Large-scale characterization of exposure to downlink radiofrequencies - Inria - Institut national de recherche en sciences et technologies du numérique Access content directly
Theses Year : 2021

Large-scale characterization of exposure to downlink radiofrequencies

Caractérisation à grande échelle de l’exposition aux ondes radiofréquences descendantes

Abstract

The last two decades have witnessed an extensive usage of radiofrequencies due to the proliferation of wireless technologies, such as cellular, Wi-Fi, and Bluetooth. This caused a lot of concerns regarding the exposure to these radiations. In 2011, the International Agency for Research on Cancer (IARC) categorized the radiofrequency radiations as “possibly'' carcinogenic to humans (Group 2B). This classification means that "There is some evidence that it can cause cancer in humans but at present, it is far from conclusive". One way to answer this question is by performing scientifically sound epidemiological studies. However, all studies face the difficulty to accurately assess the population exposure to these radiations. Studying the population exposure to radiofrequency radiations is extremely challenging, requiring extensive measurements data from a large population, over a long period of time.In tandem with the advancement in wireless technologies, smartphones have evolved to become feature-rich, affordable devices, capable of measuring radio-frequency radiations. They embed various sensors and antennas. This makes them very attractive for researchers and a perfect candidate for crowd-based measurements.The first contribution of this thesis is to assess the accuracy of smartphones to perform radio-frequency measurements. We make an extensive evaluation of the accuracy of smartphone measurements of the wireless signal strength (RSSI). We evaluate the impact of smartphone orientation in space with respect to the source on the received power in an LTE network. We perform measurements both in controlled and outdoor environments. We show that the orientation can affect the accuracy of the smartphone measurements, and we propose a calibration technique to improve the accuracy. We also show that outdoor, multi-path and polarization diversity can help reduce the effect of orientation. We extend the study to Bluetooth technology. We show that Bluetooth RSSI measurements are sensitive to smartphone orientation even in realistic environments.In the second contribution of this thesis, we report the largest crowd-based measurement of the population exposure to radio frequencies produced by cellular antennas, Wi-Fi access points, and Bluetooth devices for 254,410 unique users in 13 countries from January 2017 to December 2020. We show that the overall exposure level has doubled in the four years period we consider, Wi-Fi being by far the largest contributor. However, the exposure levels are orders of magnitude lower than the regulation limits. The population tends to be more exposed at home, and their personal Wi-Fi access point and Bluetooth devices contribute as much to their exposure as any other source. We publicly open the dataset we used in this study. We anticipate our work to be a starting point for sound epidemiological studies on the impact of radio frequencies on health. We also believe that our unique dataset will be invaluable for several other fields interested in the usage of wireless communication technologies, and how the population is exposed to either radio frequencies or technologies.
La prolifération des technologies sans fil ces deux dernières décennies, telles que le cellulaire, le Wi-Fi et le Bluetooth, a engendré une utilisation intensive des ondes radiofréquences. Cela a causé beaucoup d'inquiétudes concernant l'exposition des gens à ces ondes. En 2011, le Centre International de Recherche sur le Cancer (CIRC), un organisme de l'Organisation Mondiale de la Santé (OMS), a classé les ondes radiofréquences comme "possiblement" cancérogènes pour l'homme (Groupe 2B). Cette classification signifie qu' « il existe des études montrant que ces radiations peuvent provoquer un cancer chez l'homme mais qu’à l'heure actuelle, c'est loin d'être concluant". Une façon de répondre à cette question est de mener des études épidémiologiques scientifiquement solides. Cependant, toutes les études sont confrontées à la difficulté d'évaluer avec précision l'exposition de la population à ces ondes radiofréquences. L'étude de l'exposition de la population aux ondes radiofréquence est extrêmement difficile, nécessitant beaucoup de données sur une large population, et sur une longue période de temps.Parallèlement aux progrès des technologies sans fil, les smartphones ont évolué pour devenir des appareils riches en fonctionnalités à des prix très abordables, capables de mesurer les ondes radiofréquences. Ils embarquent divers capteurs et antennes. Cela les rend d'une très grande utilité pour les chercheurs et un candidat parfait pour les mesures crowdsource.La première contribution de cette thèse est d'évaluer la précision des smartphones pour effectuer des mesures de puissance des ondes radiofréquences. Nous évaluons d'une manière approfondie la précision des mesures de puissance du signal (RSSI) faites par un smartphone. Nous étudions l'impact de l'orientation du smartphone dans l'espace par rapport à la source sur la puissance reçue dans un réseau LTE. On fait des mesures à la fois dans un environnement contrôlé (chambre anéchoïque) ainsi qu'à l'extérieur. Nous montrons que l'orientation peut affecter la précision des mesures du smartphone, et nous proposons une technique de calibration pour améliorer la précision. Nous montrons également qu'à l'extérieur, la réflexion des ondes dans l'environnement et l’utilisation de la diversification de polarisations dans les antennes de transmission peuvent aider à réduire l'impact de l'orientation. Nous étendons l'étude à la technologie Bluetooth. Nous montrons que les mesures de puissance RSSI du Bluetooth sont aussi sensibles à l'orientation du smartphone même dans des environnements réalistes.Dans la deuxième contribution de cette thèse, nous présentons la plus grande étude basée sur le crowdsourcing de l'exposition de la population aux fréquences radio produites par les antennes cellulaires, les points d'accès Wi-Fi et les appareils Bluetooth. Notre étude comprend 254410 utilisateurs uniques dans 13 pays, de janvier 2017 jusqu'à décembre 2020. Nous montrons que le niveau d'exposition totale a doublé au cours de la période des quatre années que nous considérons, le Wi-Fi étant de loin le plus gros contributeur. Cependant, les niveaux d'exposition actuels sont largement inférieurs aux limites définies par les autorités de régulation. La population a tendance à être plus exposée à la maison. Les équipements personnels tels que les points d'accès Wi-Fi et les appareils Bluetooth contribuent autant à l'exposition personnelle que toute autre source. Nous rendons publique l'ensemble des données que nous avons utilisées dans cette étude. Nous prévoyons que nos travaux seront un point de départ pour des études épidémiologiques solides sur l'impact des radiofréquences sur la santé. Nous pensons également que notre ensemble de données unique sera inestimable pour plusieurs autres domaines intéressés par l'usage des technologies de communication sans fil par la population.
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Dates and versions

tel-03638279 , version 1 (17-01-2022)
tel-03638279 , version 2 (12-04-2022)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03638279 , version 2

Cite

Yanis Boussad. Large-scale characterization of exposure to downlink radiofrequencies. Networking and Internet Architecture [cs.NI]. Université Côte d'Azur, 2021. English. ⟨NNT : 2021COAZ4060⟩. ⟨tel-03638279v2⟩
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