Mikroaaltolähetys

C-kaistan sarvi-heijastinantennit puhelinkeskuskeskuksen katolla Seattlessa, Washingtonissa, osassa Yhdysvaltoja. AT&T Long Lines -mikroaaltoreleiden verkko

Kymmeniä mikroaaltolautasantenneja Heinrich-Hertz-tornilla Hampurissa, Saksa

Mikroaaltoradiorele on 1950- ja 1960-luvuilla laajalti käytetty tekniikka, jolla voidaan välittää tietoa, kuten kaukopuheluita ja televisio-ohjelmia, kahden maanpäällisen pisteen välillä kapealla mikroaaltosäteellä. Mikroaaltoradioreleissä mikroaaltolähetin ja suunta-antenni lähettävät kapean mikroaaltosäteen, joka kuljettaa useita kanavia tietoa näköyhteyttä pitkin toiselle releasemalle, jossa suunta-antenni ja vastaanotin vastaanottavat sen muodostaen kiinteän radioyhteyden näiden kahden pisteen välille. Yhteys oli usein kaksisuuntainen, jolloin molemmissa päissä käytettiin lähetintä ja vastaanotinta tiedonsiirtoon molempiin suuntiin. Näköyhteysvaatimus rajoittaa asemien välisen etäisyyden visuaaliseen horisonttiin eli noin 48-80 kilometriin (30-50 mailia). Pidemmillä etäisyyksillä vastaanottava asema voi toimia releenä, joka lähettää vastaanotetut tiedot edelleen toiselle asemalle matkan varrella. Mikroaaltoreleasemien ketjuja käytettiin televiestintäsignaalien lähettämiseen mannertenvälisillä etäisyyksillä. Mikroaaltoreleasemat sijaitsivat usein korkeissa rakennuksissa ja vuorenhuipuilla, ja niiden antennit oli sijoitettu torneihin mahdollisimman suuren kantaman saavuttamiseksi.

1950-luvulta alkaen mikroaaltoreleyhteyksien verkostot, kuten AT&T Long Lines -järjestelmä Yhdysvalloissa, kuljettivat kaukopuheluita ja televisio-ohjelmia kaupunkien välillä. Ensimmäinen AT&T:n rakentama, TD-2:ksi kutsuttu järjestelmä yhdisti New Yorkin ja Bostonin vuonna 1947 kahdeksan radioreleaseman sarjalla. Niihin kuului pitkiä ketjutettuja yhteyksiä, jotka kulkivat vuoristovuorten ja maanosien halki. Viestintäsatelliittien käyttöönotto 1970-luvulla tarjosi halvemman vaihtoehdon. Suuri osa mannertenvälisestä liikenteestä siirretään nykyään satelliiteilla ja optisilla kuiduilla, mutta mikroaaltoreleet ovat edelleen tärkeitä lyhyemmillä etäisyyksillä.

PlanningEdit

Viestintätorni Frazier Mountainilla, Etelä-Kaliforniassa, jossa on mikroaaltoreleantenneja

Koska radioaallot kulkevat kapeina sädepalkkeina, jotka rajoittuvat näköyhteydellä kulkevaan reittiin antenniantennilta toiselle, ne eivät aiheuta häiriöitä muihin mikroaaltolaitteisiin nähden, joten läheiset mikroaaltolinkit pystyvät käyttämään samoja taajuuksia. Antennien on oltava hyvin suuntaavia (suuri vahvistus); näitä antenneja asennetaan korkeisiin paikkoihin, kuten suuriin radiomastoihin, jotta ne voivat lähettää pitkien etäisyyksien yli. Tyypillisiä radiolinkkiasennuksissa käytettäviä antennityyppejä ovat paraboliset antennit, dielektriset linssit ja sarvi-heijastinantennit, joiden halkaisija on jopa 4 metriä. Voimakkaasti suuntaavat antennit mahdollistavat käytettävissä olevan taajuusspektrin taloudellisen käytön pitkistä siirtoetäisyyksistä huolimatta.

