Millimeterbølgekommunikation

Millimeter bølge(mmWave) er det elektromagnetiske spektrumbånd med en bølgelængde mellem 10 mm (30 GHz) og 1 mm (300 GHz).Det omtales som det ekstremt høje frekvensbånd (EHF) af International Telecommunication Union (ITU).Millimeterbølger er placeret mellem mikrobølge- og infrarøde bølger i spektret og kan bruges til forskellige trådløse højhastighedskommunikationsapplikationer, såsom punkt-til-punkt backhaul-links.
Makrotendenser accelererer datavæksten
Med den stigende globale efterspørgsel efter data og tilslutningsmuligheder er de frekvensbånd, der i øjeblikket bruges til trådløs kommunikation, blevet stadig mere overfyldte, hvilket driver efterspørgslen efter adgang til højere frekvensbåndbredde inden for millimeterbølgespektret.Mange makrotrends har accelereret efterspørgslen efter større datakapacitet og hastighed.
1. Mængden og typerne af data, der genereres og behandles af big data, stiger eksponentielt hver dag.Verden er afhængig af højhastighedstransmission af store mængder data på utallige enheder hvert sekund.I 2020 genererede hver person 1,7 MB data i sekundet.(Kilde: IBM).I begyndelsen af ​​2020 blev den globale datamængde estimeret til at være 44ZB (World Economic Forum).I 2025 forventes den globale dataskabelse at nå op på over 175 ZB.Med andre ord kræver lagring af så stor en mængde data 12,5 milliarder af nutidens største harddiske.(International Data Corporation)
Ifølge FN's skøn var 2007 det første år, hvor bybefolkningen oversteg landbefolkningen.Denne tendens er stadig i gang, og det forventes, at i 2050 vil mere end to tredjedele af verdens befolkning bo i byområder.Dette har medført et stigende pres på telekommunikation og datainfrastruktur i disse tætbefolkede områder.
3. Den multipolære globale krise og ustabilitet, fra pandemier til politisk uro og konflikter, betyder, at landene i stigende grad er ivrige efter at udvikle deres suveræne kapaciteter for at afbøde risikoen for global ustabilitet.Regeringer over hele verden håber at reducere deres afhængighed af import fra andre regioner og støtte udviklingen af ​​indenlandske produkter, teknologier og infrastruktur.
4. Med verdens bestræbelser på at reducere CO2-emissioner åbner teknologien nye muligheder for at minimere rejser med høj CO2-udledning.I dag afholdes møder og konferencer normalt online.Selv medicinske procedurer kan udføres eksternt uden behov for, at kirurger kommer til operationsstuen.Kun ultrahurtige, pålidelige og uafbrudte datastrømme med lav latens kan opnå denne præcise operation.
Disse makrofaktorer får folk til at indsamle, transmittere og behandle flere og flere data globalt, og de kræver også transmission ved højere hastigheder og med minimal latenstid.

Hvilken rolle kan millimeterbølger spille?
Millimeterbølgespektret giver et bredt kontinuerligt spektrum, hvilket giver mulighed for højere datatransmission.I øjeblikket er mikrobølgefrekvenserne, der bruges til de fleste trådløse kommunikationer, ved at blive overfyldte og spredte, især med flere båndbredder dedikeret til specifikke afdelinger såsom forsvar, rumfart og nødkommunikation.
Når du flytter spektret op, vil den tilgængelige uafbrudte spektrumdel være meget større, og den tilbageholdte del vil være mindre.Forøgelse af frekvensområdet øger effektivt størrelsen af ​​den "pipeline", der kan bruges til at transmittere data, hvorved der opnås større datastrømme.På grund af den meget større kanalbåndbredde af millimeterbølger kan mindre komplekse modulationsskemaer bruges til at transmittere data, hvilket kan føre til systemer med meget lavere latenstid.
Hvad er udfordringerne?
Der er relaterede udfordringer med at forbedre spektret.De komponenter og halvledere, der kræves til at sende og modtage signaler på millimeterbølger, er sværere at fremstille – og der er færre tilgængelige processer.Fremstilling af millimeterbølgekomponenter er også vanskeligere, fordi de er meget mindre, hvilket kræver højere samlingstolerancer og omhyggeligt design af sammenkoblinger og hulrum for at reducere tab og undgå svingninger.
