Charakterystyka propagacji fal milimetrowych i jej wpływ na komunikację

Podstawy propagacji komunikacji w paśmie fal milimetrowych

Fala milimetrowa komunikacja (mmWave) w pasmach 30–300 GHz jest kluczowym elementem umożliwiającym działanie systemów 5G o wysokim wymaganiu przepustowości. Wykorzystanie szerokopasmowych kanałów (~1 GHz) pozwala tym rozwiązaniom osiągać wielogigabitowe przepustowości, aby zaspokoić rosnące zapotrzebowanie aplikacji o niskim opóźnieniu, takich jak rzeczywistość rozszerzona czy pojazdy autonomiczne. Raport opublikowany w „Nature” w 2023 roku wykazał możliwość osiągnięcia prędkości transmisji 10 Gb/s na odległość 1 km przy zastosowaniu anten kierunkowych, choć charakterystyka propagacyjna znacznie różni się od mikrofal w niższych zakresach częstotliwości.

Straty propagacyjne w przestrzeni swobodnej są proporcjonalne do kwadratu częstotliwości w warunkach przestrzeni swobodnej, co prowadzi do 20–30 dB wyższych strat drogą niż w pasmach poniżej 6 GHz. Problemy środowiskowe na zewnątrz nasilają te trudności – opady deszczu mogą powodować tłumienie rzędu 5-15 dB/km przy 60 GHz, podczas gdy materiały budowlane takie jak beton prowadzą do straty przenikania wynoszącej 40-60 dB. Tłumienie przez roślinność zazwyczaj skutkuje utratą sygnału o wartości 10-20 dB, a inżynierskie rozwiązania innowacyjne są niezbędne, aby osiągnąć taką samą niezawodność jak w obszarze otwartym.

Zaawansowane metody formowania wiązki z użyciem anten z układów fazowanych pokonują ograniczenia propagacji dzięki tworzeniu kierunkowych kanałów transmisji. Te skierowane wiązki pozwalają na wielokrotne wykorzystanie tej samej częstotliwości w przestrzeni i zmniejszenie interferencji – kluczową zaletę w zatłoczonych obszarach miejskich. Najnowsze architektury wykorzystują hybrydowe struktury ortogonalnej modulacji wielu nośnych (OMM) oraz technologii massive MIMO, osiągając inteligentne sieci, które wykorzystują bogactwo częstotliwości pasm mmWave i odporność systemów mikrofalowych, by uzyskać maksymalną przepustowość w locie.

Wpływ środowiska na sygnały komunikacyjne w paśmie milimetrowym

Systemy komunikacji w paśmie milimetrowym (mmWave) napotykają specyficzne wyzwania środowiskowe, które znacząco wpływają na integralność sygnału w różnych scenariuszach operacyjnych.

Mechanizmy tłumienia sygnału indukowanego przez warunki pogodowe

Opady deszczu indukują tłumienie do 20 dB/km przy częstotliwościach 60 GHz, a śnieg i mgła powodują dodatkowe efekty rozpraszania, które zaburzają spójność fazową. Zjawiska pogodowe te w większym stopniu wpływają na połączenia w paśmie mmWave niż na systemy o niższych częstotliwościach ze względu na większą wrażliwość krótszych długości fal na interferencję cząsteczkową.

Wpływ roślinności i tłumienia przy przenikaniu przez budynki

Pomiarów terenowych wykazały, że pojedyncze drzewo może tłumić sygnały mmWave o 35 dB, a gęste liście blokują aż 98% mocy sygnału. Materiały budowlane, takie jak witraże, wykazują straty transmisji na poziomie 40 dB przy 28 GHz – trzy razy wyższe niż przy częstotliwościach mikrofalowych – co wymaga strategicznego planowania sieci w celu pokonania przeszkód konstrukcyjnych.

Problemy związane z osłabieniem sygnału przez deszcz i absorpcją atmosferyczną

Piki absorpcji tlenu przy 60 GHz powodują tłumienie atmosferyczne na poziomie 15 dB/km, a w przypadku intensywnych opadów deszczu w klimacie tropikalnym tłumienie może przekraczać 30 dB/km. Oddziaływanie tych czynników ogranicza praktyczne zasięgi wdrażania, co wymaga adaptacyjnych obliczeń zapasu tłumienia i dynamicznej regulacji mocy.

