Analyse de l’exposition radio fréquence dans les systèmes 5G massive MIMO

Radio frequency exposure analysis in 5G massive MIMO systems

• Auteur / Autrice : Maarouf Al Hajj
• Direction : Joe Wiart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Information, communications, électronique: Réseaux, informations et communications
• Date : Soutenance le 13/01/2022
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : Télécom Paris (Palaiseau, Essonne ; 1878-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Traitement et communication de l'information (Paris ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe De Doncker
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Joe Wiart, Philippe De Doncker, Laurent Clavier, Christian Person, Philippe Martins, Lina Mroueh, Emmanuelle Conil, Marceau Coupechoux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Clavier, Christian Person

Mots clés

Mots clés libres

Télécommunications

Statistiques

5G

Massive MIMO

Systèmes de communication sans fil

Telecommunications

Statistics

5G

Massive MIMO

Wireless Communications

Résumé

Cette thèse présente des mesures in-situ d'une antenne massive MIMO et analyse les différents paramètres pertinents pour l'estimation de l'exposition aux CEM dans un réseau 5G. De multiples méthodes sont présentées et discutées pour estimer la puissance reçue dans le réseau tout en se concentrant sur les avantages et les inconvénients de chacune d'elles.Cette thèse propose également une nouvelle méthode analytique pour étudier l'exposition moyenne, représentée par la puissance totale reçue, dans un réseau 5G massive MIMO dans la bande mmWave. En utilisant la géométrie stochastique, une équation de forme proche de l'exposition est développée et étudiée en adaptant un modèle de canal mmWave utilisant NYUSIM dans des distributions statistiques et en modélisant les BS en tant que PPP. Une analyse de sensibilité est effectuée pour quantifier l'influence des variables d'entrée sur l'exposition.Un autre modèle de réseau massive MIMO multi-utilisateurs déployant le précodage MRC et le contrôle de puissance max-min fairness est également développé, et où les MTs sont distribués suivant un PPP soit en LoS ou NLoS. Une expression sous forme fermée de l'espérance de la puissance totale reçue et l'expression du rapport entre la puissance totale et le SIR à la MT la plus proche de sa BS de desserte, où l'exposition est la plus élevée. L'exposition moyenne est ensuite étudiée par rapport aux paramètres du réseau en tenant compte des compromis présentés par le modèle de contrôle de puissance et les gains d'antenne. De même, le rapport entre l'exposition et le SIR est également analysé pour étudier l'augmentation de l'exposition par l'augmentation du SIR à la MT la plus proche de sa BS. Et il est montré que plus le nombre d'éléments d'une antenne massive MIMO est élevé, plus elle est efficace en termes de SIR considérant l'exposition produite.

This dissertation presents in-situ measurements of a massive MIMO antenna and analyses the different parameters pertinent to the estimation of the EMF exposure in a 5G network. Multiple methods are presented and discussed to estimate the power received in the network while focusing on the advantages and inconveniences in each of them. This dissertation also proposes a new analytical method for studying the average exposure, presented by the total power received, in a 5G mmWave massive MIMO network. Using stochastic geometry, a close-form equation of the exposure is developed and studied by fitting a mmWave channel model using NYUSIM into statistical distributions and by modeling the BSs as a PPP. A sensitivity analysis is performed to quantify the influence of the input variables onto the exposure.Another model for a multi-user massive MIMO network is also developed deploying maximum-ratio combining precoding and max-min fairness downlink power control, and where MTs are distributed following a PPP and can be either LoS or NLoS. A closed-form expression of the expectation of the total power received and the expression of the ratio between the total power and the SIR at the nearest MT to its serving BS, where the exposure is highest. The average exposure is then studied in relation to network parameters taking into account the trade-offs presented by the power control model and antenna gains. Likewise, the ratio between the exposure and SIR is also analyzed to study the increase of exposure per the increase of the SIR at the nearest MT to its BS. And it is shown that the higher the number of antenna elements a massive MIMO antenna has, the more efficient it is in terms of SIR considering the produced exposure.