Karakteristike širenja milimetarskih talasa i njihov uticaj na komunikaciju

Osnove propagacije komunikacije milimetarskih talasa

Millimetarski talas (mmWave) komunikacija u opsezima od 30-300 GHz ključni je faktor za sisteme 5G koji zahtijevaju visoke brzine prenosa podataka. Korištenje širokopojasnih kanala (~1 GHz) omogućava ovim metodama da obezbijede multigigabitne protokole kako bi zadovoljile rastuće zahtjeve aplikacija s niskim kašnjenjem poput proširene stvarnosti i autonomnih vozila. Prirodno izvještanje iz 2023. godine pokazalo je mmWave sa 10 Gbps na 1 km pomoću direktnih antena, iako su karakteristike širenja dosta različite u poređenju sa mikrotalasima na nižim frekvencijama.

Gubitak slobodnog prostora proporcionalan je kvadratu frekvencije u slobodnom prostoru, što dovodi do 20–30 dB većih gubitaka u odnosu na pod-6 GHz opsege. Vanjski okolinski problemi pogoršavaju ove probleme – kiša može izazvati slabljenje od 5-15 dB/km na 60 GHz, dok građevinski materijali poput betona dovode do prodiranja gubitka od 40-60 dB. Prigušenje tresetišta normalno rezultira gubitkom signala od 10-20 dB, a inovativna inženjerska rješenja postižu istu pouzdanost kao i u čistom području.

Napredne tehnike formiranja snopa uz pomoć faziranih antenskih nizova prevazilaze ograničenja u širenju signala stvaranjem usmjerenih kanala za prijenos. Ovi usmjereni snopovi omogućavaju ponovnu upotrebu frekvencije u prostoru i smanjenje smetnji — ključna prednost u gušvima urbanim sredinama. Najnoviji arhitekturni koncepti koriste hibridne strukture ortogonalne višenoseće modulacije (OMM) i masivnih MIMO sistema, ostvarujući pametne mreže koje iskorištavaju bogatstvo frekvencija mmWave opsega i otpornost mikrotalasnih sistema kako bi maksimalizovale propusnost u realnom vremenu.

Utjecaj okoline na signale komunikacijskih mmWave sustava

Sistemi komunikacija milimetarskih valova (mmWave) suočeni su sa specifičnim izazovima u okolini koji značajno utječu na integritet signala u različitim radnim scenarijima.

Mehanizmi slabljenja signala izazvani vremenskim uvjetima

Kiša izaziva slabljenje do 20 dB/km na frekvencijama od 60 GHz, dok snijeg i magla stvaraju dodatne efekte raspršenja koji remete faznu koherenciju. Ove vremenske pojave neproporcionalno utiču na veze u milimetarskom opsegu u poređenju sa sistemima nižih frekvencija zbog osetljivosti kraćih talasnih dužina na čestično ometanje.

Učinci gubitaka usljed vegetacije i prodiranja kroz zgrade

Mjerenja u terenu pokazuju da pojedinačno drvo može slabiti signale mmWave za 35 dB, dok gusta lišća blokira 98% jačine signala. Građevinski materijali poput obojenog stakla pokazuju gubitak pri prolasku signala od 40 dB na 28 GHz – tri puta više u odnosu na mikrotalasne frekvencije – što zahtijeva strateško planiranje mreže kako bi se prevazišle strukturne prepreke.

Slabljenje usljed kiše i atmosfersko apsorpciono izazovi

Pikovi apsorpcije kisika na 60 GHz stvaraju atmosferske gubitke od 15 dB/km, dok u tropskim uvjetima kiša može izazvati dodatne gubitke veće od 30 dB/km u teškim slučajevima. Ovi efekti se kombiniraju i smanjuju praktične domete, što zahtijeva prilagodljivo izračunavanje rezervnih margina i dinamičku regulaciju snage.

