Comunicazione ad onde millimetriche

Onda millimetrica(mmWave) è la banda dello spettro elettromagnetico con una lunghezza d'onda compresa tra 10 mm (30 GHz) e 1 mm (300 GHz).Viene definita banda di frequenza estremamente alta (EHF) dall'Unione internazionale delle telecomunicazioni (ITU).Le onde millimetriche si trovano tra le microonde e le onde infrarosse nello spettro e possono essere utilizzate per varie applicazioni di comunicazione wireless ad alta velocità, come i collegamenti backhaul punto-punto.
I macrotrend accelerano la crescita dei dati
Con la crescente domanda globale di dati e connettività, le bande di frequenza attualmente utilizzate per la comunicazione wireless sono diventate sempre più affollate, spingendo la domanda di accesso a una larghezza di banda di frequenza più elevata all'interno dello spettro delle onde millimetriche.Molte tendenze macro hanno accelerato la domanda di maggiore capacità e velocità dei dati.
1. La quantità e i tipi di dati generati ed elaborati dai big data aumentano in modo esponenziale ogni giorno.Il mondo fa affidamento sulla trasmissione ad alta velocità di grandi quantità di dati su innumerevoli dispositivi ogni secondo.Nel 2020, ogni persona ha generato 1,7 MB di dati al secondo.(Fonte: IBM).All'inizio del 2020, il volume globale di dati era stimato in 44ZB (World Economic Forum).Entro il 2025, la creazione globale di dati dovrebbe raggiungere oltre 175 ZB.In altre parole, l'archiviazione di una quantità così grande di dati richiede 12,5 miliardi dei dischi rigidi più grandi di oggi.(Società internazionale di dati)
Secondo le stime delle Nazioni Unite, il 2007 è stato il primo anno in cui la popolazione urbana ha superato quella rurale.Questa tendenza è ancora in corso e si prevede che entro il 2050 più di due terzi della popolazione mondiale risiederà nelle aree urbane.Ciò ha comportato una crescente pressione sulle telecomunicazioni e sulle infrastrutture dati in queste aree densamente popolate.
3. La crisi globale multipolare e l'instabilità, dalle pandemie ai disordini politici e ai conflitti, significano che i paesi sono sempre più desiderosi di sviluppare le loro capacità sovrane per mitigare i rischi dell'instabilità globale.I governi di tutto il mondo sperano di ridurre la loro dipendenza dalle importazioni da altre regioni e sostenere lo sviluppo di prodotti, tecnologie e infrastrutture nazionali.
4. Con gli sforzi del mondo per ridurre le emissioni di carbonio, la tecnologia sta aprendo nuove opportunità per ridurre al minimo i viaggi ad alto contenuto di carbonio.Oggi le riunioni e le conferenze si tengono solitamente online.Anche le procedure mediche possono essere eseguite a distanza senza che i chirurghi debbano recarsi in sala operatoria.Solo flussi di dati a bassa latenza ultra veloci, affidabili e ininterrotti possono raggiungere questa precisa operazione.
Questi macro fattori spingono le persone a raccogliere, trasmettere ed elaborare sempre più dati a livello globale e richiedono anche la trasmissione a velocità più elevate e con una latenza minima.

Che ruolo possono svolgere le onde millimetriche?
Lo spettro delle onde millimetriche fornisce un ampio spettro continuo, consentendo una maggiore trasmissione dei dati.Attualmente, le frequenze a microonde utilizzate per la maggior parte delle comunicazioni wireless stanno diventando affollate e disperse, in particolare con diverse larghezze di banda dedicate a dipartimenti specifici come la difesa, l'aerospaziale e le comunicazioni di emergenza.
Quando si sposta lo spettro verso l'alto, la porzione di spettro ininterrotto disponibile sarà molto più grande e la porzione trattenuta sarà minore.L'aumento della gamma di frequenza aumenta effettivamente la dimensione della "pipeline" che può essere utilizzata per trasmettere i dati, ottenendo così flussi di dati più grandi.A causa della larghezza di banda del canale molto più ampia delle onde millimetriche, è possibile utilizzare schemi di modulazione meno complessi per trasmettere i dati, il che può portare a sistemi con latenza molto inferiore.
Quali sono le sfide?
Ci sono sfide correlate nel migliorare lo spettro.I componenti ei semiconduttori necessari per trasmettere e ricevere segnali su onde millimetriche sono più difficili da produrre e ci sono meno processi disponibili.Anche la produzione di componenti a onde millimetriche è più difficile perché sono molto più piccoli, richiedono tolleranze di assemblaggio più elevate e un'attenta progettazione di interconnessioni e cavità per ridurre le perdite ed evitare oscillazioni.
