Millimeterbølgekommunikasjon

Millimeterbølge(mmWave) er det elektromagnetiske spektrumbåndet med en bølgelengde mellom 10 mm (30 GHz) og 1 mm (300 GHz).Det er referert til som det ekstremt høye frekvensbåndet (EHF) av International Telecommunication Union (ITU).Millimeterbølger er plassert mellom mikrobølger og infrarøde bølger i spekteret og kan brukes til ulike høyhastighets trådløse kommunikasjonsapplikasjoner, for eksempel punkt-til-punkt backhaul-koblinger.
Makrotrender akselererer dataveksten
Med den økende globale etterspørselen etter data og tilkobling, har frekvensbåndene som for tiden brukes for trådløs kommunikasjon blitt stadig mer overfylte, noe som driver etterspørselen etter tilgang til høyere frekvensbåndbredde innenfor millimeterbølgespekteret.Mange makrotrender har akselerert etterspørselen etter større datakapasitet og hastighet.
1. Mengden og typene data som genereres og behandles av big data øker eksponentielt hver dag.Verden er avhengig av høyhastighetsoverføring av store mengder data på utallige enheter hvert sekund.I 2020 genererte hver person 1,7 MB data per sekund.(Kilde: IBM).Ved begynnelsen av 2020 ble det globale datavolumet estimert til 44ZB (World Economic Forum).Innen 2025 forventes global dataskaping å nå over 175 ZB.Å lagre en så stor mengde data krever med andre ord 12,5 milliarder av dagens største harddisker.(International Data Corporation)
I følge FNs estimater var 2007 det første året der bybefolkningen oversteg befolkningen på landsbygda.Denne trenden pågår fortsatt, og det forventes at innen 2050 vil mer enn to tredjedeler av verdens befolkning bo i urbane områder.Dette har ført til økende press på telekommunikasjon og datainfrastruktur i disse tettbefolkede områdene.
3. Den multipolare globale krisen og ustabiliteten, fra pandemier til politisk uro og konflikter, gjør at land i økende grad er ivrige etter å utvikle sine suverene evner for å redusere risikoen for global ustabilitet.Regjeringer over hele verden håper å redusere sin avhengighet av import fra andre regioner og støtte utviklingen av innenlandske produkter, teknologier og infrastruktur.
4. Med verdens innsats for å redusere karbonutslipp, åpner teknologien for nye muligheter for å minimere høykarbonreiser.I dag holdes møter og konferanser vanligvis på nett.Selv medisinske prosedyrer kan utføres eksternt uten at kirurger trenger å komme til operasjonssalen.Bare ultraraske, pålitelige og uavbrutt datastrømmer med lav latens kan oppnå denne nøyaktige operasjonen.
Disse makrofaktorene får folk til å samle inn, overføre og behandle mer og mer data globalt, og krever også overføring med høyere hastigheter og med minimal latens.

Hvilken rolle kan millimeterbølger spille?
Millimeterbølgespekteret gir et bredt kontinuerlig spektrum, noe som muliggjør høyere dataoverføring.For øyeblikket er mikrobølgefrekvensene som brukes for de fleste trådløse kommunikasjoner i ferd med å bli overfylte og spredte, spesielt med flere båndbredder dedikert til spesifikke avdelinger som forsvar, romfart og nødkommunikasjon.
Når du flytter spekteret opp, vil den tilgjengelige uavbrutt spektrumdelen være mye større og den beholdte delen vil være mindre.Å øke frekvensområdet øker effektivt størrelsen på "rørledningen" som kan brukes til å overføre data, og dermed oppnå større datastrømmer.På grunn av den mye større kanalbåndbredden til millimeterbølger, kan mindre komplekse modulasjonsskjemaer brukes til å overføre data, noe som kan føre til systemer med mye lavere ventetid.
Hva er utfordringene?
Det er relaterte utfordringer med å forbedre spekteret.Komponentene og halvlederne som kreves for å sende og motta signaler på millimeterbølger er vanskeligere å produsere – og det er færre tilgjengelige prosesser.Å produsere millimeterbølgekomponenter er også vanskeligere fordi de er mye mindre, og krever høyere monteringstoleranser og nøye utforming av sammenkoblinger og hulrom for å redusere tap og unngå svingninger.
