Caratteristiche di Propagazione delle Onde Millimetriche e il Loro Impatto sulle Comunicazioni

Fondamenti della Propagazione delle Comunicazioni in Banda Millimetrica

Onda millimetrica la comunicazione (mmWave) nelle bande comprese tra 30-300 GHz è un elemento chiave per i sistemi 5G ad alta richiesta di velocità dati. L'utilizzo di canali a banda larga (~1 GHz) consente a questi approcci di fornire velocità multi-gigabit per soddisfare le crescenti esigenze di applicazioni a bassa latenza come la realtà aumentata e i veicoli autonomi. Un rapporto pubblicato su Nature nel 2023 ha mostrato una trasmissione mmWave a 10 Gbps su 1 km mediante antenne direttive, sebbene le caratteristiche di propagazione differiscano notevolmente da quelle delle microonde alle frequenze inferiori.

La perdita di propagazione nello spazio libero è proporzionale al quadrato della frequenza nello spazio libero, causando perdite di percorso superiori di 20–30 dB rispetto alle bande sub-6 GHz. Problemi ambientali esterni aggravano queste difficoltà: la pioggia può indurre un'attenuazione di 5-15 dB/km a 60 GHz, mentre materiali da costruzione come il calcestruzzo provocano perdite di penetrazione di 40-60 dB. L'attenuazione dovuta alla vegetazione normalmente comporta una perdita di segnale di 10-20 dB e soluzioni ingegneristiche innovative sono necessarie per raggiungere lo stesso livello di affidabilità che si avrebbe in un'area sgombra.

Le pratiche avanzate di beamforming con antenne a matrice sfasata superano i vincoli di propagazione stabilendo canali di trasmissione diretti. Questi fasci diretti permettono il riutilizzo della frequenza nello spazio e la riduzione delle interferenze: un vantaggio fondamentale in contesti urbani congestionati. Le architetture più recenti sfruttano strutture ibride della modulazione multicarrier ortogonale (OMM) e del massivo MIMO, realizzando reti intelligenti che sfruttano la ricchezza di frequenze delle bande mmWave e la robustezza dei sistemi microwave per ottenere il massimo throughput in tempo reale.

Impatto Ambientale sui Segnali di Comunicazione MmWave

I sistemi di comunicazione millimeter wave (mmWave) affrontano particolari sfide ambientali che influenzano notevolmente l'integrità del segnale in diversi scenari operativi.

Meccanismi di Attenuazione del Segnale Indotti dal Meteo

La pioggia induce un'attenuazione fino a 20 dB/km alle frequenze di 60 GHz, con la neve e la nebbia che causano ulteriori effetti di scattering che disturbano la coerenza di fase. Questi fenomeni meteorologici influenzano in modo sproporzionato i collegamenti mmWave rispetto ai sistemi a frequenza più bassa, a causa della maggiore sensibilità delle lunghezze d'onda più corte all'interferenza da particolato.

Effetti dell'Vegetation and Building Penetration Loss

Misure sul campo rivelano che un singolo albero può attenuare i segnali mmWave di 35 dB, con fogliame denso che blocca il 98% della potenza del segnale. Materiali da costruzione come il vetro colorato presentano una perdita di trasmissione di 40 dB a 28 GHz – tre volte superiore rispetto alle frequenze microwave – richiedendo una pianificazione strategica della rete per superare gli ostacoli strutturali.

Sfide legate alla pioggia e all'assorbimento atmosferico

I picchi di assorbimento dell'ossigeno a 60 GHz creano una perdita atmosferica di 15 dB/km, con attenuazione dovuta alla pioggia tropicale che supera i 30 dB/km in condizioni estreme. Questi effetti si combinano riducendo i raggi di copertura pratici, rendendo necessari calcoli adattivi del margine di attenuazione e protocolli di regolazione dinamica della potenza.

