Mikrowellenverbindungstechnologie

 

Einführung in die Mikrowelle

 

Beispiel für eine kabellose Mikrowellenverbindung

Mikrowelle ist eine drahtlose Kommunikationstechnologie mit Sichtverbindung, die Hochfrequenzstrahlen von Funkwellen verwendet, um drahtlose Hochgeschwindigkeitsverbindungen bereitzustellen, die Sprach-, Video- und Dateninformationen senden und empfangen können.

Mikrowellenverbindungen werden häufig für Punkt-zu-Punkt-Kommunikationen verwendet, da ihre kleine Wellenlänge es Antennen mit geeigneter Größe ermöglicht, sie in schmalen Strahlen zu lenken, die direkt auf die Empfangsantenne gerichtet werden können. Dadurch können nahegelegene Mikrowellengeräte dieselben Frequenzen verwenden, ohne sich gegenseitig zu stören, wie dies bei niederfrequenten Funkwellen der Fall ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die hohe Frequenz von Mikrowellen dem Mikrowellenband eine sehr große Informationstragfähigkeit verleiht; Das Mikrowellenband hat eine 30-fache Bandbreite des gesamten darunter liegenden Funkspektrums.

Mikrowellenfunkübertragung wird üblicherweise in Punkt-zu-Punkt-Kommunikationssystemen auf der Erdoberfläche, in der Satellitenkommunikation und in der Weltraumfunkkommunikation verwendet. Andere Teile des Mikrowellenfunkbandes werden für Radargeräte, Funknavigationssysteme, Sensorsysteme und Funkastronomie verwendet.

Der höhere Teil des elektromagnetischen Funkspektrums mit Frequenzen über 30 GHz und unter 100 GHz wird als "Millimeterwellen" bezeichnet, da ihre Wellenlängen bequem in Millimetern gemessen werden und ihre Wellenlängen von 10 mm bis 3.0 mm reichen. Radiowellen in diesem Band werden normalerweise stark von der irdischen Atmosphäre und den darin enthaltenen Partikeln gedämpft, insbesondere bei nassem Wetter. Auch in einem breiten Frequenzband um 60 GHz werden die Radiowellen durch molekularen Sauerstoff in der Atmosphäre stark gedämpft. Die im Millimeterwellenband benötigten elektronischen Technologien sind auch viel komplexer und schwieriger herzustellen als die des Mikrowellenbandes, weshalb die Kosten für Millimeterwellenradios im Allgemeinen höher sind.

Geschichte der Mikrowellenkommunikation
James Clerk Maxwell prognostizierte 1865 anhand seiner berühmten „Maxwellschen Gleichungen“ die Existenz unsichtbarer elektromagnetischer Wellen, zu denen auch Mikrowellen gehören. 1888 demonstrierte Heinrich Hertz als erster die Existenz solcher Wellen, indem er einen Apparat baute, der erzeugte und detektierte Mikrowellen im Ultrahochfrequenzbereich. Hertz erkannte, dass die Ergebnisse seines Experiments Maxwells Vorhersage bestätigten, sah jedoch keine praktischen Anwendungen für diese unsichtbaren Wellen. Spätere Arbeiten anderer führten zur Erfindung der drahtlosen Kommunikation auf der Basis von Mikrowellen. Zu den Mitwirkenden an dieser Arbeit gehörten Nikola Tesla, Guglielmo Marconi, Samuel Morse, Sir William Thomson (später Lord Kelvin), Oliver Heaviside, Lord Rayleigh und Oliver Lodge.

Mikrowellenverbindung über den Ärmelkanal, 1931

1931 demonstrierte ein US-französisches Konsortium eine experimentelle Mikrowellen-Relaisverbindung über den Ärmelkanal unter Verwendung von 10 m langen Schalen, einem der frühesten Mikrowellen-Kommunikationssysteme. Telefonie-, Telegraphen- und Faxdaten wurden über die 3-GHz-Strahlen 1.7 Meilen zwischen Dover (Großbritannien) und Calais (Frankreich) übertragen. Es konnte jedoch nicht mit billigen Unterseekabeltarifen mithalten, und ein geplantes kommerzielles System wurde nie gebaut.

