5G/6G, Milimetrik Ve Terahertz Dalgaların Fiziği

5G/6G, Milimetrik Ve Terahertz Dalgaların Fiziği

​5G'yi Anlamak

5G ve 6G’yi anlamak esas olarak elektromanyetik spektrum ve dalga mekaniğinin fiziğine temas etmek demektir. Gelin biraz temel yasalardan ilerleyelim:

Işık hızı hepimizin malumu. 300000000 metre/saniye. Yani bir başka deyişle ışık, saniyede 300 milyon metre hızla ilerliyor. Işık hızının, dalga boyu ve frekansla ilişkisini gösteren temel eşitlik aşağıdaki gibidir:

c= ƛ*ɤ

c: ışık hızı

ƛ: dalga boyu

ɤ: frekans

Işık hızı sabittir. Dolayısıyla dalga boyu ile frekans arasında ters orantı vardır.

2G, 3G ve 4G gibi teknolojiler 3 GHz altındaki frekansları kullanır. Bu frekanstaki dalgaların dalga boyları cm veya m mertebesindedir ve geniş kapsama alanları vardır. Duvarlardan rahatlıkla geçerler ama taşıdıkları veri miktarı (bant genişliği) sınırlıdır.

Milimetrik dalgalar, 5G​ ile hayatımıza girmiş olup, 30 GHz ve 300 GHz frekans aralığında yer almaktadır. Bu frekans aralığındaki dalga boyları mm mertebesindedir.

Shannon-Hartley Yasası

Herhangi bir iletişim kanalından aktarılabilecek maksimum bant genişliğini ifade eden yasadır.

    

C: Kanal kapasitesi

B: Bant genişliği

S: Alınan sinyal gücü

N: Ortalama sinyal gücü

Bu formüldeki S/N oranı, Sinyal-Gürültü oranı olarak da sektörde ifade edilen orandır. Bu formülün reelde bize ne anlattığını meşhur otoban örneğiyle ifade etmek gerekirse;

‘Düşük frekanslarda (800 MHz) otobanda tek bir şerit olduğunu kabul edelim. Frekans 30 GHz -60 GHz seviyelerine çıkarıldığında tek şeritlik otobana yüzlerce şerit daha eklenmiş olur. Böylece mevcut otobanın kapasitesi arttırılmış olur. 5G’nin ve ilerde 6G’nin sunacağı Gigabit mertebesindeki hızların arkasında yatan fiziksel gerçek budur’

Attenuation (Sinyal Zayıflaması)

Peki ‘doğada bu muazzam hızların karşılaştığı bir direnç var mıdır?’ sorusuna yanıt vermek gerekirse, evet vardır demek durumundayız. Milimetrik dalgaların fiziği, bu mertebedeki sinyallerin en büyük düşmanıdır. Bu durum Attenuation (Sinyal Zayıflaması) olarak karşımıza çıkıyor.

Free Space Path Loss ( Serbest Uzay Yol Kaybı)

Bir sinyalin frekansı arttıkça, enerjisini kaybetme hızı da logaritmik olarak artar. Milimetrik dalgalar uzaklara gidemediğinden dolayı böyle bir problem yaşamazlar. Yani daha uzağa gidebilen, daha hızlı enerji kaybeder.

Atmosfer Emilimi

60 GHz frekansındaki dalgalar, havadaki oksijen moleküllerinin rezonans frekansıyla eşleşir. Oksijen molekülleri bu dalganın enerjisini emer ve sinyal anında söner. Bundan dolayı 60 GHz frekans bandı, uzun mesafeli bir iletişim için kullanılamaz. Fakat kısa mesafeler için ideal bir çözümdür.

Diffraction ( Kırınım)

Uzun dalga demek, düşük frekanslı dalga demektir. Bu dalgalar, binaların köşelerinden bükülerek rahatlıkla geçebilirler. Ancak milimetrik ve TeraHertz dalgalar o kadar kısa dalga boylarına sahiptirler ki, değil bir binayı, bir ağaç yaprağını bile geçerken sorun olacaktır. İşte bu sorunu çözmek için bazı mühendislik çözümleri geliştirilmiştir:

• Small Cell Kullanımı

Sinyal uzağa gidemediği için küçük baz istasyonlarıyla alanı daraltma ihtiyacı doğar.

• Beamforming(Hüzmeleme)

Eski usul baz istasyonları, sinyali izotropik olarak yani her yöne doğru yayardı. 5G ve 6G ise dalgaların yapıcı girişim özelliğinden hareketle, sinyalin tıpkı bir lazer kaynağından çıkmış gibi anten dizileri sayesinde, o an telefon kullanan kişiye doğru odaklanarak yönlendirilmesini sağlar.

5G’nin milimetrik dalgaları makroskobik dünyayla(insan vücudu, binalar, elle tutulabilen boyutlardaki nesneler) etkileşime girerken, 6G’nin TeraHertz dalgaları mikron düzeyinde olduğu için mikroskobik ve moleküler dünya ile etkileşime girecektir.

TeraHertz bandı: 100 GHz-10 THz

Dalga boyu (ƛ)= c / ɤ => 300µm-30µm aralığındadır.

Sonuç

6G’nin fiziğine bir başka yazıda daha detaylı bir şekilde değinilecektir. Keza bu frekans bandının moleküler dünyayla etkileşimi bambaşka kapıların açılacağı yeni bir dünya olacak gibi duruyor.