Разпространение на милиметровите вълни и неговото влияние върху комуникацията

Основи на разпространението на милиметровите вълни при комуникацията

Милиметрова вълна (mmWave) комуникация в честотните диапазони 30-300 GHz е ключов фактор за системи 5G с висока изискваема скорост на предаване на данни. Използването на широколентови (~1 GHz) канали позволява на тези подходи да осигуряват многогигабитни скорости, за да се задоволят растящите изисквания на приложения с ниско закъснение като разширена реалност и автономни превозни средства. Според доклад от 2023 г. на Nature, mmWave може да постигне скорост от 10 Gbps на разстояние до 1 km чрез насочени анени, въпреки че характеристиките на разпространение се различават значително от тези на микровълните при по-ниски честоти.

Загубите по пътя в свободното пространство са пропорционални на квадрата на честотата в свободното пространство, което води до 20–30 dB по-високи загуби по пътя в сравнение с под-6 GHz диапазоните. Външните екологични проблеми влошават тези въпроси – валежите могат да предизвикат затихване от 5–15 dB/km при 60 GHz, докато строителни материали като бетон водят до 40–60 dB загуби при проникване. Затихването от растителност обикновено води до загуба на сигнал от 10–20 dB и иновативни инженерни решения, за да се постигне същата надеждност, както в открита зона.

Напреднали практики за формиране на лъч с фазирани антени преодоляват ограниченията при разпространението чрез създаване на насочени предавателни канали. Тези насочени лъчи позволяват повторното използване на честотите в пространството и намаляване на интерференцията – ключово предимство в натоварени градски среди. Най-новите архитектури използват хибридни структури на ортогоналната мултичестотна модулация (OMM) и масивния MIMO, като по този начин се постигат интелигентни мрежи, които използват богатството от честоти на mmWave диапазоните и устойчивостта на микровълновите системи за постигане на максимален капацитет в движение.

Влияние на околната среда върху сигнали за комуникация в диапазона mmWave

Системите за комуникация в диапазона на милиметровите вълни (mmWave) срещат уникални еко-логически предизвикателства, които значително влияят на качеството на сигнала в различни оперативни сценарии.

Механизми за затихване на сигнала, предизвикано от метеорологични условия

Валидът предизвиква затихване до 20 dB/km при честоти от 60 GHz, като снегът и мъглата предизвикват допълнителни ефекти на разсейване, които нарушават фазовата когерентност. Тези метеорологични явления влияят несъразмерно на връзките в mmWave диапазона в сравнение с системи с по-ниски честоти, поради чувствителността на по-късите вълни към интерференция от частици.

Ефекти от загуби при проникване през растителност и сгради

Полеви измервания показват, че единично дърво може да предизвиква затихване на mmWave сигнали с 35 dB, като гъста листака блокира 98% от силата на сигнала. Материали за строителство като витражно стъкло имат загуби при преминаване от 40 dB при 28 GHz – три пъти повече в сравнение с микровълновите честоти – което изисква стратегическо планиране на мрежата, за да се преодолеят структурни препятствия.

Предизвикателства от намаляване на интензивността на дъжда и атмосферното поглъщане

Пиковете на абсорбция на кислород при 60 GHz създават атмосферни загуби от 15 dB/km, като загубите от тропически дъжд достигат над 30 dB/km в сериозни условия. Тези ефекти заедно намаляват практическите обхвати на разгръщане, което изисква адаптивни изчисления на запаса от загуби и протоколи за динамично регулиране на мощността.

