¿Por qué 5G usa onda milimétrica?

Según el acuerdo 3GPP 38.101, 5G NR utiliza principalmente dos segmentos de frecuencia: banda FR1 y banda FR2. El rango de frecuencia de la banda FR1 es 450MHz - 6GHz, también conocida como la banda sub 6GHz; El rango de frecuencia de la banda FR2 es 24.25GHz - 52.6GHz, que generalmente se llama onda milimétrica (mm Wave)

En un largo período de la historia, la banda milimétrica es una tierra salvaje. ¿por qué? La razón es simple porque hay pocos componentes electrónicos o dispositivos capaces de transmitir o recibir ondas milimétricas. ¿Por qué no hay dispositivos electrónicos que envían o reciben ondas milimétricas? Hay dos razones
La primera razón es que, aunque las ondas milimétricas pueden proporcionar más ancho de banda y velocidades de datos más altas, las aplicaciones móviles anteriores no requerían un ancho de banda tan grande y velocidades de datos tan altas, y las ondas milimétricas no tienen demanda del mercado. Y las ondas milimétricas tienen algunas limitaciones obvias, como demasiada pérdida de transmisión, cobertura demasiado pequeña, etc.
La segunda razón es que las ondas milimétricas son demasiado caras. La producción de componentes de circuitos integrados de tamaño submicrónico que pueden operar en la banda de ondas milimétricas ha sido un desafío. Superar la pérdida de transmisión y aumentar la cobertura también significa mucho dinero. Sin embargo, todo ha cambiado en la última década.
Con el rápido desarrollo de las comunicaciones móviles, los recursos de frecuencia dentro de los 30 GHz están casi ocupados. Los gobiernos y la Organización Internacional de Normalización han asignado todos “ bueno ” frecuencias, pero todavía hay escasez de frecuencia y conflictos de frecuencia. El desarrollo de sistemas celulares 4G y el próximo 5G dependen de la asignación de frecuencia adecuada. El problema es que casi no queda frecuencia.
Las ondas milimétricas, como el Nuevo Mundo de las Américas, brindan a los usuarios y operadores móviles " infinito " recursos de frecuencia.
Las ondas milimétricas aportan gran ancho de banda y alta velocidad. El ancho de banda máximo que se puede usar en un sistema celular 4G LTE basado en la banda sub6GHz es de 100 MHz, y la velocidad de datos máxima es de 1Gbps. En la banda de onda milimétrica, el ancho de banda máximo que pueden usar las aplicaciones móviles es de 400MHz, y la velocidad de datos es de hasta 10Gbps o más.
La demanda del mercado es siempre la mayor fuerza impulsora de la innovación. El desafío técnico de producir un componente de circuito integrado de banda de onda milimétrica rentable se supera rápidamente. Mediante el uso de nuevos materiales como SiGe, GaAs, InP, GaN y nuevos procesos de producción, los transistores que operan en la banda de longitud de onda milimétrica se han integrado en transistores tan pequeños como decenas o incluso unos pocos nanómetros, lo que reduce en gran medida el costo.
¿Ahora somos libres de usar cualquier onda milimétrica entre 20GHz y 300GHz? Aún no. ¿Por qué? Cuando las ondas de radio se propagan, la atmósfera absorbe selectivamente las ondas electromagnéticas de ciertas frecuencias (longitudes de onda), lo que hace que la pérdida de propagación de estas ondas electromagnéticas sea particularmente grave. Los principales componentes de absorción de las ondas electromagnéticas son el oxígeno y el vapor de agua. La resonancia causada por el vapor de agua absorbe ondas electromagnéticas cercanas a 22 GHz y 183 GHz, mientras que la absorción de resonancia de oxígeno afecta las ondas electromagnéticas alrededor de 60 GHz y 120 GHz. Por lo tanto, podemos ver que no importa qué organización asigne recursos de onda milimétrica, evitará las bandas de frecuencia cerca de estas cuatro frecuencias.
Una de las limitaciones más críticas es la distancia de propagación de la onda milimétrica. Las leyes de la física nos dicen que con la misma potencia de transmisión, cuanto más corta es la longitud de onda, más corta es la distancia de propagación. En muchos escenarios, esta limitación hace que la onda milimétrica viaje no más de 10 metros. Todo tiene dos lados. La distancia de propagación es demasiado pequeña y, a veces, se convierte en la ventaja del sistema de ondas milimétricas. Por ejemplo, puede reducir la interferencia entre las señales de onda milimétrica. La antena de alta ganancia utilizada en el sistema de ondas milimétricas también tiene buena directividad, lo que elimina aún más la interferencia. Una antena de haz tan estrecho no solo aumenta la potencia sino que también aumenta la cobertura al tiempo que mejora la seguridad y reduce la probabilidad de intercepción de la señal.
Además, el " alta frecuencia " factor reducirá el tamaño de la antena, que es otra sorpresa inesperada. Suponiendo que el tamaño de la antena que utilizamos es fijo en relación con la longitud de onda inalámbrica, como 1/2 de longitud de onda o 1/4 de longitud de onda, el aumento en la frecuencia de la portadora significa que la antena se vuelve cada vez más pequeña. Por ejemplo, una antena GSM 900M tiene unas pocas decenas de centímetros de longitud, mientras que una antena de onda milimétrica puede tener solo unos pocos milímetros. Es decir, en el mismo espacio, podemos conectar más y más antenas de banda alta. En base a este hecho, podemos compensar la pérdida de ruta de alta frecuencia aumentando el número de antenas sin aumentar el tamaño de la matriz de antenas. Esto hace posible utilizar la tecnología masiva MIMO en sistemas de ondas milimétricas 5G.
Después de superar estas limitaciones, los sistemas 5G que operan en ondas milimétricas pueden proporcionar muchos servicios que 4G no puede proporcionar, como video HD, realidad virtual, realidad aumentada, red de retorno de estación base inalámbrica, detección de radar de corto alcance, servicios de información urbana densa, estadios. / Servicios de comunicación inalámbrica de conciertos / centros comerciales, control de automatización de fábricas, telemedicina, monitoreo de seguridad, sistemas de transporte inteligentes, controles de seguridad de aeropuertos, etc. El desarrollo y la utilización de la banda de ondas milimétricas proporciona un amplio espacio y una imaginación ilimitada para aplicaciones 5G.
Desde que 3GPP decidió que 5G NR continuará utilizando la tecnología OFDM, 5G no tiene innovación tecnológica disruptiva en comparación con 4G, y la onda milimétrica es casi la más grande " nueva idea " de 5G. La introducción de otras nuevas tecnologías 5G, como MIMO masivo, nueva numerología (espaciado de subportadora, etc.), códigos LDPC / Polar, etc., están estrechamente relacionados con las ondas milimétricas, todo para extender mejor la tecnología OFDM a las bandas milimétricas. Para adaptarse a las características de gran ancho de banda de las ondas milimétricas, 5G define múltiples espacios de subportadora, de los cuales el mayor espacio de subportadora (60KHz y 120KHz) está específicamente diseñado para ondas milimétricas. La tecnología MIMO masiva antes mencionada también está diseñada para ondas milimétricas. Por lo tanto, 5G también puede denominarse " 4G mejorado extendido a onda milimétrica " o " LTE mejorado extendido a onda milimétrica " .
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