Por que escolher mmWave para 5G?

De acordo com o acordo 3GPP 38.101, o 5G NR usa principalmente duas bandas de frequência: banda de frequência FR1 e banda de frequência FR2. A faixa de frequência da banda de frequência FR1 é 450MHz-6GHz, também conhecida como banda de frequência sub 6GHz; a faixa de frequência da banda de frequência FR2 é 24.25GHz-52.6GHz, que geralmente é chamada de onda milimétrica (mmWave)

Por muito tempo na história, a banda de ondas milimétricas pertencia à natureza. porque? A razão é simples, pois poucos componentes ou dispositivos eletrônicos podem transmitir ou receber ondas milimétricas. Por que não há dispositivo eletrônico para enviar ou receber mmWave? Existem duas razões.

A primeira razão é que, embora as ondas milimétricas possam fornecer maior largura de banda e taxas de dados mais altas, os aplicativos móveis anteriores não exigiam larguras de banda tão grandes e taxas de dados tão altas, e não havia demanda de mercado por ondas milimétricas. E a onda milimétrica tem algumas limitações óbvias, como perda de propagação muito grande, cobertura muito pequena e assim por diante.

A segunda razão é que o mmWave é muito caro. Produzir componentes de circuitos integrados de tamanho submícron capazes de operar na faixa de frequência de ondas milimétricas tem sido um desafio. Superar as perdas de propagação e melhorar a cobertura também significa muito dinheiro. No entanto, nos últimos dez anos, tudo mudou.

Com o rápido desenvolvimento da comunicação móvel, os recursos de frequência dentro de 30GHz estão quase esgotados. Os governos e a Organização Internacional de Padronização alocaram todas as frequências "boas", mas ainda há escassez de frequências e conflitos de frequência. O desenvolvimento de sistemas celulares 4G e o próximo 5G dependem da alocação de frequência adequada. O problema é que restam muito poucas frequências.

As ondas milimétricas são como um novo continente nas Américas, fornecendo aos usuários e operadoras móveis recursos de frequência "infinitos".

Ondas milimétricas trazem grande largura de banda e alta velocidade. A largura de banda máxima que pode ser usada por um sistema celular 4G LTE baseado na banda sub6GHz é de 100MHz e a taxa de dados não excede 1Gbps. Na banda mmWave, a largura de banda máxima que pode ser usada por aplicativos móveis é de 400 MHz, com taxas de dados de até 10 Gbps ou mais.

A demanda é sempre o maior impulsionador da inovação. A dificuldade técnica de produzir componentes de circuitos integrados de banda de ondas milimétricas baratas e de alta qualidade foi rapidamente superada. Ao usar novos materiais como SiGe, GaAs, InP e GaN, bem como novos processos de produção, transistores tão pequenos quanto dezenas ou até vários nanômetros foram integrados em chips que trabalham na faixa de onda milimétrica, o que reduz muito o custo.

Agora estamos livres para usar qualquer onda milimétrica entre 20GHz e 300GHz? Ainda não. Por que as frequências de ondas milimétricas não podem ser usadas arbitrariamente? Quando as ondas de rádio se propagam, a atmosfera absorve seletivamente ondas eletromagnéticas de certas frequências (comprimentos de onda), resultando em perdas de propagação particularmente graves dessas ondas eletromagnéticas. Existem principalmente dois componentes atmosféricos que absorvem as ondas eletromagnéticas: oxigênio e vapor de água. A ressonância causada pelo vapor de água absorve ondas eletromagnéticas em torno de 22 GHz e 183 GHz, enquanto a absorção de ressonância do oxigênio afeta ondas eletromagnéticas em torno de 60 GHz e 120 GHz. Assim, podemos ver que não importa qual organização aloque recursos de ondas milimétricas, ela evitará as faixas de frequência próximas a essas quatro frequências.

Uma das limitações mais críticas é que os cursos mmWave são realmente limitados. As leis da física nos dizem que quanto menor o comprimento de onda, menor a distância de propagação sob a mesma potência de transmissão. Em muitos cenários, essa limitação resultará em distâncias de propagação mmWave não superiores a 10 metros. Tudo tem dois lados. A pequena distância de propagação às vezes é uma vantagem do sistema de ondas milimétricas. Por exemplo, pode reduzir a interferência entre sinais de ondas milimétricas. As antenas de alto ganho usadas em sistemas mmWave também possuem boa diretividade, o que elimina ainda mais a interferência. Essas antenas de feixe estreito aumentam a potência e a cobertura, ao mesmo tempo que aumentam a segurança e reduzem a probabilidade de os sinais serem interceptados.

Além disso, o fator limitante "alta frequência" reduz o tamanho da antena, o que é outra surpresa inesperada. Supondo que o tamanho da antena que usamos seja fixo em relação ao comprimento de onda sem fio, como 1/2 comprimento de onda ou 1/4 de comprimento de onda, aumentar a frequência da portadora significa que a antena se torna cada vez menor. Por exemplo, o comprimento de uma antena GSM de 900M é de cerca de dezenas de centímetros, enquanto a antena de ondas milimétricas pode ter apenas alguns milímetros. Dito isso, podemos amontoar cada vez mais antenas de banda alta no mesmo espaço. Com base nesse fato, podemos compensar a perda de caminho de alta frequência aumentando o número de antenas sem aumentar o tamanho do conjunto de antenas. Isso possibilita o uso da tecnologia MIMO massiva em sistemas 5G mmWave.

Depois de superar essas limitações, os sistemas 5G trabalhando em ondas milimétricas podem fornecer muitos serviços que o 4G não pode fornecer, como vídeo de alta definição, realidade virtual, realidade aumentada, backhaul de estação base sem fio (backhaul), detecção de radar de curto alcance, informações urbanas densas serviços de comunicação sem fio em estádios/concertos/shopping, controle de automação fabril, telemedicina, monitoramento de segurança, sistemas inteligentes de transporte, inspeções de segurança aeroportuária, etc. O desenvolvimento e utilização da banda de onda milimétrica oferece um amplo espaço e imaginação ilimitada para aplicações 5G.

Desde que o 3GPP decidiu que o 5G NR continuará a usar a tecnologia OFDM, em comparação com o 4G, o 5G não tem inovação tecnológica disruptiva, e a onda milimétrica quase se tornou a maior "nova ideia" do 5G. A introdução de outras novas tecnologias em 5G, como MIMO massivo, nova numerologia (espaçamento de subportadoras, etc.), códigos LDPC/Polar, etc., estão intimamente relacionados às ondas milimétricas, tudo para permitir que a tecnologia OFDM seja melhor estendida ao banda de onda milimétrica. Para se adaptar às características de grande largura de banda das ondas milimétricas, o 5G define vários intervalos de subportadora, dos quais os intervalos de subportadora maiores (60KHz e 120KHz) são especialmente projetados para ondas milimétricas. A tecnologia MIMO massiva mencionada acima também é adaptada para ondas milimétricas. Portanto, o 5G também pode ser chamado de "4G aprimorado estendido para mmWave" ou "LTE aprimorado estendido para mmWave".