.svg/1280px-Atmospheric_Microwave_Transmittance_at_Mauna_Kea_(simulated).svg.png){kind=spacer}
Микроволновая передача — это передача информации электромагнитными волнами с длинами волн в диапазоне микроволновых частот от 300 МГц до 300 ГГц (длина волны 1 м — 1 мм) электромагнитного спектра . Микроволновые сигналы обычно ограничены прямой видимостью , поэтому передача на большие расстояния с использованием этих сигналов требует ряда ретрансляторов, образующих микроволновую ретрансляционную сеть. Можно использовать микроволновые сигналы в загоризонтной связи с использованием тропосферного рассеяния , но такие системы дороги и обычно используются только в специализированных целях.
Хотя экспериментальная микроволновая линия связи длиной 40 миль (64 км) через Ла-Манш была продемонстрирована в 1931 году, развитие радаров во время Второй мировой войны предоставило технологию для практического использования микроволновой связи. Во время войны британская армия представила беспроводной комплект № 10, который использовал микроволновые реле для мультиплексирования восьми телефонных каналов на большие расстояния. Связь через Ла-Манш позволяла генералу Бернарду Монтгомери поддерживать постоянную связь со штабом своей группы в Лондоне.
В послевоенное время развитие микроволновой техники было быстрым, что привело к строительству нескольких трансконтинентальных систем микроволновой ретрансляции в Северной Америке и Европе. Помимо одновременной передачи тысяч телефонных звонков, эти сети также использовались для отправки телевизионных сигналов для вещания по всей стране, а затем и компьютерных данных. Спутники связи захватили рынок телевизионного вещания в 1970-х и 80-х годах, а внедрение оптоволоконных систем дальней связи в 1980-х и особенно 90-х годах привело к быстрому выходу из строя ретрансляционных сетей, большинство из которых заброшены.
В последние годы наблюдается взрывной рост использования микроволнового спектра новыми телекоммуникационными технологиями, такими как беспроводные сети и спутники прямого вещания , которые транслируют телевидение и радио непосредственно в дома потребителей. Более крупные каналы прямой видимости снова стали популярны для организации соединений между вышками мобильной телефонной связи, хотя они, как правило, не организованы в длинные ретрансляционные цепи.
Микроволны широко используются для связи «точка-точка» , поскольку их небольшая длина волны позволяет антеннам удобного размера направлять их узкими лучами, которые можно направить прямо на приемную антенну. Это позволяет расположенному рядом микроволновому оборудованию использовать одни и те же частоты, не мешая друг другу, как это делают низкочастотные радиоволны. Такое повторное использование частот сохраняет ограниченную полосу радиочастотного спектра. Еще одним преимуществом является то, что высокая частота микроволн придает микроволновому диапазону очень большую пропускную способность информации; микроволновый диапазон имеет ширину полосы в 30 раз больше, чем весь остальной радиоспектр ниже него. Недостатком является то, что микроволны распространяются только в пределах прямой видимости ; они не могут проходить вокруг холмов или гор, как это могут делать низкочастотные радиоволны.
Микроволновая радиопередача обычно используется в системах связи «точка-точка» на поверхности Земли, в спутниковой связи и в радиосвязи в дальнем космосе . Остальные части диапазона микроволнового радио используются для радаров , радионавигационных систем, сенсорных систем и радиоастрономии .
Следующий более высокий диапазон частот радиоспектра , между 30 ГГц и 300 ГГц, называется « миллиметровыми волнами », поскольку их длины волн варьируются от 10 до 1 мм. Радиоволны этого диапазона сильно ослабляются газами атмосферы . Это ограничивает практическую дальность их передачи несколькими километрами, поэтому эти частоты нельзя использовать для связи на большие расстояния. Электронные технологии, необходимые для работы в миллиметровом диапазоне волн, также находятся на более ранней стадии развития, чем технологии в микроволновом диапазоне.
Совсем недавно микроволны стали использоваться для беспроводной передачи энергии .
