Tecnologia di collegamento a microonde

 

Introduzione al microonde

 

Esempio di installazione di un collegamento a microonde senza cavo

Il microonde è una tecnologia di comunicazione wireless a vista che utilizza fasci di onde radio ad alta frequenza per fornire connessioni wireless ad alta velocità in grado di inviare e ricevere informazioni vocali, video e dati.

I collegamenti a microonde sono ampiamente utilizzati per le comunicazioni punto-punto perché la loro piccola lunghezza d'onda consente ad antenne di dimensioni adeguate di dirigerli in fasci stretti, che possono essere puntati direttamente sull'antenna ricevente. Ciò consente alle apparecchiature a microonde vicine di utilizzare le stesse frequenze senza interferire tra loro, come fanno le onde radio a frequenza più bassa. Un altro vantaggio è che l'alta frequenza delle microonde conferisce alla banda delle microonde una capacità di trasporto di informazioni molto ampia; la banda delle microonde ha una larghezza di banda 30 volte quella di tutto il resto dello spettro radio sottostante.

La trasmissione radio a microonde è comunemente utilizzata nei sistemi di comunicazione punto a punto sulla superficie della Terra, nelle comunicazioni satellitari e nelle comunicazioni radio nello spazio profondo. Altre parti della banda radio a microonde vengono utilizzate per radar, sistemi di navigazione radio, sistemi di sensori e radioastronomia.

La parte superiore dello spettro elettromagnetico radio con frequenze sono superiori a 30 GHz e inferiori a 100 GHz, sono chiamate "onde millimetriche" perché le loro lunghezze d'onda sono convenientemente misurate in millimetri, e le loro lunghezze d'onda vanno da 10 mm fino a 3.0 mm. Le onde radio in questa banda sono solitamente fortemente attenuate dall'atmosfera terrestre e dalle particelle in essa contenute, specialmente durante il tempo umido. Inoltre, in un'ampia banda di frequenze intorno ai 60 GHz, le onde radio sono fortemente attenuate dall'ossigeno molecolare nell'atmosfera. Le tecnologie elettroniche necessarie nella banda delle onde millimetriche sono anche molto più complesse e difficili da produrre rispetto a quelle della banda delle microonde, quindi il costo delle radio ad onde millimetriche è generalmente più elevato.

Storia della comunicazione a microonde
James Clerk Maxwell, utilizzando le sue famose "equazioni di Maxwell", predisse l'esistenza di onde elettromagnetiche invisibili, di cui fanno parte le microonde, nel 1865. Nel 1888, Heinrich Hertz divenne il primo a dimostrare l'esistenza di tali onde costruendo un apparato che microonde prodotte e rilevate nella regione ad altissima frequenza. Hertz riconobbe che i risultati del suo esperimento convalidavano la previsione di Maxwell, ma non vide alcuna applicazione pratica per queste onde invisibili. Il lavoro successivo di altri ha portato all'invenzione delle comunicazioni wireless, basate sulle microonde. Hanno contribuito a questo lavoro Nikola Tesla, Guglielmo Marconi, Samuel Morse, Sir William Thomson (in seguito Lord Kelvin), Oliver Heaviside, Lord Rayleigh e Oliver Lodge.

Collegamento a microonde sul canale inglese, 1931

Nel 1931 un consorzio franco-statunitense dimostrò un collegamento sperimentale di relè a microonde attraverso il Canale della Manica utilizzando antenne di 10 metri, uno dei primi sistemi di comunicazione a microonde. I dati di telefonia, telegrafo e facsimile sono stati trasmessi su fasci di 3 GHz a 1.7 miglia tra Dover, Regno Unito e Calais, Francia. Tuttavia non poteva competere con le tariffe dei cavi sottomarini a buon mercato e un sistema commerciale pianificato non fu mai costruito.

Durante gli anni '1950 il sistema AT&T Long Lines di collegamenti a relè a microonde è cresciuto fino a trasportare la maggior parte del traffico telefonico a lunga distanza degli Stati Uniti, nonché i segnali delle reti televisive intercontinentali. Il prototipo si chiamava TDX ed è stato testato con un collegamento tra New York City e Murray Hill, dove si trovavano i Bell Laboratories nel 1946. Il sistema TDX è stato installato tra New York e Boston nel 1947.

