Millimetr dalğalarının yayılma xüsusiyyətləri və onların rabitəyə təsiri

Millimetr Dalğa Rabitəsinin Əsasları

ميلي متر موج (mmWave) 30-300 GHz diapazonunda olan rabitə, yüksək məlumat ötürmə sürəti tələb edən 5G sistemləri üçün vacibdir. Geniş zolaqlı (~1 GHz) kanalların istifadəsi bu yanaşmalara artırılmış realite və avtonom nəqliyyat kimi aşağı gecikməli tətbiqlərin tələblərini ödəmək üçün çoxqiqabit buraxılış imkanı verir. 2023-cü ilin bir Nature hesabatında isbat olundu ki, istiqamətləndirici antenlərdən istifadə edilməklə mmWave 1 km məsafədə 10 Gbps sürətə çata bilir, lakin yayılma xüsusiyyətləri daha aşağı tezlikli mikrodalğalardan fərqlənir.

Açıq sahədə verilmiş yol itkisi tezlik kvadratına mütənasibdir və bu da sub-6 GHz diapazonuna nisbətən 20–30 dB daha yüksək yol itkisinə səbəb olur. Xarici mühit problemləri isə bu itkiləri artırır – yağış 60 GHz-də 5-15 dB/km zəifləmə yarada bilər, beton kimi bina materialları isə 40-60 dB keçiricilik itkisinə səbəb olur. Yarpaqların səbəb olduğu zəifləmə adətən siqnalda 10-20 dB itki nəticəsində baş verir və təmiz sahədə olduğunu kimi eyni etibarlılığı əldə etmək üçün innovasion mühəndislik həllərinə ehtiyac duyulur.

Fazalı antenlərlə irəli getmiş şüalandırma tətbiqləri yayım məhdudiyyətlərini aradan qaldırmaq üçün istiqamətləndirilmiş ötürülmə kanallarının yaradılması ilə həyata keçirilir. Bu istiqamətləndirilmiş şüalar tezlikin fəzada yenidən istifadəsinə və müdaxilənin azaldılmasına imkan verir—bu isə sıx şəhər mühitində əsas üstünlükdür. Ən son arxitekturalar ortoqonal çox daşıyıcı modulyasiyası (OMM) və massiv MIMO-nun hibrid strukturlarından istifadə edərək intellektual şəbəkələr yaradır ki, bu da mmWave diapazonlarının tezlik sədaqətini və mikrodalğalı sistemlərin davamlılığını istifadə edərək maksimum buraxılış tutumunu real vaxtda artırmağa kömək edir.

MmWave Kommunikasiya Siqnallarına Təsir Göstərən Ətraf Mühit Amilləri

Millimetr dalğası (mmWave) kommunikasiya sistemləri siqnal bütövlüyünü müxtəlif işıq rejimlərində ciddi təsirləndirən unikal ətraf mühit problemləri ilə qarşı-qarşıdadır.

Hava Şəraiti İlə Əlaqədar Siqnal Zəifləmə Mexanizmləri

Yağış, 60 GHz tezliklərdə km-ə 20 dB-yə qədər zəifləmə yaradır, qar və şam ilkin səpilmə effektləri yaradaraq fazanın uyğunluğunu pozur. Bu kimi hava hadisələri mmWave kanallarını daha çox təsir edir, çünki aşağı tezlikli sistemlərlə müqayisədə dalğa uzunluğu qısa olduğundan hissəciklərin müdaxiləsinə daha həssasdır.

Bitki örtüyü və Binaların Keçiricilik Zəifləmə Effektləri

Sahə ölçüləri göstərir ki, bir ağac mmWave siqnallarında 35 dB zəifləmə yarada bilər, sıx yarpaqlar siqnal gücünün 98%-ni bloklayır. Qamışlı şüşə kimi bina materialları 28 GHz-də 40 dB keçiricilik itkisi nümayiş etdirir – mikrodalğalı tezliklərlə müqayisədə üç dəfə çoxdur – bu da struktur maneələrini aradan qaldırmaq üçün strategiyaya əsaslanan şəbəkə planlaşdırılması tələb olunur.

Yağışdan Zəifləmə və Atmosferinudurulma Çətinlikləri

60 GHz-də oksigenin udulması 15 dB/km atmosfer itkisinə səbəb olur, ağır hallarda tropik yağış itkisi 30 dB/km-dən çox olur. Bu təsirlər praktiki tətbiq sahələrinin azalmasına səbəb olur, adaptiv itkilər hesablamaları və dinamik güc tənzimləmə protokollarına ehtiyac yaradır.

