60 GHz i tlen. Komunikacja bezprzewodowa (60 GHz), unikalne właściwości absorpcji przez tlen – Shigeaki (Shey) Hakusui

10 kwietnia 2001

Shigeaki (Shey) Hakusui jest prezesem i założycielem Harmonix Corporation, producenta cyfrowego systemu radiowego GigaLink 60 GHz używanego do szybkiej komunikacji bezprzewodowej. www.hxi.com

 

Zapotrzebowanie na przepustowość rośnie w szybkim tempie. International Data Corporation przewiduje, że handel internetowy w Stanach Zjednoczonych wzrośnie z 74 miliardów dolarów w 1999 roku do 708 miliardów dolarów w 2003 roku, przy czym liczba użytkowników komputerów zwiększy się ponad dwukrotnie z 81 milionów do 177 milionów w samych Stanach Zjednoczonych. Ze względu na ogromny oczekiwany rozwój solidne sieci światłowodowe muszą zostać szybko zainstalowane.

W Stanach Zjednoczonych mniej niż pięć procent wszystkich komercyjnych biurowców ma dostęp do kabli światłowodowych. Przy wysokich kosztach instalacji światłowodu, do 250.000 dolarów za 1.6km, zastosowano wiele rozwiązań tymczasowych, w tym łącza komunikacyjne ISDN, DSL, satelitarne i mikrofalowe, aby pokonać to wyzwanie „ostatniej mili”. Jednak te rozwiązania stanowią tylko tymczasowe środki, ponieważ ISDN i DSL wymagają przepustowości od fizycznych nośników, które nie zostały zaprojektowane do użytku w Internecie, a dostępne licencjonowane częstotliwości mikrofalowe od 900 MHz do 40 GHz, oraz częstotliwości satelitarne od 6 GHz do 30 GHz są ograniczone.

W obszarach metropolitalnych i parkach biznesowych w całych Stanach Zjednoczonych wymagane są krótkodystansowe wdrożenia urządzeń łączności bezprzewodowej o dużej gęstości. Najczęściej budynki biurowe, choć fizycznie niezwiązane z infrastrukturą światłowodową, znajdują się w odległości około 800 metrów od lokalnego przewodu światłowodowego. Bezprzewodowe urządzenia komunikacyjne działające na wyższych częstotliwościach, takich jak 60GHz, pozwalają firmom łatwo łączyć się ze światłowodem, bez kosztów i opóźnień związanych z fizyczną instalacją światłowodów.

Ze względu na zwiększone zapotrzebowanie na szerokość pasma i niedobór przydziałów częstotliwości mikrofalowych przemysł komunikacji bezprzewodowej zaczyna koncentrować się na wyższych, wcześniej nieprzydzielonych częściach widma w częstotliwościach fal milimetrowych od 40 GHz do 300 GHz.

Ze względu na wysoki poziom absorpcji energii RF przez atmosferę, zakres fali milimetrowej widma RF nie nadaje się do wykorzystania w segmentach komunikacji bezprzewodowej na duże odległości. Jednak w przypadku odcinków „ostatniej mili” na krótkim dystansie zwiększona przepustowość [bandwidth]pasma danych RF dostępna w obszarze fali milimetrowej sprawia, że ​​idealnie nadaje się do łączności bez zakłóceń, z prędkością światłowodu.

60 GHz i tlen

 

Ryc. 1 ilustruje absorpcję atmosferyczną dla fal milimetrowych. W przypadku fali milimetrowej o częstotliwości 60 GHz absorpcja jest bardzo wysoka, 98 procent przenoszonej energii jest pochłaniane przez tlen atmosferyczny. Chociaż absorpcja przez tlen przy częstotliwości 60 GHz poważnie ogranicza zakres, eliminuje również zakłócenia między terminalami o tej samej częstotliwości.

 

Ryc. 1, Absorpcja w warunkach suchej atmosfery na kilometr

Ryc. 1: Absorpcja w warunkach suchej atmosfery na kilometr

Korzyści z absorpcji przez tlen w stosunku do ponownego wykorzystania częstotliwości przedstawiono szczegółowo na rycinie 2. Ryc. 2 ilustruje zależność odległości między zakresem ponownego wykorzystania częstotliwości 60 GHz, zielonym obszarem, a tradycyjnym zakresem, niebieskim obszarem. Absorpcja przez tlen umożliwia ponowne wykorzystanie tej samej częstotliwości w bardzo zlokalizowanym obszarze przestrzeni powietrznej. Praca w zakresie fal milimetrowych o częstotliwości 60 GHz umożliwia bardzo gęste, wolne od zakłóceń rozmieszczenie terminali radiowych o tej samej częstotliwości.

Ryc. 2, Ponowne użycie częstotliwości. Źródło Biuletyn FCC 70A

Ryc. 2: Ponowne użycie częstotliwości. Źródło Biuletyn FCC 70A

 

System komunikacyjny 60 GHz musi przezwyciężyć skutki absorpcji fal elektromagnetycznych przez tlen, 16dB/Km. Aby działać niezawodnie nawet na krótkich odległościach, należy również zastosować bardzo skupioną wąską wiązkę anteny w celu zwiększenia poziomu sygnału dostępnego dla docelowego odbiornika. Ta kombinacja absorpcji przez tlen i transmisji wąskiej wiązki zwiększa bezpieczeństwo łącza radiowego 60 GHz, minimalizując prawdopodobieństwo nieautoryzowanego przechwytywania.

