Khám phá công nghệ

Trạm phát 5G - Chuẩn bức xạ điện từ cũ liệu có còn phù hợp?

Ngày đăng: 18 Tháng Năm, 2021

Với việc áp dụng các công nghệ mới Massive MIMO, Beamforming, sóng milimet và các trạm tế bào nhỏ (Small cells) trong triển khai mạng 5G thì các chuẩn bức xạ điện từ của các mạng di động thế hệ cũ đã không còn phù hợp mà còn phải tuân thủ quy trình phức tạp hơn khi xem xét và đánh giá an toàn.

Ban biên tập Tạp chí Điện tử trích lược báo cáo: "Vấn đề an toàn bức xạ điện từ với trạm 5G ở một số nước" tại Hội thảo về tương thích điện từ và an toàn bức xạ vô tuyến điện diễn ra vừa qua tại Thành phố Hồ Chí Minh. Tiêu đề bài báo do Ban Biên tập Tạp chí Điện tử đặt.

tram-5g-mobifone
Trạm 5G của nhà mạng Mobifone. Nguồn ảnh: Mobifone

Nhiều khả năng hệ thống 5G sẽ có mức công suất EIRP cao hơn và dẫn đến biên của vùng tuân thủ EMF (vùng loại trừ - Exclusion zone) rộng hơn so với các ăng ten thông thường nếu mức công suất cực đại theo lý thuyết được áp dụng cho tất cả các chùm tia.

Vì vậy việc nghiên cứu, thiết kế trạm cũng cần được chú ý hơn, đặc biệt là với các quốc gia áp dụng mức giới hạn thấp hơn so với mức ngưỡng theo hướng dẫn của ICNIRP.

Từ năm 2017, công ty Ericsson đã tiến hành mô phỏng xác định vùng loại trừ của trạm phát mạng 5G tuân thủ theo các khuyến nghị về giới hạn phơi nhiễm quốc tế, sử dụng phần mềm IXUS để tính toàn vùng loại trừ.

Mô phỏng 1: triển khai trạm tế bào nhỏ (small cell) thuộc hệ thống 5G Thử nghiệm sử dụng tần số 28 GHz và triển khai Massive MIMO với mảng ăng ten Ericsson AIR 5121 gồm 512 phần tử, hệ số khuếch đại 24 dBi, 8 chùm tia, tổng công suất ra < 1W, góc lái tia ±60 độ theo phương ngang; ±15 độ theo phương dọc.

tram-phat-song-5g-5
Mô phỏng xác định vùng loại trừ của một trạm tế bào nhỏ 5G. (Nguồn: Christer Törnevik (2017). EMF challenges for 5G. Ericsson Research, Stockholm)

Để đáp ứng mức giới hạn phơi nhiễm 10 W/m2 theo ICNIRP cho môi trường công cộng, giả thiết mức công suất là cực đại ở tất cả các chùm tia, có xem xét tới kỹ thuật ghép kênh theo tần số TDD, thì biên vùng loại trừ sẽ cách ăng ten 1,5 m về phía trước và cách 1 m về mỗi bên. Vùng loại trừ này, mặc dù có rộng hơn so với 3G, 4G nhưng vẫn không gây ra khó khăn trong việc xây dựng trạm.

Tuy vậy, đối với một số quốc gia áp dụng mức giới hạn chỉ bằng 1/100 mức tham chiếu của ICNIRP thì vùng loại trừ sẽ phải mở rộng gấp 10 lần, lúc này việc lắp đặt trạm phát phù hợp là một thách thức lớn, đặc biệt là trong môi trường đô thị, mật độ thuê bao đông đúc.

