Milimetrová vlna(mmWave) je pásmo elektromagnetického spektra s vlnovou délkou mezi 10 mm (30 GHz) a 1 mm (300 GHz).Mezinárodní telekomunikační unií (ITU) je označováno jako extrémně vysokofrekvenční (EHF) pásmo.Milimetrové vlny se nacházejí mezi mikrovlnnými a infračervenými vlnami ve spektru a lze je použít pro různé aplikace vysokorychlostní bezdrátové komunikace, jako jsou point-to-point backhaul linky.
Makro trendy urychlují růst dat
S rostoucí celosvětovou poptávkou po datech a konektivitě jsou frekvenční pásma v současnosti používaná pro bezdrátovou komunikaci stále více přeplněná, což vede k poptávce po přístupu k vyšším frekvenčním šířkám pásma v rámci spektra milimetrových vln.Mnoho makro trendů urychlilo poptávku po větší datové kapacitě a rychlosti.
1. Množství a typy dat generovaných a zpracovávaných velkými daty se každým dnem exponenciálně zvyšují.Svět se každou sekundu spoléhá na vysokorychlostní přenos velkého množství dat na bezpočtu zařízení.V roce 2020 vygeneroval každý člověk 1,7 MB dat za sekundu.(Zdroj: IBM).Na začátku roku 2020 se globální objem dat odhadoval na 44 ZB (Světové ekonomické fórum).Do roku 2025 se očekává, že globální tvorba dat dosáhne více než 175 ZB.Jinými slovy, uložení tak velkého množství dat vyžaduje 12,5 miliardy dnešních největších pevných disků.(International Data Corporation)
Podle odhadů Organizace spojených národů byl rok 2007 prvním rokem, kdy městské obyvatelstvo převyšovalo venkovské obyvatelstvo.Tento trend stále trvá a očekává se, že do roku 2050 budou více než dvě třetiny světové populace bydlet v městských oblastech.To přineslo rostoucí tlak na telekomunikační a datovou infrastrukturu v těchto hustě obydlených oblastech.
3. Multipolární globální krize a nestabilita, od pandemií po politické nepokoje a konflikty, znamenají, že země stále více touží po rozvoji svých suverénních schopností ke zmírnění rizik globální nestability.Vlády po celém světě doufají, že sníží svou závislost na dovozu z jiných regionů a podpoří rozvoj domácích produktů, technologií a infrastruktury.
4. S celosvětovým úsilím o snížení emisí uhlíku otevírá technologie nové možnosti, jak minimalizovat cestování s vysokým obsahem uhlíku.Dnes se schůzky a konference obvykle konají online.I lékařské zákroky lze provádět na dálku, aniž by museli chirurgové přicházet na operační sál.Pouze ultra rychlé, spolehlivé a nepřerušované datové toky s nízkou latencí mohou dosáhnout této přesné operace.
Tyto makro faktory nutí lidi shromažďovat, přenášet a zpracovávat stále více dat globálně a také vyžadují přenos vyšší rychlostí as minimální latencí.
Jakou roli mohou hrát milimetrové vlny?
Spektrum milimetrových vln poskytuje široké spojité spektrum umožňující vyšší přenos dat.V současné době jsou mikrovlnné frekvence používané pro většinu bezdrátových komunikací přeplněné a rozptýlené, zejména s několika šířkami pásma vyhrazenými pro konkrétní oddělení, jako je obrana, letectví a nouzová komunikace.
Když spektrum posunete nahoru, dostupná část nepřerušeného spektra bude mnohem větší a zadržená část bude menší.Zvětšením frekvenčního rozsahu se efektivně zvětší velikost „potrubí“, které lze použít k přenosu dat, čímž se dosáhne větších datových toků.Vzhledem k mnohem větší šířce kanálového pásma milimetrových vln lze pro přenos dat použít méně složitá modulační schémata, což může vést k systémům s mnohem nižší latencí.
Jaké jsou výzvy?
Při zlepšování spektra existují související problémy.Součástky a polovodiče potřebné pro přenos a příjem signálů na milimetrových vlnách se obtížněji vyrábějí – a existuje méně dostupných procesů.Výroba součástek s milimetrovou vlnou je také obtížnější, protože jsou mnohem menší, vyžadují vyšší montážní tolerance a pečlivý návrh propojení a dutin, aby se snížily ztráty a zabránilo se oscilacím.
