Milimetrinių bangų sklaidos savybės ir jų poveikis ryšiui

Milimetrinių bangų ryšių sklaidos pagrundai

Millimetrinė banga (mmWave) ryšiai 30–300 GHz juostoje yra svarbus veiksnys, leidžiantis pasiekti didelę duomenų perdavimo spartą reikalaujantiems 5G sistemoms. Plačios (~1 GHz) kanalų panaudojimas leidžia šioms sistemoms pasiekti daugiau nei gigabaitų per sekundę, kad būtų patenkintos vis augančios žemo latencijos programų, tokių kaip papildytos realybės ar autonominių automobilių, reikmės. 2023 m. „Nature“ ataskaitoje buvo parodyta, kad mmWave pasiekė 10 Gbit/s per 1 km naudojant kryptines antenas, nors bangų sklaidos charakteristikos labai skiriasi nuo mikrobangų esant žemesnėms dažnių juostoms.

Laisvojo erdvės kelio nuostoliai yra proporcingi dažnio kvadratui laisvoje erdvėje, todėl kelio nuostoliai yra 20–30 dB didesni lyginant su sub-6 GHz juosta. Išorinė aplinka dar labiau pablogina šias problemas – lietus gali sukelti 5–15 dB/km slopinimą esant 60 GHz dažniui, o statybos medžiagos, tokios kaip betonas, sukelia 40–60 dB prasiskverbimo nuostolius. Augmenijos slopinimas paprastai sukelia signalo praradimą nuo 10–20 dB ir reikalingi inovatyvūs inžineriniai sprendimai, kad būtų pasiektas toks pat patikimumas kaip ir atvirame kambario plote.

Pažengusios spindulių formavimo praktikos su fazuotomis antenų grandinėmis įveikia sklaidos apribojimus, nustatant kryptinius perdavimo kanalus. Šie kryptiniai spinduliai leidžia dažnį pakartotinai naudoti erdvėje ir sumažinti trukdžius – svarbus privalumas tankiose urbanizacijos vietose. Naujausios architektūros panaudoja ortogonalios daugiakanalės moduliacijos (OMM) ir masinio MIMO hibridines struktūras, kad būtų sukurtos inteligentiškos tinklai, kurie išnaudoja mmWave juostų dažnių kilpą ir mikrobangų sistemų patikimumą, siekiant maksimalaus pralaidumo realiu laiku.

Aplinkos poveikis mmWave ryšių signalams

Milimetrinės bangos (mmWave) ryšių sistemos susiduria su unikaliomis aplinkos problemomis, kurios stipriai veikia signalo vientisumą skirtingose operacinių scenarijuose.

Oro sąlygų sukeltas signalo slopinimo mechanizmas

60 GHz dažnių krituliai sukelia iki 20 dB/km slopinimo, o sniegas ir rūkas daro papildomą sklaidos poveikį, kuris trikdo fazės vientisumą. Dėl trumpesnių bangų ilgių jautrumo dalelių interfrencei, šie meteorologiniai reiškiniai labiau veikia mmWave ryšius lyginant su žemesnių dažnių sistemomis.

Augmenijos ir pastatų pralaidumo nuostolių efektai

Aikštės matavimai parodė, kad vienas medis gali slopinti mmWave signalus 35 dB, o tanki lapena blokuoja 98 % signalo stiprumo. Statybos medžiagos, tokios kaip vitražinė stikla, 28 GHz dažnyje turi 40 dB perdavimo nuostolių – tris kartus daugiau nei mikrobangų dažniai – todėl reikia strategiškai planuoti tinklą, kad būtų įveikti konstrukcinius kliūtis.

Lietaus slopinimo ir atmosferinio sugerties iššūkiai

Deguonies absorbcija 60 GHz dažniuose sukelia 15 dB/km atmosferos praradimus, o stiprių sąlygų metu tropikų lietaus sukeltas slopimas viršija 30 dB/km. Šie efektai sumažina praktiškai pasiekiamus diegimo atstumus, todėl reikia atlikti adaptacinius slopimo rezervo skaičiavimus ir dinaminius galios koregavimo protokolus.

