マイクロ波伝送

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0.001mmの沈殿可能な水蒸気レベルの乾燥空気中のマイクロ波の大気減衰。グラフの下向きのスパイクは、マイクロ波が酸素分子などによってより強く吸収される周波数に対応しています。
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マイクロ波伝送とは、電磁スペクトルマイクロ波範囲(1 m〜1 mm)の波長電磁波による情報の伝送ですマイクロ波信号は通常、視線に限定されるため、これらの信号を使用した長距離伝送には、マイクロ波リレーを形成する一連のリピーターが必要です。対流圏散乱を使用した地平線上通信でマイクロ波信号を使用することは可能ですが、そのようなシステムは高価であり、一般的に専門家の役割でのみ使用されます。

イギリス海峡を横断する実験的な40マイル(64 km)のマイクロ波通信リンクが1931年に実証されましたが、第二次世界大戦でのレーダーの開発はマイクロ通信の実用化のための技術を提供しました。戦争中、英国陸軍は、マイクロ波リレーを使用して長距離で8つの電話チャネルを多重化するワイヤレスセットNo.10を導入しました。イギリス海峡を横断するリンクにより、バーナード・モンゴメリー将軍はロンドンにある彼のグループ本部と継続的に連絡を取り合うことができました。

戦後、マイクロ波技術の開発は急速であり、北米とヨーロッパにいくつかの大陸横断マイクロ波中継システムが建設されました。これらのネットワークは、一度に何千もの電話をかけることに加えて、クロスカントリー放送用のテレビ信号を送信したり、後でコンピュータデータを送信したりするためにも使用されました。通信衛星は1970年代から80年代にテレビ放送市場を引き継ぎ、1980年代、特に90年代に長距離光ファイバーシステムが導入されたため、中継ネットワークは急速に崩壊し、そのほとんどが放棄されました。

近年、無線ネットワークや、テレビラジオを消費者の家に直接放送する直接放送衛星などの新しい通信技術によるマイクロ波スペクトルの使用が爆発的に増加しています。より大きな視線リンクは、携帯電話の塔間の接続を処理するために再び人気がありますが、これらは一般に長いリレーチェーンに編成されていません。

を使用します

マイクロ波は、波長が小さいため、受信アンテナに直接向けることができる細いビームにマイクロ波を向けることができるため、ポイントツーポイント通信に広く使用されています。これにより、近くのマイクロ波機器は、低周波数の電波のように、互いに干渉することなく同じ周波数を使用できます。この周波数の再利用により、希少な無線スペクトル帯域幅が節約されます。別の利点は、マイクロ波の高周波がマイクロ波帯域に非常に大きな情報伝達能力を与えることです。マイクロ波帯域の帯域幅は、他のすべての無線スペクトルの30倍です。その下。欠点は、マイクロ波が見通し内伝搬に制限されることです。低周波の電波のように丘や山を通り抜けることはできません。

ドイツバイエルン州ライスティングに拠点を置く、ErdfunkstelleRaisting用の放物線衛星アンテナ

マイクロ波無線伝送は、地球表面のポイントツーポイント 通信システム、衛星通信、および深宇宙無線通信で一般的に使用されています。マイクロ波無線帯域の他の部分は、レーダー電波航法システム、センサーシステム、および電波天文学に使用されます。

無線スペクトルの次に高い周波数帯域である30GHz〜300 GHzは、波長が10mmから1mmの範囲であるため、 「ミリメートル波」と呼ばれます。この帯域の電波は、大気のガスによって強く減衰されます。これにより、実際の伝送距離が数キロメートルに制限されるため、これらの周波数を長距離通信に使用することはできません。ミリ波帯に必要な電子技術も、マイクロ波帯よりも開発の初期段階にあります。

情報の無線送信

最近では、マイクロ波がワイヤレス電力伝送に使用されています。

マイクロ波無線継電器

米国AT&TLongLinesマイクロ波リレーネットワークの一部であるワシントン州シアトルの電話交換センターの屋上にあるCバンドホーンリフレクターアンテナ
ドイツハンブルクのハインリヒヘルツターンにある数十の電子レンジ料理

