CN111953438B - 5g下行链路电磁环境对人体照射的评估方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种5G下行链路电磁环境对人体照射的评估方法及装置，该方法包括：根据3GPP信道模型要求确定所需评估的等效平面，在等效平面上划分预设数量的5G高频信号簇；根据5G高频信号簇的信号参数，确定5G高频信号簇的波络幅度；根据5G高频信号簇的波络幅度，确定5G高频信号簇中每个脉冲的功率；根据每个脉冲的功率，对5G高频信号簇所属的5G高频频段的下行链路电磁辐射进行剂量评估，得到5G高频频段下行链路电磁环境对人体照射的评估结果。本申请可以确定5G无线通信设备所使用的5G高频频段的下行链路电磁环境对于人体的照射程度。
Description
技术领域
本申请涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种5G下行链路电磁环境对人体照射的评估方法及装置。
背景技术
本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
随着无线通信技术的不断发展，每一代无线通信技术的出现都会改变社会生活的方式。同时，射频电磁场对于人体健康的影响也越来越受到公众的关注。
为了限制电磁辐射的强度，国际非电离辐射委员会(International Commissionon Non-Ionizing Radiation Protection，ICNIRP)发布了相关指南，通过对人体对不同频率或信号类型电磁场的不同射频功率的吸收进行研究，得到针对2G、3G、4G无线通信模式的人体电磁照射的评估方案和限值。
在ICNIRP相关的国际文献中通常是采用理想化状态分析电磁辐射对于人体的影响，但是在实际中，发射器和接收器之间的实际无线信号传输会受多种因素的干扰，如传播路径、物体阻隔、发射、散射、衍射，以及大气气体、雾和降水的吸收等。同时，对于5G通信系统，由于采用了高数据传输速率的大规模连接模式，其应用的频率相较于2G、3G和4G的频段要高很多，同时还应用了多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)等技术，这些都造成了5G通信系统的传播信道相比于之前的4G等系统要复杂很多。如何确定5G无线通信设备对于人体的电磁照射，也就成为了亟待解决的问题。
发明内容
本申请实施例提供一种5G下行链路电磁环境对人体照射的评估方法，用以确定5G无线通信设备所使用的5G高频频段的下行链路对于人体的电磁照射程度，该方法包括：
根据3GPP信道模型要求确定所需评估的等效平面，在等效平面上划分预设数量的5G高频信号簇；根据5G高频信号簇的信号参数，确定5G高频信号簇的波络幅度；根据5G高频信号簇的波络幅度，确定5G高频信号簇中每个脉冲的功率；根据每个脉冲的功率，对5G高频信号簇所属的5G高频频段的下行链路电磁辐射进行剂量评估，得到5G高频频段下行链路电磁环境对人体照射的评估结果。
本申请实施例还提供一种5G下行链路电磁环境对人体照射的评估装置，用以确定5G无线通信设备所使用的5G高频频段的下行链路对于人体的电磁照射程度，该装置包括：
划分模块，用于根据3GPP信道模型要求确定所需评估的等效平面，在等效平面上划分预设数量的5G高频信号簇；确定模块，还用于根据划分模块划分的5G高频信号簇的信号参数，确定5G高频信号簇的波络幅度；确定模块，还用于根据5G高频信号簇的波络幅度，确定5G高频信号簇中每个脉冲的功率；信号评估模块，用于根据确定模块确定的每个脉冲的功率，对5G高频信号簇所属的5G高频频段的下行链路电磁辐射进行剂量评估，得到5G高频频段下行链路电磁环境对人体照射的评估结果。
本申请实施例中，根据3GPP信道模型要求定义等效平面，并基于该等效平面建模划分出5G高频信号簇，来模拟5G高频频段电磁环境对人体的辐射，进而通过5G高频信号簇的信号参数来确定5G高频频段下行链路电磁环境对人体照射的评估结果。通过上述方法，也就可以确定5G无线通信设备对于人体的电磁照射程度，为5G无线通信设备的研究提供了参考依据。并且，由于3GPP信道模型要求中综合考虑了传播路径、物体阻隔等干扰，则本申请基于3GPP信道模型要求建立的等效平面及在等效平面上划分的5G高频信号簇也就考虑了上述干扰因素，使得根据5G高频信号簇对下行链路电磁辐射安全性评估的评估结果也就更加准确。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本申请实施例中一种5G下行链路电磁环境对人体照射的评估方法的流程图；
