Implications of EMF Exposure Limits on Output Power Levels for 5G Devices above 6 GHz
全抄録はIEEE Xploreに掲載、DOI: 10.1109/LAWP.2015.2400331
著者紹介 ダヴィデ・コロンビ、ビョルン・トース、クリスター・トルネヴィク
AI解説（一般向け）
6G（第6世代移動通信システム）は、5Gの次の世代の無線通信技術であり、さらに高い周波数帯域を使用することが予想されている。この論文では、6GHz以上の周波数帯域で動作する機器から放射される電磁波が人体に与える影響について、現行の電磁波ばく露規制の観点から検討している。
周波数が高くなるほど、電磁波が人体に与える影響の指標が変わる。現在の規制では、6GHz（米国のFCC規制）または10GHz（国際的なICNIRP規制）を境に、人体への影響の評価方法が大きく変化する。
6GHzまたは10GHz以下の周波数帯では、比吸収率（SAR）という指標が使われる。SARは、人体が電磁波からどれだけのエネルギーを吸収するかを表す。一方、6GHzまたは10GHzを超える周波数帯では、電力密度（PD）という指標が使われる。PDは、人体に入射する電磁波の強さを表す。
問題は、この評価方法の変化に伴って、機器から放射できる最大電力（Pmax）が大幅に低下することである。論文によれば、6dB（デシベル）程度の低下が生じるとのことである。デシベルは電力の比率を表す単位で、6dBの低下は、電力が約1/4になることを意味する。
つまり、6GHz以上の周波数帯で動作する6G機器は、現行の規制に適合するために、現在の5Gスマートフォンなどで使用されている電力レベルよりもかなり低い電力で動作しなければならない可能性がある。
この電力制限は、6G機器の設計に大きな影響を与える。電力が制限されれば、通信距離が短くなったり、電波が届きにくい場所が増えたりする可能性がある。
ただし、この電力制限は、人体の安全性を確保するために必要な措置である。高い周波数の電磁波は、人体の皮膚などで吸収されやすく、組織を加熱する可能性がある。適切な電力制限を設けることで、こうした人体への影響を最小限に抑えることができる。
6Gの実用化に向けては、こうした規制上の課題を解決していく必要がある。技術的な工夫により、少ない電力でも高い通信性能を実現することが求められる。同時に、規制自体も、最新の科学的知見に基づいて適切に見直していくことが重要である。
この論文の結果は、6G時代の無線通信システムの設計に重要な示唆を与えるものである。より高い周波数帯を使用することで、高速・大容量の通信が可能になる一方で、人体への影響を考慮した適切な電力設定が必要になる。また、現行の電磁波ばく露規制における矛盾点を解決することも重要な課題である。
概要
スペクトラムは希少な資源であり、将来の無線通信システムに6GHz以上の周波数帯を利用することへの関心が高まっている。より高い周波数帯域の利用は、電磁界（EMF）被ばく評価における新たな課題を意味する。なぜなら、基本的な被ばく指標（基本制限）が比吸収率（SAR）から電力密度に変化しつつあるからである。本研究では、人体に近接して使用される機器からの可能な最大放射電力（Pmax）の観点から、この変化の意味を調べた。その結果、SARから電力密度に基づく基本規制への移行に伴い、既存の暴露規制ではPmaxに数dBの非物理的な不連続性が生じることが示された。その結果、6GHzを超える周波数で適用される曝露制限に準拠するためには、Pmaxを現在のセルラー技術で使用されている電力レベルより数dB低くしなければならない可能性がある。アップリンクで利用可能な電力はシステム容量とカバレッジに直接影響するため、このような矛盾が解決されなければ、次世代セルラーネットワーク（5G）の開発に大きな影響を及ぼす可能性がある。
索引用語-電磁波暴露制限、デバイス出力電力、5G
1. はじめに
[1]では、トラフィック量、データ・レート、および新しいタイプのデバイスとサービスへの対応に関する将来の要件を満たすため、第5世代移動通信システム（5G）の基礎を築く作業が進行中である[2]。重要な課題は、現在携帯電話や無線通信システムに使用されている周波数帯域（通常6GHz以下）よりも上の周波数帯域を含む通信スペクトラムの拡張の可能性を探ることである。
最近、ミリ波（mmW）周波数帯における伝搬特性の理解を深めるため、都市環境における測定キャンペーンが28 GHz帯と38 GHz帯で実施された[3]。他の論文では、高周波帯域のさまざまな実装側面や応用シナリオに焦点が当てられている。[4]。しかし、この周波数帯におけるセルラー無線アクセスの機会と限界を理解するためには、まだいくつかの疑問点に対処する必要がある。
