CC BY
12Оригинальные статьи
EDN: https://elibrary.ru/crhgmk
DOI: https://doi.org/10.31089/1026-9428-2022-62-6-388-396 УДК 614.875
© Коллектив авторов, 2022
Перов С.Ю., Белая О.В., Рубцова Н.Б.
Перспективы совершенствования подходов к контролю электромагнитных полей радиочастотного диапазона при внедрении технологий беспроводной связи пятого поколения
ФГБНУ «Научно-исследовательский институт медицины труда имени академика Н.Ф. Измерова», пр-т Будённого, 31, Москва, 105275
Внедрение сетей сотовой связи пятого поколения влечёт за собой увеличение разнообразия сценариев использования электромагнитной энергии в различных отраслях экономики и изменение условий воздействия электромагнитных полей радиочастотного диапазона на человека, в том числе расширение контингента лиц, подвергающихся производственному и внепроизводственному воздействию. Отличительной особенностью ЭМП, создаваемых базовыми станциями, является их сложная частотно-временная и пространственная динамика при наличии постоянных управляющих сигналов, что должно учитываться в современных методах контроля ЭМП.
Применительно к уровням ЭМП, создаваемыми базовыми станциями сотовой связи, в международной практике рассматриваются подходы к оценке максимальных уровней воздействия: теоретических и фактических. Теоретические максимальные уровни ЭМП характеризуют режим эксплуатации базовой станции при наибольшей загрузке сети, наибольшего трафика передачи данных и полного использования частотно-временного ресурса радиоканала при максимальной разрешённой мощности передачи. Определение фактических максимальных уровней ЭМП является альтернативным принципом оценки базовых станций и основано на определении практически достижимых максимальных условий экспозиции с учётом стохастического характера сигнала базовой станции.
С развитием адаптивных антенных технологий в сетях сотовой связи поколения 5G в международной практике гигиенической оценки и контроля ЭМП, создаваемых базовыми станциями, приоритетными становятся подходы статистической оценки фактических максимальных уровней воздействия, принципы которых заложены в международных документах. Для отечественной практики такой подход, направленный на оценку реальных условий экспозиции, является принципиально новым и для реализации потребует не только методологического обновления регуляторной базы, но и проведения комплексных исследований совместно с операторами сетей сотовой связи, в том числе по апробации подходов к экстраполяции результатов селективных измерений. Этика. Данное исследование не требовало заключения этического комитет.
Ключевые слова: электромагнитное поле; базовая станция; стандарт 5G/1MT-2020; селективные измерения; гигиеническая оценка
Для цитирования: Перов С.Ю., Белая О.В., Рубцова Н.Б. Перспективы совершенствования подходов к контролю электромагнитных полей радиочастотного диапазона при внедрении технологий беспроводной связи пятого поколения. Мед. труда и пром. экол. 2022; 62(6): 388-396. https://elibrary.ru/crhgmk https://doi.org/10.31089/1026-9428-2022-62-6-388-396 Для корреспонденции: Перов Сергей Юрьевич, зав. лабораторией электромагнитных полей, ФГБНУ «Научно-исследовательский институт медицины труда имени академика Н.Ф. Измерова», д-р биол. наук. E-mail: perov@irioh.ru Участие авторов:
Перов С.Ю. — концепция и дизайн исследования, редактирование;
Белая О.В. — концепция и дизайн исследования, сбор и обработка данных, написание текста;
Рубцова Н.Б. — концепция и дизайн исследования, редактирование.
Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Дата поступления: 25.04.2022 / Дата принятия к печати: 21.06.2022 / Дата публикации: 15.07.2022
Введение. Разработка и внедрение систем беспроводной связи пятого поколения характеризуют международные тенденции интенсивного развития отрасли телекоммуникаций, достижения которой оказывают все большее влияние на преображение различных социально-экономических сфер современного общества. Беспроводные сети нового поколения, предоставляющие инновационные услуги радиосвязи, рассматриваются как технологическая база для стратегического развития промышленности, здравоохранения, сельского хозяйства, строительства, транспортной и энергетической инфраструктуры, а также других приоритетных отраслей в рамках реализации национальной программы «Цифровая экономика Российской Федерации». Согласно прогнозу распределения количества абонентов сетей стандарта 5С/1МТ-2020 по отраслям экономики РФ в 2026 г., наиболее востребованными сферами будут промышленность, жилищно-коммунальное хозяйство и медицина, в каждой из которых ожидается более 2,1 млн пользователей [1]. С возрастанием
функционального разнообразия возможностей и услуг беспроводной связи внедрение сетей пятого поколения влечёт за собой расширение спектра сценариев использования электромагнитной энергии в различных отраслях экономики и изменение условий воздействия электромагнитных полей радиочастотного диапазона (ЭМП) на человека. Вследствие этого можно ожидать как ещё большее расширение контингента лиц, подвергающихся воздействию ЭМП, так и стирание границ между условиями производственных и внепроизводственных воздействий фактора. Все это определяет актуальность проблемы обеспечения электромагнитной безопасности человека и необходимость совершенствования методов гигиенической оценки и контроля фактора.
Вопросы влияния на здоровье человека ЭМП при эксплуатации сетей беспроводной связи пятого поколения являются предметом обсуждения и исследования специалистов различного профиля во всем мире, в том числе и в РФ. Однако, несмотря на имеющиеся публикации о
необходимости совершенствования действующих нормативно-методических документов [2-6], вопросы применения соответствующих принципов, критериев и методов оценки экспозиции ЭМП, отвечающим специфичным условиям эксплуатации систем сотовой связи различных стандартов, в отечественной научной литературе освещены фрагментарно и недостаточно. В развитии ранее изложенных идей [7] представляет интерес рассмотрение мирового опыта в области контроля ЭМП систем сотовой связи действующих и перспективных стандартов с целью выявления мировых тенденций в этой области и разработки рекомендаций по методическому совершенствованию системы гигиенической оценки фактора на национальном уровне в РФ.
