1. Nienasycony Popyt na Dane: Polowanie na Nowe Widmo

Historia komunikacji bezprzewodowej zawsze była historią widma. Widmo radiowe to niewidzialna autostrada, która przenosi wszystkie nasze rozmowy, SMS-y, filmy i dane. Jednak ta autostrada ma ograniczoną liczbę pasów, a w miarę jak nasz popyt na dane bezprzewodowe rośnie w postępie geometrycznym, pasy te stają się coraz bardziej zatłoczone.

Przez dziesięciolecia sieci komórkowe, od 1G do 4G, działały w "najlepszej lokalizacji" widma radiowego, zazwyczaj w pasmach częstotliwości poniżej $6$ GHz. Te pasma, często nazywane widmem sub-6 GHz, mają doskonałe właściwości fizyczne. Ich sygnały mogą podróżować na duże odległości i stosunkowo dobrze przenikać przez budynki, co czyni je idealnymi do zapewnienia szerokiego zasięgu mobilnego. Ale ta pożądana nieruchomość jest już w pełni zajęta. Ogromny ruch danych generowany przez smartfony, streaming wideo i niezliczone aplikacje doprowadził do przeciążenia, ograniczając maksymalne prędkości, jakie można zaoferować.

Aby osiągnąć kwantowy skok w prędkości i pojemności obiecany przez 5G, inżynierowie musieli spojrzeć poza te tradycyjne pasma na zupełnie nową, w dużej mierze niezagospodarowaną granicę widma radiowego: pasma fal milimetrowych.

Czym Są Fale Milimetrowe (mmWave)?

Fale milimetrowe (często skracane do mmWave) odnoszą się do specyficznego zakresu bardzo wysokich częstotliwości radiowych. Formalnie definiuje się je jako pasmo widma między $30$ GHz a $300$ GHz. W przypadku 5G termin ten jest używany szerzej do opisu pasm zaczynających się od około $24$ GHz i dochodzących do około $100$ GHz. W terminologii 5G są one również znane jako Zakres Częstotliwości 2 (FR2).

Nazwa "fale milimetrowe" pochodzi od fizycznej długości fal radiowych przy tych wysokich częstotliwościach. Długość fali jest odwrotnie proporcjonalna do częstotliwości; im wyższa częstotliwość, tym krótsza długość fali. Przy częstotliwościach rzędu dziesiątek GHz długość fali kurczy się do zaledwie kilku milimetrów, stąd nazwa. Jest to wyraźny kontrast w stosunku do metrowych fal radia FM czy dziesiątków centymetrów fal tradycyjnych pasm komórkowych. Ta krótka długość fali ma głębokie i trudne konsekwencje fizyczne, ale odblokowuje również największy atut tego widma: ogromną szerokość pasma.

2. Wielka Obietnica mmWave: Eldorado Przepustowości

Główną i prawdziwie rewolucyjną zaletą przejścia na widmo fal milimetrowych jest sama ilość dostępnej przepustowości.

Przepustowość: Szerokość Rury z Danymi

W komunikacji bezprzewodowej ilość dostępnej przepustowości w kanale jest wprost proporcjonalna do maksymalnej prędkości transmisji danych, jaką może on obsłużyć. Szerszy kanał jest jak szersza autostrada; może obsłużyć znacznie więcej ruchu naraz.

• Kanały 4G LTE: Typowy kanał 4G LTE ma szerokość pasma $10$ lub $20$ MHz. Nawet przy zaawansowanych technikach, takich jak Agregacja Nośnych, połączenie kilku takich kanałów może dać całkowitą przepustowość $100$ MHz.
• Kanały 5G mmWave: Pasma fal milimetrowych to rozległa, otwarta przestrzeń. W tych pasmach pojedynczy operator może używać jednego, ciągłego kanału o szerokości $100$ MHz, $200$ MHz, $400$ MHz, a nawet $800$ MHz.

Reprezentuje to ogromny, rzędowy wzrost rozmiaru dostępnej rury z danymi. Ta olbrzymia przepustowość jest kluczowym składnikiem dla prędkości multigigabitowych obiecanych przez 5G. To ona umożliwia realizację przypadku użycia "ulepszonego mobilnego internetu szerokopasmowego" (eMBB), pozwalając na pobranie pełnometrażowego filmu 4K w kilka sekund, strumieniowanie wielu wysokiej rozdzielczości doświadczeń VR lub dostarczanie bezprzewodowego internetu domowego, który jest szybszy niż tradycyjne połączenia światłowodowe. Bez mmWave osiągnięcie prawdziwych mobilnych prędkości rzędu gigabitów na sekundę nie byłoby możliwe.

3. Wielkie Wyzwanie mmWave: Walka z Prawami Fizyki

Chociaż przepustowość dostępna w widmie fal milimetrowych jest ogromną zaletą, ten region widma był tak długo w dużej mierze niewykorzystywany z dobrych powodów. Sygnały o wysokiej częstotliwości mają bardzo różne właściwości fizyczne w porównaniu z ich kuzynami o niskiej częstotliwości, a te właściwości stanowią ogromne wyzwania dla komunikacji mobilnej.