Modeliranje gubitaka prijenosa u komunikaciji milimetarskog vala

Slobodni prostor naspram urbanih modela propagacije

Mileni val (mmWave) propagacija ima jedinstvena svojstva u zavisnosti od okoline. Gubitak slobodnog prostora (FSPL) može se izraziti kvadratom obrnutim rastojanju prenosa, \(\frac{1}{R^2}\). Međutim, u urbanoj sredini kanal uvodi složenije interakcije pri čemu su eksponenti gubitka puta u opsegu 2,5–4,5 (LOS) i 4,7–9,2 (non-LOS). Gubitak kroz lišće na 28 GHz je 6–8 dB/m, dok betonski zidovi izazivaju gubitak od 40–60 dB. Domet urbanog mmWave signala bez beamforminga je slabiji i iznosi 150–200 metara zbog ovih prepreka, u poređenju sa teoretskim dometom u slobodnom prostoru koji iznosi 1–2 km. Adaptivne antenske matrice mogu djelimično nadoknaditi ove gubitke usmjeravanjem snage ka putevima gdje postoji upotrebljiv signal, ali praktični dometi na kraju zavise od gustine prepreka.

Frekvencijski zavisna karakteristika prigušenja

Atmosfersko apsorpciono vrhovi na 24 GHz (zbog vodene pare) i na 60 GHz (zbog kisika) predstavljaju dodatni gubitak od 0,2–15 dB/km za sisteme milimetarskih talasa. Slabljenje zbog kiše izaziva slabljenje od 2–8 dB/km između 30–40 GHz u umjerenoj kiši. Vrijedi napomenuti da signali na 73 GHz imaju 1,8× veći gubitak u slobodnom prostoru u odnosu na 24 GHz na istim rastojanjima, što je uzrokovano zavisnošću \(f^2\) u jednačinama FSPL-a. To dovodi do ključnog kompromisa - dok više frekvencije omogućavaju šire trake (kanale od 2 GHz), također zahtijevaju raspored baza koje su 4 puta gušće u poređenju sa frekvencijama ispod 100 GHz. Ove ograničenja se danas ublažavaju naprednim materijalima, poput dielektrika sa niskim gubicima i antena metapovršina, koji omogućavaju opsege sa efikasnošću od 90\% u 5G veza za prenos na E-band frekvencijama.

Zahtjevi za direktnu poveznicu radi pouzdane komunikacije

Millimetarski talas (mmW) sistemi za komunikaciju zahtijevaju savršeno poravnanje između predajnika i prijemnika zbog njihovog rada na visokim frekvencijama (24–100 GHz). Dok niskofrekventni signali mogu da se savijaju oko prepreka, čak 60-90% energije mmWave signala apsorbuje se kroz prepreke (ITU 2023). Ovakva ograničenja čine neometan pristup liniji vida (LOS) osnovnim uvjetom za postizanje multigigabitnog protoka u 5G/6G scenarijima.

Efekti blokade od ljudske aktivnosti i struktura

U gradskim sredinama postoje tri primarna uzročnika prekida linije vida:

• Statičke prepreke : Betonski zidovi smanjuju mmWave signale za 40–60 dB, dok staklo slabljenje signala iznosi 15–25 dB
• Pokretne prepreke : Jedan pješak može izazvati slabljenje signala od 20–35 dB, dok saobraćaj vozila stvara povremene prekide koji traju 0.8–3.2 sekunde
• Dinamika okoline : Sezonske promjene vegetacije mijenjaju slabljenje krošnji stabala za 12–18 dB

Ovi efekti se pojačavaju u gustim gradovima, gdje dostupnost prosječnog nivoa usluga (LOS) pada na 54–72% bez upotrebe beamforming intervencija.

Rješenja za formiranje snopa (beamforming) za scenarije bez direktnog prolaza signala (Non-LOS)

Fazirane antenske matrice omogućavaju upravljanje snopom sa snagom od 27 dBm ekvivalentne izotropski zračeće snage (EIRP) kako bi se zaobišli prepreke. Savremeni sistemi postižu:

• skupove antena sa 1024 elementa za preciznost širine snopa od 1,2°
• Ponovno uspostavljanje snopa za manje od 3 ms uz pomoć AI predikcije RF puteva
• 78% pouzdanosti u scenarijima bez direktnog prolaza signala (NLOS) kroz refleksije signala na zidovima

Studija infrastrukture za komunikaciju bespilotnih zračnih vozila (UAV) iz 2024. godine pokazala je kako adaptivno formiranje snopa smanjuje vjerovatnoću prekida veze u gradovima za 63% u poređenju sa fiksnim sektorskim antenama. Ovaj pristup kombinuje mapiranje u realnom vremenu pomoću lidara i dinamičko dijeljenje spektra radi održavanja kvaliteta usluge (QoS) tokom događaja koji izazivaju prepreke.

