Warum mmWave für 5G wählen?

Gemäß der Vereinbarung 3GPP 38.101 verwendet 5G NR hauptsächlich zwei Frequenzbänder: das FR1-Frequenzband und das FR2-Frequenzband. Der Frequenzbereich des FR1-Frequenzbands liegt zwischen 450 MHz und 6 GHz, auch bekannt als Sub-6-GHz-Frequenzband; der Frequenzbereich des FR2-Frequenzbands liegt zwischen 24,25 GHz und 52,6 GHz, was üblicherweise als Millimeterwelle (mmWave) bezeichnet wird.

Lange Zeit in der Geschichte gehörte das Millimeterwellenband der Wildnis. warum? Der Grund ist einfach, weil nur wenige elektronische Komponenten oder Geräte Millimeterwellen senden oder empfangen können. Warum gibt es kein elektronisches Gerät zum Senden oder Empfangen von mmWave? Es gibt zwei Gründe.

Der erste Grund ist, dass mmWave zwar eine größere Bandbreite und höhere Datenraten bieten kann, frühere mobile Anwendungen jedoch keine so große Bandbreite und keine so hohe Datenrate erforderten und es keine Marktnachfrage nach mmWave gibt. Und Millimeterwellen haben einige offensichtliche Einschränkungen, wie z. B. zu große Ausbreitungsverluste, zu geringe Abdeckung und so weiter.

Der zweite Grund ist, dass mmWave zu teuer ist. Die Herstellung integrierter Schaltungskomponenten in Submikrometergröße, die im Millimeterwellen-Frequenzband arbeiten können, war eine Herausforderung. Auch die Überwindung von Ausbreitungsverlusten und die Verbesserung der Abdeckung bedeutet viel Geld. Doch in den vergangenen zehn Jahren hat sich alles verändert.

Mit der rasanten Entwicklung des Mobilfunks sind die Frequenzressourcen innerhalb von 30 GHz nahezu aufgebraucht. Regierungen und die Internationale Organisation für Normung haben alle "guten" Frequenzen zugeteilt, aber es gibt immer noch Frequenzengpässe und Frequenzkonflikte. Die Entwicklung von 4G-Mobilfunksystemen und das kommende 5G hängen von der richtigen Frequenzzuweisung ab. Das Problem ist, dass nur noch sehr wenige Frequenzen übrig sind.

Millimeterwellen sind wie ein neuer Kontinent in Amerika und bieten Mobilfunknutzern und Mobilfunkbetreibern "endlose" Frequenzressourcen.

Millimeterwellen bringen große Bandbreite und hohe Geschwindigkeit. Die maximale Bandbreite, die von einem 4G-LTE-Mobilfunksystem basierend auf dem Sub6-GHz-Band verwendet werden kann, beträgt 100 MHz, und die Datenrate überschreitet 1 Gbit/s nicht. Im mmWave-Band beträgt die maximale Bandbreite, die von mobilen Anwendungen verwendet werden kann, 400 MHz mit Datenraten von bis zu 10 Gbit/s oder mehr.

Die Nachfrage ist immer der größte Innovationstreiber. Die technische Schwierigkeit, kostengünstige und qualitativ hochwertige integrierte Schaltungskomponenten im Millimeterwellenband herzustellen, wurde schnell überwunden. Durch die Verwendung neuer Materialien wie SiGe, GaAs, InP und GaN sowie neuer Produktionsprozesse wurden Transistoren mit einer Größe von nur zehn oder sogar mehreren Nanometern auf Chips integriert, die im Millimeterwellenband arbeiten, was die Kosten erheblich senkt.

Können wir jetzt jede Millimeterwelle zwischen 20 GHz und 300 GHz verwenden? Noch nicht. Warum können Millimeterwellenfrequenzen nicht beliebig verwendet werden? Bei der Ausbreitung von Funkwellen absorbiert die Atmosphäre selektiv elektromagnetische Wellen bestimmter Frequenzen (Wellenlängen), was zu besonders starken Ausbreitungsverlusten dieser elektromagnetischen Wellen führt. Es gibt hauptsächlich zwei atmosphärische Komponenten, die elektromagnetische Wellen absorbieren: Sauerstoff und Wasserdampf. Die durch Wasserdampf verursachte Resonanz absorbiert elektromagnetische Wellen um 22 GHz und 183 GHz, während die Resonanzabsorption von Sauerstoff elektromagnetische Wellen um 60 GHz und 120 GHz beeinflusst. Wir können also sehen, dass, egal welche Organisation Millimeterwellenressourcen zuweist, sie die Frequenzbänder in der Nähe dieser vier Frequenzen meiden wird.