Микроволновая радиорелейная связь — это технология, широко использовавшаяся в 1950-х и 1960-х годах для передачи информации, такой как междугородние телефонные звонки и телевизионные программы , между двумя наземными точками по узкому лучу микроволн. В микроволновой радиореле микроволновый передатчик и направленная антенна передают узкий луч микроволн, переносящий множество каналов информации по тракту прямой видимости на другую ретрансляционную станцию, где она принимается направленной антенной и приемником, образуя фиксированную радиосвязь между два пункта. Связь часто была двунаправленной: на каждом конце использовались передатчик и приемник для передачи данных в обоих направлениях. Требование прямой видимости ограничивает расстояние между станциями до визуального горизонта примерно от 30 до 50 миль (от 48 до 80 км). На больших расстояниях принимающая станция может функционировать как ретранслятор, ретранслируя полученную информацию на другую станцию по пути следования. Цепи микроволновых ретрансляционных станций использовались для передачи телекоммуникационных сигналов на трансконтинентальные расстояния. Ретрансляционные микроволновые станции часто располагались на высоких зданиях и вершинах гор, а их антенны располагались на башнях для обеспечения максимальной дальности действия.
Начиная с 1950-х годов сети микроволновой ретрансляции, такие как система AT&T Long Lines в США, обеспечивали междугородние телефонные звонки и телевизионные программы между городами. [1] Первая система, получившая название TDX и построенная AT&T, соединила Нью-Йорк и Бостон в 1947 году с помощью серии из восьми радиорелейных станций. [1] В 1950-х годах они развернули в США сеть слегка улучшенной версии, известную как TD2 . В их число входили длинные звенья, соединенные в гирлянды , которые пересекали горные хребты и охватывали континенты. Запуск спутников связи в 1970-х годах стал более дешевой альтернативой. Большая часть трансконтинентального трафика сейчас передается через спутники и оптические волокна , но микроволновая ретрансляция остается важной для более коротких расстояний.
Поскольку радиоволны распространяются узкими лучами, ограниченными прямой видимостью от одной антенны к другой, они не создают помех другому микроволновому оборудованию, поэтому близлежащие микроволновые каналы могут использовать одни и те же частоты. Антенны должны быть остронаправленными (с высоким коэффициентом усиления ); эти антенны устанавливаются на возвышенностях, таких как большие радиовышки, чтобы иметь возможность передавать данные на большие расстояния. Типичными типами антенн, используемых в установках радиорелейной связи, являются параболические антенны , диэлектрические линзы и рупорно-рефлекторные антенны диаметром до 4 м (13 футов). Антенны с высокой направленностью позволяют экономно использовать доступный частотный спектр, несмотря на большие расстояния передачи.
Из-за используемых высоких частот требуется прямая видимость между станциями. Кроме того, чтобы избежать затухания луча, область вокруг луча, называемая первой зоной Френеля, должна быть свободна от препятствий. Препятствия в поле сигнала вызывают нежелательное затухание . Позиции на высоких горных вершинах или хребтах часто являются идеальными.
В дополнение к обычным ретрансляторам, в которых используются параллельные радиопередатчики, передающие на разных частотах, препятствия в микроволновых трактах можно устранить с помощью пассивного ретранслятора или ретрансляторов на одной частоте.
Препятствия, кривизна Земли, география местности и проблемы приема, возникающие в результате использования близлежащих земель (например, в промышленности и лесном хозяйстве), являются важными вопросами, которые следует учитывать при планировании радиосвязи. В процессе планирования важно создать «профили пути», которые предоставляют информацию о местности и зонах Френеля, влияющих на путь передачи. Также необходимо учитывать наличие водной поверхности, например озера или реки, вдоль трассы, поскольку она может отражать луч, а прямой и отраженный луч могут создавать помехи в приемной антенне, вызывая многолучевое замирание. Многолучевые замирания обычно бывают глубокими только в небольшом пятне и узкой полосе частот, поэтому для смягчения этих эффектов можно применять схемы пространственного и/или частотного разнесения .
