Lastnosti širjenja milimetrskih valov in njihov vpliv na komunikacijo

Osnove širjenja komunikacije milimetrskih valov

Milimetrski val (mmWave) komunikacija v pasovih 30-300 GHz je ključni dejavnik za podatkovno zmogljive 5G sisteme. Uporaba širokopasovnih kanalov (~1 GHz) omogoča temu pristopu večgigabitne prevzemne zmogljivosti, da bi ustrezli naraščajočim zahtevam aplikacij z nizko zakasnitvijo, kot so povečana resničnost in avtonomna vozila. Znanstveno poročilo v reviji Nature leta 2023 je pokazalo mmWave s hitrostjo 10 Gbps na razdalji 1 km z uporabo usmerjenih anten, čeprav so lastnosti širjenja precej drugačne v primerjavi z mikrovalovi pri nižjih frekvencah.

Izguba pri prostorskih valovanjih je sorazmerna s kvadratom frekvence v prostem prostoru, kar vodi do 20–30 dB višjih izgub po poti v primerjavi s pod-6 GHz pasovi. Zunanji okoljski dejavniki težijo težave—padavine lahko povzročijo utlajanje 5–15 dB/km pri 60 GHz, medtem ko gradbene materiale, kot je beton, povzročajo 40–60 dB izgube pri prepenjanju. Rastlinsko porajanje normalno povzroča izgubo signala 10–20 dB ter inovativne inženirske rešitve za zagotavljanje enake zanesljivosti kot v jasnem območju.

Napredne tehnike usmerjanja žarkov z faznimi antenskimi matrikami premagujejo omejitve širjenja signala tako, da vzpostavijo usmerjene prenosne kanale. Ti usmerjeni žarki omogočajo ponovno uporabo frekvence v prostoru in zmanjšajo motnje – ključna prednost v gosto poseljenih mestnih okoljih. Najnovejše arhitekture izkoriščajo hibridne strukture ortogonalne večnosilne modulacije (OMM) in masivnega MIMO, s čimer se dosegajo inteligentne mreže, ki izkoriščajo bogatost frekvenc milimetrskih valov in odpornost mikrovalovnih sistemov za takojšen maksimalen pretok podatkov.

Vpliv okolja na signale komunikacij v pasu milimetrskih valov

Komunikacijski sistemi v pasu milimetrskih valov (mmWave) se soočajo z edinstvenimi okoljskimi izzivi, ki močno vplivajo na integriteto signala v različnih operativnih scenarijih.

Mehanizmi oslabljanja signala zaradi vremenskih vplivov

Padavine povzročajo do 20 dB/km dušenja pri frekvencah 60 GHz, pri čemer sneženje in megla povzročata dodatne učinke sipanja, ki motijo fazno koherenco. Te vremenske pojave neenakomerno vplivajo na povezave mmWave v primerjavi z nizkopasovnimi sistemi zaradi občutljivosti krajših valovnih dolžin na delcevje.

Učinki dušenja zaradi rastlinja in predrugačenja skozi zgradbami

Meritve v terenu razkrivajo, da posamezno drevo lahko duši signale mmWave za 35 dB, gost listje pa blokira 98 % moči signala. Gradbeni materiali, kot je barvno steklo, kažejo prenosno izgubo 40 dB pri 28 GHz – kar je trikrat več kot pri mikrovalovnih frekvencah – kar zahteva strategično načrtovanje omrežja za premostitev strukturnih ovir.

Učinki zmanjšanja signala zaradi dežja in atmosferskega absorpcije

Oksigenov absorpcijski vrh pri 60 GHz povzroči 15 dB/km atmosferskih izgub, pri čemer se v težjih pogojih izgube zaradi tropskega dežja lahko povečajo nad 30 dB/km. Ti efekti skupaj zmanjšujejo praktične razpone naseljevanja in zahtevajo prilagodljivo izračunavanje meje utopitve ter dinamično prilagajanje moči.