Tehnike modelovanja komunikacionog kanala za komunikaciju u milimetarskom talasnom opsegu (MmWave)

3D prostorne mehanizme širenja signala

Vrhunski 3D prostorni modeli su nužni za milimetarske talasne (mmWave) komunikacione sisteme kako bi razumjeli interakcije signala sa urbaničkim elementima u objedinjenim i azimutnim ravnima. Za razliku od klasičnih 2D modela, oni koriste statističke metode modeliranja za simulaciju vjerovatnoće direktnog vida (LOS), uključujući veličine zgrada i promjenjive prepreke, npr. prošireni Saleh-Valenzuela model. Pokazujemo da ovi modeli predviđaju varijaciju gubitka uslijed difrakcije od 12–18 dB za različite geometrije struktura.

Analiza višestrukog fedinga i refleksija

Kratki talasni mmWave signali stvaraju rijetke skupove višestrukih putanja signala, pri čemu refleksije trpe slabljenje od 6-9 dB u poređenju sa sub-6 GHz signalima. Istraživanja unutrašnjih prostora pokazuju da samo 20-30% raspršene energije doprinosi ostvarivanju upotrebljivih višestrukih putanja signala, što zahtijeva reviziju statističkih modela koji daju prioritet dominantnim refleksionim putanjama umjesto difuznom raspršenju.

Industrijski paradoks: Visoki kapacitet vs. ograničeni domet

Iako opsezi mmWave nude 400-800 MHz propusnog opsega, njihovi gubici slobodnog prostora na 28 GHz su za 29 dB veći nego na 3 GHz. Ovo prisiljava mreže da rasporede male ćelije na svakih 150-200 metara u gradskim jezgrima – 4 puta gušće nego kod sistema zasnovanih na mikrotalasima – kako bi održale protok od više gigabita.

Studija slučaja stvarne gradske implementacije

U Madridu, proba sa frekvencijama od 26 GHz postigla je pouzdanost od 94% u gužvama na stanicama koristeći kombinaciju formiranja snopa i predikciju prekida signala u realnom vremenu. Međutim, kretanje pješaka izazvalo je fluktuacije RSS-a od 3-5 dB, što pokazuje potrebu za adaptacijom kanala upravljane AI-jem u javnim prostorima.

Strategično Bazna stanica Planiranje komunikacionih mreža

Odabir lokacije za ublažavanje smetnji signala

Optimalnim postavljanjem baznih stanica, nivo interferencije se smanjuje u mm-talasnim mrežama kod kojih signali vrlo brzo slabnu zbog prepreka. Ugradnja u urbanoj sredini zahtijeva optimalno postavljanje radi rješavanja pitanja blokiranja i preklapanja signala. Složenim modelovanjem propagacije, planerima sistema omogućava da tačno odrede zone koje minimiziraju interferenciju između kanala i maksimaliziraju gustinu pokrivenosti. Utvrđeno je da uz korištenje informacija o terenu pri izboru lokacija može dovesti do smanjenja broja mrtvih zona za 45% i prosječni promjer za 24% u poređenju sa uniformnim razmještajem. Ključni faktori su gustina zgrada i delta nadmorske visine, kao i mapiranje postojeće infrastrukture kako bi se omogućilo potiskivanje interferencije bez dodatnih investicija u hardver.

Buduća tendencija: Hibridne RF-MmWave arhitekture

Arhitektura sa dva opsega koja uključuje tehnologiju milimetarskih talasa uz sub-6 GHz opsege predstavljena je kao izvodljiva varijanta za buduće mreže. Ova hibridna arhitektura kombinuje masivni MIMO sistema u opsegu milimetarskih talasa za visokopropusne gradske centre sa radio frekvencijama za širu pokrivenost predgrađa/selima. Pametni protokoli za preklapanje dinamički dodjeljuju korisnike na osnovu mobilnosti i profila usluga. Sistem smanjuje gustinu implementacije za 60% u poređenju sa mrežom koja koristi samo milimetarske talase i održava potrebne QoS parametre prilikom preuzimanja veze. Ovo kombinovano rješenje pokazuje se i kao obećavajuće za industrijske IoT aplikacije gdje je kontinuirana povezanost na različitim terenima neophodna.