無線技術にとって重要な点は、ユーザー機器（携帯電話、タブレット、ラップトップなど）が利用可能な最大出力電力である。この要素は、システム容量とカバレッジに直接影響する。したがって、既存の無線周波数（RF）電磁界（EMF）暴露規制が、mmW周波数範囲で動作する機器の最大許容出力電力に及ぼす影響を評価することが重要である。
RF EMFへの曝露中のエネルギー吸収に起因する組織温度の上昇を防ぐため、国際非電離放射線防護委員会（ICNIRP）により安全ガイドラインが発表されている。[5]。ICNIRPの制限値は、EUおよび世界のほとんどの国の規制に採用されている。米国では、連邦通信委員会（FCC）が定めた限度値が適用される[6]。IEEE [7, 8]によって、より新しい被ばく限度値が提案されているが、これらはまだどの規制要件にも採用されていない。移動体通信に一般的に使用される周波数範囲では、基本的な被ばく指標は比吸収率（SAR）である。3GHz（IEEE）、6GHz（FCC）、10GHz（ICNIRP）以上の周波数では、被ばく限度はSAR（単位：W/kg）から自由空間電力密度（PD、単位：W/m2）に変わる。現行の携帯電話帯域での被ばくを特徴付けるために、長年にわたって相当量の研究が行われてきたが、より高い周波数については情報が乏しい（[9]参照）。
この論文では、6 GHz以上（および70 GHzまで）の電磁波暴露制限に準拠することが、人体に近接して使用される機器から放射される可能性のある最大電力に与える影響について調査している。この研究は、次世代モバイルネットワーク（5G）の標準化に関連するインプットを提供し、「高周波」での無線通信全般に付加価値を与える。また、EMF暴露制限値の設定に責任を持つ組織にもインプットを提供する。
2. 方法
ユーザー機器（UE）に適用される局所SAR基準値は、体組織の質量1g（FCC）または10g（ICNIRPおよびIEEE）にわたって平均化される。PD 制限値は、ICNIRPについては 20 cm2の平均化領域、FCCについてはピーク値として考慮される（表 1 参照）。IEEEでは、平均化領域は30GHz以下では周波数に依存し、30GHz以上では100cm2である。ICNIRPとIEEEのガイドラインは、局所被ばくに対する空間的ピークPD限界値も規定しており、ICNIRPでは1cm2の平均値としている（表1参照）。
表1
一般公衆の基本制限値は、特定の遷移周波数(°TR)の下および上で有効である。(S.P. = SPATIAL PEAK, AV. = AVERAGED OVER, = WAVELENGTH IN FREE SPACE, ᑓ = FREQUENCY IN GHZ)。
a周波数範囲3GHz～6GHzにおける移行を提供するために、IEEE C95.1への準拠は、入射電力密度または局所 SARの評価によって実証することができる。
表 1の電磁波暴露制限に準拠するための最大放射電力 Pmax は、正弦半波ダイポールの 1 GHz から 70 GHz までの周波数範囲において決定されている。Pmaxは、適合性評価を行うアンテナからの距離に依存する。この研究では、Pmax は、2cmの使用距離を想定した現実的なコンプライアンス評価のセットアップを反映して決定された。[10]。評価は、市販の電磁ソルバーFEKO（Altair Development S.A. Ltd, Stellenbosch, South Africa）を使った数値シミュレーションで行った。SARシミュレーションでは、実際のSAR測定セットアップをモデル化した。このセットアップには、損失性組織模擬材料と比誘電率4の厚さ2mmのファントム・シェルからなる平坦体ファントムが含まれる。損失性誘電材料の誘電特性は、[10]の組織等価液体仕様と等しくなるように設定した。通常測定に使用される電気的に大きな有限の箱型ファントムは、層状の半空間で近似され、場は平面グリーン関数を利用して評価された。これは、大きな3次元体積の離散化を避けることで計算量を減らすためである。SARは、電磁波曝露の制限に応じて、質量1gまたは10gの立方体で平均した（表1参照）。SARが曝露指標となる周波数範囲では、Pmaxは1.6W/kg（FCCの場合）または2W/kg（ICNIRPおよびIEEEの場合）に等しい局所的なSAR値をもたらす放射電力に相当する。より高い周波数では、Pmaxは自由空間におけるダイポールのPDのシミュレーションによって求められた。ICNIRPに準拠するため、電力密度は表1に従って20cm2と1cm2で空間平均され、最も低いPmaxが選択された。IEEE規格への準拠についても、関連する被ばく限度および平均化領域を用いて同様のアプローチを行った（表1参照）。ICNIRPとIEEEは平均化領域の形状を規定していない。この作業では、簡単のため正方形のエリアを想定した。
