Χαρακτηριστικά Διάδοσης των Κυμάτων Χιλιοστομέτρου και Οι Επιπτώσεις Τους στις Επικοινωνίες

Βασικά της Διάδοσης Επικοινωνιών Μιλλιμετρικών Κυμάτων

Χιλιοστομετρικό κύμα (mmWave) επικοινωνίες στις ζώνες συχνοτήτων 30-300 GHz είναι βασικός παράγοντας για τα συστήματα 5G που απαιτούν υψηλή ταχύτητα δεδομένων. Η χρήση ευρέων ζωνών (περίπου 1 GHz) επιτρέπει σε αυτές τις προσεγγίσεις να παρέχουν πολλαπλές γιγαμπιτ ποσότητες για να καλύπτουν τις αυξανόμενες απαιτήσεις εφαρμογών με χαμηλή καθυστέρηση, όπως η επαυξημένη πραγματικότητα και τα αυτόνομα οχήματα. Μια έκθεση του περιοδικού Nature το 2023 έδειξε mmWave στα 10 Gbps σε απόσταση 1 χλμ με τη χρήση κατευθυντικών κεραιών, αν και τα χαρακτηριστικά διάδοσης διαφέρουν σημαντικά από εκείνα των μικροκυμάτων σε χαμηλότερες συχνότητες.

Οι απώλειες διαδρομής στον ελεύθερο χώρο είναι ανάλογες του τετραγώνου της συχνότητας στον ελεύθερο χώρο, με αποτέλεσμα οι απώλειες διαδρομής να είναι 20–30 dB υψηλότερες σε σχέση με τις ζώνες sub-6 GHz. Τα προβλήματα του εξωτερικού περιβάλλοντος επιδεινώνουν αυτά τα προβλήματα — η βροχόπτωση μπορεί να προκαλέσει απόσβεση 5-15 dB/km στα 60 GHz, ενώ δομικά υλικά, όπως το σκυρόδεμα, οδηγούν σε απώλειες διείσδυσης 40-60 dB. Η απόσβεση από τη βλάστηση έχει συνήθως ως αποτέλεσμα απώλεια σήματος 10-20 dB και καινοτόμες μηχανικές λύσεις είναι απαραίτητες για να επιτευχθεί η ίδια αξιοπιστία όπως σε έναν ελεύθερο χώρο.

Προηγμένες τεχνικές beamforming με χρήση κεραιών στοιχείων με φασική σάρωση ξεπερνούν τους περιορισμούς διάδοσης, δημιουργώντας κατευθυνόμενα κανάλια μετάδοσης. Αυτές οι δέσμες επιτρέπουν την επαναχρησιμοποίηση της συχνότητας στον χώρο και την μείωση των παρεμβολών — ένα βασικό πλεονέκτημα σε πυκνοκατοικημένες αστικές περιοχές. Οι πιο πρόσφατες αρχιτεκτονικές χρησιμοποιούν υβριδικές δομές ορθογώνιας πολυφασματικής διαμόρφωσης (OMM) και massive MIMO, δημιουργώντας έξυπνα δίκτυα, τα οποία αξιοποιούν την ευρεία χρήση συχνοτήτων των mmWave ζωνών και την ανθεκτικότητα των μικροκυματικών συστημάτων για να επιτύχουν μέγιστη ροή δεδομένων σε πραγματικό χρόνο.

Επίδραση του Περιβάλλοντος στα Σήματα Επικοινωνίας στις Μικρομετρικές Κυματομορφές

Τα συστήματα επικοινωνίας στις μικρομετρικές κυματομορφές (mmWave) αντιμετωπίζουν μοναδικές περιβαλλοντικές προκλήσεις που επηρεάζουν σημαντικά την ακεραιότητα του σήματος σε διαφορετικά λειτουργικά σενάρια.

Μηχανισμοί Εξασθένησης Σήματος λόγω Καιρικών Συνθηκών

Η βροχή προκαλεί εξασθένιση έως 20 dB/km στις συχνότητες των 60 GHz, με τη χιόνι και την ομίχλη να δημιουργούν επιπλέον επιδράσεις σκέδασης που διαταράσσουν τη φασική συνοχή. Αυτά τα καιρικά φαινόμενα επηρεάζουν σε μεγαλύτερο βαθμό τις συνδέσεις mmWave σε σχέση με συστήματα χαμηλότερων συχνοτήτων, λόγω της ευαισθησίας των μικρότερων μηκών κύματος σε παρεμβολές από σωματίδια.

