Характеристики распространения миллиметровых волн и их влияние на связь

Основы распространения сигналов в миллиметровом диапазоне

Миллиметровая волна (mmWave) связь в диапазоне 30-300 ГГц является ключевым фактором для систем 5G, требующих высокой скорости передачи данных. Использование широкополосных (~1 ГГц) каналов позволяет этим технологиям обеспечивать гигабитные скорости передачи для удовлетворения растущих требований приложений с низкой задержкой, таких как дополненная реальность и беспилотные транспортные средства. В отчете Nature за 2023 год было показано достижение скорости передачи 10 Гб/с на расстоянии 1 км с использованием направленных антенн, хотя характеристики распространения миллиметровых волн значительно отличаются от характеристик микроволн на более низких частотах.

Потери сигнала в свободном пространстве пропорциональны квадрату частоты, что в условиях открытого пространства приводит к увеличению потерь на 20–30 дБ по сравнению с диапазонами ниже 6 ГГц. Внешние факторы окружающей среды усиливают эти проблемы — осадки могут вызывать затухание 5-15 дБ/км на частоте 60 ГГц, тогда как строительные материалы, такие как бетон, приводят к потерям при проникновении в 40-60 дБ. Затухание сигнала из-за растительности обычно составляет 10-20 дБ, и требуются инновационные инженерные решения для достижения такой же надежности, как в открытом пространстве.

Современные методы формирования луча с использованием фазированных антенных решеток преодолевают ограничения распространения сигнала за счет создания направленных каналов передачи. Эти направленные лучи позволяют повторно использовать частоту в пространстве и снижать уровень интерференции — это ключевое преимущество в условиях плотной городской застройки. Наиболее современные архитектуры используют гибридные структуры ортогональной многонесущей модуляции (OMM) и массивных MIMO, создавая интеллектуальные сети, которые используют высокую частотную эффективность диапазона ммВ и устойчивость микроволновых систем для достижения максимальной пропускной способности в реальном времени.

Влияние окружающей среды на сигналы связи в диапазоне ммВ

Системы связи в диапазоне миллиметровых волн (ммВ) сталкиваются с уникальными экологическими трудностями, которые существенно влияют на целостность сигнала в различных условиях эксплуатации.

Механизмы затухания сигнала, вызванные погодными условиями

Осадки вызывают затухание до 20 дБ/км на частотах 60 ГГц, а снег и туман создают дополнительные эффекты рассеяния, нарушающие фазовую когерентность. Эти погодные явления в большей степени влияют на каналы связи в диапазоне миллиметровых волн по сравнению с системами, работающими на более низких частотах, из-за повышенной чувствительности коротких волн к интерференции частиц.

Потери сигнала при проникновении через растительность и здания

Полевые измерения показали, что одиночное дерево может ослаблять сигналы миллиметрового диапазона на 35 дБ, а густая листва блокирует 98% силы сигнала. Строительные материалы, такие как цветное стекло, демонстрируют потери передачи на уровне 40 дБ на частоте 28 ГГц — в три раза выше, чем на микроволновых частотах, — что требует стратегического планирования сети для преодоления конструктивных препятствий.

Затухание сигнала от дождя и поглощение в атмосфере

Пики поглощения кислорода на 60 ГГц создают атмосферные потери в 15 дБ/км, а ослабление сигнала от тропического дождя может превышать 30 дБ/км в тяжелых условиях. В совокупности эти эффекты сокращают практические расстояния развертывания, что требует адаптивных расчетов запаса по затуханию и динамической регулировки мощности.

