Ciri Penyebaran Gelombang Millimeter dan Kesannya pada Komunikasi

Asas Penyebaran Komunikasi Gelombang Millimeter

Gelombang milimeter komunikasi (mmWave) dalam julat frekuensi 30-300 GHz merupakan kunci untuk sistem 5G yang memerlukan kadar data tinggi. Penggunaan saluran lebar (~1 GHz) membolehkan pendekatan ini menyediakan kelajuan multigigabit untuk memenuhi keperluan aplikasi berkeperluan latensi rendah seperti realiti berimbuh dan kenderaan autonomi. Laporan Nature pada 2023 menunjukkan mmWave mencapai kelajuan 10 Gbps pada jarak 1 km menggunakan antena berarah, walaupun ciri penyebarannya berbeza jauh berbanding gelombang mikro pada frekuensi yang lebih rendah.

Kehilangan laluan ruang bebas berkadar dengan kuasa frekuensi dalam ruang bebas, menyebabkan kehilangan laluan yang lebih tinggi sebanyak 20–30 dB berbanding jalur sub-6 GHz. Isu persekitaran luaran memburukkan masalah ini—hujan boleh menyebabkan pelemahan sebanyak 5-15 dB/km pada 60 GHz, manakala bahan bangunan seperti konkrit membawa kepada kehilangan penembusan sebanyak 40-60 dB. Kelemahan tumbuh-tumbuhan biasanya menghasilkan kehilangan isyarat sebanyak 10-20 dB dan penyelesaian kejuruteraan inovatif diperlukan untuk mencapai kebolehpercayaan yang sama seperti di kawasan yang jelas.

Amalan pembentukan wibawa maju dengan antena tatasusun berfasa mengatasi kekangan penyebaran dengan menubuhkan saluran penghantaran berarah. Sinaran berarah ini membenarkan frekuensi diguna semula dalam ruang dan gangguan dikurangkan—satu faedah utama dalam penempatan di bandar yang sesak. Arkitektur terkini menggunakan struktur hibrid bagi modulasi multikadaran ortogon (OMM) dan MIMO berjisim, mencapai rangkaian pintar yang memanfaatkan kemewahan frekuensi jalur mmWave dan keteguhan sistem gelombang mikro untuk memperoleh kelajuan maksimum secara dinamik.

Kesan Persekitaran ke atas Isyarat Komunikasi MmWave

Sistem komunikasi gelombang milimeter (mmWave) menghadapi cabaran persekitaran unik yang memberi kesan besar kepada integriti isyarat merentas pelbagai senario operasi.

Mekanisma Pelemahan Isyarat Akibat Cuaca

Hujan menyebabkan kelemahan sehingga 20 dB/km pada frekuensi 60 GHz, manakala salji dan kabus menghasilkan kesan hamburan tambahan yang mengganggu kokoherenan fasa. Fenomena cuaca ini memberi kesan yang lebih besar kepada pautan mmWave berbanding sistem frekuensi rendah disebabkan oleh kepekaan panjang gelombang yang lebih pendek terhadap gangguan zarah.

Kesan Kehilangan Penetrasi Tumbuh-tumbuhan dan Bangunan

Pengukuran di lapangan menunjukkan sebatang pokok tunggal boleh melemahkan isyarat mmWave sebanyak 35 dB, manakala daun yang lebat boleh menghalang 98% kekuatan isyarat. Bahan bangunan seperti kaca berwarna menunjukkan kehilangan penghantaran sebanyak 40 dB pada 28 GHz – tiga kali lebih tinggi berbanding frekuensi mikrogelombang – yang memerlukan perancangan rangkaian secara strategik untuk mengatasi halangan struktur.

Cabaran Kepupusan Hujan dan Penyerapan Atmosfera

Puncak penyerapan oksigen pada 60 GHz menciptakan kehilangan atmosfera sebanyak 15 dB/km, dengan luluh lantai hujan tropika melebihi 30 dB/km dalam keadaan teruk. Gabungan kesan-kesan ini mengurangkan julat pemasangan praktikal, memerlukan pengiraan margin luluh lantai yang boleh diselaraskan dan protokol pelarasan kuasa dinamik.