Tanskalainen sotilasradioreleen solmukohta

Käytettävien korkeiden taajuuksien vuoksi asemien välille tarvitaan näköyhteys. Lisäksi säteen vaimenemisen välttämiseksi säteen ympärillä on oltava esteetön alue, jota kutsutaan ensimmäiseksi Fresnelin vyöhykkeeksi. Esteet signaalikentässä aiheuttavat ei-toivottua vaimennusta. Korkeat vuorenhuiput tai harjanteet ovat usein ihanteellisia sijainteja.

Televisiouutisten etälähetyksiin käyttämässä tuotantoautossa on sisäänvedettävässä teleskooppimastossa oleva mikroaaltolautanen, jolla lähetetään suoraa videokuvaa takaisin studioon.

Esteet, maapallon kaarevuus, alueen maantiede ja lähialueen maankäytöstä (kuten teollisuus- ja metsätaloudesta) johtuvat vastaanottokysymykset ovat tärkeitä asioita, jotka on otettava huomioon radioyhteyksiä suunniteltaessa. Suunnitteluprosessissa on olennaista, että laaditaan ”polkuprofiilit”, jotka antavat tietoa lähetysreittiin vaikuttavista maastonmuodoista ja Fresnelin vyöhykkeistä. Reitin varrella oleva vesipinta, kuten järvi tai joki, on myös otettava huomioon, koska se voi heijastaa säteen, ja suora ja heijastunut säde voivat häiritä vastaanottoantennia aiheuttaen monitiehajonnan. Monitiehäivytykset ovat yleensä syviä vain pienessä pisteessä ja kapealla taajuuskaistalla, joten näiden vaikutusten lieventämiseksi voidaan käyttää tila- ja/tai taajuusdiversiteettijärjestelmiä.

Amosfäärin kerrostuneisuuden vaikutukset aiheuttavat tyypillisessä tilanteessa radiopolun taipumisen alaspäin, joten suuri etäisyys on mahdollinen, kun maapallon ekvivalenttinen kaarevuus kasvaa 6370 km:stä noin 8500 km:iin (4/3-ekvivalenttisäteen vaikutus). Lämpötila-, kosteus- ja paineprofiilin harvinaiset tapahtumat suhteessa korkeuteen voivat aiheuttaa suuria poikkeamia ja vääristymiä etenemisessä ja vaikuttaa lähetyksen laatuun. Voimakkaat sateet ja lumi, jotka aiheuttavat sateen heikkenemistä, on myös otettava huomioon heikentävänä tekijänä erityisesti yli 10 GHz:n taajuuksilla. Kaikki edellä mainitut tekijät, jotka tunnetaan yhteisesti nimellä polkuhäviö, edellyttävät sopivien tehomarginaalien laskemista, jotta linkki pysyisi toimintakykyisenä suuren prosenttiosuuden ajasta, kuten useimpien teleoperaattoreiden ”operaattoriluokan” palveluissa käytettävät 99,99 % tai 99,999 %.

Pisin tähän mennessä tiedossa oleva mikroaaltoradiorele ylittää Punaisenmeren 360 kilometrin (200 mailin) pituisella siirtymävälillä, joka kulkee välissä Jebel Erba (2170 m korkeudessa), 20°44′46.17″N 36°50′24.65″E / 20.7461583°N 36.8401806°E, Sudan) ja Jebel Dakan (2572 metriä merenpinnan yläpuolella, 21°5′36.89″N 40°17′29.80″E / 21.0935806°N 40.2916111°E, Saudi-Arabia) välillä. Telettra rakensi linkin vuonna 1979 välittämään 300 puhelinkanavaa ja yhtä televisiosignaalia 2 GHz:n taajuusalueella. (Hyppyetäisyys on kahden mikroaaltoaseman välinen etäisyys).

