Fala milimetrowa(mmWave) to pasmo widma elektromagnetycznego o długości fali od 10 mm (30 GHz) do 1 mm (300 GHz).Jest określany jako pasmo ekstremalnie wysokich częstotliwości (EHF) przez Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny (ITU).Fale milimetrowe znajdują się w widmie między falami mikrofalowymi a falami podczerwonymi i mogą być wykorzystywane w różnych zastosowaniach związanych z szybką komunikacją bezprzewodową, takich jak łącza dosyłowe typu punkt-punkt.
Trendy makro przyspieszają wzrost danych
Wraz z rosnącym globalnym zapotrzebowaniem na dane i łączność, pasma częstotliwości używane obecnie do komunikacji bezprzewodowej stają się coraz bardziej zatłoczone, co napędza zapotrzebowanie na dostęp do pasma o wyższej częstotliwości w zakresie fal milimetrowych.Wiele makro trendów przyspieszyło zapotrzebowanie na większą pojemność i szybkość danych.
1. Ilość i rodzaje danych generowanych i przetwarzanych przez duże zbiory danych każdego dnia rosną wykładniczo.Świat polega na szybkiej transmisji dużych ilości danych na niezliczonych urządzeniach w każdej sekundzie.W 2020 roku każda osoba generowała 1,7 MB danych na sekundę.(Źródło: IBM).Na początku 2020 roku globalny wolumen danych szacowany był na 44ZB (World Economic Forum).Oczekuje się, że do 2025 r. globalne tworzenie danych osiągnie ponad 175 ZB.Innymi słowy, przechowywanie tak dużej ilości danych wymaga 12,5 miliarda największych obecnie dysków twardych.(Międzynarodowa Korporacja Danych)
Według szacunków Organizacji Narodów Zjednoczonych rok 2007 był pierwszym rokiem, w którym ludność miejska przewyższyła ludność wiejską.Tendencja ta nadal się utrzymuje i oczekuje się, że do 2050 r. ponad dwie trzecie światowej populacji będzie mieszkać na obszarach miejskich.Spowodowało to rosnącą presję na infrastrukturę telekomunikacyjną i transmisję danych na tych gęsto zaludnionych obszarach.
3. Wielobiegunowy globalny kryzys i niestabilność, od pandemii po zawirowania polityczne i konflikty, oznaczają, że kraje coraz chętniej rozwijają swoje suwerenne zdolności do łagodzenia ryzyka globalnej niestabilności.Rządy na całym świecie mają nadzieję na zmniejszenie uzależnienia od importu z innych regionów i wsparcie rozwoju rodzimych produktów, technologii i infrastruktury.
4. Dzięki światowym wysiłkom na rzecz ograniczenia emisji dwutlenku węgla technologia otwiera nowe możliwości minimalizowania podróży wysokoemisyjnych.Dziś spotkania i konferencje zazwyczaj odbywają się online.Nawet procedury medyczne mogą być wykonywane zdalnie, bez konieczności obecności chirurgów na sali operacyjnej.Tylko ultraszybkie, niezawodne i nieprzerwane strumienie danych o niskim opóźnieniu mogą zapewnić tak precyzyjne działanie.
Te makroczynniki skłaniają ludzi do gromadzenia, przesyłania i przetwarzania coraz większej ilości danych na całym świecie, a także wymagają transmisji z większymi prędkościami i minimalnymi opóźnieniami.
Jaką rolę mogą odgrywać fale milimetrowe?
Widmo fal milimetrowych zapewnia szerokie widmo ciągłe, co pozwala na wyższą transmisję danych.Obecnie częstotliwości mikrofalowe używane w większości komunikacji bezprzewodowej stają się zatłoczone i rozproszone, zwłaszcza w przypadku kilku pasm przeznaczonych dla określonych działów, takich jak obrona, lotnictwo i komunikacja ratunkowa.
Gdy przesuniesz widmo w górę, dostępna nieprzerwana część widma będzie znacznie większa, a zatrzymana część będzie mniejsza.Zwiększenie zakresu częstotliwości skutecznie zwiększa rozmiar „potoku”, który można wykorzystać do przesyłania danych, uzyskując w ten sposób większe strumienie danych.Ze względu na znacznie większą przepustowość kanału fal milimetrowych, do przesyłania danych można stosować mniej złożone schematy modulacji, co może prowadzić do systemów o znacznie mniejszych opóźnieniach.
Jakie są wyzwania?
Istnieją powiązane wyzwania związane z poprawą widma.Komponenty i półprzewodniki wymagane do przesyłania i odbierania sygnałów na falach milimetrowych są trudniejsze do wyprodukowania – a dostępnych procesów jest mniej.Wytwarzanie elementów o fali milimetrowej jest również trudniejsze, ponieważ są one znacznie mniejsze, co wymaga wyższych tolerancji montażowych i starannego zaprojektowania połączeń i wnęk w celu zmniejszenia strat i uniknięcia oscylacji.