Эффекты атмосферной стратификации заставляют радиотрассу изгибаться вниз в типичной ситуации, поэтому возможно преодоление большого расстояния, поскольку эквивалентная кривизна Земли увеличивается с 6370 км (3960 миль) до примерно 8500 км (5300 миль) (эквивалентный радиус 4/3). эффект). Редкие изменения температуры, влажности и давления в зависимости от высоты могут привести к большим отклонениям и искажениям распространения и повлиять на качество передачи. Интенсивный дождь и снег, вызывающие затухание дождя, также следует рассматривать как фактор ухудшения, особенно на частотах выше 10 ГГц. Все предыдущие факторы, известные под общим названием потери на пути , требуют расчета подходящего запаса мощности, чтобы поддерживать соединение в рабочем состоянии в течение большого процента времени, например, стандартные 99,99% или 99,999%, используемые в услугах операторского класса большинства операторы связи.
Самое длинное известное на сегодняшний день микроволновое радиореле пересекает Красное море с перелетом в 360 км (220 миль) между Джебель-Эрбой (2170 м (7120 футов) над уровнем моря, 20 ° 44'46,17 "N 36 ° 50'24,65" E /20,7461583°N 36,8401806°E / 20,7461583; 36,8401806 , Судан) и Джебель-Дакка (2572 м (8438 футов) над уровнем моря, 21°5′36,89″ с.ш. 40°17′29,80″ в.д. /21.0935806°с.ш. 40.2916111°в.д./21.0935806; 40.2916111 , Саудовская Аравия). Линия была построена в 1979 году компанией Telettra для передачи 300 телефонных каналов и одного телевизионного сигнала в диапазоне частот 2 ГГц. (Расстояние перехода — это расстояние между двумя микроволновыми станциями). [2] [ ненадежный источник? ]
Предыдущие соображения представляют собой типичные проблемы, характеризующие наземные радиолинии, использующие микроволновое излучение для так называемых магистральных сетей: пролеты длиной в несколько десятков километров (обычно от 10 до 60 км (от 6,2 до 37,3 миль)) в основном использовались до 1990-х годов. Полосы частот ниже 10 ГГц и, прежде всего, передаваемая информация представляли собой поток, содержащий блок фиксированной емкости. Целью было обеспечить запрошенную доступность для всего блока ( плезиохронная цифровая иерархия , PDH или синхронная цифровая иерархия , SDH). Замирание и/или многолучевое распространение, влияющее на канал в течение короткого периода времени в течение дня, должно было противодействовать архитектуре разнесения. В 1990-е годы микроволновая радиосвязь начала широко использоваться для городских связей в сотовой сети . Требования к расстоянию линии изменились на более короткие переходы (менее 10 км (6,2 миль), обычно от 3 до 5 км (1,9–3,1 мили)), а частота увеличилась до диапазонов от 11 до 43 ГГц, а в последнее время - до 86 ГГц ( E-диапазон). Кроме того, планирование линий связи в большей степени связано с интенсивными дождями, а не с многолучевым распространением, поэтому схемы разнесения стали использоваться реже. Еще одним большим изменением, произошедшим за последнее десятилетие, стал переход к пакетной радиопередаче . Поэтому были приняты новые контрмеры, такие как адаптивная модуляция .
Излучаемая мощность регулируется для сотовых и микроволновых систем. В этих микроволновых передачах используется излучаемая мощность обычно от 0,03 до 0,30 Вт, излучаемая параболической антенной в узком луче, расходящемся на несколько градусов (от 1 до 3-4). Расположение микроволновых каналов регулируется Международным союзом электросвязи ( ITU-R ) и местными правилами ( ETSI , FCC ). За последнее десятилетие выделенный спектр для каждого микроволнового диапазона стал чрезвычайно переполнен, что мотивирует использование методов увеличения пропускной способности, таких как повторное использование частот, мультиплексирование с поляризационным разделением каналов , XPIC , MIMO .
