Fale Milimetrowe 5G

1. Rosnący Popyt na Dane i Dodatkowe Widmo

Rozwój komunikacji bezprzewodowej od początku wiąże się z dostępnością widma. Widmo radiowe przenosi rozmowy, SMS-y, filmy i dane. Jest ograniczonym zasobem, dlatego rosnący popyt na dane bezprzewodowe zwiększa zatłoczenie wybranych pasm.

Przez dziesięciolecia sieci komórkowe, od 1G do 4G, korzystały z pasm częstotliwości poniżej $6$ GHz. Te pasma, często nazywane widmem sub-6 GHz, mogą propagować się na stosunkowo duże odległości i lepiej przenikać przez budynki niż zakresy wyższe, co ułatwia zapewnienie szerokiego zasięgu mobilnego. Dostępność tych pasm jest ograniczona przez przydziały krajowe i rosnący ruch danych. Smartfony, streaming wideo i wiele aplikacji zwiększyły obciążenie, ograniczając prędkości możliwe w zatłoczonych obszarach.

Aby zwiększyć prędkość i pojemność 5G, inżynierowie sięgnęli także po wyższe zakresy widma, w tym pasma fal milimetrowych. Ich dostępność zależy od regulacji i wdrożenia, a szerokie kanały mogą uzupełniać zasięg zapewniany przez pasma niższe. Wdrożenie zależy również od lokalizacji stacji, dosyłu i koordynacji zakłóceń.

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 5G termin bywa używany szerzej dla pasm w okolicy $24$ GHz i wyższych. Zakresy FR2 zależą od wersji specyfikacji: w aktualnych profilach obejmują między innymi FR2-1 od 24,25 do 52,6 GHz oraz FR2-2 od 52,6 do 71 GHz. Nie każde pasmo w przedziale 24 do $100$ GHz ma więc ten sam status w terminologii 5G.

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. Różni się to od metrowych fal radia FM i fal o długości dziesiątek centymetrów w tradycyjnych pasmach komórkowych. Krótka długość fali wpływa na propagację i projektowanie anten, a pasma mogą zapewniać dużą szerokość pasma.

2. Dostępna Przepustowość w mmWave

Najważniejszą praktyczną zaletą przejścia na widmo fal milimetrowych jest ilość dostępnej przepustowości.

Przepustowość: Szerokość Kanału

W komunikacji bezprzewodowej szerszy kanał może przenosić więcej danych w tym samym czasie, jeśli pozwalają na to SNR, modulacja, kodowanie i pozostałe warunki radiowe.

• 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: W wybranych pasmach 5G pojedynczy operator może używać ciągłego kanału o szerokości $100$ MHz, $200$ MHz lub $400$ MHz. Wartość $800$ MHz może pojawiać się w kontekście agregacji nośnych i konkretnego profilu wdrożenia. Jej interpretacja zależy od konfiguracji kanałów.

Reprezentuje to duży wzrost szerokości dostępnego kanału. Taka przepustowość może wspierać multigigabitowe prędkości eMBB, pobieranie filmu 4K w kilka sekund, strumieniowanie doświadczeń VR i bezprzewodowy internet domowy. Narzut protokołów i harmonogramowanie zmniejszają przepływność aplikacji względem szybkości kanału. Ostateczna szybkość zależy także od modulacji, SNR, liczby użytkowników, MIMO i agregacji nośnych, dlatego gigabitowe łącza są możliwe również w wybranych konfiguracjach pasm niższych. mmWave dostarcza dodatkową pojemność tam, gdzie pozwalają na to warunki radiowe i regulacyjne.

3. Ograniczenia Propagacji w mmWave

Chociaż przepustowość dostępna w widmie fal milimetrowych jest dużą zaletą, wdrożenie tych zakresów wymaga starannego planowania. Sygnały o wysokiej częstotliwości mają inne właściwości fizyczne niż zakresy niskie, a te właściwości stanowią wyzwania dla komunikacji mobilnej.