Modeliranje izgub na poti pri milimetrskem valovanju

Prostorske izgube v primerjavi z urbanimi modeli širjenja

Razširjanje milimetrskega valovanja (mmWave) ima edinstvene lastnosti glede na okolje. Izhodni izgube v prostoru (FSPL) izrazimo z inverzom kvadrata oddajne razdalje, \(\frac{1}{R^2}\). V mestnem območju pa kanal povzroča bolj kompleksne interakcije, pri katerih so eksponenti izgub poti v območju 2,5–4,5 (LOS) in 4,7–9,2 (non-LOS). Izgube zaradi listja pri 28 GHz so 6–8 dB/m, betonski zidovi pa povzročajo izgube 40–60 dB. Domet urbanega mmWave brez beamforminga zaradi teh ovir znaša 150–200 metrov, kar je v primerjavi s teoretičnim prostorskim dometom 1–2 km močno zmanjšano. Prilagodljive antenske matrike lahko delno nadomestijo te izgube z usmerjanjem moči proti potem, kjer obstaja uporabni signal, vendar je praktični doseg končno odvisen od gostote ovir.

Frekvenčno-odvisne karakteristike dušenja

Atmosferska absorpcija, ki dosegla vrh ob 24 GHz (zaradi vodne pare) in ob 60 GHz (zaradi kisika), povzroči dodatne izgube 0,2–15 dB/km za sisteme milimetrskih valov. Utežni padec zaradi padavin povzroča utopitev 2–8 dB/km med 30–40 GHz pri zmernem dežju. Omeniti velja, da signali na 73 GHz trpijo 1,8× večjo izgubo prostega prostora v primerjavi s tisto pri 24 GHz na enakih razdaljah, kar je posledica odvisnosti \(f^2\) v enačbah FSPL. To vodi do pomembnega kompromisa – čeprav višje frekvence omogočajo širše pasove (kanali po 2 GHz), zahtevajo tudi postavitve baznih postaj, ki so 4× gostejše kot v območju pod 100 GHz. Te omejitve so danes zmanjšane zaradi naprednih materialov, kot so nizkotrdni dielektriki in metapovršinske antene, ki omogočajo pasove z učinkovitostjo 90\% za 5G vratne povezave v E-traku.

Zahteva vidnega dostopa za zanesljivo komunikacijo

Milimetrski val (mmW) komunikacijski sistemi zahtevajo popolno poravnavo med oddajniki in prejemniki zaradi njihovega visokofrekvenčnega delovanja (24–100 GHz). Medtem ko nizkofrekvenčni signali lahko difraktirajo okoli ovir, do 60–90 % energije iz mmWave se absorbira v ovirah (ITU 2023). Takšna omejitev naredi neoviran vidni dostop (LOS) za pogoj za doseganje večgigabitne propusnosti v 5G/6G scenarijih.

Učinki prekrivanja zaradi človeške aktivnosti in struktur

Urbani okolji predstavljata tri glavne motnje LOS-a:

• Statične ovire : Betonske stene zmanjšajo mmWave signale za 40–60 dB, steklo pa prepreči prenos za 15–25 dB
• Mobilne ovire : En sam pešec lahko povzroči izgubo signala 20–35 dB, promet vozil pa ustvarja prekinjene izpade, ki trajo 0,8–3,2 sekunde
• Dinamika okolja : Sezonske spremembe vegetacije spremenijo dušenje listja za 12–18 dB

Ti učinki se povečujejo v gostih mestih, kjer se povprečna razpoložljivost LOS zmanjša na 54–72 % brez intervencij s tehnologijo beamforming.

Rešitve za usmerjanje žarkov pri scenarijih brez direktnega vidnega dostopa (NLOS)

Fazirane antenske rešetke omogočajo usmerjanje moči sevanja (EIRP) 27 dBm za obvoz ovir. Sodobni sistemi dosegajo:

• antenske skupine s 1024 elementi za natančnost širine žarka 1,2°
• Ponastavitev žarka v manj kot 3 ms z uporabo napovedovanja RF poti na podlagi umetne inteligence
• zanesljivost NLOS (brez direktnega vidnega dostopa) do 78 % prek odbojev od sten

Raziskava infrastrukture za komunikacijo UAV iz leta 2024 je pokazala, kako prilagodljivo usmerjanje žarkov zmanjša verjetnost izpada v mestnih območjih za 63 % v primerjavi s fiksnimi sektorskimi antenami. Ta pristop združuje kartiranje v realnem času s pomočjo lidarja in dinamično delitev spektra za ohranjanje kakovosti storitve (QoS) med dogodki, ki povzročajo prekinitev signala.