图2(a)为本申请实施例中一种5G高频信号簇的入射示意图；
图2(b)为本申请实施例中另一种5G高频信号簇的入射示意图；
图3(a)为本申请实施例中一种信号簇的脉冲示意图；
图3(b)为本申请实施例中另一种信号簇的脉冲示意图；
图4为本申请实施例中一种5G下行链路电磁环境对人体照射的评估装置的结构图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本申请实施例做进一步详细说明。在此，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，但并不作为对本申请的限定。
5G无线通信技术将应用较宽的频谱，并扩展到毫米波频段。作为5G技术应用的第一步，目前多个相关厂商首先选择3.5GHz频段作为首先应用的场景。对于低于6GHz的频段，国际相关组织定义了两个三位信道模型规范：城市宏蜂窝(UMa)和城市微蜂窝(UMi)。
本数值评估算法即为对3.5GHz频段的城市宏蜂窝(UMa)和城市微蜂窝(UMi)，通过采用建模重建电磁场的方法，评估人体暴露的电磁照射情况。
本申请实施例提供了一种5G下行链路电磁环境对人体照射的评估方法，如图1所示，该方法包括步骤101至步骤104：
步骤101、根据3GPP信道模型要求确定所需评估的等效平面，在等效平面上划分预设数量的5G高频信号簇。
定义等效表面，需要根据国际组织3GPP对于信道模型的要求进行，该要求定义了UMa和UMi模型的交叉极化比(V/H)，如下表一所示：
表一
预设数量可以为6，也就是说，可以使用6组入射信号簇进行模拟，示例性的，参见图2(a)和图2(b)，天线交替发射6组入射信号簇，这些信号簇在时域上没有重叠。图2(a)和图2(b)中，#1～#6为信号簇的编号，每个信号簇由两个交叉极化的电场信号(图中以E表示)和磁场信号(图中以H表示)组成，箭头K代表波动的因子。图中的角度，如图2(a)中#5信号的角度-91.1°、图2(b)中#4信号的角度-30.5°，为每类簇模式的到达角(Angle-of-Arrival，AOA)。
步骤102、根据5G高频信号簇的信号参数，确定5G高频信号簇的波络幅度。
具体的，可以根据公式
和
，确定5G高频信号簇的波络幅度Av、Ahxi和Ahyi；其中，
为电场；UMa用于表示城市宏蜂窝，UMi用于表示城市微蜂窝；i＝0,1,2，i为由不同路径产生的三个脉冲；Di为相应簇中第i个脉冲的时延；Av和Ah是电场交叉极化的幅度，Ah进一步差分为平行于X轴(Ahx)和Y轴(Ahy)的两个分量；波向量分别为：
和
ω为角频率、t为时间、τ为脉宽常数、e为自然指数的底。
信号簇的信号模式如图3(a)所示，这些信号簇由3个高斯脉冲组成。相邻脉冲的间隔为5纳秒(ns)。每个高斯脉冲强度的设定依据3GPP的要求，参阅图3(b)，每个高斯脉冲的中心频率为3500MHz，带宽为200MHz。按照国内对于5G计划的划分频谱，3400MHz到3600MHz这200MHz将会用于5G业务。由于在图3(b)中200MHz的带宽为3dB，则根据5G频谱规划标准设τ＝2.3·e-8。
步骤103、根据5G高频信号簇的波络幅度，确定5G高频信号簇中每个脉冲的功率。
具体的，可以根据公式
计算5G高频信号簇中每个脉冲的功率Pi。
步骤104、根据每个脉冲的功率，对5G高频信号簇所属的5G高频频段的下行链路电磁辐射进行剂量评估，得到5G高频频段下行链路电磁环境对人体照射的评估结果。
对于8GHz的采样率(截止频率的2倍)，入射的信号簇采用1200次时间采样，以保证数值计算有稳定的结果。通过时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain，FDTD)更新
然后通过傅里叶变换将其转换到频域
此时，可以根据公式