Modelowanie strat propagacyjnych w komunikacji fal milimetrowych

Modelowanie propagacji w przestrzeni swobodnej vs. w środowisku miejskim

Fale milimetrowe (mmWave) posiadają unikalne właściwości zależne od środowiska. Straty propagacji w przestrzeni swobodnej (FSPL) można wyrazić wzorem odwrotności kwadratu odległości transmisji, \(\frac{1}{R^2}\). Jednakże w obszarach zurbanizowanych kanał wprowadza bardziej złożone interakcje, w wyniku czego wykładniki strat ścieżki mieszczą się w zakresie 2,5–4,5 (LOS) oraz 4,7–9,2 (non-LOS). Stratność liści przy częstotliwości 28 GHz wynosi 6–8 dB/m, a ściany betonowe powodują straty rzędu 40–60 dB. Zasięg mmWave w środowisku miejskim bez formowania wiązki ulega osłabieniu do 150–200 metrów z powodu tych przeszkód, w porównaniu do teoretycznego zasięgu w przestrzeni swobodnej wynoszącego 1–2 km. Adaptacyjne układy antenowe mogą częściowo odzyskać te straty, skierowując moc w stronę toru, dla którego istnieje możliwy do odbioru sygnał, jednak praktyczny zasięg wdrożeń zależy ostatecznie od gęstości przeszkód.

Charakterystyka tłumienia zależna od częstotliwości

Piki absorpcji atmosferycznej przy 24 GHz (spowodowanej parą wodną) i przy 60 GHz (spowodowanej tlenem) powodują dodatkowe tłumienie sygnału w systemach fal milimetrowych na poziomie 0,2–15 dB/km. Tłumienie przez deszcz daje straty od 2 do 8 dB/km w zakresie częstotliwości 30–40 GHz przy umiarkowanym deszczu. Warto zaznaczyć, że sygnały 73 GHz charakteryzują się 1,8-krotnie większym tłumieniem w przestrzeni swobodnej niż sygnały 24 GHz na tych samych odległościach, co wynika z zależności \(f^2\) w równaniach FSPL. To prowadzi do kluczowego kompromisu – mimo że wyższe częstotliwości pozwalają na szersze pasma (kanały 2 GHz), wymagają one także rozmieszczenia stacji bazowych 4 razy gęstszej niż w paśmie poniżej 100 GHz. Obecnie te ograniczenia są łagodzone dzięki zaawansowanym materiałom, takim jak dielektryki o niskich stratach czy anteny metapowierzchniowe, które umożliwiają osiągnięcie sprawności pasm rzędu 90% w łączach mikrofalowych 5G w paśmie E.

Wymagania dotyczące widoczności bezpośredniej dla niezawodnej komunikacji

Fala milimetrowa systemy komunikacji (mmW) wymagają idealnego wyrównania między nadajnikami a odbiornikami z powodu ich pracy na wysokiej częstotliwości (24–100 GHz). Podczas gdy sygnały o niskiej częstotliwości mogą ulegać dyfrakcji wokół przeszkód, aż 60-90% energii z fal milimetrowych zostaje pochłonięte przez przeszkody (ITU 2023). Taki ograniczenie czyni niezakłóconą widoczność (LOS) warunkiem niezbędnym do osiągnięcia wielogigabitowych przepustowości w scenariuszach 5G/6G.

Efekty zakłóceń spowodowane aktywnością ludzką i strukturami

Środowiska miejskie generują trzy główne zakłócenia LOS:

• Przeszkody statyczne : Ściany betonowe zmniejszają sygnały mmWave o 40–60 dB, podczas gdy szyby tłumią transmisję o 15–25 dB
• Przeszkody ruchome : Pojedynczy pieszy może powodować straty sygnału wynoszące 20–35 dB, a ruch uliczny tworzy przerywane outages trwające od 0,8 do 3,2 sekundy
• Zmienność środowiskowa : Sezonowe zmiany wegetacji zmieniają tłumienie liściaste o 12–18 dB

Te efekty nasilają się w gęsto zabudowanych miastach, gdzie dostępność średniego poziomu usług (LOS) spada do 54–72% bez zastosowania technologii formowania wiązki.

Rozwiązania formujące wiązkę dla scenariuszy NLOS (brak bezpośredniej widoczności)

Anteny z układów fazowanych umożliwiają kierowanie wiązką o mocy równoważnej izotropowo promieniowanej (EIRP) 27 dBm, aby ominąć przeszkody. Nowoczesne systemy osiągają:

• klastry antenowe składające się z 1024 elementów zapewniające precyzję szerokości wiązki na poziomie 1,2°
• Ponowne dopasowanie wiązki trwające mniej niż 3 ms dzięki prognozowaniu ścieżki sygnału RF wspieranemu przez sztuczną inteligencję
• wiarygodność transmisji NLOS (brak bezpośredniej widoczności) na poziomie 78% dzięki wykorzystaniu odbić od ścian

Badanie infrastruktury komunikacyjnej dronów (UAV) z 2024 roku wykazało, że adaptacyjne formowanie wiązki zmniejsza prawdopodobieństwo przerw w działaniu w mieście o 63% w porównaniu do tradycyjnych anten sektorowych. Takie podejście łączy mapowanie lidarowe w czasie rzeczywistym z dynamicznym dzieleniem się zakresem częstotliwości, by utrzymać jakość usług (QoS) podczas zakłóceń.

