Millimetervågkommunikation

Millimetervåg(mmWave) är det elektromagnetiska spektrumbandet med en våglängd mellan 10 mm (30 GHz) och 1 mm (300 GHz).Det hänvisas till som det extremt höga frekvensbandet (EHF) av International Telecommunication Union (ITU).Millimetervågor är placerade mellan mikrovågor och infraröda vågor i spektrumet och kan användas för olika höghastighets trådlösa kommunikationstillämpningar, såsom punkt-till-punkt backhaul-länkar.
Makrotrender påskyndar datatillväxten
Med den ökande globala efterfrågan på data och anslutningsmöjligheter har de frekvensband som för närvarande används för trådlös kommunikation blivit alltmer trånga, vilket driver efterfrågan på tillgång till högre frekvensbandbredd inom millimetervågspektrumet.Många makrotrender har accelererat efterfrågan på större datakapacitet och hastighet.
1. Mängden och typerna av data som genereras och bearbetas av big data ökar exponentiellt varje dag.Världen förlitar sig på höghastighetsöverföring av stora mängder data på otaliga enheter varje sekund.År 2020 genererade varje person 1,7 MB data per sekund.(Källa: IBM).I början av 2020 uppskattades den globala datavolymen till 44ZB (World Economic Forum).År 2025 förväntas den globala dataskapandet nå över 175 ZB.Att lagra en så stor mängd data kräver med andra ord 12,5 miljarder av dagens största hårddiskar.(International Data Corporation)
Enligt FN:s uppskattningar var 2007 det första året då stadsbefolkningen översteg landsbygdsbefolkningen.Denna trend pågår fortfarande och man förväntar sig att år 2050 kommer mer än två tredjedelar av världens befolkning att bo i stadsområden.Detta har medfört ett ökat tryck på telekommunikation och datainfrastruktur i dessa tätbefolkade områden.
3. Den multipolära globala krisen och instabiliteten, från pandemier till politisk oro och konflikter, gör att länder blir allt mer angelägna om att utveckla sin suveräna kapacitet för att mildra riskerna för global instabilitet.Regeringar runt om i världen hoppas kunna minska sitt beroende av import från andra regioner och stödja utvecklingen av inhemska produkter, teknologier och infrastruktur.
4. Med världens ansträngningar att minska koldioxidutsläppen öppnar tekniken upp nya möjligheter att minimera resor med högt koldioxidutsläpp.Idag hålls möten och konferenser vanligtvis online.Även medicinska ingrepp kan utföras på distans utan att kirurger behöver komma till operationssalen.Endast ultrasnabba, pålitliga och oavbrutna dataströmmar med låg latens kan uppnå denna exakta operation.
Dessa makrofaktorer får människor att samla in, överföra och bearbeta mer och mer data globalt, och kräver också överföring med högre hastigheter och med minimal latens.

Vilken roll kan millimetervågor spela?
Millimetervågspektrumet ger ett brett kontinuerligt spektrum, vilket möjliggör högre dataöverföring.För närvarande blir mikrovågsfrekvenserna som används för de flesta trådlösa kommunikationer trånga och spridda, särskilt med flera bandbredder dedikerade till specifika avdelningar som försvar, flyg och nödkommunikation.
När du flyttar spektrumet uppåt kommer den tillgängliga oavbrutna spektrumdelen att vara mycket större och den kvarhållna delen blir mindre.Att öka frekvensomfånget ökar effektivt storleken på "pipeline" som kan användas för att överföra data, och därigenom uppnå större dataströmmar.På grund av millimetervågornas mycket större kanalbandbredd kan mindre komplexa moduleringsscheman användas för att överföra data, vilket kan leda till system med mycket lägre latens.
Vilka är utmaningarna?
Det finns relaterade utmaningar med att förbättra spektrumet.De komponenter och halvledare som krävs för att sända och ta emot signaler på millimetervågor är svårare att tillverka – och det finns färre tillgängliga processer.Att tillverka millimetervågskomponenter är också svårare eftersom de är mycket mindre, vilket kräver högre monteringstoleranser och noggrann design av sammankopplingar och kaviteter för att minska förluster och undvika svängningar.
