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Theses Year : 2020

Influence of new network architectures and usages on RF human exposure in cellular networks

Influence des nouvelles architectures et des nouveaux usages sur l'exposition humaine aux radiofréquences dans les réseaux cellulaires

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Abstract

In coming years, there will be a sharp growth in wireless data traffic due to the increasing usage of mobile phones and implementation of IoT technology. Therefore, mobile network operators aim to increase the capacity of their networks, to provide higher data traffic with lower latency, and to support thousands of connections. One of the primary efforts toward these goals is to densify today's cellular Macrocell networks using Small cells to bring more coverage and higher network capacity. Small cell antennas emit lower power than Macrocells and are often deployed at low heights. As a consequence, they are closer to the user and can be implemented massively. The latter can result in an important raise in public concerns. Mobile phones are used on the one hand, for a large variety of data usages that require different amounts of data and throughput and on the other hand for making phone calls. Voice over IP applications such as Skype has become very popular since they provide cheap international voice communication and can be used on mobile devices. Since LTE systems only support packet services, the voice service uses Voice over LTE technology instead of classical circuit-switched voice technology as in GSM and UMTS. The main objective of this thesis is to characterize and analyse the influence of new network architectures and usages on the actual human exposure induced by cellular networks. In this regard, several measurement campaigns were carried out in various cities and environments. Regarding the EMF exposure in heterogeneous networks, results suggest that by implementing Small cells, the global exposure (i.e. exposure induced by mobile phone and base station antenna) reduces due to the fact that by bringing the antenna closer to the user the emitted power by mobile phone and the usage duration reduce owing to power control schemes implemented in cellular network technologies. However, the magnitude of exposure reduction depends on the location of the Small cell with respect to Macrocells. Moreover, to assess the EMF exposure of indoor users induced by Small cells, two statistical models are proposed for the uplink and downlink exposures in an LTE heterogeneous environment based on measurements. The last part of the thesis was devoted to the assessment of the exposure for new types of usages through measurements. Results suggest that the amount of uplink emitted power and the emission time duration by a mobile phone is highly dependent on the usage and network technology. Voice call communications require a continuous and generally low throughput in order to maintain the communication during the call. On the contrary, in data usage, the mobile phone requires higher data and throughput to perform the task as fast as possible. Therefore during a voice call even if the user is using the mobile phone for a relatively long time, the exposure time duration should be lower since the usage does not require high amounts of data. The temporal occupation rate for several types of voice calls for different technologies is assessed through measurements.
Dans les années à venir, le trafic de données dans les réseaux cellulaires connaîtra une forte croissance en raison de l'augmentation de l’utilisation des moyens de télécommunications sans fil. Par conséquent, les opérateurs de réseaux mobiles visent à augmenter la capacité et la couverture de leurs réseaux afin de répondre à cette croissance. Dans ce contexte, l'un des principaux efforts est de densifier les réseaux Macrocells actuels par les Small cells afin d’offrir plus de couverture et de débit aux utilisateurs. Les antennes Small cells émettent de faibles puissances et sont souvent déployées à de faibles hauteurs. En conséquence, ils sont plus proches des utilisateurs, peuvent être déployés massivement mais génèrent également des inquiétudes chez les riverains. Les téléphones portables sont utilisés pour une grande variété d'utilisations qui nécessitent différentes quantités de données et de débit. Les applications de voix sur IP telles que Skype sont devenues très populaires car elles fournissent une communication vocale internationale peu onéreuse et peuvent être utilisées sur les appareils mobiles. Étant donné que les systèmes LTE ne prennent en charge que les services par paquets, le service vocal utilise la technologie voix sur LTE au lieu de la technologie « circuits » classique comme avec le GSM et UMTS.L'objectif principal de cette thèse est d'évaluer l'influence des nouvelles architectures des réseaux et usages sur l'exposition actuel du publique induite par les réseaux cellulaires. À cet égard, plusieurs campagnes de mesures ont été menées dans différentes villes et environnements.En ce qui concerne l'exposition aux champs électromagnétiques dans les réseaux hétérogènes, les résultats suggèrent qu'en déployant les Small cells, la puissance émise par le téléphone mobile, en raison de la proximité de l’antenne et par conséquent l’exposition global diminue. De plus, pour évaluer l'exposition EMF des utilisateurs indoor induite par les Small cells, deux modèles statistiques sont proposés pour les expositions montante et descendante induite dans un réseau hétérogène LTE.La dernière partie de cette thèse est consacrée à l'évaluation de l'exposition aux nouveaux types d'usages. Les résultats suggèrent que la puissance émise et la durée d'émission par un téléphone mobile dépendent fortement de l’usage et de la technologie du réseau. Les communications voix nécessitent un débit continu et généralement faible afin de maintenir la communication pendant l'appel. Au contraire, dans le cas de l’usage données, le téléphone mobile nécessite des débits plus élevés pour effectuer la tâche le plus rapidement. Par conséquent, pendant un appel voix, même si l'utilisateur utilise le téléphone portable pendant une durée relativement longue, la durée de l'exposition est moins longue car l'utilisation ne nécessite pas une grande quantité de données. Ainsi, le taux d'occupation temporelle de plusieurs types d'appels voix pour différentes technologies est évalué par les mesures.
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Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-03130651 , version 1 (03-02-2021)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03130651 , version 1

Cite

Amirreza Chobineh. Influence of new network architectures and usages on RF human exposure in cellular networks. Electromagnetism. Institut Polytechnique de Paris, 2020. English. ⟨NNT : 2020IPPAT019⟩. ⟨tel-03130651⟩
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