La propagazione è una delle principali sfide affrontate dai segnali a onde millimetriche.A frequenze più elevate, è più probabile che i segnali vengano bloccati o ridotti da oggetti fisici come muri, alberi ed edifici.Nell'area dell'edificio, ciò significa che il ricevitore di onde millimetriche deve essere posizionato all'esterno dell'edificio per propagare il segnale all'interno.Per le comunicazioni backhaul e da satellite a terra, è necessaria una maggiore amplificazione di potenza per trasmettere segnali su lunghe distanze.A terra, la distanza tra i collegamenti punto-punto non può superare da 1 a 5 chilometri, a differenza della distanza maggiore che possono raggiungere le reti a bassa frequenza.
Ciò significa, ad esempio, che nelle aree rurali sono necessarie più stazioni base e antenne per trasmettere segnali a onde millimetriche su lunghe distanze.L'installazione di questa infrastruttura aggiuntiva richiede più tempo e costi.Negli ultimi anni, il dispiegamento di costellazioni di satelliti ha cercato di risolvere questo problema e queste costellazioni di satelliti ancora una volta prendono le onde millimetriche come nucleo della loro architettura.
Dov'è la migliore distribuzione per le onde millimetriche?
La breve distanza di propagazione delle onde millimetriche li rende molto adatti per l'impiego in aree urbane densamente popolate con un elevato traffico di dati.L'alternativa alle reti wireless sono le reti in fibra ottica.Nelle aree urbane, scavare strade per installare nuove fibre ottiche è estremamente costoso, distruttivo e richiede tempo.Al contrario, le connessioni a onde millimetriche possono essere stabilite in modo efficiente con costi di interruzione minimi in pochi giorni.
La velocità dei dati raggiunta dai segnali a onde millimetriche è paragonabile a quella delle fibre ottiche, pur fornendo una latenza inferiore.Quando è necessario un flusso di informazioni molto veloce e una latenza minima, i collegamenti wireless sono la prima scelta, ecco perché vengono utilizzati nelle borse valori dove la latenza di millisecondi può essere critica.
Nelle zone rurali, il costo di installazione dei cavi in ​​fibra ottica è spesso proibitivo a causa della distanza.Come accennato in precedenza, anche le reti di torri a onde millimetriche richiedono investimenti infrastrutturali significativi.La soluzione qui presentata consiste nell'utilizzare satelliti in orbita terrestre bassa (LEO) o pseudo satelliti ad alta quota (HAPS) per collegare i dati ad aree remote.Le reti LEO e HAPS significano che non è necessario installare fibre ottiche o costruire reti wireless point-to-point a breve distanza, pur fornendo velocità dati eccellenti.La comunicazione satellitare ha già utilizzato segnali a onde millimetriche, solitamente nella fascia bassa dello spettro - banda di frequenza Ka (27-31 GHz).C'è spazio per espandersi a frequenze più alte, come le bande di frequenza Q/V ed E, in particolare la stazione di ritorno per i dati a terra.
Il mercato dei ritorni delle telecomunicazioni occupa una posizione di primo piano nella transizione dalle microonde alle frequenze delle onde millimetriche.Ciò è dovuto all'aumento dei dispositivi di consumo (dispositivi palmari, laptop e Internet of Things (IoT)) nell'ultimo decennio, che ha accelerato la domanda di dati sempre più veloci.
Ora, gli operatori satellitari sperano di seguire l'esempio delle società di telecomunicazioni e di espandere l'uso delle onde millimetriche nei sistemi LEO e HAPS.In precedenza, i tradizionali satelliti in orbita equatoriale geostazionaria (GEO) e in orbita terrestre media (MEO) erano troppo lontani dalla Terra per stabilire collegamenti di comunicazione con i consumatori a frequenze di onde millimetriche.Tuttavia, l'espansione dei satelliti LEO rende ora possibile stabilire collegamenti a onde millimetriche e creare le reti ad alta capacità necessarie a livello globale.
Anche altri settori hanno un grande potenziale per utilizzare la tecnologia delle onde millimetriche.Nell'industria automobilistica, i veicoli autonomi richiedono connessioni continue ad alta velocità e reti di dati a bassa latenza per funzionare in sicurezza.In campo medico, saranno necessari flussi di dati ultraveloci e affidabili per consentire ai chirurghi situati in remoto di eseguire precise procedure mediche.