Eine der kritischsten Einschränkungen ist, dass mmWave-Wege wirklich begrenzt sind. Die Gesetze der Physik sagen uns, dass je kürzer die Wellenlänge, desto kürzer die Ausbreitungsdistanz bei gleicher Sendeleistung. In vielen Szenarien führt diese Einschränkung zu mmWave-Ausbreitungsentfernungen von nicht mehr als 10 Metern. Alles hat zwei Seiten. Die geringe Ausbreitungsdistanz ist manchmal ein Vorteil des Millimeterwellensystems. Beispielsweise kann es Interferenzen zwischen Millimeterwellensignalen reduzieren. Die in mmWave-Systemen verwendeten High-Gain-Antennen haben auch eine gute Richtwirkung, wodurch Interferenzen weiter eliminiert werden. Eine solche Antenne mit schmalem Strahl erhöht die Leistung und Reichweite, während sie gleichzeitig die Sicherheit erhöht und die Wahrscheinlichkeit des Abfangens von Signalen verringert.

Außerdem verringert der Begrenzungsfaktor "Hochfrequenz" die Größe der Antenne, was eine weitere unerwartete Überraschung ist. Angenommen, die Größe der von uns verwendeten Antenne ist relativ zur drahtlosen Wellenlänge festgelegt, z. B. 1/2 Wellenlänge oder 1/4 Wellenlänge, dann bedeutet eine Erhöhung der Trägerfrequenz, dass die Antenne immer kleiner wird. Beispielsweise beträgt die Länge einer 900M-GSM-Antenne etwa zehn Zentimeter, während die Millimeterwellenantenne nur wenige Millimeter betragen kann. Allerdings können wir immer mehr High-Band-Antennen auf demselben Raum unterbringen. Basierend auf dieser Tatsache können wir Hochfrequenzpfadverluste kompensieren, indem wir die Anzahl der Antennen erhöhen, ohne die Größe des Antennenarrays zu erhöhen. Dies ermöglicht die Nutzung der Massive MIMO-Technologie in 5G-mmWave-Systemen.

Nach Überwindung dieser Einschränkungen können 5G-Systeme, die mit Millimeterwellen arbeiten, viele Dienste bereitstellen, die 4G nicht bieten kann, wie z Dienstleistungen, drahtlose Kommunikationsdienste für Stadien / Konzerte / Einkaufszentren, Fabrikautomatisierungssteuerung, Telemedizin, Sicherheitsüberwachung, intelligente Transportsysteme, Flughafensicherheitsinspektionen usw. Die Entwicklung und Nutzung des Millimeterwellenbands bietet einen breiten Raum und unbegrenzte Fantasie für 5G-Anwendungen.

Seit 3GPP entschieden hat, dass 5G NR weiterhin die OFDM-Technologie verwenden wird, hat 5G im Vergleich zu 4G keine disruptive technologische Innovation, und Millimeterwellen sind fast zur größten „neuen Idee“ von 5G geworden. Die Einführung anderer neuer Technologien in 5G, wie z. B. Massive MIMO, neue Numerologie (Unterträgerabstand usw.), LDPC/Polarcodes usw., sind eng mit Millimeterwellen verwandt, damit die OFDM-Technologie besser auf die erweitert werden kann Millimeterwellenband. Um sich an die großen Bandbreiteneigenschaften von Millimeterwellen anzupassen, definiert 5G mehrere Unterträgerintervalle, von denen die größeren Unterträgerintervalle (60 kHz und 120 kHz) speziell für Millimeterwellen ausgelegt sind. Auch die bereits erwähnte Massive-MIMO-Technologie ist auf Millimeterwellen zugeschnitten. Daher kann 5G auch als „erweitertes 4G erweitert auf mmWave“ oder „erweitertes LTE erweitert auf mmWave“ bezeichnet werden.