Зависимость потерь от дальности действия для частот 5G диапазона

5G (fifth generation) – название пятого поколения мобильной связи, которое придёт на смену существующим сейчас 3G и 4G. За этим сокращением скрывается целый набор технологий, многие из которых ещё находятся на стадии разработки.

Модернизация существующей сети понадобилась, потому что число устройств, требующих интернет-соединения, постоянно растет, чтобы нормально функционировать, многим девайсам нужна пропускная способность сети, с которой 4G уже не справляется.

Рассмотрим на каких частотах будут работать сети 5G. Данный вопрос стоит особенно остро, поскольку реализация сетей пятого поколения, особенно повышение скоростей передачи данных, потребует существенного увеличения частотного ресурса. Обратимся к рисунку 1. 

Рисунок 1 – Диапазон радиочастот [1, с. 57]

Радиоспектр разбит на полосы, характеристики которых меняются с ростом частоты. Из рисунка видно, что спектр разделен на две основные части:

• Низкочастотный спектр ниже 6 ГГц (первичный). В России 4G в основном работает на частоте 2,6 ГГц, в то время как 5G предполагается использовать в различных спектрах радиочастот до 6 ГГц.
• Выше 6 ГГц (Дополнительный). В свою очередь, данный диапазон можно разбить на поддиапазоны см-волн 6-30 ГГц и мм-волн 30-100ГГЦ. Именно диапазон 6-100 ГГц рассматривается как один из приоритетных для 5G в ЕС, США, Японии и Южной Корее. При этом особенно перспективными считаются именно более высокие частоты: 30-100 ГГц. В России основной диапазон частот занят силовыми структурами, вследствие чего большая тройка операторов сотовой связи к настоящему моменту не получила разрешения на развертывание и тестирование данных типов сетей.

Снова обратимся к рисунку 1, с увеличением частоты дальность действия уменьшается, а используемая ширина канала увеличивается. Разберемся в преимуществах и недостатках каждого диапазона 5G.

Диапазон менее 6ГГц.

Преимущества:

• Основным преимуществом низкочастотных участков спектра для сетей пятого поколения является в первую очередь обеспечение оптимального покрытия без дополнительных инвестиций в развитие сетевой инфраструктуры. Предоставляемое низкими частотами покрытие обеспечит хорошее проникновение беспроводной связи в помещения. В первую очередь эта возможность проецируется на диапазон 700 МГц, предназначенный для систем связи М2М, «умного» города и «умных» домов.
• Низкие диапазоны в рамках концепции 5G также актуальны для подключения различных, нуждающихся в надежной сети устройств, как, например, самоуправляемые автомобили. В этих целях предполагается использоваться как 700 МГц, так и 3,4-3,8 ГГц. На этих диапазонах можно автоматизировать промышленность, а также реализовывать чувствительные к задержкам сервисы.
• Частотный ресурс ниже 1 ГГц отличается хорошим покрытием при одновременно небольших затратах на строительство сетевых объектов. Это является оптимальным решением для приложений, которые не требовательны к высокой скорости передачи данных. В сегменте Интернета вещей подобные сервисы присутствуют: умные счетчики, датчики и т.п. 

Недостатки:

• Одним из самых главных недостатков является «забитость» данного диапазона (т.е. ресурсы данного диапазона практически исчерпаны).
• Минимальная используемая ширина канала.

Диапазон менее 6ГГц.

Преимущества:

• Высокие участки частотного спектра необходимы сетям 5G для достижения предельных скоростей до 20  Гбит/с.
• Задействование широких полос частот и, как следствие, обеспечение большей пропускной способности.
• Высокочастотные сети позволят реализовать 3D-видео в формате UHD (Ultra High Definition), дополненную реальность (AR), облачные сервисы для работы и игр, голографическую связь, тактильный интернет и др.

Недостатки:

• Маленькая дальность действия.
• Большие затраты на строительство сетевых объектов, так как требуются передатчики с высокой мощностью [1].

Практическая часть

Выше было сказано, что с увеличением передаваемого сигнала дальность действия уменьшается. В первую очередь это связано с потерями в передаваемом пространстве. Рассмотрим элементарное событие: две антенны (приемная и передающая) установлены на крыше домов, т.е. препятствий в виде каких-либо заграждений или сооружений нет.

,

где L – потери, d – дальность в км, f – частота в МГц.

L₁ – потери для частоты 2600 МГц. Данная частота выбрана неслучайно, во-первых, она входит в диапазон менее 6ГГц, во–вторых, 4G сети работают на данной частоте, в-третьих, 5G планируется перевести на данную частоту.

L₂ - потери для частоты 30000 МГц. Особенно перспективными считаются именно более высокие частоты: 30-100 ГГц.

d – дальность зададим от 0 до 5 км с шагом 0.1 км.

Для анализа используем программу MathCad, где проведем анализ зависимости потерь от дальности действия. Обратимся к рисунку 2.

Рисунок 2 – Зависимость потерь от дальности действия для двух частот

Во-первых, потери возросли для часты 30000 МГц. Ожидаемый факт: при повышении частоты потери увеличиваются.

Во-вторых, для частот 2600 МГц и 30000МГц при увеличении дальности действия характерен резкий скачок потерь.

В-третьих,  для частот 2600 МГц и 30000МГц при превышении дальности приблизительно равное 1 км наблюдается линейное увеличение потерь.

В данной работе не учтены погодные условия: дождь, снег и т.д., среда распространения. Данные факторы существенно вносят коррективы в распространение сигнала.