Svojstva širenja milimetarskih valova i njihov utjecaj na komunikaciju

Osnove širenja komunikacijskih milimetarskih valova

Milimetarski val (mmWave) komunikacija u frekvencijskim opsezima od 30-300 GHz ključna je za 5G sustave koji zahtijevaju visoke brzine prijenosa podataka. Korištenje širokopojasnih kanala (~1 GHz) omogućuje tim sustavima postizanje multigigabitnih protoka kako bi zadovoljili rastuće zahtjeve aplikacija s niskim kašnjenjem poput proširene stvarnosti i autonomskih vozila. Znanstveni pregled iz 2023. godine pokazao je da mmWave može postići brzinu od 10 Gbps na udaljenosti od 1 km uz korištenje usmjerenih antena, iako su svojstva širenja znatno različita u odnosu na mikrovalove na nižim frekvencijama.

Gubitak slobodnog prostora proporcionalan je kvadratu frekvencije u slobodnom prostoru, što dovodi do 20–30 dB većih gubitaka u odnosu na pod-6 GHz opsege. Vanjski okolinski problemi pogoršavaju ove probleme – oborine mogu izazvati slabljenje od 5-15 dB/km na 60 GHz, dok građevinski materijali poput betona dovode do 40-60 dB gubitka pri prodoru. Prisutnost bilja normalno rezultira gubitkom signala od 10-20 dB, a inovativna inženjerska rješenja potrebna su za postizanje iste pouzdanosti kao i u otvorenom prostoru.

Napredne tehnike formiranja snopa uz pomoć antenskih faza rješavaju probleme u širenju signala stvaranjem usmjerenih kanala za prijenos. Ti usmjereni snopovi omogućuju ponovnu upotrebu frekvencije u prostoru i smanjenje smetnji — ključnu prednost u gužvama gradske infrastrukture. Najnoviji arhitekturni koncepti koriste hibridne strukture ortogonalne višenosne modulacije (OMM) i masivnog MIMO-a, ostvarujući inteligentne mreže koje iskorištavaju bogatstvo frekvencijskog spektra mmWave opsega i otpornost mikrovalnih sustava radi postizanja maksimalnog protoka podataka u realnom vremenu.

Utjecaj okoliša na signale komunikacijskih mmWave sustava

Sustavi komunikacija milimetarskim valovima (mmWave) suočeni su s posebnim izazovima u okolišu koji znatno utječu na integritet signala u različitim radnim scenarijima.

Mehanizmi slabljenja signala izazvani vremenskim uvjetima

Kiša uzrokuje slabljenje do 20 dB/km pri frekvencijama od 60 GHz, dok snijeg i magla izazivaju dodatne efekte raspršenosti koji remete faznu koherenciju. Ove meteorološke pojave neproporcionalno utječu na veze u mmWave području u usporedbi sa sustavima s nižim frekvencijama zbog osjetljivosti kraćih valnih duljina na čestično ometanje.

Učinci gubitaka prolaska kroz vegetaciju i zgrade

Poljska mjerenja pokazuju da jedno stablo može slabiti mmWave signale za 35 dB, dok gusta lišća blokira 98% jačine signala. Građevinski materijali poput vitraža pokazuju gubitak pri prolasku signala od 40 dB na 28 GHz – tri puta više nego pri mikrovalnim frekvencijama – što zahtijeva strateško planiranje mreže kako bi se prevladali strukturni prepreke.

Izazovi slabljenja zbog kiše i atmosferskog upijanja

Apsorpcija kisika na 60 GHz dostiže atmosferski gubitak od 15 dB/km, dok u tropskim uvjetima kišnog slabaša gubitak može premašiti 30 dB/km u teškim slučajevima. Ovi efekti se kombiniraju smanjujući praktične domete ugradnje, što zahtijeva prilagodljive izračune dodatnog slabljenja i dinamičke protokole prilagodbe snage.

