Waarom kiezen voor mmWave voor 5G?

Volgens de 3GPP 38.101-overeenkomst gebruikt 5G NR hoofdzakelijk twee frequentiebanden: FR1-frequentieband en FR2-frequentieband. Het frequentiebereik van de FR1-frequentieband is 450MHz-6GHz, ook bekend als de sub 6GHz-frequentieband; het frequentiebereik van de FR2-frequentieband is 24,25GHz-52.6GHz, wat meestal millimetergolf (mmWave) wordt genoemd

Lange tijd in de geschiedenis behoorde de millimetergolfband tot het wild. waarom? De reden is simpel, omdat maar weinig elektronische componenten of apparaten millimetergolven kunnen verzenden of ontvangen. Waarom is er geen elektronisch apparaat om mmWave te verzenden of te ontvangen? Er zijn twee redenen.

De eerste reden is dat hoewel millimetergolven een grotere bandbreedte en hogere datasnelheden kunnen bieden, eerdere mobiele toepassingen zulke grote bandbreedtes en zulke hoge datasnelheden niet vereisten, en dat er geen marktvraag was naar millimetergolven. En millimetergolf heeft enkele duidelijke beperkingen, zoals een te groot voortplantingsverlies, een te kleine dekking enzovoort.

De tweede reden is dat mmWave te duur is. Het was een uitdaging om geïntegreerde circuitcomponenten van submicronformaat te produceren die in de millimetergolffrequentieband kunnen werken. Het overwinnen van vermeerderingsverliezen en het verbeteren van de dekking betekent ook veel geld. In de afgelopen tien jaar is echter alles veranderd.

Met de snelle ontwikkeling van mobiele communicatie zijn de frequentiebronnen binnen 30 GHz bijna opgebruikt. Overheden en de Internationale Organisatie voor Standaardisatie hebben alle "goede" frequenties toegewezen, maar er zijn nog steeds frequentietekorten en frequentieconflicten. De ontwikkeling van 4G-cellulaire systemen en de aanstaande 5G zijn afhankelijk van de juiste frequentietoewijzing. Het probleem is dat er nog maar heel weinig frequenties over zijn.

Millimetergolven zijn als een nieuw continent in Amerika en bieden mobiele gebruikers en mobiele operators "eindeloze" frequentiebronnen.

Millimetergolven zorgen voor grote bandbreedte en hoge snelheid. De maximale bandbreedte die kan worden gebruikt door een 4G LTE mobiel systeem op basis van de sub6GHz-band is 100 MHz en de gegevenssnelheid is niet hoger dan 1 Gbps. In de mmWave-band is de maximale bandbreedte die door mobiele toepassingen kan worden gebruikt 400 MHz, met datasnelheden tot 10 Gbps of meer.

De vraag is altijd de grootste aanjager van innovatie. De technische moeilijkheid om goedkope en hoogwaardige componenten voor geïntegreerde schakelingen met millimetergolfband te produceren, werd snel overwonnen. Door het gebruik van nieuwe materialen zoals SiGe, GaAs, InP en GaN, evenals nieuwe productieprocessen, zijn transistors van tientallen of zelfs enkele nanometers geïntegreerd op chips die werken in de millimetergolfband, wat de kosten aanzienlijk verlaagt.

Zijn we nu vrij om elke millimetergolf tussen 20GHz en 300GHz te gebruiken? Nog niet. Waarom kunnen millimetergolffrequenties niet willekeurig worden gebruikt? Wanneer radiogolven zich voortplanten, zal de atmosfeer selectief elektromagnetische golven van bepaalde frequenties (golflengten) absorberen, wat resulteert in bijzonder ernstige voortplantingsverliezen van deze elektromagnetische golven. Er zijn hoofdzakelijk twee atmosferische componenten die elektromagnetische golven absorberen: zuurstof en waterdamp. De door waterdamp veroorzaakte resonantie absorbeert elektromagnetische golven rond 22 GHz en 183 GHz, terwijl de resonantie-absorptie van zuurstof elektromagnetische golven rond 60 GHz en 120 GHz beïnvloedt. Dus we kunnen zien dat, ongeacht welke organisatie millimetergolfbronnen toewijst, het de frequentiebanden in de buurt van deze vier frequenties zal vermijden.