Modellizzazione delle Perdite di Propagazione nelle Comunicazioni a Onda Millimetrica

Modello nello Spazio Libero vs. Modello in Ambiente Urbano

La propagazione delle onde millimetriche (mmWave) possiede proprietà uniche in base all'ambiente. La perdita di propagazione nello spazio libero (FSPL) può essere espressa come l'inverso del quadrato della distanza di trasmissione, \(\frac{1}{R^2}\). Tuttavia, nelle aree urbane il canale introduce interazioni più complesse, dove gli esponenti di attenuazione sono nell'intervallo 2,5–4,5 (LOS) e 4,7–9,2 (non-LOS). L'attenuazione causata dalle foglie a 28 GHz è pari a 6–8 dB/m, mentre i muri in calcestruzzo generano una perdita di 40–60 dB. La portata delle mmWave in ambiente urbano, senza beamforming, si riduce a 150–200 metri a causa di questi ostacoli, rispetto alla portata teorica nello spazio libero di 1–2 km. Gli array d'antenna adattivi possono recuperare parzialmente questa perdita dirigendo la potenza verso i percorsi in cui esiste un segnale utilizzabile, ma la portata effettiva dipende infine dalla densità degli ostacoli.

Caratteristiche di attenuazione dipendenti dalla frequenza

I picchi di assorbimento atmosferico a 24 GHz (dovuti al vapore acqueo) e a 60 GHz (dovuti all'ossigeno) provocano un'ulteriore attenuazione di 0,2–15 dB/km per i sistemi mmWave. La riduzione del segnale causata dalla pioggia genera un'attenuazione di 2–8 dB/km tra 30–40 GHz in condizioni di pioggia moderata. È importante notare che i segnali a 73 GHz subiscono una perdita nello spazio libero 1,8 volte maggiore rispetto ai 24 GHz alle stesse distanze, causata dalla dipendenza \(f^2\) nelle equazioni del FSPL. Questo comporta un compromesso fondamentale: sebbene le frequenze più alte permettano bande più larghe (canali da 2 GHz), richiedono comunque un posizionamento delle stazioni base 4 volte più denso rispetto a quelle utilizzate nella gamma al di sotto dei 100 GHz. Oggi queste limitazioni sono alleviate grazie a materiali avanzati, come dielettrici a bassa perdita e antenne metasuperficiali, che consentono bande con efficienza del 90\% nei collegamenti backhaul 5G a frequenze della banda E.

Requisiti di visibilità diretta per comunicazioni affidabili

Onda millimetrica (mmW) I sistemi di comunicazione richiedono un perfetto allineamento tra trasmettitori e ricevitori a causa del loro funzionamento ad alta frequenza (24–100 GHz). Mentre i segnali a bassa frequenza possono diffrangersi attorno agli ostacoli, fino al 60-90% dell'energia delle onde millimetriche viene assorbita dagli ostacoli (ITU 2023). Questo vincolo rende il collegamento diretto (LOS) senza ostacoli una condizione essenziale per raggiungere la velocità di trasmissione multi-gigabit negli scenari 5G/6G.

Effetti di blocco dovuti ad attività umane e strutture

Gli ambienti urbani introducono tre principali fattori di interruzione del collegamento diretto (LOS):

• Ostacoli statici : I muri in calcestruzzo riducono i segnali mmWave di 40–60 dB, mentre il vetro attenua la trasmissione di 15–25 dB
• Ostacoli mobili : Un singolo pedone può causare una perdita di segnale di 20–35 dB, con traffico veicolare che crea interruzioni intermittenti della durata di 0,8–3,2 secondi
• Dinamiche ambientali : Le variazioni stagionali della vegetazione modificano l'attenuazione dovuta alla foglia di 12–18 dB

Questi effetti si intensificano nelle città densamente popolate, dove la disponibilità media del LOS scende al 54–72% senza interventi di beamforming.

Soluzioni di Beamforming per scenari Non-LOS

Le antenne a phased array abilitano il beamsteering con una potenza isotropicamente irradiata equivalente (EIRP) di 27 dBm per aggirare gli ostacoli. I sistemi moderni raggiungono:

• cluster di antenne con 1024 elementi per una precisione di 1,2° nella larghezza del fascio
• Riallineamento del fascio inferiore a 3 ms utilizzando la previsione del percorso RF guidata dall'intelligenza artificiale
• affidabilità NLOS (Non-Line-of-Sight) del 78% attraverso le riflessioni sulle pareti

Uno studio del 2024 sull'infrastruttura di comunicazione UAV ha dimostrato come il beamforming adattivo riduca la probabilità di interruzione in ambito urbano del 63% rispetto alle antenne a settore fisse. Questo approccio combina la mappatura lidar in tempo reale con la condivisione dinamica dello spettro per mantenere la qualità del servizio (QoS) durante eventi di blocco.