Dieci anni di innovazione nelle onde millimetriche
Filtronic è uno dei principali esperti di tecnologia di comunicazione a onde millimetriche nel Regno Unito.Siamo una delle poche aziende nel Regno Unito in grado di progettare e produrre componenti di comunicazione a onde millimetriche avanzati su larga scala.Abbiamo ingegneri RF interni (inclusi esperti di onde millimetriche) necessari per concettualizzare, progettare e sviluppare nuove tecnologie a onde millimetriche.
Nell'ultimo decennio, abbiamo collaborato con le principali società di telecomunicazioni mobili per sviluppare una serie di ricetrasmettitori a microonde e onde millimetriche, amplificatori di potenza e sottosistemi per reti di backhaul.Il nostro ultimo prodotto opera nella banda E, che fornisce una potenziale soluzione per collegamenti di alimentazione ad altissima capacità nelle comunicazioni satellitari.Negli ultimi dieci anni, è stato gradualmente adattato e migliorato, riducendo peso e costi, migliorando le prestazioni e migliorando i processi di produzione per aumentare la produzione.Le società satellite possono ora evitare anni di test interni e sviluppo adottando questa collaudata tecnologia di distribuzione spaziale.
Siamo impegnati in prima linea nell'innovazione, creando tecnologia internamente e sviluppando congiuntamente processi interni di produzione di massa.Siamo sempre leader del mercato nell'innovazione per garantire che la nostra tecnologia sia pronta per l'implementazione man mano che le agenzie di regolamentazione aprono nuove bande di frequenza.
Stiamo già sviluppando tecnologie in banda W e banda D per far fronte alla congestione e all'aumento del traffico dati nella banda E nei prossimi anni.Collaboriamo con i clienti del settore per aiutarli a creare un vantaggio competitivo attraverso entrate marginali quando vengono aperte nuove bande di frequenza.
Qual è il prossimo passo per le onde millimetriche?
Il tasso di utilizzo dei dati si svilupperà solo in una direzione e anche la tecnologia che si basa sui dati è in costante miglioramento.La realtà aumentata è arrivata e i dispositivi IoT stanno diventando onnipresenti.Oltre alle applicazioni domestiche, tutto, dai principali processi industriali ai giacimenti di petrolio e gas e centrali nucleari, si sta spostando verso la tecnologia IoT per il monitoraggio remoto, riducendo la necessità di intervento manuale durante il funzionamento di queste strutture complesse.Il successo di questi e altri progressi tecnologici dipenderà dall'affidabilità, dalla velocità e dalla qualità delle reti di dati che li supportano e le onde millimetriche forniscono la capacità richiesta.
Le onde millimetriche non hanno ridotto l'importanza delle frequenze inferiori a 6 GHz nel campo della comunicazione wireless.Al contrario, è un importante supplemento allo spettro, che consente di fornire con successo diverse applicazioni, in particolare quelle che richiedono grandi pacchetti di dati, bassa latenza e maggiore densità di connessione.

Il caso dell'utilizzo delle onde millimetriche per soddisfare le aspettative e le opportunità delle nuove tecnologie relative ai dati è convincente.Ma ci sono anche sfide.
La regolamentazione è una sfida.È impossibile entrare nella banda di frequenza delle onde millimetriche superiori finché le autorità di regolamentazione non rilasciano licenze per applicazioni specifiche.Tuttavia, la prevista crescita esponenziale della domanda significa che le autorità di regolamentazione sono sottoposte a crescenti pressioni per rilasciare più spettro per evitare congestioni e interferenze.La condivisione dello spettro tra applicazioni passive e applicazioni attive come i satelliti meteorologici richiede anche importanti discussioni sulle applicazioni commerciali, che consentiranno bande di frequenza più ampie e uno spettro più continuo senza passare alla frequenza Hz dell'Asia Pacifico.
Quando si sfruttano le opportunità offerte dalla nuova larghezza di banda, è importante disporre di tecnologie adeguate per promuovere comunicazioni a frequenza più elevata.Ecco perché Filtronic sta sviluppando tecnologie W-band e D-band per il futuro.Questo è anche il motivo per cui collaboriamo con università, governi e industrie per promuovere lo sviluppo di competenze e conoscenze nei campi necessari per soddisfare le future esigenze della tecnologia wireless.Se il Regno Unito vuole assumere un ruolo guida nello sviluppo delle future reti di comunicazione dati globali, deve incanalare gli investimenti del governo nelle aree giuste della tecnologia RF.
In qualità di partner nel mondo accademico, governativo e industriale, Filtronic svolge un ruolo di primo piano nello sviluppo di tecnologie di comunicazione avanzate che devono fornire nuove funzionalità e possibilità in un mondo in cui i dati sono sempre più necessari.