Šíření milimetrových vln a jejich dopad na komunikaci

Základy šíření milimetrových vln v komunikaci

Milimetrová vlna (mmWave) komunikace v pásmu 30–300 GHz je klíčovým faktorem pro datově náročné systémy 5G. Využití širokopásmových kanálů (~1 GHz) umožňuje těmto přístupům dosahovat propustností v řádu desítek gigabitů za sekundu, aby byly splněny rostoucí požadavky nízkoútlumových aplikací, jako jsou například rozšířená realita nebo autonomní vozidla. Zpráva časopisu Nature z roku 2023 ukázala přenosovou rychlost mmWave 10 Gbps na vzdálenost 1 km pomocí směrových antén, i když jsou šířící se charakteristiky zcela odlišné od mikrovln na nižších frekvencích.

Útlum v volném prostoru je úměrný čtverci frekvence ve volném prostoru, což vede k 20–30 dB vyšším ztrátám šíření ve srovnání s pásmy pod 6 GHz. Venkovní environmentální problémy tyto potíže zhoršují – srážky mohou způsobit tlumení 5–15 dB/km na frekvenci 60 GHz, zatímco stavební materiály, jako je beton, vedou ke ztrátám při průniku 40–60 dB. Útlum způsobený porostem má za následek ztrátu signálu 10–20 dB a inovativními technickými řešeními lze dosáhnout stejné spolehlivosti jako v průhledné oblasti.

Použití pokročilých technik beamformingu s fázovanými anténními systémy překonává šířící se omezení vytvořením směrovaných přenosových kanálů. Tyto směrované paprsky umožňují opakované použití frekvence v prostoru a snižují rušení – což je klíčovou výhodou v přeplněných městských oblastech. Nejnovější architektury využívají hybridní struktury ortogonální multicarrier modulace (OMM) a masivního MIMO, čímž dosahují inteligentních sítí, které využívají frekvenční royalty pásem mmWave a odolnost mikrovlnných systémů pro okamžité dosažení maximální propustnosti.

Vliv prostředí na signály komunikace v pásmu mmWave

Komunikační systémy v milimetrovém pásmu (mmWave) čelí jedinečným environmentálním výzvám, které výrazně ovlivňují integritu signálu v různých provozních scénářích.

Mechanismy útlumu signálu způsobeného počasím

Déšť způsobuje útlum až 20 dB/km při frekvencích 60 GHz, přičemž sníh a mlha vyvolávají dodatečné rozptylové efekty, které narušují fázovou koherenci. Tyto početní jevy neúměrně ovlivňují mmWave spoje ve srovnání s nižšímifrekvenčními systémy kvůli větší citlivosti kratších vlnových délek na částicové interference.

Účinky ztrát průnikem vegetací a budovami

Měření v terénu ukazují, že jediný strom může způsobit útlum mmWave signálů o 35 dB, přičemž husté listí pohltí 98 % síly signálu. Stavební materiály jako barevné sklo vykazují přenosovou ztrátu 40 dB při 28 GHz – což je třikrát více než u mikrovlnných frekvencí – a vyžadují tak strategické plánování sítě pro překonání stavebních překážek.

Problémy se zeslabením signálu při dešti a atmosférickým pohlcením

Píky absorpce kyslíku na 60 GHz vytvářejí atmosférický útlum 15 dB/km, přičemž útlum způsobený tropickým deštěm může za extrémních podmínek překročit 30 dB/km. Tyto efekty společně omezují praktické dosahy nasazení, což vyžaduje adaptivní výpočty rezervy útlumu a dynamické úpravy výkonu.