Tehnike modeliranja kanala za komunikacijo v milimetrskem valovnem pasu (MmWave)

tridimenzionalni mehanizmi širjenja signalov v prostoru

Za sisteme za komunikacijo na milimetrskih valovih (mmWave) so potrebni visokorazločni 3D prostorski modeli, da bi razumeli interakcije signalov z mestnimi elementi v ravninah višine in azimuta. Za razliko od klasičnih 2D modelov uporabljajo statistične modelne tehnike za posnemanje verjetnosti LOS, vključno z velikostmi stavb in časovno spremenljivimi ovirami, npr. z razširjenim modelom Saleh-Valenzuela. Pokažemo, da ti modeli napovedujejo variacijo izgube zaradi uklona 12–18 dB za različne geometrije struktur.

Analiza multipotne utrujenosti in odseva

Kratke valovne dolžine mmWave povzročajo redke multipotne skupine, pri čemer se odsevi zmanjšajo za 6–9 dB v primerjavi s pod-6 GHz signali. Študije v notranjštvu kažejo, da le 20–30 % razpršene energije prispeva k uporabnim multipotnim povezavam, kar zahteva sprevod statističnih modelov, ki dajo prednost dominantnim odsevnim potezam pred difuznim razprševanjem.

Industrijski paradoks: Visoka pasovna širina v nasprotju s kompromisi pri omejenem dosegu

Čeprav pasovi mmWave omogočajo pasovno širino kanala 400-800 MHz, je pri 28 GHz prostorski izgube poti 29 dB višje kot pri 3 GHz. Zaradi tega morajo omrežja v mestnih jedrih namestiti majhne celice na razmaku 150–200 metrov – kar je 4× gostejše kot pri mikrovalovnih sistemih – za ohranjanje gigabitne propusnosti.

Primerjalna študija o resnični uporabi v mestnem okolju

V Madridu je preizkus s frekvencami 26 GHz dosegel 94 % zanesljivost v polnih postajah z uporabo kombinacije usmerjenega oddajanja in napovedovanja ovir v realnem času. Vendar so se zaradi gibanja pešcev pojavile nihanja RSS-a med 3–5 dB, kar poudarja potrebo po prilagoditvi kanala, ki jo omogoča umetna inteligenca v javnih prostorih.

Strateški Bazna postaja Načrtovanje komunikacijskih omrežij

Izbira lokacije za zmanjšanje motenj signala

Z optimalno postavitvijo baznih postaj je nivo motenj zmanjšan v mm-valovnih omrežjih, kjer se signali zaradi ovir zelo hitro slabijo. Namestitev v mestnem okolju zahteva optimalno postavitev za odpravo težav s prekrivanjem in blokado signala. S kompleksnim modeliranjem širjenja lahko načrtovalec sistema določi območja, ki zmanjšujejo medkanalske motnje in maksimizirajo gostoto pokritosti. Ugotovili smo, da bi izbira lokacij ob upoštevanju reliefa zmanjšala število mrtvih con za 45 % in povprečni premer teh con za 24 % v primerjavi z enakomerno razdaljo med postajami. Ključni dejavniki so gostota stavb, višinska razlika ter preslikava obstoječe infrastrukture, kar omogoča potiskanje motenj brez dodatnih stroškov za strojno opremo.

Prihodnji trendi: Hibrídne RF-MmWave arhitekture

Dvojni arhitekturi, ki združujeta tehnologijo mmWave in pod-6 GHz pasove, se kažeta kot izvedljivi kandidati za prihodnje mreže. Ta hibridna arhitektura združuje masivni MIMO v mmWave pasu za visok pretok v gostih mestnih jedrih z RF frekvenco za širšo pokritost v predmestnih/kmečkih območjih. Pametni protokoli za preklapljanje dinamično dodeljujejo uporabnike na različne pasove glede na mobilnost in profile storitev. Sistem zmanjša gostoto namestitve za 60 % v primerjavi z mrežo, ki uporablja samo mmWave, in ohranja zahtevano kakovost storitve ob izvedbi preklapljanja. Ta kombinirana rešitev se kaže tudi kot obetavna za industrijske IoT aplikacije, kjer je neprekinjena povezljivost preko različnih terenov ključna.