Voortplantingseigenschappen van millimetergolven en hun invloed op communicatie

Basisprincipes van propagatie bij millimetergolfcommunicatie

Millimetergolf (mmWave)-communicatie in de frequentiebanden van 30-300 GHz is een sleuteltechnologie voor 5G-systemen met hoge datasnelheidsvereisten. Het gebruik van brede banden (~1 GHz) stelt deze technieken in staat multigigabit-throughputs te realiseren om aan de toenemende eisen van toepassingen met lage latentie zoals augmented reality en autonome voertuigen te voldoen. Een rapport van Nature uit 2023 liet zien dat mmWave 10 Gbps haalde over 1 km met behulp van richtantennes, hoewel de voortplantingseigenschappen aanzienlijk verschillen van die van microgolven bij lagere frequenties.

Vrije ruimte demping is evenredig met het kwadraat van de frequentie in vrije ruimte, wat leidt tot 20–30 dB hogere dempingsverliezen in vergelijking met sub-6 GHz-banden. Buitenmilieu-problemen verergeren deze problemen—neerslag kan 5-15 dB/km demping induceren bij 60 GHz, terwijl bouwmaterialen zoals beton leiden tot 40-60 dB aan doordringingsverlies. Bladverdamping zorgt meestal voor een signaalverlies van 10-20 dB en innovatieve engineeringoplossingen om dezelfde betrouwbaarheid te bereiken als in een open gebied.

Geavanceerde beamforming-praktijken met phased array-antennes overwinnen propagatiobeperkingen door gerichte transmissiekanaalen te creëren. Deze gerichte stralen maken het mogelijk om frequenties in de ruimte opnieuw te gebruiken en interferentie te verminderen — een belangrijk voordeel in drukke stedelijke omgevingen. De nieuwste architecturen maken gebruik van hybride structuren van orthogonale multicarrier modulatie (OMM) en massive MIMO, waardoor intelligente netwerken ontstaan die het frequentie-royalty van mmWave-banden en de robuustheid van microgolfsystemen benutten om het maximale doorvoervermogen in realtime te realiseren.

Invloed van de omgeving op mmWave communicatiesignalen

Millimetergolf (mmWave) communicatiesystemen lopen unieke milieutechnische uitdagingen op, die de signaalkwaliteit sterk beïnvloeden in verschillende operationele scenario's.

Signaalverzwakkingsmechanismen als gevolg van weersomstandigheden

Regen veroorzaakt tot 20 dB/km attentuatie bij 60 GHz frequenties, terwijl sneeuw en mist aanvullende verstrooieffecten veroorzaken die de fasecoherentie verstoren. Deze weersverschijnselen hebben een disproportioneel grotere impact op mmWave-verbindingen in vergelijking met systemen met lagere frequenties, vanwege de gevoeligheid van kortere golflengtes voor deeltjesinterferentie.

Invloed van vegetatie en doorlatingverlies van gebouwen

Veldmetingen tonen aan dat één boom mmWave-signalen kan attentueren met 35 dB, waarbij dichte begroeiing 98% van de signaalsterkte blokkeert. Bouwmaterialen zoals glas-in-lood vertonen een transmissieverlies van 40 dB bij 28 GHz – driemaal hoger dan bij microgolfrequentie – wat strategisch netwerkplanning vereist om structurele obstakels te overwinnen.

Problemen met regenvading en atmosferische absorptie

Zuurstofabsorptiepieken bij 60 GHz veroorzaken 15 dB/km atmosferische verliezen, waarbij tropische regenverzwakking in ernstige omstandigheden boven de 30 dB/km uitkomt. Deze effecten samen leiden tot beperktere praktische implementatiebereiken, waardoor adaptieve fade margin-berekeningen en dynamische vermogensaanpassingsprotocollen nodig zijn.

