מאפייני התקדמות של גלי מילימטר והשפעתם על התקשורת

יסודות תקשורת גלי מילימטר

גלי מילימטר תקשורת (mmWave) בפסים של 30-300 ג'יגה הרץ היא טכנולוגיה מפתח עבור מערכות 5G עם דרישות גבוהות לקצב העברת הנתונים. השימוש בפסים רחבים (~1 ג'יגה הרץ) מאפשר למערכות אלו לספק throughout רב-ג'יגהביטי כדי לעמוד בדרישות הגוברות של יישומים בעלי עיכוב נמוך כמו מציאות רבודה וכלי רכב אוטונומיים. דוח של Nature משנת 2023 הראה mmWave במהירות 10 ג'יגה בייט לשנייה בטווח של קילומטר אחד תוך שימוש באנטנות מכוונות, אם כי מאפייני ההתפשטות שונים בהרבה מהמאפיינים של גלי מיקרו בתדירויות נמוכות יותר.

הפסדי דרך במרחב חופשי הם פונקציה של ריבוע התדר, מה שגורם ל20–30 דציבל הפסדים גבוהים יותר בהשוואה לתווחי תת-6 ג'יגה הרץ. בעיות סביבתיות חיצוניות מחמירות את המצב - משטר יכול לגרום להթחלה של 5-15 דציבל attenuation ב60 ג'יגה הרץ, בעוד חומרי בנייה כמו בטון יוצרים הפסד חדירה של 40-60 דציבל. הדämpfung של צמחייה normally results in signal loss of 10-20 dB ופתרונות הנדסיים חדשניים נדרשים כדי להשיג את אותו נ dependable כמו באזור פתוח.

שיטות מתקדמות של יצירת אלומות עם אנטנות מערך מופעיות עוקפות את אילוצי ההפצה על ידי הקמת ערוצים ממונחים למשולח. האלומות הממונחות מאפשרים שימוש חוזר בתדר במרחב ופוחתת בהפרעות - יתרון מהותי במimplementציות עירוניות צפופות. הארכיטקטורות המתקדמות ביותר עושות שימוש בסטרוקטורות היברידיות של אורתוגונליות מודולציית מולטיקארrier (OMM) ו־MIMO המוני, ומביאות לרשתות אינטליגנטיות, אשר מנצלות את הזמינות בתדרים של פסי mmWave והעכירות של מערכות גלים קצרים כדי להשיג throughout מרבי בזמן אמת.

השפעה סביבתית על אותות תקשורת בפסי מילימטר

מערכות תקשורת בפסי מילימטר (mmWave) מתמודדות עם אתגרים סביבתיים ייחודיים המשפיעים משמעותית על שלמות האות בתרחישים שונים.

מנחים של הדämpfung האות הנובעת מהתנאי מזג אוויר

גשם גורם לעדכון של עד 20 דציבל לקילומטר בתדרי 60 ג'יגה הרץ, כאשר שלג וערפיליות יוצרים אפקטים נוספים של פיזור שמקשים על קוהרנטיות המופע. תופעות מזג האוויר הללו משפיעות באופן חמור יותר על קישורים בطول גל מילימטרי בהשוואה למערכות בתדרים נמוכים יותר, בשל רגישות גבוהה יותר של אורכי הגל הקצרים להפרעות חלקיקיות.

השפעת צמחייה וחדרה דרך מבנים

מדידות בשטח מציגות כי עץ בודד יכול להפחית את אותות הגלים המילימטריים ב-35 דציבל, וצמחייה דחוסה יכולה לחסום 98% מכוח האות. חומרי בנייה כמו זכוכית צבעונית מציגים אובדן העברה של 40 דציבל בתדר 28 ג'יגה הרץ - פי שלושה מהאובדן בתדרים מיקרוגליים - מה שמחייב תכנון אזורי של הרשת כדי להתגבר על מכשולים מבניים.

קיטון אות בגשם ואבסורפציה אטמוספירית

פסגות ספיגת חמצן ב-60 ג'יגה הרץ יוצרות אובדן אטמוספרי של 15 דציבל לקילומטר, עם ירידה טרופית בשלג בגובה 30 דציבל לקילומטר בתנאים קיצוניים. השפעות אלו משתלבות יחד כדי להפחית את טווחי התפעול המעשיים, מה שמחייב חישובים מתאימים של רווחת הדעיכה ופרוטוקולים להתאמת ההספק באופן דינמי.

