Гибридный метод трассировки лучей-QuaDRiGa/FDTD для реалистичной экспозиции на 28 ГГц с 6G CF‑MaMIMO в 3D уличных условиях

Почему это важно для обычных пользователей смартфонов

По мере развертывания сетей 5G и грядущего 6G многих людей волнует, сколько радиочастотной энергии действительно поглощает их тело, когда они идут по улице со смартфоном. Эта статья системно подходит к повседневному вопросу: она сочетает подробные 3D‑модели реальных городов, продвинутые симуляции беспроводных сетей и виртуальные модели человека, чтобы оценить реалистичную экспозицию сигналов высокой частоты около 28 ГГц — ключевой диапазон для будущих сетей. Работа фокусируется на новейших концепциях антенн для 6G, где множество мелких антенн размещают по фасадам зданий вместо того, чтобы собирать их в одном месте, и задаёт вопросы: насколько сильны поля вокруг нас, как образуются крошечные «горячие точки» возле головы и как эти уровни соотносятся с международными пределами безопасности?

Преобразуя мир в цифровую лабораторию

Авторы создают численный конвейер, который начинается с простого маршрута прогулки между двумя адресами и заканчивается детальной оценкой того, сколько мощности поглощается в теле человека вдоль этого пути. Они используют фотореалистичные 3D‑модели городов от Google, которые точно передают здания, деревья, автомобили и уличное оборудование, а затем применяют глубокое обучение для классификации различных поверхностей (стены, дороги, растительность и т.д.). Эта богатая виртуальная среда служит для размещения современных базовых станций 5G и будущих точек доступа 6G «cell‑free massive MIMO» — множества небольших антенн, распределённых по фасадам — вдоль реалистичных пешеходных маршрутов.

От вышки до тканей — путь радиоволн

Ядром метода является отслеживание того, как радиоволны распространяются, рассеиваются и интерферируют, прежде чем достигнуть человека. Сначала программа трассировки лучей запускает множество виртуальных лучей от каждого передатчика и отслеживает их отражения и дифракции в 3D‑модели города, формируя крупномасштабную картину уровня сигналов. Затем проверенный инструмент моделирования радиоканалов QuaDRiGa добавляет мелкомасштабные флуктуации, которые возникают при движении человека на доли длины волны. Эти объединённые поля оборачиваются в «коробку Гюйгенса», окружающую область у головы или туловища пользователя. Наконец, метод конечных разностей по времени (FDTD) помещает реалистичную анатомическую модель (так называемый фантом) внутрь этой коробки и вычисляет, сколько мощности фактически поглощается в коже и тканях, используя новую метрику поверхностной поглощённой плотности мощности, рекомендованную международными руководящими документами.

Городские кейсы: улицы Хельсинки и башни Нью‑Йорка

Чтобы продемонстрировать возможности метода, команда провела два крупных исследования. В Хельсинки они сравнили традиционную 5G‑станцию с множеством антенн, сосредоточенных на башне церкви, и 6G‑подход «cell‑free», где сотни небольших точек доступа распределены по близлежащим зданиям. Обе системы обслуживали пешеходного пользователя со смартфоном. Выяснилось, что распределённая 6G‑система делает экспозицию вдоль маршрута гораздо более равномерной: вариация поглощённой мощности уменьшается примерно на 20 децибел по сравнению с колокированными антеннами, то есть появляется меньше резких пиков и провалов. В районе Всемирного торгового центра в Нью‑Йорке они провели полную трассировку лучей и рассмотрели пользователя, идущего на открытом воздухе и кратковременно находящегося в помещении. Показано, что активно обслуживаемый пользователь испытывает в среднем примерно на 20 децибел большую экспозицию, чем соседний не‑пользователь, но абсолютные уровни по‑прежнему очень далеки от пределов безопасности.

Увеличение: крошечные горячие точки у головы

Ключевая озабоченность по поводу современных антенных массивов заключается в том, что они могут осуществлять фокусировку луча (beamforming), суммируя сигналы от множества элементов так, что они усиливают друг друга в месте нахождения пользователя. Исследование поэтому анализирует небольшие горячие точки — области усиленного поля размером примерно с длину волны — около виртуального уха, когда телефон прижат к голове. Сканируя объём в несколько сантиметров, авторы показывают, что эти горячие точки обычно имеют примерно сферическую или эллипсоидную форму размером около длины волны и часто сопровождаются одной‑тремя окружающими кольцами, или боковыми лепестками, где поле вновь кратковременно повышается. В среднем напряжённость электрического поля в основном горячем пятне примерно на 12 децибел выше (приблизительно в четыре раза сильнее), чем фон, создаваемый более широким лучом. Эти структуры плавно смещаются при движении пользователя и изменении отражений и исчезают, когда фокусировка отключена, что подтверждает их прямую связь с координированной передачей.

Что исследование говорит о безопасности

Во всех симуляциях при реалистичных мощностях передатчиков как падающая плотность мощности в воздухе, так и поверхностная поглощённая плотность мощности в теле остаются далеко ниже пределов, рекомендованных Международной комиссией по неионизирующему излучению (ICNIRP). Даже при консервативных допущениях — сравнивая короткие прогулки с пределами, определёнными для усреднения за 30 минут — максимальные смоделированные значения остаются примерно ниже 1 процента от разрешённых уровней. Вместе с тем метод выявляет тонкую структуру вариаций экспозиции во времени и пространстве, показывая, что будущие 6G‑системы cell‑free могут выровнять крупномасштабные колебания, при этом всё ещё создавая крошечные горячие точки возле пользователя. Авторы утверждают, что такой сквозной цифровой двойник окружения, сети и человеческого тела может помочь регуляторам, инженерам и широкой публике лучше понять реалистичную экспозицию, спроектировать более безопасные сети и при необходимости уточнить руководящие принципы по безопасности.

Цитирование: 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

Ключевые слова: воздействие 5G и 6G, безопасность миллиметровых волн, cell‑free massive MIMO, электромагнитные горячие точки, дозиметрия беспроводных сетей