Моделирование потерь на трассе в терагерцовой связи

Свободное пространство против городских моделей распространения

Распространение миллиметровых волн (mmWave) обладает уникальными свойствами в зависимости от окружения. Потери на свободном пути (FSPL) могут быть выражены обратной пропорционально квадрату расстояния передачи, \(\frac{1}{R^2}\). Однако в городской среде канал вызывает более сложные взаимодействия, при которых показатели потерь сигнала находятся в диапазоне 2,5–4,5 (LOS) и 4,7–9,2 (non-LOS). Потери в листьях на частоте 28 ГГц составляют 6–8 дБ/м, а бетонные стены создают потери в 40–60 дБ. Городской радиус действия mmWave без беамформинга ослабляется до 150–200 метров из-за этих препятствий по сравнению с теоретическим максимальным расстоянием в свободном пространстве 1–2 км. Адаптивные антенные решётки могут частично компенсировать эти потери, направляя мощность в сторону путей, где существует жизнеспособный сигнал, но фактические пределы развертывания в конечном итоге определяются плотностью препятствий.

Частотно-зависимые характеристики затухания

Пики атмосферного поглощения на частоте 24 ГГц (из-за водяного пара) и на 60 ГГц (из-за кислорода) создают дополнительные потери в системах миллиметровых волн от 0,2 до 15 дБ/км. Затухание сигнала из-за дождя приводит к ослаблению от 2 до 8 дБ/км в диапазоне от 30 до 40 ГГц при умеренных осадках. Стоит отметить, что сигналы на 73 ГГц испытывают потери в свободном пространстве на 1,8× больше по сравнению с 24 ГГц на одинаковых расстояниях, что обусловлено зависимостью \(f^2\) в уравнениях потерь FSPL. Это приводит к важному компромиссу — хотя более высокие частоты позволяют использовать более широкие полосы (каналы по 2 ГГц), они также требуют размещения базовых станций в 4 раза плотнее, чем в диапазоне ниже 100 ГГц. В настоящее время эти ограничения смягчаются благодаря современным материалам, таким как диэлектрики с низкими потерями и антенны на основе метаповерхностей, которые обеспечивают эффективность 90 % в полосах 5G для обратных связей на E-диапазоне.

Требования прямой видимости для надежной связи

Миллиметровая волна (mmW) системы связи требуют точного выравнивания между передатчиками и приемниками из-за их работы на высоких частотах (24–100 ГГц). В то время как сигналы низкой частоты могут огибать препятствия, до 60–90% энергии mmWave поглощается препятствиями (ITU 2023). Такое ограничение делает беспрепятственное прямое соединение (LOS) необходимым условием для достижения многогигабитной пропускной способности в сценариях 5G/6G.

Эффекты блокировки от человеческой активности и конструкций

В городской среде существует три основных фактора, нарушающих прямое соединение (LOS):

• Статические препятствия : Бетонные стены ослабляют сигналы mmWave на 40–60 дБ, тогда как стекло уменьшает передачу на 15–25 дБ
• Мобильные препятствия : Один пешеход может вызвать потерю сигнала на уровне 20–35 дБ, а транспортный поток создает периодические перебои, длящиеся 0.8–3.2 секунды
• Динамика окружающей среды : Сезонные изменения растительности изменяют затухание листвы на 12–18 дБ

Эти эффекты усиливаются в густо населенных городах, где средняя доступность LOS падает до 54–72% без использования бимформинга.

Решения с использованием бимформинга для условий отсутствия прямой видимости

Фазированные антенные решетки обеспечивают направленное излучение с эквивалентной изотропной мощностью (EIRP) 27 дБм для обхода препятствий. Современные системы обеспечивают:

• антенная система из 1024 элементов обеспечивает точность диаграммы направленности 1,2°
• Перенастройка луча за менее чем 3 мс с использованием прогнозирования радиочастотных путей на основе ИИ
• 78% надежности NLOS (отсутствие прямой видимости) благодаря отражению сигнала от стен

Исследование инфраструктуры связи БПЛА 2024 года показало, что адаптивный бимформинг снижает вероятность перебоев связи в городской среде на 63% по сравнению с антеннами с фиксированной секторизацией. Данный подход сочетает картографирование в реальном времени с помощью лидара и динамическое распределение спектра для поддержания качества обслуживания во время блокировки сигнала.

