Миллиметровая волна(mmWave) — это полоса электромагнитного спектра с длиной волны от 10 мм (30 ГГц) до 1 мм (300 ГГц).Международный союз электросвязи (МСЭ) называет его диапазоном чрезвычайно высоких частот (КВЧ).Миллиметровые волны расположены между микроволновыми и инфракрасными волнами в спектре и могут использоваться для различных высокоскоростных приложений беспроводной связи, таких как транзитные соединения точка-точка.
Макротренды ускоряют рост данных
В связи с растущим глобальным спросом на данные и связь полосы частот, используемые в настоящее время для беспроводной связи, становятся все более переполненными, что приводит к увеличению спроса на доступ к более высокой полосе частот в диапазоне миллиметровых волн.Многие макроэкономические тенденции ускорили спрос на большую емкость данных и скорость.
1. Количество и типы данных, генерируемых и обрабатываемых большими данными, ежедневно увеличиваются в геометрической прогрессии.Мир полагается на высокоскоростную передачу больших объемов данных на бесчисленное количество устройств каждую секунду.В 2020 году каждый человек генерировал 1,7 МБ данных в секунду.(Источник: IBM).В начале 2020 года объем глобальных данных оценивался в 44ZB (Всемирный экономический форум).Ожидается, что к 2025 году глобальное создание данных превысит 175 ZB.Другими словами, для хранения такого большого объема данных требуется 12,5 миллиардов самых больших на сегодняшний день жестких дисков.(Международная корпорация данных)
По оценкам Организации Объединенных Наций, 2007 год стал первым годом, когда численность городского населения превысила численность сельского населения.Эта тенденция все еще сохраняется, и ожидается, что к 2050 году более двух третей населения мира будет проживать в городских районах.Это привело к увеличению нагрузки на телекоммуникационную инфраструктуру и инфраструктуру данных в этих густонаселенных районах.
3. Многополярный глобальный кризис и нестабильность, от пандемий до политических потрясений и конфликтов, означают, что страны все больше стремятся развивать свои суверенные возможности для снижения рисков глобальной нестабильности.Правительства всего мира надеются снизить свою зависимость от импорта из других регионов и поддержать развитие отечественных продуктов, технологий и инфраструктуры.
4. Благодаря мировым усилиям по сокращению выбросов углерода технологии открывают новые возможности для сведения к минимуму поездок с высоким содержанием углерода.Сегодня встречи и конференции обычно проходят онлайн.Даже медицинские процедуры можно выполнять удаленно, без необходимости присутствия хирурга в операционной.Только сверхбыстрые, надежные и непрерывные потоки данных с малой задержкой могут обеспечить такую точную работу.
Эти макрофакторы побуждают людей собирать, передавать и обрабатывать все больше и больше данных во всем мире, а также требуют передачи на более высоких скоростях и с минимальной задержкой.
Какую роль могут играть миллиметровые волны?
Спектр миллиметровых волн обеспечивает широкий непрерывный спектр, обеспечивающий более высокую передачу данных.В настоящее время микроволновые частоты, используемые для большинства беспроводных коммуникаций, становятся переполненными и рассредоточенными, особенно с несколькими полосами пропускания, предназначенными для определенных отделов, таких как оборона, аэрокосмическая связь и связь в чрезвычайных ситуациях.
Когда вы перемещаете спектр вверх, доступная непрерывная часть спектра будет намного больше, а сохраненная часть будет меньше.Увеличение диапазона частот эффективно увеличивает размер «конвейера», который можно использовать для передачи данных, тем самым достигая больших потоков данных.Из-за гораздо большей полосы пропускания канала миллиметровых волн для передачи данных можно использовать менее сложные схемы модуляции, что может привести к системам с гораздо меньшей задержкой.
Каковы проблемы?
Есть связанные проблемы в улучшении спектра.Компоненты и полупроводники, необходимые для передачи и приема сигналов на миллиметровых волнах, сложнее в производстве, а доступных процессов меньше.Изготовление компонентов миллиметрового диапазона также более сложно, поскольку они намного меньше, что требует более высоких допусков при сборке и тщательного проектирования межсоединений и полостей для уменьшения потерь и предотвращения колебаний.