Udbredelse er en af ​​de største udfordringer, som millimeterbølgesignaler står over for.Ved højere frekvenser er der større sandsynlighed for, at signaler blokeres eller reduceres af fysiske genstande som vægge, træer og bygninger.I bygningsområdet betyder det, at millimeterbølgemodtageren skal placeres uden for bygningen for at udbrede signalet internt.Til backhaul og satellit til jord-kommunikation kræves større effektforstærkning for at transmittere signaler over lange afstande.På jorden må afstanden mellem punkt-til-punkt-forbindelser ikke overstige 1 til 5 kilometer, snarere end den større afstand, som lavfrekvente netværk kan opnå.
Det betyder for eksempel i landdistrikter, at der er behov for flere basestationer og antenner til at transmittere millimeterbølgesignaler over lange afstande.Installation af denne ekstra infrastruktur kræver mere tid og omkostninger.I de senere år har indsættelsen af ​​satellitkonstellationer forsøgt at løse dette problem, og disse satellitkonstellationer tager igen millimeterbølge som kernen i deres arkitektur.
Hvor er den bedste implementering til millimeterbølger?
Den korte udbredelsesafstand af millimeterbølger gør dem meget velegnede til udbredelse i tætbefolkede byområder med høj datatrafik.Alternativet til trådløse netværk er fiberoptiske netværk.I byområder er udgravning af veje for at installere nye optiske fibre ekstremt dyrt, ødelæggende og tidskrævende.Tværtimod kan millimeterbølgeforbindelser etableres effektivt med minimale afbrydelsesomkostninger inden for få dage.
Datahastigheden opnået af millimeterbølgesignaler er sammenlignelig med optiske fibres, samtidig med at den giver lavere latenstid.Når du har brug for et meget hurtigt informationsflow og minimal latenstid, er trådløse links førstevalget – det er derfor, de bruges på børser, hvor millisekunders latency kan være kritisk.
I landdistrikter er omkostningerne ved at installere fiberoptiske kabler ofte uoverkommelige på grund af den involverede afstand.Som nævnt ovenfor kræver millimeterbølgetårnnetværk også betydelige infrastrukturinvesteringer.Løsningen præsenteret her er at bruge satellitter med lav kredsløb om jorden (LEO) eller pseudo-satellitter i høj højde (HAPS) til at forbinde data til fjerntliggende områder.LEO- og HAPS-netværk betyder, at der ikke er behov for at installere fiberoptik eller bygge kortdistance-punkt-til-punkt trådløse netværk, mens de stadig giver fremragende datahastigheder.Satellitkommunikation har allerede brugt millimeterbølgesignaler, normalt i den lave ende af spektret – Ka-frekvensbåndet (27-31GHz).Der er plads til at udvide til højere frekvenser, såsom Q/V og E frekvensbåndene, især returstationen for data til jorden.
Returmarkedet for telekommunikation er i en førende position i overgangen fra mikrobølge- til millimeterbølgefrekvenser.Dette er drevet af stigningen i forbrugerenheder (håndholdte enheder, bærbare computere og tingenes internet (IoT)) i løbet af det seneste årti, hvilket har accelereret efterspørgslen efter flere og hurtigere data.
Nu håber satellitoperatører at følge teleselskabers eksempel og udvide brugen af ​​millimeterbølger i LEO- og HAPS-systemer.Tidligere var traditionelle geostationære ækvatoriale kredsløb (GEO) og medium Earth orbit (MEO) satellitter for langt væk fra Jorden til at etablere forbrugerkommunikationsforbindelser ved millimeterbølgefrekvenser.Udbygningen af ​​LEO-satellitter gør det dog nu muligt at etablere millimeterbølgeforbindelser og skabe de højkapacitetsnetværk, der er nødvendige globalt.
Andre industrier har også et stort potentiale for at udnytte millimeterbølgeteknologi.I bilindustrien kræver autonome køretøjer kontinuerlige højhastighedsforbindelser og datanetværk med lav latens for at fungere sikkert.På det medicinske område vil der være behov for ultrahurtige og pålidelige datastrømme for at gøre det muligt for kirurger, der er placeret på afstand, at udføre præcise medicinske procedurer.
Ti års Millimeter Wave Innovation
Filtronic er en førende ekspert i millimeterbølgekommunikationsteknologi i Storbritannien.Vi er en af ​​de få virksomheder i Storbritannien, der kan designe og fremstille avancerede millimeterbølgekommunikationskomponenter i stor skala.Vi har interne RF-ingeniører (herunder millimeterbølgeeksperter), der er nødvendige for at konceptualisere, designe og udvikle nye millimeterbølgeteknologier.
