Perché scegliere mmWave per il 5G?

Secondo l'accordo 3GPP 38.101, 5G NR utilizza principalmente due bande di frequenza: banda di frequenza FR1 e banda di frequenza FR2. La gamma di frequenza della banda di frequenza FR1 è 450 MHz-6 GHz, nota anche come banda di frequenza inferiore a 6 GHz; la gamma di frequenza della banda di frequenza FR2 è 24,25 GHz-52,6 GHz, che di solito è chiamata onda millimetrica (mmWave)

Per molto tempo nella storia, la banda d'onda millimetrica è appartenuta allo stato brado. perché? Il motivo è semplice, perché pochi componenti o dispositivi elettronici possono trasmettere o ricevere onde millimetriche. Perché non esiste un dispositivo elettronico per inviare o ricevere mmWave? Ci sono due ragioni.

Il primo motivo è che, sebbene le onde millimetriche possano fornire una maggiore larghezza di banda e velocità di trasmissione dati più elevate, le precedenti applicazioni mobili non richiedevano larghezze di banda così grandi e velocità di trasmissione dati così elevate e non c'era domanda di mercato per onde millimetriche. E l'onda millimetrica ha alcune ovvie limitazioni, come una perdita di propagazione troppo grande, una copertura troppo piccola e così via.

Il secondo motivo è che mmWave è troppo costoso. La produzione di componenti di circuiti integrati di dimensioni submicroniche in grado di funzionare nella banda di frequenza delle onde millimetriche è stata una sfida. Superare le perdite di propagazione e migliorare la copertura significa anche molti soldi. Tuttavia, negli ultimi dieci anni, tutto è cambiato.

Con il rapido sviluppo della comunicazione mobile, le risorse di frequenza entro 30 GHz sono quasi esaurite. I governi e l'Organizzazione internazionale per la standardizzazione hanno assegnato tutte le frequenze "buone", ma ci sono ancora carenze di frequenza e conflitti di frequenza. Lo sviluppo dei sistemi cellulari 4G e l'imminente 5G dipendono dalla corretta allocazione della frequenza. Il problema è che sono rimaste pochissime frequenze.

Le onde millimetriche sono come un nuovo continente nelle Americhe, fornendo agli utenti mobili e agli operatori mobili risorse di frequenza "infinite".

Le onde millimetriche portano un'ampia larghezza di banda e alta velocità. La larghezza di banda massima che può essere utilizzata da un sistema cellulare 4G LTE basato sulla banda sub6GHz è 100 MHz e la velocità dati non supera 1 Gbps. Nella banda mmWave, la larghezza di banda massima che può essere utilizzata dalle applicazioni mobili è di 400 MHz, con velocità di trasmissione dati fino a 10 Gbps o più.

La domanda è sempre il più grande motore di innovazione. La difficoltà tecnica di produrre componenti di circuiti integrati a banda d'onda millimetrica economici e di alta qualità è stata rapidamente superata. Utilizzando nuovi materiali come SiGe, GaAs, InP e GaN, nonché nuovi processi di produzione, transistor piccoli come decine o anche diversi nanometri sono stati integrati su chip che lavorano nella banda d'onda millimetrica, il che riduce notevolmente i costi.

Siamo ora liberi di utilizzare qualsiasi onda millimetrica tra 20GHz e 300GHz? Non ancora. Perché le frequenze delle onde millimetriche non possono essere utilizzate arbitrariamente? Quando le onde radio si propagano, l'atmosfera assorbe selettivamente le onde elettromagnetiche di determinate frequenze (lunghezze d'onda), provocando perdite di propagazione particolarmente gravi di queste onde elettromagnetiche. Ci sono principalmente due componenti atmosferici che assorbono le onde elettromagnetiche: ossigeno e vapore acqueo. La risonanza causata dal vapore acqueo assorbe le onde elettromagnetiche intorno ai 22 GHz e 183 GHz, mentre l'assorbimento per risonanza dell'ossigeno interessa le onde elettromagnetiche intorno ai 60 GHz e 120 GHz. Quindi possiamo vedere che, indipendentemente dall'organizzazione che alloca le risorse di onde millimetriche, eviterà le bande di frequenza vicine a queste quattro frequenze.