История радиорелейной связи началась в 1898 году с публикации Иоганна Маттауша в австрийском журнале Zeitschrift für Elektrotechnik. [3] [4] Но его предложение было примитивным и не пригодным для практического использования. Первые эксперименты с радиоретрансляционными станциями для передачи радиосигналов были проведены в 1899 году Эмилем Гуарини-Форезио. [3] Однако низкочастотные и среднечастотные радиоволны, использовавшиеся в течение первых 40 лет радиосвязи, оказались способны преодолевать большие расстояния за счет распространения земных и небесных волн . [ нужна цитата ]
В 1931 году англо-французский консорциум, возглавляемый Андре К. Клавье, продемонстрировал экспериментальную микроволновую ретрансляционную линию через Ла-Манш с использованием 10-футовых (3-метровых) антенн. [5] Телефонные, телеграфные и факсимильные данные передавались по двунаправленным лучам 1,7 ГГц на расстояние 40 миль (64 км) между Дувром , Великобритания, и Кале , Франция. Излучаемая мощность, создаваемая миниатюрной трубкой Баркгаузена-Курца , расположенной в фокусе антенны, составляла полватта. За военной микроволновой линией 1933 года между аэропортами Сент-Инглеверт, Франция, и Лимпном, Великобритания, на расстоянии 56 км (35 миль), в 1935 году последовала телекоммуникационная линия на частоте 300 МГц, первая коммерческая микроволновая ретрансляционная система. [6]
Развитие радаров во время Второй мировой войны обеспечило большую часть микроволновых технологий, которые сделали возможными практические линии микроволновой связи, в частности клистронный генератор и методы проектирования параболических антенн. Хотя это и не широко известно, британская армия использовала беспроводной комплект номер 10 в этой роли во время Второй мировой войны. [ нужна цитата ] Потребность в радиореле на самом деле возникла только в 1940-х годах, когда начали эксплуатировать микроволны , которые распространялись по прямой видимости и поэтому были ограничены расстоянием распространения около 40 миль (64 км) по визуальному горизонту. [ нужна цитата ]
После войны телефонные компании использовали эту технологию для создания крупных сетей микроволновой радиорелейной связи для осуществления междугородных телефонных звонков. В 1950-х годах подразделение американского телефонного оператора AT&T Long Lines построило трансконтинентальную систему микроволновых ретрансляционных линий по всей территории США, которая выросла для передачи большей части междугороднего телефонного трафика в США, а также сигналов телевизионных сетей . [7] Основной мотивацией в 1946 году использовать микроволновое радио вместо кабеля было то, что большую мощность можно было установить быстро и с меньшими затратами. [ нужна цитата ] В то время ожидалось, что годовые эксплуатационные расходы на микроволновое радио будут выше, чем на кабельное. Было две основные причины, по которым пришлось внезапно ввести большую пропускную способность: неудовлетворенный спрос на междугородную телефонную связь из-за перерыва в годы войны и новое средство телевидения - телевидение, которому требовалась большая полоса пропускания, чем радио. [ нужна цитация ] Прототип назывался TDX и был протестирован на связи между Нью-Йорком и Мюррей-Хилл, где располагались лаборатории Bell, в 1946 году. [ нужна цитация ] Система TDX была установлена между Нью-Йорком и Бостоном в 1947 году. TDX был модернизирован до системы TD2, в передатчиках которой использовалась [лампа Мортона, 416B и позже 416C, производства Western Electric], а затем до TD3, в которой использовалась полупроводниковая электроника . [ нужна цитата ]
Примечательными были микроволновые ретрансляционные линии связи с Западным Берлином во время холодной войны , которые необходимо было построить и эксплуатировать из-за большого расстояния между Западной Германией и Берлином, которое было на грани технической осуществимости. Помимо телефонной сети, существуют также радиорелейные линии связи для распространения теле- и радиопередач. Это включало подключение студий к системам вещания, распределенным по всей стране, а также между радиостанциями, например, для обмена программами. [ нужна цитата ]