Распространение является одной из основных проблем, с которыми сталкиваются сигналы миллиметрового диапазона.На более высоких частотах сигналы с большей вероятностью блокируются или ослабляются физическими объектами, такими как стены, деревья и здания.В зоне здания это означает, что приемник миллиметровых волн должен быть расположен снаружи здания для распространения сигнала внутри.Для транспортной связи и связи спутник-земля требуется усиление большей мощности для передачи сигналов на большие расстояния.На земле расстояние между линиями «точка-точка» не может превышать 1–5 километров, а не большее расстояние, которое могут достигать низкочастотные сети.
Это означает, например, что в сельской местности требуется больше базовых станций и антенн для передачи сигналов миллиметрового диапазона на большие расстояния.Установка этой дополнительной инфраструктуры требует больше времени и затрат.В последние годы развертывание спутниковой группировки пыталось решить эту проблему, и эта спутниковая группировка снова использует миллиметровые волны в качестве ядра своей архитектуры.
Где лучше всего разместить миллиметровые волны?
Короткое расстояние распространения миллиметровых волн делает их очень подходящими для развертывания в густонаселенных городских районах с высоким трафиком данных.Альтернативой беспроводным сетям являются оптоволоконные сети.В городских районах раскопки дорог для прокладки новых оптических волокон чрезвычайно дороги, разрушительны и отнимают много времени.Напротив, соединения миллиметрового диапазона могут быть эффективно установлены с минимальными затратами на прерывание в течение нескольких дней.
Скорость передачи данных, достигаемая сигналами миллиметрового диапазона, сравнима со скоростью передачи данных по оптическим волокнам, обеспечивая при этом меньшую задержку.Когда вам нужен очень быстрый поток информации и минимальная задержка, беспроводные каналы являются первым выбором — вот почему они используются на фондовых биржах, где миллисекундная задержка может быть критической.
В сельской местности стоимость прокладки оптоволоконных кабелей часто непомерно высока из-за большого расстояния.Как упоминалось выше, сети вышек миллиметрового диапазона также требуют значительных инвестиций в инфраструктуру.Представленное здесь решение заключается в использовании спутников на низкой околоземной орбите (LEO) или высотных псевдоспутников (HAPS) для передачи данных в отдаленные районы.Сети LEO и HAPS означают, что нет необходимости прокладывать оптоволокно или строить беспроводные сети «точка-точка» на короткие расстояния, обеспечивая при этом превосходную скорость передачи данных.Спутниковая связь уже использует сигналы миллиметрового диапазона, как правило, в нижней части спектра – полосе частот Ка (27–31 ГГц).Есть место для расширения до более высоких частот, таких как диапазоны частот Q / V и E, особенно для обратной станции для передачи данных на землю.
Рынок возврата телекоммуникаций находится на лидирующих позициях при переходе от микроволновых частот к миллиметровым.Это обусловлено резким ростом потребительских устройств (карманных устройств, ноутбуков и Интернета вещей (IoT)) за последнее десятилетие, что ускорило потребность в большем количестве и более быстрых данных.
Теперь спутниковые операторы надеются последовать примеру телекоммуникационных компаний и расширить использование миллиметровых волн в системах LEO и HAPS.Раньше спутники на традиционной геостационарной экваториальной (GEO) и средней околоземной орбите (MEO) находились слишком далеко от Земли, чтобы устанавливать потребительские каналы связи на частотах миллиметрового диапазона.Однако расширение спутников LEO теперь позволяет устанавливать линии связи миллиметрового диапазона и создавать сети с высокой пропускной способностью, необходимые во всем мире.
Другие отрасли также имеют большой потенциал для использования технологии миллиметровых волн.В автомобильной промышленности автономным транспортным средствам для безопасной работы требуются непрерывные высокоскоростные соединения и сети передачи данных с малой задержкой.В области медицины потребуются сверхбыстрые и надежные потоки данных, чтобы удаленные хирурги могли выполнять точные медицинские процедуры.
