Características de propagación de las ondas milimétricas y su impacto en las comunicaciones

Fundamentos de la propagación en comunicaciones de ondas milimétricas

Onda milimétrica la comunicación en banda de ondas milimétricas (mmWave) en frecuencias de 30-300 GHz es un factor clave en sistemas 5G con altas demandas de velocidad de datos. El uso de canales de banda ancha (~1 GHz) permite a estos sistemas ofrecer velocidades de varios gigabits por segundo para satisfacer los crecientes requisitos de aplicaciones de baja latencia como la realidad aumentada y los vehículos autónomos. Un informe de Nature en 2023 mostró resultados de mmWave alcanzando 10 Gbps a una distancia de 1 km usando antenas direccionales, aunque sus características de propagación difieren considerablemente de las de microondas en frecuencias más bajas.

La pérdida de trayectoria en el espacio libre es proporcional al cuadrado de la frecuencia en el espacio libre, lo que conduce a pérdidas de trayectoria 20–30 dB más altas en comparación con las bandas sub-6 GHz. Los problemas ambientales externos agravan estos inconvenientes: la lluvia puede inducir una atenuación de 5-15 dB/km a 60 GHz, mientras que materiales de construcción como el hormigón provocan pérdidas por penetración de 40-60 dB. La atenuación debida al follaje normalmente resulta en una pérdida de señal de 10-20 dB, requiriendo soluciones ingenieriles innovadoras para lograr la misma confiabilidad que en una zona despejada.

Las prácticas avanzadas de formación de haces con antenas de array de fase superan las limitaciones de propagación al establecer canales de transmisión dirigidos. Estos haces direccionales permiten la reutilización de la frecuencia en el espacio y la reducción de interferencias, un beneficio clave en despliegues urbanos congestionados. Las arquitecturas más recientes aprovechan estructuras híbridas de modulación multicarrier ortogonal (OMM) y MIMO masivo, logrando redes inteligentes que explotan la riqueza en frecuencia de las bandas mmWave y la robustez de los sistemas de microondas para obtener el máximo rendimiento en tiempo real.

Impacto Ambiental en Señales de Comunicación MmWave

Los sistemas de comunicación en onda milimétrica (mmWave) enfrentan desafíos ambientales únicos que afectan drásticamente la integridad de la señal en diversos escenarios operativos.

Mecanismos de Atenuación de Señal Inducidos por Condiciones Climáticas

La lluvia induce una atenuación de hasta 20 dB/km a frecuencias de 60 GHz, con la nieve y la niebla causando efectos adicionales de dispersión que alteran la coherencia de fase. Estos fenómenos meteorológicos afectan desproporcionadamente a los enlaces mmWave en comparación con sistemas de menor frecuencia debido a que las longitudes de onda más cortas son más sensibles a la interferencia por partículas.

Efectos de pérdida por vegetación y penetración de edificios

Mediciones en campo revelan que un solo árbol puede atenuar señales mmWave en 35 dB, con follaje denso bloqueando el 98 % de la potencia de señal. Materiales de construcción como el vidrio coloreado presentan una pérdida de transmisión de 40 dB a 28 GHz, tres veces mayor que en frecuencias microondas, requiriendo planificación estratégica de red para superar obstáculos estructurales.

Desvanecimiento por lluvia y desafíos de absorción atmosférica

Los picos de absorción de oxígeno a 60 GHz generan pérdidas atmosféricas de 15 dB/km, con atenuación por lluvia tropical que supera los 30 dB/km en condiciones severas. Estos efectos combinados reducen los rangos prácticos de despliegue, lo que exige cálculos adaptativos de margen de atenuación y protocolos de ajuste dinámico de potencia.