周波数が高くなると、UEに対してより指向性の高いアンテナを使用することが望ましい場合があるため、15 GHzで動作する4 x 4素子のアンテナアレイモデルについてもPmaxの結果を求めた。ダイポールの長さと各エレメント間の距離は半波長である。反射板は金属製の正方形で、大きさは2、高さ/5の金属壁で側面を囲んでいる。反射鏡と双極子間の距離は/4。エレメントは、各ダイポールの中心に等振幅・等位相の電圧源で励振された。アレイのアンテナ利得は17.1dBiであった。
すべてのシミュレーションは、アンテナを完全導電体としてモデル化し、総放射電力を1Wとして行った。Pmaxは、1Wで得られたSARまたはPDの結果を表1の限界値にスケーリングすることで求めた。規格で規定されている限界値は、数値シミュレーション結果に対して適用されたものであり、測定中に発生する可能性のあるコンプライアンス評価への影響は考慮されていない。
3. 結果
図1では、単一ダイポールが2cmの離隔距離でコンプライアンスを満たすために調査された。周波数範囲におけるPmaxが示されている。SARからPD限界への移行周波数において、PmaxはFCCで約5.5dB、ICNIRPで約6.5dB低下することが示されている。現在の携帯電話帯域内では、Pmaxは既存の技術で現在規定されている値（例えば、LTE（Long Term Evolution）では23dBm）より大きいか、それに近い値である。FCCの6GHz以上とICNIRPの10GHz以上では、この数値はそれぞれ約15dBmと18dBmに減少する。周波数が高くなるにつれて、ダイポールの遠視野距離が短くなるため、周波数が高くなるにつれてPmaxが定常値に近づく。
局所的なSARの観点から基本的な制限が与えられている低周波数でのPmaxのやや振動的な挙動は、ICNIRPの被ばく限度において最も顕著であるが、これはいくつかの要因の組み合わせによるものと考えられる。周波数が高くなると、ファントムまでの電気的距離が長くなり、吸収される電力の割合が小さくなる。一方、周波数が高くなると、表面的なエネルギー吸収が大きくなり、アンテナサイズが小さくなるため、適用されるSAR平均体積内の吸収される電力の割合が大きくなる。
IEEEでは、移行周波数（3GHz）におけるPmaxはかなり小さい不連続性（約1dB）を示すが、この規格の最新改訂版[7, 8]はまだどの規制当局にも採用されていない。
図1 FCC、ICNIRP、IEEEの電磁波暴露に2cmの距離で適合するための、半波長ダイポールの最大出力電力。
図2は、前節で説明した4×4アンテナアレイのPmaxを、試験分離距離d（5mmから20cmまで）の関数として示したものである。ピーク電力密度が振動するアンテナの反応性ニアフィールドでは、Pmaxは距離の減少に伴って単調減少する、すなわち、d< d、Pmax(d) ≤ Pmax(d)と決定されている。このことは、FCC 制限の Pmaxが低い。dの値に対して比較的一定であることを説明する。この効果は、IEEE 制限に対応する曲線にも見られ、この曲線では、小さな分離距離の場合、ピーク電力密度が、Pmaxの制限量となる。ICNIRP 制限値を適用した場合、アンテナからの 20cm2 平均電力密度は距離とともに常に減少するため、このような効果は見られない。2cmでのPmaxはFCCでは7.8dBm、ICNIRPでは14dBmである。IEEEに対応する値は約19dBmである。
図2 15GHzにおけるFCCおよびICNIRPの電磁波暴露制限に適合するための4×4アンテナアレイの最大出力電力（距離の関数として）。
4. 結論
FCCでは6 GHz以上、ICNIRPでは10 GHz以上で、EMF暴露限界はSARではなく自由空間パワー密度で定義されている。被ばく指標が変化する遷移周波数において、身体に近接して使用される機器の ICNIRP および FCC EMF 制限に適合するための最大放射電力は、強い不連続性を示すことが示された（調査したケースでは 6 dBのオーダー）。この不一致は科学的根拠がなく、曝露限度値の矛盾によるものである。結果として、6～10GHz以上の周波数で動作する機器のアップリンクにおける推定最大出力電力は、ICNIRPでは約18dBm、FCCでは約15dBmである。これらの図は、70GHzまでの周波数における正準ダイポールの数値シミュレーションによって得られた。より指向性の強いアンテナの場合、利用可能な最大電力は大幅に低くなることが示された。IEEEの制限値では、遷移周波数での不整合はあまり顕著ではない。これは、IEEE PD 制限値が、ICNIRP および FCC 制限値よりも大きな平均化領域を使用しているためである。しかし、IEEEの制限値はまだどの国の規制にも採用されていない。
6GHz以上の周波数帯を移動体通信に利用することへの関心が高まる中、SARからPDに基づく基本制限への移行周波数における矛盾を適時に解決することが重要である。もしそうでなければ、観測された矛盾は将来の移動通信ネットワークの発展に大きな影響を与えるかもしれない。従って、我々は、関連する標準化団体と、電磁波暴露制限を定義する責任を負う規制当局が、この問題に取り組むことを奨励する。