Forplantning er en av hovedutfordringene for millimeterbølgesignaler.Ved høyere frekvenser er det mer sannsynlig at signaler blokkeres eller reduseres av fysiske gjenstander som vegger, trær og bygninger.I byggeområdet betyr dette at millimeterbølgemottakeren må plasseres utenfor bygget for å forplante signalet internt.For backhaul og satellitt-til-bakke-kommunikasjon kreves større effektforsterkning for å overføre signaler over lange avstander.På bakken kan ikke avstanden mellom punkt-til-punkt-lenker overstige 1 til 5 kilometer, i stedet for den større avstanden som lavfrekvente nettverk kan oppnå.
Dette betyr for eksempel på landsbygda at det trengs flere basestasjoner og antenner for å overføre millimeterbølgesignaler over lange avstander.Å installere denne ekstra infrastrukturen krever mer tid og kostnader.De siste årene har utplasseringen av satellittkonstellasjoner forsøkt å løse dette problemet, og disse satellittkonstellasjonene tar igjen millimeterbølge som kjernen i arkitekturen deres.
Hvor er den beste utplasseringen for millimeterbølger?
Den korte forplantningsavstanden til millimeterbølger gjør dem svært egnet for utplassering i tett befolkede byområder med høy datatrafikk.Alternativet til trådløse nettverk er fiberoptiske nettverk.I urbane områder er det ekstremt dyrt, ødeleggende og tidkrevende å grave veier for å installere nye optiske fibre.Tvert imot kan millimeterbølgeforbindelser etableres effektivt med minimale avbruddskostnader i løpet av få dager.
Datahastigheten oppnådd av millimeterbølgesignaler er sammenlignbar med den for optiske fibre, samtidig som den gir lavere ventetid.Når du trenger veldig rask informasjonsflyt og minimal ventetid, er trådløse lenker førstevalget – det er derfor de brukes på børser der millisekunders latency kan være kritisk.
I landlige områder er kostnadene ved å installere fiberoptiske kabler ofte uoverkommelige på grunn av avstanden det er snakk om.Som nevnt ovenfor krever millimeterbølgetårnnettverk også betydelige infrastrukturinvesteringer.Løsningen som presenteres her er å bruke satellitter med lav jordbane (LEO) eller høyhøyde pseudosatellitter (HAPS) for å koble data til fjerntliggende områder.LEO- og HAPS-nettverk betyr at det ikke er behov for å installere fiberoptikk eller bygge kortdistanse punkt-til-punkt trådløse nettverk, samtidig som de gir utmerkede datahastigheter.Satellittkommunikasjon har allerede brukt millimeterbølgesignaler, vanligvis i den lave enden av spekteret – Ka-frekvensbåndet (27-31GHz).Det er plass til å utvide til høyere frekvenser, som Q/V- og E-frekvensbåndene, spesielt returstasjonen for data til bakken.
Returmarkedet for telekommunikasjon er i en ledende posisjon i overgangen fra mikrobølge- til millimeterbølgefrekvenser.Dette er drevet av økningen i forbrukerenheter (håndholdte enheter, bærbare datamaskiner og tingenes internett (IoT)) det siste tiåret, som har akselerert etterspørselen etter mer og raskere data.
Nå håper satellittoperatører å følge eksemplet til teleselskaper og utvide bruken av millimeterbølger i LEO- og HAPS-systemer.Tidligere var tradisjonelle geostasjonære ekvatorialbane (GEO) og medium jordbane (MEO) satellitter for langt unna jorden til å etablere forbrukerkommunikasjonsforbindelser ved millimeterbølgefrekvenser.Utvidelsen av LEO-satellitter gjør det imidlertid nå mulig å etablere millimeterbølgeforbindelser og skape høykapasitetsnettverk som trengs globalt.
Andre bransjer har også et stort potensial for å utnytte millimeterbølgeteknologi.I bilindustrien krever autonome kjøretøy kontinuerlige høyhastighetsforbindelser og datanettverk med lav latens for å fungere trygt.Innen det medisinske feltet vil det være behov for ultraraske og pålitelige datastrømmer for å gjøre det mulig for kirurger som befinner seg eksternt, å utføre nøyaktige medisinske prosedyrer.
