Millimeterwellenkommunikation

Millimeterwelle(mmWave) ist das elektromagnetische Spektrumband mit einer Wellenlänge zwischen 10 mm (30 GHz) und 1 mm (300 GHz).Von der Internationalen Fernmeldeunion (ITU) wird es als Extremhochfrequenzband (EHF) bezeichnet.Millimeterwellen liegen im Spektrum zwischen Mikrowellen- und Infrarotwellen und können für verschiedene drahtlose Hochgeschwindigkeitskommunikationsanwendungen verwendet werden, beispielsweise für Punkt-zu-Punkt-Backhaul-Verbindungen.
Makrotrends beschleunigen das Datenwachstum
Mit der steigenden weltweiten Nachfrage nach Daten und Konnektivität sind die derzeit für die drahtlose Kommunikation genutzten Frequenzbänder zunehmend überfüllt, was die Nachfrage nach Zugang zu höheren Frequenzbandbreiten innerhalb des Millimeterwellenspektrums erhöht.Viele Makrotrends haben die Nachfrage nach größerer Datenkapazität und -geschwindigkeit beschleunigt.
1. Die Menge und Art der durch Big Data generierten und verarbeiteten Daten nimmt täglich exponentiell zu.Die Welt ist auf die Hochgeschwindigkeitsübertragung großer Datenmengen pro Sekunde auf unzählige Geräte angewiesen.Im Jahr 2020 erzeugte jeder Mensch 1,7 MB Daten pro Sekunde.(Quelle: IBM).Zu Beginn des Jahres 2020 wurde das globale Datenvolumen auf 44ZB geschätzt (World Economic Forum).Bis 2025 wird die weltweite Datenerzeugung voraussichtlich über 175 ZB erreichen.Mit anderen Worten: Um eine so große Datenmenge zu speichern, sind 12,5 Milliarden der derzeit größten Festplatten erforderlich.(International Data Corporation)
Schätzungen der Vereinten Nationen zufolge war 2007 das erste Jahr, in dem die Stadtbevölkerung die Landbevölkerung überstieg.Dieser Trend hält noch an und es wird erwartet, dass bis 2050 mehr als zwei Drittel der Weltbevölkerung in städtischen Gebieten leben werden.Dies hat zu einem zunehmenden Druck auf die Telekommunikations- und Dateninfrastruktur in diesen dicht besiedelten Gebieten geführt.
3. Die multipolare globale Krise und Instabilität, von Pandemien bis hin zu politischen Unruhen und Konflikten, führt dazu, dass Länder zunehmend bestrebt sind, ihre souveränen Fähigkeiten auszubauen, um die Risiken globaler Instabilität zu mindern.Regierungen auf der ganzen Welt hoffen, ihre Abhängigkeit von Importen aus anderen Regionen zu verringern und die Entwicklung inländischer Produkte, Technologien und Infrastruktur zu unterstützen.
4. Angesichts der weltweiten Bemühungen, den CO2-Ausstoß zu reduzieren, eröffnet die Technologie neue Möglichkeiten, Reisen mit hohem CO2-Ausstoß zu minimieren.Meetings und Konferenzen finden heute meist online statt.Sogar medizinische Eingriffe können aus der Ferne durchgeführt werden, ohne dass Chirurgen in den Operationssaal kommen müssen.Nur ultraschnelle, zuverlässige und ununterbrochene Datenströme mit geringer Latenz können diesen präzisen Betrieb erreichen.
Diese Makrofaktoren veranlassen Menschen dazu, weltweit immer mehr Daten zu sammeln, zu übertragen und zu verarbeiten und erfordern außerdem eine Übertragung mit höheren Geschwindigkeiten und minimaler Latenz.

Welche Rolle können Millimeterwellen spielen?
Das Millimeterwellenspektrum bietet ein breites kontinuierliches Spektrum und ermöglicht eine höhere Datenübertragung.Derzeit sind die für die meisten drahtlosen Kommunikationen verwendeten Mikrowellenfrequenzen zunehmend überfüllt und verstreut, insbesondere wenn mehrere Bandbreiten bestimmten Abteilungen wie Verteidigung, Luft- und Raumfahrt und Notfallkommunikation gewidmet sind.