确定5G高频频段下行链路电磁环境对人体电磁照射的评估结果SA(x,y,z)；其中，x、y、z为空间坐标、f为频率、P(x,y,x,f)为空间坐标为(x、y、z)的位置在f频点的功率、m(x,y,z)为空间坐标为(x、y、z)的位置的组织质量、σ(x,y,z,f)为空间坐标为(x、y、z)的位置的组织导电率、E(x,y,z,f)为空间坐标为(x、y、z)的位置的空间电场。
为了保证信道模型能够正确生成传播环境，在对5G高频频段下行链路电磁环境对于人体照射进行评估之前，还根据5G高频信号簇的信号参数，按照预设标准对5G高频信号簇进行信道模型评估，得到评估结果，其中，预设标准包括功率与延迟偏差标准、空间相关性标准和交叉极化比标准。如果评估结果满足信道模型要求，则根据每个脉冲的功率，对5G高频信号簇所属的5G高频频段的下行链路电磁辐射进行剂量评估，得到5G高频频段下行链路电磁环境对人体照射的评估结果。
下面将对上述3种预设标准进行说明。
1、功率与延迟偏差标准
本标准用于验证脉冲的顺序。评估点位于体积的中心，在此以时间顺序记录功率。根据3GPP的要求确定数据是否满足。UMi或UMa的每簇最大功率偏差为±0.85dB，UMi或UMa的每簇最大延迟偏差为±0.11ns。
2、空间相关性标准
本方法是确认在电磁场环境中的电场是否遵循理论曲线。根据3GPP的要求，电场值沿z方向的中间等级，设置11个位置分布在模拟体积的中心线上(如图2(a)或图2(b)所示，垂直于AoA＝0°的方向)，采样周期为0.1个波长，相关性通过下式计算得到：
其中i'＝0,1,2,…,9,10，j＝0,1,2,…,9,10；Cov是协变量；Dev是标准差；Ej(t)表示t时刻第j个观察点的电场，
Eix(t)表示t时刻第i个观察点的x分量电场，Eiy(t)表示t时刻第i个观察点的y分量电场，Eiz(t)表示t时刻第i个观察点的z分量电场。
需要说明的是，Eix(t)、Eiy(t)、Eiz(t)、Ej(t)的具体数值可以利用电磁场数值模拟方法计算得到。
3、交叉极化比标准
使用下式评估模拟体积中心点的交叉极化比(V/H)：
其中，Ex表示x方向的电场模值，Ey表示y方向的电场模值，Ez表示z方向的电场模值。
需要说明的是，Ex、Ey、Ez的具体数值可以利用电磁场数值模拟方法计算得到。
当偏差不超过±0.9dB即可认为满足要求。
需要说明的是，目前上述算法在Sub 6G部分进行了验证，由于目前国际标准中对于5G毫米波频段的脉冲间隔、采样周期等还没有最终确定，因此本评估方法在5G毫米波频段在理论上认为可以进行，最终的结果需要等待国际标准的确认再进行验证及修正。
如果评估结果不满足信道模型要求，则重新在等效平面上划分预设数量的5G高频信号簇。
本申请实施例中，可以通过构建等效平面的方式，在等效平面上划分出5G高频信号簇，来模拟5G高频频段电磁环境对人体的辐射，进而通过5G高频信号簇的信号参数来确定5G高频频段下行链路电磁环境对人体照射的评估结果。通过上述方法，也就可以确定5G无线通信设备对于人体的电磁照射程度，为5G无线通信设备的研究提供了参考依据。并且，由于3GPP信道模型要求中综合考虑了传播路径、物体阻隔等干扰，则本申请基于3GPP信道模型要求建立的等效平面及在等效平面上划分的5G高频信号簇也就考虑了上述干扰因素，使得根据5G高频信号簇对下行链路电磁辐射评估的评估结果也就更加准确。
本申请实施例还提供了一种5G下行链路电磁环境对人体照射的评估装置，如图4所示，该装置包括划分模块401、确定模块402和信号评估模块403。
其中，划分模块401，用于根据3GPP信道模型要求确定所需评估的等效平面，在等效平面上划分预设数量的5G高频信号簇。
确定模块402，还用于根据划分模块401划分的5G高频信号簇的信号参数，确定5G高频信号簇的波络幅度。
确定模块402，还用于根据5G高频信号簇的波络幅度，确定5G高频信号簇中每个脉冲的功率。
信号评估模块403，用于根据确定模块402确定的每个脉冲的功率，对5G高频信号簇所属的5G高频频段的下行链路电磁辐射进行剂量评估，得到5G高频频段下行链路电磁环境对人体照射的评估结果。
在本申请实施例的一种实现方式中，确定模块402，用于：
根据公式