Padverliesmodellering in millimetergolfcommunicatie

Vrije ruimte versus stedelijke voortplantingsmodellen

Millimetergolf (mmWave)-voortplanting heeft unieke eigenschappen afhankelijk van de omgeving. Verlies in vrije ruimte (FSPL) kan worden uitgedrukt door het omgekeerde kwadraat van de transmissie-afstand, \(\frac{1}{R^2}\). In stedelijke gebieden echter, voegt het kanaal complexere interacties toe, waarbij de exponenten voor padverlies liggen tussen 2,5–4,5 (LOS) en 4,7–9,2 (niet-LOS). Het verlies door bladeren bij 28 GHz is 6–8 dB/m, en betonnen muren veroorzaken een verlies van 40–60 dB. De reikwijdte van mmWave in stedelijke omgeving zonder beamforming wordt beperkt tot 150–200 meter door deze obstakels, vergeleken met de theoretische vrije-ruimte reikwijdte van 1–2 km. Adaptieve antenne-arrays kunnen dit verlies gedeeltelijk herstellen door het richten van vermogen naar paden waar een bruinbaar signaal aanwezig is, maar de praktische reikwijdte wordt uiteindelijk bepaald door de dichtheid van obstakels.

Frequentie-afhankelijke dempingseigenschappen

Atmosferische absorptiepieken bij 24 GHz (ten gevolge van waterdamp) en bij 60 GHz (ten gevolge van zuurstof) veroorzaken aanvullende verliezen van 0,2–15 dB/km voor millimetergolfsystemen. Regenverzwakking leidt tot een attentuatie van 2–8 dB/km tussen 30–40 GHz bij matige regen. Het is belangrijk op te merken dat signalen van 73 GHz een 1,8× groter vrije-ruimteverlies lijden in vergelijking met 24 GHz over dezelfde afstanden, wat wordt veroorzaakt door de \(f^2\)-afhankelijkheid in de FSPL-vergelijkingen. Dit leidt tot een cruciale afweging – terwijl hogere frequenties bredere bandbreedtes toelaten (2 GHz-kanaalbreedte), vereisen zij ook basisstationimplementaties die 4× dichter zijn dan in het bereik onder 100 GHz. Deze beperkingen worden tegenwoordig verminderd door geavanceerde materialen, zoals lage-verlies dielektrica en meta-oppervlakte-antennes, die 90\% efficiënte banden mogelijk maken in 5G-backhaul-verbindingen bij E-bandfrequenties.

Zichtlijneisen voor betrouwbare communicatie

Millimetergolf (mmW) communicatiesystemen vereisen perfecte uitlijning tussen zenders en ontvangers vanwege hun werking op hoge frequentie (24–100 GHz). Terwijl lagefrequentie-signalen obstakels kunnen diffracteren, wordt tot 60-90% van de mmWave-energie door obstakels geabsorbeerd (ITU 2023). Deze beperking maakt onbelemmerd zichtcontact (LOS) tot een essentiële voorwaarde om de multigigabit-throughput in 5G/6G-scenario's te realiseren.

Blokkeereffecten veroorzaakt door menselijke activiteit en structuren

Stedelijke omgevingen kennen drie belangrijkste verstoorde LOS-factoren:

• Statische obstakels : Betonnen muren verlagen mmWave-signalen met 40–60 dB, terwijl glas de transmissie verzwakt met 15–25 dB
• Mobiele obstakels : Een enkele voetganger kan een signaalverlies van 20–35 dB veroorzaken, waarbij verkeersdrukte tijdelijke uitvalperiodes creëert die 0,8–3,2 seconden duren
• Milieudynamiek : Seizoensgebonden veranderingen in vegetatie veranderen de bladverzwakking met 12–18 dB

Deze effecten versterken zich in dichte steden, waar de beschikbaarheid van de gemiddelde LOS daalt tot 54-72% zonder beamforming-interventies.

Beamformingsystemen voor NLOS-scenario's

Fased-array-antennes bieden 27 dBm equivalent isotropisch uitgestraalde vermogen (EIRP) beamsteering om obstakels te omzeilen. Moderne systemen behalen:

• 1024-elementantenneclusters voor 1,2° nauwkeurigheid van de straalbreedte
• Sub-3ms-stralingsrealignment met gebruik van AI-gestuurde RF-padvoorspelling
• 78% NLOS-betrouwbaarheid (Non-Line-of-Sight) via reflecties tegen muren

Een studie over UAV-communicatie-infrastructuren uit 2024 toonde aan hoe adaptief beamforming de uitvalkans in stedelijke gebieden met 63% reduceert vergeleken met vaste sectorantennes. Deze aanpak combineert real-time lidar-kartering met dynamische spectrumdeling om QoS te behouden tijdens uitvalperiodes.