4. Opanowanie Fali Milimetrowej: Technologie Umożliwiające

Znaczące wyzwania związane z falami milimetrowymi uczyniłyby je całkowicie niepraktycznymi do użytku mobilnego, gdyby nie dwie współzależne i rewolucyjne technologie 5G: Massive MIMO i zaawansowane kształtowanie wiązki.

Massive MIMO: Wachlarz Możliwości

Krótka długość fali sygnałów mmWave okazuje się zaletą przy projektowaniu anten. Rozmiar pojedynczego elementu antenowego jest wprost proporcjonalny do długości fali sygnału, dla którego jest przeznaczony. Przy częstotliwości 28 GHz długość fali wynosi tylko około centymetra. Pozwala to inżynierom na upakowanie bardzo dużej liczby małych elementów antenowych (64, 128, 256 lub więcej) w fizycznie kompaktowej macierzy antenowej. To jest esencja Massive MIMO w kontekście fal milimetrowych. Ta duża macierz jest narzędziem, które umożliwia potężne kształtowanie wiązki.

Kształtowanie Wiązki: Niezastąpiony Reflektor

Kształtowanie wiązki to technika, która czyni fale milimetrowe użytecznymi. Wykorzystuje ona macierz Massive MIMO do skupienia całej transmitowanej energii radiowej w wąską, sterowalną wiązkę, podobnie jak reflektor. Zapewnia to bardzo wysokie "wzmocnienie antenowe", które precyzyjnie kompensuje dużą tłumienność propagacyjną. Efektywnie wzmacnia to siłę sygnału w kierunku użytkownika, pozwalając na ustanowienie łącza na znacznie większą odległość, niż byłoby to możliwe przy użyciu tradycyjnej, niekierunkowej anteny.

To kształtowanie wiązki jest również kluczowe w pokonywaniu niektórych przeszkód. Chociaż idealna jest bezpośrednia linia widoczności, system może również inteligentnie formować wiązki, które odbijają się od powierzchni, takich jak budynki, tworząc niezawodne połączenie bez bezpośredniej widoczności (NLOS) za pomocą odbicia.

Zaawansowane Zarządzanie Wiązką

Ponieważ połączenie opiera się na tych wąskich, delikatnych wiązkach, 5G NR zawiera zaawansowany zestaw procedur zarządzania wiązką. Stacja bazowa stale wykonuje "przemiatanie wiązką", aby znaleźć użytkowników, a po nawiązaniu połączenia urządzenie nieustannie dostarcza informacji zwrotnych, aby umożliwić stacji bazowej śledzenie jego ruchu i dostosowywanie wiązki w czasie rzeczywistym. Jeśli główna wiązka zostanie nagle zablokowana, system ma szybkie procedury odzyskiwania po awarii wiązki, aby szybko przełączyć się na inną wiązkę lub ścieżkę, zapewniając stabilność połączenia.

5. Praktyczne Wdrożenia i Zastosowania fal milimetrowych

Biorąc pod uwagę unikalne właściwości ekstremalnej prędkości, ale ograniczonego zasięgu i penetracji, 5G na falach milimetrowych nie jest przeznaczone jako uniwersalne rozwiązanie zasięgowe. Zamiast tego jest wdrażane chirurgicznie jako "warstwa pojemnościowa" w określonych obszarach, gdzie jego korzyści są najbardziej potrzebne.

• Gęste Miejskie Hotspoty: Najważniejsze zastosowanie dla fal milimetrowych to zapewnienie masowej pojemności danych w niezwykle gęstych środowiskach. Obejmuje to centra miast, węzły komunikacyjne, takie jak lotniska i dworce kolejowe, stadiony sportowe i sale koncertowe. W tych lokalizacjach tysiące ludzi są stłoczone na małej przestrzeni, wszyscy próbując korzystać ze swoich urządzeń naraz. Ogromna przepustowość fal milimetrowych, w połączeniu z ponownym wykorzystaniem przestrzennym umożliwionym przez kształtowanie wiązki, jest jedynym sposobem na zapewnienie wysokiej jakości usług dla wszystkich.
• Stacjonarny Dostęp Bezprzewodowy (FWA): Fale milimetrowe to idealna technologia do dostarczania prędkości internetu "jak światłowód" do domów i firm bezprzewodowo. Operator może umieścić małą komórkę mmWave na słupie lub latarni i zapewnić gigabitowy internet do wszystkich domów w zasięgu bezpośredniej widoczności, zazwyczaj kilkuset metrów. Jest to często znacznie tańsze i szybsze wdrożenie niż kładzenie kabli światłowodowych do każdego domu.
• Wewnętrzne Obiekty Użyteczności Publicznej i Firmowe: W dużych przestrzeniach wewnętrznych, takich jak centra handlowe, sale kongresowe czy kampusy korporacyjne, sieć wewnętrznych małych komórek mmWave może zapewnić niezrównaną pojemność i prędkość bezprzewodową dla pracowników, gości i systemów operacyjnych.
• V2X i Infrastruktura Inteligentnych Miast: W przyszłości fale milimetrowe mogą być używane do komunikacji pojazd-infrastruktura o bardzo dużej przepustowości, na przykład do pobierania przez samochody map wysokiej rozdzielczości z latarni ulicznych lub przesyłania dużych ilości danych z czujników do chmury.