Propagacja jest jednym z głównych wyzwań stojących przed sygnałami fal milimetrowych.Przy wyższych częstotliwościach istnieje większe prawdopodobieństwo zablokowania lub osłabienia sygnałów przez obiekty fizyczne, takie jak ściany, drzewa i budynki.W obszarze budynku oznacza to, że odbiornik fal milimetrowych musi znajdować się na zewnątrz budynku, aby propagować sygnał wewnętrznie.W przypadku komunikacji typu backhaul i komunikacji satelitarno-naziemnej do przesyłania sygnałów na duże odległości wymagane jest większe wzmocnienie mocy.Na ziemi odległość między połączeniami punkt-punkt nie może przekraczać od 1 do 5 kilometrów, zamiast większej odległości, jaką mogą osiągnąć sieci o niskiej częstotliwości.
Oznacza to na przykład, że na obszarach wiejskich potrzeba więcej stacji bazowych i anten do przesyłania sygnałów fal milimetrowych na duże odległości.Instalacja tej dodatkowej infrastruktury wymaga więcej czasu i kosztów.W ostatnich latach rozmieszczenie konstelacji satelitów próbowało rozwiązać ten problem, a te konstelacje satelitów ponownie przyjmują falę milimetrową jako rdzeń swojej architektury.
Gdzie jest najlepsze zastosowanie dla fal milimetrowych?
Krótka odległość propagacji fal milimetrowych sprawia, że są one bardzo odpowiednie do wdrożenia w gęsto zaludnionych obszarach miejskich o dużym ruchu danych.Alternatywą dla sieci bezprzewodowych są sieci światłowodowe.Na obszarach miejskich wykopy pod drogi w celu zainstalowania nowych światłowodów są niezwykle kosztowne, destrukcyjne i czasochłonne.Wręcz przeciwnie, połączenia na falach milimetrowych można skutecznie nawiązać przy minimalnych kosztach przerw w ciągu kilku dni.
Szybkość transmisji danych osiągana przez sygnały fal milimetrowych jest porównywalna z szybkością światłowodów, przy jednoczesnym zapewnieniu mniejszych opóźnień.Gdy potrzebny jest bardzo szybki przepływ informacji i minimalne opóźnienia, łącza bezprzewodowe są pierwszym wyborem – dlatego są wykorzystywane na giełdach, gdzie milisekundowe opóźnienia mogą mieć krytyczne znaczenie.
Na obszarach wiejskich koszt instalacji światłowodów jest często zaporowy ze względu na wymaganą odległość.Jak wspomniano powyżej, sieci wież z falami milimetrowymi wymagają również znacznych inwestycji w infrastrukturę.Przedstawione tutaj rozwiązanie polega na wykorzystaniu satelitów o niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO) lub pseudosatelitów na dużych wysokościach (HAPS) do łączenia danych z odległymi obszarami.Sieci LEO i HAPS oznaczają, że nie ma potrzeby instalowania światłowodów ani budowania krótkodystansowych sieci bezprzewodowych typu punkt-punkt, przy jednoczesnym zapewnieniu doskonałych szybkości transmisji danych.Komunikacja satelitarna wykorzystywała już sygnały fal milimetrowych, zwykle z dolnego końca widma – pasma częstotliwości Ka (27-31GHz).Jest miejsce na rozszerzenie na wyższe częstotliwości, takie jak pasma częstotliwości Q/V i E, zwłaszcza stacja zwrotna dla danych naziemnych.
Rynek zwrotów telekomunikacyjnych zajmuje wiodącą pozycję w przejściu z częstotliwości mikrofalowych na fale milimetrowe.Jest to spowodowane gwałtownym wzrostem liczby urządzeń konsumenckich (urządzeń przenośnych, laptopów i Internetu rzeczy (IoT)) w ciągu ostatniej dekady, co przyspieszyło zapotrzebowanie na coraz szybsze dane.
Teraz operatorzy satelitarni mają nadzieję pójść za przykładem firm telekomunikacyjnych i rozszerzyć wykorzystanie fal milimetrowych w systemach LEO i HAPS.Wcześniej tradycyjne satelity geostacjonarne na orbicie równikowej (GEO) i średniej orbicie okołoziemskiej (MEO) znajdowały się zbyt daleko od Ziemi, aby ustanowić konsumenckie łącza komunikacyjne na częstotliwościach fal milimetrowych.Jednak ekspansja satelitów LEO umożliwia teraz ustanawianie łączy na falach milimetrowych i tworzenie sieci o dużej przepustowości potrzebnych na całym świecie.
Inne branże również mają ogromny potencjał wykorzystania technologii fal milimetrowych.W przemyśle motoryzacyjnym pojazdy autonomiczne wymagają do bezpiecznego działania ciągłych, szybkich połączeń i sieci danych o małych opóźnieniach.W dziedzinie medycyny potrzebne będą ultraszybkie i niezawodne strumienie danych, aby umożliwić zdalnym chirurgom wykonywanie precyzyjnych procedur medycznych.