Kanaalmodelleringsmethoden voor millimetergolfcommunicatie

3D ruimtelijke voortplantingsmechanismen

Voor millimetergolf (mmWave)-communicatiesystemen zijn hoogwaardige 3D-ruimtelijke modellen nodig om signaalinteracties met stedelijke elementen in zowel het elevatie- als azimutvlak te begrijpen. In tegenstelling tot klassieke 2D-modellen gebruiken zij statistische modelleringsmethoden om de kans op directe zichtverbinding (LOS) na te bootsen, inclusief gebouwgrootte en tijdsvariërende obstakels met bijvoorbeeld het uitgebreide model van Saleh-Valenzuela. We tonen aan dat deze modellen een variatie in diffractieverlies van 12–18 dB voorspellen voor verschillende structuurmeetkundes.

Multipad fading- en reflectie-analyse

De korte golflengten van mmWave zorgen voor spaarzame multipadclusters, waarbij reflecties een verzwakking van 6-9 dB ondervinden in vergelijking met sub-6 GHz-signalen. Binnenstudies tonen aan dat slechts 20-30% van de verstrooide energie bijdraagt aan bruikbare multipadverbindingen, wat noodzakelijk maakt om de statistische modellen aan te passen, waarbij dominante reflectiepaden boven diffuse verstrooiing prioriteit krijgen.

Industrieel paradox: trade-off tussen hoge bandbreedte en beperkt bereik

Hoewel mmWave-banden 400-800 MHz kanaalbandbreedte bieden, is hun verlies aan vrije ruimte bij 28 GHz 29 dB hoger dan bij 3 GHz. Hierdoor zijn netwerken gedwongen kleine cellen te plaatsen met intervallen van 150-200 meter in stedelijke centra — 4× dichter dan microgolfgebaseerde systemen — om een gigabit doorvoersnelheid te behouden.

Case Study over Stedelijke Implementatie in de Praktijk

Een proefproject in de metro van Madrid met gebruik van 26 GHz frequenties bereikte 94% betrouwbaarheid in drukke stations door beamforming te combineren met voorspelling van blokkeringen in real-time. Echter, beweging van voetgangers veroorzaakte RSS-schommelingen van 3-5 dB, wat de noodzaak benadrukt van AI-gestuurde kanaalaanpassing in openbare ruimtes.

Strategisch Basisstation Planning voor Communicatienetwerken

Selectie van locaties om signaalinterferentie te verminderen

Door de basisstations optimaal te plaatsen, wordt het interferentieniveau geminimaliseerd in mm-wave netwerken, waar signalen zeer snel afzwakken door obstakels. Implementatie in een stedelijke omgeving vereist een optimale plaatsing om problemen met blokkering en overlapping van signalen op te lossen. Met complexe propagatiemodellering kunnen systeemplanners gebieden identificeren die cross-channel interferentie minimaliseren en de dekkingsdichtheid maximaliseren. We constateren dat locatieselectie met inachtneming van het terrein het aantal dead zones met 45% kan verminderen en de gemiddelde diameter met 24% in vergelijking met een gelijkmatige afstand. Sleutelfactoren zijn de dichtheid van gebouwen en het verschil in hoogte, en de in kaart brengen van bestaande infrastructuur die al bestaat, zodat interferentie kan worden onderdrukt zonder extra hardware-investeringen.

Toekomstige trends: Hybride RF-MmWave-architecturen

Architecturen met dual-band die mmWave-technologie combineren met sub-6 GHz-banden blijken geschikt te zijn voor toekomstige netwerken. Deze hybride architectuur combineert mmWave massive MIMO voor hoge doorvoer in dichtbevolkte stedelijke kernen met RF-frequentie voor grotere dekking in voorstedelijke\/rurale gebieden. Slimme schakelprotocollen wijzen gebruikers dynamisch toe op de verschillende banden, afhankelijk van mobiliteit en serviceprofielen. Het systeem vermindert de benodigde implementatiedichtheid met 60% vergeleken met een alleen mmWave-netwerk en behoudt de vereiste QoS tijdens handover. Deze gecombineerde oplossing blijkt ook veelbelovend voor industriële IoT-toepassingen waarbij continue connectiviteit over verschillende terreinen essentieel is.