マイクロ波ラジオリレーは、1950年代と1960年代に、マイクロ波の狭いビーム上の2つの地上地点間で長距離電話テレビ番組などの情報を送信するために広く使用されている技術です。マイクロ波無線中継では、マイクロ波送信機指向性アンテナが、視線経路上の多くのチャネルの情報を運ぶマイクロ波の細いビームを別の中継局に送信し、そこで指向性アンテナで受信します。と受信機、2点間の固定無線接続を形成します。リンクは双方向であることが多く、両端で送信機と受信機を使用して両方向にデータを送信していました。視線の要件により、ステーション間の距離は視覚的な地平線、約30〜50マイル(48〜80 km)に制限されます。長距離の場合、受信ステーションはリレーとして機能し、受信した情報を移動中に別のステーションに再送信できます。マイクロ波中継局のチェーンは、大陸横断距離で通信信号を送信するために使用されました。マイクロ波中継局は、多くの場合、高層ビルや山頂に設置され、アンテナは最大距離を確保するために塔に設置されていました。

1950年代以降、米国のAT&T Long Linesシステムなどのマイクロ波リレーリンクのネットワークは、都市間で長距離電話やテレビ番組を放送していました。[1] TDXと呼ばれ、AT&Tによって構築された最初のシステムは、1947年にニューヨークとボストンを一連の8つの無線中継局に接続しました。[1] 1950年代を通じて、彼らはTD2として知られるわずかに改良されたバージョンのネットワークを全米に展開しましたこれらには、山脈や大陸にまたがる長いデイジーチェーンリンクが含まれていました。1970年代の通信衛星の打ち上げは、より安価な代替手段を提供しました。大陸横断交通の多くは現在、衛星によって運ばれています光ファイバですが、マイクロ波リレーは距離が短い場合でも重要です。

企画

南カリフォルニアのフレイザー山にある通信塔とマイクロ波リレー皿

電波は、あるアンテナから別のアンテナへの視線経路に限定された狭いビームで伝わるため、他のマイクロ波機器と干渉せず、近くのマイクロ波リンクで同じ周波数を使用できます。アンテナは指向性が高い(ゲインが高い)必要があります。これらのアンテナは、長距離を送信できるように、大きな電波塔などの高所に設置されています。無線中継リンクの設置に使用されるアンテナの典型的なタイプは、パラボラアンテナ、誘電体レンズ、およびホーンリフレクターアンテナで、直径は最大4メートルです。指向性の高いアンテナにより、伝送距離が長いにもかかわらず、利用可能な周波数スペクトルを経済的に使用できます。

デンマーク軍の無線中継ノード

使用される周波数が高いため、ステーション間の視線経路が必要です。さらに、ビームの減衰を回避するために、最初のフレネルゾーンと呼ばれるビームの周囲の領域に障害物がないようにする必要があります。信号フィールドの障害物は、不要な減衰を引き起こします。多くの場合、高い山頂または尾根の位置が理想的です。

テレビニュースによる遠隔放送に使用される生産トラックは、ライブビデオをスタジオに送り返すために格納式伸縮マストに電子レンジディッシュを備えています。

障害物、地球の湾曲、地域の地理、および近くの土地の使用に起因する受信の問題(製造業林業など)は、無線リンクを計画する際に考慮すべき重要な問題です。計画プロセスでは、伝送パスに影響を与える地形とフレネルゾーンに関する情報を提供する「パスプロファイル」を作成することが不可欠です。パスに沿った湖や川などの水面の存在も考慮に入れる必要があります。これは、ビームを反射する可能性があり、直接ビームと反射ビームが受信アンテナで干渉してマルチパスを引き起こす可能性があるためです。フェージング。マルチパスフェードは通常、小さなスポットと狭い周波数帯域でのみ深くなるため、これらの影響を軽減するために空間および/または周波数ダイバーシティスキームを適用できます。

大気成層の影響により、通常の状況では無線経路が下向きに曲がるので、地球の等価曲率が6370kmから約8500kmに増加するときに大きな距離が可能になります(4/3等価半径効果)。高さに対する温度、湿度、および圧力プロファイルのまれなイベントは、伝搬の大きな偏差と歪みを生成し、伝送品質に影響を与える可能性があります。特に10GHzを超える周波数では、高強度の雨や降雨フェージングも障害要因として考慮する必要があります。総称して経路損失として知られている以前のすべての要因、ほとんどの電気通信事業者の「キャリアクラス」サービスで使用される標準の99.99%または99.999%のように、リンクを高い割合で動作させるために、適切な電力マージンを計算する必要があります。

