Оценка пропускной способности миллиметровых волн для будущих сетей 6g

Сети беспроводной связи развиваются быстрыми темпами, что обусловлено ненасытным спросом на более высокую пропускную способность, меньшую задержку и массовое подключение. Пятое поколение (5G) принесло значительные улучшения, но его спектр под-6 ГГц уже становится перегруженным. Для сетей шестого поколения (6G), которые, как ожидается, появятся примерно к 2030 году, отрасль ищет более высокие полосы частот, чтобы разблокировать заказы на увеличение мощности. Связь миллиметровых волн (mmWave), работающая между 30 ГГц и 300 ГГц, возникла как краеугольная технология для 6G. В этой статье оценивается емкость mmWave для будущих сетей 6G, рассматривая его преимущества, проблемы, поддерживающие технологии и реальные варианты использования, которые будут стимулировать его принятие.

Что такое миллиметровые волны?

Миллиметровая волна относится к электромагнитным волнам с длинами волн от 1 до 10 миллиметров, соответствующими частотам от 30 ГГц до 300 ГГц. Эти частоты находятся выше микроволновых полос, используемых 4G и большинством развертываний 5G, и ниже терагерцовой (THz) полосы. Ключевой характеристикой mmWave является наличие чрезвычайно широких смежных полос пропускания — во многих регионах для мобильных служб mmWave выделено несколько гигагерц спектра, по сравнению с несколькими сотнями мегагерц в полосах суб-6 ГГц.

Характеристики спектра и физика распространения

Поведение распространения mmWave заметно отличается от более низких частот. Потеря траектории свободного пространства увеличивается с квадратом частоты, поэтому сигналы mmWave испытывают гораздо более высокое затухание на расстоянии. Потеря проникновения здания тяжелая: бетонные стены могут ослаблять сигналы на 30 дБ или более при 28 ГГц. Дождь, листва и даже человеческие тела вызывают значительное поглощение и рассеяние. Однако короткие длины волн позволяют использовать компактные антенные решетки со многими элементами, что позволяет смягчать потерю траектории. Этот фундаментальный компромисс между потерей траектории и усилением луча формирует каждый аспект конструкции системы mmWave.

Преимущества миллиметровой волны для 6G

MmWave предлагает несколько неоспоримых преимуществ, которые делают его необходимым для достижения целей 6G: пиковые скорости передачи данных 1 Тбит/с, сквозная задержка ниже 1 мс и плотность соединения 10 ⁷ устройств на км ² .

Сверхвысокие емкости и скорости передачи данных

Массивная полоса пропускания, доступная в диапазонах mmWave, напрямую переводит на более высокие скорости передачи данных. Используя 800 МГц непрерывной полосы пропускания на 28 ГГц, одна базовая станция может доставлять несколько гигабит в секунду на пользователя со скромной модуляцией. При агрегации несущих и более широких каналах (до нескольких ГГц в нелицензированной полосе 60 ГГц и за ее пределами) теоретические пиковые скорости превышают 100 Гбит/с. Для 6G mmWave будет сочетаться с массивным MIMO и расширенным кодированием, чтобы приблизиться к пределу Шеннона, обеспечивая истинную многогигабитную связь в секунду даже в плотных городских условиях.

Низкая латентность

Поскольку mmWave может поддерживать высокие скорости передачи данных с коротким временем передачи, это уменьшает задержку в воздухе. Кроме того, использование узких лучей и управление быстрым лучом позволяет быстро адаптироваться к изменениям канала. 6G-приложения, такие как тактильная обратная связь, удаленная хирургия и автономное вождение, требуют задержки в оба конца до 1 мс - цель, достижимая только с комбинацией mmWave и обработки края. В отличие от систем с частотой до 6 ГГц, небольшие размеры ячеек mmWave также уменьшают задержку распространения.