Особенности эксплуатации базовых станций сотовой связи. Уровни ЭМП в среде обитания человека, которые создаются при работе базовых станций сетей мобильной связи различных стандартов связи, характеризуются сложным спектральным составом, стохастической временной динамикой и пространственной неоднородностью распределения электромагнитной энергии [8]. Спектральные характеристики сигнала базовой станции определены рабочим диапазоном частот базовой станции, шириной полосы радиоканала и частотно-временной структурой в соответствии со стандартом GSM, UMTS, LTE или 5G/ IMT-2G2G. Временная динамика уровней ЭМП обусловлена используемым режимом дуплекса с частотным или временным разделением (FDD или TDD), предусмотренного стандартом связи и конфигурацией базовой станции, а также уровнем трафика передачи данных в сети и количеством подключённых абонентских терминалов в зоне обслуживания базовой станции. Пространственное распределение ЭМП характеризуется диаграммой направленности антенн базовой станции, в т. ч. использованием технологий сканирования и формирования луча в системах MIMO и mMIMO, которые обеспечивают динамическое фокусирование электромагнитной энергии в заданных направлениях в рамках зоны обслуживания. Наряду с рассмотренными переменными составляющими в сигнале базовой станции присутствуют и постоянные компоненты (опорные сигналы), уровень которых не зависит от фактической загрузки сети и которые выполняют функции синхронизации/контроля в соответствии со стандартом связи. Таким образом, характерной особенностью уровней ЭМП, создаваемых базовыми станциями, в отличии от других передающих радиотехнических объектов является их сложная частотно-временная и пространственная динамика при наличии постоянных управляющих сигналов, что должно учитываться в современных методах контроля условий воздействия фактора на человека.
Принципы и критерии гигиенической оценки уровней ЭМП базовых станций. При гигиенической оценке уровней воздействия ЭМП на человека основным является принцип определения наихудших условий экспозиции — максимальных уровней ЭМП. Применительно к уровням ЭМП, создаваемыми базовыми станциями сотовой связи, в международной практике рассматриваются теоретические максимальные и фактические максимальные уровни воздействия [9, 10].
Теоретические максимальные уровни ЭМП характеризуют режим эксплуатации базовой станции при наибольшей загрузке сети, наибольшего трафика передачи данных и полного использования частотно-временного ресурса радиоканала при максимальной разрешённой мощности
Original articles
передачи. Подобный режим эксплуатации базовой станции является критическим и маловероятным случаем на практике, поэтому ориентирован на проведение общепринятой типовой оценки уровней ЭМП. Определение теоретических максимальных уровней ЭМП может проводиться в обычном режиме эксплуатации базовой станции на основе селективных измерений постоянной компоненты сигнала от базовой станции к абоненту, которые передаются с фиксированным уровнем мощности [8]. В качестве критерия гигиенической оценки используется максимальный уровень экспозиции ППЭ ССОС, определяемый на основе экстраполяции результатов селективных измерений, которая в общем виде описывается формулой:
ППЭ max — П П Э опор • -Кэкст (1
где:
ППЭопор — уровень плотности потока энергии (ППЭ) для опорного сигнала базовой станции,
ППЭто* — теоретический максимальный уровень ППЭ базовой станции,
■Кэкст — коэффициент экстраполяции для конфигурации базовой станции.
В соответствии со стандартом Международной электротехнической комиссии IEC 62232-2017 [9] при оценке ЭМП базовых станций в зависимости от стандарта сотовой связи 2-4G для измерения постоянных компонент применяют:
- частотно-селективные измерения канала передачи системной информации BCCH в сетях GSM (2G),
- кодо-селективные измерения первичного общего пилотного канала P-CPICH в сетях UMTS (3G), опорного сигнала RS в сетях LTE (4G) [8, 11].
В сигналах базовых станций сетей стандарта 5G/IMT-2020 постоянная составляющая определяется блоком сигнала синхронизации SSB, отдельные сигналы в котором выделяются с помощью также кодо-селективных измерений [12].
Коэффициент экстраполяции Кэкст, используемый для оценки теоретических максимальных уровней ЭМП, определяется параметрами конфигурации конкретной базовой станции и включает в общем случае набор коэффициентов, учитывающих отношение максимальной мощности передачи к мощности передачи опорного сигнала стандарта сотовой связи, применение режима дуплекса TDD, различия диаграмм направленности опорных сигналов и сигналов трафика в адаптивных антеннах.
Определение фактических максимальных уровней ЭМП является альтернативным принципом оценки базовых станций, который основан на определении практически достижимых максимальных условий экспозиции с учётом стохастического характера сигнала базовой станции. Подобный принцип особенно важен при гигиенической оценке пространственно-неоднородных ЭМП, создаваемых адаптивными антенными системами с динамической диаграммой направленности, которые получили широкое распространение при внедрении сетей сотовой связи стандарта 5G/IMT-2020 [8]. В качестве критерия гигиенической оценки используется фактический максимальный уровень экспозиции ПП Э тОС_с , который определяется на основе поправочного коэффициента и в общем виде описывается формулой:
Оригинальные статьи
ппэ тах ф= пп э тах (2)
где:
ППЭтяж_ф — фактический максимальный уровень ППЭ базовой станции;
ППЭ тол — теоретический максимальный уровень ППЭ базовой станции;
ПСстат — поправочный коэффициент, учитывающий снижение фактической максимальной мощности при эксплуатации БС на основе статистики её распределения.
Таким образом, поправочный коэффициент КПстпт применяется к теоретическому максимальному уровню ЭМП, который рассматривается в качестве базового уровня, и основан на статистическом исследовании распределения передаваемой мощности при эксплуатации базовой станции в реальных условиях [13, 14].
Тенденции развития подходов к гигиенической оценке ЭМП систем стандарта 50/1МТ-2020. Технологические различия сетей стандарта 50/1МТ-2020, развёртывание которых происходит при одновременной эксплуатации сетей действующих поколений сотовой связи 2-40, обусловливает необходимость совершенствования методологических подходов к гигиенической оценке ЭМП, создаваемых новыми источниками. В частности, для учёта сложной электромагнитной обстановки, создаваемых адаптивными антеннами с технологиями формирования и сканирования луча, приоритетными становятся принципы статистической оценки фактических максимальных уровней воздействия, заложенные в международных документах МЭК [9, 10].
