Caracteristici de propagare ale undelor milimetrice și impactul acestora asupra comunicației

Fundamentele propagării comunicațiilor în unde milimetrice

Vală milimetrică comunicația (mmWave) în benzile de 30-300 GHz este un factor esențial pentru sistemele 5G care necesită debite mari de date. Utilizarea canalelor largi (~1 GHz) permite acestor abordări să ofere viteze de peste mai mulți gigabiți pe secundă pentru a satisface cerințele în creștere ale aplicațiilor cu latență redusă, cum ar fi realitatea augmentată și vehiculele autonome. Un raport din 2023 publicat de Nature a demonstrat eficiența mmWave la 10 Gbps pe o distanță de 1 km folosind antene direcționale, deși caracteristicile de propagare sunt semnificativ diferite față de microundele utilizate la frecvențe mai joase.

Pierderile de cale în spațiu liber sunt proporționale cu pătratul frecvenței în spațiu liber, ceea ce duce la pierderi de cale cu 20–30 dB mai mari comparativ cu benzile sub-6 GHz. Problemele legate de mediul exterior agravează aceste probleme — precipitațiile pot induce o atenuare de 5-15 dB/km la 60 GHz, iar materialele de construcție precum betonul duc la pierderi prin penetrare de 40-60 dB. Atenuarea cauzată de vegetație duce, în mod normal, la o pierdere a semnalului de 10-20 dB, necesitând soluții inginerești inovatoare pentru a atinge aceeași fiabilitate ca într-o zonă deschisă.

Practici avansate de formare a fascicolelor cu antene în fază depășesc restricțiile de propagare prin stabilirea unor canale de transmisie direcționate. Aceste fascicole direcționate permit reutilizarea frecvenței în spațiu și reducerea interferențelor – un beneficiu esențial în implementările din zonele urbane aglomerate. Cele mai recente arhitecturi folosesc structuri hibride ale modulației multicarrier ortogonale (OMM) și MIMO masiv, realizând rețele inteligente, care valorifică bogăția frecvenței benzilor mmWave și robustețea sistemelor microwave pentru a obține debitul maxim în timp real.

Impactul asupra mediului al semnalelor de comunicații în banda mmWave

Sistemele de comunicații în banda milimetrică (mmWave) se confruntă cu provocări unice legate de mediu, care afectează semnificativ integritatea semnalului în diferite scenarii operaționale.

Mecanisme de atenuare a semnalului induse de condițiile meteo

Precipitațiile induc o atenuare de până la 20 dB/km la frecvențele de 60 GHz, iar zăpada și ceața produc efecte suplimentare de împrăștiere care perturbă coerența de fază. Aceste fenomene meteorologice afectează în mod disproporționat legăturile mmWave comparativ cu sistemele de frecvență mai joasă datorită sensibilității lungimilor de undă mai scurte la interferențele cauzate de particule.

Efectele pierderilor prin vegetație și penetrarea clădirilor

Măsurătorile din teren arată că un singur copac poate atenua semnalele mmWave cu 35 dB, iar frunzișul dens poate bloca 98% din puterea semnalului. Materialele de construcție precum sticla colorată au o pierdere de transmisie de 40 dB la 28 GHz – de trei ori mai mare decât la frecvențele microundelor – ceea ce necesită o planificare strategică a rețelei pentru a depăși obstacolele structurale.

Probleme privind atenuarea datorită ploii și absorbția atmosferică

Vârfurile de absorbție ale oxigenului la 60 GHz creează o atenuare atmosferică de 15 dB/km, iar atenuarea datorită ploii tropicale poate depăși 30 dB/km în condiții severe. Aceste efecte se combină și reduc razele practice de desfășurare, necesitând calcule adaptive ale marginii de fading și protocoale de ajustare dinamică a puterii.

