Список литературы / References
1343-1349.
Сведения об авторе
Information about the author
Мордачев В.И., к.т.н., доцент, ведущий научный сотрудник Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники.
Mordachev V.I., PhD, Associate Professor, Leading Researcher of the Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics.
Адрес для корреспонденции
220013, Республика Беларусь, г. Минск, ул. П. Бровки, 6, Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники; тел. +375-17-293-84-38;
e-mail: mordachev@bsuir.by, www.emc.bsuir.by Мордачев Владимир Иванович
Address for correspondence
220013, Republic of Belarus, Minsk, P. Brovka str., 6, Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics; tel. +375-17-293-84-38;
e-mail: mordachev@bsuir.by, www.emc.bsuir.by Mordachev Vladimir Ivanovich