Непосредственно для инструментальной оценки ЭМП, создаваемых базовыми станциями стандарта 50/ 1МТ-2020, в 2020-2021 гг. регламентированы методики на национальном уровне в Швейцарии [12], Китае [15] и Малайзии [16], которые, в свою очередь, демонстрируют два различных подхода к определению теоретических максимальных уровней воздействия. Тогда как методики в Швейцарии [12] и Малайзии [16] основаны на экстраполяции результатов кодо-селективных измерений вторичного сигнала синхронизации 555 блока синхронизации ЗБВ, методика Китая [15] основана на результатах частотно-селективных измерений сигнала передачи трафика от базовой станции к абонентскому терминалу. Оба типа методик моделируют максимальный наихудший с гигиенических позиций режим эксплуатации базовой станции, однако этот подход может приводить к недостоверной оценке (переоценке) фактических условий экспозиции ЭМП и рассматривается зарубежными специалистами как устаревший, в особенности применительно к антенным системам типа тМ1МО [17-19]. Выходная мощность подобных антенн распределяется между многими элементами антенной решётки, которые используются для формирования множества лучей синхронизации и передачи трафика в различных направлениях, поэтому на практике предположение о концентрации всей мощности излучения антенной решётки в одном луче представляется нереалистичным [20, 23]. Решение этой проблемы является предметом статистических исследований по определению поправочных коэффициентов, отражающих изменчивость диаграммы направленности антенны во времени и пространстве, технологию формирования луча, реальные сценарии эксплуатации базовых станций различных стандар-
тов сотовой связи и соответствующие им условия экспозиции ЭМП [8, 10].
Методы статистической оценки воздействия ЭМП, создаваемых базовыми станциями в реальных сценариях эксплуатации с учётом переменного количества подключаемых абонентов, их распределения в пространстве, моментов и продолжительности подключения и т.п., отражают подход учёта фактических максимальных условий экспозиции и включают как теоретические [19-22], так и инструментальные [17, 23-25] исследования, в результате которых определяются реалистичные пороги максимальных мощностей излучения источников в зависимости от условий их эксплуатации.
Например, в работе [19] предложена статистическая модель для реалистичной консервативной оценки воздействия ЭМП от антенн базовых станций типа тМ1МО, которая показала, что с учётом возможных сценариев даже при высокой степени загрузки сети фактический максимальный уровень ЭМП по критерию 95-го процентиля составлял 7-22% от теоретического максимального уровня. Результаты трёхмерного моделирования пространственного канала передачи с учётом реалистичных конфигураций трафика и распределения абонентов в секторе показали, что 95-й и 99-й процентили кумулятивной функций распределения фактической мощности передачи базовой станции типа тМ1МО составляли 22-26% и 27-32% от теоретического максимума, соответственно [22].
Исследование [17] стохастической природы технологий формирования луча при работе антенных систем тМ1МО проводилось на основе натурных измерений ЭМП в лабораторных условиях, в частности, оценивались пространственные изменения ЭМП вокруг лабораторного стенда антенны тМ1МО при различных скоро -стях передачи данных и конфигурациях профилей лучей в зависимости от количества и расположения абонентов.
В исследовании [23] для реалистичной оценки условий воздействия ЭМП был проведён мониторинг уровней мощности излучения базовых станций типа тМ1МО в коммерческих сетях поколения 50 (Австралия). В течение 24 ч отслеживалось динамическое распределение мощности передачи базовых станций для каждого луча, формируемого при обслуживании подключённых пользователей. Сбор данных осуществлялся с помощью системы сетевого управления на основе сетевых счётчиков и событий об операциях базовой станции. Результаты исследований показали, что величина фактической максимальной мощности излучения базовой станции по критерию 95-го процентиля оказалась ниже теоретической максимальной на 8,8 дБ. По данным исследования [24] уровни фактической мощности излучения базовых станций в сетях сотовой связи поколения 40 (Италии) составляли 20-23% от максимальной. Результаты аналогичных исследований мониторинга сетей поколения 30 (Швеция) показали, что уровни фактической мощности излучения базовых станций по критериям средних, медианных значений и 90-го процентиля составили 23%, 17% и 35%, соответственно, от максимальной мощности [25]. При этом отмечена сильная корреляция между результатами сетевых измерений мощности базовых станций и натурных селективных измерений уровня ЭМП со средней величиной относительной ошибки 2,7% [25].
Рассмотренные методы определения фактических максимальных уровней ЭМП применительно к гигиенической оценке базовых станций сотовой связи активно разраба-
тываются за рубежом и представляются перспективными в качестве типового подхода в новой редакции международного стандарта МЭК 62232 [23]. Однако, уже в настоящее время результаты статистических исследований используются в нормативной документации на национальном уровне в Швейцарии, где при оценке соблюдения гигиенических регламентов ЭМП базовых станций введены поправочные коэффициенты для учёта особенностей эксплуатации адаптивных передающих антенн с переменной диаграммой направленности. Поправочные коэффициенты, применяемые к максимальной мощности передачи антенны и разработанные на основе результатов научных статистических исследований, лежат в диапазоне от 0,1 до 1,0 и регламентированы в зависимости от размеров антенных решёток (количества подмассивов — антенных блоков). Например, для антенных решёток с количеством подмассивов 64 и более определен поправочный коэффициент, который допускает наибольшее увеличение мощности передачи — до 10 раз относительно наихудших условий экспозиции. Применение поправочных коэффициентов подразумевает возможность кратковременного повышения максимальной мощности передачи адаптивных антенн в реальных условиях эксплуатации до фиксированного уровня, что в свою очередь должно быть обеспечено со стороны оператора базовой станции путём оснащения антенн автоматическим ограничением мощности — программным приложением, которое непрерывно отслеживает общую мощность передачи антенны в секторе [26].