4. Technologie Wspierające mmWave

Wdrożenia fal milimetrowych często łączą dwie powiązane technologie 5G: duże macierze antenowe Massive MIMO oraz kształtowanie wiązki. Razem pomagają wykorzystać szerokie kanały i kompensować część strat łącza.

Macierze Massive MIMO

Krótka długość fali sygnałów mmWave pomaga przy projektowaniu anten. Rozmiar elementu antenowego wiąże się z długością fali sygnału, a przy częstotliwości 28 GHz długość fali wynosi około centymetra. Pozwala to upakować wiele małych elementów, na przykład 64, 128, 256 lub więcej, w kompaktowej macierzy. Jest to przykład Massive MIMO w kontekście fal milimetrowych, choć konkretna liczba elementów zależy od urządzenia. Macierz dostarcza stopni swobody potrzebnych do kształtowania wiązki.

Kształtowanie Wiązki

Kształtowanie wiązki wykorzystuje macierz antenową do kierowania energii w wąską, sterowalną wiązkę, podobnie jak reflektor. Uzyskany zysk antenowy może kompensować część tłumienności propagacyjnej i zwiększać siłę sygnału w kierunku użytkownika. Zasięg łącza nadal zależy od mocy, przeszkód, marginesu SNR i wymaganego poziomu usługi.

To kształtowanie wiązki pomaga również obsługiwać niektóre przeszkody. Bezpośrednia linia widoczności często zapewnia większy margines łącza, lecz system może formować wiązki wykorzystujące odbicia od powierzchni, takich jak budynki, albo inne ścieżki NLOS. Jakość takiego połączenia zależy od geometrii i materiałów otoczenia.

Zaawansowane Zarządzanie Wiązką

Ponieważ połączenie może korzystać z wąskich wiązek wrażliwych na blokowanie, 5G NR zawiera procedury zarządzania wiązką. Stacja bazowa wykonuje "przemiatanie wiązką", aby zidentyfikować użyteczne wiązki, a po nawiązaniu połączenia urządzenie raportuje pomiary wspierające śledzenie i dostosowanie. Procedury korzystają z sygnałów referencyjnych i raportowanych pomiarów, a ich czas zależy od mobilności i numerologii. Jeśli główna wiązka zostanie zablokowana, procedury awarii i odzyskiwania wiązki mogą przełączyć system na inną wiązkę lub ścieżkę, jeśli jest dostępna.

5. Praktyczne Wdrożenia i Zastosowania fal milimetrowych

Biorąc pod uwagę unikalne właściwości wysokiej prędkości, ograniczonego zasięgu i penetracji, 5G na falach milimetrowych pełni zwykle rolę warstwy pojemnościowej. Operator dobiera lokalizacje, w których szerokie kanały przynoszą największą korzyść, a pokrycie uzupełniają pasma niższe.

• Gęste Miejskie Hotspoty: Ważnym zastosowaniem fal milimetrowych jest zapewnienie pojemności danych w gęstych środowiskach. Obejmuje to centra miast, lotniska, dworce, stadiony i sale koncertowe. Tysiące osób korzystają tam z urządzeń na małej przestrzeni, a szerokie kanały i ponowne wykorzystanie przestrzenne wspierają wysoką jakość usług razem z pozostałymi warstwami sieci.
• Stacjonarny Dostęp Bezprzewodowy (FWA): Fale milimetrowe mogą dostarczać prędkości internetu "jak światłowód" do domów i firm w odpowiednich wdrożeniach z widocznością. Operator może umieścić małą komórkę mmWave na słupie lub latarni i zapewnić gigabitową usługę domom w zasięgu bezpośredniej widoczności, zazwyczaj kilkuset metrów. Bezpośrednia ścieżka nie gwarantuje gigabitowej usługi, ponieważ na szybkość wpływają także obciążenie, dosył i deszcz. Czas i koszt wdrożenia zależą od gęstości lokalizacji, dosyłu oraz prac budowlanych. Uniknięcie światłowodu do każdego adresu może je ograniczyć w wybranych wdrożeniach.
• 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 dużą pojemność i szybkość 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.