Wenn Sie das Spektrum nach oben verschieben, wird der verfügbare ununterbrochene Spektrumanteil viel größer und der beibehaltene Anteil kleiner.Durch die Vergrößerung des Frequenzbereichs vergrößert sich effektiv die Größe der „Pipeline“, die zur Datenübertragung genutzt werden kann, wodurch größere Datenströme erreicht werden.Aufgrund der viel größeren Kanalbandbreite von Millimeterwellen können weniger komplexe Modulationsschemata zur Datenübertragung verwendet werden, was zu Systemen mit viel geringerer Latenz führen kann.
Was sind die Herausforderungen?
Es gibt damit verbundene Herausforderungen bei der Verbesserung des Spektrums.Die zum Senden und Empfangen von Signalen auf Millimeterwellen erforderlichen Komponenten und Halbleiter sind schwieriger herzustellen – und es stehen weniger Verfahren zur Verfügung.Auch die Herstellung von Millimeterwellenkomponenten ist schwieriger, da sie viel kleiner sind und höhere Montagetoleranzen sowie eine sorgfältige Gestaltung der Verbindungen und Hohlräume erfordern, um Verluste zu reduzieren und Schwingungen zu vermeiden.
Die Ausbreitung ist eine der größten Herausforderungen für Millimeterwellensignale.Bei höheren Frequenzen ist es wahrscheinlicher, dass Signale durch physische Objekte wie Wände, Bäume und Gebäude blockiert oder reduziert werden.Im Gebäudebereich bedeutet dies, dass sich der Millimeterwellenempfänger außerhalb des Gebäudes befinden muss, um das Signal intern zu verbreiten.Für die Backhaul- und Satelliten-Boden-Kommunikation ist eine größere Leistungsverstärkung erforderlich, um Signale über große Entfernungen zu übertragen.Am Boden darf die Entfernung zwischen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen 1 bis 5 Kilometer nicht überschreiten, im Gegensatz zu der größeren Entfernung, die Niederfrequenznetze erreichen können.
Das bedeutet beispielsweise, dass in ländlichen Gebieten mehr Basisstationen und Antennen benötigt werden, um Millimeterwellensignale über große Entfernungen zu übertragen.Die Installation dieser zusätzlichen Infrastruktur erfordert mehr Zeit und Kosten.In den letzten Jahren wurde versucht, dieses Problem durch den Einsatz von Satellitenkonstellationen zu lösen, und diese Satellitenkonstellationen nutzen erneut Millimeterwellen als Kern ihrer Architektur.
Wo ist der beste Einsatz für Millimeterwellen?
Aufgrund der kurzen Ausbreitungsdistanz von Millimeterwellen eignen sie sich sehr gut für den Einsatz in dicht besiedelten Stadtgebieten mit hohem Datenverkehr.Die Alternative zu drahtlosen Netzwerken sind Glasfasernetze.In städtischen Gebieten ist der Aushub von Straßen zur Installation neuer Glasfasern äußerst teuer, zerstörerisch und zeitaufwändig.Im Gegenteil: Millimeterwellenverbindungen können effizient und mit minimalen Unterbrechungskosten innerhalb weniger Tage aufgebaut werden.
Die mit Millimeterwellensignalen erreichte Datenrate ist mit der von Glasfasern vergleichbar und bietet gleichzeitig eine geringere Latenz.Wenn Sie einen sehr schnellen Informationsfluss und minimale Latenz benötigen, sind drahtlose Verbindungen die erste Wahl – deshalb werden sie an Börsen eingesetzt, wo Latenz im Millisekundenbereich kritisch sein kann.