Заключение. С развитием адаптивных антенных технологий в сетях сотовой связи поколения 50 в международной практике гигиенической оценки и контроля ЭМП, создаваемых базовыми станциями, можно отметить активное
Original articles
изучение и внедрение концепции определения фактических максимальных уровней экспозиции, причём с использованием как расчётных, так и инструментальных методов. Для отечественной практики такой подход, направленный на оценку реалистичных условий экспозиции, является принципиально новым, реализация которого потребует не только методологического обновления нормативно-методической базы, но и проведения комплексных исследований совместно с операторами сетей сотовой связи, в том числе по апробации подходов экстраполяции результатов селективных методов измерений. Соответственно, для методического совершенствования системы гигиенической оценки ЭМП, создаваемых базовыми станциями сотовой связи в РФ, представляется необходимым:
- внедрение селективных методов оценки ЭМП от базовых станций действующих и перспективных поколений;
- внедрение подхода экстраполяции результатов селективных измерений для оценки теоретического максимального уровня экспозиции ЭМП;
- разработка методов мониторинга фактической мощности излучения базовой станции с помощью контролеров сети, систем поддержки эксплуатации сети и т. п.;
- разработка подхода определения фактических максимальных уровней экспозиции на основе статистических исследований распределения передаваемой мощности при эксплуатации базовых станций в реальных условиях;
- разработка регулирующих документов по обеспечению взаимодействия органов санитарно-эпидемиологической службы и владельцев/операторов базовых станций в рамках контроля ЭМП.
Список литературы
1. Приказ Минкомсвязи России от 27.12.2019 № 923 «Об утверждении Концепции создания и развития сетей 5G/ IMT-2020 в Российской Федерации». Available at: https:// legalacts.ru/doc/prikaz-minkomsvjazi-rossii-ot-27122019-n-923-ob-utverzhdenii/
2. Зайцева Н.В., Уланова Т.С., Пономарев А.Л., Молок О.А., Одегов А.А. Оценка и обоснование необходимости пересмотра методических документов по измерению электромагнитного излучения от базовых станций сотовой связи. Здоровье населения и среда обитания. 2020; 5(326): 29-35. https://doi.org/10.35627/2219-5238/2020-326-5-29-35
3. Егорова А.М., Луценко Л.А., Сухова А.В., Колюка В.В., Тур-дыев Р.В. Гигиеническая оценка влияния сетей сотовой связи 5G/IMT-2020 на здоровье населения (обзор литературы). Гигиена и санитария. 2021; 100(9): 929-32. https://doi. org/10.47470/0016-9900-2021-100-9-929-932
4. Никитина В.Н., Калинина Н.И., Ляшко Г.Г., Дубровская Е.Н., Плеханов В.П. Особенности архитектуры сетей 5G. Вероятностное прогнозирование воздействия электромагнитных полей радиочастот на население (обзор литературы). Гигиена и санитария. 2021; 100(8): 792-6. https:// doi.org/10.47470/0016-9900-2021-100-8-792-796
5. Сизов Д.В., Панкратов Д.Ю. Оценка влияния электромагнитных полей сетей 5G на человека. Телекоммуникации и информационные технологии. 2021; 8(1): 13-20.
6. Маслов М.Ю., Сподобаев Ю.М. Конвергенция в нормировании и контроле электромагнитных полей современных беспроводных технологий. Медицина труда и промышленная экология. 2020; 60(9): 610-3. https://doi.org/10.31089/1026-9428-2020-60-9-610-613
7. Перов С.Ю., Белая О.В., Балзано К., Рубцова Н.Б. Проблемы оценки электромагнитных полей от систем мобильной связи сегодня и завтра. Медицина труда и промышленная экология. 2020; 60(9): 597-99. https://doi.org/10.31089/1026-9428-2020-60-9-597-599
8. Adda S., Aureli T., D'elia S., Franci D., Grillo E., Migliore M.D. et al. A Theoretical and Experimental Investigation on the Measurement of the Electromagnetic Field Level Radiated by 5G Base Stations. IEEE Access. 2020; 8: 101448-63. https:// doi.org/10.1109/ACCESS.2020.2998448
9. IEC 62232-2017. Determination of RF field strength, power density and SAR in the vicinity of radiocommunication base stations for the purpose of evaluating human exposure. Geneva: IEC; 2017.
10. TR 62669-2019. Case studies supporting IEC 62232— determination of RF field strength, power density and SAR in the vicinity of radiocommunication base stations for the purpose of evaluating human exposure. Geneva: IEC; 2019.
11. Салахов А.З. Оценка воздействия средств мобильной связи пятого поколения 5G на человека путем экспериментального измерения и экстраполяции максимальной мощности электромагнитного поля. Вестник Российского нового университета. Серия сложные системы: модели, анализ и управление. 2020; 5: 29-39. https://doi.org/10.25586/RNU. V9187.20.05.P.029
12. METAS-report 154.1-2020-5218-1016. Technical Report: Measurement Method for 5G NR Base Stations up to 6 GHz. -Federal Institute of Metrology METAS. Bern-Wabern.2020:25. Available at: https://www.metas.ch/metas/en/home/dok/ publikationen/meldungen/2020-02-18.html
Оригинальные статьи
13. Adda S., Aureli T., Coltellacci S., D'elia S., Franci D., Grillo E. et al. A Methodology to Characterize Power Control Systems for Limiting Exposure to Electromagnetic Fields Generated by Massive MIMO Antennas. IEEE Access. 2020; 8: 171956171967. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.3024764
14. Franci D., Coltellacci S., Grillo E., Pavoncello S., Aureli T., Cintoli R. et al. Experimental Procedure for Fifth Generation (5G) Electromagnetic Field (EMF) Measurement and Maximum Power Extrapolation for Human Exposure Assessment. Environments. 2020; 7(3): 22. https://doi. org/10.3390/environments7030022
15. HJ 1151-2020. Monitoring method for electromagnetic radiation environment of 5G mobile communication base station (on trail). 2020: 16. Available at: http://www. guiyang.gov.cn/zwgk/zdlyxxgkx/sthj/hyfsaqjg/202103/ P020210303363740255142.pdf
16. MCMC MTSFB TC G032:2021 Technical code. Prediction and measurement of RF RMF exposure from base station. 2021: 78. Available at: https://www.mcmc.gov.my/skmmgovmy/ media/General/registers/MCMC-MTSFB-TC-G032_2021-Prediction-and-Measurement-of-RF-EMF-Exposure-from-Base-Station.pdf
17. Loh T.H., Cheadle D., Heliot F., Sunday A., Dieudonne M.A Study of Experiment-based Radio Frequency Electromagnetic Field Exposure Evidence on Stochastic Nature of A Massive MIMO System. 2021 15th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP). 2021: 1-5. https://doi.org/10.23919/ EuCAP51087.2021.9411325
18. Степанец И., Фокин Г. Особенности реализации Massive MIMO в сетях 5G. Первая миля. 2018; 1: 44-50. https:// doi.org/10.22184/2070-8963.2018.70.1.46.52
19. Thors B., Furuskar A., Colombi D., Tornevik C. Time-averaged realistic maximum power levels for the assessment of radio frequency exposure for 5G radio base stations using
massive MIMO. IEEE Access. 2017; 5: 19711-9. https://doi. org/10.1109/ACCESS.2017.2753459
20. Chiaraviglio L., Lodovisi C., Franci D., Grillo E., Pavoncello S., Aureli T. et al. What is the Impact of 5G Towers on the Exposure over Children, Teenagers and Sensitive Buildings? arXiv preprint. 2022: arXiv:2201.06944. https://doi.org/ https://doi.org/10.48550/arXiv.2201.06944
21. Xu B., Anguiano Sanjurjo D., Colombi D. Törnevik C. A Monte Carlo Analysis of Actual Maximum Exposure From a 5G Millimeter-Wave Base Station Antenna for EMF Compliance Assessments. Frontiers in Public Health. 2022; 9: 777759. https://doi.org/10.3389/fpubh.2021.777759
22. Baracca P., Weber A., Wild T., Grangeat C. A Statistical Approach for RF Exposure Compliance Boundary Assessment in Massive MIMO Systems. In: WSA 2018; 22nd International ITG Workshop on Smart Antennas. 2018: 1-6.