Ti år med millimeterbølgeinnovasjon
Filtronic er en ledende ekspert på millimeterbølgekommunikasjonsteknologi i Storbritannia.Vi er et av få selskaper i Storbritannia som kan designe og produsere avanserte millimeterbølgekommunikasjonskomponenter i stor skala.Vi har interne RF-ingeniører (inkludert millimeterbølgeeksperter) som trengs for å konseptualisere, designe og utvikle nye millimeterbølgeteknologier.
I det siste tiåret har vi samarbeidet med ledende mobiltelekommunikasjonsselskaper for å utvikle en serie mikrobølge- og millimeterbølgesendere, effektforsterkere og undersystemer for backhaul-nettverk.Vårt nyeste produkt opererer i E-båndet, som gir en potensiell løsning for ultrahøykapasitets feederlinks i satellittkommunikasjon.I løpet av det siste tiåret har det gradvis blitt justert og forbedret, redusert vekt og kostnader, forbedret ytelse og forbedret produksjonsprosesser for å øke produksjonen.Satellittselskaper kan nå unngå årevis med intern testing og utvikling ved å ta i bruk denne utprøvde romdistribusjonsteknologien.
Vi er forpliktet til å være i forkant av innovasjon, skape teknologi internt og i fellesskap utvikle interne masseproduksjonsprosesser.Vi leder alltid markedet innen innovasjon for å sikre at teknologien vår er klar for distribusjon når regulatoriske byråer åpner opp nye frekvensbånd.
Vi utvikler allerede W-bånd- og D-bånd-teknologier for å takle overbelastning og større datatrafikk i E-båndet de neste årene.Vi samarbeider med industrikunder for å hjelpe dem med å bygge konkurransefortrinn gjennom marginale inntekter når nye frekvensbånd er åpne.
Hva er neste trinn for millimeterbølger?
Utnyttelsesgraden av data vil bare utvikle seg i én retning, og teknologien som er avhengig av data blir også stadig bedre.Augmented reality har kommet, og IoT-enheter blir allestedsnærværende.I tillegg til innenlandske applikasjoner, skifter alt fra store industrielle prosesser til olje- og gassfelt og atomkraftverk mot IoT-teknologi for fjernovervåking – noe som reduserer behovet for manuell intervensjon ved drift av disse komplekse anleggene.Suksessen til disse og andre teknologiske fremskritt vil avhenge av påliteligheten, hastigheten og kvaliteten til datanettverkene som støtter dem – og millimeterbølger gir den nødvendige kapasiteten.
Millimeterbølger har ikke redusert betydningen av frekvenser under 6GHz innen trådløs kommunikasjon.Tvert imot er det et viktig supplement til spekteret, som gjør det mulig å levere forskjellige applikasjoner, spesielt de som krever store datapakker, lav latens og høyere tilkoblingstetthet.

Saken om å bruke millimeterbølger for å oppnå forventningene og mulighetene til nye datarelaterte teknologier er overbevisende.Men det er også utfordringer.
Regulering er en utfordring.Det er umulig å gå inn i det høyere millimeterbølgefrekvensbåndet før regulatoriske myndigheter utsteder lisenser for spesifikke applikasjoner.Ikke desto mindre betyr den forutsagte eksponentielle veksten i etterspørselen at regulatorer er under økende press for å frigjøre mer spektrum for å unngå overbelastning og forstyrrelser.Deling av spektrum mellom passive applikasjoner og aktive applikasjoner som meteorologiske satellitter krever også viktige diskusjoner om kommersielle applikasjoner, som vil tillate bredere frekvensbånd og mer kontinuerlig spektrum uten å flytte til Asia Pacific Hz-frekvensen.
Når man utnytter mulighetene som ny båndbredde gir, er det viktig å ha passende teknologier for å fremme kommunikasjon med høyere frekvens.Det er derfor Filtronic utvikler W-bånd- og D-båndsteknologier for fremtiden.Dette er også grunnen til at vi samarbeider med universiteter, myndigheter og industrier for å fremme utviklingen av ferdigheter og kunnskap på feltene som kreves for å møte fremtidige behov for trådløs teknologi.Hvis Storbritannia skal ta ledelsen i utviklingen av fremtidige globale datakommunikasjonsnettverk, må de kanalisere statlige investeringer til de riktige områdene av RF-teknologi.
Som en partner i akademia, myndigheter og industri, spiller Filtronic en ledende rolle i å utvikle avanserte kommunikasjonsteknologier som trenger å gi nye funksjoner og muligheter i en verden hvor det stadig er behov for data.