Karakteristike prostiranja milimetarskih talasa i njihov uticaj na komunikaciju

Основе ширења милиметарних таласа у комуникацији

Milimetarski talas (mmWave) комуникација у опсезима од 30-300 GHz кључни је фактор за системе 5G који захтевају високе брзине преноса података. Коришћење широких опсега (~1 GHz) омогућава овим приступима да обезбеде мултигигабитне пропусности како би задовољили растуће захтеве апликација са ниским кашњењем као што су аугментирана реалност и аутономна возила. Извештај часописа Nature из 2023. године показао је mmWave брзине од 10 Gbps на удаљености од 1 km коришћењем директивних антена, иако су карактеристике ширења доста другачије у односу на микроталасе на нижим фреквенцијама.

Gubitak slobodnog prostora proporcionalan je kvadratu frekvencije u slobodnom prostoru, što dovodi do 20–30 dB većih gubitaka u odnosu na opsege ispod 6 GHz. Spoljašni okolinski faktori pogoršavaju ove probleme – padavine mogu izazvati slabljenje signala od 5-15 dB/km na 60 GHz, dok materijali kao što je beton izazivaju 40-60 dB gubitka pri prodoru kroz zidove. Vegetacija normalno izaziva gubitak signala od 10-20 dB, pa su potrebna inovativna inženjerska rešenja kako bi se postigla ista pouzdanost kao i u otvorenom prostoru.

Напредне методе фокусирања сигнала коришћењем фазираних антенских низова превазилазе ограничења у ширењу сигнала тако што успостављају усмерене канеле за пренос. Ови усмерени снопови омогућавају поновну употребу фреквенције у простору и смањење интерференције — кључна предност у густо насељеним урбаним срединама. Најновије архитектуре користе хибридне структуре ортогоналне модулације више носећих фреквенција (OMM) и масивног MIMO система, чиме се постижу интелигентне мреже које искоршћавају богатство фреквенција mmWave опсега и отпорност микроталасних система ради постизања максималног протока података у реалном времену.

Утицај животне средине на сигнале у mmWave комуникацијама

Системи за комуникацију у милиметарном опсегу таласа (mmWave) су изложени специфичним еколошким изазовима који значајно утичу на интегритет сигнала у различитим оперативним условима.

Механизми слабљења сигнала изазвани временским приликама

Kiša izaziva slabljenje do 20 dB/km na frekvencijama od 60 GHz, dok sneg i magla stvaraju dodatne efekte rasipanja koji remete faznu koherenciju. Ove meteorološke pojave nesrazmerno utiču na veze u milimetarskom opsegu u poređenju sa sistemima nižih frekvencija zbog osetljivosti kraćih talasnih dužina na čestično interferiranje.

Gubitak usled vegetacije i prodiranja kroz zgrade

Merenja u terenu pokazuju da jedno drvo može da izazove slabljenje mmTalasnih signala za 35 dB, dok gusta lišća blokira 98% jačine signala. Građevinski materijali poput vitražnih stakala imaju gubitak pri prenosu od 40 dB na 28 GHz – tri puta više u odnosu na mikrotalasne frekvencije – što zahteva strateško planiranje mreže kako bi se savladale strukturne zapreke.

Problemi slabljenja zbog kiše i atmosferskog upijanja

Пикови апсорпције кисеоника на 60 GHz стварају 15 dB/km атмосферских губитака, док у тропским условима са интензивним падавинама фединг прелази 30 dB/km у екстремним случајевима. Ови ефекти заједно скраћују практичне опсеге дејства, чиме се постављају захтеви за адаптивним прорачунима марже фединга и динамичким регулацијама снаге.