Modelování útlumu šíření v milimetrových vlnách

Volno-proudé vs. Městské modely šíření

Šíření milimetrových vln (mmWave) má podle prostředí specifické vlastnosti. Ztráty při šíření ve volném prostoru (FSPL) lze vyjádřit jako nepřímou úměru druhé mocniny vzdálenenosti přenosu, \(\frac{1}{R^2}\). Avšak v městském prostředí způsobuje kanál složitější interakce, při kterých se exponenty útlumu pohybují v rozmezí 2,5–4,5 (LOS) a 4,7–9,2 (non-LOS). Útlum v listovém prostředí na frekvenci 28 GHz činí 6–8 dB/m a betonové zdi způsobují ztráty 40–60 dB. Dosah mmWave v městském prostředí bez beamformingu je kvůli těmto překážkám omezen na 150–200 metrů ve srovnání s teoretickým dosahem ve volném prostoru 1–2 km. Adaptivní anténní soustavy mohou tento útlum částečně kompenzovat zaměřením výkonu do směru, kde existuje použitelný signál, avšak praktický dosah je nakonec určen hustotou překážek.

Frekvenčně závislé charakteristiky útlumu

Atmosférické absorpční špičky na 24 GHz (způsobené vodními parami) a na 60 GHz (způsobené kyslíkem) způsobují dodatečné ztráty 0,2–15 dB/km u systémů mmWave. Útlum způsobený deštěm způsobuje útlum 2–8 dB/km v pásmu 30–40 GHz za mírného deště. Je třeba poznamenat, že signály na 73 GHz trpí 1,8× většími ztrátami ve volném prostoru ve srovnání s 24 GHz na stejných vzdálenostech, což je způsobeno závislostí na \(f^2\) ve vzorcích pro FSPL. To vede ke klíčovému kompromisu – i když vyšší frekvence umožňují širší pásma (kanály o šířce 2 GHz), vyžadují také umístění základnových stanic 4× hustší než v pásmu pod 100 GHz. Tyto omezení jsou dnes zmírněna pokročilými materiály, jako jsou dielektrika s nízkými ztrátami a antény na bázi metapovrchů, které umožňují dosáhnout účinnosti 90 % v pásmu E pro mikrovlnné spoje 5G.

Požadavky na přímou viditelnost pro spolehlivou komunikaci

Milimetrová vlna (mmW) komunikační systémy vyžadují dokonalé zarovnání mezi vysílači a přijímači kvůli jejich provozu na vysokých frekvencích (24–100 GHz). Zatímco nízkofrekvenční signály mohou ohýbat kolem překážek, až 60–90 % energie mmWave se pohltí překážkami (ITU 2023). Takové omezení činí nepřetržené LOS nezbytnou podmínkou pro dosažení propustnosti v řádu několika gigabitů v prostředích 5G/6G.

Účinky blokování z lidské činnosti a konstrukcí

Městské prostředí přináší tři hlavní rušitele LOS:

• Statické překážky : Betonové stěny snižují signály mmWave o 40–60 dB, zatímco sklo potlačuje přenos o 15–25 dB
• Pohyblivé překážky : Jednotlivý chodec může způsobit útlum signálu o 20–35 dB, přičemž doprava způsobuje přerušované výpadky trvající 0,8–3,2 sekundy
• Dynamika prostředí : Sezónní změny vegetace mění tlumení listí o 12–18 dB

Tyto účinky se zvyšují v hustě zastavěných městských oblastech, kde průměrná dostupnost LOS klesá na 54–72 % bez použití technologií beamformingu.

Řešení s využitím beamformingu pro scénáře bez přímé viditelnosti (NLOS)

Fázované anténní soustavy umožňují vysílací výkon ekvivalentní izotropnímu výkonu (EIRP) 27 dBm s možností směrování paprsku pro obejití překážek. Moderní systémy dosahují:

• antenní clustery o 1024 prvcích pro přesnost šířky paprsku 1,2°
• Realignování paprsku za méně než 3 ms pomocí predikce RF cesty řízené umělou inteligencí
• spolehlivost NLOS (Non-Line-of-Sight) až 78 % prostřednictvím odrazů od stěn

Studie infrastruktury komunikačních systémů UAV z roku 2024 ukázala, jak adaptivní beamforming snižuje pravděpodobnost výpadku signálu ve městě o 63 % ve srovnání s pevnými sektorovými anténami. Tento přístup kombinuje mapování pomocí lidaru v reálném čase s dynamickým sdílením spektra, aby byla během přerušení spojení udržena kvalita služby (QoS).

