Milliméterhullámok terjedési jellemzői és azok hatása a kommunikációra

A milliméterhullámú kommunikáció alapjai

Milliméter hullám (mmWave) kommunikáció a 30-300 GHz-es sávokban kulcsfontosságú tényező az adatátviteli sebességet igénylő 5G rendszerekben. A szélessávú (kb. 1 GHz) csatornák használata lehetővé teszi ezeknek a megoldásoknak a több gigabit/s átviteli sebességet, amely kielégíti az alacsony késleltetésű alkalmazások növekvő igényeit, mint például a kiterjesztett valóság és az autonóm járművek. Egy 2023-as Nature-jelentés szerint a mmWave 10 Gbps sebességet ért el 1 km távolságon irányított antennák használatával, bár a terjedési jellemzők jelentősen eltérnek az alacsonyabb frekvenciájú mikrohullámok jellemzőitől.

A szabad térbeli útvonalveszteség arányos a frekvencia négyzetével, ami 20–30 dB nagyobb útvonalveszteséget eredményez szub-6 GHz-es sávokhoz képest. A kültéri környezeti tényezők tovább súlyosbítják ezeket a problémákat – az eső okozta csillapítás 5-15 dB/km lehet 60 GHz-en, míg építőanyagok, mint például a beton, akár 40-60 dB behatolási veszteséget okozhatnak. A növényzet által okozott csillapítás általában 10-20 dB jelcsillapodást eredményez, és innovatív mérnöki megoldások szükségesek ahhoz, hogy ugyanazt a megbízhatóságot érjék el, mint egy szabad területen.

A fáziseltolásos antennastruktúrákkal való kifinomult nyalábkormányzási gyakorlatok áthidalják a terjedési korlátokat, mivel irányított adócsatornákat hoznak létre. Ezek az irányított nyalábok lehetővé teszik a frekvencia térbeli ismétlődését és csökkentik az interferenciát – ez pedig egy kritikus előny zsúfolt városi környezetekben. A legújabb architektúrák az ortogonális multicarrier moduláció (OMM) és a masszív MIMO hibrid struktúráit használják, így intelligens hálózatokat valósítanak meg, amelyek kihasználják a mmHullám sávok frekvenciaelőnyeit és a mikrohullámú rendszerek megbízhatóságát, hogy dinamikusan elérjék a maximális átviteli sebességet.

Környezeti hatások a mmHullám kommunikációs jelekre

A milliméteres hullámhosszúságú (mmWave) kommunikációs rendszerek egyedi környezeti kihívásokkal néznek szembe, amelyek jelentősen befolyásolják a jelminőséget különböző üzemeltetési forgatókönyvek során.

Időjárás okozta jelcsillapítási mechanizmusok

Az esőzés akár 20 dB/km-es csillapítást okozhat 60 GHz-es frekvenciákon, míg a hó és köd további szórási hatásokat vált ki, amelyek zavarják a fáziskoherenciát. Ezek az időjárási jelenségek aránytalanul nagyobb mértékben érintik a mmHullámú kapcsolatokat az alacsonyabb frekvenciájú rendszerekhez képest a rövidebb hullámhosszak miatt, amelyek érzékenyebbek a részecskék okozta interferenciára.

Növényzet és épületek áthatolási vesztesége

Terepmérések azt mutatják, hogy egyetlen fa akár 35 dB-es csillapítást okozhat mmHullámú jeleknél, sűrű lombkoronát pedig a jel 98%-a nem tudja áthatolni. Olyan építőanyagok, mint a színes üveg, 40 dB-s átbocsátási veszteséget mutatnak 28 GHz-en – háromszor annyit, mint mikrohullámú frekvenciákon – ami stratégiai hálózattervezést igényel a strukturális akadályok leküzdésére.

Eső okozta jelgyengülés és légköri elnyelés kihívásai

Az oxigénelnyelési csúcsok 60 GHz-en létrehoznak 15 dB/km légköri veszteséget, súlyos esetben a trópusi esőzés okozta jelgyengítés pedig meghaladhatja a 30 dB/km-t. Ezek az effektusok együttesen csökkentik a gyakorlati telepítési távolságokat, ezért szükség van adaptív fade margin számításokra és dinamikus teljesítménybeállítási protokollokra.

