Úbreiðslueiginleikar millimetra bylgja og áhrif þeirra á samskipti

Grundvallarrit millimetra bylgju samskipta útbreiðslu

Millimetra bylgja (mmWave) samskipti í bandinu 30-300 GHz eru lykilkennari fyrir gagnstraumskröfur 5G kerfi. Notkun víðskeytta (~1 GHz) rása gerir þessum aðferðum kleift að veita margfaldan á hundrað mega bita hraða til að uppfylla auknar kröfur lægri latens forrit svona auglýst raunveruleiki og sjálfvirk ökutæki. Grein í Nature árið 2023 sýndi mmWave á 10 Gbps yfir 1 km með beintefni antennum, þó að útbreiðslueiginleikarnir séu mjög ólíkir þeim sem eru fyrir microwaves á lægri tíðni.

Lausaminni leiðartapið er í hlutfalli við fermetra bylgjuþáttanna í frjálsu rými og veldur þar af leiðandi 20–30 dB hærri leiðartöpum en undir-6 GHz álitum. Utanhúsa umhverfisvandamál verstast þessir vandamál – rigning getur valdið 5-15 dB/km veikingu við 60 GHz, meðan byggingarefni eins og steypa valda 40-60 dB gengstöpum. Laufegar veikningar valda venjulega tórum á milli 10-20 dB og nýsköpunarræn verkfræðilausnir eru nauðsynlegar til að ná sömu áreiðanleika og í öruggum svæðum.

Með framfaraskipan beislu með fasaðri bylurshorni er hægt að vinna sig úr útbreiðslu takmörkunum með því að setja upp beinlínis senditengingar. Þessar beislar gerðu kleift að endurnýta tíðnina í rýminu og minnka truflanir - lykilávinningur í yfirfærslu í pöntuðum borgarsvæðum. Nýjustu skipanir notendur samþetta byggingu á hornrendis fjölfrautamodúlkun (OMM) og rýmar MIMO, sem ná fram ræðum netkerfum, sem nýtja tíðniroyaltými millimetra bylgjubanda og styrkleika örbylgju kerfa til að ná hámarksgagnaflytjunni í flugi.

Áhrif umhverfisins á millimetra bylgjusamskiptasignöl

Kerfi millimetra bylgju samskipta standa frammi við einstök umhverfisvandamál sem dráttugt afkast á heildarstaðfestni merkingarinnar í ýmsum virkum aðstæðum.

Veðurskilyrði sem valda merkingar veikingu

Rigning veldur 20 dB/km fyrirmyndun á 60 GHz tíðni, og snjó og þoka valda auknum dreifingarráreið sem trufla fasa samfélags. Þessar veðurskeið hefur mikil áhrif á mmWave tengingar í samanburði við lágari tíðni kerfi vegna styttri bylgjulengdar sem er viðkvæm fyrir hlutbundna truflun.

Áhrif græðis og byggingar á tapaleiðni

Reynslumælingar sýna að einn tré getur drempt mmWave einkvæmi um 35 dB, og þétt lauf verður að 98% af merki. Byggingarefni eins og litlauka gluggur hefur 40 dB sendifærslu tap á 28 GHz - þrisvar sinna en í mikrobylgju tíðni - sem krefst ráðgervinni netkerfi skipulag til að yfirkomma byggingarlegar hindranir.

Rigningatap og lofthelgishamfarar vandamál

Sveifluárás sýrivar með 60 GHz myndar 15 dB/km í loftlagshætti, með rigningarsvigt í tropíkum yfir 30 dB/km í alvarlegum aðstæðum. Þessar áhrif sameinast og draga úr nýjanlegum dreifingarmöguleikum, þar sem reikningur á svigti fyrir breytilegan hætti og örður aflstýring er nauðsynlegur.