23. Colombi D., Joshi P., Xu B., Ghasemifard F., Narasaraju V., Törnevik C. Analysis of the Actual Power and EMF Exposure from Base Stations in a Commercial 5G Network. Applied Sciences. 2020; 10(15): 5280. https://doi.org/10.3390/ app10155280
24. Persia S., Carciofi C., D'Elia S., Suman R. EMF evaluations for future networks based on Massive MIMO. In: 2018 IEEE 29th Annual International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC). 2018: 1197-202. https://doi. org/10.1109/PIMRC.2018.8580893
25. Colombi D., Thors B., Persson T., Wiren N., Larsson L.E., Jonsson M. et al. Downlink power distributions for 2G and 3G mobile communication networks. Radiat Prot Dosimetry. 2013; 157(4): 477-87. https://doi.org/10.1093/rpd/nct169
26. Erläuterungen zur Änderung der Verordnung über den Schutz vor nichtionisierender Strahlung (NISV) 17. Dezember 2021: 10. Available at: https://www.newsd.admin.ch/newsd/ message/attachments/69619.pdf
Original articles
EDN: https://elibrary.ru/crhgmk
DOI: https://doi.org/10.31089/1026-9428-2022-62-6-388-396 УДК 614.875
Sergey Yu. Perov, Olga V. Belaya, Nina B. Rubtsova
The prospects for radiofrequency electromagnetic fields control approaches improvement under 5G wireless communication technologies introduction
Izmerov Research Institute of Occupational Health, 31, Budyonnogo Ave., Moscow, 105275
5G mobile communication system networks improvement leads to scenarios for the use of electromagnetic energy in various sectors of the economy variety increase and radiofrequency electromagnetic fields (EMF) person' exposure with expansion of the exposed by occupational and non-occupational exposure contingent including. Base station EMF distinctive feature is its complex frequency-time and spatial dynamics with constant control signals that should be taken into account in modern EMF control methods.
International practice in case of cellular base stations EMF assessment uses maximal values determination: theoretical and actual levels. EMF theoretical maximal values characterize base station operation mode under highest network load, highest data traffic and time-frequency radio channel resource full usage at the maximum permitted transmission power. Actual maximum EMF levels determination approach is base stations EMF evaluation alternative principle and is based on practically achievable maximum EMF emission, stochastic nature of base station signals with taking into account. The approaches to statistical assessment of actual maximum exposure levels are becoming a priority for international practice of base station EMF assessment and control due to adaptive antenna technologies in 5G cellular networks development. This approach to realistic EMF exposure assessment is fundamentally new for Russian practice and will require methodological updating of regulatory framework as well as comprehensive researches with network operators, including approaches to selective measurement results extrapolation for implementation. Ethics. The study did not require the ethics committee conclusion.
Keywords: electromagnetic field; base station; 5G/1MT-2020; selective measurements; hygienic assessment For citation: Perov S.Yu., Belaya O.V., Rubtsova N.B. The prospects for radiofrequency electromagnetic fields control approaches improvement under 5G wireless communication technologies introduction. Med. truda iprom. ekol. 2022; 62(5): 388-396. https://elibrary.ru/crhgmk https://doi.org/10.31089/1026-9428-2022-62-5-388-396
For correspondence: Sergey Yu. Perov, Head of electromagnetic field laboratory, Izmerov Research Institute of Occupational Health, Dr. of Sci. (Biol.). E-mail: perov@irioh.ru
Information about the authors: Perov S.Yu. https://orcid.org/0000-0002-6903-4327
Belaya O.V. https://orcid.org/0000-0003-3937-4950 Rubtsova N.B. https://orcid.org/0000-0001-6306-777X
Contribution:
Perov S.Yu. — research concept and design, editing;
Belaya O.V. — research concept and design, data collection and analysis, text writing; Rubtsova N.B. — research concept and design, editing. Funding. The study had no funding.