Een van de meest kritische beperkingen is dat mmWave-reizen echt beperkt zijn. De wetten van de fysica vertellen ons dat hoe korter de golflengte, hoe korter de voortplantingsafstand bij hetzelfde zendvermogen. In veel scenario's zal deze beperking resulteren in mmWave-voortplantingsafstanden van niet meer dan 10 meter. Alles heeft twee kanten. De kleine voortplantingsafstand is soms een voordeel van het millimetergolfsysteem. Het kan bijvoorbeeld interferentie tussen millimetergolfsignalen verminderen. De high-gain antennes die in mmWave-systemen worden gebruikt, hebben ook een goede richtingsgevoeligheid, waardoor interferentie verder wordt geëlimineerd. Dergelijke antennes met smalle bundel verhogen het vermogen en de dekking, terwijl ze de veiligheid verbeteren en de kans verkleinen dat signalen worden onderschept.

Bovendien vermindert de "hoge frequentie" beperkende factor de grootte van de antenne, wat een andere onverwachte verrassing is. Ervan uitgaande dat de grootte van de antenne die we gebruiken vast is ten opzichte van de draadloze golflengte, zoals 1/2 golflengte of 1/4 golflengte, betekent het verhogen van de draaggolffrequentie dat de antenne steeds kleiner wordt. De lengte van een 900M GSM-antenne is bijvoorbeeld ongeveer tientallen centimeters, terwijl de millimetergolfantenne slechts enkele millimeters kan zijn. Dat gezegd hebbende, kunnen we steeds meer high-band antennes in dezelfde ruimte proppen. Op basis van dit feit kunnen we padverlies bij hoge frequenties compenseren door het aantal antennes te vergroten zonder de antenne-array te vergroten. Dit maakt het mogelijk om massieve MIMO-technologie te gebruiken in 5G mmWave-systemen.

Nadat deze beperkingen zijn overwonnen, kunnen 5G-systemen die werken op millimetergolven veel diensten bieden die 4G niet kan bieden, zoals high-definition video, virtual reality, augmented reality, backhaul (backhaul) van een draadloos basisstation, radardetectie op korte afstand, dichte stedelijke informatie diensten, stadions/Concerten/Winkelcentrum draadloze communicatiediensten, fabrieksautomatiseringscontrole, telegeneeskunde, veiligheidsbewaking, intelligente transportsystemen, veiligheidsinspecties van luchthavens, enz. De ontwikkeling en het gebruik van de millimetergolfband biedt een brede ruimte en onbeperkte verbeeldingskracht voor 5G-toepassingen.

Sinds 3GPP heeft besloten dat 5G NR OFDM-technologie zal blijven gebruiken, heeft 5G in vergelijking met 4G geen ontwrichtende technologische innovatie en is millimetergolf bijna het grootste "nieuwe idee" van 5G geworden. De introductie van andere nieuwe technologieën in 5G, zoals massieve MIMO, nieuwe numerologie (afstand tussen draaggolven, enz.), LDPC/Polar-codes, enz., hangen nauw samen met millimetergolven, allemaal om OFDM-technologie beter uit te breiden naar de millimetergolfband. Om zich aan te passen aan de grote bandbreedtekarakteristieken van millimetergolven, definieert 5G meerdere subdraaggolfintervallen, waarvan de grotere subdraaggolfintervallen (60KHz en 120KHz) speciaal zijn ontworpen voor millimetergolven. De eerder genoemde massieve MIMO-technologie is ook afgestemd op millimetergolven. Daarom kan 5G ook "enhanced 4G extended to mmWave" of "enhanced LTE extended to mmWave" worden genoemd.