Milimetrová vlna(mmWave) je pásmo elektromagnetického spektra s vlnovou dĺžkou medzi 10 mm (30 GHz) a 1 mm (300 GHz).Medzinárodná telekomunikačná únia (ITU) ho označuje ako pásmo extrémne vysokých frekvencií (EHF).Milimetrové vlny sa nachádzajú medzi mikrovlnnými a infračervenými vlnami v spektre a môžu byť použité pre rôzne vysokorýchlostné bezdrôtové komunikačné aplikácie, ako sú point-to-point backhaul linky.
Makrotrendy urýchľujú rast údajov
S rastúcim globálnym dopytom po dátach a konektivite sú frekvenčné pásma, ktoré sa v súčasnosti používajú na bezdrôtovú komunikáciu, čoraz viac preplnené, čo vedie k dopytu po prístupe k vyššej frekvenčnej šírke pásma v rámci spektra milimetrových vĺn.Mnoho makro trendov urýchlilo dopyt po väčšej dátovej kapacite a rýchlosti.
1. Množstvo a typy údajov generovaných a spracovávaných veľkými údajmi každým dňom exponenciálne narastajú.Svet sa každú sekundu spolieha na vysokorýchlostný prenos veľkého množstva dát na nespočetných zariadeniach.V roku 2020 vygeneroval každý človek 1,7 MB dát za sekundu.(Zdroj: IBM).Na začiatku roka 2020 sa odhadoval globálny objem dát na 44 ZB (Svetové ekonomické fórum).Očakáva sa, že do roku 2025 dosiahne globálne vytváranie údajov viac ako 175 ZB.Inými slovami, ukladanie takého množstva dát si vyžaduje 12,5 miliardy dnešných najväčších pevných diskov.(International Data Corporation)
Podľa odhadov Organizácie Spojených národov bol rok 2007 prvým rokom, v ktorom mestské obyvateľstvo prevyšovalo vidiecke obyvateľstvo.Tento trend stále pokračuje a očakáva sa, že do roku 2050 budú viac ako dve tretiny svetovej populácie bývať v mestských oblastiach.To prinieslo rastúci tlak na telekomunikačnú a dátovú infraštruktúru v týchto husto obývaných oblastiach.
3. Multipolárna globálna kríza a nestabilita, od pandémií po politické nepokoje a konflikty, znamenajú, že krajiny čoraz viac túžia po rozvoji svojich suverénnych schopností na zmiernenie rizík globálnej nestability.Vlády po celom svete dúfajú, že znížia svoju závislosť od dovozu z iných regiónov a podporia rozvoj domácich produktov, technológií a infraštruktúry.
4. Vďaka celosvetovému úsiliu o zníženie emisií uhlíka otvárajú technológie nové možnosti na minimalizáciu cestovania s vysokým obsahom uhlíka.Dnes sa stretnutia a konferencie zvyčajne konajú online.Dokonca aj lekárske zákroky je možné vykonávať na diaľku bez toho, aby museli prísť chirurgovia na operačnú sálu.Iba ultra rýchle, spoľahlivé a neprerušované dátové toky s nízkou latenciou môžu dosiahnuť túto presnú operáciu.
Tieto makrofaktory vyzývajú ľudí, aby zhromažďovali, prenášali a spracovávali stále viac a viac údajov na celom svete, a tiež vyžadujú prenos pri vyšších rýchlostiach a s minimálnou latenciou.
Akú úlohu môžu zohrávať milimetrové vlny?
Spektrum milimetrových vĺn poskytuje široké spojité spektrum, čo umožňuje vyšší prenos dát.V súčasnosti sú mikrovlnné frekvencie používané pre väčšinu bezdrôtových komunikácií preplnené a rozptýlené, najmä s niekoľkými šírkami pásma určenými pre špecifické oddelenia, ako je obrana, letectvo a núdzová komunikácia.
Keď posuniete spektrum nahor, dostupná časť neprerušovaného spektra bude oveľa väčšia a zachovaná časť bude menšia.Zvýšenie frekvenčného rozsahu efektívne zväčší veľkosť „potrubia“, ktoré možno použiť na prenos údajov, čím sa dosiahne väčší tok údajov.Kvôli oveľa väčšej šírke kanála milimetrových vĺn možno na prenos údajov použiť menej zložité modulačné schémy, čo môže viesť k systémom s oveľa nižšou latenciou.
Aké sú výzvy?
Pri zlepšovaní spektra existujú súvisiace výzvy.Komponenty a polovodiče potrebné na prenos a príjem signálov na milimetrových vlnách sa vyrábajú ťažšie – a dostupných procesov je menej.Výroba komponentov s milimetrovou vlnou je tiež náročnejšia, pretože sú oveľa menšie, vyžadujú si vyššie montážne tolerancie a starostlivý návrh prepojení a dutín, aby sa znížili straty a zabránilo sa osciláciám.