Utbredning är en av de största utmaningarna för millimetervågsignaler.Vid högre frekvenser är det mer sannolikt att signaler blockeras eller reduceras av fysiska föremål som väggar, träd och byggnader.I byggnadsområdet innebär det att millimetervågsmottagaren behöver placeras utanför byggnaden för att föra ut signalen internt.För backhaul och satellit-till-jord-kommunikation krävs större effektförstärkning för att sända signaler över långa avstånd.På marken kan avståndet mellan punkt-till-punkt-länkar inte överstiga 1 till 5 kilometer, snarare än det större avståndet som lågfrekventa nätverk kan uppnå.
Det innebär till exempel på landsbygden att det behövs fler basstationer och antenner för att överföra millimetervågsignaler över långa avstånd.Att installera denna extra infrastruktur kräver mer tid och kostnad.Under de senaste åren har utplaceringen av satellitkonstellationer försökt lösa detta problem, och dessa satellitkonstellationer tar återigen millimetervåg som kärnan i sin arkitektur.
Var är den bästa användningen för millimetervågor?
Det korta utbredningsavståndet för millimetervågor gör dem mycket lämpliga för utplacering i tätbefolkade stadsområden med hög datatrafik.Alternativet till trådlösa nätverk är fiberoptiska nätverk.I stadsområden är det extremt dyrt, destruktivt och tidskrävande att gräva ut vägar för att installera nya optiska fibrer.Tvärtom kan millimetervågförbindelser effektivt upprättas med minimala avbrottskostnader inom några dagar.
Datahastigheten som uppnås av millimetervågsignaler är jämförbar med den för optiska fibrer, samtidigt som den ger lägre latens.När du behöver mycket snabbt informationsflöde och minimal latens är trådlösa länkar förstahandsvalet – det är därför de används på börser där millisekunders latens kan vara avgörande.
På landsbygden är kostnaden för att installera fiberoptiska kablar ofta oöverkomlig på grund av avståndet.Som nämnts ovan kräver millimetervågtornsnät också betydande infrastrukturinvesteringar.Lösningen som presenteras här är att använda satelliter med låg jordomloppsbana (LEO) eller pseudosatelliter på hög höjd (HAPS) för att koppla data till avlägsna områden.LEO- och HAPS-nätverk innebär att det inte finns något behov av att installera fiberoptik eller bygga korta avstånd punkt-till-punkt trådlösa nätverk, samtidigt som de ger utmärkta datahastigheter.Satellitkommunikation har redan använt sig av millimetervågssignaler, vanligtvis i den nedre delen av spektrumet – Ka-frekvensbandet (27-31GHz).Det finns utrymme att expandera till högre frekvenser, såsom Q/V- och E-frekvensbanden, speciellt returstationen för data till marken.
Returmarknaden för telekommunikation har en ledande position i övergången från mikrovågs- ​​till millimetervågsfrekvenser.Detta drivs av ökningen av konsumentenheter (handhållna enheter, bärbara datorer och Internet of Things (IoT)) under det senaste decenniet, vilket har accelererat efterfrågan på mer och snabbare data.
Nu hoppas satellitoperatörerna kunna följa teleföretagens exempel och utöka användningen av millimetervågor i LEO- och HAPS-system.Tidigare var traditionella satelliter för geostationär ekvatorial omloppsbana (GEO) och satelliter med medium jordomloppsbana (MEO) för långt borta från jorden för att upprätta konsumentkommunikationslänkar vid millimetervågfrekvenser.Men utbyggnaden av LEO-satelliter gör det nu möjligt att etablera millimetervåglänkar och skapa de högkapacitetsnät som behövs globalt.
Även andra industrier har stor potential att utnyttja millimetervågsteknik.Inom bilindustrin kräver autonoma fordon kontinuerliga höghastighetsanslutningar och datanätverk med låg latens för att fungera säkert.Inom det medicinska området kommer ultrasnabba och tillförlitliga dataströmmar att behövas för att kirurger som befinner sig på distans ska kunna utföra exakta medicinska procedurer.
