Ausbreitungsmerkmale von Millimeterwellen und deren Einfluss auf die Kommunikation

Grundlagen der Millimeterwellen-Kommunikationsausbreitung

Millimeterwelle (mmWave-)Kommunikation in den Bändern von 30-300 GHz ist ein entscheidender Enabler für datenratenintensive 5G-Systeme. Die Verwendung von Breitbandkanälen (~1 GHz) ermöglicht diesen Ansätzen, Durchsätze im Multigigabit-Bereich bereitzustellen, um den steigenden Anforderungen von Anwendungen mit geringer Latenz wie Augmented Reality und autonomen Fahrzeugen gerecht zu werden. Ein Bericht von Nature aus dem Jahr 2023 zeigte mmWave mit 10 Gbps über 1 km mit Richtantennen, obwohl die Ausbreitungsmerkmale deutlich von denen der Mikrowellen bei niedrigeren Frequenzen abweichen.

Die Freiraumdämpfung ist im freien Raum proportional zum Quadrat der Frequenz, was zu 20–30 dB höheren Dämpfungsverlusten im Vergleich zu Sub-6-GHz-Bändern führt. Äußere Umweltbedingungen verschärfen diese Probleme – Regenfall kann bei 60 GHz eine Dämpfung von 5–15 dB/km verursachen, während Baumaterialien wie Beton zu 40–60 dB Durchdringungsverlust führen. Blattwerk verursacht normalerweise eine Signaldämpfung von 10–20 dB, und es werden innovative Engineering-Lösungen benötigt, um dieselbe Zuverlässigkeit wie in einem freien Bereich zu erreichen.

Fortgeschrittene Beamforming-Verfahren mit Phased-Array-Antennen überwinden Ausbreitungsbeschränkungen, indem sie gerichtete Übertragungskanäle etablieren. Diese gerichteten Strahlen ermöglichen die räumliche Wiederverwendung der Frequenz und reduzieren Störungen – ein entscheidender Vorteil in stark belegten städtischen Anwendungen. Die neuesten Architekturen nutzen hybride Strukturen der orthogonalen Multiträgermodulation (OMM) und von Massive MIMO, um intelligente Netzwerke zu realisieren, welche die Frequenzkapazität der mmWave-Bänder sowie die Robustheit von Mikrowellensystemen nutzen, um die maximale Durchsatzrate dynamisch zu erreichen.

Umwelteinflüsse auf mmWave-Kommunikationssignale

Kommunikationssysteme im Millimeterwellenbereich (mmWave) stehen vor spezifischen Umweltbedingungen, die die Signalqualität in unterschiedlichen Einsatzszenarien stark beeinflussen können.

Signalabschwächung durch Wettereinflüsse

Regen verursacht bei 60-GHz-Frequenzen eine Dämpfung von bis zu 20 dB/km, wobei Schnee und Nebel zusätzliche Streueffekte erzeugen, die die Phasenkohärenz stören. Diese Wetterphänomene wirken sich stärker auf mmWave-Verbindungen aus als auf Systeme mit niedrigeren Frequenzen, da kürzere Wellenlängen empfindlicher gegenüber partikulärer Interferenz sind.

Auswirkungen von Vegetation und Bauwerkdurchdringungsverlusten

Feldmessungen zeigen, dass ein einzelner Baum mmWave-Signale um 35 dB dämpfen kann, wobei dichtes Laub 98 % der Signalstärke blockiert. Baustoffe wie Bleiglas weisen bei 28 GHz einen Transmissionsverlust von 40 dB auf – dreimal höher als bei Mikrowellenfrequenzen – was eine strategische Netzplanung erfordert, um strukturelle Hindernisse zu überwinden.

Regenschwund und atmosphärische Absorptionsprobleme

Sauerstoffabsorptionsspitzen bei 60 GHz erzeugen 15 dB/km atmosphärische Dämpfung, wobei die Dämpfung durch tropischen Regen in schweren Bedingungen über 30 dB/km hinausgehen kann. Diese Effekte zusammengenommen reduzieren die praktischen Reichweiten und erfordern adaptive Berechnungen des Fademargins sowie dynamische Leistungsanpassungsprotokolle.