Hættuverkefni millimetra bylgju samskipta

Laus rými vs. Utborgar útbreiðslu líkönum

Útbreiðsla millimetra bylgja hefur einkennilegar eiginleika miðað við umhverfið. Tap í frjálsu rými (FSPL) er hægt að lýsa með andhverfu fernings sendingar fjarlægðarinnar, \(\frac{1}{R^2}\). Í hins vegar borgarsvæðum leiðir samskipti í rásinni til flóknari samspils þar sem ferlar tapvísitala eru á bilinu 2,5–4,5 (LOS) og 4,7–9,2 (non-LOS). Laufatap á 28 GHz er 6–8 dB/m og herbergisveggir af steypu valda 40–60 dB tap. MmWave rúllun í borgarsvæðum án beamforming minnkar á bilinu 150–200 metrar vegna þessara hindrana, miðað við hálfgerð frjálsu rýmisviðtæktina sem er 1–2 km. Aðlagandi handfúsni geta náð hluta af þessu tapi aftur með því að stýra aflinum í átt að slóðum þar sem gildur raunverulegur stöðugleiki er til staðar, en raunveruleg úthlutunartæmi skilgreindust af tíðni áhindlna.

Tapskennslu eiginleikar sem háðir tíðni

Hnattrétt uppleyti í 24 GHz (vegna vatnsdampa) og í 60 GHz (vegna súrefnis) valda einungis týni á bilinu 0,2–15 dB/km fyrir millimetra bylgjukerfi. Regnafall valdi 2–8 dB/km veikingu á milli 30–40 GHz í meðalstærri rigningu. Vert er að minnast á að 73 GHz merki hafa 1,8 sinnum meiri frjálsu rýmis týni en 24 GHz á sömu fjarlægðum, sem kemur fram af \(f^2\) tengslunum í FSPL jöfnum. Þetta leiðir til lykilatriðisins – Meðan háari tíðnir leyfa breiddara bandbreidd (2 GHz rásir), þá krefjast þær einnig úthlutunar á síföngum sem eru fjórum sinnum þéttari en undir 100 GHz tíðnisviðinu. Þessar takmarkanir eru nú leysari með nýjum efnum, eins og lág-týni dielektrík efnum og yfirborðsantennur, sem leyfa 90\% skilvirkni á 5G afturleiðslu tengingum á E-bandi tíðninni.

Sýnsvarpskröfur fyrir örugga samskipti

Millimetra bylgja (mmW) samskiptakerfi krefjast fullkominnar samræmingar á milli sendinga og móttakara vegna háu tíðni starfsemi þeirra (24–100 GHz). Þar sem lág tíðni getur diffracted í kringum hindranir, verður upp á 60-90% orka frá mmWave absorberuð af hindrum (ITU 2023). Slík takmörkun gerir augljósan sýnbeinastaðal að nauðsynlegri skilyrði til að ná mörgum gigabit fyrir ferðalög í 5G/6G umhverfum.

Hindrunarefektir af mannvirkjum og byggingum

Þéttbyggð umhverfi koma þremur helstum LOS-hindrum við:

• Stöðug hindranir : Betónveggir minnka mmWave-signal með 40–60 dB, en gluggar draga út varan með 15–25 dB
• Hreyfanleg hindranir : Einn gangandi getur valdið 20–35 dB styrkleikatapi, en bílalega veldur bráðabirgða bilum sem eru 0,8–3,2 sekúndur langar
• Umhverfisbreytingar : Áragerðarbreytingar í græðingu breyta laufblöðnum með 12–18 dB

Þessar áhrif eykst í þéttbýðum borgum, þar sem meðalstaðall LOS lækkar yfir 54–72% án viðbrugðna með beamingu.

Lausnir með beamingu fyrir aðstæður án beintsýn

Fasaðri hornspjald styðja 27 dBm jafngildi einangraðri útsendingarorku (EIRP) til að stýra geisla og komast framhjá hindrunum. Nútímasýstömu ná:

• 1024-hluta hornspjaldahópar fyrir 1,2° nákvæmni geislubreiðdar
• Undir 3ms endurstillingu á geisla með RF leiðarspár reiknaðar með hjálp AI
• 78% NLOS (Non-Line-of-Sight) traustleika í gegnum byggingarrof

Rannsókn á UAV samskiptastofnun frá 2024 sýndi hvernig sjálfstillt beamingu minnkar líkur á bil í borgum um 63% miðað við fastaritara hornspjöld. Þessi aðferð sameinar rauntíma lidar kortlagningu við dreifingu á tímalitusviðmiðum til að halda QoS við aflýsingarathugasemdir.