Modelarea pierderilor de traseu în comunicațiile cu unde milimetrice

Modele de propagare în spațiu liber vs. propagare urbană

Propagarea undelor milimetrice (mmWave) posedă proprietăți unice în funcție de mediu. Pierderea de cale în spațiu liber (FSPL) poate fi exprimată prin inversul pătratului distanței de transmisie, \(\frac{1}{R^2}\). Totuși, în zonele urbane canalul introduce interacțiuni mai complexe, astfel încât exponenții de pierdere pe traseu se situează între 2,5–4,5 (LOS) și 4,7–9,2 (non-LOS). Atenuarea produsă de frunze la 28 GHz este de 6–8 dB/m, iar pereții de beton produc o pierdere de 40–60 dB. Raza urbană a undelor mmWave, fără formare de fascicul, este atenuată la 150–200 de metri din cauza acestor obstacole, comparativ cu raza teoretică în spațiu liber de 1–2 km. Relele adaptive de antene pot recupera parțial această pierdere dirijând puterea către traseele pe care există un semnal viabil, dar razele practice de acoperire depind în final de densitatea obstacolelor.

Caracteristici de atenuare dependente de frecvență

Pierderile suplimentare pentru sistemele mmWave sunt cauzate de vârfurile de absorbție atmosferică la 24 GHz (datorită vaporilor de apă) și la 60 GHz (datorită oxigenului), care variază între 0,2–15 dB/km. Atenuarea datorită ploii produce o pierdere de 2–8 dB/km între 30–40 GHz în condiții de ploaie moderată. Este important de menționat că semnalele de 73 GHz suferă pierderi în spațiul liber cu 1,8× mai mari decât cele de 24 GHz la aceeași distanță, ceea ce este cauzat de dependența \(f^2\) din ecuațiile FSPL. Acest lucru conduce la un compromis esențial – Deși frecvențele mai mari permit lățimi de bandă mai largi (canale de 2 GHz), ele necesită și o densitate a stațiilor de bază de 4 ori mai mare comparativ cu banda sub 100 GHz. Aceste limitări sunt în prezent diminuate prin utilizarea unor materiale avansate, cum ar fi dielectricii cu pierderi reduse și antene metasurface, care permit obținerea unor benzi cu eficiență de 90\% în legăturile de backhaul 5G la frecvențe din banda E.

Cerințe privind linia de vizibilitate pentru o comunicație fiabilă

Vală milimetrică sistemele de comunicație (mmW) necesită o aliniere perfectă între transmițători și receptoare din cauza funcționării lor la frecvență înaltă (24–100 GHz). În timp ce semnalele de joasă frecvență pot difracta în jurul obstacolelor, până la 60–90% din energie din semnalele mmWave este absorbită de obstacole (ITU 2023). O astfel de limitare face ca linia de vedere neîntreruptă (LOS) să fie o condiție esențială pentru atingerea unui debit de date multigigabit în scenariile 5G/6G.

Efectele blocării cauzate de activitatea umană și de structuri

Mediile urbane introduc trei factori principali care perturbă linia de vedere (LOS):

• Obstacole statice : Pereții de beton reduc semnalele mmWave cu 40–60 dB, iar geamurile atenuează transmisia cu 15–25 dB
• Obstacole mobile : Un singur pieton poate cauza o pierdere de semnal de 20–35 dB, iar traficul rutier creează întreruperi intermittente care durează între 0,8 și 3,2 secunde
• Dinamica mediului înconjurător : Schimbările sezoniere ale vegetației modifică atenuarea frunzișului cu 12–18 dB

Aceste efecte se amplifică în orașele dens populate, unde disponibilitatea medie a LOS scade la 54–72% fără intervenții de tip beamforming.

Soluții de Beamforming pentru scenarii fără vizibilitate directă (NLOS)

Antenele cu fazare electronică permit o putere echivalentă izotropă radiată (EIRP) de 27 dBm, cu capacitatea de a direcționa fascicole pentru a ocoli obstacolele. Sistemele moderne realizează:

• configurații de antene cu 1024 de elemente pentru o precizie a lățimii de fascicul de 1,2°
• Realiniere a fasciculului în sub-3ms folosind o predicție AI a traseului RF
• o fiabilitate NLOS (Non-Line-of-Sight) de 78% prin reflexii pe pereți

Un studiu din 2024 privind infrastructura de comunicații UAV a demonstrat cum beamforming-ul adaptiv reduce probabilitatea de întrerupere în mediul urban cu 63% comparativ cu antenele cu sectoare fixe. Această abordare combină cartografierea lidar în timp real cu împărțirea dinamică a spectrului pentru a menține calitatea serviciului (QoS) în timpul evenimentelor de blocare.