和
，确定5G高频信号簇的波络幅度Av、Ahxi和Ahyi。
其中，
为电场；UMa用于表示城市宏蜂窝，UMi用于表示城市微蜂窝；i＝0,1,2，i为由不同路径产生的三个脉冲；Di为相应簇中第i个脉冲的时延；Av和Ah是电场交叉极化的幅度，Ah进一步差分为平行于X轴(Ahx)和Y轴(Ahy)的两个分量；波向量分别为：
和
ω为角频率、t为时间、τ为脉宽常数、e为自然指数的底。
在本申请实施例的一种实现方式中，确定模块402，用于：
根据公式
计算5G高频信号簇中每个脉冲的功率Pi。
在本申请实施例的一种实现方式中，装置还包括：
信道评估模块404，用于根据划分模块401划分的5G高频信号簇的信号参数，按照预设标准对5G高频信号簇进行信道模型评估，得到评估结果，预设标准包括功率与延迟偏差标准、空间相关性标准和交叉极化比标准。
信号评估模块403，用于当信道评估模块404得到的评估结果满足信道模型要求时，根据每个脉冲的功率，对5G高频信号簇所属的5G高频频段的下行链路电磁辐射进行剂量评估，得到5G高频频段下行链路电磁环境对人体照射的评估结果。
在本申请实施例的一种实现方式中，划分模块401，还用于：
当信道评估模块404得到的评估结果不满足信道模型要求，则重新在等效平面上划分预设数量的5G高频信号簇。
在本申请实施例的一种实现方式中，信号评估模块403，用于：
根据公式
确定5G高频频段下行链路电磁环境对人体电磁照射的评估结果SA(x,y,z)；其中，x、y、z为空间坐标、f为频率、P(x,y,x,f)为空间坐标为(x、y、z)的位置在f频点的功率、m(x,y,z)为空间坐标为(x、y、z)的位置的组织质量、σ(x,y,z,f)为空间坐标为(x、y、z)的位置的组织导电率、E(x,y,z,f)为空间坐标为(x、y、z)的位置的空间电场。
本申请实施例中，根据3GPP信道模型要求定义等效平面，并基于该等效平面建模划分出5G高频信号簇，来模拟5G高频频段电磁环境对人体的辐射，进而通过5G高频信号簇的信号参数来确定5G高频频段下行链路电磁环境对人体照射的评估结果。通过上述方法，也就可以确定5G无线通信设备对于人体的电磁照射程度，为5G无线通信设备的研究提供了参考依据。并且，由于3GPP信道模型要求中综合考虑了传播路径、物体阻隔等干扰，则本申请基于3GPP信道模型要求建立的等效平面及在等效平面上划分的5G高频信号簇也就考虑了上述干扰因素，使得根据5G高频信号簇对下行链路电磁辐射安全性评估的评估结果也就更加准确。
本申请实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，该处理器执行该计算机程序时实现5G下行链路电磁环境对人体照射的评估方法。
本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有执行5G下行链路电磁环境对人体照射的评估方法的计算机程序。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种5G下行链路电磁环境对人体照射的评估方法，其特征在于，所述方法包括：
根据3GPP信道模型要求确定所需评估的等效平面，在等效平面上划分预设数量的5G高频信号簇；
根据5G高频信号簇的信号参数，确定5G高频信号簇的波络幅度；
根据5G高频信号簇的波络幅度，确定5G高频信号簇中每个脉冲的功率；
根据每个脉冲的功率，对5G高频信号簇所属的5G高频频段的下行链路电磁辐射进行剂量评估，得到5G高频频段下行链路电磁环境对人体照射的评估结果；
其中，所述根据5G高频信号簇的信号参数，确定5G高频信号簇的波络幅度，包括：根据公式
和
，确定5G高频信号簇的波络幅度Av、Ahxi和Ahyi；其中，
为电场；UMa用于表示城市宏蜂窝，UMi用于表示城市微蜂窝；i＝0,1,2，i为由不同路径产生的三个脉冲；Di为相应簇中第i个脉冲的时延；Av和Ah是电场交叉极化的幅度，Ah进一步差分为平行于X轴(Ahx)和Y轴(Ahy)的两个分量；波向量分别为
和
ω为角频率、t为时间、τ为脉宽常数、e为自然指数的底；
其中，所述根据5G高频信号簇的波络幅度，确定5G高频信号簇中每个脉冲的功率，包括：根据公式