Permodelan Kehilangan Lintasan dalam Perhubungan Gelombang Milimeter

Ruang Kosong Berbanding Model Penyebaran Bandar

Gelombang milimeter (mmWave) mempunyai sifat-sifat unik bergantung kepada persekitaran. Kehilangan laluan ruang bebas (FSPL) boleh dinyatakan sebagai kuasa dua songsang jarak penghantaran, \(\frac{1}{R^2}\). Walau bagaimanapun, di kawasan bandar saluran memperkenalkan interaksi yang lebih kompleks dengan eksponen kehilangan laluan berada dalam julat 2.5–4.5 (LOS) dan 4.7–9.2 (non-LOS). Kehilangan daun pada frekuensi 28 GHz adalah 6–8 dB/m, manakala dinding konkrit menghasilkan kehilangan sebanyak 40–60 dB. Julat mmWave di persekitaran bandar tanpa beamforming terturun kepada 150–200 meter disebabkan oleh halangan ini, berbanding julat teori ruang bebas sejauh 1–2 km. Tatasusunan antena adaptif boleh memulihkan sebahagian kehilangan ini dengan mengarahkan tenaga ke laluan yang mempunyai isyarat yang boleh digunakan, tetapi julat penempatan sebenar akhirnya ditentukan oleh ketumpatan halangan.

Ciri-ciri Atenuasi Bergantung Kepada Frekuensi

Puncak penyerapan atmosfera pada 24 GHz (disebabkan oleh wap air) dan pada 60 GHz (disebabkan oleh oksigen) menyebabkan kehilangan tambahan sebanyak 0.2–15 dB/km kepada sistem gelombang millimeter. Jerebu hujan menghasilkan pelemahan sebanyak 2–8 dB/km antara 30–40 GHz dalam hujan sederhana. Perlu dinyatakan bahawa isyarat 73 GHz mengalami kehilangan ruang bebas yang 1.8× lebih tinggi berbanding 24 GHz pada jarak yang sama, disebabkan oleh kebergantungan \(f^2\) dalam persamaan FSPL. Ini membawa kepada satu pertukaran penting - Walaupun frekuensi yang lebih tinggi membenarkan jalur lebar yang lebih besar (saluran 2 GHz), ia juga memerlukan penempatan stesen pangkalan yang 4 kali lebih padat berbanding julat di bawah 100 GHz. Had ini kini dikurangkan dengan penggunaan bahan terkini seperti dielektrik berkurang kehilangan dan antena meta permukaan, yang membolehkan jalur 90% kecekapan dalam pautan belakang 5G pada frekuensi jalur-E.

Keperluan Laluan Penglihatan untuk Komunikasi yang Boleh Dipercayai

Gelombang milimeter sistem komunikasi (mmW) memerlukan jajaran sempurna antara pemancar dan penerima disebabkan oleh operasi frekuensi tinggi (24–100 GHz). Manakala isyarat frekuensi rendah boleh belau melalui halangan, sehingga 60-90% tenaga mmWave diserap oleh halangan (ITU 2023). Kekangan tersebut menyebabkan LOS tanpa halangan menjadi keadaan penting untuk mencapai kelajuan multigigabit dalam senario 5G/6G.

Kesan Sekatan dari Aktiviti Manusia dan Struktur

Persekitaran bandar memperkenalkan tiga pengganggu LOS utama:

• Halangan statik : Dinding konkrit mengurangkan isyarat mmWave sebanyak 40–60 dB, manakala kaca melemahkan transmisi sebanyak 15–25 dB
• Halangan bergerak : Seorang pejalan kaki sahaja boleh menyebabkan kehilangan isyarat sebanyak 20–35 dB, dengan lalu lintas kenderaan menciptakan gangguan sementara yang berlangsung selama 0.8–3.2 saat
• Dinamik persekitaran : Perubahan musim pada tumbuh-tumbuhan mengubah serapan dedaunan sebanyak 12–18 dB

Kesan-kesan ini menjadi lebih ketara di bandar-bandar yang padat, di mana kebolehadaan LOS purata jatuh kepada 45–72% tanpa intervensi beamforming.

Penyelesaian Beamforming untuk Situasi Bukan LOS

Antena tatasusunan berafas membolehkan kuasa bersihan isotropik setara (EIRP) sebanyak 27 dBm bagi mengelak halangan. Sistem moden mampu mencapai:

• kumpulan antena berunsur 1024 untuk ketepatan lebar pancaran 1.2°
• Penyelarasan semula pancaran kurang daripada 3ms menggunakan ramalan laluan RF berpandukan AI
• kebolehpercayaan NLOS (Bukan Garisan Penglihatan) sebanyak 78% melalui pantulan dinding

Satu kajian infrastruktur komunikasi UAV pada tahun 2024 menunjukkan bagaimana beamforming adaptif mengurangkan kebarangkalian gangguan di bandar sebanyak 63% berbanding antena sektor tetap. Pendekatan ini menggabungkan pemetaan lidar masa nyata dengan perkongsian spektrum dinamik untuk mengekalkan QoS semasa kejadian sekatan.