Доступность и повторное использование спектра

Спектр mmWave в значительной степени недоиспользуется сегодня. Национальные регуляторы уже назначили полосы на 24, 28, 39 и 47 ГГц для 5G, и изучается больше полос для 6G. МСЭ-R работает над повесткой дня Всемирной конференции радиосвязи 2027 (WRC-27) для выявления дополнительных полос mmWave и sub-THz для мобильных устройств. Это изобилие спектра позволяет сверхплотное развертывание с высоким пространственным повторным использованием: каждая ячейка может работать с небольшим количеством пользователей, но с очень высокими скоростями на пользователя, создавая сеть, которая может доставлять совокупные мощности площади в диапазоне Tbps / km ² .

Интеграция с Terahertz и Beyond

МмВава является ступенькой к еще более высоким частотам. Многие исследования 6G включают в себя работу с двумя или тремя полосами, где mmWave обрабатывает линии с высокой мобильностью и средней скоростью передачи данных, в то время как полосы суб-THz (100-300 ГГц) обеспечивают линии с ультравысокой пропускной способностью на короткие расстояния. Оценивая емкость mmWave сегодня, мы закладываем основу для масштабирования связи THz в будущем.

Проблемы, с которыми сталкиваются миллиметровые волны

Несмотря на огромный потенциал, mmWave сталкивается с несколькими техническими препятствиями, которые необходимо преодолеть, прежде чем она сможет стать основой 6G. Эти проблемы не являются непреодолимыми, но они требуют инновационных решений в области аппаратного обеспечения, обработки сигналов и проектирования сети.

Пропаганда и блокировка

Потеря траектории свободного пространства на 28 ГГц примерно на 28 дБ выше, чем на 2 ГГц на том же расстоянии. Для компенсации системы mmWave полагаются на усиление формирования луча от 20 до 30 дБ с использованием массивов с 64 до 1024 элементами. Однако блокировка препятствиями остается проблематичной. Человеческие тела, стены и движущиеся транспортные средства могут вызывать внезапные падения сигнала на 20–40 дБ. Для смягчения блокировки разрабатываются динамическое переключение луча и многоконтактность (связывание устройства с несколькими базовыми станциями одновременно). Исследования Национального института стандартов и технологий (NIST) произвели подробные модели распространения, которые информируют о проектировании системы.

Ограниченный диапазон и покрытие отверстий

Эффективная зона покрытия базовой станции mmWave обычно составляет 100-300 метров в плотных городских условиях и еще меньше в помещении. Это требует сверхплотного развертывания, что увеличивает стоимость инфраструктуры и сложность обратного хода. Для 6G предусмотрена гетерогенная сетевая архитектура: макроэлементы с частотой до 6 ГГц обеспечивают постоянное покрытие, в то время как малые ячейки mmWave и sub-THz увеличивают емкость в горячих точках. Расширенные реле и интеллектуальные отражающие поверхности (IRS) могут заполнять отверстия покрытия, перенаправляя сигналы вокруг препятствий.

Сложность оборудования и энергопотребление

Строительство экономичных, энергоэффективных приемопередатчиков mmWave является серьезной инженерной задачей. Фазовые переключатели, усилители мощности и усилители с низким уровнем шума на частотах mmWave менее эффективны, чем их аналоги с частотой до 6 ГГц. Гибридные архитектуры формирования пучка, которые сочетают аналоговое и цифровое формирование пучка, помогают сократить количество RF-цепей, снижая стоимость и мощность. Текущие исследования и разработки в монолитных микроволновых интегральных схемах (MMIC) с использованием GaN, SiGe и передовых CMOS-процессов неуклонно повышают эффективность. Отраслевая цель для 6G - снизить мощность на гигабит, передаваемую на порядок по сравнению с 5G.