Modelado de Pérdidas de Trayectoria en Comunicaciones de Onda Milimétrica

Modelos de Propagación en Espacio Libre vs. Urbano

La propagación de ondas milimétricas (mmWave) posee propiedades únicas según el entorno. La pérdida de trayectoria en espacio libre (FSPL) puede expresarse mediante el inverso del cuadrado de la distancia de transmisión, \(\frac{1}{R^2}\). Sin embargo, en áreas urbanas, el canal introduce interacciones más complejas, donde los exponentes de pérdida de trayectoria están en el rango de 2,5–4,5 (LOS) y 4,7–9,2 (no-LOS). La pérdida en las hojas a 28 GHz es de 6–8 dB/m, y las paredes de hormigón producen una pérdida de 40–60 dB. El alcance urbano de las ondas milimétricas sin formación de haz se ve reducido a 150–200 metros debido a estos obstáculos, en comparación con el alcance teórico en espacio libre de 1–2 km. Las matrices adaptativas de antenas pueden recuperar parcialmente esta pérdida dirigiendo la potencia hacia una trayectoria en la que exista una señal viable, pero el alcance real de las implementaciones depende finalmente de la densidad de obstáculos.

Características de atenuación dependientes de la frecuencia

Las picas de absorción atmosférica en 24 GHz (debido al vapor de agua) y en 60 GHz (debido al oxígeno) provocan una pérdida adicional de 0.2–15 dB/km en los sistemas de ondas milimétricas. La atenuación por lluvia produce una reducción de 2–8 dB/km entre 30–40 GHz en condiciones de lluvia moderada. Vale la pena destacar que las señales de 73 GHz presentan una pérdida en espacio libre 1.8 veces mayor respecto a las de 24 GHz a las mismas distancias, lo cual es causado por la dependencia \(f^2\) en las ecuaciones de pérdida en espacio libre (FSPL). Esto conduce a un compromiso crucial: si bien las frecuencias más altas permiten anchos de banda mayores (canales de 2 GHz), también exigen despliegues de estaciones base 4 veces más densos que en el rango inferior a 100 GHz. Actualmente, estos límites se han suavizado gracias a materiales avanzados, como dieléctricos de baja pérdida y antenas de superficies metálicas, que permiten bandas con eficiencia del 90 % en enlaces troncales 5G a frecuencias de la banda E.

Requisitos de Línea de Vista para una Comunicación Confiable

Onda milimétrica los sistemas de comunicación (mmW) requieren un alineamiento perfecto entre los transmisores y los receptores debido a su funcionamiento de alta frecuencia (24-100 GHz). Mientras que las señales de baja frecuencia pueden difractarse alrededor de obstáculos, hasta el 60-90% de la energía de las ondas milimétricas se absorbe por los obstáculos (ITU 2023). Esta limitación hace que la línea de visión (LOS) sin obstrucciones sea una condición esencial para lograr un rendimiento de múltiples gigabits por segundo en escenarios 5G/6G.

Efectos de bloqueo causados por la actividad humana y las estructuras

Los entornos urbanos presentan tres disruptores principales de la línea de visión (LOS):

• Obstrucciones estáticas : Las paredes de hormigón reducen las señales mmWave en 40-60 dB, mientras que el vidrio atenúa la transmisión en 15-25 dB
• Obstáculos móviles : Un solo peatón puede provocar una pérdida de señal de 20-35 dB, y el tráfico vehicular crea interrupciones intermitentes que duran entre 0.8 y 3.2 segundos
• Dinámicas ambientales : Los cambios estacionales en la vegetación alteran la atenuación debida al follaje en 12-18 dB

Estos efectos se acentúan en ciudades densamente pobladas, donde la disponibilidad promedio de LOS disminuye al 54-72% sin intervenciones de formación de haces.

Soluciones de formación de haces para escenarios sin visión directa

Las antenas de matriz de fase permiten una potencia radiada isotrópicamente equivalente (EIRP) de 27 dBm mediante orientación de haces para evitar obstáculos. Los sistemas modernos logran:

• agrupamientos de antenas de 1024 elementos para una precisión de 1,2° en el ancho del haz
• Reasignación de haces en menos de 3 ms utilizando predicción de rutas RF impulsada por inteligencia artificial
• confiabilidad del 78% en condiciones NLOS (No-Line-of-Sight) a través de reflexiones en paredes

Un estudio de infraestructura de comunicaciones para UAV realizado en 2024 demostró cómo la formación adaptativa de haces reduce la probabilidad de interrupciones urbanas en un 63% en comparación con antenas de sector fijas. Este enfoque combina mapeo LiDAR en tiempo real con compartición dinámica del espectro para mantener la calidad del servicio durante eventos de bloqueo.