Teknik Pemodelan Saluran untuk Komunikasi MmWave

mekanisme Penyebaran Ruang Tiga Dimensi

Model ruang 3D yang mempunyai resolusi tinggi adalah perlu untuk sistem komunikasi gelombang milimeter (mmWave) bagi memahami interaksi isyarat dengan elemen-elemen bandar dalam kedua-dua satah pugak dan mendatar. Berbeza dengan model 2D klasik, model ini menggunakan teknik pemodelan statistik untuk meniru kebarangkalian LOS, termasuk saiz bangunan dan halangan berubah mengikut masa dengan contohnya, model Saleh-Valenzuela lanjutan. Kami menunjukkan bahawa model-model ini meramalkan variasi kehilangan belauan sebanyak 12–18 dB bagi pelbagai geometri struktur.

Analisis Lunturan Pelbagai Laluan dan Pantulan

Jangka gelombang pendek mmWave mencipta kelompok pelbagai laluan yang jarang, dengan pantulan mengalami pelemahan sebanyak 6-9 dB berbanding isyarat sub-6 GHz. Kajian di dalam bangunan menunjukkan hanya 20-30% tenaga serakan menyumbang kepada pautan pelbagai laluan yang berkesan, menjadikan model statistik semula jadi yang memberi keutamaan kepada laluan pantulan utama berbanding serakan tidak teratur.

Paradoks Industri: Kompromi Jalur Lebar Tinggi Berbanding Julat Terhad

Walaupun jalur mmWave menawarkan lebar jalur sehingga 400-800 MHz, kehilangan laluan ruang bebas pada 28 GHz adalah 29 dB lebih tinggi berbanding pada 3 GHz. Ini memaksa rangkaian untuk memasang sel kecil pada sela 150-200 meter di kawasan bandar utama—4× lebih padat berbanding sistem berasaskan gelombang mikro—untuk mengekalkan kadar penghantaran gigabit.

Kajian Kes Pemasangan di Kawasan Bandar Sebenar

Satu ujian di metro Madrid menggunakan frekuensi 26 GHz mencapai kebolehpercayaan sebanyak 94% di stesen yang sesak dengan menggabungkan penformasian wajaran dan ramalan halangan secara masa nyata. Walau bagaimanapun, pergerakan pejalan kaki menyebabkan fluktuasi RSS sebanyak 3-5 dB, menunjukkan keperluan adaptasi saluran berpandu AI di ruang awam.

Strategik Stesen Pangkalan Perancangan Rangkaian Komunikasi

Pemilihan Tapak untuk Mengurangkan Gangguan Isyarat

Dengan menempatkan stesen asas secara optimum, tahap gangguan dapat diminimumkan dalam rangkaian gelombang millimeter (mm-wave) di mana isyarat mengalami pelemahan yang sangat cepat disebabkan oleh halangan. Penempatan di persekitaran bandar memerlukan penempatan yang optimum bagi menyelesaikan masalah sekatan persekitaran dan pertindihan isyarat. Dengan model penyebaran yang kompleks, perancang sistem berupaya mengenal pasti kawasan yang meminimumkan gangguan saluran silang dan memaksimumkan kepadatan liputan. Kami mendapati pemilihan lokasi tapak dengan mengambil kira topografi boleh mengurangkan bilangan zon mati sebanyak 45% dan purata diameter sebanyak 24% berbanding jarak seragam. Faktor utama termasuk kepadatan bangunan, perbezaan ketinggian, serta pemetaan infrastruktur sedia ada untuk membenarkan penekanan gangguan tanpa pelaburan tambahan peranti keras.

Trend Masa Depan: Arkitektur Hibridd RF-MmWave

Senibina dwi-jalur yang menggabungkan teknologi mmWave dengan jalur sub-6 GHz didapati sebagai pilihan yang boleh dilaksanakan untuk rangkaian masa depan. Senibina hibrid ini menggabungkan mmWave massive MIMO untuk teras bandar yang padat dengan kelajuan tinggi bersama frekuensi RF bagi liputan luar bandar/pedalaman yang lebih meluas. Protokol pensuisan pintar akan mengagihkan pengguna secara dinamik ke atas jalur berkenaan mengikut profil mobiliti dan perkhidmatan. Sistem ini mengurangkan kepadatan pelaksanaan sebanyak 60% berbanding rangkaian mmWave sahaja dan mengekalkan QoS yang diperlukan apabila berlaku pertukaran rangkaian. Penyelesaian gabungan ini turut menunjukkan potensi yang baik untuk aplikasi IoT industri di mana sambungan berterusan di atas pelbagai jenis medan adalah sangat penting.