Conflict of interests. The author declares no conflict of interests. Received: 25.04.2022 / Accepted: 21.06.2022 / Published: 15.07.2022
Introduction. 5G wireless communication systems development and implementation indicate the international trends oftelecommunications industry intensive development. The various socio-economical fields of modern society are impacted by these trends more and more. New generation wireless networks provide innovation telecommunication services and are considered as for strategic development of industry, healthcare, agriculture, construction, transport and energy infrastructure technological base as well as other priority sectors in framework of "Digital Economy of the Russian Federation" National program. of 5G/IMT-2020 network subscribers distribution by Russian economy sectors in 2026, industry, community housing communal services and healthcare will be the most popular areas with more than 2.1 million users for each segment, according to the forecast [1]. 5G networks implementation leads to increased variety of wireless communications service functionality as well as electromagnetic energy usage scenarios in different economy sectors and of radiofrequency electromagnetic fields (EMF) human exposure change. Contingent exposed by occupational and non-occupational EMF exposure expansion and disappearance of differences between them may be expected due to these changes. All marked aspects define the importance of human electromagnetic safety problems and hygienic assessment and control methods improvement necessity.
5G wireless networks EMF human health effects are the subject of various specialties all over the world including Russia discussion and researches. Despite the available publications on the need to existing regulatory and methodological documents improve [2-6], the application of EMF exposure assessment principles, criteria and methods relevant to various standards mobile systems specific operation are covered in Russian scientific literature fragmentary and insufficiently. For the development of previous concept [7] the worldwide experience of current and perspective mobile standards EMF control is interesting for global trends identifying and recommendation formulation of EMF hygienic assessment system at national level in Russia methodical improvement.
Mobile base stations operation features. Environmental EMF levels generated by different standards mobile base stations are characterized by complex spectral structure, stochastic temporal dynamics and electromagnetic energy distribution spatial heterogeneity [8]. Base station signal spectral parameters are defined by operating frequency range, radio channel bandwidth and time-frequency structure in accordance with GSM, UMTS, LTE or 5G/IMT-2020 standard specification. EMF level temporal dynamics is defined by duplex mode with frequency or time division (FDD or TDD), specified by mobile standard and base station configuration, as well as by network data traffic and
Оригинальные статьи
active subscribers numbers in coverage zone. Spatial EMF
distribution is defined by base station antenna radiation
pattern, beam steering and beamforming technologies in MIMO and mMIMO systems including. These antenna technologies provide dynamic electromagnetic energy concentration in specified directions within service zone. Base station signal contains constant part (reference signals) with independent from actual network traffic load along with considered alternating components. These constant components synchronize/control signals in accordance with mobile standard specification. Thereby base station EMF levels distinctive features unlike other radio transmitting systems are complex frequency-time and spatial dynamics with constant control signals that should be taken into account in modern EMF human exposure control and assessment methods.
Base station EMF hygienic assessment principles and criteria. Maximal EMF levels values evaluation as worst exposure case is the main principle of EMF human exposure hygienic assessment. Theoretical maximal and actual maximal exposure levels are considered for mobile base station EMF according to international practice [9, 10].
Theoretical maximal EMF levels characterize base station operation mode under largest network traffic load and full frequency-time radio channel resource usage for maximum permissible transmission power. Such base station operation mode is critical and highly unlikely case at practice. Therefore, this mode focuses for conventional (conservative) typical EMF assessment. Theoretical maximal EMF levels may be assessed under normal base station operation mode in base of signal from base station to subscriber constant fixed power components selective measurements [8]. Hygienic assessment criteria is theoretical maximal exposure level FDSL determined by selective measurement results extrapolation described by general equation:
pDSL = PD% • кШт (1)
where:
PD%$ — power density (PD) level for base station reference signal,
PDmax — theoretical maximal PD level from base station,
КНаг — extrapolation coefficient for base station configuration.
According to International Electro technical Commission standard IEC 62232-2017 [9] base station EMF assessment and constant component signals are used depending on 2-4G mobile telecommunication standards:
- frequency-selective measurements of broadcast common channel BCCH for GSM (2G) networks,
- code-selective measurements of primary common pilot channel P-CPICH for UMTS (3G) networks, reference signal RS for LTE (4G) networks [8, 11].
For 5G/IMT-2020 base station network constant component is defined by block SSB synchronization signal, specific signals of which are distinguished by code-selective measurements [12].
Extrapolation factor iCS- used for theoretical maximal EMF levels assessment is defined by configuration parameters of certain base station. This factor includes the set of factors, considering full maximum transmission power and mobile base station reference signal power ratio, applied TDD duplex mode, radiation patterns of reference signals and traffic signals for adaptive antennas difference, in general.
Actual maximal EMF levels determination is base station assessment alternative principle. It is based in determination of practically achievable maximal exposure with regard to stochastic nature of base station signal. Such approach is especially important for hygienic assessment of spatially heterogeneous EMF from adaptive antenna systems with dynamic directional patterns that become widespread due to 5G/IMT-2020 networks deployment [8]. Hygienic assessment criterion is PD_P___ actual maximal exposure level defined by correction factor according to general equation:
PD (2)
where:
PDmax a — actual maximal base station PD level,
PDmax — theoretical maximal base station PD level,
PSit — correction factor considering base station actual maximal power reduction under base station operation its statistical distribution.
Thereby K__ correction factor is applied to theoretical maximal EMF level considered as reference (base) level and determined by statistical research of actual transmission power distribution during base station operation real case[13, 14].
Approaches of 5G/IMT-2020 systems EMF hygienic assessment development trends. Technological features of 5G/IMT-2020 networks deployed parallel to current 2-4G mobile networks operation require the enhancement of new EMF sources hygienic assessment methodology. In particular, actual maximal exposure by statistical assessment becomes priority principle for complex electromagnetic environment created by adaptive antennas with beamforming and beam steering technologies. This approach is included in IEC international regulatory document [9, 10].
5G/IMT-2020 base station EMF instrumental assessment methods are regulated from 2020-2021 at nation levels in Switzerland [12] China[l5] and Malaysia [l6].These national instructions reveal two different approaches to theoretical maximal exposure evaluation. Whereas Switzerland [12] and Malaysia [16] methods are based in code-selective measurement of secondary synchronization SSS signals synchronization signal SSB block extrapolation, China method [15] is based in frequency-selective measurements of traffic signal from base station to subscriber. Both method types model the worst from hygienic viewpoint base station operation mode case, but this approach may lead to actual EMF exposure unreliable assessment (overestimation). So, this approaches are considered by international specialists as outdated especially for mMIMO antenna systems [17 -19]. Similar antenna type output transmission power is distributed among many antenna array elements that use for multiple synchronization and traffic beams forming in various directions. Therefore, full array radiation power concentration at one direction assumption is considered as nonrealistic from practical point of view [20, 23]. This problem solution is the subject for statistical research of correction factors determination to consider antenna radiation temporal and spatial variability, beamforming technology, scenarios of different standards base station operation in real environment and corresponding EMF exposure [8, 10].
