Grounded theory

Hoy en día, la mayoría del espectro por encima de 30 GHz se utiliza para aplicaciones militares o recepción de radioastronomía en espacio profundo, pero la reciente decisión de la FCC Spectrum Frontiers ha asignado muchas bandas en este rango, para comunicaciones móviles y de backhaul. Las diversas resonancias de oxígeno y otros gases en el aire, sin embargo, hacen que ciertas bandas sufran de absorción de señal en la atmósfera. La Figura 3-3 ilustra cómo las bandas de 60GHz, 183 GHz, 325 GHz y especialmente 380 GHz sufren una atenuación mucho mayor a la distancia debido a las resonancias moleculares de varios componentes de la atmósfera, además de la natural pérdida de espacio libre de Friis, estas frecuencias son adecuadas para comunicaciones muy cercanas en las que los canales masivos de ancho de banda se atenúan muy rápidamente a unos pocos metros o fracciones de metro [19], [40].

Figura 3-3 Absorción atmosférica de las ondas electromagnéticas a nivel del mar frente a la frecuencia, mostrando la pérdida adicional de trayecto debido a la absorción atmosférica. Tomado de [29].

La Figura 3-3, también muestra que muchas bandas de MMW sólo sufren 1-2 dB más de pérdida que las causada por la propagación del espacio libre por km en el aire [41], [42]. La lluvia y el granizo causan una atenuación sustancial a frecuencias superiores a 10 GHz y las señales de 73 GHz atenúan a 10 dB/km durante tasa de lluvia de 50 mm/h. Curiosamente, además, la atenuación de la lluvia se aplana desde 100 GHz a 500 GHz, y para todas las frecuencias MMW, la lluvia o la atenuación de la nieve se puede superar con la ganancia de antena adicional o la potencia de transmisión [43], [19]. Si bien comúnmente se cree que la pérdida de trayectoria aumenta dramáticamente al moverse hacia las frecuencias MMW, un trabajo extenso en diversos entornos en [44], [45], [46], muestra que la ecuación de Friis dice que esto es cierto sólo cuando se supone que la ganancia de antena es constante

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sobre la frecuencia. Si el tamaño físico de la antena (por ejemplo, la apertura efectiva) se mantiene constante con relación a la frecuencia en ambos extremos del enlace y el tiempo es claro, entonces la pérdida de trayectoria en el espacio libre en realidad disminuye cuadráticamente a medida que aumenta la frecuencia, igualmente, las mayores ganancias de antena en frecuencias más altas requieren dirección de haz adaptable para uso general tanto en la BS como en el UE, en comparación con las antenas móviles actuales con menor ganancia [43]. Las tecnologías de antena direccionables por haz estiman las direcciones de llegada y adaptan de forma adaptativa patrones de haz para mitigar la interferencia y capturar la señal de interés. Los arreglos adaptativos son esenciales para que las comunicaciones de MMW compensen la pérdida de trayectoria causada por el bloqueo de los obstáculos dinámicos [45], [42], [47], [48].

La penetración en los edificios puede representar un reto importante para la comunicación MMW, y esto es una diferencia clara versus los actuales sistemas UHF / microondas. Algunas mediciones a 38 GHz encontraron una pérdida de penetración de casi 25 dB para una ventana de cristal opaco y 37 dB para una puerta de vidrio [49]. Otras mediciones a 28 GHz mostraron que las columnas de vidrio opaco y paredes de ladrillo tenían pérdidas de penetración de 40,1 dB y 28,3 dB, respectivamente, pero el vidrio transparente y drywall solo tenía 3,6 dB y 6,8 dB de pérdida [19]. El trabajo en [50] muestra pérdidas de penetración para muchos materiales comunes y proporciona atenuación normalizada (por ejemplo, en dB/cm) a 73 GHz. Las MMW tendrán que adaptarse rápidamente a la dinámica espacial del canal inalámbrico debido a que se utilizarán antenas de mayor ganancia para superar la pérdida de trayecto. La dispersión difusa de superficies rugosas puede introducir grandes variaciones de señal en distancias de recorrido muy cortas (sólo unos pocos centímetros) como se muestra en la Figura 3-4. Tales variaciones rápidas del canal deben ser anticipadas mediante el diseño apropiado de algoritmos de retroalimentación de estado de canal, algoritmos de formación y seguimiento de rayos, así como asegurar un diseño eficiente de los protocolos de control de transmisión de la capa MAC y de la red (TCP) que inducen re-transmisiones [29].

Figura 3-4 Resultados de las medidas de dispersión difusa a 60 GHz, donde las superficies lisas (por ejemplo, las ventanas) ofrecen una alta correlación a lo largo de la distancia, pero las señales de las superficies rugosas parecen estar menos correlacionadas a lo largo de la distancia.

Tomado de [29].

La medición de dispersión difusa a 60 GHz en varias superficies de pared rugosas y lisas demostró grandes variaciones de nivel de señal en el primer orden especular y en los componentes no especulares dispersos (con pérdidas profundas de hasta 20 dB) como en el caso de un usuario movido

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por unos pocos centímetros [51], [52]. Además, la existencia de trayectorias múltiples a partir de señales casi coincidentes puede crear variaciones graves a pequeña escala en la respuesta de frecuencia del canal. También las mediciones mostraron que la reflexión sobre los materiales en bruto podría sufrir de alta despolarización, un fenómeno que pone de relieve la necesidad de una mayor investigación de los beneficios potenciales de la explotación de diversidad de polarización para mejorar el rendimiento de los sistemas de comunicación MMW [51], [52].

El trabajo en [53], mostró el desvanecimiento superficial de Ricean de componentes multipath y tendencias exponenciales de decaimiento para la autocorrelación espacial a 28 GHz y una rápida de- correlación de alrededor de 2,5 longitudes de onda para el medio ambiente con LOS. El trabajo en [54], muestra que la potencia recibida de las señales de banda ancha de 73 GHz tiene una media estacionaria sobre ligeros movimientos, pero la potencia promedio puede cambiar en 25 dB cuando el móvil transita una esquina del edificio de NLOS a LOS en un entorno urbano de microceldas (UMi) [48], [55]. Mediciones a 10, 20 y 26 GHz demuestran que la pérdida de difracción puede predecirse utilizando modelos bien conocidos, así como cuando un móvil se mueve alrededor de una esquina utilizando antenas direccionales [56], y el bloqueo del cuerpo humano causa más de 40 dB de atenuación [48], [55].

Las mediciones más recientes en [54], [51], [55] indican una de-correlación espacial muy acentuada sobre pequeños movimientos de distancia de sólo unas pocas decenas de longitudes de onda en MMW, dependiendo de la orientación de la antena, lo cual indica que se necesita más trabajo de investigación en esta área. La necesidad y la forma apropiada de la coherencia espacial, si son confirmadas por las mediciones, aún no han sido plenamente comprendidas por la comunidad investigativa [29].