Что такое миллиметровая волна? Объяснение высокочастотного диапазона 5G

Внедрение технологии 5G по всему миру было значительно сложнее, чем предыдущие стандарты беспроводной связи. Поскольку 5G требует беспрецедентного уровня производительности, операторы связи должны ориентироваться в сложном море радиочастот, чтобы обеспечить максимальную скорость и покрытие .

Старые технологии GSM, 3G и 4G/LTE работали в относительно узком диапазоне частот, что оставляло операторам несколько ограниченный выбор при развертывании своих сетей. Для сравнения, 5G охватывает весь спектр, от низких частот 600 МГц до чрезвычайно высоких частот 47 ГГц.

В результате 5G предоставляет операторам связи множество вариантов оптимального развертывания своих сетей 5G, позволяя им попытаться найти идеальный баланс между покрытием и производительностью. В идеальных условиях это обеспечит лучший 5G для всех. Однако в реальном мире все значительно сложнее.

Что такое миллиметровая волна?

В верхней части этого диапазона спектра 5G находятся частоты mmWave или «миллиметровых волн», работающие от 24 ГГц до 47 ГГц. С технической точки зрения, миллиметровая волна определяется как диапазон чрезвычайно высоких частот (КВЧ) от 30 ГГц до 300 ГГц, названный так потому, что это частоты, на которых длина волны достигает одного миллиметра.

Однако, как и в случае со спектром C-диапазона , Федеральная комиссия по связи (FCC) изменила определение нижнего предела диапазона миллиметровых волн в США, чтобы он начинался в верхнем диапазоне зоны сверхвысоких частот (СВЧ), начиная с 24 ГГц, пересекая в КВЧ на пути к 47 ГГц, которая в настоящее время является верхней границей спектра, выделенного для 5G.

FCC планирует в конечном итоге лицензировать еще более широкий спектр mmWave — она рассматривает диапазон 57–64 ГГц, который в настоящее время не лицензируется, и редко используемые частоты 71 ГГц, 81 ГГц и 92 ГГц. Однако до этого, вероятно, еще несколько лет, особенно потому, что операторам связи еще предстоит полностью использовать спектр миллиметрового диапазона, который у них уже есть.

Дальность против скорости

Как известно любому, кто работал с домашними Wi-Fi-маршрутизаторами , более высокие частоты обеспечивают большую пропускную способность для более высоких скоростей, но это происходит за счет диапазона и покрытия. Сигнал 2,4 ГГц от вашего маршрутизатора, скорее всего, покроет весь ваш дом, но на относительно низких скоростях, в то время как частоты 5 ГГц обеспечивают отличную производительность для игр и потоковой передачи, но могут не дойти до вашего подвала или задней комнаты.

Именно так работают законы физики, когда речь идет о радиоволнах. Более высокие частоты быстрее, но не могут распространяться так же далеко, как более низкие и более медленные частоты.

Операторы сотовой связи сталкиваются с теми же проблемами при доставке сильных и быстрых сигналов своим клиентам, что и вы, пытаясь найти идеальное место для своего маршрутизатора Wi-Fi. Просто перевозчикам приходится сталкиваться с этим в гораздо больших масштабах.

Использование более высоких частот позволяет операторам связи обеспечивать более высокие скорости, но компромисс заключается в том, что им нужно построить больше вышек и разместить их ближе друг к другу, чтобы обеспечить такое же покрытие, как и при низкочастотном сигнале.

Феноменальные космические скорости, крошечный диапазон

В свое время высокочастотный диапазон mmWave 5G был тем, что многие считали будущим технологии 5G. В конце концов, он может обеспечить смехотворно впечатляющие скорости , которые намного превышают возможности большинства проводных широкополосных услуг.

В идеальных условиях скорость 5G на частотах mmWave может достигать 4 Гбит/с, хотя чаще встречаются устройства, работающие в диапазоне 500–1 Гбит/с . Однако даже самые низкие скорости mmWave в 3–4 раза выше, чем средняя производительность 5G, доступная при использовании более низких частот.