Методы моделирования каналов для связи в миллиметровом диапазоне

трехмерные механизмы пространственного распространения сигналов

Высокоточные трехмерные пространственные модели необходимы для систем связи в миллиметровом диапазоне (mmWave), чтобы понимать, как сигналы взаимодействуют с элементами городской среды в вертикальной и азимутальной плоскостях. В отличие от классических двумерных моделей, они используют статистические методы моделирования для имитации вероятности прямой видимости (LOS), включая размеры зданий и динамически изменяющиеся препятствия, например, с использованием расширенной модели Салеха-Валенсуэлы. Мы показываем, что эти модели предсказывают вариацию потерь на дифракцию в диапазоне 12–18 дБ для различных геометрий конструкций.

Анализ многолучевого затухания и отражений

Короткие длины волн mmWave создают разреженные скопления многолучевых сигналов, при этом отражения испытывают ослабление на 6–9 дБ по сравнению с сигналами в диапазоне ниже 6 ГГц. Исследования внутри помещений показали, что лишь 20–30% рассеянной энергии способствует формированию жизнеспособных многолучевых соединений, что требует пересмотра статистических моделей, приоритетно учитывающих доминирующие пути отражений вместо диффузного рассеяния.

Парадокс индустрии: компромисс между высокой пропускной способностью и ограниченным радиусом действия

Хотя диапазоны ммВолн обеспечивают ширину канала 400-800 МГц, их потери при распространении в свободном пространстве на частоте 28 ГГц на 29 дБ выше, чем на 3 ГГц. Это заставляет сети разворачивать малые соты с интервалом 150-200 метров в городских центрах — в 4 раза плотнее, чем в системах на основе микроволн, — чтобы обеспечить пропускную способность свыше 1 Гбит/с.

Исследование реального развертывания в городской среде

Испытания в метро Мадрида с использованием частоты 26 ГГц достигли 94% надежности в переполненных станциях за счет комбинации формирования лучей и прогнозирования блокировки в реальном времени. Однако движение пешеходов вызывало колебания уровня сигнала на 3-5 дБ, что подчеркивает необходимость использования ИИ для адаптации каналов связи в общественных местах.

Стратегический Базовая станция Планирование сетей связи

Выбор места для минимизации помех сигналам

Оптимальное размещение базовых станций минимизирует уровень интерференции в сетях миллиметровых волн, где сигналы быстро затухают из-за препятствий. Развертывание в городской среде требует оптимального расположения для устранения проблем блокировки сигнала и его перекрытия. С помощью сложного моделирования распространения сигналов специалисты по планированию систем могут точно определить зоны, где минимизируется взаимная помеха между каналами и максимизируется плотность покрытия. Нами установлено, что выбор мест размещения с учетом особенностей рельефа может снизить количество зон с отсутствием покрытия на 45% и уменьшить средний диаметр зон покрытия на 24% по сравнению с равномерным распределением. Основными факторами являются плотность застройки, перепад высот и нанесение на карту существующих инфраструктурных объектов, чтобы подавлять интерференцию без дополнительных аппаратных вложений.

Перспективные тенденции: гибридные архитектуры СВ-миллиметрового диапазона

Архитектуры с двойной полосой, интегрирующие технологию mmWave с поддиапазонами ниже 6 ГГц, представлены как жизнеспособные кандидаты для будущих сетей. Эта гибридная архитектура объединяет массовые MIMO-системы mmWave для высокопроизводительных плотных городских районов и радиочастоты для более широкого охвата пригородных/сельских зон. Умные протоколы переключения динамически распределяют пользователей по диапазонам в зависимости от их мобильности и профилей услуг. Система уменьшает плотность развертывания на 60% по сравнению с сетью, использующей только mmWave, и сохраняет необходимое качество обслуживания при передаче соединения. Это комбинированное решение также оказывается перспективным для промышленных приложений IoT, где непрерывная связь над различными типами местности является обязательной.