مشخصه‌های انتشار امواج میلی‌متری و تأثیر آن‌ها بر ارتباطات

اصول انتشار ارتباطات امواج میلی‌متری

موج میلی‌متری ارتباطات (mmWave) در نوار فرکانسی 30-300 گیگاهرتز یکی از عوامل کلیدی در سیستم‌های 5G با نیاز بالا به نرخ داده محسوب می‌شود. استفاده از کانال‌های پهن (حدود 1 گیگاهرتز)، این روش‌ها را قادر می‌سازد تا سرعت‌های چند گیگابیتی را برای پاسخگویی به نیازهای رو به رشد کاربردهای کم-تاخیر مانند واقعیت افزوده و خودروهای خودمختار فراهم کنند. گزارشی از نشریه‌ی Nature در سال 2023 نشان داد که mmWave می‌تواند در فاصله‌ی 1 کیلومتری و با استفاده از آنتن‌های جهت‌دار به سرعت 10 گیگابیت بر ثانیه دست یابد، هرچند ویژگی‌های انتشار آن تا حد زیادی با امواج مایکروویو در فرکانس‌های پایین‌تر متفاوت است.

اتلاف مسیر فضای آزاد با مجذور فرکانس در فضای آزاد نسبیت دارد و منجر به افزایش ۲۰ تا ۳۰ دسی‌بلی در مقایسه با باندهای زیر ۶ گیگاهرتز می‌شود. مشکلات محیطی خارجی نیز این مسائل را تشدید می‌کنند؛ بارش باران می‌تواند سبب تضعیفی به میزان ۵ تا ۱۵ دسی‌بل بر کیلومتر در ۶۰ گیگاهرتز شود، در حالی که مواد ساختمانی مانند بتن منجر به اتلاف نفوذی ۴۰ تا ۶۰ دسی‌بلی می‌شوند. تضعیف ناشی از پوشش گیاهی معمولاً سبب اتلاف سیگنالی به میزان ۱۰ تا ۲۰ دسی‌بل می‌شود و راهکارهای مهندسی نوآورانه‌ای برای دستیابی به قابلیت اطمینانی یکسان با مناطق بدون مانع لازم است.

روش‌های پیشرفتهٔ فورمینگ بیم با استفاده از آنتن‌های آرایه‌ای فازی، محدودیت‌های انتشار را با ایجاد کانال‌های انتقال جهت‌دار غلبه می‌کنند. این بیم‌های جهت‌دار اجازه می‌دهند که فرکانس در فضا مجدداً استفاده شود و تداخل کاهش یابد — یک مزیت کلیدی در محیط‌های شهری متراکم. آخرین معماری‌ها از ساختارهای ترکیبی مدولاسیون چندحامل متعامد (OMM) و MIMO با تعداد زیاد آنتن بهره می‌برند و شبکه‌های هوشمندی را ایجاد می‌کنند که از وفاداری فرکانسی باندهای mmWave و مقاومت سیستم‌های مایکروویو استفاده کرده و حداکثر نرخ انتقال داده را به صورت پویا فراهم می‌کنند.

تأثیر محیط زیست بر سیگنال‌های ارتباطی mmWave

سیستم‌های ارتباطی موج میلی‌متری (mmWave) با چالش‌های محیطی منحصر به فردی مواجه هستند که به طور قابل توجهی روی یکپارچگی سیگنال در سناریوهای مختلف عملیاتی تأثیر می‌گذارند.

مکانیزم‌های تضعیف سیگنال ناشی از شرایط جوی

بارش باران موجب تضعیفی به میزان ۲۰ دسی‌بل در کیلومتر در فرکانس‌های ۶۰ گیگاهرتز می‌شود، همچنین برف و مه اثرات پراکندگی اضافی ایجاد می‌کنند که باعث اختلال در همدوسی فاز می‌گردند. این پدیده‌های آب‌وهوایی به طور نامتناسبی بیشتر بر لینک‌های mmWave نسبت به سیستم‌های با فرکانس پایین‌تر تأثیر می‌گذارند، زیرا طول موج کوتاه‌تر به تداخل ذرات حساس‌تر است.

