E-Band Millimeterwellentechnologie

Einführung in die Millimeterwellentechnologie für E-Band und V-Band

MMW Zusammenfassung

Millimeter Wave (MMW) ist eine Technologie für drahtlose Hochgeschwindigkeitsverbindungen mit hoher Geschwindigkeit (10 Gbit / s, 10 Gigabit pro Sekunde), die sich ideal für städtische Gebiete eignet. Mithilfe von Hochfrequenzmikrowellen im E-Band- (70-80 GHz) und 58-GHz- bis 60-GHz- (V-Band) Spektrum können Verbindungen in überlasteten Städten dicht und störungsfrei eingesetzt werden, ohne dass nach Kabeln und Glasfasern gegraben werden muss teuer, langsam und sehr störend. Im Gegensatz dazu können MMW-Links innerhalb von Stunden bereitgestellt und an verschiedenen Standorten verschoben und wiederverwendet werden, wenn sich die Netzwerkanforderungen ändern.

CableFree MMW Millimeter Wave Link in den VAE installiert

Geschichte von MMW

Im Jahr 2003 eröffnete die North American Federal Communications Commission (FCC) mehrere Hochfrequenz-Millimeterwellenbänder (MMW) im Bereich von 70, 80 und 90 Gigahertz (GHz) für den kommerziellen und öffentlichen Gebrauch. Aufgrund des großen Spektrums (ungefähr 13 GHz), das in diesen Bändern verfügbar ist, sind Millimeterwellenradios schnell zur schnellsten Punkt-zu-Punkt-Funklösung (Punkt-zu-Punkt) auf dem Markt geworden. Funkübertragungsprodukte mit Vollduplex-Datenraten von bis zu 1.25 Gbit / s, einer Verfügbarkeit der Carrier-Klasse von 99.999% und Entfernungen von fast einer Meile oder mehr sind heute erhältlich. Aufgrund der kostengünstigen Preisgestaltung haben MMW-Funkgeräte das Potenzial, Geschäftsmodelle für mobile Backhaul-Anbieter und die U-Bahn- / Unternehmens-Last-Mile-Zugangskonnektivität zu verändern.

Regulatorischer Hintergrund
Die Eröffnung von 13 GHz bisher nicht genutzten Frequenzen in den Frequenzbereichen 71… 76 GHz, 81… 86 GHz und 92… 95 GHz für den kommerziellen Gebrauch und für drahtlose Festnetzdienste mit hoher Dichte im Oktober 2003 gilt als wegweisende Entscheidung der Federal Communications Commission (FCC). Aus technologischer Sicht ermöglichte diese Entscheidung erstmals die drahtlose Kommunikation mit voller Leitungsgeschwindigkeit und Vollduplex-Gigabit-Geschwindigkeit über Entfernungen von einer Meile oder mehr bei Verfügbarkeit der Carrier-Klasse. Zum Zeitpunkt der Öffnung des Spektrums für die kommerzielle Nutzung kündigte der FCC-Vorsitzende Michael Powell das Urteil als Öffnung einer „neuen Grenze“ für kommerzielle Dienstleistungen und Produkte für das amerikanische Volk an. Seitdem wurden neue Märkte für den Austausch oder die Erweiterung von Glasfasern, drahtlose Punkt-zu-Punkt-Zugangsnetze „Last-Mile“ und Breitband-Internetzugang mit Gigabit-Datenraten und darüber hinaus eröffnet.

Die Bedeutung der Zuordnungen von 70 GHz, 80 GHz und 90 GHz kann nicht überbewertet werden. Diese drei Zuweisungen, die zusammen als E-Band bezeichnet werden, umfassen die größte Menge an Spektrum, die jemals von der FCC für die lizenzierte kommerzielle Nutzung freigegeben wurde. Zusammen erhöht das 13-GHz-Spektrum die Anzahl der von der FCC genehmigten Frequenzbänder um 20%, und diese Bänder zusammen repräsentieren das 50-fache der Bandbreite des gesamten zellularen Spektrums. Mit einer Bandbreite von insgesamt 5 GHz bei 70 GHz bzw. 80 GHz und 3 GHz bei 90 GHz können Gigabit-Ethernet und höhere Datenraten problemlos mit relativ einfachen Funkarchitekturen und ohne komplexe Modulationsschemata untergebracht werden. Da die Ausbreitungseigenschaften nur geringfügig schlechter sind als bei den weit verbreiteten Mikrowellenbändern und die gut charakterisierten Wettereigenschaften das Verständnis des Regenverblassens ermöglichen, können Verbindungsentfernungen von mehreren Meilen sicher realisiert werden.

