Milimetrski val(mmWave) je pas elektromagnetnega spektra z valovno dolžino med 10 mm (30 GHz) in 1 mm (300 GHz).Mednarodna zveza za telekomunikacije (ITU) ga imenuje pas izjemno visokih frekvenc (EHF).Milimetrski valovi se nahajajo med mikrovalovnimi in infrardečimi valovi v spektru in se lahko uporabljajo za različne hitre brezžične komunikacijske aplikacije, kot so povratne povezave od točke do točke.
Makro trendi pospešujejo rast podatkov
Z naraščajočim svetovnim povpraševanjem po podatkih in povezljivosti so frekvenčni pasovi, ki se trenutno uporabljajo za brezžično komunikacijo, postali vse bolj natrpani, kar spodbuja povpraševanje po dostopu do višje frekvenčne pasovne širine znotraj spektra milimetrskih valov.Številni makro trendi so pospešili povpraševanje po večji podatkovni zmogljivosti in hitrosti.
1. Količina in vrste podatkov, ustvarjenih in obdelanih z velikimi podatki, se vsak dan eksponentno povečujejo.Svet se vsako sekundo zanaša na hiter prenos velikih količin podatkov na neštetih napravah.Leta 2020 je vsaka oseba ustvarila 1,7 MB podatkov na sekundo.(Vir: IBM).V začetku leta 2020 je bil globalni obseg podatkov ocenjen na 44ZB (Svetovni gospodarski forum).Do leta 2025 naj bi globalno ustvarjanje podatkov doseglo več kot 175 ZB.Z drugimi besedami, shranjevanje tako velike količine podatkov zahteva 12,5 milijarde današnjih največjih trdih diskov.(Mednarodna podatkovna korporacija)
Po ocenah Združenih narodov je bilo leto 2007 prvo leto, ko je mestno prebivalstvo preseglo prebivalstvo na podeželju.Ta trend še vedno traja in pričakuje se, da bosta do leta 2050 več kot dve tretjini svetovnega prebivalstva živeli v urbanih območjih.To je povzročilo vse večji pritisk na telekomunikacijsko in podatkovno infrastrukturo na teh gosto poseljenih območjih.
3. Večpolarna svetovna kriza in nestabilnost, od pandemije do političnih pretresov in konfliktov, pomenita, da si države vse bolj želijo razviti svoje suverene zmogljivosti za ublažitev tveganj globalne nestabilnosti.Vlade po vsem svetu upajo, da bodo zmanjšale svojo odvisnost od uvoza iz drugih regij in podprle razvoj domačih izdelkov, tehnologij in infrastrukture.
4. S svetovnimi prizadevanji za zmanjšanje emisij ogljika tehnologija odpira nove priložnosti za zmanjšanje potovanj z visoko vsebnostjo ogljika.Danes sestanki in konference običajno potekajo prek spleta.Tudi medicinske posege je mogoče izvesti na daljavo, ne da bi morali kirurgi priti v operacijsko sobo.Samo izjemno hitri, zanesljivi in neprekinjeni podatkovni tokovi z nizko zakasnitvijo lahko dosežejo tako natančno delovanje.
Ti makro dejavniki spodbujajo ljudi, da zbirajo, prenašajo in obdelujejo vedno več podatkov po vsem svetu, prav tako pa zahtevajo prenos pri višjih hitrostih in z minimalno zakasnitvijo.
Kakšno vlogo imajo lahko milimetrski valovi?
Spekter milimetrskih valov zagotavlja širok neprekinjen spekter, kar omogoča večji prenos podatkov.Trenutno postajajo mikrovalovne frekvence, ki se uporabljajo za večino brezžičnih komunikacij, prenatrpane in razpršene, zlasti z več pasovnimi širinami, namenjenimi določenim oddelkom, kot so obramba, vesoljski promet in komunikacija v sili.
Ko premaknete spekter navzgor, bo razpoložljivi neprekinjeni del spektra veliko večji, zadržani del pa manjši.Povečanje frekvenčnega območja učinkovito poveča velikost "cevovoda", ki se lahko uporablja za prenos podatkov, s čimer se dosežejo večji podatkovni tokovi.Zaradi veliko večje pasovne širine kanala milimetrskih valov je mogoče za prenos podatkov uporabiti manj zapletene modulacijske sheme, kar lahko vodi do sistemov z veliko nižjo zakasnitvijo.
Kakšni so izzivi?
Pri izboljšanju spektra so povezani izzivi.Komponente in polprevodnike, potrebne za oddajanje in sprejemanje signalov na milimetrskih valovih, je težje izdelati – in na voljo je manj postopkov.Izdelava komponent z milimetrskimi valovi je tudi težja, ker so veliko manjše, kar zahteva višje tolerance pri montaži in skrbno načrtovanje medsebojnih povezav in votlin, da se zmanjšajo izgube in prepreči nihanje.
