Fale milimetrowe przyszłością infrastruktury bezprzewodowej.

Analiza skuteczności fal milimetrowych, ich cech charakterystycznych, korzyści i wad wynikających z ich użycia oraz zastosowań.

Fale milimetrowe dostępne są na pasmie częstotliwości o zakresie od 30 GHz do 300 GHz. Z uwagi na ten fakt plasują się one pomiędzy mikrofalami (1 GHz do 30 GHz) a falami podczerwonymi. Niekiedy określa się je mianem EHF, a więc fal o ekstremalnie wysokiej częstotliwości (ang. extremely high frequency). Długość fali (λ) mieści się w zakresie od 1 do 10 mm. Przez długi czas widmo użytkowane było wyłącznie marginalnie, głównie dlatego, iż jedynie niewielka liczba komponentów elektronicznych była w stanie wygenerować lub też właściwie przetworzyć fale milimetrowe.

Nadmieniony stan rzeczy uległ jednak zmianie na przestrzeni ostatniej dekady. Dzięki postępowi technologicznemu, są one obecnie wykorzystywane na szeroką skalę, natomiast naukowcy stale odkrywają ich nowe zastosowania. Co najważniejsze, ich eksploatacja umożliwia odciążenie zakresów o niższej częstotliwości oraz dalszy rozwój komunikacji bezprzewodowej poza granice technologii radiowej.

Zalety oraz wady rozwiązania

Fale milimetrowe pozwalają rozszerzyć zakres użytkowanego widma. W chwili obecnej, widmo mikrofalowe (do 30 GHz) jest niemalże w pełni zajęte. Agencje rządowe udzieliły przedsiębiorstwom i organizacjom licencji na użytkowanie najwydajniejszych jego zakresów. Prowadzi to niejednokrotnie do deficytu częstotliwości komunikacyjnych. Pamiętać należy także, że możliwości rozszerzenia zakresu świadczonych usług telefonii komórkowej przy zastosowaniu technologii 4G, takich jak choćby LTE, zależne jest od dostępności określonego zakresu widma. Problemem już od dłuższego czasu jest jego niewystarczająca osiągalność.

Sprawia to, że użytkowanie widma, tak jak nabycie wysokiej jakości nieruchomości – jest niezwykle drogie. Kwestię tę po części rozwiązują fale milimetrowe, które to umożliwiają rozszerzenie zakresu eksploatowanego widma. Sprawia to, że możliwe jest przeniesienie użytecznego widma w zakresie od 1 do 30 GHz na najniższy region fal milimetrowych. Do dyspozycji użytkowników w dalszym ciągu pozostanie w takim przypadku aż 240 GHz zakresu.

Fale milimetrowe umożliwiają także osiągnięcie dużej szybkości przesyłowej. Mikrofale pozwalają na transfer na poziomie maksymalnie 1 Gbit/s. W zakresie fal milimetrowych, możliwe jest osiągnięcie wartości przekraczających 10 Gbits/s.

Nadmienić w tym momencie należy jednak, że mimo, iż widmo to daje duże możliwości rozszerzania funkcjonalności technologii zorientowanych na komunikację bezprzewodową, nie jest ono użyteczne we wszystkich możliwych kontekstach. Ma bowiem także specyficzne ograniczenia. Eksperci stawiają sobie za cel ich przezwyciężenie, co z kolei sprawi, że fale milimetrowe staną się bardziej praktyczne, a ich użytkowanie – mniej kosztowne.

Jednym z największych ograniczeń fal milimetrowych jest ich niewielki zasięg. Jak mówi jedno z praw fizyki: im krótsza jest fala, tym mniejszy zasięg dla określonej mocy sygnału. W niektórych przypadkach, zasięg rzeczonych fal wynosi mniej niż 10 metrów.

Tłumienie w wolnej przestrzeni (w dB) obliczyć można z następującego wzoru:

L = 92.4 + 20log(f) + 20log(R)

gdzie R to pozbawiona przeszkód linia rozchodzenia się fal elektromagnetycznych (do horyzontu radiowego lub do przeszkody) w kilometrach, natomiast f to częstotliwość w gigahercach. Przykładowo, tłumienie na przestrzeni 10 metrów przy częstotliwości 60 GHz wynosi:

L = 92.4 + 35.6 – 40 = 88 dB

Możliwe jest zminimalizowanie dotkliwości tego zjawiska, na przykład poprzez zwiększenie czułości odbiornika, maksymalizację siły transmisji oraz zastosowanie anteny o wyższym zysku energetycznym.

Warto pamiętać, że warunki atmosferyczne również wpływać mogą na siłę tłumienia fal milimetrowych, ograniczając tym samym ich zasięg. Deszcz, mgła oraz nadmierna wilgotność w znacznym stopniu ograniczają maksymalny dystans transmisyjny. Absorbcja tlenowa (O2) osiąga wartość szczytową dla częstotliwości 60 GHz (Ilustracja 1). Absorpcja wodna (H2O) powoduje tłumienie na innych częstotliwościach. Transmisja przy wykorzystaniu częstotliwości stanowiących najniższe wartości krzywej pozwala ograniczyć do minimum zjawisko tłumienia. Co więcej, zastosowanie anteny o wysokim zysku energetycznym może zwiększyć efektywną siłę sygnału (ERP), maksymalizując tym samym dystans transmisji.

1. Krzywa tłumienia sygnału na poziomie morza przy temperaturze 20°C względem logarytmu częstotliwości pokazuje stopień, w jakim tlen i woda wpływają na wzmocnienie zjawiska tłumienia sygnału (dla częstotliwości 60 GHz).