Моделовање губитака на путањи у милиметарским таласима

Слободни простор насупрот моделу урбане распрострањености

Mileni val (mmWave) ima jedinstvena svojstva u skladu sa okolinom. Gubitak pri prenosu kroz slobodan prostor (FSPL) može biti izražen kvadratom rastojanja prenosa, \(\frac{1}{R^2}\). Međutim, u urbanoj sredini kanal unosi složenije interakcije pri čemu su eksponenti gubitka u opsegu 2,5–4,5 (LOS) i 4,7–9,2 (non-LOS). Gubitak kroz lišće na 28 GHz je 6–8 dB/m, dok betonski zidovi prouzrokuju gubitak od 40–60 dB. Domet mmWave signala u gradskim uslovima bez beamforminga se smanjuje na 150–200 metara zbog ovih prepreka, u poređenju sa teoretskim dometom u slobodnom prostoru koji iznosi 1–2 km. Adaptivne antenske matrice mogu delimično nadoknaditi ove gubitke usmeravanjem snage ka putevima koji imaju upotrebljiv signal, ali stvarni dometi u praksi na kraju zavise od gustine prepreka.

Frekventno-zavisna karakteristika slabljenja

Atmosfersko apsorpciono vrhovi na 24 GHz (zbog vodene pare) i na 60 GHz (zbog kiseonika) predstavljaju dodatne gubitke od 0,2–15 dB/km za mmWave sisteme. Slabljenje zbog kiše izaziva slabljenje od 2–8 dB/km u opsegu od 30–40 GHz pri umerenoj kiši. Vredno je napomenuti da signali na 73 GHz imaju 1,8 puta veće gubitke u slobodnom prostoru u poređenju sa 24 GHz na istim rastojanjima, što je uzrokovano zavisnošću \(f^2\) u FSPL jednačinama. To dovodi do ključnog kompromisa – dok više frekvencije omogućavaju šire propusne opsege (kanale od 2 GHz), takođe zahtevaju raspored baza koje su 4 puta gušće u poređenju sa onima ispod 100 GHz opsega. Ove ograničenja se danas ublažavaju naprednim materijalima, poput dielektrika sa niskim gubicima i antena metapovršina, koji omogućavaju efikasnost traka od 90% u 5G veza za prenos podataka na E-band frekvencijama.

Zahtevi za direktnu vidljivost kako bi komunikacija bila pouzdana

Milimetarski talas (mmW) системи за комуникацију захтевају прецизно поравнање између предајника и пријемника због њихове радне високе фреквенције (24–100 GHz). Док ниске фреквенције могу да се савијају око препрека, до 60-90% енергије mmWave сигнала апсорбују препреке (ITU 2023). Ограничење чини недирнут LOS условом који је неопходан за постизање мултигигабитног протока у 5G/6G сценаријима.

Ефекти блокаде услед људске активности и структура

Урбана средина уводи три примарна деструктора LOS сигнала:

• Статичке препреке : Бетонски зидови смањују mmWave сигнале за 40–60 dB, док стакло узрокује слабљење сигнала за 15–25 dB
• Мобилне препреке : Један пешак може да узрокује губитак сигнала од 20–35 dB, док саобраћај возила ствара повремене прекиде који трају 0.8–3.2 секунде
• Динамика животне средине : Сезонска промена вегетације мења слабљење крошње за 12–18 dB

Ovi efekti se pojačavaju u gustim gradovima, gde dostupnost prosečnog nivoa usluga (LOS) pada na 54–72% bez primene tehnika formiranja snopa.

Rešenja za formiranje snopa za scenarije bez direktnog vidno linije (Non-LOS)

Fazirane antenske rešetke omogućavaju upravljanje snopom sa snagom ekvivalentne izotropski zračeće snage (EIRP) od 27 dBm kako bi se zaoblišla prepreka. Savremeni sistemi postižu sledeće:

• antenske grupe sa 1024 elementa za preciznost širine snopa od 1,2°
• Ponovno poravnjavanje snopa za manje od 3 ms uz predikciju RF putanje vođenu veštačkom inteligencijom
• pouzdanost NLOS (bez direktnog pogleda) od 78% kroz refleksije zida

Studija infrastrukture za komunikaciju bespilotnih vazduhoplova (UAV) iz 2024. godine pokazala je kako adaptivno formiranje snopa smanjuje verovatnoću prekida u gradskim sredinama za 63% u poređenju sa fiksnim sektorskim antenama. Ovaj pristup kombinuje mapiranje u realnom vremenu pomoću lidara i dinamičko deljenje spektra radi održavanja kvaliteta usluge tokom događaja blokade.

