Dlaczego warto wybrać mmWave dla 5G?

Zgodnie z umową 3GPP 38.101, 5G NR wykorzystuje głównie dwa pasma częstotliwości: pasmo częstotliwości FR1 i pasmo częstotliwości FR2. Zakres częstotliwości pasma częstotliwości FR1 to 450 MHz-6 GHz, znany również jako pasmo częstotliwości poniżej 6 GHz; zakres częstotliwości pasma częstotliwości FR2 to 24,25 GHz-52,6 GHz, który jest zwykle nazywany falą milimetrową (mmWave)

Przez długi czas w historii pasmo fal milimetrowych należało do dziczy. Dlaczego? Powód jest prosty, ponieważ niewiele elementów elektronicznych lub urządzeń może przesyłać lub odbierać fale milimetrowe. Dlaczego nie ma urządzenia elektronicznego do wysyłania lub odbierania mmWave? Są dwa powody.

Pierwszym powodem jest to, że chociaż fale milimetrowe mogą zapewnić większą przepustowość i wyższe szybkości transmisji danych, poprzednie aplikacje mobilne nie wymagały tak dużej przepustowości i tak wysokich szybkości transmisji danych, a na rynku nie było zapotrzebowania na fale milimetrowe. A fala milimetrowa ma pewne oczywiste ograniczenia, takie jak zbyt duże straty propagacyjne, zbyt mały zasięg i tak dalej.

Drugim powodem jest to, że mmWave jest zbyt drogi. Wyzwaniem było wytworzenie submikronowych podzespołów układów scalonych zdolnych do pracy w paśmie częstotliwości fal milimetrowych. Pokonywanie strat propagacyjnych i poprawa zasięgu to także spore pieniądze. Jednak w ciągu ostatnich dziesięciu lat wszystko się zmieniło.

Wraz z szybkim rozwojem komunikacji mobilnej, zasoby częstotliwości w zakresie 30GHz są prawie wyczerpane. Rządy i Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna przydzieliły wszystkie „dobre” częstotliwości, ale nadal występują niedobory częstotliwości i konflikty częstotliwości. Rozwój systemów komórkowych 4G i nadchodzące 5G zależą od odpowiedniej alokacji częstotliwości. Problem w tym, że pozostało bardzo mało częstotliwości.

Fale milimetrowe są jak nowy kontynent w obu Amerykach, zapewniając użytkownikom i operatorom komórkowym „nieskończone” zasoby częstotliwości.

Fale milimetrowe zapewniają dużą przepustowość i dużą prędkość. Maksymalna przepustowość, jaką może wykorzystać system komórkowy 4G LTE oparty na paśmie sub6GHz, wynosi 100MHz, a szybkość transmisji danych nie przekracza 1Gbps. W paśmie mmWave maksymalna przepustowość, z której mogą korzystać aplikacje mobilne, wynosi 400 MHz, przy szybkości transmisji danych dochodzącej do 10 Gb/s lub większej.

Popyt jest zawsze największym motorem innowacji. Techniczna trudność w produkcji niedrogich i wysokiej jakości komponentów obwodów scalonych o paśmie milimetrowym została szybko przezwyciężona. Dzięki zastosowaniu nowych materiałów, takich jak SiGe, GaAs, InP i GaN, a także nowym procesom produkcyjnym, tranzystory o wielkości dziesiątek, a nawet kilku nanometrów zostały zintegrowane z chipami pracującymi w paśmie milimetrowym, co znacznie obniża koszty.

 Czy możemy teraz używać dowolnej fali milimetrowej między 20GHz a 300GHz? Jeszcze nie. Dlaczego częstotliwości fal milimetrowych nie można używać dowolnie? Kiedy fale radiowe się rozchodzą, atmosfera selektywnie pochłania fale elektromagnetyczne o określonych częstotliwościach (długościach fal), co powoduje szczególnie poważne straty propagacji tych fal elektromagnetycznych. Istnieją głównie dwa składniki atmosferyczne, które pochłaniają fale elektromagnetyczne: tlen i para wodna. Rezonans wywołany parą wodną pochłania fale elektromagnetyczne około 22 GHz i 183 GHz, podczas gdy absorpcja rezonansowa tlenu wpływa na fale elektromagnetyczne około 60 GHz i 120 GHz. Widzimy więc, że bez względu na to, która organizacja przydzieli zasoby fal milimetrowych, uniknie pasm częstotliwości w pobliżu tych czterech częstotliwości.