Управление лучами и мобильность

В системах mmWave базовая станция и пользовательское оборудование должны выровнять свои лучи с высокой точностью — часто в пределах нескольких градусов. Когда пользователь перемещается, оптимальное направление луча быстро меняется, требуя быстрого обучения луча и отслеживания. Для высокоскоростных транспортных средств (например, автомобилей на скорости 200 км/ч) время когерентности луча может быть коротким, как несколько миллисекунд. Алгоритмы машинного обучения разрабатываются для прогнозирования изменений луча на основе местоположения, входов датчиков и истории. Органы стандартизации, такие как 3GPP , ввели расширенные процедуры управления лучом в выпуске 17 и 18, которые будут продолжать развиваться для 6G.

Ключевые технологии, позволяющие использовать MmWave для 6G

Для реализации полной мощности связи mmWave в настоящее время активно ведутся исследования и разработки нескольких дополнительных технологий.

Массивные MIMO и гибридные лучообразующие

Массивный MIMO с сотнями или тысячами антенных элементов является краеугольным камнем mmWave 6G. Формируя узкие, высокодоходные лучи, массивный MIMO преодолевает потери пути и позволяет пространственное мультиплексирование многих пользователей одновременно. Гибридное формирование луча расщепляет обработку между аналоговыми (фазовыми сдвигателями) и цифровыми доменами для баланса производительности и сложности. Будущие системы могут принять полностью цифровое формирование луча с ADC низкого разрешения (например, 1-4 бита) для снижения мощности при сохранении высокой спектральной эффективности.

Интеллектуальные поверхности (RIS)

RIS, также известный как интеллектуальные отражающие поверхности, состоит из многих пассивных элементов, которые могут быть настроены на отражение падающих волн с контролируемыми фазовыми сдвигами. Развертывая RIS на стенах, рекламных щитах или фасадах зданий, операторы могут расширять покрытие mmWave в затененные области. RIS не требует усилителей мощности и может быть недорогим, что делает его перспективным решением для плотных городских и внутренних сред. Ранние эксперименты показывают, что RIS может повысить силу сигнала на 20 дБ или более в условиях нелинейного обзора.

Искусственный интеллект и машинное обучение

ИИ/ML играет центральную роль в системах 6G mmWave. Нейронные сети используются для оценки канала, прогнозирования луча, распределения ресурсов и управления мобильностью. Например, модель глубокого обучения может предсказать лучшую пару луча в течение нескольких микросекунд на основе местоположения пользователя и прошлых измерений, резко уменьшая накладные расходы на обучение луча. Усиление обучения может оптимизировать управление мощностью и планирование в плотных малых ячейках. Ожидается, что интеграция ИИ на физическом уровне будет определяющей особенностью 6G.

Продвинутые материалы и антенна в упаковке (AiP)

Производство антенн на частотах mmWave требует плотных допусков и материалов с низкими потерями. Жидкокристаллический полимер (LCP), низкотемпературная керамика с ко-огнем (LTCC) и органические подложки используются для модулей AiP, которые объединяют антенную решетку, RF-интерфейс и формирующую луч ИС в едином пакете. Эти модули достаточно малы, чтобы поместиться внутри смартфонов и устройств IoT. Для 6G исследователи изучают графен, метаматериалы и антенны на чипе для дальнейшего уменьшения размера и потери.

Системные требования Millimeter-Wave 6G

Мощность mmWave позволит разблокировать преобразующие приложения, которые были невозможны с предыдущими поколениями.

Погруженная расширенная реальность (XR)

Дополненная реальность (AR), виртуальная реальность (VR) и смешанная реальность требуют пропускной способности в несколько Гбит/с с задержкой движения до фотона менее 10 мс. 6G mmWave-линки могут доставлять видеопотоки с разрешением 8K или даже 16K по беспроводной сети на дисплеи с головным устройством, что позволяет осуществлять несвязанное погружение. Голографическое телеприсутствие, где 3D-изображение пользователя передается в режиме реального времени, потребует скорости передачи данных, превышающей 100 Гбит/с - достижимо только с диапазонами mmWave или sub-THz.