Tehnike modelovanja kanala za komunikaciju u milimetarskom talasnom opsegu (MmWave)

3D prostorne mehanizme širenja signala

Високо детаљни 3D просторни модели неопходни су за системе комуникације на милиметарним таласима (mmWave) како би се разумели односи сигнала према градским елементима у обе равни – висине и азимута. За разлику од класичних 2D модела, они користе статистичке методе моделирања за имитирање вероватноће линије вида (LOS), укључујући величине зграда и временски променљиве препреке, нпр. проширеи Салех-Валензуелов модел. Показали смо да ови модели предвиђају варијацију губитка при дифракцији између 12–18 dB за различите геометрије структура.

Анализа фединга узрокованог вишекратним путевима и рефлексијама

Кратке таласне дужине mmWave сигнала стварају ретке кластере вишекратних путева, где свака рефлексија има губитак између 6-9 dB у поређењу са сигналом испод 6 GHz. Истраживања у затвореном простору показују да само 20-30% расуте енергије доприноси корисним вишекратним путевима, чиме постаје неопходна адаптација статистичких модела тако да се фокусирају на доминантне путеве рефлексије уместо дифузно расејавање.

Индустријски парадокс: Компромис између високе пропусне ширине и ограничених опсега

Иако mmWave опсези нуде 400-800 МHz ширине канала, њихов губитак слободног простора на 28 GHz је за 29 dB већи него на 3 GHz. То приморава мреже да поставе мале ћелије на размацима од 150-200 метара у урбаним областима — 4× гушће него што су микроталасни системи — како би сачували пропусни опсег од једног гигабита.

Студија случаја реалне урбане инсталације

Тест у метро систему у Мадриду коришћењем фреквенција од 26 GHz постигao је 94% сигурности у препуним станицама комбиновањем формирања снопа и предвиђања блокаде у реалном времену. Међутим, кретање путника је изазвало флуктуације RSS-а од 3-5 dB, чиме је истакнута потреба за адаптацијом канала под управљањем вештачке интелегенције у јавним просторима.

Strategički Базна станица Планирање телекомуникационих мрежа

Одабир локације ради смањења интерференције сигнала

Postavljanjem baznih stanica na optimalne lokacije, nivo interferencije se smanjuje u mm-talasnim mrežama, gde signali brzo slabu usled prepreka. Ugradnja u urbanoj sredini zahteva optimalno postavljanje radi rešavanja problema sa poništavanjem signala i preklapanjem pokrivenosti. Složeno modeliranje prostiranja signala omogućava planerima da tačno odrede zone koje minimiziraju interferenciju između kanala i maksimalizuju gustinu pokrivenosti. Utvrđeno je da biranje lokacija uzimajući u obzir reljef terena može smanjiti broj mrtvih zona za 45%, a prosečni prečnik tih zona za 24% u poređenju sa ravnomernim razmakanjem. Ključni faktori su gustina zgrada i visinska razlika, kao i mapiranje postojeće infrastrukture koja može doprineti gušenju smetnji bez dodatnih investicija u hardver.

Buduća tendencija: Hibridne RF-MmWave arhitekture

Arhitektura sa dve frekvencijske trake koja integrira tehnologiju mmWave sa sub-6 GHz opsezima predstavljena je kao izvodljiv kandidat za buduće mreže. Ova hibridna arhitektura kombinuje mmWave massive MIMO za visokopropusne gradske centre sa RF frekvencijama koje obezbeđuju širu pokrivenost u predgrađima/selima. Pametni protokoli za preklapanje dinamički dodeljuju korisnike na osnovu mobilnosti i profila usluga. Sistem smanjuje gustinu implementacije za 60% u poređenju sa mrežom koja koristi samo mmWave i održava potrebnu kvalitet usluge prilikom preuzimanja veze. Ovo kombinovano rešenje pokazuje se i kao obećavajuće za industrijske IoT aplikacije gde je kontinuirana povezanost preko različitih terena neophodna.