Tækni til að kenna samskiptaleið fyrir MmWave samskipti

3D rúmfræðilegar útbreiðslumechanismar

Ítarlega 3D rýmislíkönan þarf fyrir millimetrafalgs (mmWave) samskiptakerfi til að skilja hvernig stigsagnir eru áhrifar af bæði hæð og hornvísi í bærum umhverfi. Í gegnumskeytt við 2D líkön notast þær við tölfræðilegar aðferðir til að líkjóna líkindi á beinum sambandi (LOS), þar sem tekin eru tillit til stærða bygginga og hreyfifæra hindrana, t.d. með ítarlega líkönum eins og eftir Saleh-Valenzuela. Við sýnum að þessar líkön spá um breytingu á beygjuhætti á bilinu 12–18 dB fyrir mismunandi byggingarhátt.

Margleiðni faging og endurspeglinga greining

MmWave skammblá ljóssveiflur mynda fáar margleiðni hópa, þar sem endurspeglingar missa 6–9 dB samanborið við undir-6 GHz háttur. Innanhúss rannsóknir sýna aðeins 20–30% af dreifðri orku sé í boði fyrir gildan margleiðni samband, sem krefst breytinga á tölfræðilegum líkönum sem leggja áherslu á helstu endurspeglingaleiðir fremur en á dreifingu.

Vinnugreinamót: Hár áætlaður fjólmiðlum vs. Takmörkuð vífviðd

Þótt mmWave sérhæfingar bjóði 400-800 MHz sambandsviðd, er frjálsu loftleiðartap á 28 GHz 29 dB hærra en á 3 GHz. Þetta þvingar netkerfi til að setja upp smáfyrirtæki á bilum af 150-200 metrum í kjördæmum svæðjum – fjórum sinnum þéttari en kerfi sem byggjast á örbylgjum – til að halda áframferð á gíga tölur.

Tilvikssköpun um raunverulega úthlutun í borgarsvæðjum

Reyning í Metróinu í Madrid með 26 GHz tíðni náði 94% trausti í fylltum stöðvum með því að sameina straumstýringu við spár um blokkun í rauntíma. Hins vegar veldur fótferð 3-5 dB RSS breytingum, sem bendir á þarfirnar fyrir AI-dreifða samskiptastillingu í opinberum rýmum.

Árangursfullt Stöð Skipulagning fyrir samskiptanet

Staðsetningaval til að minnka truflanir í talskap

Með því að setja grunnstöðvarnar best eru truflanir lækkaðar í mm-bylgju netum þar sem merki misskynjast mjög fljótt vegna hindrana. Úrsetning í borgarsvæðum krefst bestu staðsetningar til að leysa umhverfislega blokkun og skilmerki rýmingar á milli. Með flókinni dreifimodellun geta kerfisáætlurarnir nákvæmlega tekið fram svæði sem lækka bandviðbrugðni og hámarka hæðstu þekju. Við finnum að staðsetninga val með tilliti til landslagsins gæti lækkað fjölda dauðra svæða um 45% og meðalþvermál um 24% miðað við jafnt bil á milli. Lykilkostir eru byggingaþéttleiki og hæðabreytingar, og kortlagning á fyrirliggjandi frumeignum til að leyfa truflunahvernun án aukinnar fjárfestingar í vélbúnað.

Framtidartrendir: Raf- og MmBylgju Samblögun Stofnunar

Tvöfaldar byggingar sem sameina mmWave tækni við sub-6 GHz sambönd eru kynnt sem framkvæmanleg lausn fyrir framtíðarnet. Þessi blanda bygging sameinar mmWave mass MIMO fyrir háa flutningsefni í þéttbýli með RF tíðni til breiðari umfengnis- og landbúnaðsþekju. Rýmistæður skipta notendum yfir á milli sambanda eftir hreyfingum og þjónustulýsingu. Kerfið minnkar úrsetningþéttleika um 60% miðað við mmWave-aino net og varðveitir nauðsynlegt QoS þegar skipt yfir á samband. Þessi sameinuð lausn reynist einnig framtæka fyrir iðnaðar IoT forrit þar sem óafturtekin tenging yfir ýmsar landsvæði er nauðsynlegt.