Моделиране на загуби по пътя в комуникациите с милиметрови вълни

Свободно пространство спрямо модели на градско разпространение

Разпространението на милиметровите вълни (mmWave) притежава уникални свойства, зависещи от околната среда. Загубите по пътя в свободното пространство (FSPL) могат да бъдат изразени чрез обратната пропорционалност на квадрата на разстоянието на предаване, \(\frac{1}{R^2}\). В градски райони обаче каналът създава по-сложни взаимодействия, при които експонентите на загуба по пътя са в диапазона 2.5–4.5 (LOS) и 4.7–9.2 (non-LOS). Загубата от листа при 28 GHz е 6–8 dB/m, а бетонните стени причиняват загуба от 40–60 dB. Достигът на mmWave в градска среда без биймформинг се ограничава до 150–200 метра поради тези препятствия, в сравнение с теоретичния обхват в свободното пространство от 1–2 km. Адаптивните антенни масиви частично могат да компенсират тези загуби чрез насочване на мощността към пътищата, по които съществува жизнеспособен сигнал, но практическите обхвати в крайна сметка зависят от плътността на препятствията.

Частотно-зависими характеристики на затихване

Атмосферните абсорбционни пикове при 24 GHz (поради водната пара) и при 60 GHz (поради кислорода) създават допълнителни загуби за системите mmWave в диапазона 0.2–15 dB/km. Загубите от дъжд предизвикват затихване от 2–8 dB/km между 30–40 GHz при умерен дъжд. Важно е да се отбележи, че сигналите при 73 GHz изпитват 1.8× по-големи загуби в свободното пространство в сравнение с 24 GHz на еднакво разстояние, което се дължи на зависимостта \(f^2\) в уравненията за FSPL. Това води до важен компромис – докато по-високите честоти позволяват по-широки ленти (канали с ширина 2 GHz), те изискват базови станции, които са 4 пъти по-гъсто разположени в сравнение с тези под 100 GHz. В днешно време тези ограничения се омекотяват от напреднали материали, като нискогубещи диелектрици и антени с метаповърхности, които осигуряват ефективност от 90\% за честотните диапазони на E-диапазона в 5G връзки.

Изисквания за директна видимост за надеждна комуникация

Милиметрова вълна (mmW) комуникационните системи изискват прецизно съвпадане между предавателите и приемниците поради високочестотната им работа (24–100 GHz). Докато нискочестотните сигнали могат да се огъват около препятствия, до 60–90% от енергията на mmWave се абсорбира от препятствия (ITU 2023). Такова ограничение прави незатруднената визуална връзка (LOS) задължително условие за постигане на многогигабитни скорости в сценарии с 5G/6G.

Ефекти от затваряне от човешка активност и сгради

Градските среди въвеждат три основни вида нарушители на визуалната връзка (LOS):

• Статични препятствия : Бетонните стени намаляват сигналите mmWave с 40–60 dB, докато стъклото намалява предаването с 15–25 dB
• Мобилни препятствия : Един пешеходец може да причини загуба на сигнал от 20–35 dB, а движението на превозни средства създава прекъсвания, които траят от 0.8 до 3.2 секунди
• Динамика на околната среда : Сезонните промени в растителността променят затихването от листака с 12–18 dB

Тези ефекти се усилват в гъсто населени градове, където средното ниво на наличност на LOS пада до 54–72% без интервенции с биймформинг.

Решения за биймформинг в сценарии без директна видимост (NLOS)

Фазови антени осигуряват насочване на лъча с еквивалентна изотропно излъчена мощност (EIRP) от 27 dBm, за да се заобиколят препятствия. Съвременните системи постигат:

• антенни клъстери с 1024 елемента за прецизност на лъчевата ширина от 1,2°
• Пренасочване на лъча за под 3 ms чрез прогнозиране на RF пътя, задвижвано от ИИ
• 78% надеждност при NLOS (без директна видимост) чрез отражения през стени

Проучване от 2024 г. относно инфраструктурата за комуникация между дронове показа как адаптивният биймформинг намалява вероятността от прекъсване на връзката в градска среда с 63% в сравнение с фиксираните секторни антени. Този подход комбинира картографиране в реално време чрез лидар с динамично споделяне на спектъра, за да се поддържа качеството на обслужване (QoS) по време на блокажи.

