Utbredningsegenskaper hos millimetervågor och deras påverkan på kommunikation

Grundläggande om millimetervågskommunikationsutbredning

Millimetervåg (mmWave-) kommunikation i banden 30-300 GHz är en nyckelteknik för dataintensiva 5G-system. Användningen av bredbandiga (~1 GHz) kanaler gör att dessa metoder kan erbjuda flera gigabit per sekund för att möta de ökande kraven från tidskritiska applikationer såsom ökad verklighet och autonoma fordon. En rapport från Nature år 2023 visade mmWave vid 10 Gbps över 1 km med hjälp av riktantenner, även om utbredningsegenskaperna skiljer sig mycket från mikrovågor vid lägre frekvenser.

Fri rums dämpning är proportionell mot frekvensens kvadrat i fri rums förhållanden, vilket leder till 20–30 dB högre dämpning jämfört med sub-6 GHz-band. Yttre miljöproblem förvärrar dessa problem – regn kan orsaka en dämpning på 5-15 dB/km vid 60 GHz, medan byggnadsmaterial som betong leder till 40-60 dB i penetrationförlust. Lövverk dämpar normalt signalen med 10-20 dB, och innovativa ingenjörslösningar krävs för att uppnå samma tillförlitlighet som i ett öppet område.

Avancerade beamforming-metoder med faskontrollerade antennanläggningar övervinner spridningsbegränsningar genom att etablera riktade transmissionskanaler. Dessa riktade strålar tillåter att frekvensen återanvänds i rummet och störningar minskas – en viktig fördel i trånga urbana miljöer. De mest moderna arkitekturerna utnyttjar hybrida strukturer av den ortogonala multicarrier-modulationen (OMM) och massiv MIMO, vilket möjliggör intelligenta nätverk som utnyttjar mmWave-bandens frekvensgenerositet och mikrovågsystemens robusthet för att uppnå maximal dataflödeshastighet i realtid.

Påverkan från miljön på mmWave-kommunikationssignaler

Kommunikationssystem i millimetervågsområdet (mmWave) ställs inför unika miljömässiga utmaningar som kraftigt påverkar signalkvaliteten i olika driftscenarier.

Signaldämpningsmekanismer orsakade av väderpåverkan

Regn orsakar upp till 20 dB/km dämpning vid 60 GHz frekvenser, med snö och dimma som orsakar ytterligare spridningseffekter som stör faskoherensen. Dessa väderfenomen påverkar mmWave-länkar i högre grad jämfört med system med lägre frekvenser på grund av kortare våglängders känslighet för partikelstörningar.

Påverkan från vegetation och byggnadspenetration

Fältmätningar visar att ett enskilt träd kan dämpa mmWave-signaler med 35 dB, med tät lövverk som blockerar 98 % av signalkraften. Byggnadsmaterial som målat glas uppvisar 40 dB transmissionsförlust vid 28 GHz – tre gånger högre än mikrovågsfrekvenser – vilket kräver strategisk nätverksplanering för att överkomma strukturella hinder.

Regnsvaghet och atmosfärisk absorption – utmaningar

Syreabsorptionstoppar vid 60 GHz skapar 15 dB/km atmosfärisk förlust, med tropisk regnförvärring som överskrider 30 dB/km i svåra förhållanden. Dessa effekter samverkar för att minska praktiska deploymentsintervall, vilket kräver adaptiva beräkningar av fade margin och dynamiska strömanpassningsprotokoll.

Vägförlustmodellering i millimetervågskommunikation

Fritt utrymme mot urbana spridningsmodeller

Utbredning av millimetervågor (mmWave) har unika egenskaper beroende på miljön. Friktionsfri transmissionsförlust (FSPL) kan uttryckas som invers kvadrat av transmittavståndet, \(\frac{1}{R^2}\). I stadsområden introducerar dock kanalen mer komplexa interaktioner varvid förlustexponenterna ligger i intervallet 2,5–4,5 (LOS) och 4,7–9,2 (non-LOS). Bladförlust vid 28 GHz är 6–8 dB/m, och betongväggar orsakar en förlust på 40–60 dB. Räckvidden för städt mmWave utan beamforming reduceras till 150–200 meter på grund av dessa hinder jämfört med den teoretiska friktionfria räckvidden på 1–2 km. Adaptiva antennmatriser kan delvis återfå denna förlust genom att styra effekten mot en väg där en användbar signal existerar, men praktiska täckningsområden bestäms slutligen av tätheten av hindren.

Frekvensberoende dämpningsegenskaper

Atmosfärisk absorption toppar vid 24 GHz (på grund av vattenånga) och vid 60 GHz (på grund av syre) medför en extra förlust på 0,2–15 dB/km för millimetervågssystem. Regnfade ger en dämpning på 2–8 dB/km mellan 30–40 GHz vid måttlig regn. Det är värt att notera att 73 GHz-signalerna har 1,8× större fritt utrymmesförlust jämfört med 24 GHz vid samma avstånd, vilket orsakas av \(f^2\)-beroendet i FSPL-ekvationer. Detta leder till en avgörande kompromiss - Även om högre frekvenser tillåter bredare bandbredd (2 GHz kanaler), kräver de också basstationsutplaceringar som är 4 gånger tätare än inom under 100 GHz-området. Dessa begränsningar har blivit mindre idag tack vare avancerade material, såsom lågdämpande dielektrika och metaytor, vilket tillåter 90 % effektiva band i 5G-backhaul-länkar vid E-bandfrekvenser.

