.svg/1280px-Atmospheric_Microwave_Transmittance_at_Mauna_Kea_(simulated).svg.png){kind=spacer}
Микроволновая передача — это передача информации посредством электромагнитных волн 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 линией прямой видимости , поэтому для передачи на большие расстояния с использованием этих сигналов требуется ряд ретрансляторов, образующих микроволновую ретрансляционную сеть. Возможно использование микроволновых сигналов в загоризонтной связи с использованием тропосферного рассеяния , но такие системы дороги и обычно используются только в специальных целях.
Хотя экспериментальная 40-мильная (64 км) микроволновая телекоммуникационная линия 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 Wireless Set No. 10, которая использовала микроволновые реле для мультиплексирования восьми телефонных каналов на больших расстояниях. Связь через Ла-Манш позволила генералу Бернарду Монтгомери оставаться на постоянной связи со штаб-квартирой своей группы в Лондоне.
В послевоенную эпоху развитие микроволновой технологии было быстрым, что привело к созданию нескольких трансконтинентальных микроволновых релейных систем в Северной Америке и Европе. Помимо передачи тысяч телефонных звонков одновременно, эти сети также использовались для передачи телевизионных сигналов для трансляции по всей стране, а позднее и компьютерных данных. Спутники связи захватили рынок телевизионного вещания в 1970-х и 80-х годах, а внедрение междугородних волоконно-оптических систем в 1980-х и особенно 90-х годах привело к быстрому износу релейных 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 напрямую в дома потребителей. Более крупные линии прямой видимости снова популярны для передачи соединений между вышками мобильной связи, хотя они, как правило, не организованы в длинные релейные цепи.
Микроволны широко используются для связи точка-точка , поскольку их малая длина волны позволяет антеннам удобного размера направлять их в узкие лучи, которые можно направить непосредственно на приемную антенну. Такое использование плотно сфокусированных прямых лучей позволяет микроволновым передатчикам в одной и той же области использовать одни и те же частоты, не мешая друг другу, как это делают радиоволны более низкой частоты. Такое повторное использование частот экономит дефицитную полосу пропускания радиоспектра. Еще одним преимуществом является то, что высокая частота микроволн придает микроволновому диапазону очень большую пропускную способность информации; микроволновый диапазон имеет полосу пропускания в 30 раз больше, чем весь остальной радиоспектр ниже него. Недостатком является то, что микроволны ограничены распространением по прямой видимости ; они не могут проходить вокруг холмов или гор, как радиоволны более низкой частоты.
Микроволновая радиопередача обычно используется в системах связи точка-точка на поверхности Земли, в спутниковой связи и в радиосвязи в дальнем космосе . Другие части микроволнового радиодиапазона 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 длина волны составляет от 10 мм до 1 мм. Радиоволны в миллиметровом диапазоне сильно ослабляются газами атмосферы , что ограничивает их практическое расстояние передачи несколькими километрами, что недостаточно для дальней связи. Электронные технологии, необходимые в миллиметровом диапазоне волн, также находятся на более ранней стадии развития, чем в микроволновом диапазоне.
В последнее время 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 радиорелейной связи микроволновый передатчик и направленная антенна передают узкий луч микроволн, переносящий множество каналов информации по прямой видимости на другую ретрансляционную станцию, где он принимается направленной антенной и приемником, образуя фиксированную радиосвязь между двумя точками. Связь часто была двунаправленной, с использованием передатчика и приемника на каждом конце для передачи данных в обоих направлениях. Требование прямой видимости ограничивает разделение между станциями до визуального горизонта, примерно от 30 до 50 миль (от 48 до 80 км). На больших расстояниях приемная станция могла функционировать как ретранслятор, ретранслируя полученную информацию на другую станцию по пути следования. Цепи микроволновых ретрансляционных станций использовались для передачи телекоммуникационных сигналов на трансконтинентальные расстояния. Радиорелейные станции часто располагались на высоких зданиях и вершинах гор, а их антенны — на башнях, чтобы обеспечить максимальный радиус действия.