نمذجة אובדן המסלול בתקשורת גל milימטרי

התפשטות במרחב חופשי לעומת מודלי התפשטות עירוניים

למעבר גל milימטרי (mmWave) יש תכונות ייחודיות בהתאם לסביבה. אובדן המסלול החופשי (FSPL) ניתן לביטוי על ידי ריבוע ההפכי של מרחק השידור, \(\frac{1}{R^2}\). עם זאת, באזורים עירוניים הקanal יוצר אינטראקציות מורכבות יותר, אשר בהן מקדמי האובדן נעים בין 2.5–4.5 (LOS) ו-4.7–9.2 (non-LOS). אובדן העלים בתדר 28 GHz הוא 6–8 דציבל למטר, וחומות בטון יוצרות אובדן של 40–60 דציבל. טווח הגלים המילימטריים העירוני ללא עיצוב קרן מוגבל ל-150–200 מטרים בשל מכשולים אלו, לעומת הטווח התיאורטי של מסלול חופשי של ק"מ אחד עד שני ק"מ. מערכים מתואמים של אנטנות יכולים לאחזר חלק מהאובדן הזה על ידי הפנת ההספקה לכיוון מסלול שבו אות صالح קיים, אך הטווחים המעשיים נקבעים בסופו של דבר לפי צפיפות המכשולים.

מאפייני הדämpה התלויים בתדר

שיא ספיגה באטמוספירה ב-24 GHz (בגלל אדים מים) ו-60 GHz (בגלל חמצן) גורם לאובדן נוסף של 0.215 dB/km למערכות mmWave. "השמירה על גשם" מגיעה ל-28 דב/ק"מ בין 3040 ג'הרצ' בגשם מתון. ראוי לציין כי אותות 73 GHz סובלים מפסולת שטח חופשי גדולה פי 1.8 ביחס ל-24 GHz באותם מרחקים, אשר נגרמת על ידי תלות f^2 במשוואות FSPL. זה מוביל למתערבות קריטית - בעוד שתדרים גבוהים יותר מאפשרים רוחבי פס רחבים יותר (שני ערוצי GHz), הם גם דורשים פיתוחי תחנת בסיס שהם 4 צפופים יותר מאשר בטווח מתחת ל-100 GHz. הגבלות אלה משוחררות כיום על ידי חומרים מתקדמים, כגון דיאלקטרים עם אובדן נמוך ואנטנות מטא-שטח, המאפשרות גדלים יעילים של 90% בקישורים 5G backhaul בתדרים E-band.

דרישות קו ראייה להתקשרות אמינה

גלי מילימטר מערכות תקשורת (mmW) דורשות התאמה מושלמת בין המעברים והמקלטים עקב הפעולה בתדרים הגבוהים שלהן (24–100 ג'יגה הרץ). בעוד אותות בתדר נמוך יכולים להתפזר סביב מכשולים, עד 60–90% מהאנרגיה של גלי מילימטר נספגת על ידי מכשולים (ITU 2023). אילוץ זה הופך את קו הראייה החופשי לתנאי חיוני להשגת throughout רב-ג'יגה ביט בשenarios של 5G‏/6G.

השפעות חסימה כתוצאה מפעילות אנושית ובניינים

סביבות אורבניות יוצרות שלושה מקורות עיקריים לחוסר רציפות קו הראייה:

• מכשולים סטטיים : קירות בטון מורידים את אותות mmWave ב-40–60 דציבלים, בעוד זכוכית מצמצמת את השידור ב-15–25 דציבלים
• מכשולים נעים : הולך רגל בודד יכול לגרום לאובדן אות של 20–35 דציבלים, כאשר תנועה כבישית יוצרת הפסקות זמניות שנמשכות 0.8–3.2 שניות
• דינמיקות סביבתיות : שינויים עונתיים בצמחייה משנים את ההחזרה על ידי עלים ב-12–18 דציבלים

ההשפעות מצטברות בערים צפופות, בהן ירידת הממוצע של זמינות קו הראייה (LOS) מגיעה ל-54–72% ללא התערבות של עיצוב אלומות.

פתרונות עיצוב אלומות למקרי שימוש ללא קו ראייה

אנטנות מערך פאזתי מאפשרות הסחתת אלומות עם הספק שווה ערך מרוכז (EIRP) של 27 dBm כדי לעקוף מכשולים. מערכות מודרניות מ logרות:

• אשכולי אנטנות של 1024 אלמנטים בדיוק של 1.2° ברוחב אלומה
• התאמת מחדש של אלומה בפחות מ-3ms תוך שימוש בתחזיות נתמכות ב-AI של מסלול הרדיו
• 78% מהימנות NLOS (Non-Line-of-Sight) דרך החזרות מהקירות

מחקר משנת 2024 על תשתיות תקשורת של UAV הדגים כיצד עיצוב אלומות אדפטיבי מקטין את סיכויי הפסקת חיבור אורבנית ב-63% בהשוואה לאנטנות קבועות. גישה זו משלבת מיפוי לייזר בזמן אמת עם שיתוף דינמי של הספקטרום כדי לשמור על איכות השירות (QoS) במהלך אירועים של חסימה.