Edelliset tarkastelut edustavat tyypillisiä ongelmia, jotka luonnehtivat mikroaaltoja käyttäviä maanpäällisiä radiolinkkejä niin sanotuissa runkoverkoissa: muutaman kymmenen kilometrin pituisia hyppyetäisyyksiä (tyypillisesti 10-60 kilometriä) käytettiin suurelta osin 1990-luvulle asti. Alle 10 GHz:n taajuusalueet ja ennen kaikkea siirrettävä informaatio olivat virtaa, joka sisälsi kiinteän kapasiteettilohkon. Tavoitteena oli toimittaa pyydetty saatavuus koko lohkolle (Plesiochronous Digital Hierarchy, PDH, tai Synchronous Digital Hierarchy, SDH). Diversity-arkkitehtuurilla oli torjuttava linkkiä lyhytaikaisesti päivän aikana kuormittavaa häipymistä ja/tai monipolkuisuutta. 1990-luvulla mikroaaltoradiolinkkejä alettiin käyttää laajalti kaupunkilinkkeinä matkapuhelinverkoissa. Yhteyksien etäisyyttä koskevat vaatimukset muuttuivat lyhyemmiksi (alle 10 km, tyypillisesti 3-5 km), ja taajuus kasvoi 11-43 GHz:n taajuusalueille ja viime aikoina jopa 86 GHz:n taajuusalueille (E-taajuusalue). Lisäksi yhteyksien suunnittelussa käsitellään enemmän voimakkaita sademääriä ja vähemmän monitievaikutuksia, joten diversiteettijärjestelmien käyttö väheni. Toinen suuri muutos viime vuosikymmenen aikana oli siirtyminen pakettiradiolähetyksiin. Siksi on otettu käyttöön uusia vastatoimia, kuten mukautuva modulaatio.

Säteilytehoa säädellään solu- ja mikroaaltojärjestelmissä. Näissä mikroaaltolähetyksissä käytetään tyypillisesti 0,03-0,30 W:n säteilytehoa, jonka parabolinen antenni säteilee kapealla, muutaman asteen (1-4) poikkeavalla säteellä. Mikroaaltokanavien järjestelyä säätelevät Kansainvälinen televiestintäliitto (ITU-R) ja paikalliset määräykset (ETSI, FCC). Viime vuosikymmenen aikana kullekin mikroaaltokaistalle varatut taajuudet ovat käyneet erittäin ahtaiksi, mikä on motivoinut käyttämään siirtokapasiteettia lisääviä tekniikoita, kuten taajuuksien uudelleenkäyttöä, polarisaatiomultipleksointia, XPIC:tä ja MIMO:a.

HistoriaMuokkaa

Englannin kanaalin poikki kulkeneen, vuonna 1931 tehdyn, kokeiluluontoisen, 1,7 GHz:n taajuusalueella toimivan 1,7 GHz:n radioaaltojen mikroaaltojen releyhteyden (engl. Vastaanottoantenni (taustalla oikealla) sijaitsi lähetysantennin takana häiriöiden välttämiseksi.

Yhdysvaltain armeijan viestijoukkojen kannettava mikroaaltoreleasema, 1945. Mikroaaltorelejärjestelmät kehitettiin ensimmäisen kerran toisessa maailmansodassa turvallista sotilasviestintää varten.

Radiorele-viestinnän historia alkoi vuonna 1898 Johann Mattauschin julkaisusta itävaltalaisessa aikakauslehdessä Zeitschrift für Electrotechnik. Hänen ehdotuksensa oli kuitenkin alkeellinen eikä soveltunut käytännön käyttöön. Ensimmäiset kokeilut radiosignaalien välittämiseen tarkoitetuilla toistinasemilla teki vuonna 1899 Emile Guarini-Foresio. Radiotoiminnan ensimmäisten 40 vuoden aikana käytetyt matala- ja keskitaajuiset radioaallot osoittautuivat kuitenkin kykeneviksi kulkemaan pitkiä matkoja maa- ja taivaanaaltojen avulla. Radioreleiden tarve alkoi oikeastaan vasta 1940-luvulla, kun mikroaaltoja alettiin hyödyntää, sillä mikroaallot etenivät näköyhteyden kautta, joten näköhorisontti rajoitti niiden etenemisen noin 64 kilometrin (40 mailin) etäisyydelle.