Millimetr dalğalı rabitədə yol itkisi modelləşdirilməsi

Sərbəst fəza vs. Şəhər yayılması modelləri

Millimetr dalğalarının (mmWave) yayılması mühitə görə özünəməxsus xassələrə malikdir. Azad fəzada yol itkisi (FSPL) ötürülmə məsafəsinin kvadratı tərs mütənasib kimi ifadə olunur, \(\frac{1}{R^2}\). Lakin şəhər ərazisində kanal daha mürəkkəb qarşılıqlı təsirlər yaradır və bu səbəbdən yol itkisi eksponenti 2.5–4.5 (LOS) və 4.7–9.2 (non-LOS) aralığında yerləşir. 28 GHz-də yarpaq itkisi 6–8 dB/m, beton divarlar isə 40–60 dB itkilərə səbəb olur. Urban mmWave diapazonu beamforming olmadan praktiki olaraq bu kimi maneələr səbəbindən 150–200 metrə qədər zəifləyir, nəzəri azad fəza diapazonu isə 1–2 km-dir. Adaptiv anten massivləri mövcud siqnallar üçün uyğun istiqamətə yönəldərək bu itkini kompensasiya edə bilər, lakin praktiki tətbiq sahələrinin həddi son nəticədə maneələrin sıxlığı ilə müəyyən olunur.

Tezlik-asılı zəifləmə xarakteristikası

Atmosferin 24 GHz (su buxarına görə) və 60 GHz (oksigenə görə) olan udma pikləri mmWave sistemlərinə əlavə olaraq 0.2–15 dB/km itkisi yaradır. Mülayim yağış zamanı 30–40 GHz tezlik aralığında yağışın səbəb olduğu zəifləmə 2–8 dB/km təşkil edir. Eyni məsafədə 73 GHz siqnalların 24 GHz ilə müqayisədə pulsuz fəza itkisinin 1,8 dəfə çox olması diqqətəlayiqdir; bu isə FSPL tənliklərindəki \(f^2\) asılılığından qaynaqlanır. Bu, vacib kompromis yaradır - Yüksək tezliklər daha geniş zolaq eni (2 GHz kanallar) imkanı verərsə də, eyni zamanda baz stansiyalarının 4 dəfə sıxlığı tələb edir ki, bu da 100 GHz-dən aşağı tezliklər üçün xarakterik deyildir. Bu gün bu məhdudiyyətlər inkişaf etmiş materiallar, məsələn, aşağı itkili dielektriklər və metasəth antenlər sayəsində yüngülləşdirilmişdir; beləliklə, E-band tezliklərində 5G geridön bağlantılarında 90\% effektivliyə nail olunur.

Etibarlı rabitə üçün Görünüş Xətti Tələbləri

ميلي متر موج (mmW) rabitə sistemlərində yüksək tezlikli işləmə səbəbindən (24–100 GHz) vericilər və qəbuledicilər arasında mükəmməl uyğunlaşma tələb olunur. Zəif tezlikli siqnallar maneələrin ətrafında difraksiya edə bilsə də, mmWave-dan olan enerjinin 60-90%-i maneələr tərəfindən udulur (ITU 2023). Belə məhdudiyyət çoxqiqabit nəqli üçün maneəsiz görkəm şərtini vacib edir 5G/6G senarilərində.

İnsan fəaliyyəti və quruluşlardan dolayı bloklama effektləri

Şəhər mühiti üç əsas LOS pozucularını yaradır:

• Statik maneələr : Beton divarlar mmWave siqnallarını 40–60 dB azaldır, şüşə isə ötürməni 15–25 dB zəiflədər
• Hərəkətli maneələr : Tək bir piyada 20–35 dB siqnal itkisinə səbəb ola bilər, avtomobil hərəkəti isə 0,8–3,2 saniyə davam edən dövri çıxışların baş verməsinə səbəb olur
• Ətraf mühitin dinamikası : Mövsümi bitki örtüyü dəyişiklikləri yarpaqların udulmasını 12–18 dB dəyişdirər

Bu təsirlər şüaformalaşdırma müdaxilələri olmadan orta hesabla İOS mövcudluğunun 54–72%-ə qədər enidiyi sıx şəhərlərdə birləşir.

İOS olmayan ssenarilər üçün şüaformalaşdırma həlləri

Fazalı massiv antenalar 27 dBm ekvivalent izotropik radiasiya gücu (EIRP) şüa istiqamətləndirməsi ilə maneələrin öyrənilməsinə imkan verir. Müasir sistemlər aşağıdakılara nail olur:

• 1.2° şüa eni dəqiqliyi üçün 1024 elementli anten klastırları
• AI idarə edilən RF yol proqnozlaşdırması istifadə edərək 3 ms-dan az şüa yenidən nizamlanması
• divar refleksiyaları vasitəsilə NLOS (Line-of-Sight olmayan) etibarlılığın 78%

2024-cü ilin UAV rabitə infrastrukturuna dair tədqiqat adaptiv şüaformalaşdırmanın şəhər içi çıxışın ehtimalını sabit sektor antenalarına nisbətən 63% azaltdığını nümayiş etdirib. Bu yanaşma bloklama hadisələri zamanı QS-ni saxlamaq üçün real vaxtda lidar xəritəçəkməni dinamik spektr paylaşmaqla birləşdirir.