Kelių nuostolių modeliavimas milimetrinių bangų ryšiuose

Laisnojo erdvės ir miesto sklaidos modeliai

Milimetrinių bangų (mmWave) sklaida turi unikalių savybių, priklausomai nuo aplinkos. Laisvojo kelio praradimus (FSPL) galima išreikšti kaip perdavimo atstumo kvadrato atvirkštinę reikšmę, \(\frac{1}{R^2}\). Tačiau miesto vietovėse kanalas sukelia sudėtingesnes sąveikas, dėl kurių kelio praradimų rodikliai yra nuo 2,5–4,5 (LOS) ir 4,7–9,2 (ne-LOS). Lapų praradimas esant 28 GHz yra 6–8 dB/m, o betoninės sienos sukelia 40–60 dB praradimus. Be spindulių formavimo, miesto mmWave diapazonas dėl šių kliūčių sumažėja iki 150–200 metrų, lyginant su teorine laisvojo erdvės riba – 1–2 km. Adaptatyvios antenos gali dalinai kompensuoti šiuos praradimus nukreipdamos energiją ten, kur egzistuoja tinkamas signalas, tačiau praktinį patekimą apsprendžia kliūčių tankis.

Dažnio priklausomi slopinimo charakteristikos

Atmosferos sugerties viršūnės esant 24 GHz (dėl vandens garų) ir 60 GHz (dėl deguonies) sukelia papildomą nuostolį 0,2–15 dB/km milimetrinėms bangoms. Lietus sukelia 2–8 dB/km silpnėjimą tarp 30–40 GHz vidutiniškai lyjant. Verta pažymėti, kad 73 GHz signalai patiria 1,8 karto didesnes laisvojo erdvės nuostolius lyginant su 24 GHz tiek pat atstumu dėl \(f^2\) priklausomybės FSPL formulėse. Tai sukelia svarbų kompromisinį sprendimą – nors aukštesnės dažnių leidžia platesnį pralaidumą (2 GHz kanalus), tačiau reikalauja 4 kartus tankesnių bazinių stočių išdėstymo nei žemiau 100 GHz diapazone. Šios apribojimus šiuolaikinėmis medžiagomis, tokios kaip mažo nuostolio dielektrikai ir metapaviršių antenos, kurios leidžia pasiekti 90 % efektyvumą 5G atgalinio ryšio linijose E-dažnių diapazone.

Tiesioginio ryšio reikalavimai patikimam ryšiui

Millimetrinė banga (mmW) ryšių sistemoms reikia tobulo siųstuvų ir imtuvų sinchronizavimo dėl jų aukštos veiklos dažnyno (24–100 GHz). Kol žemo dažnio signalai gali apsilenkti aplink kliūtis, mmWave energijos iki 60–90% yra sugeriamos kliūčių (ITU 2023). Tokios sąlygos daro nepertrauktą tiesioginį ryšį (LOS) būtinu reikalavimu pasiekti daugiau nei 1 Gb/s perdavimo spartą 5G/6G scenarijuose.

Uždarymo poveikis dėl žmogaus veiklos ir konstrukcijų

Miesto aplinka sukelia tris pagrindinius LOS trikdančius veiksnius:

• Statinės kliūtys : Betoninės sienos sumažina mmWave signalus 40–60 dB, o stiklas silpnina perdavimą 15–25 dB
• Mobilios kliūtys : Vienas pėstysis gali sukelti 20–35 dB signalo praradimą, o transporto eismas – trumpalaikius pertraukimus, trunkančius 0,8–3,2 sekundės
• Aplinkos dinamika : Sezoniškai keičiantis augalijos tankis keičia lapuočių slopinimą 12–18 dB

Šie efektai darosi stipresni tankiose miestuose, kai vidutinė LOS prieiga be spindulio formavimo intervencijų krinta iki 54–72%.

Spindulio formavimo sprendimai ne LOS scenarijams

Fazavimo antenos masyvai suteikia 27 dBm ekvivalentinę izotropinę spinduliavimo galią (EIRP) ir galimybę krypti švytį, kad būtų apeinami kliūtys. Šiuolaikinės sistemos pasiekia:

• 1024 elementų antenų klasteriai 1,2° spindulio pločio tikslumui
• Sub-3 ms spindulio perkėlimas naudojant dirbtinio intelekto valdomą RF kelio prognozavimą
• 78% NLOS (ne tiesioginio ryšio) patikimumas per sienų atspindžius

2024 m. PGR (pilotuojamųjų orlaivių) ryšių infrastruktūros tyrimas parodė, kaip adaptacinis spindulio formavimas miestuose sumažina išjungimo tikimybę 63 % lyginant su fiksuotų sektorių antenomis. Šis metodas derina realaus laiko lidaro žemėlapio kūrimą su dinaminiu spektro panaudojimu, kad būtų išlaikytas paslaugų kokybės lygis blokavimo įvykių metu.