現在までに知られている最長のマイクロ波無線リレーは、ジェベルエルバ(2170m asl、 20°44′46.17″ N 36°50′24.65″ E、スーダン)とジェベルダッカ(スーダン)の間を360 km(200マイル)ホップして紅海を横断します。 2572m asl、21°5′36.89″ N 40°17′29.80″ E、サウジアラビア)。このリンクは、1979年にTelettraによって構築され、2GHzの周波数帯域で300の電話チャネルと1つのTV信号を送信します。(ホップ距離は、2つのマイクロ波ステーション間の距離です)。[2]  / 20.7461583°N36.8401806°E / 20.7461583; 36.8401806  / 21.0935806°N40.2916111°E / 21.0935806; 40.2916111

以前の考慮事項は、いわゆるバックボーンネットワークにマイクロ波を使用する地上無線リンクを特徴付ける典型的な問題を表しています。1990年代までは、ホップ長が数十キロメートル(通常は10〜60 km)でした。10 GHz未満の周波数帯域、とりわけ送信される情報は、固定容量ブロックを含むストリームでした。目標は、ブロック全体(Plesiochronous Digital Hierarchy 、PDH、またはSynchronous Digital Hierarchy、SDH)に対して要求された可用性を提供することでした。日中の短期間のリンクに影響を与えるフェージングおよび/またはマルチパスは、ダイバーシティアーキテクチャによって打ち消されなければなりませんでした。1990年代に、マイクロ波無線リンクがセルラーネットワークの都市リンクに広く使用されるようになりました。リンク距離に関する要件は、より短いホップ(10 km未満、通常は3〜5 km)に変更され、周波​​数は11〜43 GHzの帯域に、最近では86 GHz(Eバンド)に増加しました。さらに、リンク計画は激しい降雨を扱い、マルチパスをあまり扱わないため、ダイバーシティスキームはあまり使用されなくなりました。過去10年間に発生した別の大きな変化は、パケット無線伝送への進化でした。そのため、適応変調などの新しい対策が採用されています。

放出される電力は、セルラーシステムとマイクロ波システムで調整されます。これらのマイクロ波伝送は、通常0.03〜0.30 Wの放射電力を使用し、数度(1〜3〜4)発散する狭いビームのパラボラアンテナから放射されます。マイクロ波チャネルの配置は、国際電気通信連合(ITU-R)および地域の規制(ETSIFCC)によって規制されています。過去10年間で、各マイクロ波帯域の専用スペクトルは非常に混雑し、周波数再利用、偏波分割多重化XPICMIMOなどの伝送容量を増やすための技術の使用を動機付けています。

歴史

イギリス海峡を横切る1931年の実験的な1.7GHzマイクロ波リレーリンクのアンテナ。受信アンテナ(背景、右)は、干渉を避けるために送信アンテナの後ろに配置されました。
米国陸軍通信部隊のポータブルマイクロ波中継局、1945年。マイクロ波中継システムは、安全な軍事通信のために第二次世界大戦で最初に開発されました。

無線リレー通信の歴史は、1898年にオーストリアの雑誌ZeitschriftfürElectrotechnikにJohannMattauschが出版したことから始まりました。[3] [4]しかし、彼の提案は原始的であり、実際の使用には適していませんでした。無線信号を中継するための無線中継局を使った最初の実験は、1899年にEmileGuarini-Foresioによって行われました。[3]しかしながら、ラジオの最初の40年間に使用された低周波中波の電波は、地上波とスカイウェーブによって長距離を移動できることが証明されました。伝搬。無線リレーの必要性は、1940年代にマイクロ波が利用されるまで実際には始まりませんでした。マイクロ波は視線で移動したため、視界で約40マイル(64 km)の伝搬距離に制限されていました。

1931年、Andre C. Clavierが率いる英仏コンソーシアムは、10フィート(3 m)の皿を使用して、イギリス海峡を横断する実験的なマイクロ波リレーリンクを実証しました。[5]テレフォニー、電信、およびファクシミリのデータは、英国のドーバーとフランスのカレーの間で40マイル(64 km)の双方向1.7GHzビームを介して送信されました皿の焦点に配置された小型のBarkhausen-Kurzチューブによって生成された放射電力は、 0.5ワットでした。フランスのセントイングルバートと英国のリンプネの空港間の1933年の軍事マイクロ波リンクは56km(35マイル)の距離で、1935年には最初の商用マイクロ波リレーシステムである300MHzの通信リンクが続きました。[6]