Collegamenti commerciali moderni a microonde
Torre di comunicazione a microonde senza cavo

Torre di comunicazione a microonde

Un collegamento a microonde è un sistema di comunicazione che utilizza un raggio di onde radio nella gamma di frequenza delle microonde per trasmettere video, audio o dati tra due posizioni, che possono essere da pochi piedi o metri a diverse miglia o chilometri di distanza. Esempi di collegamenti commerciali a microonde di CableFree possono essere visualizzati qui. I moderni collegamenti a microonde possono trasportare fino a 400 Mbps in un canale a 56 MHz utilizzando la modulazione 256QAM e le tecniche di compressione dell'intestazione IP. Le distanze operative per i collegamenti a microonde sono determinate dalle dimensioni dell'antenna (guadagno), dalla banda di frequenza e dalla capacità del collegamento. La disponibilità di una chiara linea di vista è cruciale per i collegamenti a microonde per i quali deve essere consentita la curvatura della Terra

CableFree FOR2 Microonde Link 400 Mbps

I collegamenti a microonde sono comunemente usati dalle emittenti televisive per trasmettere programmi in un paese, ad esempio, o da una trasmissione esterna a uno studio. Le unità mobili possono essere montate su telecamera, consentendo alle telecamere la libertà di muoversi senza trascinare cavi. Questi sono spesso visti sulle linee laterali dei campi sportivi sui sistemi Steadicam.

Progettazione di collegamenti a microonde
● I collegamenti CableFree Microwave devono essere pianificati considerando i seguenti parametri:
● Distanza richiesta (km / miglia) e capacità (Mbps)
● Obiettivo di disponibilità desiderato (%) per il collegamento
● Disponibilità di Clear Line of Sight (LOS) tra i nodi finali
● Torri o alberi se necessario per ottenere una chiara LOS
● Bande di frequenza consentite specifiche per regione / paese
● Vincoli ambientali, inclusa la caduta della pioggia
● Costo delle licenze per le bande di frequenza richieste
 
 

Bande di frequenza a microonde

I segnali a microonde sono spesso suddivisi in tre categorie:

frequenza ultraelevata (UHF) (0.3-3 GHz);
altissima frequenza (SHF) (3-30 GHz); e
frequenza estremamente alta (EHF) (30-300 GHz).
Inoltre, le bande di frequenza delle microonde sono designate da lettere specifiche. Di seguito vengono fornite le designazioni della Radio Society of Great Britain.
Bande di frequenza microonde
Designazione Gamma di frequenza
● Banda L da 1 a 2 GHz
● Banda S da 2 a 4 GHz
● Banda C da 4 a 8 GHz
● Banda X da 8 a 12 GHz
● Banda Ku da 12 a 18 GHz
● Banda K da 18 a 26.5 GHz
Banda Ka da 26.5 a 40 GHz
● Banda Q da 30 a 50 GHz
● Banda U da 40 a 60 GHz
● Banda V da 50 a 75 GHz
● Banda E da 60 a 90 GHz
● Banda W da 75 a 110 GHz
● Banda F da 90 a 140 GHz
● Banda D da 110 a 170 GHz

Il termine "banda P" viene talvolta utilizzato per frequenze ultra alte al di sotto della banda L. Per altre definizioni, vedere Designazioni in lettere delle bande a microonde

Le frequenze microonde inferiori vengono utilizzate per collegamenti più lunghi e le regioni con maggiore dissolvenza della pioggia. Al contrario, le frequenze più alte vengono utilizzate per collegamenti più brevi e regioni con minore dissolvenza della pioggia.

Dissolvenza pioggia sui collegamenti a microonde

Microwave Link Rain FadeRain fade si riferisce principalmente all'assorbimento di un segnale a radiofrequenza (RF) a microonde da pioggia atmosferica, neve o ghiaccio e perdite che sono particolarmente prevalenti a frequenze superiori a 11 GHz. Si riferisce anche al degrado di un segnale causato dall'interferenza elettromagnetica del bordo d'attacco di un fronte di tempesta. Lo sbiadimento della pioggia può essere causato da precipitazioni nella posizione di uplink o downlink. Tuttavia, non è necessario che piova in un luogo perché sia ​​influenzato dalla dissolvenza della pioggia, poiché il segnale può passare attraverso precipitazioni a molte miglia di distanza, specialmente se l'antenna parabolica ha un angolo di visione basso. Dal 5 al 20 percento della dissolvenza da pioggia o dell'attenuazione del segnale satellitare possono anche essere causati da pioggia, neve o ghiaccio sul riflettore dell'antenna uplink o downlink, sul radome o sulla tromba di alimentazione. La dissolvenza della pioggia non si limita agli uplink o ai downlink satellitari, ma può anche influenzare i collegamenti a microonde punto-punto terrestri (quelli sulla superficie terrestre).

Possibili modi per superare gli effetti della dissolvenza dalla pioggia sono la diversità del sito, il controllo della potenza di uplink, la codifica a velocità variabile, le antenne di ricezione più grandi (cioè un guadagno maggiore) rispetto alle dimensioni richieste per condizioni meteorologiche normali e rivestimenti idrofobici.