Как быстро обнаружили некоторые носители, проблема в том, что эти чрезвычайно высокие частоты имеют удручающе короткий диапазон; один приемопередатчик mmWave вряд ли обеспечит надежное покрытие для чего-то большего, чем городской квартал.

Это не должно удивлять, если учесть, что сигналы mmWave начинаются с частоты 24 ГГц — на порядок выше частот, обычно используемых для Wi-Fi и сотовой связи.

Однако это помещает их далеко за пределы досягаемости всего, что обычно вызывает помехи, особенно потому, что все на этих частотах также имеет такой же короткий радиус действия. Обычно вы найдете спектр КВЧ, используемый спутниковыми метеорологическими системами, военными радарами оружия, полицейскими радарами скорости и системами досмотра на контрольно-пропускных пунктах в аэропортах.

Пейзаж mmWave

Имея все это в виду, неудивительно, что большинство операторов мало что сделали с технологией mmWave.

Среди американских операторов только Verizon сделала большую ставку на mmWave в своих ранних развертываниях 5G . AT&T баловалась этим, в то время как T-Mobile в основном избегала этого спектра.

Азартная игра Verizon позволила ей на раннем этапе похвастаться потрясающе высокими скоростями 5G. Отчет OpenSignal за 2020 год показал, что Verizon лидирует в мире, а средняя скорость загрузки более чем в два раза выше, чем у ее ближайшего конкурента, южнокорейской LG U+.

Однако хитрость этих высоких скоростей заключалась в том, что Verizon использовала спектр mmWave исключительно для своей сети 5G. У оператора не было более медленных средних или низкочастотных сетей 5G, которые могли бы снизить его показатели. Это была сверхширокополосная сеть Verizon 5G в том виде, в каком она существовала изначально. Он почти полностью работал в диапазоне 28 ГГц.

Кроме того, скорость Verizon 506 Мбит/с должна была соответствовать довольно высокому критерию — она была недоступна для 99% клиентов оператора. Чрезвычайно малая дальность действия mmWave означала, что Verizon не развернула его за пределами нескольких крупных городских центров , и OpenSignal отметила, что клиенты Verizon получали доступ к своей сети mmWave 5G только примерно в 0,4% времени. К 2021 году этот показатель удвоился до 0,8% , но это по-прежнему означало, что клиенты Verizon тратили более 99% своего времени на соединение 4G/LTE.

AT&T выбрала более стратегическое использование mmWave . Ранее компания лицензировала часть спектра 24 ГГц 5G, которая в основном использовалась для коммерческого использования в нескольких городах. Позже она потеряла 1,2 миллиарда долларов, чтобы приобрести значительный кусок спектра 39 ГГц, который она более активно использует для своих клиентов. AT&T называет это своей услугой 5G+.

С технической точки зрения, у T-Mobile есть несколько развертываний mmWave в нескольких городах, но оператор мало говорит об этом. У T-Mobile был хороший кусок спектра быстрых средних частот, с которым можно было поиграть задолго до того, как его конкуренты смогли получить в свои руки желанный спектр C-диапазона , поэтому mmWave не был так важен для планов оператора.

Преимущества mmWave

Вместо того, чтобы основывать всю свою сеть 5G на mmWave, как это сделала Verizon, AT&T сосредоточилась на дополнении своей низкочастотной сети 5G ячейками mmWave в местах с чрезвычайно высокой плотностью, таких как стадионы и аэропорты .

При этом используется одно из самых значительных преимуществ mmWave. Чрезвычайно высокие частоты не только обеспечивают более высокую пропускную способность для отдельных пользователей; вся эта дополнительная пропускная способность также позволяет гораздо эффективнее справляться с перегрузками.

Чтобы использовать упрощенную математику, если трансивер mmWave может обеспечить пропускную способность до 4 Гбит/с для одного устройства, 40 устройств могут легко установить стабильное соединение со скоростью 100 Мбит/с, не замедляя друг друга.