Das FCC-Urteil legte auch den Grundstein für ein neuartiges internetbasiertes Lizenzierungssystem. Dieses Online-Lizenzierungsschema ermöglicht die schnelle Registrierung einer Funkverbindung und bietet Frequenzschutz bei einer geringen einmaligen Gebühr von einigen hundert Dollar. Viele andere Länder auf der ganzen Welt öffnen derzeit das MMW-Spektrum für die öffentliche und kommerzielle Nutzung, nachdem die FCC eine wegweisende Entscheidung getroffen hat. In diesem Artikel werden wir versuchen, die Bedeutung der 70-GHz-, 80-GHz- und 90-GHz-Bänder zu erläutern und zu zeigen, wie diese neuen Frequenzzuweisungen möglicherweise die Übertragung mit hoher Datenrate und die damit verbundenen Geschäftsmodelle verändern.

Zielmärkte und Anwendungen für hochleistungsfähige „Last-Mile“ -Zugriffskonnektivität
Allein in den USA gibt es rund 750,000 Geschäftsgebäude mit mehr als 20 Mitarbeitern. In den heutigen Geschäftsumgebungen mit hoher Internetverbindung benötigen die meisten dieser Gebäude eine Internetverbindung mit hoher Datenrate. Zwar sind viele Unternehmen derzeit mit einer langsameren Geschwindigkeit T1 / E1 mit 1.54 Mbit / s bzw. 2.048 Mbit / s oder einer anderen Form einer langsameren DSL-Verbindung zufrieden, doch eine schnell wachsende Anzahl von Unternehmen benötigt oder fordert DS- 3 (45 Mbit / s) Konnektivität oder Glasfaserverbindungen mit höherer Geschwindigkeit. Und hier beginnen die Probleme. Laut einer aktuellen Studie der Vertical Systems Group sind jedoch nur 13.4% der Geschäftsgebäude in den Vereinigten Staaten an ein Glasfasernetz angeschlossen. Mit anderen Worten, 86.6% dieser Gebäude haben keine Glasfaserverbindung, und die Mieter von Gebäuden verlassen sich auf das Leasing von verkabelten Kupferleitungen mit langsamerer Geschwindigkeit von den etablierten oder alternativen Telefonieanbietern (ILECs oder CLECs). Solche Kosten für eine kabelgebundene Kupferverbindung mit höherer Geschwindigkeit wie eine DS-45-Verbindung mit 3 Mbit / s können leicht bis zu 3,000 USD pro Monat oder mehr betragen.

Eine weitere interessante Studie von Cisco aus dem Jahr 2003 ergab, dass 75% der US-Geschäftsgebäude, die nicht mit Glasfaser verbunden sind, innerhalb einer Meile von einer Glasfaserverbindung liegen. Trotz der wachsenden Nachfrage nach Übertragungen mit hoher Kapazität in diese Gebäude lassen die mit dem Verlegen von Fasern verbundenen Kosten häufig nicht zu, dass der Übertragungsengpass geschlossen wird. Beispielsweise können die Kosten für das Verlegen von Glasfasern in großen US-Metropolen bis zu 250,000 US-Dollar pro Meile betragen, und in vielen der größten US-Städte gibt es aufgrund der damit verbundenen massiven Verkehrsstörungen sogar ein Moratorium für das Verlegen neuer Glasfasern. Die Konnektivitätszahlen für Glasfaser- und Geschäftsgebäude sind in vielen europäischen Städten weitaus schlechter, und einige Studien legen nahe, dass nur etwa 1% der Geschäftsgebäude mit Glasfaser verbunden sind.