Técnicas de modelado de canales para comunicaciones en banda mmWave

mecanismos tridimensionales de propagación espacial

Los modelos espaciales 3D con alta resolución son necesarios para que los sistemas de comunicación en ondas milimétricas (mmWave) comprendan las interacciones de la señal con los elementos urbanos en ambos planos, elevación y azimut. A diferencia de los modelos clásicos 2D, utilizan técnicas de modelado estadístico para emular la probabilidad de línea de vista (LOS), incluyendo tamaños de edificios y obstáculos variables en el tiempo, por ejemplo, con el modelo extendido de Saleh-Valenzuela. Demostramos que estos modelos predicen una variación en la pérdida por difracción de 12–18 dB para distintas geometrías estructurales.

Análisis de Fading Multitrayecto y Reflexión

Las cortas longitudes de onda de mmWave crean grupos multitrayecto escasos, cuyas reflexiones presentan una atenuación de 6–9 dB en comparación con señales sub-6 GHz. Estudios en interiores demuestran que solo el 20–30% de la energía dispersa contribuye a enlaces multitrayecto viables, lo que exige modelos estadísticos revisados que prioricen trayectorias de reflexión dominantes sobre dispersión difusa.

Paradoja Industrial: Ancho de Banda Alto vs. Limitaciones de Alcance

Aunque las bandas de ondas milimétricas ofrecen anchos de banda de canal de 400-800 MHz, sus pérdidas en el espacio libre a 28 GHz son 29 dB más altas que a 3 GHz. Esto obliga a las redes a desplegar celdas pequeñas cada 150-200 metros en núcleos urbanos, lo que representa una densidad 4 veces mayor que en los sistemas basados en microondas, para mantener un caudal de gigabit.

Estudio de caso de despliegue urbano en el mundo real

Un ensayo realizado en el metro de Madrid utilizando frecuencias de 26 GHz logró una fiabilidad del 94% en estaciones concurridas combinando formación de haces con predicción en tiempo real de bloqueos. Sin embargo, el movimiento de peatones causó fluctuaciones de RSS de 3-5 dB, destacando la necesidad de adaptación del canal impulsada por inteligencia artificial en espacios públicos.

Estratégico Estación base Planificación de redes de comunicación

Selección de ubicaciones para mitigar la interferencia de señal

Al colocar óptimamente las estaciones base, se minimiza el nivel de interferencia en redes mm-wave, donde las señales se atenúan muy rápidamente debido a obstáculos. La implementación en entornos urbanos requiere una colocación óptima para resolver problemas de bloqueo ambiental y solapamiento de señales. Con modelos complejos de propagación, los planificadores del sistema pueden identificar áreas que minimizan la interferencia entre canales y maximizan la densidad de cobertura. Hemos encontrado que la selección consciente del terreno para ubicaciones puede reducir el número de zonas muertas en un 45% y el diámetro promedio en un 24% en comparación con un espaciado uniforme. Los factores clave son la densidad de edificios y la diferencia de elevación, así como el mapeo de infraestructura existente para permitir la supresión de interferencias sin inversión adicional en hardware.

Tendencias Futuras: Arquitecturas Híbridas RF-MmWave

Las arquitecturas de doble banda que integran tecnología mmWave con bandas sub-6 GHz se presentan como candidatas viables para redes futuras. Esta arquitectura híbrida combina mmWave massive MIMO para núcleos urbanos densos de alto rendimiento con frecuencias RF para una cobertura más amplia en zonas suburbanas/rurales. Protocolos inteligentes de conmutación asignan usuarios dinámicamente entre las bandas según sus perfiles de movilidad y servicio. El sistema reduce la densidad de despliegue en un 60% en comparación con una red exclusiva de mmWave y mantiene la calidad de servicio requerida durante las transferencias (handover). Esta solución combinada también demuestra ser prometedora para aplicaciones industriales IoT donde la conectividad continua sobre distintos terrenos es esencial.