Начиная с 1950-х годов сети микроволновых релейных линий, такие как система AT&T Long Lines в США, передавали междугородние телефонные звонки и телевизионные программы между городами. [1] Первая система, названная TDX и построенная AT&T, соединила Нью-Йорк и Бостон в 1947 году серией из восьми радиорелейных станций. [1] В течение 1950-х годов они развернули сеть немного улучшенной версии по всей территории США, известную как TD2 . Они включали длинные гирляндные линии, которые пересекали горные хребты и охватывали континенты. Запуск спутников связи в 1970-х годах предоставил более дешевую альтернативу. Большая часть трансконтинентального трафика теперь передается с помощью спутников и оптоволокна , но микроволновая релейная связь остается важной для более коротких расстояний.
Поскольку при микроволновой передаче волны распространяются узкими лучами, ограниченными линией прямой видимости от одной антенны к другой, они не мешают работе другого микроволнового оборудования, поэтому расположенные поблизости микроволновые линии связи могут использовать те же частоты. Поэтому антенны должны быть высоконаправленными ( с высоким коэффициентом усиления ) и устанавливаться на возвышенностях, таких как большие радиовышки, чтобы иметь возможность избегать препятствий, расположенных ближе к земле, и передавать данные на большие расстояния. Типичными типами антенн, используемых в установках радиорелейной связи, являются параболические антенны , диэлектрические линзы и рупорные рефлекторные антенны , диаметр которых составляет до 4 м (13 футов). Высоконаправленные антенны позволяют экономно использовать доступный частотный спектр, несмотря на большие расстояния передачи.
Из-за использования 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 . Высокие горные вершины или хребты часто являются идеальными позициями для антенн.
Помимо использования обычных ретрансляторов с последовательно включенными радиостанциями, передающими сигналы на разных частотах, препятствия на микроволновых путях можно устранить с помощью пассивных ретрансляторов или ретрансляторов на одной частоте.
Препятствия, кривизна Земли, география местности и проблемы приема, возникающие из-за использования близлежащих земель (например, в производстве и лесном хозяйстве), являются важными вопросами, которые следует учитывать при планировании радиолиний. В процессе планирования важно, чтобы были созданы «профили пути», которые предоставляют информацию о рельефе местности и зонах Френеля, влияющих на путь передачи. Наличие водной поверхности, такой как озеро или река, вдоль пути также должно быть принято во внимание, поскольку она может отражать луч, а прямой и отраженный луч могут мешать друг другу на приемной антенне, вызывая замирание многолучевого распространения. Замирание многолучевого распространения обычно глубокое только в небольшом пятне и узкой полосе частот, поэтому для смягчения этих эффектов можно применять схемы пространственного и/или частотного разнесения .
Эффекты атмосферной стратификации приводят к тому, что радиотрасса изгибается вниз в типичной ситуации, поэтому возможно большое расстояние, поскольку эквивалентная кривизна Земли увеличивается с 6370 км (3960 миль) до примерно 8500 км (5300 миль) (эффект эквивалентного радиуса 4/3). Редкие события, связанные с профилем температуры, влажности и давления в зависимости от высоты, могут вызывать большие отклонения и искажения распространения и влиять на качество передачи. Интенсивный дождь и снег, вызывающие замирание из-за дождя , также должны рассматриваться как фактор ухудшения, особенно на частотах выше 10 ГГц. Все вредные факторы, упомянутые в этом разделе, в совокупности известные как потери на пути , требуют расчета подходящих запасов мощности, чтобы поддерживать работоспособность канала в течение большого процента времени, например, стандартные 99,99% или 99,999%, используемые в услугах «операторского класса» большинства операторов связи.