Vuonna 1931 Andre C. Clavierin johtama englantilais-ranskalainen konsortio demonstroi kokeellisen mikroaaltoyhteyden Englannin kanaalin yli käyttäen 3 metrin (10 jalan) antenneja. Puhelin-, lennätin- ja faksidataa välitettiin kaksisuuntaisilla 1,7 GHz:n säteillä 40 mailia (64 km) Doverin (Iso-Britannia) ja Calais’n (Ranska) välillä. Lautasen fokuksessa sijaitsevan Barkhausen-Kurz-miniputken tuottama säteilyteho oli puoli wattia. Vuonna 1933 toteutettiin sotilaallinen mikroaaltoyhteys Ranskan St. Inglevertin ja Ison-Britannian Lympnen lentokenttien välillä (56 kilometrin etäisyydellä), ja vuonna 1935 sitä seurasi 300 MHz:n tietoliikenneyhteys, joka oli ensimmäinen kaupallinen mikroaaltorelejärjestelmä.

Toisen maailmansodan aikainen tutkakehitys tuotti suuren osan mikroaaltoteknologiasta, joka mahdollisti käytännölliset mikroaaltoviestintäyhteydet, erityisesti klystron-oskillaattorin ja parabolisten antennien suunnittelutekniikan. Vaikka se ei ole yleisesti tiedossa, Yhdysvaltain armeija käytti sekä kannettavia että kiinteitä mikroaaltoviestimiä Euroopan sotateatterilla toisen maailmansodan aikana.

Sodan jälkeen puhelinyhtiöt käyttivät tätä tekniikkaa rakentaessaan laajoja mikroaaltoradioreleverkkoja kaukopuhelujen välittämiseen. 1950-luvulla yhdysvaltalaisen puhelinoperaattorin AT&T Long Linesin yksikkö rakensi Yhdysvaltojen halki mannertenvälisen mikroaaltoreleensiirtoyhteyksien järjestelmän, jonka avulla siirrettiin suurin osa Yhdysvaltojen kaukopuhelinliikenteestä sekä televisioverkkojen signaaleja. Tärkein motivaatio vuonna 1946 käyttää mikroaaltoradiota kaapelin sijasta oli se, että suuri kapasiteetti voitiin asentaa nopeasti ja edullisemmin kustannuksin. Tuolloin odotettiin, että mikroaaltoradion vuotuiset käyttökustannukset olisivat suuremmat kuin kaapelin. Suuren kapasiteetin äkilliseen käyttöönottoon oli kaksi pääsyytä: Kaukopuhelupalvelujen kysynnän kasvu sotavuosien tauon vuoksi ja uusi televisiomedia, joka tarvitsi enemmän kaistanleveyttä kuin radio. Prototyyppiä kutsuttiin TDX:ksi, ja sitä testattiin New Yorkin ja Murray Hillin, Bell Laboratoriesin sijaintipaikan, välisellä yhteydellä vuonna 1946. TDX-järjestelmä otettiin käyttöön New Yorkin ja Bostonin välillä vuonna 1947. TDX päivitettiin TD2-järjestelmäksi, jossa käytettiin lähettimiä, ja myöhemmin TD3-järjestelmäksi, jossa käytettiin puolijohde-elektroniikkaa.

Merkittäviä olivat kylmän sodan aikana Länsi-Berliiniin rakennetut mikroaaltoreleyhteydet, jotka oli rakennettava ja operoitava Länsi-Saksan ja Berliinin välisen suuren etäisyyden vuoksi teknisen toteutettavuuden rajoilla. Puhelinverkon lisäksi myös mikroaaltojen relelinkkejä TV- ja radiolähetysten jakelua varten. Näihin kuuluivat yhteydet studioista eri puolille maata hajautettuihin lähetysjärjestelmiin sekä radioasemien väliset yhteydet esimerkiksi ohjelmien vaihtoa varten.

Sotilaallisia mikroaaltorelejärjestelmiä käytettiin edelleen 1960-luvulle asti, jolloin monet näistä järjestelmistä korvattiin troposfäärisironta- tai tietoliikennesatelliittijärjestelmillä. Kun Naton sotilashaara muodostettiin, suuri osa näistä olemassa olevista laitteista siirrettiin viestintäryhmille. Tyypilliset Naton tuona aikana käyttämät viestintäjärjestelmät koostuivat tekniikoista, jotka oli kehitetty isäntämaiden puhelinoperaattoriyksiköiden käyttöön. Yksi esimerkki Yhdysvalloista on RCA CW-20A 1-2 GHz:n mikroaaltorelejärjestelmä, jossa käytettiin joustavaa UHF-kaapelia korkeampien taajuuksien järjestelmien edellyttämän jäykän aaltojohdon sijasta, mikä teki siitä ihanteellisen taktisiin sovelluksiin. Tyypillisessä mikroaaltoreleasennuksessa tai kannettavassa pakettiautossa oli kaksi radiojärjestelmää (ja varajärjestelmä), jotka yhdistivät kaksi näköyhteysasemaa. Näissä radioissa oli usein 24 puhelinkanavaa, jotka oli taajuusmultiplikoitu mikroaaltokantajaan (esim. Lenkurt 33C FDM). Mikä tahansa kanava voitiin nimetä kuljettamaan sen sijaan enintään 18:aa telekopiolaitetta. Samankaltaisia järjestelmiä oli käytössä myös Saksassa ja muissa jäsenmaissa.