Viele Branchenanalysten sind sich einig, dass es einen großen und derzeit unterversorgten Markt für drahtlose Kurzstrecken-Zugangskonnektivität „Last Mile“ gibt, vorausgesetzt, die zugrunde liegende Technologie ermöglicht Verfügbarkeitsstufen der Carrier-Klasse. MMW-Funksysteme sind perfekt geeignet, um diese technischen Anforderungen zu erfüllen. Darüber hinaus sind die Preise für hochkapazitive und im Handel erhältliche MMW-Systeme in den letzten Jahren drastisch gesunken. Im Vergleich zum Verlegen von nur einer Meile Glasfaser in einer großen US-amerikanischen oder europäischen Metropole kann die Verwendung eines Gigabit-Ethernet-fähigen MMW-Radios nur 10% der Glasfaserkosten ausmachen. Diese Preisstruktur macht die Wirtschaftlichkeit der Gigabit-Konnektivität attraktiv, da das erforderliche Kapitallayout und der daraus resultierende ROI-Zeitraum (Return on Investment) drastisch verkürzt werden. Folglich können viele Anwendungen mit hoher Datenrate, die in der Vergangenheit aufgrund der hohen Infrastrukturkosten für Grabenfasern nicht wirtschaftlich bedient werden konnten, jetzt bedient werden und sind bei Verwendung der MMW-Funktechnologie wirtschaftlich realisierbar. Zu diesen Anwendungen gehören:
● CLEC- und ILEC-Faserverlängerungen und -ersatz
● Metro Ethernet Backhaul und Glasfaserringverschlüsse
● WLAN-LAN-Erweiterungen
● Glasfasersicherung und Pfadvielfalt in Campus-Netzwerken
● Notfallwiederherstellung
● SAN-Konnektivität mit hoher Kapazität
● Redundanz, Portabilität und Sicherheit für Heimatschutz und Militär
● 3G-Mobilfunk- und / oder WIFI / WiMAX-Backhaul in dichten städtischen Netzwerken
● Tragbare und temporäre Verbindungen für HD-Video- oder HDTV-Transporte

Warum E-Band MMW-Technologie verwenden?

Von den drei geöffneten Frequenzbändern haben die 70-GHz- und 80-GHz-Bänder das größte Interesse der Gerätehersteller geweckt. Die Zuordnungen von 71… 76 GHz und 81… 86 GHz ermöglichen eine Koexistenz und ermöglichen eine Vollduplex-Übertragungsbandbreite von 5 GHz. genug, um selbst mit den einfachsten Modulationsschemata problemlos ein Vollduplex-Gigabit-Ethernet-Signal (GbE) zu übertragen. Das fortschrittliche Wireless Excellence-Design konnte sogar das untere 5-GHz-Band von nur 71 bis 76 GHz verwenden, um ein Vollduplex-GbE-Signal zu transportieren. Später zeigt sich ein klarer Vorteil bei der Verwendung dieses Ansatzes beim Einsatz von MMW-Technologie in der Nähe von astronomischen Standorten und in Ländern außerhalb der USA. Mit direkter Datenkonvertierung (OOK) und kostengünstigen Diplexern relativ einfach und damit kosteneffizient und hochzuverlässige Funkarchitekturen können erreicht werden. Mit spektral effizienteren Modulationscodes kann eine noch höhere Vollduplexübertragung bei 10 Gbit / s (10 GigE) bis zu 40 Gbit / s erreicht werden.

Die Zuweisung von 92 bis 95 GHz ist weitaus schwieriger zu handhaben, da dieser Teil des Spektrums in zwei ungleiche Teile unterteilt ist, die durch ein schmales 100-MHz-Ausschlussband zwischen 94.0 und 94.1 GHz getrennt sind. Es ist davon auszugehen, dass dieser Teil des Spektrums eher für Innenanwendungen mit höherer Kapazität und geringerer Reichweite verwendet wird. Diese Zuordnung wird in diesem Weißbuch nicht weiter erörtert.