Самая длинная известная микроволновая радиорелейная линия пересекает Красное море с 360-километровым (220-мильным) скачком 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-Даккой (2572 м (8438 футов) над уровнем моря, 21°5′36.89″N 40°17′29.80″E / 21.0935806°N 40.2916111°E / 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 между двумя микроволновыми станциями) [2] [ ненадежный источник? ]
Предыдущие соображения представляют собой типичные проблемы, характеризующие наземные радиолинии, использующие микроволны для так называемых магистральных сетей: длины прыжков в несколько десятков километров (обычно от 10 до 60 км (от 6,2 до 37,3 миль)) в основном использовались до 1990-х годов. Диапазоны частот ниже 10 ГГц и, прежде всего, информация, которая должна была передаваться, представляли собой поток, содержащий фиксированный блок емкости. Целью было обеспечение запрашиваемой доступности для всего блока ( плезиохронная цифровая иерархия , PDH, или синхронная цифровая иерархия , SDH). Замирание и/или многолучевое распространение, влияющие на связь в течение короткого периода времени в течение дня, должны были быть нейтрализованы архитектурой разнесения. В 1990-х годах микроволновые радиолинии начали широко использоваться для городских связей в сотовой сети . Требования к расстоянию связи изменились на более короткие скачки (менее 10 км (6,2 мили), обычно от 3 до 5 км (от 1,9 до 3,1 мили)), а частота увеличилась до диапазонов от 11 до 43 ГГц и совсем недавно до 86 ГГц (диапазон E). Кроме того, планирование связи больше связано с интенсивными осадками и меньше с многолучевым распространением, поэтому схемы разнесения стали использоваться реже. Еще одним большим изменением, произошедшим за последнее десятилетие, стала эволюция в сторону пакетной радиопередачи . Поэтому были приняты новые контрмеры, такие как адаптивная модуляция .
Излучаемая мощность регулируется для сотовых и микроволновых систем. Эти микроволновые передачи используют излучаемую мощность обычно от 0,03 до 0,30 Вт, излучаемую параболической антенной на узком луче, расходящемся на несколько градусов (от 1 до 3-4). Расположение микроволнового канала регулируется Международным союзом электросвязи ( ITU-R ) и местными правилами ( ETSI , FCC ). За последнее десятилетие выделенный спектр для каждого микроволнового диапазона стал чрезвычайно переполненным, что мотивирует использование методов для увеличения пропускной способности, таких как повторное использование частот, поляризационное разделение мультиплексирования , 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 подходило для практического использования. Первые эксперименты с радиоретрансляционными станциями для ретрансляции радиосигналов были проведены в 1899 году Эмилем Гварини-Форезио. [3] Однако низкочастотные и среднечастотные радиоволны, использовавшиеся в течение первых 40 лет радио, оказались способны преодолевать большие расстояния с помощью земной волны и распространения небесной волны . [ необходима цитата ]
В 1931 году англо-французский консорциум во главе с Андре К. Клавье продемонстрировал экспериментальную микроволновую релейную связь 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 в Сен-Инглеверте, Франция, и Лимпне, Великобритания, на расстоянии 56 км (35 миль), в 1935 году последовала телекоммуникационная линия 300 МГц, первая коммерческая микроволновая релейная система. [6]
Развитие радаров во время Второй мировой войны обеспечило большую часть микроволновой технологии, которая сделала возможными практические микроволновые линии связи, в частности, клистронный генератор и методы проектирования параболических антенн. Хотя это и не широко известно, британская армия использовала беспроводной набор номер 10 в этой роли во время Второй мировой войны. [ необходима цитата ] Потребность в радиорелейной связи на самом деле возникла только в 1940-х годах с началом эксплуатации микроволн , которые распространялись по прямой видимости и поэтому были ограничены дальностью распространения около 40 миль (64 км) по визуальному горизонту. [ необходима цитата ]
После войны телефонные компании использовали эту технологию для создания крупных сетей микроволновой радиорелейной связи для передачи междугородних телефонных звонков. В 1950-х годах подразделение американского телефонного оператора AT&T Long Lines построило трансконтинентальную систему микроволновых релейных линий связи по всей территории США, которая выросла и стала передавать большую часть междугороднего телефонного трафика США, а также сигналы телевизионных сетей . [7] Основной мотивацией в 1946 году использовать микроволновое радио вместо кабеля было то, что большую емкость можно было установить быстро и с меньшими затратами. [ требуется цитата ] В то время ожидалось, что годовые эксплуатационные расходы на микроволновое радио будут выше, чем на кабельное. Было две основные причины, по которым большую емкость пришлось вводить внезапно: неудовлетворенный спрос на междугороднюю телефонную связь из-за перерыва в военные годы и новое средство массовой информации — телевидение, которому требовалась большая полоса пропускания, чем радио. [ необходима цитата ] Прототип назывался TDX и был испытан на соединении между Нью-Йорком и Мюррей-Хилл, где располагались лаборатории Bell, в 1946 году. [ необходима цитата ] Система TDX была установлена между Нью-Йорком и Бостоном в 1947 году. TDX была модернизирована до системы TD2, которая использовала [трубку Мортона, 416B и позднее 416C, производимую Western Electric] в передатчиках, а затем до TD3, которая использовала твердотельную электронику . [ необходима цитата ]