Dziesięć lat innowacji w zakresie fal milimetrowych
Filtronic jest wiodącym ekspertem w dziedzinie technologii komunikacji na falach milimetrowych w Wielkiej Brytanii.Jesteśmy jedną z nielicznych firm w Wielkiej Brytanii, która może projektować i wytwarzać na dużą skalę zaawansowane komponenty komunikacyjne wykorzystujące fale milimetrowe.Mamy wewnętrznych inżynierów RF (w tym ekspertów od fal milimetrowych) potrzebnych do konceptualizacji, projektowania i opracowywania nowych technologii fal milimetrowych.
W ostatniej dekadzie współpracowaliśmy z wiodącymi firmami z branży telefonii komórkowej w celu opracowania serii nadajników-odbiorników mikrofalowych i fal milimetrowych, wzmacniaczy mocy i podsystemów dla sieci typu backhaul.Nasz najnowszy produkt działa w paśmie E, co stanowi potencjalne rozwiązanie dla łączy dosyłowych o bardzo dużej przepustowości w komunikacji satelitarnej.W ciągu ostatniej dekady był stopniowo dostosowywany i ulepszany, zmniejszając wagę i koszty, poprawiając wydajność i ulepszając procesy produkcyjne w celu zwiększenia produkcji.Firmy satelitarne mogą teraz uniknąć lat wewnętrznych testów i rozwoju, przyjmując tę sprawdzoną technologię wdrażania w przestrzeni kosmicznej.
Stawiamy na czele innowacji, tworząc technologię wewnętrznie i wspólnie rozwijając wewnętrzne procesy produkcji masowej.Zawsze jesteśmy liderem na rynku w zakresie innowacji, aby zapewnić, że nasza technologia jest gotowa do wdrożenia, gdy agencje regulacyjne otwierają nowe pasma częstotliwości.
Już teraz opracowujemy technologie pasma W i D, aby poradzić sobie z przeciążeniem i większym ruchem danych w paśmie E w nadchodzących latach.Współpracujemy z klientami branżowymi, aby pomóc im w budowaniu przewagi konkurencyjnej poprzez krańcowe przychody, gdy nowe pasma częstotliwości są otwarte.
Jaki jest następny krok dla fal milimetrowych?
Stopień wykorzystania danych będzie się rozwijał tylko w jednym kierunku, a technologia oparta na danych również stale się poprawia.Nadeszła rzeczywistość rozszerzona, a urządzenia IoT stają się wszechobecne.Oprócz zastosowań domowych wszystko, od głównych procesów przemysłowych po pola naftowe i gazowe oraz elektrownie jądrowe, przechodzi w kierunku technologii IoT do zdalnego monitorowania, co zmniejsza potrzebę ręcznej interwencji podczas obsługi tych złożonych obiektów.Sukces tych i innych postępów technologicznych będzie zależał od niezawodności, szybkości i jakości sieci danych, które je obsługują – a fale milimetrowe zapewniają wymaganą przepustowość.
Fale milimetrowe nie zmniejszyły znaczenia częstotliwości poniżej 6GHz w dziedzinie komunikacji bezprzewodowej.Wręcz przeciwnie, jest ważnym uzupełnieniem widma, umożliwiającym pomyślne dostarczanie różnych aplikacji, zwłaszcza tych, które wymagają dużych pakietów danych, małych opóźnień i większej gęstości połączeń.
Przypadek wykorzystania fal milimetrowych do spełnienia oczekiwań i możliwości nowych technologii związanych z danymi jest przekonujący.Ale są też wyzwania.
Regulacja to wyzwanie.Wejście w wyższe pasmo częstotliwości fal milimetrowych jest niemożliwe, dopóki organy regulacyjne nie wydadzą licencji na określone zastosowania.Niemniej jednak przewidywany wykładniczy wzrost popytu oznacza, że organy regulacyjne znajdują się pod rosnącą presją, aby zwolnić więcej widma, aby uniknąć zatorów i zakłóceń.Współdzielenie widma między zastosowaniami pasywnymi i aktywnymi, takimi jak satelity meteorologiczne, wymaga również ważnych dyskusji na temat zastosowań komercyjnych, które umożliwią szersze pasma częstotliwości i bardziej ciągłe widmo bez przechodzenia do częstotliwości Hz w regionie Azji i Pacyfiku.
Korzystając z możliwości, jakie daje nowe pasmo, ważne jest posiadanie odpowiednich technologii promujących komunikację na wyższych częstotliwościach.Dlatego Filtronic opracowuje przyszłościowe technologie pasma W i D.Dlatego też współpracujemy z uniwersytetami, rządami i przemysłem, aby promować rozwój umiejętności i wiedzy w dziedzinach wymaganych do zaspokojenia przyszłych potrzeb w zakresie technologii bezprzewodowych.Jeśli Wielka Brytania ma objąć wiodącą rolę w rozwoju przyszłych globalnych sieci transmisji danych, musi skierować inwestycje rządowe na właściwe obszary technologii RF.
Jako partner w środowisku akademickim, rządowym i przemysłowym firma Filtronic odgrywa wiodącą rolę w opracowywaniu zaawansowanych technologii komunikacyjnych, które muszą zapewniać nowe funkcje i możliwości w świecie, w którym dane są coraz bardziej potrzebne.
Czas postu: 27-04-2023