Una delle limitazioni più critiche è che le corse mmWave sono davvero limitate. Le leggi della fisica ci dicono che minore è la lunghezza d'onda, minore è la distanza di propagazione a parità di potenza di trasmissione. In molti scenari, questa limitazione si tradurrà in distanze di propagazione mmWave non superiori a 10 metri. Tutto ha due facce. La piccola distanza di propagazione è talvolta un vantaggio del sistema a onde millimetriche. Ad esempio, può ridurre le interferenze tra i segnali a onde millimetriche. Le antenne ad alto guadagno utilizzate nei sistemi mmWave hanno anche una buona direttività, che elimina ulteriormente le interferenze. Tali antenne a fascio stretto aumentano la potenza e la copertura, migliorando al contempo la sicurezza e riducendo la probabilità che i segnali vengano intercettati.

Inoltre, il fattore limitante "alta frequenza" riduce le dimensioni dell'antenna, che è un'altra sorpresa inaspettata. Supponendo che la dimensione dell'antenna che utilizziamo sia fissa rispetto alla lunghezza d'onda wireless, ad esempio 1/2 lunghezza d'onda o 1/4 lunghezza d'onda, aumentare la frequenza portante significa che l'antenna diventa sempre più piccola. Ad esempio, la lunghezza di un'antenna GSM 900M è di circa decine di centimetri, mentre l'antenna ad onde millimetriche può essere solo di pochi millimetri. Detto questo, possiamo stipare sempre più antenne a banda alta nello stesso spazio. Sulla base di questo fatto, possiamo compensare la perdita di percorso ad alta frequenza aumentando il numero di antenne senza aumentare le dimensioni dell'array di antenne. Ciò consente di utilizzare la massiccia tecnologia MIMO nei sistemi 5G mmWave.

Dopo aver superato queste limitazioni, i sistemi 5G che lavorano su onde millimetriche possono fornire molti servizi che il 4G non può fornire, come video ad alta definizione, realtà virtuale, realtà aumentata, backhaul di stazioni base wireless (backhaul), rilevamento radar a corto raggio, informazioni urbane dense servizi, stadi/concerti/servizi di comunicazione wireless per centri commerciali, controllo dell'automazione di fabbrica, telemedicina, monitoraggio della sicurezza, sistemi di trasporto intelligenti, ispezioni di sicurezza aeroportuali, ecc. Lo sviluppo e l'utilizzo della banda d'onda millimetrica offre un ampio spazio e un'immaginazione illimitata per le applicazioni 5G.

Da quando 3GPP ha deciso che il 5G NR continuerà a utilizzare la tecnologia OFDM, rispetto al 4G, il 5G non ha innovazioni tecnologiche dirompenti e l'onda millimetrica è quasi diventata la più grande "nuova idea" del 5G. L'introduzione di altre nuove tecnologie nel 5G, come il MIMO massivo, la nuova numerologia (spaziatura delle sottoportanti, ecc.), i codici LDPC/Polar, ecc., sono strettamente correlati alle onde millimetriche, il tutto per consentire di estendere meglio la tecnologia OFDM alle banda d'onda millimetrica. Per adattarsi alle caratteristiche della grande larghezza di banda delle onde millimetriche, il 5G definisce più intervalli di sottoportanti, di cui gli intervalli di sottoportanti più grandi (60 KHz e 120 KHz) sono appositamente progettati per le onde millimetriche. La summenzionata tecnologia MIMO è anche su misura per le onde millimetriche. Pertanto, il 5G può anche essere chiamato "4G avanzato esteso a mmWave" o "LTE avanzato esteso a mmWave".