Автономные автомобили V2X

Связь между транспортными средствами (V2X) для автономного вождения требует чрезвычайно низкой задержки и высокой надежности. MmWave позволяет обмениваться данными датчиков с высокой скоростью передачи данных (LIDAR, радар, камеры) между транспортными средствами и инфраструктурой. Отслеживание луча с помощью фазированных массивов может поддерживать связи даже во время высокоскоростных маневров. 6G будет использовать mmWave для совместного восприятия, где транспортные средства обмениваются сырыми данными датчиков, чтобы «видеть» за пределами своих собственных датчиков, резко повышая безопасность.

Промышленный IoT и цифровые близнецы

Заводы и склады все чаще автоматизируются с помощью роботов, AGV и датчиков. MmWave обеспечивает высокую пропускную способность, необходимую для циклов управления в реальном времени, видеоаналитики и цифровой двойной синхронизации. С задержкой ниже 1 мс удаленный контроллер может управлять роботизированными руками с тактильной обратной связью. Частные сети 6G mmWave для Industry 4.0 уже тестируются на интеллектуальных заводах, показывая, что технология может обрабатывать плотные, богатые помехами среды в сочетании с надлежащей сетевой нарезкой.

Беспроводное волокно и Backhaul

MmWave может заменить оптическое волокно во многих сценариях. При скорости передачи данных 10-100 Гбит/с по линиям прямой видимости на расстояние до нескольких километров, обратный путь mmWave идеально подходит для подключения небольших ячеек к базовой сети. Для 6G беспроводное волокно с использованием E-диапазона (71-86 ГГц) и за его пределами станет неотъемлемой частью транспортной сети, снижая затраты на развертывание в городских и сельских районах.

Стандартизация и отраслевые усилия

Глобальная стандартизация имеет важное значение для коммерческого успеха mmWave 6G. ITU-R уже запустила фреймворк IMT-2030, который определит требования к стандартизации 6G. Ожидается, что 3GPP начнет стандартизацию 6G в Release 20 (около 2025 года), опираясь на улучшения mmWave в Releases 17-19. IEEE 802.11be (Wi-Fi 7) и предстоящие 802.11bn (Wi-Fi 8) также включают функции mmWave для нелицензионного использования.

Исследовательские проекты, такие как европейские Hexa-X и Hexa-X-II, а также инициативы в Китае, Южной Корее и США, исследуют концепции системы mmWave и sub-THz. Отраслевые документы от крупных поставщиков (Ericsson, Nokia, Samsung, Qualcomm) последовательно подчеркивают mmWave как ключевой активатор емкости 6G. Консенсус заключается в том, что mmWave не заменит суб-6 ГГц, а дополнит его, образуя многодиапазонную, многослойную сеть.

Заключение

Миллиметровые радиосвязи имеют преобразующее обещание для будущих сетей 6G, предлагая беспрецедентную емкость, низкую задержку и доступность спектра. В то время как остаются значительные проблемы - потеря распространения, блокировка, сложность оборудования и управление лучом - продолжающиеся достижения в массивных MIMO, реконфигурируемых поверхностях, оптимизации на основе ИИ и конструкции интегральных схем неуклонно превращают теорию в практику. Мощность mmWave в сочетании с расширениями sub-THz позволит использовать новое поколение приложений, начиная от голографического телеприсутствия до автономных автопарков и промышленной метавселенной.

6G не будет опираться на единую технологию; это будет конвергенция комплементарных полос и архитектур. MmWave готова стать рабочей лошадкой для высокопроизводительных линий связи с низкой задержкой в плотных средах. По мере развития исследований и созревания стандартизации видение действительно связанного, интеллектуального мира, работающего на терабит-в секунду беспроводной связи становится все более достижимым. Путь от 5G до 6G идет, и миллиметровые волны связи ведут заряд.