Okazuje się jednakże, że krótki dystans transmisyjny może w niektórych scenariuszach okazać się wysoce korzystny. Pozwala on między innymi ograniczyć zakłócenia generowane przez inne systemy radiowe działające w pobliżu. Anteny o wysokim zysku energetycznym zostać mogą dodatkowo zastosowane celem ograniczenia wartości tłumienia w wolnej przestrzeni. Zwiększają one także siłę i zakres sygnału, chroniąc go jednocześnie przed przechwyceniem lub zakłóceniem.

Ogromnym plusem urządzeń odbierających i generujących fale milimetrowe są ich niewielkie rozmiary. Zalecane jest stosowanie nie tylko miniaturowych podzespołów bazowych, ale także anten. Standardowy dipol półfalowy działający na częstotliwości komórkowej (na przykład 900 MHz) może mieć nawet 16 centymetrów, natomiast w przypadku anten dedykowanych częstotliwościom 60 GHz, swoje zadanie doskonale spełni antena o długości 2.5 mm. Może być ona nawet krótsza, jeżeli tylko rzeczony komponent wykonany zostanie z materiałów dielektrycznych. Oznacza to, że wymiary radia wraz z anteną mogą być bardzo niewielkie. Możliwe jest też zaimplementowanie mikroskopijnych podzespołów w głównym układzie scalonym. Pozwoli to na zwiększenie zysku energetycznego, a także – mocy i zasięgu sygnału.

Wyzwaniem dla naukowców jest również zaprojektowanie zestawu obwodów elektrycznych umożliwiających generowanie i odbieranie częstotliwości milimetrowych. Najpopularniejszymi materiałami, z których są one wykonywane są takie półprzewodniki jak: german krzemu (SiGe), arsenek galu (GaAs), fosforek indu (InP), czy azotek galu (GaN). Nie należy także zapominać o opracowywaniu innowacyjnych procesów produkcyjnych, dających możliwość wytwarzania tranzystorów o wielkości poniżej 40 nm.

Zastosowania fal

Jak wielu z nas zapewne zdaje sobie sprawę, transmisja plików wideo wymaga zastosowania szerokiego pasma oraz wymuszenia dużej prędkości przesyłu danych. Do transmisji obrazu wideo w jakości HD 1080p konieczne może być osiągnięcie prędkości transferu na poziomie nawet kilkunastu gigabitów na sekundę. Wymogi te można jednak ograniczyć, jeżeli tylko przed wysłaniem plik wideo poddany zostanie kompresji. W takiej sytuacji wymogi dotyczące szybkości transferu spadną do nawet kilkuset megabitów na sekundę, jednakże zauważalnie spadnie także jakość samego materiału.

Stosowane techniki kompresji wideo znacznie zmniejszają jakość plików, jednakże umożliwiają ich transmisję przy pomocy dostępnych obecnie standardów bezprzewodowych, na przykład Wi-Fi 802.11n. Standardy takie jak chociażby 802.11ac opierają się na wykorzystaniu szerokiego pasma o częstotliwości 5 GHz dzięki czemu znacznie wzrasta szybkość przesyłu. Zastosowanie fal milimetrowych sprawia, że uzyskanie transferu na poziomie kilkudziesięciu gigabitów na sekundę nie jest kwestią problematyczną, co z kolei daje nadzieję na możliwość przesyłania - w niedalekiej przyszłości - niepoddanych kompresji plików wideo.

W chwili obecnej omawiane fale stosowane są najczęściej do transmisji obrazu z dekoderów STC do urządzeń typu HDTV, z odtwarzaczy DVD do zestawów telewizyjnych, czy też z konsol do gier do telewizora. Obraz może także zostać przesłany bezprzewodowo z komputera osobistego lub laptopa do monitora albo stacji dokującej. Popularnym zastosowaniem fal jest także transmisja danych z laptopa lub tabletu bezpośrednio do telewizora typu HDTV. Technologie generowania oraz odbierania fal milimetrowych stosowane są również w najnowszych projektorach HD oraz kamerach bezprzewodowych. Umożliwiają one bezprzewodowy transfer danych przy pomocy popularnych interfejsów wideo, jak na przykład HDMI 1.3, DisplayPort 1.2, czy w końcu - PCI Express.

W branży zauważyć można obecnie zainteresowanie implementacją bezprzewodowej wersji technologii USB 3.0. Staje się ona bowiem standardem używanym nie tylko w komputerach klasy PC i tabletach, ale także w zestawach telewizyjnych i innych urządzeniach konsumenckich. USB 3.0 zapewnia transfer na poziomie 5 Gbit/s, z którego osiąganych jest w rzeczywistości około 80%. Konsumenci na pewno z otwartymi rękoma powitaliby jego alternatywę zapewniającą przesył na poziomie 10 Gbit/s.

Technologia generowania i odbierania fal milimetrowych znajduje także zastosowanie w bezprzewodowych stacjach bazowych, radarach krótkiego zasięgu oraz skanerach na lotniskach. Potencjalnie może ona także umożliwić bezprzewodową komunikację pomiędzy układami scalonymi oraz płytkami drukowanymi. W przypadku fal milimetrowych, zastosowanie kabli, łączników oraz nawet bezpośrednie połączenie ze sobą płytek drukowanych prowadzić może do powstawania zjawiska tłumienia sygnału. Problem wyeliminować można przy pomocy połączeń bezprzewodowych o niewielkim zasięgu (do kilku milimetrów).

Zespół Operatorzy.net.pl
20.10.2017r.