اثرات تضعیف ناشی از گیاهان و نفوذ از ساختمان‌ها

اندازه‌گیری‌های میدانی نشان می‌دهند که یک درخت منفرد می‌تواند سیگنال‌های mmWave را تا ۳۵ دسی‌بل تضعیف کند، و پوشش گیاهی متراکم می‌تواند ۹۸٪ از قدرت سیگنال را مسدود کند. مواد ساختمانی مانند شیشه مُعَلّق (stained glass) در فرکانس ۲۸ گیگاهرتز تلفات انتقالی ۴۰ دسی‌بلی دارند - که سه برابر بیشتر از فرکانس‌های مایکروویو است - و این موضوع مستلزم برنامه‌ریزی استراتژیک شبکه برای غلبه بر موانع ساختاری است.

چالش‌های ناشی از کاهش سیگنال بارانی و جذب جوی

نقاط قله‌ای جذب اکسیژن در 60 گیگاهرتز، ایجاد تلفات اتمسفری به میزان 15 دسی‌بل بر کیلومتر می‌کنند، به‌طوری‌که در شرایط شدید بارش منطقه‌های استوایی، میزان تضعیف بیش از 30 دسی‌بل بر کیلومتر خواهد بود. ترکیب این اثرات باعث کاهش محدوده‌های عملی نصب و راه‌اندازی می‌شود و محاسبات حاشیه تضعیف پویا و پروتکل‌های تنظیم توان متغیر را ضروری می‌کند.

مدلسازی تلفات مسیر در ارتباطات موج میلی‌متری

مدل‌های انتشار فضای آزاد در مقابل شهری

امواج میلی‌متری (mmWave) خصوصیات منحصربه‌فردی نسبت به محیط اطراف دارند. تلف دیواره آزاد (FSPL) را می‌توان با معکوس مجذور فاصله انتقال، $\frac{1}{R^2}\)، بیان کرد. با این حال، در مناطق شهری کانال پیچیدگی‌های بیشتری دارد و نماهای تلف‌شدگی در محدوده ۲/۵–۴/۵ (دید مستقیم LOS) و ۴/۷–۹/۲ (بدون دید مستقیم non-LOS) قرار دارند. تلف برگ در فرکانس ۲۸ گیگاهرتز ۶–۸ دسی‌بل بر متر است و دیوارهای بتنی ۴۰–۶۰ دسی‌بل تلف دارند. برد mmWave در محیط شهری بدون استفاده از beamforming به علت این موانع به ۱۵۰–۲۰۰ متر کاهش می‌یابد، در حالی که برد نظری در فضای آزاد ۱–۲ کیلومتر است. آرایه‌های آنتنی هوشمند می‌توانند بخشی از این تلف‌ها را با هدایت توان به سمت مسیرهایی که سیگنال قابل‌اعتمادی دارند جبران کنند، اما در عمل برد پیاده‌سازی در نهایت توسط چگالی موانع تعیین می‌شود.

ویژگی‌های تضعیف وابسته به فرکانس

قله‌های جذب اتمسفری در ۲۴ گیگاهرتز (به دلیل بخار آب) و در ۶۰ گیگاهرتز (به دلیل اکسیژن) اتلاف اضافی ۰/۲ تا ۱۵ دسی‌بل بر کیلومتر را به سیستم‌های موج میلی‌متری وارد می‌کنند. میرایی ناشی از باران، تضعیفی معادل ۲ تا ۸ دسی‌بل بر کیلومتر را در محدوده ۳۰ تا ۴۰ گیگاهرتز در شرایط باران متوسط به وجود می‌آورد. لازم به ذکر است که سیگنال‌های ۷۳ گیگاهرتزی از دست دادگی فضای آزادی ۱/۸ برابر بیشتر از سیگنال‌های ۲۴ گیگاهرتزی در فواصل یکسان دارند، که این موضوع به خاطر وابستگی $f^2$ در معادلات FSPL است. این امر منجر به یک معامله مهم می‌شود - هرچند که فرکانس‌های بالاتر اجازه پهنای باند گسترده‌تری را می‌دهند (مانند کانال‌های ۲ گیگاهرتزی)، ولی نیازمند این هستند که پایگاه‌های ارسال سیگنال ۴ برابر متراکم‌تر از بازه زیر ۱۰۰ گیگاهرتز باشند. این محدودیت‌ها در حال حاضر با مواد پیشرفته مانند دی‌الکتریک‌های کم-اتلاف و آنتن‌های متاسورفیس کاهش یافته‌اند، که این امکان را فراهم می‌کنند که در باند E برای پیوندهای ۵G میزان بهره‌وری به ۹۰٪ برسد.

نیازمندی‌های دید مستقیم برای ارتباط قابل اعتماد

موج میلی‌متری (mmW) سیستم‌های ارتباطی به دلیل کارکرد فرکانس بالا (24–100 گیگاهرتز)، نیازمند تراز دقیق بین فرستنده‌ها و گیرنده‌ها هستند. در حالی که سیگنال‌های فرکانس پایین می‌توانند اطراف موانع منحرف شوند، تا 60-90٪ انرژی mmWave توسط موانع جذب می‌شود (ITU 2023). این محدودیت باعث می‌شود وجود LOS بدون مانع یک شرط ضروری برای دستیابی به نرخ انتقال چند گیگابیتی در سناریوهای 5G/6G باشد.

اثرات مسدودکننده ناشی از فعالیت‌های انسانی و سازه‌ها

محیط‌های شهری سه عامل اصلی مختل‌کننده LOS را معرفی می‌کنند:

• موانع ثابت : دیوارهای بتنی سیگنال‌های mmWave را 40–60 دسی‌بل کاهش می‌دهند، در حالی که شیشه انتقال را 15–25 دسی‌بل تضعیف می‌کند
• موانع متحرک : یک عابر پیاده می‌تواند باعث از دست دادن 20–35 دسی‌بل سیگنال شود، در حالی که ترافیک خودرویی قطع‌های متناوبی به مدت 0.8–3.2 ثانیه ایجاد می‌کند
• پویایی‌های محیطی : تغییرات فصلی گیاهان، میزان تضعیف توسط پوشش گیاهی را 12–18 دسی‌بل تغییر می‌دهند

این اثرات در شهرهای پرجمعیت تشدید می‌شوند، جایی که در دسترس بودن متوسط LOS بدون مداخله‌های beamforming به ۵۴ تا ۷۲ درصد کاهش می‌یابد.

راهکارهای Beamforming برای سناریوهای بدون دید مستقیم (Non-LOS)

آنتن‌های آرایه‌ای فازی امکان هدایت پرتو با توان معادل گسیل یکنواخت (EIRP) ۲۷ دسی‌بل میلی‌وات را فراهم می‌کنند تا موانع را دور بزنند. سیستم‌های مدرن به موارد زیر دست یافته‌اند:

• خوشه‌های آنتنی ۱۰۲۴ عنصره برای دقت ۱/۲ درجه در عرض پرتو
• تنظیم مجدد پرتو در کمتر از ۳ میلی‌ثانیه با استفاده از پیش‌بینی مسیر RF مبتنی بر هوش مصنوعی
• قابلیت اطمینان ۷۸ درصدی در شرایط NLOS (بدون دید مستقیم) از طریق انعکاس امواج از دیوارها

یک مطالعه انجام‌شده در سال ۲۰۲۴ روی زیرساخت ارتباطی UAV نشان داد که beamforming تطبیقی چگونه احتمال قطعی در محیط‌های شهری را در مقایسه با آنتن‌های ثابت چندقطاعیه به میزان ۶۳ درصد کاهش می‌دهد. این رویکرد ترکیبی از نقشه‌برداری لیدار در زمان واقعی و به اشتراک گذاشتن پویای طیف فرکانسی برای حفظ کیفیت خدمات (QoS) در زمان مسدود شدن مسیر استفاده می‌کند.

روش‌های مدل‌سازی کانال برای ارتباطات MmWave

مکانیزم‌های انتشار فضایی سه‌بعدی

مدل‌های مکانی سه‌بعدی با دقت بالا برای سیستم‌های ارتباطی موج میلی‌متری (mmWave) ضروری هستند تا تعامل سیگنال با عناصر شهری را در هر دو صفحه ارتفاع و آزیموت درک کنند. برخلاف مدل‌های کلاسیک دوبعدی، این مدل‌ها از تکنیک‌های مدل‌سازی آماری برای شبیه‌سازی احتمال دید مستقیم (LOS) استفاده می‌کنند، این شامل اندازه ساختمان‌ها و موانع متغیر با زمان می‌شود؛ مثلاً با استفاده از مدل گسترش‌یافته Saleh-Valenzuela. ما نشان می‌دهیم که این مدل‌ها تغییرات تلف دیفرکشنی ۱۲ تا ۱۸ دسی‌بلی را برای هندسه‌های مختلف ساختار پیش‌بینی می‌کنند.

تحلیل فادینگ چندمسیره و بازتاب

طول موج کوتاه mmWave خوشه‌های چندمسیره پراکنده ایجاد می‌کند، که در مقایسه با سیگنال‌های زیر ۶ گیگاهرتز، بازتاب‌ها دچار تضعیف ۶ تا ۹ دسی‌بلی می‌شوند. مطالعات داخلی نشان می‌دهند که تنها ۲۰ تا ۳۰ درصد از انرژی پراکنده شده به لینک‌های چندمسیره قابل استفاده کمک می‌کند، که نیازمند مدل‌های آماری اصلاح‌شده‌ای است که مسیرهای بازتاب غالب را نسبت به پراکنش پخشی اولویت می‌دهند.

پارادوکس صنعت: معامله بین پهنای باند بالا و محدوده محدود

در حالی که نوارهای mmWave پهنای باند کانالی 400 تا 800 مگاهرتز را ارائه می‌دهند، افت مسیر در فضای آزاد آنها در 28 گیگاهرتز 29 دسی‌بل بیشتر از 3 گیگاهرتز است. این موضوع مجبور می‌کند شبکه‌ها سلول‌های کوچک را در فواصل 150 تا 200 متری در مناطق شهری - چهار برابر متراکم‌تر از سیستم‌های مبتنی بر مایکروویو - نصب کنند تا به حفظ نرخ انتقال گیگابیت کمک کنند.

مطالعه موردی توسعه شهری در دنیای واقعی

آزمایشی در متروی مادرید با استفاده از فرکانس‌های 26 گیگاهرتز موفق شد با ترکیب فناوری beamforming و پیش‌بینی بلوكه شدن در زمان واقعی به قابلیت اطمینان 94 درصدی در ایستگاه‌های شلوغ دست یابد. با این حال، حرکت عابرین پیاده منجر به نوسانات RSS در حد 3 تا 5 دسی‌بل شد که ضرورت استفاده از سازگاری هوشمند کانال در فضاهای عمومی را برجسته می‌کند.

استراتژیک ایستگاه پایه برنامه‌ریزی شبکه‌های ارتباطی

انتخاب محل مناسب جهت کاهش تداخل سیگنال

با قرار دادن بهینه ایستگاه‌های پایه، سطح تداخل در شبکه‌های موج میلی‌متری که در آنها سیگنال‌ها به دلیل موانع بسیار سریع ضعیف می‌شوند، به حداقل می‌رسد. توسعه در محیط شهری نیازمند جایگذاری بهینه برای حل مشکلات بلوکه شدن و همپوشانی سیگنال است. با مدل‌سازی پیچیده انتشار، برنامه‌ریزان سیستم قادرند مناطقی را شناسایی کنند که تداخل کانال‌های متقابل را کاهش داده و چگالی پوشش را به حداکثر برسانند. ما دریافتیم که انتخاب مبتنی بر توپوگرافی محل‌های نصب، می‌تواند تعداد مناطق مرده را 45٪ کاهش دهد و قطر متوسط را 24٪ کاهش دهد، نسبت به فاصله‌گذاری یکنواخت. عوامل کلیدی شامل چگالی ساختمان‌ها و اختلاف ارتفاع است، و همچنین نقشه‌برداری از زیرساخت‌های موجود برای کاهش تداخل بدون نیاز به سرمایه‌گذاری اضافی در تجهیزات.

روند‌های آینده: معماری‌های ترکیبی RF-MmWave

معماری‌های دو-باندی که فناوری mmWave را با باندهای زیر 6 گیگاهرتز تلفیق می‌کنند، به عنوان گزینه‌های قابل اجرا برای شبکه‌های آینده معرفی شده‌اند. این معماری هیبریدی از MIMO گسترده mmWave برای هسته‌های شهری متراکم با سرعت بالا و از فرکانس‌های RF برای پوشش گسترده‌تر مناطق حومه‌ای/روستایی استفاده می‌کند. پروتکل‌های تبديل هوشمند به صورت پویا کاربران را بر اساس نیازها و پروفایل‌های خدماتی و همراه با تغییرات سیار تخصیص می‌دهند. این سیستم در مقایسه با شبکه‌های mmWave تنها، چگالی نصب را تا 60٪ کاهش می‌دهد و در هنگام انتقال (handover) کیفیت خدمات (QoS) لازم را حفظ می‌کند. این راه‌حل ترکیبی همچنین در کاربردهای اینترنت اشیاء صنعتی که در آنها اتصال پیوسته در مناطق مختلف ضروری است، امیدبخش تشخیص داده شده است.