Šírenie je jednou z hlavných výziev, ktorým čelia signály milimetrových vĺn.Pri vyšších frekvenciách je pravdepodobnejšie, že signály budú blokované alebo redukované fyzickými objektmi, ako sú steny, stromy a budovy.V oblasti budovy to znamená, že prijímač milimetrových vĺn musí byť umiestnený mimo budovy, aby sa signál šíril interne.Pre backhaul a komunikáciu medzi satelitom a zemou je potrebné väčšie zosilnenie výkonu na prenos signálov na veľké vzdialenosti.Na zemi vzdialenosť medzi bodmi medzi bodmi nemôže presiahnuť 1 až 5 kilometrov, a nie väčšiu vzdialenosť, ktorú môžu dosiahnuť nízkofrekvenčné siete.
To znamená, že napríklad vo vidieckych oblastiach je potrebných viac základňových staníc a antén na prenos signálov milimetrových vĺn na veľké vzdialenosti.Inštalácia tejto dodatočnej infraštruktúry si vyžaduje viac času a nákladov.V posledných rokoch sa tento problém pokúšalo vyriešiť nasadením satelitných konštelácií a tieto satelitné konštelácie opäť využívajú milimetrové vlny ako jadro svojej architektúry.
Kde je najlepšie nasadenie pre milimetrové vlny?
Vďaka krátkej vzdialenosti šírenia milimetrových vĺn sú veľmi vhodné na nasadenie v husto obývaných mestských oblastiach s vysokou dátovou prevádzkou.Alternatívou k bezdrôtovým sieťam sú siete z optických vlákien.V mestských oblastiach je výkop ciest na inštaláciu nových optických vlákien extrémne drahý, deštruktívny a časovo náročný.Naopak, spojenia s milimetrovými vlnami je možné efektívne nadviazať s minimálnymi nákladmi na prerušenie v priebehu niekoľkých dní.
Dátová rýchlosť dosahovaná signálmi s milimetrovými vlnami je porovnateľná s rýchlosťou optických vlákien, pričom poskytuje nižšiu latenciu.Keď potrebujete veľmi rýchly tok informácií a minimálnu latenciu, bezdrôtové spojenia sú prvou voľbou – preto sa používajú na burzách, kde môže byť milisekundová latencia kritická.
Vo vidieckych oblastiach sú náklady na inštaláciu káblov z optických vlákien často neúmerné vzhľadom na príslušnú vzdialenosť.Ako bolo uvedené vyššie, siete veží s milimetrovými vlnami si tiež vyžadujú značné investície do infraštruktúry.Tu prezentovaným riešením je použitie satelitov na nízkej obežnej dráhe Zeme (LEO) alebo vysokohorských pseudo satelitov (HAPS) na pripojenie údajov k vzdialeným oblastiam.Siete LEO a HAPS znamenajú, že nie je potrebné inštalovať optické vlákna alebo budovať bezdrôtové siete typu point-to-point na krátke vzdialenosti, pričom stále poskytujú vynikajúce prenosové rýchlosti.Satelitná komunikácia už využíva signály milimetrových vĺn, zvyčajne v dolnej časti spektra – frekvenčné pásmo Ka (27-31 GHz).Je tu priestor na rozšírenie o vyššie frekvencie, ako sú frekvenčné pásma Q/V a E, najmä návratová stanica pre dáta na zem.
Trh telekomunikačných návratov je na vedúcej pozícii v prechode z mikrovlnných frekvencií na milimetrové vlny.Je to spôsobené prudkým nárastom spotrebiteľských zariadení (ručné zariadenia, notebooky a internet vecí (IoT)) za posledné desaťročie, čo zvýšilo dopyt po väčšom počte a rýchlejších údajoch.
Teraz satelitní operátori dúfajú, že budú nasledovať príklad telekomunikačných spoločností a rozšíria používanie milimetrových vĺn v systémoch LEO a HAPS.Predtým boli satelity s tradičnou geostacionárnou rovníkovou obežnou dráhou (GEO) a strednou obežnou dráhou Zeme (MEO) príliš ďaleko od Zeme, aby nadviazali spotrebiteľské komunikačné spojenia s frekvenciou milimetrových vĺn.Rozšírenie satelitov LEO však teraz umožňuje vytvoriť spojenia s milimetrovými vlnami a vytvoriť celosvetovo potrebné vysokokapacitné siete.
Iné priemyselné odvetvia majú tiež veľký potenciál využiť technológiu milimetrových vĺn.V automobilovom priemysle si autonómne vozidlá vyžadujú nepretržité vysokorýchlostné pripojenie a dátové siete s nízkou latenciou, aby mohli bezpečne fungovať.V oblasti medicíny budú potrebné ultrarýchle a spoľahlivé dátové toky, ktoré umožnia chirurgom umiestneným na diaľku vykonávať presné lekárske postupy.