שיטות מודל kênh לתקשורת בתדרים גבוהים (MmWave)

מנחות התקדמות מרחבית תלת-ממדיות

מודלים תלת-ממדיים מדויקים של המרחב הם הכרח למערכות תקשורת גל milימטרי (mmWave) כדי להבין את אינטראקציות האות עם אלמנטים אורבניים הן במישור הגובה והן במישור האזימוט. בניגוד למודלים דו-ממדיים קלאסיים, הם משתמשים בטכניקות מודל סטטיסטי לדמות את הסתברות קו הראייה (LOS), כולל גודל מבנים מכשולים משתנים בזמן עם מודל Saleh-Valenzuela המורחב. אנו מראים שהמודלים הללו חוזים וריאציה של 12–18 dB באובדן השיבוש עבור גאומטריות מבנה שונות.

אנליזת ריסוק מסלולי אות ושיקוף

הגלים הקצרים של mmWave יוצרים אשכולות מסלול רב פזורים, כששיקופים סובלים מאובדן של 6–9 dB בהשוואה לאותות בתדרי sub-6 GHz. מחקרים במבנה הראו שרק 20–30% מהאנרגיה המפוזרת תורמת לקווי אותות מוכפלים ישימים, מה שמחייב שינוי במודלים הסטטיסטיים כך שיתמקדו במסלולים דומיננטיים של שיקוף ולא בתפוצה דיפוזיבית.

פראדוקס התעשייה: פער בין רוחב פס גבוה לבין טווח מוגבל

בעוד ששידורי mmWave מספקים רוחב פס של 400-800 מגה-הרץ, אובדן המסלול במרחב החופשי בתדר 28 גיגה-הרץ הוא גבוה ב-29 דציבל מאשר בתדר 3 גיגה-הרץ. עובדה זו מחייבת את הרשתות לפרוס תאי סלולר קטנים במרווחים של 150–200 מטר במרכזי ערים – צפיפות שאינה פחותה פי ארבעה מהמערכות המבוססות על גלי מיקרו – כדי לשמור על throughout בגודל ג'יגה-ביט.

מקרה practically של פריסה אורבאנית

בחינה שנערכה ברשת התחתית של מדריד תוך שימוש בתדרים של 26 גיגה-הרץ השיגה נחישות של 94% בתחנות עמוסות על ידי שילוב של ייצור קרן עם חיזוי בזמן אמת של חסימות. עם זאת, תנועת ההלכדים גרמה ל Daoths ב-RSS בגובה 3–5 דציבל, מה שמראה על הצורך בהתאמה של הערוץ באמצעות בינה מלאכותית במרחבים ציבוריים.

מְשׁוּמָד תחנת בסיס תכנון רשתות תקשורת

בחירת אתרים לצמצום הפרעות אות

על ידי מיקום אופטימלי של תחנות הבסיס, רמת הפרעה מופחתת ברשתות גל-мמ' שבהן אותות מוחלקים במהירות עקב מכשולים. התקנה בסביבה אורבנית מחייבת מיקום אופטימלי כדי לפתור את חסימת הסביבה והכיסוי הכפול של האותות. בעזרת מודל התפשטות מורכב, מ lậpני מערכות יכולים לזהות שטחים שמפחיתים את ההפרעות בין ערוצים ומקסמים את צפיפות השידור. אנו מגלים כי בחירה של אתרים תוך התחשבות בטופוגרפיה יכולה להפחית את מספר אזורי המת ב-45% ואת הקוטר הממוצע ב-24% בהשוואה לחלוקה אחידה. הגורמים המרכזיים הם צפיפות הבניינים וההפרש בגובה, והעתקה של תשתיות קיימות לשם הפחתת הפרעות מבלי להשקיע בתוספת חומרה.

מגמות עתידיות: ארכיטקטורות היברידיות של RF-MmWave

ארכיטקטורות דו-פס יחסיות המשלבות טכנולוגיית mmWave עם פסי תדר נמוכים מ-6 ג'יגה הרץ נחשפות כמועמדים ברורים לרשתות עתיד. ארכיטקטורה היברידית זו משלבת MIMO המוני בmmWave להעברה מהירה בערים צפופות עם תדר RF לתחום רחב יותר של כיסוי אזורי/כפרי. פרוטוקולי מיתוג חכמים מקרבים משתמשים על פני הפסים באופן דינמי בהתאם לניכוז וה Hồות השירות. המערכת מקטינה את הצפיפות התקנית ב-60% בהשוואה לרשת mmWave בלבד ומשמרת את רמת השירות הנדרשת בעת מעבר בין תאים. פתרון זה גם מוכיח את עצמו כמבטיח ליישומים בתעשייה של האינטרנט של הדברים (IIoT), כאשר חיבוריות מתמדדת על פני שטחים שונים היא חיונית.