In ländlichen Gebieten sind die Kosten für die Installation von Glasfaserkabeln aufgrund der Entfernung oft unerschwinglich.Wie oben erwähnt, erfordern Millimeterwellen-Turmnetze auch erhebliche Infrastrukturinvestitionen.Die hier vorgestellte Lösung besteht darin, Satelliten mit niedriger Erdumlaufbahn (LEO) oder Pseudosatelliten mit großer Höhe (HAPS) zu verwenden, um Daten mit abgelegenen Gebieten zu verbinden.Durch LEO- und HAPS-Netzwerke ist die Installation von Glasfaserkabeln oder der Aufbau drahtloser Punkt-zu-Punkt-Netzwerke über kurze Entfernungen nicht erforderlich, während dennoch hervorragende Datenraten bereitgestellt werden.Bei der Satellitenkommunikation wurden bereits Millimeterwellensignale verwendet, üblicherweise im unteren Ende des Spektrums – dem Ka-Frequenzband (27–31 GHz).Es gibt Raum für eine Erweiterung auf höhere Frequenzen, wie die Q/V- und E-Frequenzbänder, insbesondere die Rücksendestation für Daten zum Boden.
Der Telekommunikations-Return-Markt nimmt beim Übergang von Mikrowellen- zu Millimeterwellenfrequenzen eine führende Position ein.Dies ist auf den Anstieg der Verbrauchergeräte (Handgeräte, Laptops und das Internet der Dinge (IoT)) im letzten Jahrzehnt zurückzuführen, der die Nachfrage nach mehr und schnelleren Daten beschleunigt hat.
Nun hoffen die Satellitenbetreiber, dem Beispiel der Telekommunikationsunternehmen zu folgen und den Einsatz von Millimeterwellen in LEO- und HAPS-Systemen auszuweiten.Bisher waren herkömmliche Satelliten mit geostationärer äquatorialer Umlaufbahn (GEO) und mittlerer Erdumlaufbahn (MEO) zu weit von der Erde entfernt, um Verbraucherkommunikationsverbindungen bei Millimeterwellenfrequenzen herzustellen.Der Ausbau der LEO-Satelliten ermöglicht nun jedoch den Aufbau von Millimeterwellenverbindungen und den Aufbau der weltweit benötigten Netzwerke mit hoher Kapazität.
Auch andere Branchen haben großes Potenzial für den Einsatz der Millimeterwellentechnologie.In der Automobilindustrie benötigen autonome Fahrzeuge kontinuierliche Hochgeschwindigkeitsverbindungen und Datennetzwerke mit geringer Latenz, um sicher zu funktionieren.Im medizinischen Bereich werden ultraschnelle und zuverlässige Datenströme benötigt, um Chirurgen an entfernten Standorten die Durchführung präziser medizinischer Eingriffe zu ermöglichen.
Zehn Jahre Millimeterwellen-Innovation
Filtronic ist ein führender Experte für Millimeterwellen-Kommunikationstechnologie in Großbritannien.Wir sind eines der wenigen Unternehmen im Vereinigten Königreich, das fortschrittliche Millimeterwellen-Kommunikationskomponenten in großem Maßstab entwickeln und herstellen kann.Wir verfügen über interne HF-Ingenieure (einschließlich Millimeterwellen-Experten), die für die Konzeption, Gestaltung und Entwicklung neuer Millimeterwellen-Technologien erforderlich sind.
Im letzten Jahrzehnt haben wir mit führenden Mobilfunkunternehmen zusammengearbeitet, um eine Reihe von Mikrowellen- und Millimeterwellen-Transceivern, Leistungsverstärkern und Subsystemen für Backhaul-Netzwerke zu entwickeln.Unser neuestes Produkt arbeitet im E-Band, was eine potenzielle Lösung für Zubringerverbindungen mit extrem hoher Kapazität in der Satellitenkommunikation darstellt.Im letzten Jahrzehnt wurde es schrittweise angepasst und verbessert, wodurch Gewicht und Kosten reduziert, die Leistung verbessert und Herstellungsprozesse verbessert wurden, um die Produktion zu steigern.Satellitenunternehmen können nun jahrelange interne Tests und Entwicklungen vermeiden, indem sie diese bewährte Weltraumtechnologie übernehmen.
Wir stehen an der Spitze der Innovation, entwickeln intern Technologien und entwickeln gemeinsam interne Massenfertigungsprozesse.Wir sind stets führend auf dem Markt für Innovationen, um sicherzustellen, dass unsere Technologie einsatzbereit ist, wenn Regulierungsbehörden neue Frequenzbänder eröffnen.