Desať rokov inovácií v oblasti milimetrových vĺn
Filtronic je popredným odborníkom na komunikačné technológie v oblasti milimetrových vĺn vo Veľkej Británii.Sme jednou z mála spoločností v Spojenom kráľovstve, ktorá dokáže navrhnúť a vyrobiť pokročilé komunikačné komponenty s milimetrovými vlnami vo veľkom meradle.Máme interných RF inžinierov (vrátane odborníkov na milimetrové vlny), ktorí sú potrební na konceptualizáciu, navrhovanie a vývoj nových technológií milimetrových vĺn.
V poslednom desaťročí sme spolupracovali s poprednými mobilnými telekomunikačnými spoločnosťami na vývoji série mikrovlnných a milimetrových vĺn transceiverov, výkonových zosilňovačov a subsystémov pre backhaul siete.Náš najnovší produkt funguje v E-pásme, ktoré poskytuje potenciálne riešenie pre vysokokapacitné napájacie linky v satelitnej komunikácii.V priebehu posledného desaťročia sa postupne upravoval a zdokonaľoval, znižoval hmotnosť a náklady, zlepšoval výkon a zlepšoval výrobné procesy s cieľom zvýšiť produkciu.Satelitné spoločnosti sa teraz môžu vyhnúť roky interného testovania a vývoja prijatím tejto osvedčenej technológie nasadenia do vesmíru.
Zaviazali sme sa byť v popredí inovácií, vytvárať technológie interne a spoločne rozvíjať interné procesy hromadnej výroby.Vždy vedieme trh s inováciami, aby sme zaistili, že naša technológia bude pripravená na nasadenie, keďže regulačné orgány otvárajú nové frekvenčné pásma.
Už teraz vyvíjame technológie v pásme W a D, aby sme sa v nadchádzajúcich rokoch vyrovnali s preťažením a vyššou dátovou prevádzkou v pásme E.Spolupracujeme s priemyselnými zákazníkmi, aby sme im pomohli vybudovať konkurenčnú výhodu prostredníctvom marginálnych príjmov, keď sú otvorené nové frekvenčné pásma.
Aký je ďalší krok pre milimetrové vlny?
Miera využitia údajov sa bude vyvíjať iba jedným smerom a technológia, ktorá sa spolieha na údaje, sa tiež neustále zlepšuje.Prišla rozšírená realita a zariadenia internetu vecí sa stávajú všadeprítomnými.Okrem domácich aplikácií sa všetko od veľkých priemyselných procesov až po ropné a plynové polia a jadrové elektrárne posúva smerom k technológii internetu vecí na vzdialené monitorovanie – čím sa znižuje potreba manuálneho zásahu pri prevádzke týchto zložitých zariadení.Úspech týchto a iných technologických pokrokov bude závisieť od spoľahlivosti, rýchlosti a kvality dátových sietí, ktoré ich podporujú – a milimetrové vlny poskytujú požadovanú kapacitu.
Milimetrové vlny neznížili význam frekvencií pod 6GHz v oblasti bezdrôtovej komunikácie.Naopak, ide o dôležitý doplnok k spektru, ktorý umožňuje úspešne dodávať rôzne aplikácie, najmä tie, ktoré vyžadujú veľké dátové pakety, nízku latenciu a vyššiu hustotu pripojenia.
Prípad použitia milimetrových vĺn na dosiahnutie očakávaní a príležitostí nových technológií súvisiacich s údajmi je presvedčivý.Ale sú tu aj výzvy.
Regulácia je výzvou.Nie je možné vstúpiť do frekvenčného pásma vyšších milimetrových vĺn, kým regulačné orgány nevydajú licencie na konkrétne aplikácie.Predpovedaný exponenciálny rast dopytu však znamená, že regulačné orgány sú pod rastúcim tlakom, aby uvoľnili viac spektra, aby sa vyhli preťaženiu a rušeniu.Zdieľanie spektra medzi pasívnymi aplikáciami a aktívnymi aplikáciami, ako sú meteorologické satelity, si tiež vyžaduje dôležité diskusie o komerčných aplikáciách, ktoré umožnia širšie frekvenčné pásma a súvislejšie spektrum bez prechodu na ázijsko-pacifickú frekvenciu Hz.
Pri využívaní príležitostí, ktoré ponúka nová šírka pásma, je dôležité mať vhodné technológie na podporu vysokofrekvenčnej komunikácie.Preto Filtronic vyvíja technológie v pásme W a D pre budúcnosť.To je tiež dôvod, prečo spolupracujeme s univerzitami, vládami a priemyselnými odvetviami, aby sme podporili rozvoj zručností a znalostí v oblastiach potrebných na splnenie budúcich potrieb bezdrôtovej technológie.Ak má Spojené kráľovstvo prevziať vedúcu úlohu vo vývoji budúcich globálnych dátových komunikačných sietí, musí nasmerovať vládne investície do správnych oblastí technológie RF.
Ako partner v akademickej sfére, vláde a priemysle hrá Filtronic vedúcu úlohu vo vývoji pokročilých komunikačných technológií, ktoré musia poskytovať nové funkcie a možnosti vo svete, kde sú dáta čoraz viac potrebné.
Čas odoslania: 27. apríla 2023