MmWave rabitəsi üçün Kanal Modelləşdirmə Üsulları

3D Fəza Yayılma Mexanizmləri

Millimetr dalğası (mmWave) kommunikasiya sistemlərinin yüksəklik və azimut müstəvisində şəhər elementləri ilə siqnalların qarşılıqlı təsirini başa düşməsi üçün yüksək dəqiqlikli 3D məkan modelləri lazımdır. Klassik 2D modellərdən fərqli olaraq, onlar tikintilərin ölçülərini və məsələn, genişləndirilmiş Saleh-Valenzuela modeli ilə birlikdə dəyişən maneələri nəzərə almaqla, birbaşa görüş ehtimalını təqlid etmək üçün statistik modelləşdirmə üsullarından istifadə edirlər. Biz göstəririk ki, bu modellər müxtəlif struktur həndəsəsi üçün 12–18 dB aralığında difraksiya itkisi proqnozlaşdırır.

Çoxyollu fading və refleksiya analizi

MmWave-in qısa dalğa uzunluğu, 6 GHz altı siqnallara nisbətən 6-9 dB zəifləmə ilə refleksiyalara malik seyrək çoxyollu kластерlər yaradır. Daxili tədqiqatlar yalnız səpələnmiş enerjinin 20-30%-nin perspektivli çoxyollu bağlantıya töhfə verdiyini nümayiş etdirir, bu da diffuz səpələnməyə üstünlük verən dominant refleksiya yollarına prioritet verən reviziyaya uğramış statistik modelləri tələb edir.

Sənaye paradoksu: Yüksək zolaq eni vs. Məhdud menzil kompromissi

MmWave diapazonları 400-800 MHz kanal ötürü buraxılış zolağı təklif etsə də, onların 28 GHz-də sərbəst fəza yol itkisi 3 GHz-dəkindən 29 dB yüksəkdir. Bu, şəbəkələri şəhər mərkəzlərində mikrodalğalı sistemlərdən 4 dəfə sıx olan 150-200 metr aralığında kiçik stansiyalar qurmağa məcbur edir ki, bu da qiqabit buraxılışın saxlanılması üçün vacibdir.

Həqiqi dünyada şəhər yerləşdirməsi üzrə işin aparılması

26 GHz tezliklərini istifadə edən Madrid metrosunda keçirilən sınaq zamanı hədəfli şüalanma ilə real vaxtda bloklaşdırmanın proqnozlaşdırılması birləşdirilərək çoxlu stansiyalarda 94% etibarlılıq əldə edildi. Bununla belə, piyadalarda hərəkət 3-5 dB RSS dalğalanmalarına səbəb oldu, bu da ictimai yerlərdə süni intellekt yönümlü kanal uyğunlaşdırmasının ehtiyacını göstərdi.

Strateji Baza Stansiyası Əlaqə şəbəkələrinin planlaşdırılması

İmpuls girişi azaltmaq üçün yer seçimi

Baza stansiyalarının optimal yerləşdirilməsi ilə mm-dalğalı şəbəkələrdə müdaxilə səviyyəsi minimuma endirilir, çünki əngəllər səbəbindən siqnallar çox sürətlə zəifləyir. Şəhər mühitində yerləşdirmə siqnalın ekoloji bloklanması və üst-üstə düşməsi kimi problemlərin həll edilməsi üçün optimal yerləşdirmə tələb edir. Mürəkkəb yayılma modelləri sayəsində sistem planlaşdırıcıları müəyyən edə bilər ki, hansı sahələrdə kanallararası müdaxilə minimuma endirilir və əhatə dərəcəsi artırılır. Müəyyən etmişik ki, relyefi nəzərə alan yer seçimi bərabər aralıqla yerləşdirməyə nisbətən ölü zonaların sayını 45%, orta diametrini isə 24% azalda bilər. Əsas amillər tikililərin sıxlığı və yüksəklik fərqi, habelə mövcud infrastrukturun müdaxiləni bastırmağa imkan verəcək şəkildə xəritələnməsidir.

Gələcək Tendensiyalar: Hibrid RF-MmWave Arxitekturasi

İnkişaf etmiş şəbəkələr üçün perspektivli hibrid arxitekturalar kimi mmWave texnologiyasını sub-6 GHz diapazonları ilə birləşdirən dual-diapazon arxitekturalar çıxış edir. Bu hibrid arxitektura sıx şəhər mərkəzlərində yüksək buraxılış qabiliyyətini təmin etmək üçün mmWave massiv MIMO və kənd təbəqələrində geniş əhatə dairəsi üçün RF tezliklərini birləşdirir. İntellektual keçid protokolları mobil və xidmət profillərinə uyğun olaraq istifadəçiləri dinamik olaraq lentlər üzərində bölgü edir. Sistem yalnız mmWave şəbəkəsinə nisbətən yerləşdirmə sıxlığını 60% azaldır və keçid zamanı tələb olunan keyfiyyət səviyyəsini saxlayır. Müxtəlif relyefli ərazilərdə daimi bağlantının vacibliyi səbəbindən bu hibrid həll həmçinin sənaye IoT tətbiqləri üçün də perspektivlidir.