Jednym z najważniejszych ograniczeń jest to, że podróże mmWave są naprawdę ograniczone. Prawa fizyki mówią nam, że im krótsza długość fali, tym krótsza odległość propagacji przy tej samej mocy nadawania. W wielu scenariuszach to ograniczenie spowoduje, że odległości propagacji fal milimetrowych nie będą większe niż 10 metrów. Wszystko ma dwie strony. Niewielka odległość propagacji jest czasami zaletą systemu fal milimetrowych. Na przykład może zmniejszyć zakłócenia między sygnałami o falach milimetrowych. Anteny o wysokim zysku stosowane w systemach mmWave mają również dobrą kierunkowość, co dodatkowo eliminuje zakłócenia. Takie anteny wąskopasmowe zwiększają moc i zasięg, jednocześnie zwiększając bezpieczeństwo i zmniejszając prawdopodobieństwo przechwycenia sygnałów.

Ponadto czynnik ograniczający „wysoką częstotliwość” zmniejsza rozmiar anteny, co jest kolejną nieoczekiwaną niespodzianką. Zakładając, że rozmiar używanej przez nas anteny jest ustalony w stosunku do długości fali bezprzewodowej, np. 1/2 długości fali lub 1/4 długości fali, wówczas zwiększanie częstotliwości nośnej oznacza, że antena staje się coraz mniejsza. Na przykład długość anteny GSM 900M wynosi około kilkudziesięciu centymetrów, podczas gdy antena o fali milimetrowej może mieć tylko kilka milimetrów. To powiedziawszy, możemy upchnąć coraz więcej anten wysokopasmowych w tej samej przestrzeni. Opierając się na tym fakcie, możemy skompensować utratę ścieżki wysokiej częstotliwości, zwiększając liczbę anten bez zwiększania rozmiaru szyku antenowego. Umożliwia to wykorzystanie technologii Massive MIMO w systemach 5G mmWave.

Po pokonaniu tych ograniczeń systemy 5G pracujące na falach milimetrowych mogą zapewnić wiele usług, których 4G nie jest w stanie zapewnić, takich jak wideo w wysokiej rozdzielczości, rzeczywistość wirtualna, rzeczywistość rozszerzona, bezprzewodowa stacja bazowa backhaul (backhaul), wykrywanie radarów bliskiego zasięgu, gęste informacje miejskie usługi, stadiony / koncerty / usługi komunikacji bezprzewodowej centrum handlowego, sterowanie automatyką fabryki, telemedycyna, monitorowanie bezpieczeństwa, inteligentne systemy transportowe, inspekcje bezpieczeństwa na lotniskach itp. Rozwój i wykorzystanie pasma milimetrowego zapewnia szeroką przestrzeń i nieograniczoną wyobraźnię dla aplikacji 5G.

Odkąd 3GPP zdecydowało, że 5G NR będzie nadal korzystać z technologii OFDM, w porównaniu z 4G, 5G nie ma przełomowych innowacji technologicznych, a fala milimetrowa stała się niemal największym „nowym pomysłem” 5G. Wprowadzenie innych nowych technologii w 5G, takich jak masywne MIMO, nowa numerologia (odstępy między podnośnymi itp.), kody LDPC/Polar itp. są ściśle związane z falami milimetrowymi, a wszystko to po to, aby umożliwić lepsze rozszerzenie technologii OFDM na pasmo fal milimetrowych. Aby dostosować się do charakterystyki dużej szerokości pasma fal milimetrowych, 5G definiuje wiele interwałów podnośnych, z których większe (60 kHz i 120 kHz) są specjalnie zaprojektowane dla fal milimetrowych. Wspomniana wcześniej masywna technologia MIMO jest również dostosowana do fal milimetrowych. Dlatego 5G można również nazwać „enhanced 4G rozszerzony do mmWave” lub „ulepszony LTE rozszerzony do mmWave”.