Šíření je jedním z hlavních problémů, kterým čelí signály milimetrových vln.Na vyšších frekvencích je pravděpodobnější, že budou signály blokovány nebo redukovány fyzickými objekty, jako jsou zdi, stromy a budovy.V oblasti budovy to znamená, že přijímač milimetrových vln musí být umístěn mimo budovu, aby se signál šířil uvnitř.Pro backhaul a komunikaci mezi satelitem a zemí je pro přenos signálů na velké vzdálenosti vyžadováno větší zesílení výkonu.Na zemi nesmí vzdálenost mezi dvěma body přesáhnout 1 až 5 kilometrů, spíše než větší vzdálenost, kterou mohou dosáhnout nízkofrekvenční sítě.
To znamená, že například ve venkovských oblastech je potřeba více základnových stanic a antén pro přenos signálů milimetrových vln na velké vzdálenosti.Instalace této dodatečné infrastruktury vyžaduje více času a nákladů.V posledních letech se tento problém snažilo vyřešit nasazením družicových konstelací a tyto družicové konstelace opět berou milimetrové vlny jako jádro své architektury.
Kde je nejlepší nasazení pro milimetrové vlny?
Krátká vzdálenost šíření milimetrových vln je činí velmi vhodnými pro nasazení v hustě obydlených městských oblastech s vysokým datovým provozem.Alternativou k bezdrátovým sítím jsou sítě z optických vláken.V městských oblastech je výkop silnic pro instalaci nových optických vláken extrémně drahý, destruktivní a časově náročný.Naopak, spojení s milimetrovými vlnami lze efektivně vytvořit s minimálními náklady na přerušení během několika dní.
Rychlost přenosu dat dosahovaná signály milimetrových vln je srovnatelná s rychlostí optických vláken, přičemž poskytuje nižší latenci.Když potřebujete velmi rychlý tok informací a minimální latenci, jsou bezdrátové linky první volbou – proto se používají na burzách, kde může být milisekundová latence kritická.
Ve venkovských oblastech jsou náklady na instalaci kabelů s optickými vlákny často neúměrné vzhledem k příslušné vzdálenosti.Jak již bylo zmíněno výše, sítě věží s milimetrovými vlnami také vyžadují značné investice do infrastruktury.Řešením, které je zde představeno, je použití satelitů na nízké oběžné dráze (LEO) nebo vysokohorských pseudo satelitů (HAPS) pro připojení dat ke vzdáleným oblastem.Sítě LEO a HAPS znamenají, že není potřeba instalovat optická vlákna nebo budovat bezdrátové sítě typu point-to-point na krátkou vzdálenost, a přitom stále poskytují vynikající přenosové rychlosti.Satelitní komunikace již používá signály milimetrových vln, obvykle v dolní části spektra – frekvenční pásmo Ka (27-31 GHz).Je zde prostor pro rozšíření na vyšší frekvence, jako jsou frekvenční pásma Q/V a E, zejména návratová stanice pro data do země.
Trh telekomunikačních návratů je na vedoucí pozici v přechodu z mikrovlnných frekvencí na milimetrové vlny.To je způsobeno prudkým nárůstem spotřebitelských zařízení (kapesní zařízení, notebooky a internet věcí (IoT)) za poslední desetiletí, což zrychlilo poptávku po větším množství a rychlejších datech.
Nyní satelitní operátoři doufají, že budou následovat příkladu telekomunikačních společností a rozšíří používání milimetrových vln v systémech LEO a HAPS.Dříve byly družice na tradiční geostacionární rovníkové oběžné dráze (GEO) a střední oběžné dráze Země (MEO) příliš daleko od Země na to, aby vytvořily spotřebitelské komunikační spojení na frekvencích milimetrových vln.Rozšíření družic LEO však nyní umožňuje vytvořit spojení s milimetrovými vlnami a vytvořit vysokokapacitní sítě potřebné globálně.
Další průmyslová odvětví mají také velký potenciál využít technologii milimetrových vln.V automobilovém průmyslu vyžadují autonomní vozidla pro bezpečný provoz nepřetržité vysokorychlostní připojení a datové sítě s nízkou latencí.V lékařské oblasti budou zapotřebí ultra rychlé a spolehlivé datové toky, které umožní vzdáleným chirurgům provádět přesné lékařské postupy.