Десять лет инноваций в области миллиметровых волн
Filtronic является ведущим экспертом в области технологий связи миллиметрового диапазона в Великобритании.Мы являемся одной из немногих компаний в Великобритании, которые могут проектировать и производить передовые компоненты связи миллиметрового диапазона в больших масштабах.У нас есть собственные инженеры по радиочастотам (в том числе специалисты по миллиметровому диапазону), необходимые для концептуализации, проектирования и разработки новых технологий миллиметрового диапазона.
За последнее десятилетие мы сотрудничали с ведущими мобильными телекоммуникационными компаниями для разработки серии приемопередатчиков микроволнового и миллиметрового диапазона, усилителей мощности и подсистем для транзитных сетей.Наш последний продукт работает в диапазоне E, что обеспечивает потенциальное решение для фидерных каналов сверхвысокой пропускной способности в спутниковой связи.За последнее десятилетие его постепенно корректировали и улучшали, снижая вес и стоимость, повышая производительность и улучшая производственные процессы для увеличения производства.Спутниковые компании теперь могут избежать многолетних внутренних испытаний и разработок, внедрив эту проверенную технологию космического развертывания.
Мы стремимся быть в авангарде инноваций, создавая технологии внутри компании и совместно разрабатывая внутренние процессы массового производства.Мы всегда лидируем на рынке инноваций, чтобы гарантировать, что наша технология готова к развертыванию, когда регулирующие органы открывают новые полосы частот.
Мы уже разрабатываем технологии W-диапазона и D-диапазона, чтобы справиться с перегрузкой и увеличением трафика данных в E-диапазоне в ближайшие годы.Мы работаем с отраслевыми клиентами, чтобы помочь им получить конкурентное преимущество за счет предельного дохода, когда открываются новые полосы частот.
Каков следующий шаг для миллиметровых волн?
Уровень использования данных будет развиваться только в одном направлении, и технология, которая опирается на данные, также постоянно совершенствуется.Пришла дополненная реальность, и устройства IoT становятся повсеместными.Помимо бытовых приложений, все, от крупных промышленных процессов до месторождений нефти и газа и атомных электростанций, переходит на технологию IoT для удаленного мониторинга, что снижает потребность в ручном вмешательстве при эксплуатации этих сложных объектов.Успех этих и других технологических достижений будет зависеть от надежности, скорости и качества сетей передачи данных, которые их поддерживают, а миллиметровые волны обеспечивают необходимую пропускную способность.
Миллиметровые волны не уменьшили значения частот ниже 6 ГГц в области беспроводной связи.Напротив, это важное дополнение к спектру, позволяющее успешно доставлять различные приложения, особенно те, которые требуют больших пакетов данных, низкой задержки и более высокой плотности соединения.
Пример использования миллиметровых волн для достижения ожиданий и возможностей новых технологий, связанных с данными, убедителен.Но есть и проблемы.
Регулирование — это вызов.Невозможно войти в диапазон более высоких частот миллиметровых волн, пока регулирующие органы не выдадут лицензии для конкретных приложений.Тем не менее, прогнозируемый экспоненциальный рост спроса означает, что регулирующие органы находятся под растущим давлением, чтобы высвободить больше спектра, чтобы избежать перегрузок и помех.Совместное использование спектра между пассивными приложениями и активными приложениями, такими как метеорологические спутники, также требует важных обсуждений коммерческих приложений, которые позволят использовать более широкие полосы частот и более непрерывный спектр без перехода на частоту Азиатско-Тихоокеанского региона в герцах.
При использовании возможностей, предоставляемых новой полосой пропускания, важно иметь соответствующие технологии для продвижения связи на более высоких частотах.Вот почему Filtronic разрабатывает технологии W-диапазона и D-диапазона для будущего.Именно поэтому мы сотрудничаем с университетами, правительствами и предприятиями, чтобы способствовать развитию навыков и знаний в областях, необходимых для удовлетворения будущих потребностей в беспроводных технологиях.Если Великобритания хочет взять на себя инициативу в развитии будущих глобальных сетей передачи данных, ей необходимо направить государственные инвестиции в нужные области радиочастотных технологий.
Как партнер в научных кругах, правительстве и промышленности, Filtronic играет ведущую роль в разработке передовых коммуникационных технологий, которые должны предоставлять новые функции и возможности в мире, где данные все больше требуются.
Время публикации: 27 апреля 2023 г.