Tecniche di modellazione del canale per comunicazioni MmWave

meccanismi di propagazione spaziale 3D

Modelli spaziali 3D ad alta risoluzione sono necessari per i sistemi di comunicazione a onde millimetriche (mmWave) per comprendere le interazioni del segnale con gli elementi urbani sia nel piano di elevazione che in quello azimutale. A differenza dei classici modelli 2D, utilizzano tecniche di modellazione statistica per emulare la probabilità di collegamento in visibilità (LOS), inclusi le dimensioni degli edifici e gli ostacoli variabili nel tempo, ad esempio, con il modello esteso di Saleh-Valenzuela. Mostriamo che questi modelli prevedono una variazione di perdita per diffrazione di 12–18 dB per diverse geometrie strutturali.

Analisi del Fading Multipath e delle Riflessioni

Le brevi lunghezze d'onda delle onde mmWave creano cluster multipath sparsi, con riflessioni che subiscono un attenuazione di 6-9 dB rispetto ai segnali sub-6 GHz. Studi effettuati in ambienti interni dimostrano che solo il 20-30% dell'energia diffusa contribuisce a collegamenti multipath utilizzabili, richiedendo modelli statistici rivisti che diano priorità ai percorsi di riflessione dominanti rispetto alla diffusione diffusa.

Paradosso del settore: compromesso tra larghezza di banda elevata e limitata portata

Sebbene le bande mmWave offrano larghezze di banda di 400-800 MHz, la perdita di propagazione nello spazio libero a 28 GHz è 29 dB più alta rispetto a quella a 3 GHz. Questo costringe le reti a distribuire piccole celle ogni 150-200 metri nei centri urbani, con una densità 4 volte superiore rispetto ai sistemi basati su microonde, per mantenere una capacità di trasferimento pari al gigabit.

Caso di Studio su un'Implementazione Urbana Reale

Un test effettuato sulla metropolitana di Madrid utilizzando frequenze a 26 GHz ha raggiunto una affidabilità del 94% nelle stazioni affollate combinando la formazione del fascio (beamforming) con la previsione in tempo reale degli ostacoli. Tuttavia, il movimento dei pedoni ha causato fluttuazioni del segnale RSS di 3-5 dB, evidenziando la necessità di un'adattamento intelligente del canale guidato dall'intelligenza artificiale negli spazi pubblici.

Strategico Stazione base Pianificazione delle Reti di Comunicazione

Selezione dei Siti per Ridurre l'Interferenza del Segnale

Posizionando in modo ottimale le stazioni base, si minimizza il livello di interferenza nelle reti mm-wave, dove i segnali subiscono un'attenuazione molto rapida a causa degli ostacoli. Il deployment nell'ambiente urbano richiede un posizionamento ottimale per risolvere problemi di blocco ambientale e sovrapposizione del segnale. Grazie a una modellizzazione complessa della propagazione, i progettisti del sistema possono identificare con precisione le aree che minimizzano l'interferenza tra canali e massimizzano la densità di copertura. Abbiamo scoperto che la selezione dei siti basata sulla consapevolezza del terreno potrebbe ridurre il numero di zone morte del 45% e il diametro medio del 24% rispetto alla distribuzione uniforme. I fattori chiave riguardano la densità degli edifici e la differenza di elevazione, nonché la mappatura delle infrastrutture esistenti al fine di sopprimere le interferenze senza ulteriori investimenti in hardware.

Tendenze Future: Architetture Ibride RF-MmWave

Le architetture dual-band che integrano la tecnologia mmWave con bande sub-6 GHz si rivelano soluzioni percorribili per le reti future. Questa architettura ibrida combina la tecnologia mmWave massive MIMO, per un'elevata capacità nei centri urbani densi, con la frequenza RF per una più ampia copertura in aree suburbane/rurali. Protocolli intelligenti di commutazione allocano dinamicamente gli utenti sulle bande in base al profilo di mobilità e ai servizi. Il sistema riduce la densità di distribuzione del 60% rispetto a una rete basata esclusivamente su mmWave e mantiene la qualità del servizio richiesta durante il passaggio da una banda all'altra. Questa soluzione combinata si dimostra promettente anche per applicazioni IoT industriali, dove la connettività continua su diversi tipi di terreno è essenziale.