Tín hiệu trong phạm vi mmWave yêu cầu phải cẩn thận hơn và có các thành phần đắt tiền hơn so với ở tần số dưới 6 GHz.
Nhu cầu dữ liệu tiếp tục thúc đẩy nhiều băng thông hơn trong mạng không dây và xu hướng này chắc chắn sẽ tiếp tục. AI, xe tự hành, AR/VR và các công nghệ khác sẽ đáp ứng được điều đó. Phổ mmWave được phân bổ cho 5G có thể đáp ứng nhu cầu băng thông nhưng không phải không có sự cân bằng về mặt kinh tế và kỹ thuật.
Lợi ích của mmWave xoay quanh dung lượng của nó. Phổ tần này, từ khoảng 30 GHz đến 300 GHz (5G mmWave bắt đầu ở 24 GHz), cung cấp băng thông hàng nghìn megahertz so với 6G dưới 5 GHz có hàng trăm megahertz. Mặc dù vậy, ngành công nghiệp không dây đang xem xét tần số lên tới 100 GHz cho 5G, trong đó nghiên cứu 6G đang xem xét tần số 140 GHz trở lên. Các tần số này mang đến những thách thức kỹ thuật về tổn thất tín hiệu trong đầu nối, cáp, dấu vết PCB và qua mạng không dây.
Hình 1. Cây cối, kính, tòa nhà, tường, mưa và hầu hết những thứ khác chặn tín hiệu mmWave. Ở những tần số này, đường ngắm trực tiếp tạo nên sự khác biệt.
Sự lan truyền hoặc khả năng truyền tín hiệu qua môi trường, khác biệt đáng kể giữa tần số 6G dưới 5 GHz và mmWave. BẰNG Hình 1 cho thấy, tín hiệu mmWave có khả năng bị hạn chế hoặc suy giảm khi truyền qua các tòa nhà, cây cối, mưa và các vật thể khác giữa máy phát và máy thu. Bộ lặp và tế bào nhỏ có thể giảm thiểu những vấn đề đó.
Ngoài ra, bộ đàm mmWave sử dụng ăng-ten MIMO lớn có khả năng điều khiển chùm tia để tăng hiệu quả và ở mức công suất phát thấp hơn nhiều so với ăng-ten đa hướng. Phạm vi tín hiệu mmWave ngắn có nghĩa là các đài có thể cần phải được đặt cách nhau 1,000 mét, trái ngược với các đài dưới 6 GHz, có thể cách nhau hàng dặm. Đây là một yếu tố chi phí mà các nhà khai thác mạng phải đối mặt.
Những thách thức trong thiết kế của mmWave
Thiết kế đài mmWave mang đến những thách thức khác. Khi tần số tăng lên, các thành phần mmWave, vật liệu PCB, vết PCB và các kết nối sẽ giảm thiểu chi phí mất tín hiệu nhiều hơn so với các thành phần được thiết kế cho tần số thấp hơn. Đối với điều này, hãy xem xét các đầu nối đồng trục được hiển thị trong Hình 2. Đầu nối SMA thông thường có thể hoạt động ở tần số 18 GHz.
Hình 2. Tần số cao hơn làm giảm kích thước đầu nối nhưng dung sai sản xuất cũng giảm xuống, khiến chúng đắt hơn.
Ở tần số mmWave, đầu nối RF cần kích thước nhỏ hơn để truyền tín hiệu hiệu quả. Khi chuyển sang mmWave, bạn có thể sử dụng đầu nối 2.92 mm có thể hoạt động ở tần số 40 GHz. Thật không may, dung sai cơ học của các bộ phận bên trong trong đầu nối phải nghiêm ngặt hơn so với đầu nối SMA. Những dung sai chặt chẽ hơn này có thể đắt hơn từ hai đến ba lần so với những dung sai được sử dụng trong các hệ thống hoạt động dưới 10 GHz.
Trong hệ thống vô tuyến 5G dưới 6 GHz, các đầu nối đồng trục RF bo mạch này thường định tuyến tín hiệu RF giữa bo mạch khuếch đại công suất, bộ lọc và ăng-ten. Khi số lượng kênh truyền tăng lên, các kỹ sư thích kết nối ba mảnh được hiển thị trong Hình 3 để đạt được sự liên kết hướng trục và hướng tâm trong quá trình lắp ráp.
Hình 3. Tần số tăng làm cho đầu nối ngắn hơn và dày đặc hơn.
Đối với một hệ thống ăng-ten MIMO lớn đang hoạt động có 64 kênh truyền, điều này sẽ tương đương với ít nhất 64 bộ bo mạch RF trên mỗi đài. Một số hệ thống ăng-ten hoạt động MIMO lớn có 128 kênh truyền/128 kênh nhận trở lên. Nếu giải pháp ba mảnh đầu nối RF có giá trung bình là 0.60 USD mỗi bộ thì điều này cho thấy nội dung đầu nối của ăng-ten/radio đang hoạt động có thể cao hơn 150 USD.
EMI và nhiễu xuyên âm
Tín hiệu tần số cao đặt ra thêm thách thức cho thiết kế đầu nối và cáp. Sử dụng ví dụ MIMO lớn, với các hệ thống đồng trục RF nằm gần nhau, bạn phải giảm thiểu EMI và nhiễu xuyên âm. Việc che chắn trở nên quan trọng hơn trên các giao diện có thể tách rời (đầu nối đồng trục) hoặc, nếu được sử dụng, cáp đồng trục. Nhiều đầu nối bo mạch RF sử dụng dây dẫn nối đất có rãnh bên ngoài để cho phép chúng trượt hoặc gắn vào nhau khi ghép nối. Thiết kế của các khe này và bất kỳ lỗ hở nào có thể bị lệch trục phải được quản lý cẩn thận để giảm thiểu EMI.
Hình 4. Đầu nối SMP xử lý tần số lên tới 40 GHz.
Sự suy giảm tín hiệu đưa ra một thách thức khác. Khi số kênh tăng lên, công suất đầu ra trên mỗi kênh thường giảm. Công suất đầu ra giảm làm tăng nhu cầu về đường truyền RF có độ suy giảm thấp (chẳng hạn như hệ thống đầu nối bo mạch với bo mạch). Nhiều đầu nối trong các ứng dụng dưới 6 GHz sử dụng vật liệu điện môi đúc để cân bằng giữa độ suy giảm tín hiệu và chi phí. Do độ suy giảm tăng theo tần số nên hầu hết các vật liệu điện môi đúc được sử dụng trong đầu nối RF đều không đủ hiệu quả cho hệ thống vô tuyến mmWave. Đầu nối RF hoạt động ở tần số 100 GHz trở lên thường sử dụng không khí làm chất điện môi chính. Các dây dẫn trung tâm được hỗ trợ bởi các hạt hỗ trợ nhỏ được đúc sẵn. Một số trình kết nối, như SMP hoặc SMPM (Hình 4), có vật liệu điện môi polytetrafluoroethylene (PTFE) và có thể là một sự thỏa hiệp hợp lý.
Vật liệu PCB cũng truyền tín hiệu RF trong radio. Có những cân nhắc tương tự đối với vật liệu PCB và việc xây dựng các thách thức đồng trục RF đã đề cập ở trên. Ngày nay, vật liệu PCB tổn thất thấp đã có sẵn nhưng chúng có giá cao hơn so với vật liệu được sử dụng trong hệ thống dưới 6 gigahertz. EMI và nhiễu xuyên âm có xu hướng được quản lý bằng cách sử dụng PCB, vias nhiều lớp và các kỹ thuật cách ly khác. Ăng-ten MIMO lớn 5G bao phủ tần số mmWave trong khoảng từ 22 GHz đến 39 GHz có thể sử dụng mười lớp PCB trở lên để đạt được hiệu suất hợp lý. Xem xét công suất đầu ra vừa phải trên mỗi kênh và tác động của việc điều khiển chùm tia của các tín hiệu MIMO lớn, việc đạt được công suất bức xạ đẳng hướng hiệu quả mong muốn (EIRP) của hệ thống có thể khó khăn.
Còn 6G thì sao?
Trong 6G, các hệ thống vô tuyến mmWave có thể đóng một vai trò nào đó bao gồm một loạt sản phẩm từ ống dẫn sóng điện môi đến ăng-ten đúc. Những công nghệ này hướng góc tới của chùm tia về phía người dùng, giúp giảm thiểu mức giảm EIRP khi điều khiển chùm tia. Hoạt động trên các thiết bị điều khiển chùm tia kỹ thuật số và các công nghệ khác tiếp tục nâng cao hiệu suất vô tuyến mmWave. Hiện đã có sẵn các đầu nối đồng trục hoạt động ở tần số lên tới 145 GHz nếu 6G chuyển sang phổ tần số terahertz.
Khi nghiên cứu 6G tiếp tục, các tần số từ 6.4 GHz đến 15 GHz cũng đang được xem xét. Điều này có thể gợi ý rằng 6G sẽ áp dụng một số bài học kinh nghiệm trong chiến lược triển khai 5G RAN, dựa trên phổ tần số thấp hơn.
Tại thời điểm này, chúng ta vẫn chưa biết 6G sẽ khác 5G hay 5G-Advanced như thế nào. Tần số sóng milimet có băng thông lớn hơn nhiều so với tín hiệu dưới 6 gigahertz, khoảng 1.2 GHz so với dưới 600 MHz. Các hệ thống sẽ được phát triển và triển khai như thế nào để mang lại ý nghĩa kinh tế cho các nhà khai thác mạng không dây? Vì các trường hợp sử dụng về mặt lý thuyết cần có thời gian để phát triển, liệu 6G có phải là sự thỏa hiệp mang lại nhiều lợi ích nhất từ phổ tần từ 7 GHz đến 15 GHz không? Có lẽ AI, xe tự hành, VR và việc mở rộng truy cập không dây cố định (FWA) sẽ thúc đẩy ngành sử dụng phổ mmWave nhiều hơn. Có thể đến năm 2035, tất cả chúng ta sẽ muốn thực hiện các cuộc gọi ba chiều cho các cuộc họp thay vì hội nghị truyền hình. Xem xét cách chúng ta sử dụng thiết bị di động trong kỷ nguyên 2G/3G so với ngày nay, rõ ràng là chúng ta đã đi được một chặng đường dài.
Phải có một trường hợp sử dụng hoặc ứng dụng mới trong tương lai không xa sẽ tiếp tục thúc đẩy nhu cầu về băng thông lớn hơn. Bởi vì nhiều nhà khai thác mạng không dây đã có quyền sở hữu phổ tần có giá trị này nên họ sẽ vui lòng cung cấp nó miễn là tính kinh tế có ý nghĩa.