Sinyal dalam rentang mmWave memerlukan perawatan ekstra dan komponen yang lebih mahal dibandingkan pada frekuensi sub-6 GHz.
Permintaan data terus mendorong peningkatan bandwidth di jaringan nirkabel, dan tren ini pasti akan terus berlanjut. AI, kendaraan otonom, AR/VR, dan teknologi lainnya akan memastikan hal tersebut. Spektrum mmWave yang dialokasikan untuk 5G dapat memenuhi kebutuhan bandwidth, namun bukan tanpa pengorbanan ekonomi dan teknis.
Manfaat mmWave berkisar pada kapasitasnya. Spektrum ini, dari sekitar 30 GHz hingga 300 GHz (5G mmWave dimulai pada 24 GHz), menawarkan bandwidth ribuan megahertz dibandingkan dengan sub-6 GHz 5G, yang memiliki ratusan megahertz. Meski begitu, industri nirkabel sedang mempertimbangkan frekuensi hingga 100 GHz untuk 5G, dan penelitian 6G juga mempertimbangkan frekuensi 140 GHz dan seterusnya. Frekuensi ini membawa tantangan teknis dalam hal kehilangan sinyal pada konektor, kabel, jejak PCB, dan melalui udara.
Gambar 1. Pohon, kaca, bangunan, dinding, hujan, dan banyak hal lainnya menghalangi sinyal mmWave. Pada frekuensi ini, garis pandang langsung membuat perbedaan besar.
Propagasi, atau kemampuan sinyal untuk merambat melalui suatu media, berbeda secara signifikan antara frekuensi sub-6 GHz 5G dan mmWave. Sebagai Gambar 1 menunjukkan, sinyal mmWave memiliki kemampuan terbatas atau berkurang untuk melewati gedung, pohon, hujan, dan objek lain antara pemancar dan penerima. Repeater dan sel kecil dapat mengurangi masalah tersebut.
Selain itu, radio mmWave menggunakan antena MIMO besar dengan beam steering untuk meningkatkan efisiensi dan tingkat daya pancar yang jauh lebih rendah daripada antena omnidirection. Jangkauan sinyal mmWave yang pendek berarti bahwa radio mungkin perlu ditempatkan setiap 1,000 meter, dibandingkan dengan radio sub-6 GHz, yang jaraknya dapat bermil-mil. Ini adalah salah satu elemen biaya yang dihadapi oleh operator jaringan.
Tantangan desain mmWave
Merancang radio mmWave membawa tantangan lain. Ketika frekuensi meningkat, komponen mmWave, bahan PCB, jejak PCB, dan interkoneksi meminimalkan biaya kehilangan sinyal lebih banyak daripada yang dirancang untuk frekuensi lebih rendah. Untuk ini, pertimbangkan konektor koaksial yang ditunjukkan pada Gambar 2. Konektor SMA umum dapat bekerja hingga 18 GHz.
Gambar 2. Frekuensi yang lebih tinggi mengurangi ukuran konektor, namun toleransi produksi juga menyusut, sehingga membuatnya lebih mahal.
Pada frekuensi mmWave, konektor RF memerlukan ukuran yang lebih kecil agar dapat membawa sinyal secara efisien. Saat berpindah ke mmWave, Anda mungkin menggunakan konektor 2.92 mm yang dapat bekerja hingga 40 GHz. Sayangnya, toleransi mekanis komponen bagian dalam di dalam konektor harus lebih ketat dibandingkan konektor SMA. Toleransi yang lebih ketat ini bisa memakan biaya dua hingga tiga kali lebih mahal dibandingkan yang digunakan pada sistem yang beroperasi di bawah 10 GHz.
Dalam sistem radio 5G sub-6 GHz, konektor koaksial RF board-to-board sering kali merutekan sinyal RF antara papan amplifier daya, filter, dan antena. Ketika jumlah saluran transmisi meningkat, para insinyur lebih memilih koneksi tiga bagian seperti yang ditunjukkan pada gambar Gambar 3 untuk mencapai kesejajaran aksial dan radial selama perakitan.
Gambar 3. Peningkatan frekuensi membuat konektor menjadi lebih pendek dan padat.
Untuk sistem antena MIMO masif yang aktif dengan 64 saluran transmisi, jumlah ini setara dengan setidaknya 64 set RF board-to-board per radio. Beberapa sistem antena aktif MIMO masif memiliki 128 saluran transmisi/128 saluran penerimaan atau lebih. Jika solusi tiga bagian konektor RF rata-rata $0.60 per set, ini menunjukkan bahwa isi konektor antena/radio aktif bisa lebih dari $150.