Diversità nei collegamenti a microonde
 

Esempio di collegamento a microonde non protetto 1 + 0

Nei collegamenti a microonde terrestri, uno schema di diversità si riferisce a un metodo per migliorare l'affidabilità di un segnale di messaggio utilizzando due o più canali di comunicazione con caratteristiche differenti. La diversità gioca un ruolo importante nella lotta allo sbiadimento e alle interferenze co-canalizzate e nell'evitare gli errori. Si basa sul fatto che i singoli canali sperimentano diversi livelli di dissolvenza e interferenza. Versioni multiple dello stesso segnale possono essere trasmesse e / o ricevute e combinate nel ricevitore. In alternativa, è possibile aggiungere un codice di correzione di errore in avanti ridondante e diverse parti del messaggio possono essere trasmesse su canali differenti. Le tecniche di diversità possono sfruttare la propagazione multipath, risultando in un guadagno di diversità, spesso misurati indecibel.

Le seguenti classi di schemi di diversità sono tipiche nei collegamenti a microonde terrestri:
● Non protetto: i collegamenti a microonde in cui non è presente diversità o protezione sono classificati come Non protetti e anche 1 + 0. È installato un set di apparecchiature e nessuna diversità o backup
● Hot Standby: due set di apparecchiature a microonde (ODU o radio attive) sono installati generalmente collegati alla stessa antenna, sintonizzata sullo stesso canale di frequenza. Uno è "spento" o in modalità standby, generalmente con il ricevitore attivo ma il trasmettitore disattivato. Se l'unità attiva si guasta, viene spenta e l'unità di standby viene attivata. Hot Standby è abbreviato in HSB e viene spesso utilizzato in configurazioni 1 + 1 (una attiva, una in standby).
● Diversità di frequenza: il segnale viene trasmesso utilizzando diversi canali di frequenza o distribuito su un ampio spettro influenzato dalla dissolvenza selettiva in frequenza. I collegamenti radio a microonde utilizzano spesso diversi canali radio attivi più un canale di protezione per l'uso automatico da parte di qualsiasi canale sbiadito. Questo è noto come protezione N + 1
● Diversità dello spazio: il segnale viene trasmesso su diversi percorsi di propagazione. Nel caso della trasmissione cablata, ciò può essere ottenuto trasmettendo tramite più fili. Nel caso della trasmissione senza fili, può essere ottenuta mediante diversità di antenna utilizzando più antenne di trasmissione (diversità di trasmissione) e / o più antenne di ricezione (diversità di ricezione).
● Diversità di polarizzazione: più versioni di un segnale vengono trasmesse e ricevute tramite antenne con polarizzazione diversa. Una tecnica di combinazione della diversità viene applicata sul lato del ricevitore.

Failover resiliente a percorsi diversi

Nei sistemi terrestri a microonde punto a punto che vanno da 11 GHz a 80 GHz, un collegamento di backup parallelo può essere installato insieme a una connessione a larghezza di banda più elevata soggetta a dissolvenza di pioggia. In questa disposizione, si può calcolare che un collegamento primario come un ponte a microonde full duplex a 80 GHz e 1 Gbit / s abbia un tasso di disponibilità del 99.9% per un periodo di un anno. Il tasso di disponibilità calcolato del 99.9% significa che il collegamento potrebbe essere interrotto per un totale cumulativo di dieci o più ore all'anno quando i picchi delle tempeste di pioggia passano sull'area. Un collegamento secondario con larghezza di banda inferiore, come un bridge da 5.8 Mbit / s basato su 100 GHz, può essere installato parallelamente al collegamento primario, con router su entrambe le estremità che controllano il failover automatico al bridge da 100 Mbit / s quando il collegamento primario da 1 Gbit / s è inattivo a causa della pioggia dissolvenza. Utilizzando questa disposizione, è possibile installare collegamenti punto a punto ad alta frequenza (23 GHz +) in posizioni di servizio a molti chilometri di distanza rispetto a quanto potrebbe essere servito con un singolo collegamento che richiede il 99.99% di uptime nel corso di un anno.

Codifica e modulazione automatica (ACM)
 

Codifica e modulazione adattiva a microonde (ACM)

Link Adaptive, o Adaptive Coding and Modulation (ACM), è un termine utilizzato nelle comunicazioni wireless per indicare l'adattamento della modulazione, della codifica e di altri parametri di segnale e protocollo alle condizioni sul collegamento radio (ad esempio la perdita di percorso, l'interferenza dovuta a segnali provenienti da altri trasmettitori, la sensibilità del ricevitore, il margine di potenza del trasmettitore disponibile, ecc.). Ad esempio, EDGE utilizza un algoritmo di adattamento della velocità che adatta lo schema di modulazione e codifica (MCS) in base alla qualità del canale radio e quindi al bit rate e alla robustezza della trasmissione dei dati. Il processo di adattamento del collegamento è dinamico e i parametri del segnale e del protocollo cambiano al variare delle condizioni del collegamento radio.

