¿Por qué elegir mmWave para 5G?

Según el acuerdo 3GPP 38.101, 5G NR utiliza principalmente dos bandas de frecuencia: la banda de frecuencia FR1 y la banda de frecuencia FR2. El rango de frecuencia de la banda de frecuencia FR1 es de 450 MHz a 6 GHz, también conocida como banda de frecuencia sub 6 GHz; el rango de frecuencia de la banda de frecuencia FR2 es de 24,25 GHz a 52,6 GHz, que generalmente se denomina onda milimétrica (mmWave)

Durante mucho tiempo en la historia, la banda de ondas milimétricas perteneció a la naturaleza. ¿por qué? La razón es simple, porque pocos componentes o dispositivos electrónicos pueden transmitir o recibir ondas milimétricas. ¿Por qué no hay un dispositivo electrónico para enviar o recibir mmWave? Hay dos razones.

La primera razón es que, aunque las ondas milimétricas pueden proporcionar un mayor ancho de banda y velocidades de datos más altas, las aplicaciones móviles anteriores no requerían anchos de banda tan grandes ni velocidades de datos tan altas, y no había demanda de ondas milimétricas en el mercado. Y la onda milimétrica tiene algunas limitaciones obvias, como una pérdida de propagación demasiado grande, una cobertura demasiado pequeña, etc.

La segunda razón es que mmWave es demasiado caro. Producir componentes de circuitos integrados de tamaño submicrónico capaces de operar en la banda de frecuencia de ondas milimétricas ha sido un desafío. Superar las pérdidas de propagación y mejorar la cobertura también significa mucho dinero. Sin embargo, en los últimos diez años, todo ha cambiado.

Con el rápido desarrollo de la comunicación móvil, los recursos de frecuencia dentro de los 30 GHz están casi agotados. Los gobiernos y la Organización Internacional de Normalización han asignado todas las frecuencias "buenas", pero todavía hay escasez de frecuencias y conflictos de frecuencia. El desarrollo de los sistemas celulares 4G y el próximo 5G dependen de la asignación de frecuencia adecuada. El problema es que quedan muy pocas frecuencias.

Las ondas milimétricas son como un nuevo continente en las Américas, proporcionando a los usuarios móviles y operadores móviles recursos de frecuencia "infinitos".

Las ondas milimétricas traen un gran ancho de banda y alta velocidad. El ancho de banda máximo que puede utilizar un sistema celular 4G LTE basado en la banda sub6GHz es de 100 MHz y la velocidad de datos no supera los 1 Gbps. En la banda mmWave, el ancho de banda máximo que pueden utilizar las aplicaciones móviles es de 400 MHz, con tasas de datos de hasta 10 Gbps o más.

La demanda es siempre el mayor impulsor de la innovación. La dificultad técnica de producir componentes de circuitos integrados de banda de ondas milimétricas económicos y de alta calidad se superó rápidamente. Mediante el uso de nuevos materiales como SiGe, GaAs, InP y GaN, así como nuevos procesos de producción, se han integrado transistores tan pequeños como decenas o incluso varios nanómetros en chips que funcionan en la banda de onda milimétrica, lo que reduce considerablemente el costo.

¿Somos ahora libres de usar cualquier onda milimétrica entre 20 GHz y 300 GHz? No todavía. ¿Por qué no se pueden usar arbitrariamente las frecuencias de ondas milimétricas? Cuando las ondas de radio se propagan, la atmósfera absorberá selectivamente ondas electromagnéticas de ciertas frecuencias (longitudes de onda), lo que resultará en pérdidas de propagación particularmente graves de estas ondas electromagnéticas. Existen principalmente dos componentes atmosféricos que absorben las ondas electromagnéticas: el oxígeno y el vapor de agua. La resonancia causada por el vapor de agua absorbe ondas electromagnéticas alrededor de 22 GHz y 183 GHz, mientras que la absorción de resonancia del oxígeno afecta ondas electromagnéticas alrededor de 60 GHz y 120 GHz. Entonces podemos ver que no importa qué organización asigne recursos de ondas milimétricas, evitará las bandas de frecuencia cercanas a estas cuatro frecuencias.

Una de las limitaciones más críticas es que los viajes mmWave son realmente limitados. Las leyes de la física nos dicen que cuanto más corta es la longitud de onda, más corta es la distancia de propagación bajo la misma potencia de transmisión. En muchos escenarios, esta limitación dará como resultado distancias de propagación de ondas milimétricas de no más de 10 metros. Todo tiene dos lados. La pequeña distancia de propagación es a veces una ventaja del sistema de ondas milimétricas. Por ejemplo, puede reducir la interferencia entre señales de ondas milimétricas. Las antenas de alta ganancia utilizadas en los sistemas mmWave también tienen buena directividad, lo que elimina aún más la interferencia. Estas antenas de haz estrecho aumentan la potencia y la cobertura, al tiempo que mejoran la seguridad y reducen la probabilidad de que las señales sean interceptadas.

Además, el factor limitante de "alta frecuencia" reduce el tamaño de la antena, lo cual es otra sorpresa inesperada. Suponiendo que el tamaño de la antena que usamos es fijo en relación con la longitud de onda inalámbrica, como 1/2 longitud de onda o 1/4 de longitud de onda, aumentar la frecuencia de la portadora significa que la antena se vuelve cada vez más pequeña. Por ejemplo, la longitud de una antena GSM de 900M es de unas decenas de centímetros, mientras que la antena de ondas milimétricas puede tener solo unos pocos milímetros. Dicho esto, podemos meter más y más antenas de banda alta en el mismo espacio. Basándonos en este hecho, podemos compensar la pérdida de trayecto de alta frecuencia aumentando el número de antenas sin aumentar el tamaño del conjunto de antenas. Esto hace posible el uso de tecnología MIMO masiva en sistemas 5G mmWave.

Después de superar estas limitaciones, los sistemas 5G que funcionan en ondas milimétricas pueden brindar muchos servicios que 4G no puede brindar, como video de alta definición, realidad virtual, realidad aumentada, backhaul de estación base inalámbrica (backhaul), detección de radar de corto alcance, información urbana densa servicios, estadios/conciertos/servicios de comunicación inalámbrica de centros comerciales, control de automatización de fábricas, telemedicina, monitoreo de seguridad, sistemas de transporte inteligente, inspecciones de seguridad de aeropuertos, etc. El desarrollo y la utilización de la banda de ondas milimétricas ofrece un amplio espacio y una imaginación ilimitada para las aplicaciones 5G.

Desde que 3GPP decidió que 5G NR continuará usando la tecnología OFDM, en comparación con 4G, 5G no tiene una innovación tecnológica disruptiva, y la onda milimétrica casi se ha convertido en la "nueva idea" más grande de 5G. La introducción de otras nuevas tecnologías en 5G, como MIMO masivo, nueva numerología (subcarrier spacing, etc.), códigos LDPC/Polar, etc., están muy relacionadas con las ondas milimétricas, todo ello para permitir una mejor extensión de la tecnología OFDM al banda de ondas milimétricas. Para adaptarse a las características de gran ancho de banda de las ondas milimétricas, 5G define múltiples intervalos de subportadora, de los cuales los intervalos de subportadora más grandes (60 KHz y 120 KHz) están especialmente diseñados para ondas milimétricas. La tecnología MIMO masiva antes mencionada también está diseñada para ondas milimétricas. Por lo tanto, 5G también puede llamarse "4G mejorado extendido a mmWave" o "LTE mejorado extendido a mmWave".