3D屋外環境における6G CF-MaMIMOを想定した現実的な28 GHz曝露のためのハイブリッド光線追跡–QuaDRiGa/FDTD法

日常の携帯利用者にとっての重要性

5Gや今後の6Gネットワークが展開されるにつれ、街を歩きながらスマートフォンを使う際に体がどれだけ無線エネルギーを吸収するかを心配する人が増えています。本稿はその日常的な疑問に厳密に取り組んでおり、実在する都市の詳細な3Dモデル、高度な無線ネットワークシミュレーション、そして仮想人体モデルを組み合わせて、将来のネットワークで重要となる28 GHz付近の高周波信号への現実的な曝露を推定します。研究は、アンテナを一か所に集めるのではなく建物全体に多数の小さなアンテナを分散配置する6Gの新しいアンテナ概念に注目し、周囲の電界はどれほど強いのか、頭部付近に微小な“ホットスポット”がどのように形成されるのか、そしてそれらのレベルが国際的な安全基準とどう比較されるのかを問いかけます。

世界をデジタル試験場に変える

著者らは、二つの住所間の徒歩ルートのような単純な出発点から始めて、歩行に沿って人体にどれだけの電力が吸収されるかを詳細に推定する数値処理パイプラインを構築します。Googleの写実的な3D都市モデルを用い、建物や樹木、車両、街路設備を細かく再現し、深層学習で壁面、道路、植生などの表面を分類します。この豊かな仮想環境上に現行の5G基地局や将来の6G「セルフリー大規模MIMO」アクセスポイント（多数の小型アンテナユニットを外壁等に分散配置）を配置し、実際的な歩行経路周辺での挙動を再現します。

塔から組織までの電波の追跡

手法の中核は、電波がどのように伝搬・散乱・干渉して人に到達するかを追跡することです。まず光線追跡プログラムが各送信機から多数の仮想光線を発し、3D都市内での反射や回折を追跡して大規模な信号強度パターンを構築します。次に、広く用いられている無線チャネルツールQuaDRiGaが、人が波長の一部だけ移動した際に生じる微細な小スケールの変動を付加します。これらを組み合わせた電界をユーザーの頭部や胴体付近を囲む「ホイヘンス箱」に配置し、最後にFDTD（有限差分時間領域法）シミュレーションで実際の人体解剖学モデル（いわゆるファントム）をその箱内に置いて、皮膚や組織で実際にどれだけの電力が吸収されるかを、国際ガイドラインで推奨される表面吸収電力密度の指標を用いて計算します。

都市ケーススタディ：ヘルシンキの通りとニューヨークの高層塔

手法の有用性を示すために、研究チームは二つの大規模なケーススタディを実行します。ヘルシンキでは、教会の塔などに多数のアンテナを集めた従来型の5G基地局と、周辺建物に数百の小型アクセスポイントを分散配置した6Gスタイルのセルフリー構成を、徒歩のスマートフォン利用者にサービスする形で比較しました。分散型の6Gシステムでは経路上の曝露がより均一になり、コロケーテッド（集約型）アンテナと比べて吸収電力の変動が約20デシベル低下し、鋭いピークや谷が減ることがわかりました。ニューヨーク市のワールドトレードセンター周辺では完全な光線追跡を含め、屋外歩行と短時間の屋内移動を調べています。そこでは、アクティブにサービスを受ける利用者は周辺の非利用者に比べ平均で約20デシベル高い曝露を経験するものの、絶対値は安全基準と比べて極めて低いことが示されました。

頭部周辺の微小ホットスポットを拡大

現代のアンテナアレイの重要な懸念は、複数素子からの信号をビームフォーミングで合成して利用者位置で強める点です。本研究では特に、電話を耳に当てたときの仮想耳周辺に生じる波長サイズの小さなホットスポットを調べています。数センチ幅の体積をスキャンすることで、これらのホットスポットは典型的におおよそ一波長程度の球状または楕円状をとり、周囲に1〜3本の同心のリング（サイドローブ）を伴うことが多いと示されました。主ホットスポット内部の電界は平均で背景のビーム場と比べ約12デシベル高く（概ね4倍程度強い）なります。これらのパターンは利用者の歩行や反射の変化に伴って滑らかに移動し、ビームフォーミングをオフにすると消えるため、協調送信の直接的な結果であることが確認されます。

安全性に関する研究の結論

現実的な送信出力でのすべてのシミュレーションにおいて、空中での入射電力密度と体表面での吸収電力密度は、非電離放射線防護委員会（ICNIRP）が推奨する限度を大きく下回っていました。慎重な仮定（30分平均で定義された限度と短い歩行を比較するなど）を置いても、最大のシミュレーション値は許容レベルの約1％未満にとどまります。同時に本手法は、時間・空間的に曝露がどのように変動するかの微妙な構造を明らかにし、6Gのセルフリーシステムが大規模な変動をならす一方で、利用者近傍に微小なホットスポットを作りうることを示します。著者らは、環境、ネットワーク、人間の身体を統合したこのエンドツーエンドのデジタルツインが、規制当局、技術者、一般市民に対して現実的な曝露の理解を深め、安全なネットワーク設計や必要に応じた安全指針の改定に役立つと論じています。

引用: Wydaeghe, R., Shikhantsov, S., Vermeeren, G. et al. Hybrid ray-tracing-QuaDRiGa/FDTD method for realistic 28 GHz exposure with 6G CF-MaMIMO in 3D outdoor environments. npj Wirel. Technol. 2, 13 (2026). https://doi.org/10.1038/s44459-026-00031-4

キーワード: 5Gおよび6G曝露, ミリ波の安全性, セルフリー大規模MIMO, 電磁ホットスポット, ワイヤレスネットワークの線量計測学