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Efeito da absorção atmosférica em frequências de ondas milimétricas para redes celulares 5G

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Abstract

As tecnologias de comunicação sem fio estão crescendo rapidamente para atender às crescentes demandas dos usuários. Isso cria sobrecarga nos sistemas sem fio existentes. Isso se manifesta no desenvolvimento contínuo de sistemas sem fio para acompanhar a crescente demanda de capacidade. O aumento do número de usuários aumenta o congestionamento nas bandas celulares, portanto, as bandas de Frequência Extremamente Alta (EHF), como a mmWave, estão atraindo crescente atenção para uso em redes celulares. As bandas Millimeter Wave (mmWave) podem suportar taxas de vários Gigabits para aplicações de grande largura de banda em redes de próxima geração. Essas bandas têm certas limitações, como estas não podem viajar longas distâncias e não podem penetrar em edifícios e outros objetos. Essas limitações podem ser vantajosamente exploradas para fornecer uma comunicação mais segura e permitir a reutilização de alta frequência. Isso facilitará a utilização eficiente do espectro e apoiará o projeto de redes densamente compactadas. Este trabalho revisa as características de propagação de mmWaves e o efeito de fatores externos como gases atmosféricos, chuva, folhagem e difração. Nosso foco principal será estudar o efeito desses fatores na propagação de frequências mmWave a serem usadas para redes celulares 5G. Avaliamos as perdas devido a gases atmosféricos, chuva e folhagem nas frequências de 28, 30 e 60 GHz que deveriam ser usadas em redes celulares 5G.

As micro-ondas são radiações eletromagnéticas com um comprimento de onda que varia de 1 m a 1 mm e frequências que variam de 300 MHz (100 cm) a 300 GHz (0,1 cm) [1, 2]. Toda a gama de micro-ondas foi dividida pela UIT em 4 sub-bandas, como mostrado na Tabela 1, e em 12 sub-bandas pelo IEEE, de acordo com 'Bandas de frequência de radar' [3], conforme indicado na Tabela 2 . Cada banda tem uma aplicação diferente e específica. As micro-ondas fornecem comunicação de linha de visão (LOS), porque as micro-ondas, ao contrário das baixas frequências, não são dobradas pela ionosfera. Esses sinais têm maiores capacidades de transporte de dados do que os sinais de baixa radiofrequência (RF).

Tabela 1. Designação ITU do espectro de micro-ondas

Nome da banda

Abreviação

Designação da banda ITU

Frequência

Comprimento de onda

ultra alta frequência

UHF

9

300 MHz–3 GHz

1 m–100 milímetros

super alta frequência

SHF

10

3–30 GHz

100–10 milímetros

frequência extremamente alta

EHF

11

30–300 GHz

10–1 milímetro

tremendamente ou tera hertz de alta frequência |

THF

12

300 GHz–3 THz

1 mm–100 μm

Tabela 2. Designação IEEE do espectro de micro-ondas

Nome da banda

Frequência, GHz

Citação

L

1–2

onda longa |

S

2–4

ondas curtas |

C

4–8

compromisso entre S e X

X

8–12

X para cruz, exótico [4]

Ku

12–18

Kurz-under

K

18–27

Kurz alemão (curta-metragem)

Ka

27–40

Kurz acima

Q

30–50

U

40–60

V

40–75

W

75–110

W segue V no alfabeto

mm ou G

110–330

milímetro

Este artigo fornece uma introdução às diferentes bandas de micro-ondas com ênfase nas frequências de banda de ondas milimétricas (mmWave) propostas para serem usadas em comunicações celulares 5G.

Este artigo está organizado da seguinte forma: A Seção 1 fornece a introdução geral às micro-ondas. A seção 2 fornece a introdução às mmWaves, frequências usadas para 5G e características de propagação da banda mmWave. Diferentes fatores internos e externos que afetam a propagação de mmWaves também são discutidos em detalhes. A seção 3 fornece a análise matemática de várias perdas encontradas pelas frequências mmWave a serem usadas em redes 5G. Vários modelos empíricos de propagação são examinados nesta seção. Esses modelos foram enquadrados por meio de dados obtidos a partir de experimentos realizados nas florestas. Simulamos os modelos de propagação que são aplicáveis apenas às frequências 5G. Por fim, discutimos os resultados obtidos em diferentes cenários do canal de propagação e concluímos o trabalho.