Επιπτώσεις Απώλειας από Χλωρίδα και Διέλευση μέσα από Κτίρια

Μετρήσεις στο πεδίο δείχνουν ότι ένα μόνο δέντρο μπορεί να εξασθενεί τα σήματα mmWave κατά 35 dB, με πυκνή βλάστηση να μπλοκάρει το 98% της ισχύος του σήματος. Υλικά κτιρίων, όπως το χρωματιστό γυαλί, παρουσιάζουν απώλεια μετάδοσης 40 dB στα 28 GHz – τρεις φορές υψηλότερη από ό,τι στις μικροκυματικές συχνότητες – γεγονός που απαιτεί στρατηγικό σχεδιασμό δικτύου για να ξεπεραστούν οι δομικές εμποδίσεις.

Προκλήσεις από Εξασθένιση λόγω Βροχής και Ατμοσφαιρική Απορρόφηση

Οι κορυφές απορρόφησης οξυγόνου στα 60 GHz δημιουργούν απώλειες στην ατμόσφαιρα που φτάνουν τα 15 dB/km, με εξασθένιση από βροχή σε τροπικές περιοχές πάνω από 30 dB/km σε σοβαρές συνθήκες. Αυτές οι επιδράσεις συνδυάζονται μειώνοντας τις πρακτικές αποστάσεις εγκατάστασης, γεγονός που επιβάλλει τη χρήση προσαρμοστικών υπολογισμών περιθωρίου εξασθένισης και πρωτοκόλλων δυναμικής ρύθμισης ισχύος.

Μοντελοποίηση Απωλειών Διαδρομής στις Επικοινωνίες Χιλιοστομετρικού Κύματος

Ελεύθερος Χώρος έναντι Αστικών Μοντέλων Διάδοσης

Η διάδοση μέσω χιλιοστομετρικών κυμάτων (mmWave) διαθέτει μοναδικές ιδιότητες ανάλογα με το περιβάλλον. Τα φαινόμενα απώλειας ελεύθερου διαδροματικού μονοπατιού (FSPL) μπορούν να εκφραστούν μέσω του αντίστροφου τετραγώνου της απόστασης μετάδοσης, \(\frac{1}{R^2}\). Ωστόσο, σε αστικές περιοχές, ο κανάλι παρουσιάζει πιο πολύπλοκες αλληλεπιδράσεις, με αποτέλεσμα οι εκθέτες απωλειών να κυμαίνονται μεταξύ 2,5–4,5 (LOS) και 4,7–9,2 (non-LOS). Οι απώλειες από φύλλα στα 28 GHz είναι 6–8 dB/m, ενώ οι τοίχοι από σκυρόδεμα προκαλούν απώλειες 40–60 dB. Το εύρος των αστικών mmWave χωρίς beamforming μειώνεται στα 150–200 μέτρα λόγω αυτών των εμποδίων, σε σχέση με το θεωρητικό εύρος ελεύθερου χώρου του 1–2 χλμ. Οι προσαρμοστικές κεραίες μπορούν μερικώς να ανακτήσουν αυτές τις απώλειες προσανατολίζοντας την ισχύ προς τις διαδρομές όπου υπάρχει επαρκές σήμα, ωστόσο το πραγματικό εύρος εξαρτάται τελικά από την πυκνότητα των εμποδίων.

Συχνοτικά Εξαρτώμενα Χαρακτηριστικά Εξασθένισης

Η ατμοσφαιρική απορρόφηση φτάνει στο ακροατόριο στα 24 GHz (λόγω των υδρατμών) και στα 60 GHz (λόγω του οξυγόνου) προκαλεί επιπλέον απώλειες 0,2–15 dB/km στα συστήματα mmWave. Η εξασθένηση λόγω βροχής προκαλεί απόσβεση 2–8 dB/km μεταξύ 30–40 GHz σε μέτρια βροχή. Αξίζει να σημειωθεί ότι τα σήματα των 73 GHz υποφέρουν από 1,8× μεγαλύτερη απώλεια ελεύθερου χώρου σε σχέση με τα 24 GHz για τις ίδιες αποστάσεις, κάτι που οφείλεται στην εξάρτηση \(f^2\) στις εξισώσεις FSPL. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ένα σημαντικό επαγγελματικό επαγγελματικό επαγγελματικό επαγγελματικό επαγγελματικό επαγγελματικό - Ενώ οι υψηλότερες συχνότητες επιτρέπουν ευρύτερες ζώνες (κανάλια των 2 GHz), απαιτούν επίσης εγκαταστάσεις βασικών σταθμών που είναι 4 φορές πυκνότερες από αυτές στην περιοχή κάτω των 100 GHz. Σήμερα, τα περιορισμένα υλικά, όπως τα διηλεκτρικά χαμηλών απωλειών και οι κεραίες metasurface, επιτρέπουν ζώνες 90% απόδοσης στις ραδιοζεύξεις backhaul 5G στις συχνότητες E-band.