Dämpfungsmodellierung bei Kommunikation im Millimeterwellenbereich

Freiraum- vs. Stadt-Ausbreitungsmodelle

Die Ausbreitung von Millimeterwellen (mmWave) besitzt einzigartige Eigenschaften, die vom jeweiligen Umfeld abhängen. Der Freiraumdämpfungsverlust (FSPL) kann durch das inverse Quadrat der Übertragungsdistanz ausgedrückt werden, \(\frac{1}{R^2}\). Allerdings führt der Kanal in städtischen Gebieten zu komplexeren Wechselwirkungen, wodurch die Dämpfungsexponenten im Bereich von 2,5–4,5 (LOS) und 4,7–9,2 (Nicht-LOS) liegen. Der Blattverlust bei 28 GHz beträgt 6–8 dB/m, und Betonwände verursachen einen Verlust von 40–60 dB. Die Reichweite von mmWave in städtischen Gebieten ohne Beamforming wird aufgrund dieser Hindernisse auf 150–200 Meter gedämpft, verglichen mit der theoretischen Freiraumreichweite von 1–2 km. Adaptive Antennenarrays können diesen Verlust teilweise kompensieren, indem sie die Leistung gezielt in Richtung lenken, bei der ein brauchbares Signal existiert, doch die praktischen Reichweiten hängen letztendlich von der Dichte der Hindernisse ab.

Frequenzabhängige Dämpfungseigenschaften

Atmosphärische Absorptionspeaks bei 24 GHz (verursacht durch Wasserdampf) und bei 60 GHz (verursacht durch Sauerstoff) verursachen zusätzliche Verluste von 0,2–15 dB/km in mmWave-Systemen. Regenschwund führt bei mäßigem Regen zu einer Dämpfung von 2–8 dB/km im Bereich von 30–40 GHz. Zu beachten ist, dass Signale bei 73 GHz im Vergleich zu 24 GHz bei gleichen Entfernungen einen 1,8× höheren Freiraumdämpfungsverlust aufweisen, was auf die \(f^2\)-Abhängigkeit in den FSPL-Gleichungen zurückzuführen ist. Dies führt zu einem entscheidenden Kompromiss – während höhere Frequenzen breitere Bandbreiten (2 GHz Kanäle) ermöglichen, erfordern sie auch Basisstation-Installationen, die viermal dichter als im Bereich unterhalb 100 GHz sind. Diese Einschränkungen werden heutzutage durch fortschrittliche Materialien, wie z. B. niedrigverlustige Dielektrika und Metasurface-Antennen, reduziert, die 90\% effiziente Bänder in 5G-Backhaul-Verbindungen im E-Band ermöglichen.

Sichtverbindung als Voraussetzung für zuverlässige Kommunikation

Millimeterwelle (mmW)-Kommunikationssysteme erfordern eine perfekte Ausrichtung zwischen Sendern und Empfängern aufgrund ihres Hochfrequenzbetriebs (24–100 GHz). Während Niederfrequenzsignale Hindernisse umbeugen können, werden bis zu 60–90 % der Energie von mm-Wellen durch Hindernisse absorbiert (ITU 2023). Eine solche Einschränkung macht eine ungehinderte Sichtverbindung (LOS) zu einer wesentlichen Voraussetzung, um in 5G/6G-Szenarien Durchsätze im Multigigabit-Bereich zu erreichen.

Blockierungen durch menschliche Aktivitäten und Baustrukturen

Städtische Umgebungen führen drei Hauptstörfaktoren für die Sichtverbindung ein:

• Statische Hindernisse : Betonwände reduzieren mmWave-Signale um 40–60 dB, während Glas die Übertragung um 15–25 dB abschwächt
• Mobile Hindernisse : Ein einzelner Passant kann einen Signalverlust von 20–35 dB verursachen; Fahrzeugverkehr erzeugt intermittierende Ausfälle, die 0,8–3,2 Sekunden andauern
• Umweltdynamik : Saisonal bedingte Veränderungen der Vegetation beeinflussen die Laubdämpfung um 12–18 dB

Diese Effekte verstärken sich in dicht besiedelten Städten, wo die durchschnittliche Verfügbarkeit der Sichtverbindung (LOS) ohne Beamforming-Maßnahmen auf 54–72 % sinkt.

Beamforming-Lösungen für NLOS-Szenarien

Phased-Array-Antennen ermöglichen eine Strahlansteuerung mit bis zu 27 dBm äquivalenter isotroper Sendeleistung (EIRP), um Hindernisse zu umgehen. Moderne Systeme erreichen:

• 1024-Element-Antennencluster für eine Strahlbreitenpräzision von 1,2°
• Sub-3-ms-Strahlnachführung unter Verwendung von KI-gestützter RF-Pfadvorhersage
• 78 % NLOS-Zuverlässigkeit (Non-Line-of-Sight) durch Wandreflexionen

Eine Studie zur UAV-Kommunikationsinfrastruktur aus dem Jahr 2024 zeigte, wie adaptives Beamforming die Ausfallwahrscheinlichkeit in städtischen Gebieten um 63 % reduziert im Vergleich zu festen Sektorenantennen. Dieser Ansatz kombiniert Echtzeit-Lidar-Mapping mit dynamischem Frequenzteilung, um die Dienstqualität während Unterbrechungen aufrechtzuerhalten.