Mô phỏng 2: triển khai trạm gốc 5G lắp đặt chung với trạm 2G, 3G và 4G có sẵn - Trạm phát sử dụng tần số 3,5GHz, công suất tối đa 200W, sử dụng Massive MIMO với mảng 64 phần tử ăng ten, giả thiết mức công suất phát của mỗi ăng ten là tối đa theo lý thuyết, công suất phát xạ đẳng hướng tương đương eirp là 72 dBm. - Kết quả tính toán thu được biên của vùng loại trừ cho phơi nhiễm môi trường công cộng (10 W/m2) và phơi nhiễm nghề nghiệp (50 W/m2) cách ăng ten lần lượt là 25 m và 11,1 m về phía trước mặt ăng ten.

tram-phat-song-5g-6
Mô phỏng xác định vùng loại trừ của một trạm phát 5G. (Nguồn: Christer Törnevik (2017). EMF challenges for 5G. Ericsson Research, Stockholm)

Từ những kết quả mô phỏng kể trên, ta có thể thấy việc triển khai các trạm tế bào nhỏ hoặc trạm phát 5G đáp ứng yêu cầu về giới hạn phơi nhiễm trường điện từ theo quy định của ICNIRP là hoàn toàn khả ngay cả khi tính toán đối với giá trị công suất phát cực đại theo lý thuyết.

Công suất bức xạ tối đa thực tế của trạm 5G

Đối với một hệ thống 5G, mức công suất phát tối đa thực tế sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:

- Không phải tất cả công suất sẽ tập trung vào cùng một hướng trong một khoảng thời gian;

- Việc tối ưu 100% công suất không phải lúc nào cũng giống nhau đối với mọi búp sóng;

- Việc ghép kênh phân theo thời gian (TDD) sẽ giới hạn thời gian phát.

Khi áp dụng mô hình thống kê, có xét đến các yếu tố như: phương pháp tối ưu trạm phát, kế hoạch về thời gian phát; phân bố thiết bị đầu cuối kết nối tới trạm, ghép kênh phân chia theo thời gian ... để phân tích và tính toán mức công suất phát xạ tối đa thực tế (actual maximum power) thì ta nhận thấy giá trị này thấp hơn nhiều so với mức công suất phát theo lý thuyết (theoretical maximum transmitted power) và phụ thuộc vào kích thước của mảng ăng ten.

tram-phat-song-5g-7
Tỉ lệ công suất bức xạ tối đa thực tế trạm 5G theo kích thước mảng ăng ten. Nguồn: Christer Törnevik (2017) và EMF challenges for 5G. Ericsson Research, Stockholm

Theo đó, mức công suất phát tối đa thực tế đối với mảng ăng ten 8x8 chỉ ở mức 22% so với mức tối đa lý thuyết, trong điều kiện trạm phát downlink trong 75% thời gian. Lúc này vùng loại trừ để đáp ứng giới hạn về phơi nhiễm cũng được thu hẹp rõ rệt so với vùng loại trừ xác định theo mức công suất phát lý thuyết.

Áp dụng giá công xuất phát tối đa thực tế này vào mô phỏng xác định vùng loại trừ tuân thủ giới hạn an toàn phơi nhiễm ở trên, ta thu được kết quả biên vùng loại trừ đã được thu hẹp ở mức hơn 50%, vùng loại trừ chỉ mở rộng về phía trước mặt ăng ten khoảng cách 8,4m đối với phơi nhiễm công cộng và 3,8m đối với phơi nhiễm nghề nghiệp.

tram-phat-song-5g-8
So sánh biên vùng loại trừ đối với mức công suất phát lý thuyết và công suất phát thực tế. Nguồn: Christer Törnevik (2017) và EMF challenges for 5G. Ericsson Research, Stockholm

Điều này càng khẳng định rõ ràng hơn tính khả thi trong việc triển khai thực tế các trạm phát 5G. Việc sử dụng công suất bức xạ tối đa thực tế để tính toán xác định tính tuân thủ quy định an toàn bức xạ của các trạm phát 5G đã được quốc tế chấp thuận và được tiêu chuẩn hóa thông qua các tiêu chuẩn IEC 62232 và ITU-T K.100.

Bình luận