计算5G高频信号簇中每个脉冲的功率Pi；
其中，所述对5G高频信号簇所属的5G高频频段的下行链路电磁辐射进行剂量评估，得到5G高频频段下行链路电磁环境对人体照射的评估结果，包括：根据公式
确定5G高频频段下行链路电磁环境对人体照射的评估结果SA(x,y,z)；其中，x、y、z为空间坐标、f为频率、P(x,y,x,f)为空间坐标为(x、y、z)的位置在f频点的功率、m(x,y,z)为空间坐标为(x、y、z)的位置的组织质量、σ(x,y,z,f)为空间坐标为(x、y、z)的位置的组织导电率、E(x,y,z,f)为空间坐标为(x、y、z)的位置的空间电场。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对5G高频信号簇所属的5G高频频段的下行链路进行剂量评估之前，所述方法还包括：
按照预设标准对5G高频信号簇进行信道模型评估，得到评估结果，所述预设标准包括功率与延迟偏差标准、空间相关性标准和交叉极化比标准；
如果评估结果满足信道模型要求，则根据每个脉冲的功率，对5G高频信号簇所属的5G高频频段的下行链路电磁辐射进行剂量评估，得到5G高频频段下行链路电磁环境对人体照射的评估结果。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在按照预设标准对5G高频信号簇进行信道模型评估，得到评估结果之后，所述方法还包括：
如果评估结果不满足信道模型要求，则重新在等效平面上划分预设数量的5G高频信号簇。
4.一种5G下行链路电磁环境对人体照射的评估装置，其特征在于，所述装置包括：
划分模块，用于根据3GPP信道模型要求确定所需评估的等效平面，在等效平面上划分预设数量的5G高频信号簇；
确定模块，还用于根据划分模块划分的5G高频信号簇的信号参数，确定5G高频信号簇的波络幅度；
确定模块，还用于根据5G高频信号簇的波络幅度，确定5G高频信号簇中每个脉冲的功率；
信号评估模块，用于根据确定模块确定的每个脉冲的功率，对5G高频信号簇所属的5G高频频段的下行链路电磁辐射进行剂量评估，得到5G高频频段下行链路电磁环境对人体照射的评估结果；
确定模块，用于：根据公式
和
，确定5G高频信号簇的波络幅度Av、Ahxi和Ahyi；其中，
为电场；UMa用于表示城市宏蜂窝，UMi用于表示城市微蜂窝；i＝0,1,2，i为由不同路径产生的三个脉冲；Di为相应簇中第i个脉冲的时延；Av和Ah是电场交叉极化的幅度，Ah进一步差分为平行于X轴(Ahx)和Y轴(Ahy)的两个分量；波向量分别为：
和
ω为角频率、t为时间、τ为脉宽常数、e为自然指数的底；
确定模块，用于：根据公式
计算5G高频信号簇中每个脉冲的功率Pi；
信号评估模块，用于：根据公式
确定5G高频频段下行链路电磁环境对人体电磁照射的评估结果SA(x,y,z)；其中，x、y、z为空间坐标、f为频率、P(x,y,x,f)为空间坐标为(x、y、z)的位置在f频点的功率、m(x,y,z)为空间坐标为(x、y、z)的位置的组织质量、σ(x,y,z,f)为空间坐标为(x、y、z)的位置的组织导电率、E(x,y,z,f)为空间坐标为(x、y、z)的位置的空间电场。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
信道评估模块，用于根据划分模块划分的5G高频信号簇的信号参数，按照预设标准对5G高频信号簇进行信道模型评估，得到评估结果，所述预设标准包括功率与延迟偏差标准、空间相关性标准和交叉极化比标准；
信号评估模块，用于当信道评估模块得到的评估结果满足信道模型要求时，根据每个脉冲的功率，对5G高频信号簇所属的5G高频频段的下行链路电磁辐射进行剂量评估，得到5G高频频段下行链路电磁环境对人体照射的评估结果。
6.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至3任一所述方法。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有执行权利要求1至3任一所述方法的计算机程序。
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