In den 1950er Jahren wuchs das AT & T Long Lines-System für Mikrowellen-Relay-Verbindungen, um den Großteil des US-Fernsprechverkehrs sowie interkontinentale Fernsehsignale zu übertragen. Der Prototyp hieß TDX und wurde 1946 mit einer Verbindung zwischen New York City und Murray Hill, dem Standort der Bell Laboratories, getestet. Das TDX-System wurde 1947 zwischen New York und Boston eingerichtet.

Moderne kommerzielle Mikrowellenverbindungen
Kabelfreier Mikrowellen-Kommunikationsturm

Mikrowellen-Kommunikationsturm

Eine Mikrowellenverbindung ist ein Kommunikationssystem, das einen Strahl von Radiowellen im Mikrowellenfrequenzbereich verwendet, um Video, Audio oder Daten zwischen zwei Orten zu übertragen, die nur wenige Fuß oder Meter bis mehrere Meilen oder Kilometer voneinander entfernt sein können. Beispiele für kommerzielle Mikrowellenverbindungen von CableFree finden Sie hier. Moderne Mikrowellenverbindungen können mit 400-QAM-Modulation und IP-Header-Komprimierungstechniken bis zu 56 Mbit / s in einem 256-MHz-Kanal übertragen. Die Betriebsentfernungen für Mikrowellenverbindungen werden durch die Antennengröße (Verstärkung), das Frequenzband und die Verbindungskapazität bestimmt. Die Verfügbarkeit einer klaren Sichtlinie ist entscheidend für Mikrowellenverbindungen, bei denen die Erdkrümmung berücksichtigt werden muss

Kabelfreie FOR2-Mikrowellenverbindung mit 400 Mbit / s

Mikrowellenverbindungen werden üblicherweise von Fernsehsendern verwendet, um beispielsweise Programme im ganzen Land oder von einer externen Sendung zurück in ein Studio zu übertragen. Mobile Einheiten können an der Kamera montiert werden, sodass sich die Kameras frei bewegen können, ohne Kabel nachziehen zu müssen. Diese werden häufig auf den Kontaktlinien von Sportfeldern auf Steadicam-Systemen angezeigt.

Planung von Mikrowellenverbindungen
● Kabelfreie Mikrowellenverbindungen müssen unter Berücksichtigung der folgenden Parameter geplant werden:
● Erforderliche Entfernung (km / Meilen) und Kapazität (Mbit / s)
● Gewünschtes Verfügbarkeitsziel (%) für den Link
● Verfügbarkeit von Clear Line of Sight (LOS) zwischen Endknoten
● Türme oder Masten, falls erforderlich, um einen klaren LOS zu erzielen
● Zulässige Frequenzbänder für bestimmte Regionen / Länder
● Umgebungsbedingungen, einschließlich Regenverblassen
● Lizenzkosten für erforderliche Frequenzbänder
 
 

Mikrowellenfrequenzbänder

Mikrowellensignale werden häufig in drei Kategorien unterteilt:

Ultrahochfrequenz (UHF) (0.3-3 GHz);
Superhochfrequenz (SHF) (3-30 GHz); und
extrem hohe Frequenz (EHF) (30-300 GHz).
Zusätzlich werden Mikrowellenfrequenzbänder durch bestimmte Buchstaben gekennzeichnet. Die Bezeichnungen der Radio Society of Great Britain sind unten angegeben.
Mikrowellenfrequenzbänder
Bezeichnung Frequenzbereich
● L-Band 1 bis 2 GHz
● S-Band 2 bis 4 GHz
● C-Band 4 bis 8 GHz
● X-Band 8 bis 12 GHz
● Ku-Band 12 bis 18 GHz
● K-Band 18 bis 26.5 GHz
Ka-Band 26.5 bis 40 GHz
● Q-Band 30 bis 50 GHz
● U-Band 40 bis 60 GHz
● V-Band 50 bis 75 GHz
● E-Band 60 bis 90 GHz
● W-Band 75 bis 110 GHz
● F-Band 90 bis 140 GHz
● D-Band 110 bis 170 GHz

Der Begriff "P-Band" wird manchmal für ultrahohe Frequenzen unterhalb des L-Bandes verwendet. Weitere Definitionen finden Sie unter Buchstabenbezeichnungen für Mikrowellenbänder

Niedrigere Mikrowellenfrequenzen werden für längere Verbindungen verwendet und Regionen mit höherem Regen verblassen. Umgekehrt werden höhere Frequenzen für kürzere Verbindungen und Regionen mit geringerem Regenschwund verwendet.

Regen verblassen auf Mikrowellenverbindungen

Micadeave Link Rain FadeRain Fade bezieht sich hauptsächlich auf die Absorption eines Mikrowellen-Hochfrequenzsignals (RF) durch atmosphärischen Regen, Schnee oder Eis sowie auf Verluste, die besonders bei Frequenzen über 11 GHz auftreten. Es bezieht sich auch auf die Verschlechterung eines Signals, die durch die elektromagnetische Interferenz der Vorderkante einer Sturmfront verursacht wird. Das Ausbleichen des Regens kann durch Niederschlag am Uplink- oder Downlink-Standort verursacht werden. Es muss jedoch nicht an einem Ort regnen, damit es von Regenschwund betroffen ist, da das Signal viele Meilen entfernt durch Niederschlag fließen kann, insbesondere wenn die Satellitenschüssel einen geringen Blickwinkel hat. 5 bis 20 Prozent der Regenschwund- oder Satellitensignaldämpfung können auch durch Regen, Schnee oder Eis auf dem Uplink- oder Downlink-Antennenreflektor, dem Radom oder dem Speisehorn verursacht werden. Rain Fade ist nicht nur auf Satelliten-Uplinks oder -Downlinks beschränkt, sondern kann auch terrestrische Punkt-zu-Punkt-Mikrowellenverbindungen (auf der Erdoberfläche) beeinflussen.

Mögliche Möglichkeiten zur Überwindung der Auswirkungen des Verblassens von Regen sind Standortdiversität, Uplink-Leistungssteuerung, Codierung mit variabler Rate, Empfangsantennen, die größer (dh höhere Verstärkung) als die für normale Wetterbedingungen erforderliche Größe sind, und hydrophobe Beschichtungen.

Vielfalt in Mikrowellenverbindungen
 

Beispiel einer 1 + 0 ungeschützten Mikrowellenverbindung

In terrestrischen Mikrowellenverbindungen bezieht sich ein Diversity-Schema auf ein Verfahren zum Verbessern der Zuverlässigkeit eines Nachrichtensignals durch Verwenden von zwei oder mehr Kommunikationskanälen mit unterschiedlichen Eigenschaften. Diversity spielt eine wichtige Rolle bei der Bekämpfung von Fading und Gleichkanalstörungen sowie bei der Vermeidung von Fehlerbursts. Es basiert auf der Tatsache, dass einzelne Kanäle unterschiedliche Fading- und Interferenzpegel erfahren. Im Empfänger können mehrere Versionen desselben Signals gesendet und / oder empfangen und kombiniert werden. Alternativ kann ein redundanter Vorwärtsfehlerkorrekturcode hinzugefügt und verschiedene Teile der Nachricht über verschiedene Kanäle übertragen werden. Diversity-Techniken können die Mehrwegeausbreitung ausnutzen, was zu einem Diversity-Gewinn führt, der häufig ohne Unstimmigkeiten gemessen wird.

Die folgenden Klassen von Diversitätsschemata sind typisch für terrestrische Mikrowellenverbindungen:
● Ungeschützt: Mikrowellenverbindungen ohne Diversität oder Schutz werden als ungeschützt und auch als 1 + 0 klassifiziert. Es ist ein Gerätesatz installiert und keine Diversität oder Sicherung
● Hot Standby: Zwei Mikrowellengeräte (ODUs oder aktive Funkgeräte) sind im Allgemeinen an dieselbe Antenne angeschlossen und auf denselben Frequenzkanal abgestimmt. Einer ist "ausgeschaltet" oder im Standby-Modus, im Allgemeinen mit aktivem Empfänger, aber stummgeschaltetem Sender. Wenn die aktive Einheit ausfällt, wird sie ausgeschaltet und die Standby-Einheit aktiviert. Hot Standby wird als HSB abgekürzt und häufig in 1 + 1-Konfigurationen (eine aktive, eine Standby-Konfiguration) verwendet.
● Frequenzdiversität: Das Signal wird über mehrere Frequenzkanäle übertragen oder über ein breites Spektrum verteilt, das durch frequenzselektives Fading beeinflusst wird. Mikrowellenfunkverbindungen verwenden häufig mehrere aktive Funkkanäle sowie einen Schutzkanal für die automatische Verwendung durch einen verblassten Kanal. Dies ist als N + 1-Schutz bekannt
● Raumdiversität: Das Signal wird über mehrere verschiedene Ausbreitungswege übertragen. Bei einer drahtgebundenen Übertragung kann dies durch Senden über mehrere Drähte erreicht werden. Im Falle einer drahtlosen Übertragung kann dies durch Antennendiversität unter Verwendung mehrerer Sendeantennen (Sendediversität) und / oder mehrerer Empfangsantennen (Empfangsdiversität) erreicht werden.
● Polarisationsdiversität: Mehrere Versionen eines Signals werden über Antennen mit unterschiedlicher Polarisation gesendet und empfangen. Auf der Empfängerseite wird eine Diversity-Kombinationstechnik angewendet.

Resilient Failover für verschiedene Pfade

In terrestrischen Punkt-zu-Punkt-Mikrowellensystemen von 11 GHz bis 80 GHz kann eine parallele Backup-Verbindung neben einer regenverblassenden Verbindung mit höherer Bandbreite installiert werden. Bei dieser Anordnung kann für eine Primärverbindung wie eine 80-GHz-1-Gbit / s-Vollduplex-Mikrowellenbrücke eine Verfügbarkeitsrate von 99.9% über einen Zeitraum von einem Jahr berechnet werden. Die berechnete Verfügbarkeitsrate von 99.9% bedeutet, dass die Verbindung insgesamt zehn oder mehr Stunden pro Jahr unterbrochen sein kann, wenn die Spitzen der Regenstürme über das Gebiet ziehen. Eine sekundäre Verbindung mit niedrigerer Bandbreite, wie z. B. eine 5.8-GHz-basierte 100-Mbit / s-Brücke, kann parallel zur primären Verbindung installiert werden, wobei Router an beiden Enden das automatische Failover zur 100-Mbit / s-Brücke steuern, wenn die primäre 1-Gbit / s-Verbindung unterbrochen ist aufgrund von Regen verblassen. Mit dieser Anordnung können Punkt-zu-Punkt-Hochfrequenzverbindungen (23 GHz +) an Wartungsstandorten installiert werden, die viele Kilometer weiter entfernt sind als mit einer einzelnen Verbindung, die über einen Zeitraum von einem Jahr eine Verfügbarkeit von 99.99% erfordert.

Automatische Codierung und Modulation (ACM)
 

Mikrowellenadaptive Codierung und Modulation (ACM)

Link Adaptation oder Adaptive Coding and Modulation (ACM) ist ein Begriff, der in der drahtlosen Kommunikation verwendet wird, um die Anpassung der Modulation, Codierung und anderer Signal- und Protokollparameter an die Bedingungen auf der Funkverbindung (z. B. den Pfadverlust, die Interferenz aufgrund von) zu bezeichnen von anderen Sendern kommende Signale, die Empfindlichkeit des Empfängers, die verfügbare Sendeleistungsspanne usw.). Beispielsweise verwendet EDGE einen Ratenanpassungsalgorithmus, der das Modulations- und Codierungsschema (MCS) entsprechend der Qualität des Funkkanals und damit der Bitrate und Robustheit der Datenübertragung anpasst. Der Prozess der Verbindungsanpassung ist dynamisch und die Signal- und Protokollparameter ändern sich, wenn sich die Funkverbindungsbedingungen ändern.

Ziel der adaptiven Modulation ist es, die betriebliche Effizienz von Mikrowellenverbindungen zu verbessern, indem die Netzwerkkapazität über die vorhandene Infrastruktur erhöht wird - und gleichzeitig die Empfindlichkeit gegenüber Umweltstörungen verringert wird.
Adaptive Modulation bedeutet, die Modulation fehlerfrei dynamisch zu variieren, um den Durchsatz unter momentanen Ausbreitungsbedingungen zu maximieren. Mit anderen Worten, ein System kann bei klarem Himmel mit maximalem Durchsatz arbeiten und diesen verringern
allmählich unter Regen verblassen. Beispielsweise kann eine Verbindung von 256QAM auf QPSK geändert werden, um die Verbindung aufrechtzuerhalten, ohne die Verbindung zu verlieren. Vor der Entwicklung der automatischen Codierung und Modulation mussten Mikrowellendesigner für „Worst-Case“ -Bedingungen entwerfen, um einen Verbindungsausfall zu vermeiden. Zu den Vorteilen der Verwendung von ACM gehören:
● Längere Verbindungslängen (Abstand)
● Verwendung kleinerer Antennen (spart Mastraum, häufig auch in Wohngebieten erforderlich)
● Höhere Verfügbarkeit (Verbindungszuverlässigkeit)