I det sidste årti har vi samarbejdet med førende mobiltelekommunikationsvirksomheder om at udvikle en række mikrobølge- og millimeterbølgetransceivere, effektforstærkere og undersystemer til backhaul-netværk.Vores seneste produkt opererer i E-båndet, som giver en potentiel løsning til feederlinks med ultrahøj kapacitet i satellitkommunikation.I løbet af det sidste årti er det gradvist blevet justeret og forbedret, hvilket reducerer vægt og omkostninger, forbedrer ydeevnen og forbedrer fremstillingsprocesser for at øge produktionen.Satellitvirksomheder kan nu undgå årevis med intern test og udvikling ved at anvende denne gennemprøvede rumimplementeringsteknologi.
Vi er forpligtet til at gå forrest inden for innovation, skabe teknologi internt og i fællesskab udvikle interne masseproduktionsprocesser.Vi er altid førende på markedet inden for innovation for at sikre, at vores teknologi er klar til implementering, efterhånden som regulerende agenturer åbner nye frekvensbånd.
Vi er allerede ved at udvikle W-bånds- og D-båndsteknologier til at klare overbelastning og større datatrafik i E-båndet i de kommende år.Vi arbejder med industrikunder for at hjælpe dem med at opbygge konkurrencefordele gennem marginal indtjening, når nye frekvensbånd er åbne.
Hvad er næste skridt for millimeterbølger?
Udnyttelsesgraden af ​​data vil kun udvikle sig i én retning, og teknologien, der er afhængig af data, bliver også konstant forbedret.Augmented reality er ankommet, og IoT-enheder bliver allestedsnærværende.Ud over indenlandske applikationer skifter alt fra store industrielle processer til olie- og gasfelter og atomkraftværker mod IoT-teknologi til fjernovervågning – hvilket reducerer behovet for manuel indgriben, når disse komplekse faciliteter betjenes.Succesen med disse og andre teknologiske fremskridt vil afhænge af pålideligheden, hastigheden og kvaliteten af ​​de datanetværk, der understøtter dem – og millimeterbølger giver den nødvendige kapacitet.
Millimeterbølger har ikke reduceret betydningen af ​​frekvenser under 6GHz inden for trådløs kommunikation.Tværtimod er det et vigtigt supplement til spektret, der gør det muligt at levere forskellige applikationer med succes, især dem, der kræver store datapakker, lav latenstid og højere forbindelsestæthed.

Sagen med at bruge millimeterbølger til at opnå forventningerne og mulighederne for nye datarelaterede teknologier er overbevisende.Men der er også udfordringer.
Regulering er en udfordring.Det er umuligt at gå ind i det højere millimeterbølgefrekvensbånd, før de regulerende myndigheder udsteder tilladelser til specifikke applikationer.Ikke desto mindre betyder den forudsagte eksponentielle vækst i efterspørgslen, at regulatorer er under stigende pres for at frigive mere spektrum for at undgå overbelastning og interferens.Delingen af ​​spektrum mellem passive applikationer og aktive applikationer såsom meteorologiske satellitter kræver også vigtige diskussioner om kommercielle applikationer, som vil tillade bredere frekvensbånd og mere kontinuerligt spektrum uden at flytte til Asia Pacific Hz-frekvensen.
Når man udnytter de muligheder, som ny båndbredde giver, er det vigtigt at have passende teknologier til at fremme højfrekvent kommunikation.Det er derfor, Filtronic udvikler W-bånds- og D-båndsteknologier til fremtiden.Det er også grunden til, at vi samarbejder med universiteter, regeringer og industrier for at fremme udviklingen af ​​færdigheder og viden inden for de områder, der kræves for at opfylde fremtidige behov for trådløs teknologi.Hvis Storbritannien skal tage føringen i udviklingen af ​​fremtidige globale datakommunikationsnetværk, er det nødt til at kanalisere offentlige investeringer til de rigtige områder af RF-teknologi.
Som partner i den akademiske verden, regeringen og industrien spiller Filtronic en førende rolle i udviklingen af ​​avancerede kommunikationsteknologier, der skal give nye funktionaliteter og muligheder i en verden, hvor der i stigende grad er behov for data.