Techniki modelowania kanałów dla komunikacji w paśmie milimetrowym (MmWave)

trójwymiarowe mechanizmy propagacji przestrzennej

Wysoko wydzielone trójwymiarowe modele przestrzenne są konieczne dla systemów komunikacji fal milimetrowych (mmWave), aby zrozumieć interakcje sygnałów z elementami miejskimi zarówno w płaszczyźnie elewacji, jak i azymutu. W przeciwieństwie do klasycznych modeli dwuwymiarowych, wykorzystują one techniki modelowania statystycznego w celu naśladowania prawdopodobieństwa łącza bezpośredniego (LOS), w tym rozmiarów budynków oraz przeszkód zmiennych w czasie, np. za pomocą rozszerzonego modelu Saleha-Valenzueli. Pokazujemy, że te modele przewidują zmienność tłumienia dyfrakcyjnego na poziomie 12–18 dB dla różnych geometrii struktur.

Analiza fadingu wielościeżkowego i odbić

Krótkie fale milimetrowe tworzą rzadkie skupiska ścieżek wielościeżkowych, przy czym odbicia ulegają tłumieniu o 6–9 dB w porównaniu z sygnałami poniżej 6 GHz. Badania w pomieszczeniach wykazują, że jedynie 20–30% rozproszonej energii przyczynia się do możliwych do wykorzystania połączeń wielościeżkowych, co wymaga poprawy modeli statystycznych, które będą stawiać w pierwszym rzędzie dominujące ścieżki odbić, a nie rozproszone rozpraszanie.

Paradoks przemysłowy: kompromis między dużą przepustowością a ograniczonym zasięgiem

Chociaż pasma mmWave oferują pasmo kanału w zakresie 400-800 MHz, ich tłumienie propagacji w wolnej przestrzeni przy 28 GHz jest o 29 dB wyższe niż przy 3 GHz. Wymusza to na sieciach wdrażanie małych komórek co 150-200 metrów w centrach miast — 4× gęściej niż w systemach wykorzystujących mikrofale — aby utrzymać przepustowość na poziomie gigabitów.

Studium przypadku wdrażania w realnym mieście

W trakcie testu w metrze w Madrycie wykorzystującym częstotliwości 26 GHz osiągnięto niezawodność 94% w zatłoczonych stacjach dzięki połączeniu formowania wiązki z predykcją zakłóceń w czasie rzeczywistym. Jednak ruch pieszych powodował fluktuacje poziomu sygnału RSS o 3-5 dB, co podkreśla potrzebę wykorzystania sztucznej inteligencji do adaptacji kanału w przestrzeniach publicznych.

Strategiczne Stacja bazowa Planowanie sieci komunikacyjnych

Wybór lokalizacji w celu ograniczenia zakłóceń sygnału

Optymalne rozmieszczenie stacji bazowych minimalizuje poziom interferencji w sieciach fal milimetrowych, w których sygnały szybko ulegają tłumieniu na skutek przeszkód. Wdrażanie w środowisku miejskim wymaga optymalnego rozmieszczenia, aby rozwiązać problemy związane z zakłócaniem środowiska oraz nakładaniem się sygnałów. Dzięki zaawansowanemu modelowaniu propagacji sygnału planiści systemów mogą dokładnie wskazywać obszary, które minimalizują interferencję międzykanałową i maksymalizują gęstość pokrycia. Stwierdziliśmy, że dobór lokalizacji uwzględniający warunki terenowe może zmniejszyć liczbę stref martwych o 45%, a także średni ich promień o 24% w porównaniu do równomiernego rozmieszczenia. Kluczowymi czynnikami są gęstość zabudowy i różnica wysokości, a także mapowanie istniejącej infrastruktury, co umożliwia tłumienie interferencji bez dodatkowych inwestycji sprzętowych.

Trendy przyszłości: Hybrydowa architektura RF-MmWave

Architektury dual-bandowe integrujące technologię mmWave z pasmami sub-6 GHz ujawniają się jako realne kandydaty na sieci przyszłości. Ta hybrydowa architektura łączy masowe MIMO w paśmie mmWave zapewniające wysoką przepustowość w gęsto zabudowanych obszarach miejskich z częstotliwością RF zapewniającą szerszy zasięg w rejonach podmiejskich/wiejskich. Inteligentne protokoły przełączania dynamicznie przydzielają użytkowników do odpowiednich pasm na podstawie mobilności i profilu usług. System ten zmniejsza gęstość wdrożeń o 60% w porównaniu z siecią wykorzystującą wyłącznie pasmo mmWave i zapewnia wymaganej jakości usług (QoS) podczas przełączania. Okazuje się również, że to rozwiązanie hybrydowe jest obiecujące w zastosowaniach IoT przemysłowego, gdzie ciągła łączność na różnych terenach jest kluczowa.