L'obiettivo della modulazione adattiva è migliorare l'efficienza operativa dei collegamenti a microonde aumentando la capacità di rete sull'infrastruttura esistente, riducendo la sensibilità alle interferenze ambientali.
Modulazione adattiva significa variare dinamicamente la modulazione senza errori per massimizzare il rendimento in condizioni di propagazione momentanea. In altre parole, un sistema può funzionare al massimo rendimento in condizioni di cielo sereno e ridurlo
gradualmente sotto la pioggia svanisce. Ad esempio, un collegamento può cambiare da 256QAM a QPSK per mantenere il "collegamento attivo" senza perdere la connessione. Prima dello sviluppo della codifica automatica e della modulazione, i progettisti di microonde dovevano progettare per le condizioni "peggiori" per evitare l'interruzione del collegamento. I vantaggi dell'utilizzo di ACM includono:
● Lunghezze di collegamento più lunghe (distanza)
● Utilizzo di antenne più piccole (consente di risparmiare spazio sull'albero, spesso richiesto anche nelle aree residenziali)
● Maggiore disponibilità (affidabilità del collegamento)

Controllo automatico della potenza di trasmissione (ATPC)

I collegamenti CableFree Microwave sono dotati di ATPC che aumenta automaticamente la potenza di trasmissione durante le condizioni di "Fade" come forti piogge. ATPC può essere utilizzato separatamente per ACM o insieme per massimizzare il tempo di attività, la stabilità e la disponibilità del collegamento. Quando le condizioni di "dissolvenza" (precipitazioni) sono terminate, il sistema ATPC riduce nuovamente la potenza di trasmissione. Questo riduce lo stress sugli amplificatori di potenza a microonde, riducendo il consumo di energia, la generazione di calore e aumenta la durata prevista (MTBF)

Usi dei collegamenti a microonde
Collegamenti backbone e comunicazione "Last Mile" per gli operatori di rete cellulare
Collegamenti backbone per provider di servizi Internet (ISP) e ISP wireless (WISP)
Reti aziendali per siti da edificio a edificio e campus
Telecomunicazioni, nel collegamento di centrali telefoniche remote e regionali a centrali più grandi (principali) senza la necessità di linee in rame / fibra ottica.
Trasmissione televisiva con standard HD-SDI e SMPTE

Impresa

Grazie alla scalabilità e alla flessibilità della tecnologia Microwave, i prodotti Microwave possono essere implementati in molte applicazioni aziendali tra cui connettività da edificio a edificio, ripristino di emergenza, ridondanza di rete e connettività temporanea per applicazioni come dati, voce e dati, servizi video, imaging medico , CAD e servizi di ingegneria e bypass di rete fissa.

Backhaul dell'operatore mobile
 

Backhaul a microonde nelle reti cellulari

I collegamenti a microonde sono uno strumento prezioso nel backhaul dell'operatore mobile: la tecnologia a microonde può essere implementata per fornire la connettività di backhaul tradizionale PDH 16xE1 / T1, STM-1 e STM-4 e Modern IP Gigabit Ethernet e reti mobili Greenfield. Il microonde è molto più veloce da installare e riduce il costo totale di proprietà per gli operatori di rete cellulare rispetto alla distribuzione o al noleggio di reti in fibra ottica

Reti a bassa latenza
Le versioni CableFree a bassa latenza dei collegamenti a microonde utilizzano la tecnologia di collegamento a microonde a bassa latenza, con un ritardo assolutamente minimo tra i pacchetti trasmessi e ricevuti all'altra estremità, ad eccezione del ritardo di propagazione della linea di vista. La velocità di propagazione delle microonde nell'aria è superiore di circa il 40% rispetto alle fibre ottiche, offrendo ai clienti un'immediata riduzione del 40% della latenza rispetto alle fibre ottiche. Inoltre, le installazioni in fibra ottica non sono quasi mai in linea retta, con la realtà della disposizione degli edifici, i condotti stradali e la necessità di utilizzare l'infrastruttura di telecomunicazioni esistente, il percorso in fibra può essere del 100% più lungo del percorso diretto della linea di vista tra due punti finali. Quindi i prodotti a microonde a bassa latenza CableFree sono popolari nelle applicazioni a bassa latenza come il trading ad alta frequenza e altri usi.

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