Kanalmodellierungsverfahren für Millimeterwellen-Kommunikation

dreidimensionale räumliche Ausbreitungsmechanismen

Hochaufgelöste 3D-Raummodelle sind für Millimeterwellen-(mmWave-)Kommunikationssysteme erforderlich, um die Signalinteraktionen mit städtischen Elementen in beiden Ebenen – Elevation und Azimut – zu verstehen. Im Gegensatz zu klassischen 2D-Modellen verwenden sie statistische Modellierungstechniken, um die Wahrscheinlichkeit von Line-of-Sight (LOS) nachzuahmen, einschließlich Gebäudemaßen und zeitlich variierenden Hindernissen, z. B. mit dem erweiterten Saleh-Valenzuela-Modell. Wir zeigen, dass diese Modelle eine Schwankung des Beugungsverlustes von 12–18 dB für verschiedene Strukturgeometrien vorhersagen.

Mehrwege-Fading- und Reflexionsanalyse

Die kurzen Wellenlängen von mmWave erzeugen spärliche Mehrwegecluster, wobei Reflexionen im Vergleich zu Sub-6-GHz-Signalen eine Dämpfung von 6–9 dB aufweisen. Studien in Innenräumen zeigen, dass nur 20–30 % der gestreuten Energie zu verwertbaren Mehrwegeverbindungen beiträgt, was überarbeitete statistische Modelle erfordert, die dominante Reflexionspfade gegenüber diffuser Streuung priorisieren.

Industrie-Paradoxon: Handel zwischen hohem Durchsatz und begrenzter Reichweite

Während mmWave-Bänder Bandbreiten von 400–800 MHz bieten, ist der Freiraumdämpfung bei 28 GHz um 29 dB höher als bei 3 GHz. Dies zwingt Netzbetreiber, in städtischen Zentren kleine Zellen im Abstand von 150–200 Metern zu installieren – viermal dichter als bei mikrowellenbasierten Systemen –, um eine Durchsatzrate von mehreren Gigabit pro Sekunde aufrechtzuerhalten.

Fallstudie zur realen städtischen Bereitstellung

Ein Test mit 26-GHz-Frequenzen im Madrider U-Bahn-System erreichte durch den Einsatz von Beamforming kombiniert mit Echtzeit-Blockadevorhersage 94 % Zuverlässigkeit in überfüllten Bahnhöfen. Allerdings verursachte die Bewegung von Passanten RSS-Schwankungen von 3–5 dB und unterstrich damit den Bedarf für KI-gesteuerte Kanalanpassungen in öffentlichen Bereichen.

Strategisch Basisstation Planung von Kommunikationsnetzen

Standortauswahl zur Reduzierung von Signalstörungen

Durch die optimale Platzierung der Basisstationen wird das Interferenzniveau in Millimeterwellennetzen minimiert, bei denen Signale aufgrund von Hindernissen sehr schnell gedämpft werden. Die Bereitstellung in städtischen Umgebungen erfordert eine optimale Platzierung, um Probleme durch Umweltverschattung und Signalüberlappung zu lösen. Mit komplexen Ausbreitungsmodellen können Systemplaner gezielt Bereiche identifizieren, die Störungen zwischen Kanälen minimieren und die Abdeckungsdichte maximieren. Es zeigt sich, dass die berücksichtigung des Geländes bei der Standortauswahl die Anzahl der Totzonen um 45 % reduzieren und den durchschnittlichen Durchmesser dieser Zonen um 24 % verringern kann im Vergleich zu gleichmäßiger Verteilung. Entscheidende Faktoren sind dabei die Bebauungsdichte, Höhenunterschiede sowie die Einordnung bestehender Infrastruktur, um Störungen ohne zusätzliche Hardware-Investitionen zu unterdrücken.

Zukunftstrends: Hybride RF-Millimeterwellen-Architekturen

Dual-Band-Architekturen, die mmWave-Technologie mit Sub-6-GHz-Bändern integrieren, erweisen sich als praktikable Kandidaten für zukünftige Netzwerke. Diese hybride Architektur kombiniert mmWave-Massive-MIMO für hohe Durchsätze in dicht bebauten städtischen Zentren mit RF-Frequenzen für eine breitere Abdeckung in Vororten und ländlichen Gebieten. Intelligente Umschaltprotokolle weisen Benutzer dynamisch den Bändern zu, basierend auf Mobilität und Dienstprofilen. Das System reduziert die Deploymentsdichte um 60 % im Vergleich zu einem reinen mmWave-Netzwerk und gewährleistet den erforderlichen QoS bei Handover-Vorgängen. Diese kombinierte Lösung erweist sich zudem als vielversprechend für industrielle IoT-Anwendungen, bei denen eine kontinuierliche Konnektivität über verschiedene Geländebedingungen hinweg entscheidend ist.