Απαιτήσεις Οπτικής Επαφής για Αξιόπιστη Επικοινωνία

Χιλιοστομετρικό κύμα (mmW) τα συστήματα επικοινωνίας απαιτούν τέλεια ευθυγράμμιση μεταξύ των πομπών και δεκτών λόγω της λειτουργίας τους σε υψηλές συχνότητες (24–100 GHz). Ενώ τα σήματα χαμηλής συχνότητας μπορούν να περιθλώνται γύρω από εμπόδια, το 60-90% της ενέργειας από το mmWave απορροφάται από τα εμπόδια (ITU 2023). Ο περιορισμός αυτός καθιστά την άκωλη οπτική επαφή (LOS) απαραίτητη προϋπόθεση για την επίτευξη πολυγιγκαμπίτ ρυθμού μεταφοράς σε σενάρια 5G/6G.

Επιδράσεις Αποκλεισμού από Ανθρώπινη Δραστηριότητα και Κατασκευές

Οι αστικές περιοχές εισάγουν τρεις βασικούς παράγοντες διακοπής της οπτικής επαφής (LOS):

• Στατικές παρεμποδίσεις : Οι σκυρόδεμα τοίχοι μειώνουν τα σήματα mmWave κατά 40–60 dB, ενώ το γυαλί απορροφά τη μετάδοση κατά 15–25 dB
• Κινητά εμπόδια : Ένας μόνο πεζός μπορεί να προκαλέσει απώλεια σήματος 20–35 dB, με την κυκλοφορία οχημάτων να δημιουργεί διαλείπουσες διακοπές που διαρκούν 0,8–3,2 δευτερόλεπτα
• Δυναμικές περιβάλλοντος : Οι εποχιακές αλλαγές στη βλάστηση μεταβάλλουν την απόσβεση φυλλώματος κατά 12–18 dB

Αυτά τα αποτελέσματα ενισχύονται στις πυκνές πόλεις, όπου η διαθεσιμότητα LOS μειώνεται στο 54–72% χωρίς παρεμβάσεις beamforming.

Λύσεις Beamforming για Σενάρια NLOS

Οι κεραίες phased array επιτρέπουν εξαγωγή ισχύος (EIRP) 27 dBm με ακριβείς προσανατολισμούς δέσμης για να παρακάμπτονται τα εμπόδια. Τα σύγχρονα συστήματα επιτυγχάνουν:

• συμπλέγματα κεραιών 1024 στοιχείων για ακρίβεια 1,2° στο εύρος δέσμης
• Επαναστοχευμένη δέσμη σε υπο-3ms χρησιμοποιώντας πρόβλεψη RF διαδρομής με βάση την τεχνητή νοημοσύνη
• αξιοπιστία NLOS (Non-Line-of-Sight) 78% μέσω ανακλάσεων στους τοίχους

Μια μελέτη του 2024 για υποδομή επικοινωνιών UAV έδειξε πώς το προσαρμοστικό beamforming μειώνει την πιθανότητα διακοπής στις πόλεις κατά 63% σε σχέση με τις κεραίες σταθερών τομέων. Αυτή η προσέγγιση συνδυάζει χαρτογράφηση lidar σε πραγματικό χρόνο με δυναμική διαμοιρασμό της φασματικής ζώνης για να διατηρείται η ποιότητα υπηρεσίας (QoS) κατά τη διάρκεια γεγονότων αποκλεισμού.

Τεχνικές Μοντελοποίησης Καναλιών για Επικοινωνίες MmWave

μηχανισμοί Τρισδιάστατης Χωρικής Διάδοσης

Πολύ λεπτομερείς 3D χωρικά μοντέλα είναι απαραίτητα για τα συστήματα επικοινωνίας mmWave, ώστε να κατανοηθούν οι αλληλεπιδράσεις των σημάτων με αστικά στοιχεία και στα δύο επίπεδα, ύψους και αζιμούθιου. Σε αντίθεση με τα κλασικά 2D μοντέλα, χρησιμοποιούν στατιστικές τεχνικές μοντελοποίησης για να προσομοιώσουν την πιθανότητα οπτικής επαφής (LOS), συμπεριλαμβανομένων των διαστάσεων των κτιρίων και των εμποδίων που μεταβάλλονται με τον χρόνο, π.χ. με το επεκταμένο μοντέλο Saleh-Valenzuela. Δείχνουμε ότι αυτά τα μοντέλα προβλέπουν μια ποικιλία απωλειών διάθλασης 12–18 dB για διαφορετικές γεωμετρίες δομών.

Ανάλυση Πολυδιόδου Απόσβεσης και Ανακλάσεων

Τα σύντομα μήκη κύματος των mmWave δημιουργούν αραιούς συμπλέγματα πολυδιόδου, με τις ανακλάσεις να υφίστανται εξασθένηση 6-9 dB σε σχέση με τα σήματα sub-6 GHz. Μελέτες σε εσωτερικούς χώρους δείχνουν ότι μόνο το 20-30% της διάχυτης ενέργειας συμβάλλει σε βιώσιμους πολυδιόδους συνδέσμους, γεγονός που καθιστά αναγκαία την επανεξέταση στατιστικών μοντέλων που να προτιμούν κυρίαρχες διαδρομές ανάκλασης αντί για διάχυτη σκέδαση.