Automatische Sendeleistungssteuerung (ATPC)

CableFree Microwave Links verfügen über ATPC, das die Sendeleistung bei Fade-Bedingungen wie starken Regenfällen automatisch erhöht. ATPC kann separat zu ACM oder zusammen verwendet werden, um die Verfügbarkeit, Stabilität und Verfügbarkeit der Verbindung zu maximieren. Wenn die Überblendungsbedingungen (Niederschlag) vorbei sind, reduziert das ATPC-System die Sendeleistung erneut. Dies reduziert die Belastung der Mikrowellen-Leistungsverstärker, was den Stromverbrauch und die Wärmeerzeugung verringert und die erwartete Lebensdauer (MTBF) erhöht.

Verwendung von Mikrowellenverbindungen
Backbone-Verbindungen und "Last Mile" -Kommunikation für Mobilfunknetzbetreiber
Backbone-Links für Internet Service Provider (ISPs) und Wireless ISPs (WISPs)
Unternehmensnetzwerke für Gebäude zu Gebäude und Campus-Standorte
Telekommunikation bei der Verbindung von entfernten und regionalen Telefonvermittlungen mit größeren (Haupt-) Vermittlungsstellen, ohne dass Kupfer- / Glasfaserleitungen erforderlich sind.
Rundfunkfernsehen mit HD-SDI- und SMPTE-Standards

Unternehmen

Aufgrund der Skalierbarkeit und Flexibilität der Mikrowellentechnologie können Mikrowellenprodukte in vielen Unternehmensanwendungen eingesetzt werden, einschließlich Gebäude-zu-Gebäude-Konnektivität, Notfallwiederherstellung, Netzwerkredundanz und temporärer Konnektivität für Anwendungen wie Daten, Sprache und Daten, Videodienste und medizinische Bildgebung , CAD- und Engineering-Dienstleistungen sowie Festnetz-Carrier-Bypass.

Backhaul des Mobilfunkanbieters
 

Mikrowellen-Backhaul in zellularen Netzwerken

Mikrowellenverbindungen sind ein wertvolles Werkzeug für das Mobile Carrier Backhaul: Die Mikrowellentechnologie kann eingesetzt werden, um herkömmliche PDH 16xE1 / T1-, STM-1- und STM-4- sowie moderne IP-Gigabit-Ethernet-Backhaul-Konnektivität und Greenfield-Mobilfunknetze bereitzustellen. Mikrowellen lassen sich viel schneller installieren und senken die Gesamtbetriebskosten für Mobilfunknetzbetreiber im Vergleich zur Bereitstellung oder zum Leasing von Glasfasernetzen

Netzwerke mit geringer Latenz
CableFree-Versionen von Mikrowellenverbindungen mit geringer Latenz verwenden die Mikrowellenverbindungstechnologie mit niedriger Latenz, wobei die Verzögerung zwischen den am anderen Ende gesendeten und empfangenen Paketen mit Ausnahme der Ausbreitungsverzögerung der Sichtlinie absolut minimal ist. Die Geschwindigkeit der Mikrowellenausbreitung durch die Luft ist ungefähr 40% höher als durch Glasfaser, was den Kunden eine sofortige Reduzierung der Latenz um 40% im Vergleich zu Glasfaser ermöglicht. Darüber hinaus verlaufen Glasfaserinstallationen fast nie in einer geraden Linie. Aufgrund der Realitäten des Gebäudelayouts, der Straßenkanäle und der Notwendigkeit, die vorhandene Telekommunikationsinfrastruktur zu nutzen, kann der Glasfaserlauf 100% länger sein als der direkte Sichtlinienpfad zwischen zwei Endpunkten. Daher sind CableFree-Mikrowellenprodukte mit geringer Latenz in Anwendungen mit geringer Latenz wie dem Hochfrequenzhandel und anderen Anwendungen beliebt.

Weitere Informationen zur Mikrowelle

Um mehr über die Mikrowellenverbindungstechnologie und darüber zu erfahren, wie CableFree Ihr drahtloses Netzwerk unterstützen kann, wenden Sie sich bitte an uns Kontakt

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