第二次世界大戦中のレーダーの開発は、実用的なマイクロ波通信リンクを可能にするマイクロ波技術の多く、特にクライストロン発振器とパラボラアンテナを設計する技術を提供しました。一般的には知られていませんが、イギリス陸軍は第二次世界大戦中にこの役割で ワイヤレスセット番号10を使用しました。

戦後、電話会社はこの技術を使用して、長距離電話を伝送するための大規模なマイクロ波無線中継ネットワークを構築しました。1950年代に、米国の電話会社のユニットであるAT&T Long Linesは、米国の長距離電話トラフィックの大部分とテレビネットワーク信号を伝送するように成長した米国全体のマイクロ波リレーリンクの大陸横断システムを構築しました。[7]1946年にケーブルの代わりにマイクロ波ラジオを使用する主な動機は、大容量を迅速かつ低コストで設置できることでした。当時、マイクロ波無線の年間運用コストはケーブルよりも高くなると予想されていました。大容量を突然導入しなければならなかった主な理由は2つあります。戦時中の休止のために長距離電話サービスの需要が伸び悩んだことと、ラジオよりも多くの帯域幅を必要とした新しいテレビ媒体です。プロトタイプはTDXと呼ばれ、1946年にニューヨーク市とベル研究所のあるマレーヒルの間の接続でテストされました。TDXシステムは1947年にニューヨークとボストンの間に設置されました。TDXはTD2システムにアップグレードされました。送信機に[モートンチューブ、416B以降、Western Electric製の416C]を使用し、ソリッドステートエレクトロニクス。

冷戦時代の西ベルリンへのマイクロ波リレーリンクは注目に値しました。これは、技術的実現可能性の限界にある西ドイツとベルリンの間の距離が遠いため、建設および運用する必要がありました。電話網に加えて、テレビやラジオ放送の配信のためのマイクロ波リレーリンクもあります。これには、スタジオから全国に分散している放送システムへの接続や、たとえば番組交換のためのラジオ局間の接続が含まれていました。

軍用マイクロ波リレーシステムは、これらのシステムの多くが熱帯圏散乱または通信衛星システムに取って代わられた1960年代まで使用され続けましたNATO軍隊が結成されたとき、この既存の機器の多くは通信グループに移されました。その期間にNATOが使用した典型的な通信システムは、ホスト国の電話会社が使用するために開発された技術で構成されていました。米国の1つの例は、リジッド導波管ではなくフレキシブルUHFケーブルを利用したRCA CW-20A 1〜2GHzマイクロ波リレーシステムです。より高い周波数のシステムで必要とされるため、戦術的なアプリケーションに最適です。典型的なマイクロ波リレーの設置またはポータブルバンには、2つの視線サイトを接続する2つの無線システム(およびバックアップ)がありました。これらの無線機は、マイクロ波キャリア(つまり、Lenkurt 33C FDM)で多重化された24の電話チャネル周波数分割を伝送することがよくあります。代わりに、最大18のテレタイプ通信を伝送するように任意のチャネルを指定できます。ドイツや他の加盟国の 同様のシステムも使用されていました。

長距離マイクロ波リレーネットワークは、1980年代まで多くの国で構築されていました。このとき、この技術は、光ファイバケーブル通信衛星などのビットあたりのコストが低い新しい技術に固定操作のシェアを失いました。

電子レンジスパイ

冷戦中、国家安全保障局(NSA)などの米国の諜報機関は、流紋岩などの衛星を使用してソビエトのマイクロ波トラフィックを傍受できたと報告されています。[8]マイクロ波リンクのビームの多くは、受信アンテナを通過し、地平線に向かって宇宙空間に放射されます。静止衛星をビームの経路に配置することにより、マイクロ波ビームを受信することができます。

世紀の変わり目に、マイクロ波無線中継システムは携帯無線アプリケーションでますます使用されています。このテクノロジーは、運用コストの削減、インフラストラクチャの効率化、およびポータブル無線通信士への直接ハードウェアアクセスの提供により、このアプリケーションに特に適しています。