Statistical assessment methods for base station EMF exposure in real operation scenarios consider varying active subscribers' number, their spatial distribution, connection moments and durations, etc. These methods represent
actual maximal exposure approach and include theoretical [19, 21, 22] as well as instrumental [17, 23-25] survey. Maximum radiation power realistic thresholds are determined depending on base station operation conditions as result.
For example, statistical model suggested for realistic conservative assessment of mMIMO base station antennas EMF showed that actual maximum EMF level according to 95th percentile criterion was 7-22% of theoretical maximum level considering possible operation scenarios [19]. The results of spatial transmission channel with respect of realistic traffic configurations and subscribers' distribution within the cell three-dimensional modeling showed that mMIMO base station actual transmission power cumulative distribution function 95th and 99th percentiles were 22-26% and 27-32% of theoretical maximum respectively [22].
mMIMO antenna systems operation beamforming stochastic nature technologies study [17] was carried out in basis of EMF laboratory measurements, EMF spatial variations around laboratory mMIMO antenna setup especially were estimated at different data transfer rates and beam pattern configurations depending on subscribers' number and location.
mMIMO base stations' of 5G commercial networks (Australia) emission power levels were monitored for realistic assessment of EMF exposure [23]. 24 hours dynamic distribution of base stations' transmission power were monitored for each beam served connected users. The data were collected by means network management system based on network counters and base station operations events. The results showed that base station actual maximal emission power was lower than theoretical maximal level by 8.8 dB according to 95th percentile criterion. By study [24] data actual 4G networks base station (Italy) emission power levels were 20-23% of maximum. The results of similar monitoring studies for 3G networks (Sweden) showed that base stations actual radiation power levels according to average, median values and 90th percentile criteria were 23%, 17% and 35% of maximum power respectively [25]. At the same time, there were a strong correlation between base stations power network measurements and in-situ EMF selective measurements with 2.7% average relative error [25].
Considered methods for actual maximal EMF levels determination in relation to mobile base station hygienic assessment are developed actively abroad and seem promising as standard approach in the new edition of IEC 62232 International standard [23]. However, currently the results of statistical studies have already used in regulatory documents
Original articles
at national level in Switzerland, where the correction factors were introduced to consider the operation of adaptive transmitting antennas with dynamic radiation pattern for base station compliance assessment to EMF hygiene regulations. Correction factors applied to maximal transmitted antenna power based on scientific statistical studies results are regulated in range from 0.1 to 1.0 depending on antenna array size (subarrays number — antenna units). For example, for antenna arrays with number of sub-arrays of 64 or more, a correction factor defined to allow the greatest increase in transmission power-up to 10 times relative to the worst exposure conditions. The correction factors application implies the possibility of adaptive antennas in real operating conditions maximum transmission power short-term increase to fixed level. In turn the base station operator should ensure this possibility by equipping the antennas by automatic power limiter — a software that continuously monitors the total transmit antenna power within cell [26].
Conclusion. The active study and implementation of actual maximal exposure concept by means of computational and instrumental methods can be noted as international trend of base station EMF hygienic assessment and control practice with 5G mobile networks of adaptive antenna technologies development. Such approach aimed to realistic exposure assessment is fundamentally new for Russian practice and its implementation will require not only methodological updating of regulatory framework, but comprehensive studies together with mobile network operators carrying out also, the tests of selective measurement results extrapolation approaches including. Accordingly, of Russian system of mobile base station EMF hygienic assessment methodical improvement requires:
- current and future generations mobile standard base stations EMF assessment selective measurement methods implementation;
- implementation of selective measurement result extrapolation approach to theoretical maximal EMF exposure assessment;
- development of actual base station power emission monitoring methods by means of network controllers, network operation support systems, etc.;
- development of actual maximal exposure assessment approach based on transmitted power distribution under base station operation in real conditions statistical studies;
- development of regulatory documents to interaction between sanitary and epidemiological service and base stations owners/operators ensure in EMF control framework.
References
1. Order of the Russian Federation Ministry of Communications No. 923 dated December 27, 2019 "On approval of the Concept of creation and development of 5G/IMT2020 networks in the Russian Federation". Available at: https://legalacts.ru/ doc/prikaz-minkomsvjazi-rossii-ot-27122019-n-923-ob-utverzhdenii/ (in Russian).
2. Zaitseva N.V., Ulanova T.S., Ponomarev A.L., Molok O.A., Odegov A.A. Evaluation and substantiation of the necessity to revise guidelines for measuring electromagnetic radiation of cellular base stations. Public Health and Life Environment — PH&LE. 2020; 5: 29-35. https://doi.org/10.35627/2219-5238/2020-326-5-29-35 (in Russian).
3. Egorova A.M., Lutsenko L.A., Sukhova A.V., Kolyuka VV., Turdyev R.V. Hygienic assessment of the impact of 5G/IMT-2020 communication networks on public health (literature
review). Gigiyena i sanitariya. 2021; 100(9): 929-32. https:// doi.org/10.47470/0016-9900-2021-100-9-929-932 (in Russian).
4. Nikitina V.N., Kalinina N.I., Lyashko G.G., Dubrovskaya E.N., Plekhanov V.P. Special features of the architecture of 5G networks. Probabilistic forecasting of the impact of electromagnetic fields of radio frequencies on the population (literature review). Gigiyena i sanitariya. 2021; 100(8): 792-6. https://doi.org/10.47470/0016-9900-2021-100-8-792-796 (in Russian).
5. Sizov D.V., Pankratov D.Y. Assessment of electromagnetic fields impact of 5G networks on humans. Telekommunikatsii i informatsionnye tekhnologii. 2021; 8(1): 13-2 (in Russian)
6. Maslov M.Yu., Spodobaev Yu.M. Convergence in norming and control of modern wireless technologies electromagnetic
Оригинальные статьи
fields. Med. truda iprom. ekol. 2020; 60(9): 610-3. https://doi. org/10.31089/1026-9428-2020-60-9-610-613 (in Russian).
