Millimetervåg, 73 GHz, kan nå mer än 10 kilometer i öppen landsbygden, 5G experiment

https://spectrum.ieee.org/tech-talk/telecom/wireless/millimeter-waves-travel-more-than-10-kilometers-in-rural-virginia

Tidigare experiment har fokuserat på städer, eftersom millimetervågor ansågs vara begränsade för landsbygdens invånare.

Frågan är, hur kraftig är antennförstärkningen?

”Vågorna kunde röra sig mer än 10 kilometer i den här landsbygden, även om en kulle eller knut av träd blockerade sin mest direkta väg till mottagaren. Teamet upptäckte millimetervågor på avstånd upp till 10,8 kilometer vid 14 platser som befann sig inom sändarens synfält och registrerade dem upp till 10,6 kilometer bort vid 17 platser där mottagaren var skyddad bakom en kulle eller lummig lund. De uppnådde allt detta medan sändning vid 73 Gigahertz (GHz) med minimal effekt mindre än 1 watt.

”Jag var förvånad över att vi översteg 10 kilometer med några tiotals milliwattar,” berättade Rappaport. ”Jag förväntade mig att vi skulle kunna gå några kilometer utan synvinkel men vi kunde gå bortom tio.”

73 GHz-frekvensbandet är mycket högre än frekvenserna under 6 GHz som traditionellt har använts för cellulära signaler. I juni öppnade Federal Communications Commission 11 GHz spektrum i millimeter vågområdet (som spänner mellan 30 och 300 GHz) för bärare som utvecklar 5G-tekniker som ger mer bandbredd för fler kunder.

Rappaport säger att deras resultat visar att millimetervågor potentiellt kan användas i lantliga makrocells, eller för stora cellulära basstationer. Hittills har millimetervågor levererat bredbandsinternet via fast trådlös, där informationen färdas mellan två stationära punkter, men de har aldrig använts för cellulär.

Robert Heath, en trådlös expert vid University of Texas i Austin, säger att NYU-gruppens arbete ger en annan dimension till 5G-utvecklingen. ”Jag tycker att det är värdefullt i den meningen att många människor i 5G inte tänker på de utökade områdena på landsbygden, de tror att utbudet är felaktigt begränsat till höga frekvenser, säger Heath.

Tidigare har Rappaports grupp visat att en mottagare placerad på gatunivå på ett tillförlitligt sätt kan hämta millimetervågor som sänds vid 28 GHz och 73 GHz på ett avstånd av upp till 200 meter i New York City med mindre än 1 watt sändare power even om vägen till sändaren är blockerad av en tornig byggrad.

Innan dessa resultat hade många funnit att det inte var möjligt att använda millimetervågor för mobilnät i städer eller på landsbygden eftersom vågorna var för lätt absorberade av molekyler i luften och inte kunde tränga in i fönster eller byggnader. Men Rappaports arbete visade att tendensen hos dessa signaler att reflektera bort ur stadsytor, inklusive gator och byggnadsfasader, var tillförlitlig nog för att tillhandahålla konsekvent nätdäckning på gatunivå – åtminstone utanför.

Huruvida deras nyaste studie kommer att innebära samma för millimetervågor i landsbygdsområden återstår att se. Rappaport säger att NYU-teamet är en av de första som undersöker denna potential för landsbygdscellulär och han känner starkt att den snart kan införlivas i kommersiella system för en rad olika ändamål, inklusive bredbandsbackhaul och som ersättning för fiber.

”Samhället har alltid varit felaktigt och tänker på att millimetervågor inte går så långt i klart väder och ledigt utrymme. De reser lika långt som dagens lägre frekvenser om antenner har samma fysiska storlek, säger Rappaport.” Jag tycker att det är definitivt bärbar för mobilen. ”

Andra är inte övertygade. Gabriel Rebeiz, professor i elektroteknik och datorteknik som leder trådlös forskning vid University of California, San Diego, påpekar att NYU-gruppen körde sina tester på två tydliga dagar. Regn kan bryta ned 73-GHz signaler med en hastighet av 20 decibel per kilometer vilket motsvarar reducerad signalstyrka 100 gånger för varje körd kilometer.
En utsikt som tittar ut från Ted Rappaports veranda på landet i Virginia, med fläckar av skog och en blågrön horisont.
Foto: Ted Rappaport
Utsikten från verandaen i Ted Rappaports hem i Riner, Virginia.

”Regn vid 73 GHz har betydande, signifikanta, otroliga dämpningsegenskaper”, säger han. ”På dessa avstånd börjar det andra regna-jag menar, misting, om det bara tappar – du förlorar din signal.”

Rebeiz säger att signalerna skulle hålla sig bättre vid 28 GHz, bara försämra 6 till 10 gånger över ett intervall på 10 kilometer. Millimetervågor kommer i slutändan att vara mer användbara i städer, säger han, men han tvivlar på att de någonsin kommer att ha mening för landsbygdens mobilnät: ”Det kommer inte att hända. Period.”

George R. MacCartney Jr., en fjärdeårig doktorsstudent i trådlös teknik vid NYU, tror att millimetervågor kanske skulle användas för att betjäna landsbygdscellnät på fem eller tio år, när tekniken har mognat. En utmaning är att framtida antenner måste rikta en signal med viss precision för att se till att den kommer till användaren. Det beror på att millimetervågor återspeglar objekt och kan ta flera vägar från sändare till mottagare. Men vad gäller millimetervågor som gör sin landsbygdscellulära debut de närmaste åren – ”Jag skulle säga att jag är lite skeptisk bara för att du måste ha många små antennelement och du måste göra mycket av strålformning och strålstyrning, säger han.

Genom att samla landsbygdsmätningar för millimetervågor, var NYU-experimentet utformat för att utvärdera en propagationsmodell som standardgruppen kallad 3rd Generation Partnership Project (3GPP) har lagt fram för att simulera millimetervågor i landsbygden. Den modellen, känd som 3GPP TR 38.900 Release 14, försöker räkna ut styrkan på en millimetervågsignal när den är utsläppt från en landsbygdsbasstation enligt faktorer som celltornets höjd, höjden på den genomsnittliga användaren, höjden av någon byggnader i området, gata bredd och frekvensen som används för att sända den.

NYU-gruppen föreslår att eftersom denna modell var ”snabbt antagen” från en tidigare som användes för lägre frekvenser, är det olämpligt att exakt förutsäga hur högre frekvenser beter sig. Därför beror modellen enligt Rappaports team sannolikt på större avstånd på längre avstånd än vad som verkligen uppstår. Rappaport föredrar vad som kallas en närliggande (CI) referensavståndsmodell, som bättre passar hans mätningar. En representant för 3GPP var inte tillgänglig för kommentarer.

I oktober presenterade Rappaport gruppens arbete vid MobiCom-konferensens förening för datormaskiner och deras senaste studie kommer att publiceras i förfarandet. Under tiden är det publicerat på arXiv.

 

 

 

Annonser