Modeliranje gubitaka prijenosa u komunikaciji milimetarskog vala

Slobodni prostor naspram urbanih modela prijenosa

Rasprostiranje milimetarskog vala (mmWave) ima jedinstvena svojstva ovisno o okolini. Gubitak slobodnog prostora (FSPL) može se izraziti obrnutim kvadratom prijenosne udaljenosti, \(\frac{1}{R^2}\). Međutim, u urbanoj sredini kanal uvodi složenije interakcije pri čemu su eksponenti gubitka puta u rasponu od 2,5–4,5 (LOS) i 4,7–9,2 (non-LOS). Gubitak kroz lišće na 28 GHz je 6–8 dB/m, dok betonski zidovi stvaraju gubitak od 40–60 dB. Domet mmWavea u gradskim uvjetima bez beamforminga je slabiji, 150–200 metara zbog ovih prepreka, u usporedbi s teorijskim dometom u slobodnom prostoru od 1–2 km. Adaptivni antenski nizovi mogu djelomično nadoknaditi taj gubitak usmjeravanjem snage prema putanjama koje imaju upotrebljiv signal, ali praktični dometi na kraju zavise od gustoće prepreka.

Frekvencijsko-ovisna karakteristika slabljenja

Atmosferska apsorpcija vrhova na 24 GHz (zbog vodene pare) i na 60 GHz (zbog kisika) uzrokuje dodatne gubitke od 0,2–15 dB/km za mmWave sustave. Slabjenje zbog kiše dovodi do slabljenja od 2–8 dB/km između 30–40 GHz u umjerenoj kiši. Vrijedno je napomenuti da signali na 73 GHz imaju 1,8 puta veće gubitke slobodnog prostora u odnosu na 24 GHz na istim udaljenostima, što je uzrokovano ovisnošću \(f^2\) u jednadžbama FSPL-a. To dovodi do ključnog kompromisa – dok više frekvencije omogućuju šire propusne pojase (kanale od 2 GHz), također zahtijevaju raspored baznih stanica koji je 4 puta gušći nego u području ispod 100 GHz. Ove ograničenja se danas ublažavaju naprednim materijalima, poput dielektrika s niskim gubicima i metamaterijalnih antena, koji omogućuju trake s 90 % učinkovitosti u 5G leđnoj mreži na E-band frekvencijama.

Zahtjevi za direktnu vidljivost kako bi komunikacija bila pouzdana

Milimetarski val (mmW) komunikacijski sustavi zahtijevaju savršeno poravnanje između predajnika i prijamnika zbog rada na visokim frekvencijama (24–100 GHz). Dok niskofrekventni signali mogu se savijati oko prepreka, čak 60–90% energije mmValova apsorbira se na preprekama (ITU 2023). Takvo ograničenje čini neometani pravac između predajnika i prijamnika (LOS) nužnim uvjetom za postizanje multigigabitne brzine prijenosa u 5G/6G scenarijima.

Učinci prepreka uslijed ljudske aktivnosti i struktura

Gradski uvjeti uvode tri primarna uzročnika prekida pravca između predajnika i prijamnika (LOS):

• Statičke prepreke : Betonski zidovi smanjuju mmValove za 40–60 dB, dok staklo slabljenje iznosi 15–25 dB
• Mobilne prepreke : Jedan pješak može izazvati slabljenje signala od 20–35 dB, dok promet vozila stvara povremene prekide koji traju 0,8–3,2 sekunde
• Dinamika okoliša : Godišnja promjena vegetacije mijenja slabljenje krošnji stabala za 12–18 dB

Ovi učinci se pojačavaju u guštim gradovima, gdje dostupnost prosječnog stupnja usluge (LOS) pada na 54–72% bez intervencija beamforminga.

Rješenja za formiranje snopa (Beamforming) za scenarije bez direktnog prijenosa (Non-LOS)

Fazirane antenske matrice omogućuju upravljanje snopom s ekvivalentnom izotropskom zračenom snagom (EIRP) od 27 dBm kako bi se zaobišli prepreke. Savremeni sustavi postižu:

• skupine antena s 1024 elemenata za preciznost širine snopa od 1,2°
• Ponovno poravnanje snopa za manje od 3 ms uz predikciju RF puta vođenu umjetnom inteligencijom
• pouzdanost NLOS (Nevidljivost između predajnika i primatelja) od 78% kroz refleksije na zidovima

Studija infrastrukture komunikacija UAV-a iz 2024. pokazala je kako adaptivno formiranje snopa smanjuje vjerojatnost ispadanja signala u gradskim područjima za 63% u usporedbi s fiksnim sektorskim antenama. Ovaj pristup kombinira stvaranje mapa u realnom vremenu pomoću lidara i dinamičko dijeljenje spektra kako bi se održao kvaliteta usluge tijekom događaja koji izazivaju prekinutost signala.