Širjenje je eden glavnih izzivov, s katerimi se soočajo signali milimetrskih valov.Pri višjih frekvencah obstaja večja verjetnost, da bodo signale blokirali ali zmanjšali fizični predmeti, kot so zidovi, drevesa in zgradbe.V stavbnem območju to pomeni, da mora biti sprejemnik milimetrskih valov zunaj stavbe, da širi signal v notranjost.Za povratno povezavo in komunikacijo satelit-zemlja je za prenos signalov na velike razdalje potrebno večje ojačanje moči.Na tleh razdalja med povezavami od točke do točke ne sme presegati 1 do 5 kilometrov, namesto večje razdalje, ki jo lahko dosežejo nizkofrekvenčna omrežja.
To na primer pomeni, da je na podeželju potrebnih več baznih postaj in anten za prenos signalov milimetrskih valov na velike razdalje.Namestitev te dodatne infrastrukture zahteva več časa in stroškov.V zadnjih letih je uvedba satelitske konstelacije poskušala rešiti ta problem in ta satelitska konstelacija ponovno vzame milimetrske valove kot jedro svoje arhitekture.
Kje je najboljša namestitev za milimetrske valove?
Zaradi kratke razdalje širjenja milimetrskih valov so zelo primerni za uporabo v gosto poseljenih mestnih območjih z velikim podatkovnim prometom.Alternativa brezžičnim omrežjem so omrežja z optičnimi vlakni.V urbanih območjih je izkop cest za namestitev novih optičnih vlaken izjemno drag, uničujoč in dolgotrajen.Nasprotno, povezave milimetrskih valov je mogoče učinkovito vzpostaviti z minimalnimi stroški prekinitve v nekaj dneh.
Hitrost prenosa podatkov, ki jo dosežejo signali milimetrskih valov, je primerljiva s hitrostjo pri optičnih vlaknih, hkrati pa zagotavlja nižjo zakasnitev.Ko potrebujete zelo hiter pretok informacij in minimalno zakasnitev, so brezžične povezave prva izbira – zato se uporabljajo na borzah, kjer je lahko milisekundna zakasnitev kritična.
Na podeželju so stroški namestitve kablov iz optičnih vlaken pogosto previsoki zaradi razdalje.Kot je navedeno zgoraj, omrežja stolpov z milimetrskimi valovi zahtevajo tudi znatne naložbe v infrastrukturo.Tukaj predstavljena rešitev je uporaba satelitov v nizki zemeljski orbiti (LEO) ali psevdo satelitov na visoki nadmorski višini (HAPS) za povezovanje podatkov z oddaljenimi območji.Omrežji LEO in HAPS pomenita, da ni potrebe po namestitvi optičnih vlaken ali gradnji brezžičnih omrežij od točke do točke na kratke razdalje, hkrati pa zagotavljata odlične hitrosti prenosa podatkov.Satelitska komunikacija je že uporabljala signale milimetrskih valov, običajno v spodnjem delu spektra – frekvenčnem pasu Ka (27–31 GHz).Obstaja prostor za razširitev na višje frekvence, kot sta frekvenčna pasova Q/V in E, zlasti povratna postaja za podatke na tla.
Telekomunikacijski povratni trg je v vodilnem položaju pri prehodu z mikrovalovnih frekvenc na milimetrske valove.To je posledica porasta potrošniških naprav (ročnih naprav, prenosnih računalnikov in interneta stvari (IoT)) v zadnjem desetletju, kar je pospešilo povpraševanje po več in hitrejših podatkih.
Zdaj satelitski operaterji upajo, da bodo sledili zgledu telekomunikacijskih podjetij in razširili uporabo milimetrskih valov v sistemih LEO in HAPS.Prej so bili tradicionalni sateliti v geostacionarni ekvatorialni orbiti (GEO) in sateliti v srednji zemeljski orbiti (MEO) predaleč od Zemlje, da bi lahko vzpostavili potrošniške komunikacijske povezave na frekvencah milimetrskih valov.Vendar širitev satelitov LEO zdaj omogoča vzpostavitev povezav z milimetrskimi valovi in ustvarjanje visokozmogljivih omrežij, potrebnih po vsem svetu.
Tudi druge industrije imajo velik potencial za uporabo tehnologije milimetrskih valov.V avtomobilski industriji potrebujejo avtonomna vozila za varno delovanje stalne hitre povezave in podatkovna omrežja z nizko zakasnitvijo.Na medicinskem področju bodo potrebni izjemno hitri in zanesljivi podatkovni tokovi, ki bodo kirurgom, ki se nahajajo na daljavo, omogočili izvajanje natančnih medicinskih postopkov.