マイクロ波リンク

マイクロ波リンクは、マイクロ波周波数範囲の電波ビームを使用して、わずか数フィートまたは数メートルから数マイルまたはキロメートル離れた2つの場所間でビデオオーディオ、またはデータを送信する通信システムです。マイクロ波リンクは、たとえば、全国に番組を送信したり、外部の放送からスタジオに戻ったりするために、テレビ放送局によって一般的に使用されます。

モバイルユニットはカメラに取り付けることができるため、カメラはケーブルを引きずることなく自由に動き回ることができます。これらは、ステディカムシステムのスポーツフィールドのタッチラインでよく見られます。

マイクロ波リンクの特性

マイクロ波リンクの使用

  • 衛星と基地局間の通信
  • セルラーシステムのバックボーンキャリアとして
  • 短距離屋内通信
  • 銅線/光ファイバー回線を必要とせずに、リモートおよび地域の電話交換機をより大規模な(メイン)交換機にリンクする
  • 2つの場所の間のの強さを測定する

Troposcatter

地上のマイクロ波リレーリンクは、視覚的な地平線までの距離が制限されており、タワーの高さに応じて数十マイルまたはキロメートルになります。対流圏散乱(「対流圏散乱」または「散乱」)は、1950年代に開発された技術であり、地平線を越​​えて数百キロメートルの範囲までマイクロ波通信リンクを可能にします。送信機は、受信機に向かって地平線の上の浅い角度で、マイクロ波のビームを空に放射します。ビームが対流圏を通過するときマイクロ波エネルギーのごく一部は、空気中の水蒸気とほこりによって地面に向かって散乱されます。地平線を越​​えた敏感な受信機は、この反射信号を拾います。この方法で得られる信号の明瞭度は、天候やその他の要因に依存するため、信頼性の高いオーバーホライズン無線リレーリンクの作成には、高度な技術的困難が伴います。したがって、Troposcatterリンクは、軍事通信など、衛星やその他の長距離通信チャネルに依存できない特別な状況でのみ使用されます。

も参照してください

参照

  1. ^ a b 池、ノーマンH(2008)。チューブガイラス・コクラン。p。170. ISBN 9-780-9816-9230-2
  2. ^ Umberto Casiraghi(2010年5月21日)。「ビンテージドキュメント:紅海のリファレンスラジオリンクテレトラ、360kmおよび世界記録」Telettra 2012年10月2日取得–Facebook経由
  3. ^ a b Slyusar、Vadym。(2015)。中継局用の最初のアンテナ(PDF)アンテナの理論と技術に関する国際会議、2015年4月21〜24日、ウクライナ、ハルキウ。pp。254–255。
  4. ^ Mattausch、J.(1898年1月16日)。"TelegraphieohneDraht。EineStudie" [ワイヤーなしの電報。研究] (PDF)ZeitschriftfürElektrotechnik(ドイツ語)。ウィーンのElektrotechnischenVereines。XVI(3):35–36 –www.slyusar.kiev.ua経由。
  5. ^ 無料、EE(1931年8月)。「新しい7インチの波を備えたサーチライトラジオ」(PDF)ラジオニュース8、いいえ。2.ニューヨーク:RadioSciencePublications。pp。107–109 2015年3月24日取得
  6. ^ 「マイクロ波はイギリス海峡にまたがる」(PDF)短波クラフト6、いいえ。5.ニューヨーク:Popular Book Co.1935年9月。pp。262、310 2015年3月24日取得
  7. ^ 「シュガースクープアンテナはマイクロ波をキャプチャします」ポピュラーメカニクスハーストマガジン。1985年2月。p。87。
  8. ^ James Bamford(2008)。シャドウファクトリーダブルデイ。p。 176ISBN 978-0-385-52132-1
  9. ^ Kincaid、Cheryl-Annette(2007年5月)。ソーラーラジオバーストロケーター(MSc)によって収集されたマイクロ波スペクトルの分析。テキサス州デントン:ノーステキサス大学2012年10月2日取得–UNTデジタルライブラリ経由。
  • Microwave Radio Transmission Design Guide、Trevor Manning、Artech House、1999年

外部リンク