Modelovací techniky pro komunikaci v pásmu mmWave

třírozměrné prostorové mechanizmy šíření signálu

Pro komunikační systémy milimetrových vln (mmWave) jsou nezbytné prostorové modely s vysokým rozlišením ve 3D, aby bylo možné pochopit interakce signálů s městskými prvky jak v elevační, tak i azimutální rovině. Na rozdíl od klasických 2D modelů využívají statistické modelovací techniky pro napodobení pravděpodobnosti LOS, včetně rozměrů budov a časově proměnných překážek, například pomocí rozšířeného Saleh-Valenzuelova modelu. Ukazujeme, že tyto modely předpovídají variaci difrakčního útlumu 12–18 dB pro různé geometrie struktur.

Analýza vícesměrového fadingu a odrazů

Krátké vlnové délky mmWave způsobují řídké vícesměrové shluky, přičemž odrazy trpí útlumem o 6–9 dB ve srovnání s pod-6 GHz signály. Studie provedené uvnitř objektů ukazují, že pouze 20–30 % rozptýlené energie přispívá k životaschopným vícesměrovým spojením, což vyžaduje revizi statistických modelů, které upřednostňují dominantní odrazové cesty před difúzním rozptylem.

Paradox průmyslu: Velké pásmo vs. Omezený dosah

Zatímco pásma mmWave nabízejí šířku kanálu 400–800 MHz, jejich útlum v volném prostoru při 28 GHz je o 29 dB vyšší než při 3 GHz. To nutí sítě nasazovat malé buňky v intervalech 150–200 metrů ve městských centrech – 4× hustěji než u systémů založených na mikrovlnách – aby udržely propustnost v řádu gigabitů.

Případová studie reálného nasazení v městském prostředí

Pokusná síť v metru v Madridu využívající frekvence 26 GHz dosáhla 94% spolehlivosti v rušených stanicích kombinací formování paprsku a predikce blokování v reálném čase. Pohyb chodců však způsoboval kolísání RSS o 3–5 dB, což zdůraznilo potřebu adaptace kanálu řízené umělou inteligencí v prostorách pro veřejnost.

Strategické Základní stanice Plánování komunikačních sítí

Výběr lokality pro minimalizaci rušení signálu

Optimálním umístěním základních stanic je minimalizována úroveň interference v sítích mm-vln, kde signály velmi rychle oslabují kvůli překážkám. Nasazení ve městském prostředí vyžaduje optimální rozmístění za účelem řešení problémů s rušením a překrýváním signálů. Pomocí složitých modelů šíření signálu mohou plánovači systémů přesně určit oblasti, které minimalizují interferenci mezi kanály a maximalizují hustotu pokrytí. Zjistili jsme, že výběr poloh zohledňující reliéf může snížit počet mrtvých zón o 45 % a průměrný průměr mrtvých zón o 24 % ve srovnání s rovnoměrným rozestupem. Klíčovými faktory jsou hustota zástavby a rozdíl v nadmořské výšce a mapování stávající infrastruktury, která umožňuje potlačení interference bez nutnosti investic do dalšího hardwaru.

Budoucí trendy: Hybridní RF-MmWave architektury

Architektury s dvojitým pásmem, které integrují technologii mmWave s pásmy sub-6 GHz, se ukazují jako proveditelné varianty pro budoucí sítě. Tato hybridní architektura kombinuje masivní MIMO technologie mmWave pro vysokou propustnost hustých městských oblastí s radiofrekvenčními pásmy pro širší pokrytí předměstí/venkova. Inteligentní přepínací protokoly dynamicky přidělují uživatele mezi pásma na základě jejich mobility a profilu služeb. Systém snižuje hustotu nasazení o 60 % ve srovnání s pouhou mmWave sítí a zároveň zachovává požadovanou kvalitu služby během předávání spojení. Toto kombinované řešení se rovněž ukazuje jako nadějný kandidát pro průmyslové IoT aplikace, kde je nezbytná nepřetržitá konektivita v různých terénech.