EMI dan crosstalk
Sinyal frekuensi tinggi menimbulkan tantangan tambahan untuk desain konektor dan kabel. Dengan menggunakan contoh MIMO masif, dengan sistem koaksial RF yang terletak berdekatan, Anda harus meminimalkan EMI dan crosstalk. Pelindung menjadi lebih penting pada antarmuka yang dapat dipisahkan (konektor koaksial) atau, jika digunakan, kabel koaksial. Banyak konektor RF board-to-board menggunakan konduktor ground luar berlubang yang memungkinkannya meluncur atau menyatu saat dipasangkan. Desain slot ini dan setiap bukaan potensial dengan ketidaksejajaran aksial harus dikelola dengan hati-hati untuk meminimalkan EMI.
Gambar 4. Konektor SMP menangani frekuensi hingga 40 GHz.
Redaman sinyal menghadirkan tantangan lain. Ketika jumlah saluran bertambah, daya keluaran per saluran biasanya menurun. Penurunan daya keluaran tersebut meningkatkan kebutuhan jalur transmisi RF dengan redaman rendah (seperti sistem konektor board-to-board). Banyak konektor yang ditemukan pada aplikasi sub-6 GHz menggunakan bahan dielektrik yang dibentuk sebagai kompromi antara redaman sinyal dan biaya. Karena redaman meningkat seiring dengan frekuensi, sebagian besar bahan dielektrik cetakan yang digunakan pada konektor RF tidak cukup efisien untuk sistem radio mmWave. Konektor RF yang beroperasi hingga 100 GHz dan lebih tinggi biasanya menggunakan udara sebagai dielektrik utama. Konduktor tengah ditopang oleh manik-manik penyangga kecil yang dibentuk. Beberapa konektor, seperti SMP atau SMPM (Gambar 4), memiliki bahan dielektrik polytetrafluoroethylene (PTFE) dan mungkin merupakan kompromi yang masuk akal.
Bahan PCB juga melewatkan sinyal RF di dalam radio. Ada pertimbangan serupa untuk bahan PCB dan konstruksi tantangan koaksial RF yang disebutkan di atas. Bahan PCB dengan kerugian rendah tersedia saat ini, tetapi bahan ini memiliki keunggulan dibandingkan bahan yang digunakan dalam sistem sub-6 gigahertz. EMI dan crosstalk cenderung dikelola menggunakan PCB berlapis-lapis, vias, dan teknik isolasi lainnya. Antena MIMO masif 5G yang mencakup frekuensi mmWave antara 22 GHz dan 39 GHz dapat menggunakan sepuluh atau lebih lapisan PCB untuk mencapai kinerja yang wajar. Mengingat daya keluaran moderat per saluran dan efek beam steering dari sinyal MIMO yang masif, mencapai daya radiasi isotropik efektif (EIRP) yang diinginkan dari sistem bisa jadi sulit.
Bagaimana dengan 6G?
Di 6G, sistem radio mmWave yang mungkin berperan mencakup serangkaian produk mulai dari pandu gelombang dielektrik hingga antena cetakan. Teknologi ini mengarahkan sudut datang sinar ke arah pengguna, sehingga meminimalkan pengurangan EIRP dalam kemudi sinar. Pengerjaan perangkat beam steering digital dan teknologi lainnya terus meningkatkan kinerja radio mmWave. Konektor koaksial yang beroperasi hingga 145 GHz kini tersedia jika 6G beralih ke spektrum frekuensi terahertz.
Seiring dengan berlanjutnya penelitian 6G, frekuensi antara 6.4 GHz dan 15 GHz juga sedang dipertimbangkan. Hal ini mungkin menunjukkan bahwa 6G akan mengadopsi beberapa pembelajaran dalam strategi penerapan RAN 5G, dengan mengandalkan spektrum frekuensi yang lebih rendah.
Saat ini, kami masih belum mengetahui perbedaan 6G dengan 5G atau 5G-Advanced. Frekuensi gelombang milimeter memiliki bandwidth yang jauh lebih besar dibandingkan sinyal sub 6 gigahertz, kira-kira 1.2 GHz versus kurang dari 600 MHz. Bagaimana sistem akan dikembangkan dan diterapkan sehingga masuk akal secara ekonomi bagi operator jaringan nirkabel? Karena kasus penggunaan teoretis memerlukan waktu untuk dikembangkan, akankah 6G menjadi kompromi yang mendapatkan manfaat maksimal dari spektrum dari 7 GHz hingga 15 GHz? Mungkin AI, kendaraan otonom, VR, dan perluasan akses nirkabel tetap (FWA) akan mendorong industri menuju penggunaan spektrum mmWave yang lebih besar. Ada kemungkinan bahwa pada tahun 2035, kita semua menginginkan panggilan holografik untuk rapat dibandingkan konferensi video. Mengingat cara kita menggunakan perangkat seluler selama era 2G/3G dibandingkan saat ini, jelas bahwa kita telah mengalami kemajuan yang sangat pesat.
Harus ada kasus penggunaan atau aplikasi baru dalam waktu dekat yang akan terus mendorong kebutuhan bandwidth yang lebih besar. Karena banyak operator jaringan nirkabel telah memiliki kepemilikan atas spektrum yang berharga ini, mereka akan dengan senang hati menyediakannya selama keekonomiannya memungkinkan.