Kanalų modeliavimo technikos MmWave ryšiui

3D erdviniai sklaidos mechanizmai

Aukštos raiškos 3D erdviniai modeliai yra būtini milimetrinių bangų (mmWave) ryšių sistemoms, kad suprastų signalo sąveiką su miesto elementais tiek vertikalioje, tiek horizontalioje plokštumose. Skirtingai nei klasikiniai 2D modeliai, jie naudoja statistinio modeliavimo technikas, kad imituotų tiesioginio ryšio (LOS) tikimybę, įtraukiant pastatų dydžius ir laikui bėgant kintančias kliūtis, pvz., naudojant išplėstinį Saleh-Valenzuela modelį. Parodome, kad šie modeliai prognozuoja difrakcijos nuostolių skirtumus 12–18 dB priklausomai nuo struktūros geometrijos.

Daugelio kelių fadingo ir atspindžių analizė

MmWave trumpi bangos ilgiai sukuria retus daugiakelio sparnus, kuriuose atsispindėję signalai patiria 6–9 dB silpnumą lyginant su sub-6 GHz dažnių signalais. Vidinių tyrimų duomenys rodo, kad tik 20–30 % išsklaidytos energijos prisideda prie gyvybingų daugiakelio ryšių, todėl reikia peržiūrėti statistinius modelius, kurie svarbiausius atspindžių kelius vertina aukščiau už sklaidytą atsispindėjimą.

Industrijos paradoksas: Aukšta juostos plotis kontra riboto nuotolio kompromatai

Nors mmWave diapazonai siūlo 400–800 MHz kanalo pralaidumą, jų laisvojo kelio nuostoliai 28 GHz dažniu yra 29 dB didesni nei 3 GHz. Dėl šios priežasties tinklams tenka diegti mažąsias ląsteles kas 150–200 metrų miestų centruose – 4 kartus tankiau nei mikrobangų sistemose – kad būtų išlaikytas gigabitinis pralaidumas.

Praktinės miesto sprendimų analizė

Bandymas Madride naudojant 26 GHz dažnius pasiekė 94 % patikimumą perpildytuose stotyse, derinant bangų formavimo technologiją su realaus laiko kliūčių prognozavimu. Tačiau pėsčiųjų judėjimas sukeldavo 3–5 dB RS reikšmių svyravimus, parodant reikalingumą viešose erdvėse naudoti dirbtinio intelekto valdomą kanalo adaptaciją.

Strateginis Bazinė stotis Planavimas komunikacijos tinklams

Vietos parinkimas siekiant sumažinti signalo trukdžius

Optimaliai išdėstant bazinius stočius, mažinamas mm-bangų tinkluose kylantis trikdžių lygis, nes dėl kliūčių signalai labai greitai slopinami. Įrengimas miesto aplinkoje reikalauja optimalaus išdėstymo, kad būtų išspręstos aplinkos kliūtys ir persidengiančių signalų problemos. Sudėtingas sklaidos modeliavimas leidžia sistemų planuotojams tiksliai nustatyti zonas, kurios sumažina kanalų tarpusavyje trikdymą ir maksimaliai padidina apimties tankį. Nustatėme, kad vietų pasirinkimas, atsižvelgiant į reljefą, gali sumažinti mirusių zonų skaičių 45 % ir vidutinį skersmenį 24 %, lyginant su vienodu atstumu. Pagrindiniai veiksniai yra pastatų tankis, aukštinis skirtumas ir esamos infrastruktūros žemėlapių sudarymas, kad būtų galima mažinti trikdžius be papildomų techninių investicijų.

Ateities tendencijos: hibridinės RF-MmWave architektūros

Dviejų juostų architektūros, integruojančios mmWave technologiją su sub-6 GHz juostomis, atskleidžiamos kaip tinkami kandidatai būsimiems tinklams. Ši hibridinė architektūra derina mmWave masinį MIMO aukštam tankių miestų centrų pralaidumui ir RF dažnius platesniam priemiesčių/kaimo vietovių aprėpimui. Išmanieji perjungimo protokolai dinamiškai paskirsto vartotojus per juostas pagal judumą ir paslaugų profilius. Palyginti su tik mmWave tinklu, ši sistema sumažina diegimo tankį 60 % ir užtikrina reikalingą QoS kokybę vykdant perjungimą. Taip pat įrodyta, kad šis kombinuotas sprendimas yra perspektyvus pramoniniams IoT taikymams, kur būtina nuolatinė ryšys skirtingose vietovėse.