Útvonalveszteség modellezése milliméterhullámú kommunikációban

Szabad tér vs. városi terjedési modellek

A milliméterhullámú (mmWave) terjedésnek az adott környezettől függően egyedi tulajdonságai vannak. A szabad térbeli útvonalveszteség (FSPL) kifejezhető a transzmissziós távolság négyzetének reciprokával, \(\frac{1}{R^2}\). Azonban városi környezetben a csatorna összetettebb kölcsönhatásokat eredményez, amelyek során az útvonalveszteségi tényezők 2,5–4,5 (LOS) és 4,7–9,2 (nem-LOS) tartományban mozognak. A levélveszteség 28 GHz-en 6–8 dB/m, míg a betonfalak 40–60 dB veszteséget okoznak. Ezek az akadályok csökkentik a városi mmWave hatótávolságát beamforming nélkül 150–200 méterre, szemben a szabad térbeli elméleti 1–2 km-es hatótávval. Az adaptív antennatömbök képesek részben ellensúlyozni ezt a veszteséget olyan irányba történő teljesítménycélzás révén, ahol használható jel áll rendelkezésre, de a gyakorlati telepítési távolságok végül az akadályok sűrűségétől függenek.

Frekvenciafüggő elnyelési jellemzők

Az atmoszférikus elnyelés a 24 GHz-es (a vízgőz miatt) és a 60 GHz-es (az oxigén miatt) frekvenciákon további 0,2–15 dB/km veszteséget okoz a mmHullámú rendszerekben. Mérsékelt esőzés során az eső okozta jelcsillapítás 2–8 dB/km értékkel jár 30–40 GHz között. Megemlítendő, hogy a 73 GHz-es jelek szabad térvesztesége 1,8-szer nagyobb ugyanazon távolságokon mérve, mint a 24 GHz-en, amit a FSPL egyenletekben szereplő \(f^2\) függés okoz. Ez egy fontos kompromisszumhoz vezet – bár a magasabb frekvenciák lehetővé teszik a szélesebb sávszélességeket (2 GHz-es csatornák), azonban az ehhez szükséges bázisállomások telepítése négyszer sűrűbb kell legyen, mint az 100 GHz alatti tartományban. Ezeket a korlátozásokat napjainkban korszerű anyagokkal mérsékelhetik, például alacsony veszteségű dielektrikumokkal és metafelület-antennákkal, amelyek lehetővé teszik a 90%-os hatékonyságú sávok használatát az E-sávbeli frekvenciákon 5G backhaul kapcsolatokban.

Megbízható kommunikációhoz szükséges látótáv követelményei

Milliméter hullám (mmH) kommunikációs rendszerek tökéletes igazítást igényelnek az adók és vevők között a nagy frekvenciájuk miatt (24–100 GHz). Míg az alacsony frekvenciás jelek képesek kitérni az akadályok körül, a mmHullámok energiájának 60–90%-a elnyelődik az akadályok által (ITU 2023). Ez a korlát az akadálytalan látvonalat (LOS) elengedhetetlenné teszi a több gigabites átviteli sebesség eléréséhez 5G/6G forgatókönyvekben.

Emberek és struktúrák által okozott zavaró hatások

A városi környezet három fő LOS-megszakítót jelent be:

• Statikus akadályok : A betonfalak 40–60 dB-rel csökkentik a mmHullám jeleket, míg az üveg 15–25 dB-es csillapítást okoz az átvitelben
• Mozgó akadályok : Egyetlen gyalogos is 20–35 dB-es jelcsillapodást okozhat, míg a járműforgalom időszakos kieséseket eredményez 0,8–3,2 másodperc időtartamban
• Környezeti dinamika : Az évszakos növényzetváltozások a lombkoronacsillapítást 12–18 dB-rel módosítják

Ezek a hatások súlyosbodnak a sűrűn lakott városokban, ahol az átlagos látványhelyiség (LOS) elérhetősége 54–72% közére csökken a beamforming beavatkozások nélkül.

Beamforming megoldások nem-látványhelyiség (NLOS) forgatókönyvekre

Fázisvezérelt antennák biztosítják a 27 dBm ekvivalens izotrop sugárzási teljesítményt (EIRP) a akadályok elkerüléséhez való irányításhoz. A modern rendszerek képesek:

• 1024 elemes antenna csoportokra 1,2° nyaláb-szélesség pontossággal
• Alacsonyabb, mint 3 ms-os nyaláb-újrabeállítás mesterséges intelligenciával támogatott RF útvonal-előrejelzéssel
• 78% NLOS (Non-Line-of-Sight) megbízhatóság falakon visszaverődéssel

Egy 2024-es UAV kommunikációs infrastruktúra tanulmány bemutatta, hogyan csökkenti az adaptív beamforming az urbanizált területek kimeneti hibavalószínűségét 63%-kal a rögzített szektorantennákhoz képest. Ez a módszer kombinálja a valós idejű lidar térképezést dinamikus spektrum-megosztással, hogy fenntartsa a szolgáltatási minőséget (QoS) blokkolási események alatt.