Примечательны были микроволновые релейные линии связи с Западным Берлином во время Холодной войны , которые пришлось построить и эксплуатировать из-за большого расстояния между Западной Германией и Берлином на грани технической осуществимости. В дополнение к телефонной сети, также микроволновые релейные линии связи для распространения теле- и радиопередач. Это включало соединения студий с вещательными системами, распределенными по всей стране, а также между радиостанциями, например, для обмена программами. [ необходима цитата ]
Военные микроволновые релейные системы продолжали использоваться в 1960-х годах, когда многие из этих систем были вытеснены тропосферными системами рассеяния или системами спутниковой связи . Когда было сформировано военное крыло НАТО , большая часть этого существующего оборудования была передана группам связи. Типичные системы связи, используемые НАТО в тот период времени, состояли из технологий, которые были разработаны для использования субъектами телефонной связи в принимающих странах. Одним из примеров из США является микроволновая релейная система RCA CW-20A 1–2 ГГц, которая использовала гибкий кабель UHF вместо жесткого волновода , требуемого для более высокочастотных систем, что делало ее идеальной для тактических применений. Типичная микроволновая релейная установка или переносной фургон имели две радиосистемы (плюс резервная), соединяющие два участка прямой видимости . Эти радиостанции часто передавали 24 телефонных канала с частотным разделением, мультиплексированных на микроволновой несущей (например, Lenkurt 33C FDM). Вместо этого любой канал мог быть назначен для передачи до 18 телетайпных сообщений. Аналогичные системы из Германии и других стран-членов также использовались. [ необходима цитата ]
Междугородние микроволновые релейные сети строились во многих странах до 1980-х годов, когда эта технология уступила свою долю стационарной связи более новым технологиям, таким как волоконно-оптический кабель и спутники связи , которые предлагают более низкую стоимость за бит. [ необходима цитата ]
Во время Холодной войны американские разведывательные агентства, такие как Агентство национальной безопасности (АНБ), как сообщается, могли перехватывать советский микроволновый трафик с помощью таких спутников, как Rhyolite/Aquacade . [8] Большая часть луча микроволновой связи проходит через приемную антенну и излучается в сторону горизонта, в космос. [ требуется ссылка ] Расположив геосинхронный спутник на пути луча, можно принять микроволновый луч.
На рубеже веков [ какие? ] микроволновые радиорелейные системы все чаще использовались в портативных радиоприложениях. Технология особенно подходит для этого применения из-за более низких эксплуатационных расходов, более эффективной инфраструктуры и предоставления прямого доступа к оборудованию для оператора портативной радиостанции. [ нужна цитата ]
Микроволновая связь — это система связи, которая использует луч радиоволн в диапазоне микроволновых 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 связи обычно используются телевизионными вещателями для передачи программ по всей стране, например, или с внешнего вещания обратно в студию.
Мобильные устройства могут быть оснащены камерами, что позволяет камерам свободно перемещаться без волочащихся кабелей. Их часто можно увидеть на боковых линиях спортивных полей на системах Steadicam .
Наземные микроволновые релейные линии ограничены расстоянием до визуального горизонта, несколькими десятками миль или километров в зависимости от высоты башни. Тропосферное рассеяние («тропосферное рассеяние» или «рассеивание») было технологией, разработанной в 1950-х годах для обеспечения микроволновых линий связи за горизонтом, на расстоянии 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, полученная этим методом, зависит от погоды и других факторов, и, как следствие, высокий уровень технической сложности связан с созданием надежной радиорелейной линии за горизонтом. Поэтому тропосферные линии связи используются только в особых обстоятельствах, когда нельзя полагаться на спутники и другие каналы связи на большие расстояния, например, в военной связи.