7. Perov S.Yu., Belaya O.V., Balzano Q Rubtsova N.B. The problems of mobile communication electromagnetic field exposure assessment today and tomorrow. Med. truda i prom. ekol. 2020; 60(9): 597-9. https://doi.org/10.31089/1026-9428-2020-60-9-597-599 (in Russian).
8. Adda S., Aureli T., D'elia S., Franci D., Grillo E., Migliore M.D. et al. A Theoretical and Experimental Investigation on the Measurement of the Electromagnetic Field Level Radiated by 5G Base Stations. IEEE Access. 2020; 8: 101448-63. https:// doi.org/10.1109/ACCESS.2020.2998448
9. IEC 62232-2017. Determination of RF field strength, power density and SAR in the vicinity of radiocommunication base stations for the purpose of evaluating human exposure. Geneva: IEC; 2017.
10. TR 62669-2019. Case studies supporting IEC 62232— determination of RF field strength, power density and SAR in the vicinity of radiocommunication base stations for the purpose of evaluating human exposure. Geneva: IEC; 2019.
11. Salahov A.Z. Assessment of human exposure to fifth-generation 5G mobile communications through experimental measurement and extrapolation of the maximum electromagnetic field strength. Vestnik Rossijskogo novogo universiteta. Seriya slozhnye sistemy: modeli, analiz i upravlenie. 2020; 5: 29-39. https://doi. org/10.25586/RNU.V9187.20.05.P.029 (in Russian)
12. METAS-report 154.1-2020-5218-1016. Technical Report: Measurement Method for 5G NR Base Stations up to 6 GHz. Federal Institute of Metrology METAS. Bern-Wabern. 2020: 25. Available at: https://www.metas.ch/metas/en/home/dok/ publikationen/meldungen/2020-02-18.html
13. Adda S., Aureli T., Coltellacci S., D'elia S., Franci D., Grillo E. et al. A Methodology to Characterize Power Control Systems for Limiting Exposure to Electromagnetic Fields Generated by Massive MIMO Antennas. IEEE Access. 2020; 8: 171956171967. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.3024764
14. Franci D., Coltellacci S., Grillo E., Pavoncello S., Aureli T., Cintoli R. et al. Experimental Procedure for Fifth Generation (5G) Electromagnetic Field (EMF) Measurement and Maximum Power Extrapolation for Human Exposure Assessment. Environments. 2020; 7(3): 22. https://doi. org/10.3390/environments7030022
15. HJ 1151-2020. Monitoring method for electromagnetic radiation environment of 5G mobile communication base station (on trail). 2020: 16. http://www.guiyang.gov.cn/zwgk/ zdlyxxgkx/sthj/hyfsaqjg/202103/P020210303363740255142. pdf
16. MCMC MTSFB TC G032:2021 Technical code. Prediction and measurement of RF RMF exposure from base station. 2021: 78. Available at: https://www.mcmc.gov.my/skmmgovmy/
media/General/registers/MCMC-MTSFB-TC-G032_2021-Prediction-and-Measurement-of-RF-EMF-Exposure-from-Base-Station.pdf
17. Loh T.H., Cheadle D., Heliot F., Sunday A., Dieudonne M. A Study of Experiment-based Radio Frequency Electromagnetic Field Exposure Evidence on Stochastic Nature of A Massive MIMO System. 2021 15th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP). 2021: 1-5. https://doi. org/10.23919/EuCAP51087.2021.9411325
18. Stepanets I., Fokin G. Features of Massive MIMO in 5G networks. Pervaya milya. 2018; 1: 44-50 https://doi. org/10.22184/2070-8963.2018.70.1.46.52 (in Russian).
19. Thors B., Furuskär A., Colombi D., Törnevik C. Time-averaged realistic maximum power levels for the assessment of radio frequency exposure for 5G radio base stations using massive MIMO. IEEE Access. 2017; 5: 19711-19. https://doi. org/10.1109/ACCESS.2017.2753459
20. Chiaraviglio L., Lodovisi C., Franci D., Grillo E., Pavoncello S., Aureli T. et al. What is the Impact of 5G Towers on the Exposure over Children, Teenagers and Sensitive Buildings? arXiv preprint. 2022: arXiv:2201.06944. https://doi.org/ https://doi.org/10.48550/arXiv.2201.06944
21. Xu B., Anguiano Sanjurjo D., Colombi D. Törnevik C. A Monte Carlo Analysis of Actual Maximum Exposure From a 5G Millimeter-Wave Base Station Antenna for EMF Compliance Assessments. Frontiers in Public Health. 2022; 9: 777759. https://doi.org/10.3389/fpubh.2021.777759
22. Baracca P., Weber A., Wild T., Grangeat C. A Statistical Approach for RF Exposure Compliance Boundary Assessment in Massive MIMO Systems. In: WSA 2018; 22nd International ITG Workshop on Smart Antennas. 2018: 1-6.
23. Colombi D., Joshi P., Xu B., Ghasemifard F., Narasaraju V., Törnevik C. Analysis of the Actual Power and EMF Exposure from Base Stations in a Commercial 5G Network. Applied Sciences. 2020; 10(15): 5280. https://doi.org/10.3390/ app10155280
24. Persia S., Carciofi C., D'Elia S., Suman R. EMF evaluations for future networks based on Massive MIMO. In: 2018 IEEE 29th Annual International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC). 2018: 1197-202. https://doi. org/10.1109/PIMRC.2018.8580893
25. Colombi D., Thors B., Persson T., Wiren N., Larsson L.E., Jonsson M. et al. Downlink power distributions for 2G and 3G mobile communication networks. Radiat Prot Dosimetry. 2013; 157(4): 477-87. https://doi.org/10.1093/rpd/nct169
26. Erläuterungen zur Änderung der Verordnung über den Schutz vor nichtionisierender Strahlung (NISV) 17. Dezember 2021: 10. https://www.newsd.admin.ch/newsd/message/ attachments/69619.pdf