Tio år av Millimeter Wave Innovation
Filtronic är en ledande expert på millimetervågkommunikationsteknik i Storbritannien.Vi är ett av få företag i Storbritannien som kan designa och tillverka avancerade millimetervågskommunikationskomponenter i stor skala.Vi har interna RF-ingenjörer (inklusive experter på millimetervågor) som behövs för att konceptualisera, designa och utveckla ny millimetervågsteknik.
Under det senaste decenniet har vi samarbetat med ledande mobiltelekommunikationsföretag för att utveckla en serie mikrovågs- ​​och millimetervågssändtagare, effektförstärkare och delsystem för backhaul-nätverk.Vår senaste produkt fungerar i E-bandet, vilket ger en potentiell lösning för matarlänkar med ultrahög kapacitet i satellitkommunikation.Under det senaste decenniet har det gradvis justerats och förbättrats, vilket minskat vikt och kostnad, förbättrat prestanda och förbättrat tillverkningsprocesser för att öka produktionen.Satellitföretag kan nu undvika år av interna tester och utveckling genom att anta denna beprövade rymdutvecklingsteknik.
Vi är engagerade i innovationens framkant, att skapa teknologi internt och gemensamt utveckla interna masstillverkningsprocesser.Vi leder alltid marknaden inom innovation för att säkerställa att vår teknik är redo för implementering när tillsynsmyndigheter öppnar upp nya frekvensband.
Vi utvecklar redan W-bands- och D-bandsteknologier för att klara av trängsel och större datatrafik i E-bandet under de kommande åren.Vi arbetar med industrikunder för att hjälpa dem bygga konkurrensfördelar genom marginella intäkter när nya frekvensband är öppna.
Vad är nästa steg för millimetervågor?
Användningsgraden av data kommer bara att utvecklas i en riktning, och tekniken som förlitar sig på data förbättras också hela tiden.Augmented reality har anlänt, och IoT-enheter blir allestädes närvarande.Förutom inhemska applikationer växlar allt från stora industriella processer till olje- och gasfält och kärnkraftverk mot IoT-teknik för fjärrövervakning – vilket minskar behovet av manuella ingrepp vid drift av dessa komplexa anläggningar.Framgången för dessa och andra tekniska framsteg kommer att bero på tillförlitligheten, hastigheten och kvaliteten på de datanätverk som stöder dem – och millimetervågor ger den nödvändiga kapaciteten.
Millimetervågor har inte minskat betydelsen av frekvenser under 6GHz inom området trådlös kommunikation.Tvärtom är det ett viktigt komplement till spektrumet, vilket gör att olika applikationer framgångsrikt kan levereras, särskilt de som kräver stora datapaket, låg latens och högre anslutningstäthet.

Fallet med att använda millimetervågor för att uppnå förväntningarna och möjligheterna med ny datarelaterad teknologi är övertygande.Men det finns också utmaningar.
Reglering är en utmaning.Det är omöjligt att komma in i det högre millimetervågsfrekvensbandet förrän tillsynsmyndigheter utfärdar licenser för specifika tillämpningar.Ändå innebär den förutspådda exponentiella ökningen av efterfrågan att tillsynsmyndigheter är under ökande press att frigöra mer spektrum för att undvika överbelastning och störningar.Delingen av spektrum mellan passiva applikationer och aktiva applikationer såsom meteorologiska satelliter kräver också viktiga diskussioner om kommersiella applikationer, som kommer att möjliggöra bredare frekvensband och mer kontinuerligt spektrum utan att flytta till Asien och Stillahavsområdets Hz-frekvens.
När man drar nytta av de möjligheter som ny bandbredd ger är det viktigt att ha lämplig teknik för att främja kommunikation med högre frekvens.Det är därför Filtronic utvecklar W-bands- och D-bandsteknologier för framtiden.Det är också därför vi samarbetar med universitet, regeringar och industrier för att främja utvecklingen av kompetens och kunskap inom de områden som krävs för att möta framtida behov av trådlös teknologi.Om Storbritannien ska ta ledningen i utvecklingen av framtida globala datakommunikationsnätverk måste de kanalisera statliga investeringar till rätt områden inom RF-teknik.
Som en partner inom akademi, myndigheter och industri spelar Filtronic en ledande roll i utvecklingen av avancerad kommunikationsteknik som behöver tillhandahålla nya funktioner och möjligheter i en värld där data behövs alltmer.