Deset let inovacij milimetrskih valov
Filtronic je vodilni strokovnjak za komunikacijsko tehnologijo milimetrskih valov v Združenem kraljestvu.Smo eno redkih podjetij v Združenem kraljestvu, ki lahko oblikuje in proizvaja napredne komunikacijske komponente milimetrskih valov v velikem obsegu.Imamo notranje RF inženirje (vključno s strokovnjaki za milimetrske valove), ki jih potrebujemo za konceptualizacijo, načrtovanje in razvoj novih tehnologij milimetrskih valov.
V preteklem desetletju smo sodelovali z vodilnimi podjetji mobilnih telekomunikacij pri razvoju serije mikrovalovnih in milimetrskih sprejemnikov, ojačevalnikov moči in podsistemov za povratna omrežja.Naš najnovejši izdelek deluje v E-pasu, kar zagotavlja potencialno rešitev za ultravisoko zmogljive napajalne povezave v satelitski komunikaciji.V zadnjem desetletju so ga postopoma prilagodili in izboljšali, zmanjšali težo in stroške, izboljšali zmogljivost in izboljšali proizvodne procese za povečanje proizvodnje.Satelitska podjetja se zdaj lahko izognejo večletnim notranjim testiranjem in razvoju s sprejetjem te preizkušene tehnologije za uporabo v vesolju.
Zavezani smo k inovativnosti, internemu ustvarjanju tehnologije in skupnemu razvoju notranjih masovnih proizvodnih procesov.Vedno smo vodilni na trgu na področju inovacij, da zagotovimo, da je naša tehnologija pripravljena za uporabo, saj regulativne agencije odpirajo nove frekvenčne pasove.
Že razvijamo tehnologiji W-band in D-band, da bi se spopadli z zastoji in večjim podatkovnim prometom v E-pasu v prihodnjih letih.Sodelujemo s strankami v industriji, da jim pomagamo ustvariti konkurenčno prednost z mejnimi prihodki, ko so odprti novi frekvenčni pasovi.
Kaj je naslednji korak za milimetrske valove?
Stopnja izkoriščenosti podatkov se bo razvijala le v eno smer, prav tako se nenehno izboljšuje tehnologija, ki temelji na podatkih.Prišla je razširjena resničnost in naprave IoT postajajo vseprisotne.Poleg domačih aplikacij se vse od večjih industrijskih procesov do naftnih in plinskih polj ter jedrskih elektrarn usmerja k tehnologiji IoT za daljinsko spremljanje – kar zmanjšuje potrebo po ročnem posegu pri upravljanju teh zapletenih objektov.Uspeh teh in drugih tehnoloških napredkov bo odvisen od zanesljivosti, hitrosti in kakovosti podatkovnih omrežij, ki jih podpirajo – in milimetrski valovi zagotavljajo zahtevano zmogljivost.
Milimetrski valovi niso zmanjšali pomena frekvenc pod 6GHz na področju brezžične komunikacije.Nasprotno, je pomemben dodatek k spektru, ki omogoča uspešno dostavo različnih aplikacij, zlasti tistih, ki zahtevajo velike podatkovne pakete, nizko zakasnitev in večjo gostoto povezave.
Primer uporabe milimetrskih valov za doseganje pričakovanj in priložnosti novih tehnologij, povezanih s podatki, je prepričljiv.So pa tudi izzivi.
Regulacija je izziv.V višji frekvenčni pas milimetrskih valov je nemogoče vstopiti, dokler regulativni organi ne izdajo dovoljenj za posebne aplikacije.Kljub temu predvidena eksponentna rast povpraševanja pomeni, da so regulatorji pod vse večjim pritiskom, da sprostijo več spektra, da bi se izognili zastojem in motnjam.Delitev spektra med pasivnimi aplikacijami in aktivnimi aplikacijami, kot so meteorološki sateliti, zahteva tudi pomembne razprave o komercialnih aplikacijah, ki bodo omogočile širše frekvenčne pasove in bolj zvezen spekter brez prehoda na azijsko-pacifiško Hz frekvenco.
Pri izkoriščanju priložnosti, ki jih ponuja nova pasovna širina, je pomembno imeti ustrezne tehnologije za spodbujanje višjefrekvenčne komunikacije.Zato Filtronic razvija tehnologije W-pasu in D-pasu za prihodnost.To je tudi razlog, zakaj sodelujemo z univerzami, vladami in industrijami, da spodbujamo razvoj veščin in znanja na področjih, potrebnih za izpolnjevanje prihodnjih potreb po brezžični tehnologiji.Če želi Združeno kraljestvo prevzeti vodilno vlogo pri razvoju prihodnjih globalnih podatkovnih komunikacijskih omrežij, mora vladne naložbe usmeriti v prava področja RF tehnologije.
Kot partner v akademskih krogih, vladi in industriji ima Filtronic vodilno vlogo pri razvoju naprednih komunikacijskih tehnologij, ki morajo zagotoviti nove funkcionalnosti in možnosti v svetu, kjer so podatki vse bolj potrebni.
Čas objave: 27. aprila 2023