Csatornamodellezési technikák MmWave kommunikációhoz

3D Térbeli terjedési mechanizmusok

A milliméterhullámú (mmWave) kommunikációs rendszerek számára elengedhetetlenek a magasan felbontott 3D-s térmodellek, amelyek segítségével megérthetők a jelek városi elemekkel való kölcsönhatásai a magassági és azimut síkban egyaránt. Ezek a modellek, ellentétben a klasszikus 2D-s modellekkel, statisztikai modellezési technikákat alkalmaznak az egyenes látvonal (LOS) valószínűségének utánzására, beleértve az épületek méretét és időben változó akadályokat, pl. a kiterjesztett Saleh-Valenzuela modell segítségével. Azt is bemutatjuk, hogy ezek a modellek különböző szerkezeti geometriák esetén 12–18 dB közötti diffrakciós veszteségváltozást jeleznek előre.

Többutas fading és reflektáció analízis

A mmWave rövid hullámhossza ritka többutas klasztereket eredményez, ahol a visszaverődések 6–9 dB-es gyengítést szenvednek a sub-6 GHz-es jelekhez képest. Beltéri vizsgálatok azt mutatják, hogy csupán a szórt energia 20–30%-a járul hozzá használható többutas kapcsolatokhoz, ami szükségessé teszi a statisztikai modellek felülvizsgálatát, amelyek a domináns visszaverődési utakat helyezik előtérbe a diffúz szóródással szemben.

Ipari paradoxon: nagy sávszélesség vs. korlátozott hatótávolság kompromisszumai

Míg a mmHullám sávok 400-800 MHz-es csatornaszélességet kínálnak, szabad térbeli elnyelődésük 28 GHz-en 29 dB-rel nagyobb, mint 3 GHz-en. Ez arra kényszeríti a hálózatokat, hogy városi központokban 150-200 méterenként telepítsenek kisbázisállomásokat – négyszer sűrűbben, mint a mikrohullámú rendszerek – a gigabites átviteli sebesség fenntartása érdekében.

Valós városi telepítési esettanulmány

Egy madridi metrópróba 26 GHz-es frekvenciákkal 94% megbízhatóságot ért el zsúfolt állomásokon, miután a beamforming technikát összekapcsolták a valós idejű akadályozás-előrejelzéssel. Ugyanakkor, a gyalogos mozgás 3-5 dB-es vevőjel-erősség ingadozást okozott, ami kiemeli az AI-vezérelt csatornaadaptáció fontosságát nyilvános terek esetében.

Stratégiai Alapállomás Kommunikációs hálózatok tervezése

Helyszínkiválasztás az interferencia csökkentésére

Az alapállomások optimális elhelyezésével csökkenthető az interferencia szintje az mm-hullámú hálózatokban, ahol a jelek nagyon gyorsan gyengülnek akadályok miatt. A telepítés városi környezetben az optimális elhelyezést igényli a jelzárlat és a jel átfedések problémáinak kezelésére. Összetett terjedésmodellezés segítségével a rendszertervezők képesek azonosítani azokat a területeket, amelyek minimalizálják a csatornák közötti interferenciát és maximalizálják a lefedettségi sűrűséget. Megállapítottuk, hogy a terepismereten alapuló helyszínválasztás 45%-kal csökkentheti a halott zónák számát, és 24%-kal csökkentheti az átlagos átmérőt a megfelelő térközöléshez képest. A kulcsfontosságú tényezők a beépítettség sűrűsége és a terep magasságkülönbségei, valamint a meglévő infrastruktúra térképezése az interferenciaelnyomáshoz további hardverberuházás nélkül.

Jövőbeli trendek: Hibrid RF-mmHullámú architektúrák

A két frekvenciasávos architektúrák, amelyek az mmWave technológiát integrálják a sub-6 GHz sávokkal, alkalmazható megoldásként tűnnek fel a jövő hálózatai számára. Ez a hibrid architektúra az mmWave massive MIMO technikáját használja nagy sűrűségű városi központokban lévő magas átviteli sebesség eléréséhez, míg RF frekvenciákat alkalmaz a tágabb elővárosi/ vidéki lefedettség biztosításához. Az intelligens váltási protokollok dinamikusan osztják be a felhasználókat a frekvenciasávok között a mobilitás és a szolgáltatási profilok alapján. A rendszer üzembe helyezési sűrűsége 60%-kal csökkenhet az mmWave csak használó hálózathoz képest, miközben fenntartja a handover során szükséges QoS-t. Ez a kombinált megoldás különösen ígéretes ipari IoT alkalmazások számára is, ahol folyamatos kapcsolat szükséges különböző tereptípusokon.