主动可重构智能表面在车载通信中对人体射频电磁场暴露剂量的影响分析

《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》：Human Exposure to RF-EMF From Active RIS in Outdoor Environments: a Vehicular Communication Case Study

本研究针对可重构智能表面（RIS）在车辆到车辆（V2V）通信场景中可能增加行人射频电磁场（RF-EMF）暴露剂量的问题，通过射线追踪和数值剂量学方法，评估了成人及儿童模型在5.9 GHz和28 GHz频段下的全身比吸收率（SARwb）和吸收功率密度（Sabwb相对增加最高达1.60倍，但所有暴露水平均远低于ICNIRP安全限值。该研究为RIS技术在智能交通系统中的安全部署提供了重要依据。

　　

随着智能交通系统（ITS）的快速发展，车辆到万物（V2X）通信技术已成为实现车联网的关键支撑。其中，车辆到车辆（V2V）通信在提升道路安全和交通效率方面发挥着重要作用。传统V2V通信多采用5.9 GHz频段，但随着车辆密度不断增加，毫米波（mmWave）频段特别是28 GHz频段因其低延迟、高可靠性等优势逐渐受到关注。然而，毫米波信号在传播过程中面临高路径损耗、易受障碍物阻挡等问题，导致非视距（NLOS）区域信号覆盖差，通信可靠性降低。

为克服这些挑战，可重构智能表面（RIS）技术应运而生。这种由大量可编程单元组成的表面能够动态调控反射电磁波的相位和幅度，从而优化信号传播路径。特别是在NLOS条件下，RIS能够将信号重新导向目标接收器，显著改善通信质量。然而，RIS在增强通信的同时，也会改变环境中射频电磁场（RF-EMF）的分布，可能使原本处于低暴露水平的行人面临更高的RF-EMF剂量吸收风险。目前，关于RIS在户外车载通信场景中对人体暴露剂量影响的研究尚属空白。

为填补这一研究空白，研究人员开展了一项创新性研究，评估了主动RIS在户外V2V通信场景中对行人RF-EMF暴露剂量的影响。研究团队构建了一个包含双车道道路、建筑物和多辆汽车的典型城市环境模型，其中发射车辆（Tx）与接收车辆（Rx）之间因阻挡车辆存在而处于NLOS状态。主动RIS被部署在对面车道，以增强Tx与Rx之间的通信链路。

研究人员采用射线追踪中的射击弹跳射线（SBR）方法计算了由Tx天线发射并经RIS再辐射产生的环境电场，并基于此通过数值剂量学方法计算了成人女性和儿童模型的全身比吸收率（SAR_wb）和吸收功率密度（S_ab）。研究考虑了多种变量组合，包括行人位置、V2V频率（5.9 GHz和28 GHz）、RIS部署方式（车载与基础设施部署）、V2V天线安装位置（车顶、后视镜和保险杠）以及RIS相对于Tx和Rx的位置。

研究结果显示，RIS的存在显著改变了环境中的RF-EMF分布，导致行人暴露剂量增加。在28 GHz频段，儿童模型的最大SAR_wb达到0.13 mW/kg，最大S_ab为5.8 mW/m2，较无RIS情况最高相对增加1.60倍。成人模型的最大相对增加为1.20倍。统计分析表明，V2V天线位置对暴露剂量增加有显著影响（p < 0.05），而后视镜安装位置通常导致最高的平均暴露增加。

有趣的是，暴露剂量的增加不仅出现在RIS与Rx之间的视距区域内，由于与环境物体（如车辆、建筑物和道路）的相互作用，再辐射的电磁场也会传播到侧面人行道等区域，导致这些区域的暴露剂量显著增加。尽管如此，所有场景中的SAR_wb和S_ab值均远低于国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）指南规定的安全限值（0.08 W/kg和20 W/m2）。

本研究首次在户外车载通信场景中量化评估了RIS对人体RF-EMF暴露剂量的影响，为RIS技术的安全部署提供了重要科学依据。研究发现，虽然RIS会增加行人的暴露剂量，但这种增加在安全限值范围内，且通过优化V2V天线和RIS的部署位置，可以进一步控制暴露水平。这些成果不仅对智能交通系统的健康发展具有重要意义，也为未来制定相关安全标准和部署指南提供了理论支持。