Tehnici de modelare a canalului pentru comunicații în banda mmWave

mecanisme 3D de propagare spațială

Modelele spațiale 3D cu înaltă rezoluție sunt necesare pentru a înțelege interacțiunile semnalelor cu elementele urbane în sistemele de comunicații în banda milimetrică (mmWave), atât în planul vertical, cât și în cel orizontal. Spre deosebire de modelele clasice 2D, acestea folosesc tehnici de modelare statistică pentru a emula probabilitatea de propagare în linie directă (LOS), inclusiv dimensiunile clădirilor și obstacolele variabile în timp, de exemplu, cu modelul extins Saleh-Valenzuela. Demonstrăm că aceste modele prevăd o variație a pierderilor prin difracție de 12–18 dB pentru diferite geometrii ale structurilor.

Analiza fadingului multipath și a reflexiilor

Lungimile de undă scurte ale mmWave creează clustere multipath rare, iar reflexiile suferă o atenuare de 6–9 dB comparativ cu semnalele sub-6 GHz. Studiile din interior arată că doar 20–30% din energia împrăștietă contribuie la legături multipath viabile, ceea ce impune revizuirea modelelor statistice astfel încât să fie prioritarizate traseele dominante de reflexie față de împrăștierea difuză.

Paradox industrial: Compromisul dintre lățimea mare de bandă și raza limitată

Deși benzile mmWave oferă lățimi de bandă ale canalelor de 400-800 MHz, pierderile lor de propagare în spațiul liber la 28 GHz sunt cu 29 dB mai mari decât la 3 GHz. Acest lucru îi forțează pe operatori să deployeze celule mici la intervale de 150-200 de metri în zonele urbane — de 4 ori mai dense decât sistemele bazate pe microunde — pentru a menține un debit de gigabit.

Studiu de Caz pentru Implementarea Urbană Reală

Un test realizat în metroul din Madrid folosind frecvențe de 26 GHz a obținut o fiabilitate de 94% în stații aglomerate prin combinarea tehnologiei beamforming cu predicția blocării în timp real. Cu toate acestea, mișcarea pietonilor a provocat fluctuații ale RSS de 3-5 dB, evidențiind necesitatea unei adaptări AI a canalului în spațiile publice.

Strategic Staţia de bază Planificarea Rețelelor de Comunicații

Selectarea Locației pentru a Reduce Interferențele Semnalului

Prin plasarea optimă a stațiilor de bază, nivelul interferențelor este minimizat în rețelele mm-wave, unde semnalele se atenuează foarte repede din cauza obstacolelor. Implementarea în mediul urban necesită o amplasare optimă pentru a rezolva problemele de blocare și suprapunere a semnalului. Prin modelarea complexă a propagării semnalelor, planificatorii de sistem pot identifica zonele care minimizează interferențele intercanal și maximizează densitatea acoperirii. Am constatat că selecția locațiilor având în vedere relieful poate reduce numărul zonelor fără acoperire cu 45% și diametrul mediu cu 24% comparativ cu o distribuire uniformă. Factorii cheie sunt densitatea clădirilor, diferența de elevație și cartografierea infrastructurii existente pentru a permite suprimarea interferențelor fără investiții suplimentare de hardware.

Trenduri viitoare: Arhitecturi hibride RF-MmWave

Arhitecturile cu benzi duble care integrează tehnologia mmWave cu benzile sub-6 GHz se dovedesc a fi soluții viabile pentru rețelele viitoare. Această arhitectură hibridă combină tehnologia mmWave massive MIMO pentru zone urbane dens populate cu frecvențe RF pentru o acoperire mai largă în zone suburbane/rurale. Protocoalele inteligente de comutare alocă utilizatorii pe benzi dinamic, în funcție de mobilitate și profilul serviciilor. Sistemul reduce densitatea de implementare cu 60% comparativ cu o rețea bazată exclusiv pe mmWave și păstrează calitatea serviciului (QoS) necesară în momentul transferului (handover). Această soluție combinată se dovedește de asemenea promițătoare pentru aplicații IoT industriale, unde conectivitatea continuă pe diferite tipuri de teren este esențială.