Военные микроволновые ретрансляционные системы продолжали использоваться до 1960-х годов, когда многие из этих систем были заменены системами тропосферного рассеяния или спутниковыми системами связи. Когда было сформировано военное подразделение НАТО , большая часть имевшегося оборудования была передана группам связи. Типичные системы связи, используемые НАТО в тот период, состояли из технологий, которые были разработаны для использования операторами телефонной связи в принимающих странах. Одним из примеров из США является микроволновая релейная система RCA CW-20A 1–2 ГГц, в которой использовался гибкий кабель УВЧ , а не жесткий волновод , необходимый для более высокочастотных систем, что делает ее идеальной для тактических применений. Типичная установка микроволнового реле или портативный фургон имели две радиосистемы (плюс резервную), соединяющие две точки прямой видимости . Эти радиостанции часто передавали 24 телефонных канала с частотным разделением каналов на микроволновой несущей (например, Lenkurt 33C FDM). Вместо этого любой канал может быть назначен для передачи до 18 телетайпных сообщений. Подобные системы также использовались в Германии и других странах-членах. [ нужна цитата ]
Сети микроволновой ретрансляции на большие расстояния строились во многих странах до 1980-х годов, когда эта технология уступила свою долю фиксированной работы в пользу более новых технологий, таких как оптоволоконный кабель и спутники связи , которые предлагают более низкую стоимость за бит. [ нужна цитата ]
Сообщается , что во время холодной войны спецслужбы США, такие как Агентство национальной безопасности (АНБ), могли перехватывать советский микроволновый трафик с помощью таких спутников, как Rhyolite/Aquacade . [8] Большая часть луча микроволновой линии проходит через приемную антенну и излучается к горизонту, в космос. [ нужна цитата ] Поместив геосинхронный спутник на пути луча, можно получить микроволновый луч.
На рубеже веков [ какой? ] микроволновые радиорелейные системы все чаще использовались в портативных радиостанциях. Эта технология особенно подходит для этого применения из-за более низких эксплуатационных расходов, более эффективной инфраструктуры и обеспечения прямого аппаратного доступа к оператору портативной радиостанции. [ нужна цитата ]
Микроволновая линия связи — это система связи, которая использует луч радиоволн в микроволновом диапазоне частот для передачи видео , аудио или данных между двумя точками, которые могут находиться на расстоянии от нескольких футов или метров до нескольких миль или километров друг от друга. Микроволновые каналы обычно используются телевещательными компаниями, например, для передачи программ по всей стране или из внешнего вещания обратно в студию.
На мобильные устройства можно устанавливать камеры, что позволяет камерам свободно перемещаться без прокладки кабелей. Их часто можно увидеть на боковых линиях спортивных площадок в системах Steadicam .
Наземные радиорелейные линии связи ограничены по расстоянию до визуального горизонта — несколькими десятками миль или километров в зависимости от высоты башни. Тропосферное рассеяние («тропосферное рассеяние» или «рассеивание») — это технология, разработанная в 1950-х годах, позволяющая обеспечить связь микроволновой связи за горизонтом на расстояние до нескольких сотен километров. Передатчик излучает луч микроволн в небо под небольшим углом над горизонтом в сторону приемника. Когда луч проходит через тропосферу , небольшая часть микроволновой энергии рассеивается обратно к земле водяным паром и пылью в воздухе. Чувствительный приемник за горизонтом улавливает этот отраженный сигнал. Четкость сигнала, получаемая этим методом, зависит от погоды и других факторов, в результате чего создание надежной загоризонтной радиорелейной линии сопряжено с высоким уровнем технической сложности. Поэтому линии тропосферного рассеяния используются только в особых обстоятельствах, когда нельзя полагаться на спутники и другие каналы связи на большие расстояния, например, в военной связи.