Deset let inovace milimetrových vln
Filtronic je předním odborníkem na komunikační technologie v oblasti milimetrových vln ve Velké Británii.Jsme jednou z mála společností ve Velké Británii, která dokáže navrhnout a vyrobit pokročilé komunikační komponenty na bázi milimetrových vln ve velkém měřítku.Máme interní RF inženýry (včetně expertů na milimetrové vlny), kteří potřebují konceptualizovat, navrhnout a vyvinout nové technologie milimetrových vln.
V posledním desetiletí jsme spolupracovali s předními mobilními telekomunikačními společnostmi na vývoji řady mikrovlnných a milimetrových vysílačů a přijímačů, výkonových zesilovačů a subsystémů pro páteřní sítě.Náš nejnovější produkt funguje v E-pásmu, které poskytuje potenciální řešení pro ultravysokokapacitní napájecí spoje v satelitní komunikaci.Během posledního desetiletí byl postupně upravován a vylepšován, snižoval se hmotnost a náklady, zlepšoval výkon a zlepšovaly se výrobní procesy pro zvýšení produkce.Satelitní společnosti se nyní mohou vyhnout roky interního testování a vývoje přijetím této osvědčené technologie pro nasazení ve vesmíru.
Jsme odhodláni být v popředí inovací, vytvářet technologie interně a společně rozvíjet interní procesy hromadné výroby.Vždy vedeme trh v oblasti inovací, abychom zajistili, že naše technologie bude připravena k nasazení, protože regulační orgány otevírají nová frekvenční pásma.
Již vyvíjíme technologie W-band a D-band, abychom se vyrovnali s přetížením a větším datovým provozem v E-pásmu v nadcházejících letech.Spolupracujeme s průmyslovými zákazníky, abychom jim pomohli vybudovat konkurenční výhodu prostřednictvím marginálních příjmů, když jsou otevřena nová frekvenční pásma.
Jaký je další krok pro milimetrové vlny?
Míra využití dat se bude vyvíjet pouze jedním směrem a technologie, která na datech spoléhá, se také neustále zlepšuje.Přišla rozšířená realita a zařízení internetu věcí se stávají všudypřítomnými.Kromě domácích aplikací se vše od velkých průmyslových procesů po ropná a plynová pole a jaderné elektrárny posouvá k technologii IoT pro vzdálené monitorování – snižuje potřebu ručního zásahu při provozu těchto složitých zařízení.Úspěch těchto a dalších technologických pokroků bude záviset na spolehlivosti, rychlosti a kvalitě datových sítí, které je podporují – a milimetrové vlny poskytují požadovanou kapacitu.
Milimetrové vlny nesnížily význam frekvencí pod 6GHz v oblasti bezdrátové komunikace.Naopak je důležitým doplňkem spektra, který umožňuje úspěšně dodávat různé aplikace, zejména ty, které vyžadují velké datové pakety, nízkou latenci a vyšší hustotu připojení.
Případ použití milimetrových vln k dosažení očekávání a příležitostí nových technologií souvisejících s daty je přesvědčivý.Jsou tu ale i výzvy.
Regulace je výzva.Do frekvenčního pásma vyšších milimetrových vln není možné vstoupit, dokud regulační orgány nevydají licence pro konkrétní aplikace.Nicméně předpokládaný exponenciální růst poptávky znamená, že regulační orgány jsou pod rostoucím tlakem, aby uvolnily více spektra, aby se zabránilo přetížení a rušení.Sdílení spektra mezi pasivními aplikacemi a aktivními aplikacemi, jako jsou meteorologické družice, také vyžaduje důležité diskuse o komerčních aplikacích, které umožní širší frekvenční pásma a spojitější spektrum bez přechodu na asijsko-pacifický Hz kmitočet.
Při využívání příležitostí, které nabízí nová šířka pásma, je důležité mít vhodné technologie na podporu vysokofrekvenční komunikace.Proto Filtronic vyvíjí technologie W-band a D-band pro budoucnost.To je také důvod, proč spolupracujeme s univerzitami, vládami a průmyslovými odvětvími, abychom podpořili rozvoj dovedností a znalostí v oblastech požadovaných pro splnění budoucích potřeb bezdrátových technologií.Má-li se Spojené království ujmout vedení ve vývoji budoucích globálních datových komunikačních sítí, musí nasměrovat vládní investice do správných oblastí RF technologie.
Jako partner v akademické sféře, vládě a průmyslu hraje Filtronic vedoucí roli ve vývoji pokročilých komunikačních technologií, které potřebují poskytovat nové funkce a možnosti ve světě, kde jsou data stále více potřeba.
Čas odeslání: 27. dubna 2023