Методи за моделиране на канала за комуникация в диапазона на милиметровите вълни

3D пространствени механизми за разпространение

Високо детайлни 3D пространствени модели са необходими за системите за комуникация в милиметровия диапазон (mmWave), за да разберат взаимодействието на сигнала с урбани елементи както във вертикалната, така и в азимуталната равнина. За разлика от класическите 2D модели, те използват статистически методи за моделиране, за да имитират вероятността на директна видимост (LOS), включително размерите на сградите и променливите препятствия с времето, например чрез разширения модел на Saleh-Valenzuela. Показано е, че тези модели предвиждат вариация на загубите при дифракция от 12–18 dB за различни геометрии на конструкции.

Анализ на многопътевото замиране и отражението

Късите вълни на mmWave водят до редки купове от многопътеви сигнали, като отраженията губят 6–9 dB в сравнение със сигнали под 6 GHz. Вътрешни проучвания показват, че само 20–30% от разсеяната енергия допринася за жизнеспособни многопътеви връзки, което налага преразглеждане на статистическите модели, насочени към доминиращите пътища на отражение вместо към разсеяно разпространение.

Парадокс в индустрията: Компромис между висока честотна лента и ограничено покритие

Докато честотните диапазони mmWave предлагат честотна лента от 400-800 MHz, загубите в свободното пространство при 28 GHz са с 29 dB по-големи в сравнение с тези при 3 GHz. Това принуждава мрежите да използват малки клетки на всеки 150-200 метра в градските центрове – 4 пъти по-гъсто в сравнение с микровълновите системи – за да се поддържа скорост от гигабит.

Проучване на случай на внедряване в реална градска среда

Изпитване в метрото в Мадрид с използване на честоти от 26 GHz постигна надеждност от 94% в натоварени гарове чрез комбиниране на насочено предаване (beamforming) с прогнозиране на пречки в реално време. Въпреки това движението на пешеходци причинява колебания в RSS от 3-5 dB, което подчертава необходимостта от адаптиране на канала, управлявано от изкуствен интелект в обществени места.

Стратегическа Базова станция Планиране на комуникационни мрежи

Избор на местоположение за намаляване на смущенията в сигнала

Чрез оптимално разполагане на базовите станции, нивото на интерференция се минимизира в милиметровълновите мрежи, където сигналите затихват много бързо поради препятствия. Разгръщането в градска среда изисква оптимално планиране, за да се реши проблемът с блокирането и застъпването на сигнали. С помощта на сложни модели на разпространение на сигнала, инженерите могат да идентифицират зони, където се минимизира междинната интерференция и се максимизира плътността на покритието. Установихме, че изборът на локации с оглед релефа може да намали броя на зоните без покритие с 45% и средния диаметър на такива зони – с 24% в сравнение с равномерното разстояние между станциите. Ключови фактори са плътността на застроителността и разликата в надморската височина, както и проследяването на съществуващата инфраструктура, което позволява потискане на интерференцията без допълнителни инвестиции в хардуер.

Бъдещи тенденции: Хибридни RF-MmWave архитектури

Архитектурите с двойна лента, които интегрират технологията mmWave с под-6 GHz ленти, се оказват изпълним вариант за бъдещите мрежи. Тази хибридна архитектура комбинира масивен MIMO в mmWave диапазона за високопроизводителни гъсто населени урбани зони с радиочестотни сигнали за по-широк обхват на покритие в предградията/селските райони. Интелигентни протоколи за превключване динамично разпределят потребителите между лентите според техните мобилност и профили на услугите. Системата намалява плътността на инсталациите с 60% в сравнение с мрежа само с mmWave и осигурява зададеното качество на обслужване (QoS) при преминаване между базови станции. Това комбинирано решение също се оказва перспективно за индустриални IoT приложения, където непрекъснатата свързаност над различни терени е от съществено значение.