Pitkän matkan mikroaaltoreleeverkkoja rakennettiin monissa maissa 1980-luvulle asti, jolloin tekniikka menetti osuutensa kiinteästä käytöstä uudemmille tekniikoille, kuten valokuitukaapelille ja tietoliikennesatelliiteille, jotka tarjoavat alhaisemmat bittikohtaiset kustannukset.

Mikroaaltovakoilu

Kylmän sodan aikana Yhdysvaltain tiedustelupalvelut, kuten National Security Agency (NSA), pystyivät tiettävästi kuuntelemaan Neuvostoliiton mikroaaltoliikennettä Rhyoliten kaltaisten satelliittien avulla. Suuri osa mikroaaltoyhteyden säteestä ohittaa vastaanottoantennin ja säteilee kohti horisonttia, avaruuteen. Sijoittamalla geosynkroninen satelliitti säteen reitille voidaan mikroaaltosäde vastaanottaa.

Vuosisadan vaihteessa mikroaaltoradiorelejärjestelmiä käytetään yhä enemmän kannettavissa radiosovelluksissa. Tekniikka soveltuu erityisen hyvin tähän sovellukseen alhaisempien käyttökustannusten, tehokkaamman infrastruktuurin ja suoran laitteistoyhteyden tarjoamisen vuoksi kannettavan radion operaattorille.

Mikroaaltolinkki Muokkaa

Mikroaaltolinkki on tiedonsiirtojärjestelmä, joka käyttää mikroaaltotaajuusalueelle sijoittuvaa radioaaltojen sädettä siirtääkseen videokuvaa, ääntä tai dataa kahden paikan välille, joiden etäisyys toisistaan voi olla muutamasta metristä tai metristä useiden mailien kilometrin etäisyyteen. Televisiolähetystoiminnan harjoittajat käyttävät yleisesti mikroaaltolinkkejä esimerkiksi ohjelmien lähettämiseen maan halki tai ulkolähetyksestä takaisin studioon.

Mobiiliyksiköt voidaan asentaa kameraan, jolloin kamerat voivat liikkua vapaasti ilman mukana kulkevia kaapeleita. Näitä nähdään usein urheilukenttien maalilinjoilla Steadicam-järjestelmillä.

Mikroaaltoyhteyksien ominaisuudet Muokkaa

  • Ohjaavat näköyhteystekniikkaa (LOS, line of sight)
  • Vaikuttavat suuresti ympäristöolosuhteisiin, mukaan lukien sateen hiipuminen
  • Ovat hyvin rajalliset mahdollisuudet tunkeutua esteiden, kuten kukkuloiden, läpi, rakennukset ja puut
  • herkkä korkeille siitepölymäärille
  • Signaalit voivat heikentyä Auringon protonitapahtumien aikana

Mikroaaltoyhteyksien käyttötarkoitukset Muokkaa

  • Satelliittien ja tukiasemien välisessä tietoliikenteessä
  • Satelliittien ja tukiasemien välisessä viestinvälityksessä
  • Matkapuhelinjärjestelmien kantavana runkoverkkoyhteytenä
  • Lyhytaikais-Sisätiloissa tapahtuvassa lyhyen kantaman viestinnässä
  • Etäisten ja alueellisten puhelinkeskusten yhdistäminen suurempiin (pää)keskuksiin ilman kupari-/optisia kuitulinjoja
  • Sateen voimakkuuden mittaaminen kahden paikan välillä

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.