Tradycyjne systemy komunikacji bezprzewodowej działające w niższych zakresach częstotliwości od 900 MHz do 40 GHz często kolidują ze sobą, gdy są umieszczone zbyt blisko siebie. Zakłócenia te, wynikające z rozproszenia i niekontrolowanego rozprzestrzeniania się energii o częstotliwości radiowej w atmosferze, są zminimalizowane przez koordynację częstotliwości zarządzane za pośrednictwem Federalnej Komisji Łączności, licencjonowanie i wdrożenie technik unikania zakłóceń, takich jak modulacja widma rozproszonego. Licencjonowanie regulowane przez Federalną Komisję Łączności wyklucza gęste wdrażanie dzięki ograniczonej liczbie przyznanych licencji regionalnych, a techniki widma rozproszonego okazały się jedynie nieznacznie skuteczne, ponieważ ogólny poziom hałasu wzrósł. W zakresie 60 GHz efekty absorpcji przez tlen i zastosowanie wąskich wiązek antenowych minimalizują prawdopodobieństwo zakłóceń między odbiornikami radiowymi. Teoretycznie 100.000 systemów operujących na częstotliwości 60 GHz można bez problemu ulokować na obszarze dziesięciu kilometrów kwadratowych bez problemów z zakłóceniami.

Warunki pogodowe mają niekorzystny wpływ na wszystkie transmisje RF, szczególnie w zakresie fali milimetrowej, gdzie silne ulewy mogą powodować utratę siły sygnału nawet o 20 dB na każdy kilometr transmisji. Wraz ze wzrostem odległości transmisji radiowej proporcjonalnie wzrasta margines zanikania potrzebny do kompensacji efektów pogodowych. Ponieważ odbiorniki radiowe działające z częstotliwością 60 GHz nadają tylko na krótkich odległościach, kompensacja efektów pogodowych nie jest tak duża, jak w przypadku systemów transmitujących na odległościach wynoszących jeden kilometr i więcej.

Przy częstotliwości 60 GHz wyjątkowo wysoki poziom absorpcji atmosferycznej wynika przede wszystkim ze składu molekularnego atmosfery. Rycina 3 ilustruje charakterystykę tłumienia atmosferycznego dla długości fali od 3 cm do 0,3 mm. W przypadku fal milimetrowych podstawowymi cząsteczkami absorpcyjnymi są H2O, O2, CO2 i O3. Ponieważ obecność O2 jest dość jednolita na poziomie gruntu, to jego wpływ na propagację radiową o częstotliwości 60 GHz można łatwo modelować do celów budżetowania marginesów. Ponadto wysoki poziom tłumienia absorpcji przez tlen sprawia, że ​​nawet najgorsze tłumienie związane z pogodą jest nieznaczne, szczególnie na krótkich ścieżkach, na których działają systemy oparte o częstotliwość 60 GHz. Nawet wyjątkowo obfite opady deszczu, 25 mm/h (5dB/Km), będą miały bardzo niewielki procentowy udział w agregacji tłumienia w obszarze absorpcji przez tlen dla 60 GHz.

Rycina 3, Charakterystyka tłumienia atmosferycznego dla długości fali od 3 cm do 0.3 mm.

Rycina 3: Charakterystyka tłumienia atmosferycznego dla długości fali od 3 cm do 0.3 mm.

 

Obecnie Federalna Komisja Łączności (FCC) przydzieliła spektrum częstotliwości RF dla fali milimetrowej od 57,05 do 64 GHz do nielicencjonowanego użytkowania zgodnie z Częścią 15 kodeksu regulującego nielicencjonowane transmisje . Wszystkie urządzenia bezprzewodowe operujące w oparciu o częstotliwość 60 GHz muszą uzyskać certyfikat FCC Część 15. Po uzyskaniu certyfikatu produkt można wdrożyć bez licencji w całych Stanach Zjednoczonych. To nielicencjonowany zakres częstotliwości pozwala użytkownikowi końcowemu uniknąć dodatkowych kosztów regionalnych z powodu aukcji pasm, organizowanych przez FCC lub konkurowania o ograniczoną liczbę licencjonowanych pasm.

Ze względu na wyjątkową charakterystykę zakresu fali milimetrowej 60 GHz i dostępną przepustowość, komunikacja bezprzewodowa działająca w oparciu o częstotliwość 60 GHz stanowi niezawodną alternatywę „ostatniej mili” dla instalacji światłowodu. Systemy komunikacyjne oparte o częstotliwość radiową 60 GHz mogą być wykorzystywane do różnych zastosowań, w tym do sieci obszarów metropolitalnych, sieci kampusowych, sieci szkieletowych, łączy oddziałów sieciowych, tymczasowego przywracania funkcjonowania podczas stanu awaryjnego i dostępu lokalnego.

Źródło: Fixed Wireless Communications at 60GHz Unique Oxygen Absorption Properties

 

Zobacz na: Fakty o technologii 5G – Josh del Sol, Kevin Mottus i Dafna Tachover
Czy technologia 5G będzie azbestem XXI wieku? – Josh del Sol Beaulieu i John C. Dvorak
To czego przemysł telekomunikacyjny ci nie mówi… ale mówi to swoim inwestorom
Firmy ubezpieczeniowe i pola elektromagnetyczne
Firmy ubezpieczeniowe nie będą uwzględniać szkód związanych z wystąpieniem nowotworów mózgu, w związku działaniem telefonii komórkowej – CBS, Kanada
Film Odzyskaj Swoją Moc – „Take Back Your Power”
Fakty o inteligentnych licznikach i mikrofalach – Brian Thiesen

Pin It on Pinterest

Share This

Share this post with your friends!

%d bloggers like this: