Este documento presenta principalmente brevemente las características de las ondas electromagnéticas en la comunicación inalámbrica y los requisitos de 6G para las ondas electromagnéticas.
¿Qué es la banda de frecuencia de ondas electromagnéticas? ¿Qué banda de frecuencia necesita 6G? ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de esta banda de frecuencia?
**Onda electromagnética (onda electromagnética)** se refiere al campo eléctrico y al campo magnético que oscilan en fase y son perpendiculares entre sí. Transmite energía y momento en forma de ondas en el espacio, y su dirección de propagación es perpendicular a la dirección de oscilación del campo eléctrico y del campo magnético.
Velocidad de onda, longitud de onda y frecuencia
Fórmula básica para ondas: v = λ * f
Esta fórmula relaciona tres propiedades fundamentales de las ondas: velocidad de onda v, frecuencia f y longitud de onda λ. De hecho, es más probable que esta fórmula se derive de las definiciones de los tres atributos anteriores. Por ejemplo, la velocidad de la ola v se puede definir como: la distancia recorrida por la cresta de la ola por unidad de tiempo. Para poner esta definición de otra manera: la distancia que avanza el pico en un ciclo es una longitud de onda. El tiempo de ciclo aquí es en realidad el recíproco de la frecuencia f.
La definición anterior de velocidad de onda se expresa mediante la fórmula: T * v = λ
Una simple conversión da: v = λ / T = λ * f
La onda electromagnética en el sentido físico se refiere a la onda generada por la inducción mutua del campo eléctrico y el campo magnético cambiantes, y todavía satisface la fórmula básica anterior. La velocidad de onda de las ondas electromagnéticas es una constante física muy famosa: la velocidad de la luz. Por supuesto, esto se debe a que la luz visible también es una onda electromagnética. La velocidad de la luz depende del medio de transmisión de la onda electromagnética. En general, la velocidad de la luz en el vacío y el aire se puede estimar en 3E+8 m/s; la velocidad de la luz en las fibras ópticas es más lenta, aproximadamente 2E+8 m/s.
En las aplicaciones de comunicación por ondas electromagnéticas, el concepto de longitud de onda es más fácil de aplicar. Las señales comunes de comunicación móvil tienen longitudes de onda del orden de decímetros . Específicamente, la longitud de onda de una señal de 900 MHz es de 0,333 metros, la longitud de onda de una señal de 1,8 GHz es de 0,167 metros y la longitud de onda de una señal de 2,6 GHz es de 0,115 metros.
Si se compara el tamaño de un objeto específico con la longitud de onda de las ondas electromagnéticas, se pueden sacar varias conclusiones interesantes como las siguientes.
Mucho más grande que la longitud de onda : si el tamaño de un objeto está en esta escala, el objeto es equivalente a un gran obstáculo en la dirección de la onda electromagnética, que producirá reflexión, refracción, absorción y otros efectos en la onda electromagnética. La "inmensidad" del objeto aquí es relativa al múltiplo de la longitud de onda. Por ejemplo: el dosel de los edificios y los árboles grandes, que van desde unos pocos metros hasta cientos de metros, causarán obstrucción y pérdida de las señales de comunicación móvil.
Mucho más pequeño que la longitud de onda : si el tamaño de un objeto está en esta escala, es difícil que el objeto bloquee la onda electromagnética, y la onda electromagnética pasará por alto el objeto y continuará propagándose.Este fenómeno es la difracción o difracción de la ola. Por ejemplo: el tamaño de las gotas de lluvia suele estar en el nivel milimétrico, lo que no tiene efecto en las señales de comunicación móvil ordinarias, pero causará una obstrucción obvia a las ondas milimétricas (longitudes de onda en el nivel milimétrico).
Cerca de la longitud de onda : esta escala se usa generalmente en el diseño de antenas, por ejemplo, la longitud de un oscilador de media onda es la mitad de la longitud de onda, y el espaciado entre elementos de una antena de matriz suele ser la mitad de la longitud de onda. Las señales de gran longitud de onda deben utilizar antenas de gran tamaño y no hay forma de utilizar antenas de pequeño tamaño para la transmisión y recepción. Para señales de longitud de onda pequeña, se puede usar una sola antena pequeña, y las antenas pequeñas también se pueden combinar en un conjunto de antenas de gran tamaño. Por esta razón, la comunicación de onda larga tiene que usar antenas súper grandes y el tamaño de la antena de la red móvil. la comunicación suele ser similar al tamaño de un teléfono móvil.
Cuanto mayor sea la frecuencia, menor será la longitud de onda, menor será la capacidad de penetración, menor será la antena, mayor será el ancho de banda disponible de la señal y mayor será la cantidad de transmisión de información.
espectro electromagnético
Las ondas electromagnéticas en el sentido físico tienen un rango de frecuencia muy amplio, desde frecuencias de corriente alterna muy bajas hasta rayos de alta energía extremadamente altos. **A medida que cambia la magnitud de la frecuencia de la onda electromagnética (o longitud de onda), sus propiedades físicas también cambiarán en gran medida. **Las ondas electromagnéticas se pueden organizar según sus longitudes de onda de mayor a menor (equivalente a baja a alta frecuencia), denominado "espectro electromagnético", como se muestra en la siguiente figura. Entre ellos, la parte del espectro electromagnético por encima del infrarrojo es la "onda de radio" en el sentido habitual.
Las frecuencias de onda larga o más bajas se utilizaron en realidad en sistemas de comunicación dedicados desde muy temprano. Las ondas largas pueden viajar grandes distancias y viajar cerca de la superficie de la Tierra (ondas de superficie). Por supuesto, la transmisión y recepción de onda larga no son fáciles, porque el tamaño de la antena debe ser del orden de la longitud de onda. Su enormidad se puede experimentar haciendo una búsqueda de imágenes de "antena de onda larga". Por esta razón, las ondas largas básicamente no se utilizan en las comunicaciones civiles ordinarias.
La longitud de onda de la banda de frecuencia de onda media está entre 100 y 1000 metros, y los edificios no bloquean fácilmente las ondas electromagnéticas en esta banda de frecuencia. Aunque la cobertura de onda media no es tan amplia como la de onda larga, también se puede utilizar para cobertura en áreas urbanas. La banda de onda media se utiliza principalmente para la radio. Por ejemplo: AM990 de la estación de radio y televisión de Shanghai en realidad utiliza tecnología de modulación de amplitud (AM) y funciona en un canal de radio de 990 kHz. Este tipo de radio AM es fácil de hacer, ha acompañado el crecimiento de muchas personas contemporáneas y todavía se usa en la actualidad.
La longitud de onda de la banda de onda corta está entre 10 y 100 metros. Esta longitud de onda tiene la propiedad única de que la ionosfera de la atmósfera puede reflejarla hacia el suelo, lo que permite la comunicación a larga distancia mediante la transmisión de ida y vuelta (llamadas "ondas del cielo"). Por lo tanto, las ondas cortas se pueden utilizar para la comunicación a distancias más largas e incluso en todo el mundo. La aplicación más común de onda corta son varios canales de radio de onda corta.
La banda VHF con una frecuencia superior a la onda corta tiene una longitud de onda de 1 a 10 metros, por lo que se denomina onda métrica , y también llamada onda ultracorta. Esta banda de frecuencia se utiliza principalmente para transmisiones de radio FM y TV. Por ejemplo: la estación de radio y televisión de Shanghái FM93.4 es una transmisión de radio que utiliza tecnología de modulación de frecuencia (FM) con una frecuencia de 93,4 MHz. Por ejemplo: la transmisión de TV inalámbrica de mi país, la frecuencia del canal DS-1 es de 48,5 ~ 56,5 MHz.
¿Qué bandas de frecuencia utilizan diferentes G?
En la era 2G, GSM utilizó principalmente la banda de frecuencia de 900 MHz y luego introdujo 1,8 GHz.
En la era 3G, UMTS es principalmente de 1,8 GHz y 2,1 GHz, y TD-SCDMA es principalmente de 2,3 GHz y 2,6 GHz.
En la era 4G, LTE continúa utilizando las bandas de frecuencia de 2G y 3G, y se introdujo recientemente la banda de frecuencia de 3,5 GHz.
En la era 5G, Sub6G en la banda de baja frecuencia (FR1: 450 MHz - 6000 MHz); onda milimétrica en la banda de alta frecuencia (FR2: 24,25 GHz - 52,60 GHz)
En la era 6G, se utilizará la banda de frecuencia de terahercios (THz) La banda de frecuencia de terahercios se refiere a 100GHz-10THz, que es una banda de frecuencia con una frecuencia mucho más alta que la de 5G.
Desde la comunicación 1G (0,9 GHz) hasta la actual 5G, y luego hasta la futura 6G, la frecuencia de las ondas electromagnéticas inalámbricas que utilizamos aumenta constantemente. Porque cuanto mayor es la frecuencia, mayor es el rango de ancho de banda que se permite asignar y mayor es la cantidad de datos que se pueden transmitir por unidad de tiempo, que es lo que solemos decir "la velocidad de la red se ha vuelto más rápida".
Sin embargo, otra razón principal para el desarrollo de bandas de frecuencia en lugares altos es que los recursos de las bandas de baja frecuencia son limitados. Al igual que una carretera, no importa cuán ancha sea, la cantidad de vehículos que puede acomodar es limitada. Cuando el camino no es suficiente, el vehículo se bloqueará y no podrá pasar, en este momento, es necesario considerar desarrollar otro camino. Lo mismo ocurre con los recursos de espectro, con el aumento en la cantidad de usuarios y dispositivos inteligentes, el ancho de banda de espectro limitado necesita servir a más terminales, lo que conducirá a una grave disminución en la calidad del servicio de cada terminal. La forma factible de resolver este problema es desarrollar nuevas bandas de frecuencia de comunicación y expandir el ancho de banda de comunicación.
Bajo las mismas condiciones de potencia, la distancia de propagación de las ondas de alta frecuencia es más corta que la de las ondas de baja frecuencia, y la capacidad de penetración se vuelve más débil, lo que puede entenderse como más cercano a las características lineales de la luz. Por lo tanto, 5G y 6G requieren estaciones base más densas para lograr la comunicación .