Bei klarem Wetter überschreiten die Übertragungsentfernungen bei 70 GHz und 80 GHz aufgrund niedriger atmosphärischer Dämpfungswerte viele Meilen. Abbildung 1 zeigt jedoch, dass die atmosphärische Dämpfung auch unter diesen Bedingungen mit der Frequenz erheblich variiert [1]. Bei herkömmlichen niedrigeren Mikrowellenfrequenzen und bis zu ungefähr 38 GHz ist die atmosphärische Dämpfung mit Dämpfungswerten von einigen Zehntel Dezibel pro Kilometer (dB / km) relativ niedrig. Bei etwa 60 GHz verursacht die Absorption durch Sauerstoffmoleküle einen großen Anstieg der Dämpfung. Dieser starke Anstieg der Sauerstoffaufnahme schränkt die Funkübertragungsentfernungen von 60-GHz-Funkprodukten erheblich ein. Jenseits des 60-GHz-Sauerstoffabsorptionspeaks öffnet sich jedoch ein breiteres Fenster mit niedriger Dämpfung, in dem die Dämpfung auf Werte um 0.5 dB / km zurückfällt. Dieses Fenster mit geringer Dämpfung wird üblicherweise als E-Band bezeichnet. Die E-Band-Dämpfungswerte liegen nahe an der Dämpfung, die bei herkömmlichen Mikrowellenfunkgeräten auftritt. Oberhalb von 100 GHz nimmt die atmosphärische Dämpfung im Allgemeinen zu, und zusätzlich gibt es zahlreiche molekulare Absorptionsbanden, die durch O2- und H2O-Absorption bei höheren Frequenzen verursacht werden. Zusammenfassend ist es das relativ niedrige atmosphärische Dämpfungsfenster zwischen 70 GHz und 100 GHz, das E-Band-Frequenzen für die drahtlose Übertragung mit hoher Kapazität attraktiv macht. Abbildung 1 zeigt auch, wie Regen und Nebel die Dämpfung in optischen Mikrowellen-, Millimeterwellen- und Infrarotbändern beeinflussen, die bei etwa 200 Terahertz (THz) beginnen und in FSO-Übertragungssystemen verwendet werden. Bei verschiedenen und spezifischen Niederschlagsraten ändern sich die Dämpfungswerte mit zunehmenden Übertragungsfrequenzen geringfügig. Die Beziehung zwischen Niederschlagsraten und Übertragungsentfernungen wird im folgenden Abschnitt weiter untersucht. Die nebelbedingte Dämpfung kann bei Millimeterwellenfrequenzen grundsätzlich vernachlässigt werden und zwischen der Millimeterwelle und dem optischen Übertragungsband um mehrere Größenordnungen zunehmen: Der Hauptgrund, warum FSO-Systeme mit größerer Entfernung unter nebligen Bedingungen nicht mehr funktionieren.

Übertragungsentfernungen für E-Band
Wie bei jeder Hochfrequenz-Funkausbreitung bestimmt die Regendämpfung typischerweise die praktischen Grenzen der Übertragungsentfernungen. Abbildung 2 zeigt, dass Funksysteme, die im E-Band-Frequenzbereich arbeiten, bei Regen eine starke Dämpfung erfahren können [2]. Glücklicherweise fällt der intensivste Regen in begrenzten Teilen der Welt. hauptsächlich die subtropischen und äquatorialen Länder. In Spitzenzeiten können für kurze Zeit Niederschlagsraten von mehr als 180 mm / h beobachtet werden. In den USA und in Europa liegen die maximalen Niederschlagsmengen in der Regel unter 100 mm / h. Eine solche Niederschlagsrate verursacht Signaldämpfungen von 30 dB / km und tritt im Allgemeinen nur während kurzer Wolkenbrüche auf. Diese Wolkenbrüche sind Regenereignisse, die in relativ kleinen und lokalisierten Gebieten und in einer Regenwolke mit geringerer Intensität und größerem Durchmesser auftreten. Da Wolkenbrüche in der Regel auch mit Unwetterereignissen verbunden sind, die sich schnell über die Verbindung bewegen, sind Regenausfälle in der Regel kurz und nur auf Übertragungsstrecken über größere Entfernungen problematisch.

Millimeterwellen- und Regenabschwächung V-Band E-Band

ITU-Regenzonen Globales Millimeterwellen-E-Band-V-Band

Die International Telecommunications Union (ITU) und andere Forschungseinrichtungen haben jahrzehntelange Niederschlagsdaten aus aller Welt gesammelt. Im Allgemeinen sind die Niederschlagsmerkmale und Beziehungen zwischen Niederschlagsrate, statistischer Regendauer, Regentropfengröße usw. gut bekannt [3]. Mithilfe dieser Informationen können Funkverbindungen hergestellt werden, um selbst die schlimmsten Wetterereignisse zu überwinden oder Vorhersagen zu treffen die Dauer wetterbedingter Ausfälle bei Funkverbindungen über größere Entfernungen, die mit bestimmten Frequenzen betrieben werden. Das Klassifizierungsschema der ITU-Regenzone zeigt die erwarteten statistischen Niederschlagsraten in alphabetischer Reihenfolge. Während Gebiete mit dem geringsten Niederschlag als „Region A“ eingestuft werden, sind die höchsten Niederschlagsraten in „Region Q“ zu verzeichnen. Eine globale ITU-Regenzonenkarte und eine Auflistung der Niederschlagsraten in bestimmten Regionen der Welt sind in Abbildung 3 dargestellt.

 MMW Rain Fade Map für USA E-Band V-Band

Abbildung 3: ITU-Regenzonenklassifizierung verschiedener Regionen auf der ganzen Welt (oben) und tatsächliche statistische Niederschlagsraten als Funktion der Dauer des Regenereignisses

Abbildung 4 zeigt eine detailliertere Karte für Nordamerika und Australien. Es ist erwähnenswert, dass ungefähr 80% des kontinentalen US-Territoriums in die Regenzone K und darunter fallen. Mit anderen Worten, um mit einer Verfügbarkeit von 99.99% zu arbeiten, muss die Überblendungsspanne eines Funksystems so ausgelegt sein, dass sie einer maximalen Niederschlagsrate von 42 mm / Stunde standhält. Die höchsten Niederschlagsraten in Nordamerika sind in Florida und entlang der Golfküste zu beobachten. Diese Regionen werden der Regenzone N zugeordnet. Im Allgemeinen fällt in Australien weniger Regen als in Nordamerika. Riesige Teile dieses Landes, einschließlich der bevölkerungsreicheren Südküste, befinden sich in den Regenzonen E und F (<28 mm / h).

Zur Vereinfachung ist es durch Kombination der Ergebnisse von Abbildung 2 (Niederschlagsrate vs. Dämpfung) und Verwendung der in den Abbildungen 3 und 4 gezeigten ITU-Niederschlagsdiagramme möglich, die Verfügbarkeit eines bestimmten Funksystems zu berechnen, das in einem bestimmten Teil der Welt betrieben wird . Theoretische Berechnungen basierend auf Niederschlagsdaten für die USA, Europa und Australien zeigen, dass 70/80-GHz-Funkübertragungsgeräte eine GbE-Konnektivität bei einer statistischen Verfügbarkeit von 99.99… 99.999% über Entfernungen nahe einer Meile oder sogar darüber hinaus erreichen können. Bei einer Verfügbarkeit von weniger als 99.9% können routinemäßig Entfernungen von mehr als 2 Meilen erreicht werden. Bei der Konfiguration des Netzwerks in einer Ring- oder Maschentopologie verdoppeln sich die effektiven Entfernungen in einigen Fällen bei gleicher Verfügbarkeit aufgrund der dichten Clusterbildung schwerer Regenzellen und der Pfadredundanz, die Ring- / Maschentopologien bieten.

MMW Rain Fade Map Australien E-Band V_Band

Abbildung 4: ITU-Regenzonenklassifizierung für Nordamerika und Australien

Ein starker Vorteil der MMW-Technologie gegenüber anderen drahtlosen Lösungen mit hoher Kapazität wie der Freiraumoptik (FSO) besteht darin, dass MMW-Frequenzen nicht von anderen Übertragungsstörungen wie Nebel oder Sandstürmen beeinflusst werden. Dicker Nebel beispielsweise mit einem Flüssigwassergehalt von 0.1 g / m3 (Sichtweite ca. 50 m) hat bei 0.4/70 GHz nur eine Dämpfung von 80 dB / km [4]. Unter diesen Bedingungen erfährt ein FSO-System eine Signaldämpfung von mehr als 250 dB / km [5]. Diese extremen Dämpfungswerte zeigen, warum die FSO-Technologie nur über kürzere Entfernungen hohe Verfügbarkeitswerte liefern kann. E-Band-Funksysteme sind ebenfalls nicht von Staub, Sand, Schnee und anderen Übertragungswegbeeinträchtigungen betroffen.

Alternative drahtlose Technologien mit hoher Datenrate
Als Alternative zur drahtlosen E-Band-Technologie gibt es eine begrenzte Anzahl praktikabler Technologien, die Konnektivität mit hoher Datenrate unterstützen. Dieser Abschnitt des White Papers bietet einen kurzen Überblick.

Glasfaserkabel

Glasfaserkabel bieten die größte Bandbreite aller praktischen Übertragungstechnologien und ermöglichen die Übertragung sehr hoher Datenraten über große Entfernungen. Obwohl weltweit Tausende von Kilometern Glasfaser verfügbar sind, insbesondere in Langstrecken- und Überlandnetzen, bleibt der Zugang zur „Last-Mile“ begrenzt. Aufgrund erheblicher und oft unerschwinglich hoher Vorlaufkosten beim Graben von Gräben und Verlegen von Landfasern sowie bei Vorfahrtsproblemen kann der Zugang zu Fasern schwierig bis unmöglich sein. Lange Verzögerungen sind auch häufig, nicht nur aufgrund des physikalischen Prozesses des Grabens von Fasern, sondern auch aufgrund von Hindernissen, die durch Umweltauswirkungen und mögliche bürokratische Hürden bei einem solchen Projekt verursacht werden. Aus diesem Grund verbieten viele Städte auf der ganzen Welt Fasergräben aufgrund von Störungen des innerstädtischen Verkehrs und der allgemeinen Unannehmlichkeiten, die der Grabenprozess für die Öffentlichkeit verursacht.

Mikrowellenfunklösungen

Feste Punkt-zu-Punkt-Mikrowellenfunkgeräte unterstützen höhere Datenraten wie Vollduplex-Fast-Ethernet mit 100 Mbit / s oder bis zu 500 Mbit / s pro Träger in Frequenzbereichen zwischen 4 und 42 GHz. In den traditionelleren Mikrowellenbändern ist das Spektrum jedoch begrenzt, häufig überlastet und typische lizenzierte Spektralkanäle sind im Vergleich zum E-Band-Spektrum sehr eng.

Mikrowellen- und Millimeterwellen-MMW-Spektrum V-Band und E-Band

Abbildung 5: Vergleich zwischen Mikrowellenfunkgeräten mit hoher Datenrate und einer 70/80-GHz-Funklösung.

Im Allgemeinen betragen die für die Lizenzierung verfügbaren Frequenzkanäle häufig nicht mehr als 56 Megahertz (MHz), typischerweise jedoch 30 MHz oder weniger. In einigen Bändern sind möglicherweise breite 112-MHz-Kanäle verfügbar, die 880 Mbit / s pro Träger unterstützen können, jedoch nur in höheren Frequenzbändern, die für kurze Entfernungen geeignet sind. Folglich müssen Funkgeräte, die in diesen Bändern mit höheren Datenraten arbeiten, hochkomplexe Systemarchitekturen verwenden, die Modulationsschemata bis zu 1024 Quadrature Amplitude Modulation (QAM) verwenden. Solche hochkomplexen Systeme führen zu begrenzten Entfernungen, und der Durchsatz ist in den größten Kanälen immer noch auf Datenraten von 880 Mbit / s beschränkt. Aufgrund des begrenzten Spektrums, das in diesen Bändern verfügbar ist, der breiteren Antennenstrahlbreitenmuster und der Empfindlichkeit einer hohen QAM-Modulation gegenüber jeglicher Art von Interferenz ist ein dichterer Einsatz traditioneller Mikrowellenlösungen in städtischen oder städtischen Gebieten äußerst problematisch. Ein visueller Spektrumsvergleich zwischen den herkömmlichen Mikrowellenbändern und dem 70/80-GHz-Ansatz ist in Abbildung 5 dargestellt.

Millimeterwellen-Funklösungen mit 60 GHz (V-Band)
Die Frequenzzuweisungen innerhalb des 60-GHz-Spektrums und insbesondere die Zuweisungen zwischen 57 und 66 GHz variieren in verschiedenen Regionen der Welt erheblich. Die nordamerikanische FCC hat einen breiteren Frequenzspektrumblock zwischen 57 und 64 GHz veröffentlicht, der eine ausreichende Bandbreite für den Vollduplex-GbE-Betrieb bietet. Andere Länder haben diese spezielle Regelung nicht befolgt, und diese Länder haben nur Zugang zu viel kleineren und häufig kanalisierten Frequenzzuweisungen innerhalb des 60-GHz-Frequenzbandes. Die begrenzte Menge an verfügbarem Spektrum außerhalb der USA ermöglicht nicht den Bau kostengünstiger 60-GHz-Funklösungen mit hohen Datenraten in Europa, Ländern wie Deutschland, Frankreich und England, um nur einige zu nennen. Selbst in den USA begrenzt die geregelte Begrenzung der Sendeleistung in Verbindung mit den relativ schlechten Ausbreitungseigenschaften aufgrund der hohen Absorption in der Atmosphäre durch Sauerstoffmoleküle (siehe Abbildung 1) typische Verbindungsentfernungen auf weniger als eine halbe Meile. Um eine Leistung der Carrier-Klasse von 99.99… 99.999% Systemverfügbarkeit für große Teile des kontinentalen US-Territoriums zu erreichen, ist die Entfernung im Allgemeinen auf etwas mehr als 500 Meter begrenzt. FCC hat das 500-GHz-Spektrum als lizenzfreies Spektrum eingestuft. Im Gegensatz zu den höherfrequenten 60/70-GHz-Zuweisungen erfordert der Betrieb von 80-GHz-Funksystemen keine rechtliche Genehmigung oder Koordination. Einerseits ist die Verwendung nicht lizenzierter Technologie bei Endbenutzern sehr beliebt, gleichzeitig gibt es keinen Schutz vor versehentlichen oder absichtlichen Störungen. Zusammenfassend kann die Verwendung des 60-GHz-Spektrums insbesondere in den USA eine potenziell praktikable Alternative für Kurzstreckenbereitstellungen sein, aber die Technologie ist keine echte Alternative für Verbindungsentfernungen über 60 Meter und wenn eine Systemverfügbarkeit von 500 bis 99.99% erforderlich ist.

Freiraumoptik (FSO, Optical Wireless)
Die Freiraumoptik (FSO) verwendet Infrarotlasertechnologie, um Informationen zwischen entfernten Standorten zu übertragen. Die Technologie ermöglicht die Übertragung sehr hoher Datenraten von 1 Gbit / s und mehr. Die FSO-Technologie ist im Allgemeinen eine sehr sichere Übertragungstechnologie, ist aufgrund der extrem engen Eigenschaften des Übertragungsstrahls nicht sehr störanfällig und weltweit lizenzfrei.

Leider wird die Übertragung von Signalen in den optischen Infrarotbändern durch Nebel drastisch beeinflusst, wobei die atmosphärische Absorption 130 dB / km überschreiten kann [5]. Im Allgemeinen wirkt sich jede Art von Wetterbedingung, die die Sichtbarkeit zwischen zwei Standorten beeinträchtigt (z. B. Sand, Staub), auch auf die Leistung des FSO-Systems aus. Nebelereignisse und Staub- / Sandstürme können ebenfalls sehr lokalisiert und schwer vorherzusagen sein, und folglich ist die Vorhersage der Verfügbarkeit von FSO-Systemen schwieriger. Im Gegensatz zu extremen Regenereignissen, deren Dauer sehr kurz ist, können Nebel und Staub / Sandstürme auch sehr lange dauern (Stunden oder sogar Tage statt Minuten). Dies kann zu extrem langen Ausfällen bei FSO-Systemen führen, die unter solchen Bedingungen arbeiten.

Aus praktischer Sicht und unter Berücksichtigung von Verfügbarkeitszahlen von 99.99… 99.999% kann all dies die FSO-Technologie auf Entfernungen von nur einigen hundert Metern (300 Metern) beschränken. besonders in küsten- oder nebelgefährdeten Gebieten sowie in Regionen, in denen Sand- / Staubstürme auftreten. Um eine 100% ige Konnektivität bei der Bereitstellung von FSO-Systemen in solchen Umgebungen aufrechtzuerhalten, wird eine alternative Pfadtechnologie empfohlen.

Die Mehrheit der Branchenexperten ist sich einig, dass die FSO-Technologie eine interessante und möglicherweise kostengünstige Alternative für die drahtlose Verbindung entfernter Standorte über kürzere Entfernungen darstellen kann. Die Physik der Signaldämpfung im Infrarotspektrum wird diese Technologie jedoch immer auf sehr kurze Entfernungen beschränken.

Ein kurzer Vergleich der diskutierten und im Handel erhältlichen Übertragungstechnologien mit hoher Datenrate und ihrer wichtigsten Leistungstreiber ist in Tabelle 1 gezeigt.

MMW Im Vergleich zu anderen drahtlosen Technologien

Tabelle 1: Vergleichstabelle der im Handel erhältlichen drahtgebundenen und drahtlosen Übertragungstechnologien mit hoher Datenrate

Kommerziell erhältliche Millimeterwellenlösungen
Das CableFree Millimeter-Wave-Produktportfolio umfasst Punkt-zu-Punkt-Funklösungen mit einer Geschwindigkeit von 100 Mbit / s bis 10 Gbit / s (10 Gigabit Ethernet) im lizenzierten 70-GHz-E-Band-Spektrum und bis zu 1 Gbit / s im nicht lizenzierten 60-GHz-Spektrum. Die Systeme sind mit unterschiedlichen Antennengrößen erhältlich, um die Verfügbarkeitsanforderungen des Kunden über bestimmte Einsatzentfernungen zu den wettbewerbsfähigsten Preisen aller E-Band-Funkhersteller in der Branche zu erfüllen. Die E-Band-Funklösungen von Wireless Excellence arbeiten nur im unteren 5-GHz-Frequenzband des lizenzierten 70/80-GHz-E-Band-Spektrums und nicht gleichzeitig im 70-GHz- und im 80-GHz-Band. Infolgedessen sind Wireless Excellence-Produkte nicht anfällig für potenzielle Bereitstellungsbeschränkungen in der Nähe von astronomischen Standorten oder militärischen Einrichtungen in Europa, wo das Militär Teile des 80-GHz-Bandes für die militärische Kommunikation verwendet. Die Systeme sind einfach zu installieren und aufgrund der Niederspannungsversorgung mit 48 Volt Gleichstrom (VDC) ist für die Installation des Systems kein zertifizierter Elektriker erforderlich. Fotos der Wireless Excellence-Produkte sind in Abbildung 6 dargestellt.

CableFree MMW Link Wird in den VAE bereitgestellt

Abbildung 6: CableFree MMW-Funkgeräte sind kompakt und hochintegriert. 60cm Antennenversion gezeigt

Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
Um die heutigen Anforderungen an die Netzwerkkonnektivität mit hoher Kapazität zu erfüllen, stehen hochzuverlässige drahtlose Lösungen zur Verfügung, die eine faserähnliche Leistung zu einem Bruchteil der Kosten für das Verlegen von Glasfasern oder das Leasing von Glasfaserverbindungen mit hoher Kapazität bieten. Dies ist nicht nur unter dem Gesichtspunkt der Leistung / Kosten wichtig, sondern auch, weil Glasfaserverbindungen in „Last-Mile“ -Zugangsnetzen immer noch nicht sehr verbreitet sind und neueste Studien zeigen, dass in den USA nur 13.4% der Geschäftsgebäude mehr als 20 Mitarbeiter sind mit Glasfaser verbunden. In vielen anderen Ländern sind diese Zahlen sogar noch niedriger.

Es gibt verschiedene Technologien auf dem Markt, die Gigabit-Konnektivität für die Verbindung von Remote-Netzwerkstandorten bereitstellen können. Lizenzierte E-Band-Lösungen im Frequenzbereich von 70/80 GHz sind von besonderem Interesse, da sie bei Betriebsentfernungen von 1.6 km und mehr die höchsten Verfügbarkeitswerte der Carrier-Klasse liefern können. In den Vereinigten Staaten hat eine wegweisende FCC-Entscheidung von 2003 dieses Spektrum für die kommerzielle Nutzung geöffnet, und ein internetbasiertes kostengünstiges Lichtlizenzierungssystem ermöglicht es Benutzern, innerhalb weniger Stunden eine Lizenz für den Betrieb zu erhalten. Andere Länder haben und / oder sind derzeit dabei, das E-Band-Spektrum für die kommerzielle Nutzung zu öffnen. Nicht lizenzierte 60-GHz-Funkgeräte und FSO-Systeme (Free-Space-Optics) können ebenfalls Gigabit-Ethernet-Konnektivität bieten. Bei höheren Verfügbarkeitsniveaus der Trägerklasse von 99.99 bis 99.999% können beide Lösungen jedoch nur in reduzierten Entfernungen betrieben werden. Als einfache Faustregel und für die meisten Teile der USA können 60-GHz-Lösungen diese Hochverfügbarkeitsstufen nur dann bereitstellen, wenn sie in Entfernungen unter 500 Metern eingesetzt werden.

Bibliographie
● ITU-R S.676-6, „Dämpfung durch atmosphärische Gase“, 2005.
● ITU-R S.838-3, „Spezifisches Dämpfungsmodell für Regen zur Verwendung in Vorhersagemethoden“, 2005.
● ITU-R S.837-4, „Eigenschaften des Niederschlags für die Ausbreitungsmodellierung“, 2003.
● ITU-R S.840-3, „Dämpfung durch Wolken und Nebel“, 1999.

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