Linjära synkrav för tillförlitlig kommunikation

Millimetervåg (mmW) kommunikationssystem kräver perfekt justering mellan sändare och mottagare på grund av deras högfrekventa drift (24–100 GHz). Medan lågfrekventa signaler kan böjas runt hinder, absorberas upp till 60–90 % av energin från mmWave av hinder (ITU 2023). En sådan begränsning gör att en ostörd LOS blir ett avgörande villkor för att uppnå multigigabit-genomströmning i 5G/6G-scenarier.

Blockage-effekter från mänsklig aktivitet och strukturer

Stadsnärmiljöer introducerar tre primära LOS-störningar:

• Statiska hinder : Betongväggar minskar mmWave-signalerna med 40–60 dB, medan glas reducerar överföringen med 15–25 dB
• Rörliga hinder : En enskild fotgängare kan orsaka en signalförlust på 20–35 dB, medan biltrafik skapar intermittenta avbrott som varar 0,8–3,2 sekunder
• Miljömässiga dynamiker : Säsongsbetonade växtförändringar ändrar lövverkets dämpning med 12–18 dB

Dessa effekter förstärks i tätbebyggda städer, där den genomsnittliga tillgängligheten för LOS (Line-of-Sight) sjunker till 54–72 % utan beamforming-lösningar.

Beamforming-lösningar för NLOS-scenarier

Fasade antennmatriser möjliggör 27 dBm ekvivalent isotropiskt utstrålad effekt (EIRP) genom strålriktning för att kringgå hinder. Moderna system uppnår:

• 1024-elementiga antennkluster för 1,2° strålbreddsprecision
• Sub-3 ms stråloptimering med hjälp av RF-vägförutsägelse driven av AI
• 78 % NLOS (Non-Line-of-Sight)-pålitlighet via väggreflektioner

En studie från 2024 om UAV-kommunikationsinfrastruktur visade hur adaptiv beamforming minskar sannolikheten för urban kommunikationsavbrott med 63 % jämfört med fasta sektorns antenner. Den här metoden kombinerar realtids-lidar-mappning med dynamisk spektrumdelning för att upprätthålla QoS under avbrottsrelaterade händelser.

Kanalmodelleringsmetoder för mmWave-kommunikation

3D-rumspropagationsmekanismer

Högupplösta 3D-spatiala modeller är nödvändiga för millimetervågs-(mmWave-) kommunikationssystem för att förstå hur signaler växelverkar med urbana element i både elevations- och azimutplan. Till skillnad från klassiska 2D-modeller använder de statistiska modelleringsmetoder för att efterlikna sannolikheten för direkt synkommunikation (LOS), inklusive byggnadernas storlek och tidsvarierande hinder med t.ex. den utökade Saleh-Valenzuela-modellen. Vi visar att dessa modeller förutsäger en variationsförlust vid diffraktion på 12–18 dB för olika strukturgeometrier.

Multipath-fading och reflektionsanalys

MmWave:s korta våglängder skapar glesa multipath-kluster, där reflektioner lider av 6–9 dB:s dämpning jämfört med sub-6 GHz-signaler. Studier visar att endast 20–30 % av den spridda energin bidrar till användbara multipath-förbindelser, vilket kräver reviderade statistiska modeller som prioriterar dominerande reflektionsvägar över diffus spridning.

Industrins paradox: Hög bandbredd kontra begränsade räckviddsavvägningar

Medan mmWave-band erbjuder kanalbandbredder på 400-800 MHz, är deras väg-förlust i fri luft vid 28 GHz 29 dB högre än vid 3 GHz. Detta tvingar nätverk att distribuera små celler med 150-200 meters intervall i stadskärnor – 4 gånger tätnare än mikrovågsbaserade system – för att upprätthålla gigabit-genomströmning.

Studie av urban implementering i verkliga förhållanden

En undersökning i Madrids tunnelbana med frekvenser på 26 GHz uppnådde 94 % tillförlitlighet i trånga stationer genom att kombinera beamforming med prediktion av blockering i realtid. Dock orsakade fotgängarnas rörelser variationer i RSS på 3-5 dB, vilket visar behovet av AI-drivna kanalanpassningar i offentliga miljöer.

Strategisk Basstation Planering av kommunikationsnät

Platsval för att minska signalstörningar

Genom att optimalt placera basstationerna minskas störningsnivån i millimetervågsnätverk där signaler dämpas mycket snabbt på grund av hinder. Distribution i urbana miljöer kräver optimal placering för att lösa problem med miljömässig signalblockering och överlappning. Med komplexa spridningsmodeller kan systemplanerare identifiera områden som minimerar korskanalstörningar och maximerar täckningstäthet. Vi har funnit att terrängmedveten val av plats kan minska antalet döda zoner med 45 % och den genomsnittliga diametern med 24 % jämfört med jämn fördelning. Nyckelfaktorer är byggnadstäthet och höjdskillnader samt kartläggning av befintlig infrastruktur som trampar på för att möjliggöra störningssuppression utan ytterligare hårdvaruinvesteringar.

Framtidstrender: Hybrida RF-MmWave-arkitekturer

Dual-band-arkitekturer som integrerar mmWave-teknologi med sub-6 GHz-band avslöjas som genomförbara kandidater för framtida nätverk. Denna hybridarkitektur kombinerar mmWave massive MIMO för högdatahastighets-täta stadscentrum med RF-frekvens för bredare förortsrural täckning. Smarta switchprotokoll allokerar användare över banden dynamiskt enligt rörlighet och tjänstprofiler. Systemet minskar distributionsdensiteten med 60 % jämfört med ett endast mmWave-nätverk och bevarar den nödvändiga QoS:n vid handover. Denna kombinerade lösning visar sig också lovande för industriella IoT-applikationer där kontinuerlig anslutning över olika terränger är avgörande.