Wir entwickeln bereits W-Band- und D-Band-Technologien, um der Überlastung und dem größeren Datenverkehr im E-Band in den kommenden Jahren gerecht zu werden.Wir arbeiten mit Industriekunden zusammen, um ihnen dabei zu helfen, Wettbewerbsvorteile durch Grenzerlöse zu erzielen, wenn neue Frequenzbänder verfügbar sind.
Was ist der nächste Schritt für Millimeterwellen?
Die Nutzungsrate von Daten wird sich nur in eine Richtung entwickeln, und auch die Technologie, die auf Daten basiert, verbessert sich ständig.Augmented Reality ist angekommen und IoT-Geräte werden allgegenwärtig.Neben häuslichen Anwendungen verlagert sich alles, von großen Industrieprozessen bis hin zu Öl- und Gasfeldern und Kernkraftwerken, auf IoT-Technologie zur Fernüberwachung – wodurch die Notwendigkeit manueller Eingriffe beim Betrieb dieser komplexen Anlagen verringert wird.Der Erfolg dieser und anderer technologischer Fortschritte wird von der Zuverlässigkeit, Geschwindigkeit und Qualität der Datennetze abhängen, die sie unterstützen – und Millimeterwellen stellen die erforderliche Kapazität bereit.
Millimeterwellen haben die Bedeutung von Frequenzen unter 6 GHz im Bereich der drahtlosen Kommunikation nicht verringert.Im Gegenteil ist es eine wichtige Ergänzung des Spektrums und ermöglicht die erfolgreiche Bereitstellung verschiedener Anwendungen, insbesondere solcher, die große Datenpakete, geringe Latenz und eine höhere Verbindungsdichte erfordern.

Der Fall, Millimeterwellen zu nutzen, um die Erwartungen und Möglichkeiten neuer datenbezogener Technologien zu erfüllen, ist überzeugend.Aber es gibt auch Herausforderungen.
Regulierung ist eine Herausforderung.Es ist unmöglich, in das höhere Millimeterwellen-Frequenzband einzusteigen, bis die Regulierungsbehörden Lizenzen für bestimmte Anwendungen erteilen.Dennoch bedeutet das prognostizierte exponentielle Wachstum der Nachfrage, dass die Regulierungsbehörden zunehmend unter Druck stehen, mehr Frequenzen freizugeben, um Überlastungen und Störungen zu vermeiden.Die gemeinsame Nutzung des Spektrums zwischen passiven Anwendungen und aktiven Anwendungen wie meteorologischen Satelliten erfordert auch wichtige Diskussionen über kommerzielle Anwendungen, die breitere Frequenzbänder und ein kontinuierlicheres Spektrum ermöglichen, ohne auf die Hz-Frequenz im asiatisch-pazifischen Raum umzusteigen.
Wenn Sie die Möglichkeiten der neuen Bandbreite nutzen möchten, ist es wichtig, über geeignete Technologien zur Förderung der Kommunikation mit höheren Frequenzen zu verfügen.Deshalb entwickelt Filtronic W-Band- und D-Band-Technologien für die Zukunft.Aus diesem Grund arbeiten wir auch mit Universitäten, Regierungen und der Industrie zusammen, um die Entwicklung von Fähigkeiten und Wissen in den Bereichen zu fördern, die zur Erfüllung zukünftiger Anforderungen an die drahtlose Technologie erforderlich sind.Wenn das Vereinigte Königreich bei der Entwicklung zukünftiger globaler Datenkommunikationsnetze die Führung übernehmen will, muss es staatliche Investitionen in die richtigen Bereiche der HF-Technologie lenken.
Als Partner in Wissenschaft, Regierung und Industrie spielt Filtronic eine führende Rolle bei der Entwicklung fortschrittlicher Kommunikationstechnologien, die in einer Welt, in der Daten zunehmend benötigt werden, neue Funktionalitäten und Möglichkeiten bieten müssen.