Кроме того, меньший радиус действия mmWave означает, что операторам связи приходится развертывать гораздо больше приемопередатчиков. К тому времени, когда AT&T установит достаточное количество приемопередатчиков для охвата футбольного стадиона, она сможет эффективно предоставлять высокопроизводительную сеть 5G тысячам людей, посещающих игры или мероприятия .

Точно так же mmWave идеально подходит для аэропортов не только из-за большого количества пассажиров, но и потому, что эти частоты настолько далеки от всего, что используется в авиации, что вокруг них не возникает споров .

T-Mobile также тихо заявила, что продолжит развивать mmWave там, где это имеет смысл, но, в отличие от AT&T и Verizon, не планирует дифференцировать свою сеть mmWave. Клиенты T-Mobile не увидят символ «5G+» или «5G UW» на своих телефонах при подключении к mmWave. Вместо этого люди на T-Mobile получат надежное покрытие и производительность, сидят ли они дома или посещают Суперкубок.

Основные частоты миллиметрового диапазона

Некоторые операторы также лицензировали другие участки спектра миллиметрового диапазона, хотя большая его часть, вероятно, не будет доступна для использования в ближайшее время.

Например, T-Mobile и Dish владеют лицензиями, на которые приходится 99% спектра 47 ГГц. Неясно, что эти операторы планируют делать с этим, особенно потому, что это обеспечит еще худшее покрытие по сравнению с 28 ГГц Verizon и 39 ГГц AT&T.

Что еще более важно, сейчас никакие потребительские смартфоны не могут достичь частоты 47 ГГц. Линейка Apple iPhone 13 и модели Samsung Galaxy S22 поддерживают только несколько диапазонов mmWave 5G, которые обозначены как n257 (28 ГГц), n258 (26 ГГц), n260 (39 ГГц) и n261 (28 ГГц). Из них только n260 и n261 используются операторами связи США; остальные предназначены для глобальной совместимости с услугами mmWave 5G.

Будущее за C-диапазоном

Каким бы захватывающим ни казался спектр миллиметровых волн в первые дни существования 5G, операторы связи осознали, что будущее технологии 5G находится не за этим.

Verizon пришлось усвоить этот урок тяжелее всего, с ранней сетью 5G, которой не существовало для 99% ее клиентов. Verizon последовала этому примеру с низкочастотной «общенациональной сетью 5G», которая делила пространство с сигналами 4G/LTE. Это дало клиентам индикатор «5G» на их телефонах, но, как правило, обеспечивало скорость, которая не была выше, чем у 4G.

Только когда Verizon смогла развернуть свой спектр C-диапазона , его состояние 5G действительно начало меняться. Это была не совсем вина Verizon; Сначала ему пришлось потратить 45 миллиардов долларов на лицензирование спектра C-диапазона, а затем бороться с авиационной промышленностью , которая опасалась, что это вызовет проблемы с авиационными приборами .

Тем не менее, когда в начале 2022 года Verizon, наконец, включила свой новый C-диапазон, гораздо больше его клиентов начали видеть настоящую скорость 5G . Это был такой скачок в производительности, что Verizon сделала новую сеть C-диапазона частью своей услуги Ultra Wideband 5G.

В то время как AT&T более постепенно развертывала свою услугу C-диапазона , клиенты в нескольких городах, где это доступно, также обнаружили впечатляющий прирост скорости 5G.

Даже T-Mobile, у которого уже есть мощная сеть 5G Ultra Capacity 2,5 ГГц , планирует использовать более высокочастотный спектр C-диапазона, чтобы дать своим клиентам необходимый импульс в тех областях, где требуется большая пропускная способность.

В конце концов, роль mmWave в общедоступной технологии 5G заключается в расширении существующих сетей, а не в их замене. Огромная пропускная способность спектра mmWave делает его идеальным для обеспечения надежного 5G в чрезвычайно густонаселенных населенных пунктах. Однако ближний радиус действия означает, что он никогда не сможет стоять самостоятельно. mmWave всегда будет наиболее подходящим при использовании в качестве «мощности» для поддержки 5G в определенных областях.