Tehnike modeliranja kanala za komunikaciju u milimetarskom valu

3D prostorne mehanizme širenja signala

Vrlo precizni 3D prostorni modeli nužni su za komunikacijske sustave milimetarskog vala (mmWave) kako bi razumjeli interakcije signala s gradskim elementima u obje ravnine – elevacije i azimuta. Za razliku od klasičnih 2D modela, oni koriste statističke modelirajuće tehnike za simulaciju vjerojatnosti direktnog signala (LOS), uključujući veličine zgrada i prepreke koje se mijenjaju u vremenu, primjenom npr. proširenog Saleh-Valenzuela modela. Pokazujemo da ovi modeli predviđaju varijaciju gubitka pri lomu signala od 12–18 dB za različite geometrije struktura.

Analiza višestrukog fadinga i refleksija

Kratke valne duljine mmWave signala stvaraju rijetke skupine višestrukih putanja signala, pri čemu refleksije trpe slabljenje od 6-9 dB u usporedbi s sub-6 GHz signalima. Istraživanja unutar zatvorenih prostora pokazuju da samo 20-30% raspršene energije doprinosi ostvarenju upotrebljivih višestrukih putanja signala, što zahtijeva ažuriranje statističkih modela s naglaskom na dominantne reflektirane putanje umjesto difuznog raspršivanja.

Industrijski paradoks: Visoki kapacitet protiv ograničenog dosega

Iako mmWave frekvencijske trake nude širinu kanala od 400-800 MHz, njihovi gubitak prijenosa na 28 GHz za 29 dB veći nego na 3 GHz. To prisiljava mreže da ugraduju male ćelije na svakih 150-200 metara u gradskim središtima – 4× gušće nego u sustavima zasnovanim na mikrovalovima – kako bi održale protok podataka od gigabita.

Studija slučaja stvarne gradske implementacije

Pilot projekt u Madridu koji je koristio frekvencije od 26 GHz postigao je pouzdanost od 94% u gužvama na stanicama kombinirajući formiranje snopa s predikcijom prekida signala u stvarnom vremenu. Međutim, kretanje pješaka izazvalo je fluktuacije RSS-a od 3-5 dB, što pokazuje nužnost AI-upravljane prilagodbe kanala u javnim prostorima.

Strategski Bazna postaja Planiranje komunikacijskih mreža

Odabir lokacije za ublažavanje smetnji signala

Kroz optimalno postavljanje baznih stanica, razina smetnji se smanjuje u mm-valnim mrežama gdje signali vrlo brzo slabnu zbog prepreka. Ugradnja u urbanoj okolini zahtijeva optimalno postavljanje radi rješavanja pitanja blokade i preklapanja signala. Složenim modeliranjem širenja signala, planeri sustava mogu točno odrediti područja koja minimiziraju smetnje između kanala i maksimaliziraju gustoću pokrivenosti. Utvrdili smo da orijentacija na reljef pri odabiru lokacija može smanjiti broj mrtvih zona za 45% i prosječni promjer mrtvih zona za 24% u usporedbi s jednolikim razmještajem. Ključni čimbenici su gustoća zgrada i razlika nadmorske visine te kartiranje postojeće infrastrukture kako bi se omogućilo potiskivanje smetnji bez dodatnih investicija u hardver.

Budućne tendencije: Hibridne RF-MmWave arhitekture

Arhitektura s dvostrukim opsegom koja integrira tehnologiju mmWave s sub-6 GHz opsezima pokazuje se kao izvediv kandidat za buduće mreže. Ova hibridna arhitektura kombinira mmWave masivni MIMO za visokopropusne gradske jezgre s RF frekvencijama za širu pokrivenost predgrađa/ruralnih područja. Pametni protokoli za preklapanje dinamički dodjeljuju korisnike na temelju mobilnosti i profila usluga. Sustav smanjuje gustoću implementacije za 60% u usporedbi s mrežom koja koristi samo mmWave i održava potrebnu razinu QoS-a tijekom prijenosa veze. Ovo kombinirano rješenje pokazuje se i kao obećavajuće za industrijske IoT aplikacije gdje je neprekidna povezanost preko različitih terena ključna.