Βιομηχανικός Παράδοξος: Εμπορικές Συναλλαγές Υψηλής Ταχύτητας Ζώνης έναντι Περιορισμένης Εμβέλειας

Ενώ οι ζώνες mmWave παρέχουν εύρη ζώνης 400-800 MHz, οι απώλειες στην ελεύθερη διάδοση στα 28 GHz είναι 29 dB υψηλότερες από ό,τι στα 3 GHz. Αυτό αναγκάζει τα δίκτυα να εγκαταστήσουν μικροκυψέλες σε αποστάσεις 150-200 μέτρων στα αστικά κέντρα — 4× πιο πυκνά από τα συστήματα που βασίζονται σε μικροκύματα — για να διατηρηθεί η χωρητικότητα του gigabit.

Μελέτη Περίπτωσης Αστικής Εφαρμογής στην Πράξη

Ένα πιλοτικό πρόγραμμα στο μετρό της Μαδρίτης που χρησιμοποιούσε συχνότητες 26 GHz επέτυχε αξιοπιστία 94% σε πολυσύχναστους σταθμούς, συνδυάζοντας beamforming με πρόβλεψη εμποδίων σε πραγματικό χρόνο. Ωστόσο, η κίνηση των πεζών προκάλεσε διακυμάνσεις RSS 3-5 dB, τονίζοντας την ανάγκη για προσαρμογή του καναλιού με χρήση AI σε δημόσιους χώρους.

Στρατηγική Κέντρο Επιστήμης Σχεδιασμός Δικτύων Επικοινωνίας

Επιλογή Τοποθεσίας για Ελαχιστοποίηση Παρεμβολών Σήματος

Με τη βέλτιστη τοποθέτηση των βασικών σταθμών, ελαχιστοποιείται η στάθμη των παρεμβολών στα δίκτυα mm-wave, καθώς τα σήματα εξασθενούν πολύ γρήγορα λόγω εμποδίων. Η εγκατάσταση σε αστικό περιβάλλον απαιτεί βέλτιστη τοποθέτηση για να αντιμετωπιστούν τα προβλήματα περιβαλλοντικής αποκλειστικότητας και επικάλυψης του σήματος. Με σύνθετη μοντελοποίηση διάδοσης, οι σχεδιαστές συστημάτων μπορούν να εντοπίσουν περιοχές που ελαχιστοποιούν τις παρεμβολές μεταξύ των καναλιών και μεγιστοποιούν την πυκνότητα κάλυψης. Διαπιστώνουμε ότι η επιλογή θέσεων με λήψη υπόψη του αναγλύφου μπορεί να μειώσει τον αριθμό των νεκρών ζωνών κατά 45% και τη μέση διάμετρο κατά 24% σε σχέση με ομοιόμορφη διασπορά. Βασικοί παράγοντες είναι η πυκνότητα των κτιρίων και η διαφορά υψομέτρου, καθώς και η αποτύπωση της υπάρχουσας υποδομής, ώστε να επιτραπεί η καταπολέμηση των παρεμβολών χωρίς πρόσθετες επενδύσεις σε υλικό.

Μελλοντικές Τάσεις: Υβριδικές Αρχιτεκτονικές RF-MmWave

Οι διπλές αρχιτεκτονικές που ενσωματώνουν τεχνολογία mmWave με ζώνες sub-6 GHz αποδεικνύονται ως λειτουργικές επιλογές για μελλοντικά δίκτυα. Αυτή η υβριδική αρχιτεκτονική συνδυάζει το mmWave massive MIMO για υψηλή χωρητικότητα σε πυκνά αστικά κέντρα με RF συχνότητες για ευρύτερη κάλυψη σε προαστιακές/αγροτικές περιοχές. Έξυπνα πρωτόκολλα εναλλαγής κατανέμουν τους χρήστες δυναμικά στις ζώνες, βάσει της κινητικότητας και των προφίλ υπηρεσιών. Το σύστημα μειώνει την πυκνότητα εγκατάστασης κατά 60% σε σχέση με δίκτυο που χρησιμοποιεί μόνο mmWave και διασφαλίζει την απαιτούμενη ποιότητα υπηρεσίας (QoS) κατά τη διάρκεια της εναλλαγής. Η συνδυασμένη λύση φαίνεται επίσης υποσχόμενη για βιομηχανικές εφαρμογές IoT, όπου η συνεχής σύνδεση σε διαφορετικά εδάφη είναι απαραίτητη.