As perdas de propagação sofridas pelas comunicações mmWave são muito maiores do que as perdas sofridas por frequências mais baixas. As ondas de rádio interagem com as moléculas de gás como oxigênio (O2), dióxido de nitrogênio (N2) e vapor de água (H2O) presentes na atmosfera enquanto viajam através da camada da troposfera. Essas interações podem ou não ser prejudiciais. Se a interação causa perda de energia, ela se manifesta em atenuação do sinal. Na ressonância das moléculas, quando seus elétrons tendem a deslocalizar ocorrem altas perdas. Por exemplo, quando uma molécula assimétrica (H2O) é colocada em um forte campo elétrico, ela tende a se alinhar na direção do potencial mínimo em relação ao campo. Este processo resulta em uma perda de energia. No entanto, a absorção de energia eletromagnética ocorre quando é igual à energia de excitação quântica das moléculas. A absorção gasosa devido ao vapor de água e oxigênio na atmosfera causa a ressonância até ∼300 GHz. Para o oxigênio e o vapor de água, a forte faixa de ressonâncias é de cerca de 57-60 e 22 GHz, respectivamente. A atenuação varia com a quantidade de vapor de água presente na atmosfera. Essas perdas são maiores em algumas frequências que coincidem com as frequências ressonantes mecânicas das moléculas de gás.


4 Discussão

A FCC destinou as bandas de frequência de 28, 37, 39 e 64-71 GHz para uso em serviços celulares 5G [29]. Simulamos diferentes modelos de perda para frequências correspondentes e comparamos os resultados em diferentes bandas. Podemos ver que a perda geral aumenta à medida que a frequência é aumentada. Também no modelo ITU-R lateral, observa-se que, para a mesma frequência, a perda de atenuação diminui em 12,04 dB à medida que a altura da antena é dobrada. Não podemos realizar antenas de tamanho tão grande para propagação interna, mas para propagação externa elas podem ser usadas para fornecer à rede mmWave de backhaul muito menos perdas.


5 Conclusão


Este estudo revela que a Onda MmWave pode ser alavancada ao máximo sob algum fenômeno físico, por exemplo, quando o sinal de mmWave transmitido é difratado, a potência recebida é comparativamente maior do que o sinal transmitido que não é difratado. Também na frequência mmWave, o efeito da reflexão especular é menos proeminente e os sinais ficam dispersos, o que resulta em menos potência refletida. Os resultados da simulação da perda de caminho devido à folhagem em 28, 39, 50 e 60 GHz provam que a perda de caminho é afetada pela altura da antena e pela frequência do sinal também. À medida que a altura das antenas de transmissão e recepção aumenta, a perda de caminho é reduzida. Também para um determinado valor de distância de separação, a perda de caminho aumenta com o aumento da frequência


Referências:


1Pozar D.M.: ‘ Microwave Eng’ ( Addison-Wesley Publishing Company, USA, 1993), ISBN-0-201-50418-9


2Sorrentino R., Bianchi G.: ‘ Microwave and RF engineering’ ( John Wiley and Sons, West Sussex, UK, 2010), p. 4, ISBN 047066021x


3‘ IEEE Standard Letter Designations for Radar Frequency Bands’, (Revision of IEEE Std 521-1984) vol. no., 2003, pp. 1– 3


4Sarka T., Sengupta D.: ‘An appreciation of J.C Bose's pioneering work in millimeter and microwaves’, Hist. Wirel., 1977, 9, pp. 291– 310


5Rappaport T.S., HeathJrR.W., Daniels R.C. et al.: ‘Millimeter wave wireless communications’, Pearson Education, 2014 Sep 18


6Michael M., Chair J.B., Bruce F. et al.: ‘ Report of the unlicensed devices and experimental licenses working group’, Federal Communications Commission Spectrum Policy Task Force, 15 November 2002. Available at http://www.fcc.gov/sptf/files/E&UWGFinalReport.pdf


7‘ Amendment of part 2 of the commission's rules to allocate additional Spectrum to the inter-satellite, fixed, and Mobile services and to permit unlicensed devices to Use certain segments in the 50.2–50.4 GHz and 51.4- 71.0 GHz bands, FCC 00-442’, Federal Communications Commission, December 2000. Available at http://hraunfoss.fcc.gov/edocs_public/attachmatch/FCC-00-442A1.pdf


8Huang K.-C., Edwards D.J.: ‘ Millimetre wave antennas for gigabit wireless communications: a practical guide to design and analysis in a system context’ ( John Wiley & Sons, West Sussex, UK, 2008)


9‘ Electromagnetic waves - reflection, refraction, diffraction: a summary or tutorial about the basics of the way in which electromagnetic waves are reflected, refracted and diffracted’. Available at http://www.radioelectronics.com/info/propagation/em_waves/electromagnetic-reflection-refraction-diffraction.php


10Marcus M., Pattan B.: ‘Millimeter wave propagation: spectrum management implications’, IEEE Micro. Mag., 2005, 6, (2), pp. 54– 62


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