マイクロ波伝送

米国ワシントン州シアトルの電話交換センターの屋根にあるCバンドホーンリフレクタアンテナ。 AT&T Long Linesのマイクロ波中継ネットワーク

ハンブルグのハインリッヒ・ヘルツトゥルムに数十台のマイクロ波アンテナを設置しています。 ドイツ

マイクロ波無線中継は、1950年代から1960年代にかけて広く普及した技術で、地上2地点間でマイクロ波の細いビームで長距離電話やテレビ番組などの情報を伝送するものです。 マイクロ波無線中継では、マイクロ波送信機と指向性アンテナにより、多数のチャンネル情報を載せたマイクロ波の細いビームを見通し経路で別の中継局に送信し、指向性アンテナと受信機で受信して、2地点間の固定無線接続が形成される。 また、送信機と受信機で双方向にデータを送信する双方向通信も行われていた。 視線が必要なため、局間の距離は目視で30~50マイル(48~80km)程度に制限される。 それ以上の距離の場合は、受信局がリレーとして機能し、受信した情報を途中の別の局に再送信することができる。 大陸横断の通信信号の伝送には、マイクロ波中継局のチェーンが使われた。

1950年代から、米国のAT&T Long Linesシステムのようなマイクロ波リレーリンクのネットワークが、都市間の長距離電話やテレビ番組を運んでいた。 最初のシステムは、AT&Tが作ったTD-2と呼ばれるもので、1947年にニューヨークとボストンを8つの無線中継局で結んでいる。 このシステムは、1947年にニューヨークとボストンを8つの無線中継局で結び、山脈を越え、大陸をまたぐ長いデイジーチェーン接続を実現した。 1970年代に通信衛星が打ち上げられ、より安価になりました。大陸を横断する通信の多くは、現在では衛星と光ファイバーによって運ばれていますが、より短い距離ではマイクロ波中継が重要です。

PlanningEdit

Frazier Mountainの通信タワーとマイクロ波中継アンテナ

電波はアンテナから他のアンテナまでの見通し経路に限定して狭いビームを進行するので、他のマイクロ波装置と干渉せず、近くのマイクロ波リンクで同じ周波数が使えるようになる。 アンテナは高指向性(高利得)である必要があり、長距離伝送を可能にするため、大きな電波塔のような高所に設置される。 電波中継に使われるアンテナは、パラボラアンテナ、誘電体レンズアンテナ、ホーンリフレクターアンテナなどが代表的で、直径4m程度まであります。 8766>

デンマーク軍無線中継ノード

高い周波数を使用するので、局間の視線経路が必要である。 また、ビームの減衰を避けるため、ビームの周囲に第1フレネルゾーンと呼ばれる障害物のない領域が必要である。 信号フィールドに障害物があると、不要な減衰が発生する。 8766>

テレビニュースの遠隔中継に使われる制作トラックには、格納式の伸縮マストにマイクロ波アンテナを取り付け、ライブ映像をスタジオに伝送しています。

障害物、地球の曲率、地域の地理、近隣の土地の使用(製造業や林業など)から生じる受信の問題は、無線リンクを計画する際に考慮すべき重要な問題である。 計画プロセスでは、伝送路に影響を与える地形や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。 また、経路上に湖や川などの水面があると、ビームを反射し、受信アンテナで直接ビームと反射ビームが干渉してマルチパスフェージングを引き起こす可能性があるため、その存在も考慮する必要があります。 マルチパスフェージングは通常、小さなスポットと狭い周波数帯でのみ深いので、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チ方式を適用することができます。

大気成層の影響により、典型的な状況では無線経路が下向きに曲がるので、地球等価曲率が6370kmから約8500kmに増加すると大きな距離が可能です(4/3等価半径の効果)。 温度、湿度、気圧の対高度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以上の周波数では、高強度の雨や雪による雨のフェードも障害要因として考慮する必要があります。 パスロスとして知られる上記のすべての要因によって、ほとんどの通信事業者のキャリア クラス サービスで使用されている 99.99% または 99.999% のように、高い割合でリンクの動作状態を維持するために、適切な電力マージンを計算する必要があります。 20°44′46.17″N 36°50′24.65″E / 20.7461583°N36.8401806°E、スーダン)とジェベル・ダッカ(2572m a.s.l., 21°5′36.89″N 40°17′29.80″E / 21.0935806°N 40.2916111°E 、サウジアラビア)間を結ぶ360kmの距離。 このリンクは、2GHzの周波数帯で300の電話チャンネルと1つのテレビ信号を送信するために、1979年にTelettra社によって建設されました。 (ホップ距離は2つのマイクロ波基地局間の距離)

これまでの考察は、いわゆる基幹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づける典型的な問題点を表しています:1990年代まで、数十キロメートル(典型的には10~60キロメートル)のホップ長が主に使用されていました。 10GHz 以下の周波数帯、そして何よりも伝送される情報は、固定容量ブロックを含むストリームでした。 ブロック全体に対して要求された可用性を供給することが目標でした(Plesiochronous digital hierarchy、PDH、Synchronous Digital Hierarchy、SDH)。 日中の短時間にリンクに影響を与えるフェージングやマルチパスは、ダイバーシティ・アーキテクチャによって打ち消す必要があった。 1990年代には、携帯電話網の都市内リンクとしてマイクロ波無線リンクが広く使われるようになりました。 また、周波数も11GHzから43GHz、最近では86GHz(Eバンド)まで広がりました。 さらに、リンクプランニングでは激しい降雨に対応することが多く、マルチパスに対応することが少なくなったため、ダイバーシティ方式はあまり使用されなくなりました。 この 10 年で起こったもう一つの大きな変化は、パケット無線伝送への進化です。

携帯電話やマイクロ波システムでは、放射電力が規制されています。 これらのマイクロ波伝送では、パラボラアンテナから数度(1〜3〜4)発散した細いビームに放射される、通常0.03〜0.30Wの放射電力が使用される。 マイクロ波のチャンネル配置は、国際電気通信連合(ITU-R)や各国の規制(ETSI、FCC)によって規定されています。 このため、周波数再利用、偏波分割多重、XPIC、MIMOなど、伝送容量を増やすための技術が使用されている。

HistoryEdit

英国海峡横断実験用の 1.7 GHz 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位置していた。
米陸軍信号隊の携帯型マイクロ波中継局、1945年。

無線中継通信の歴史は、1898 年に Johann Mattausch がオーストリアの雑誌 Zeitschrift für Electrotechnik に発表したことから始まりました。 しかし、彼の提案は原始的なものであり、実用には適さないものであった。 無線信号を中継する無線中継局の実験は、1899年にエミール・グアリーニ=フォレシオによって行われたのが最初である。 しかし、ラジオの最初の40年間に使われた低周波と中周波の電波は、地上波と電波伝搬によって長距離を移動できることが証明された。 無線中継の必要性は、1940年代にマイクロ波が利用されるようになってから、実際に始まった。マイクロ波は視線によって伝わるため、視地平によって伝搬距離が約40マイル(64km)に制限される。

1931年、アンドレ・C・クラヴィエが率いる英仏のコンソーシアムが、10フィート(3m)のアンテナを使って英仏海峡を横断するマイクロ波中継の実験的接続を実証しました。 電話、電信、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間の40マイル(64km)の双方向1.7GHzビームで送信されました。 ディッシュの焦点に設置された小型のバルクハウゼン・クルツ管による放射電力は1/2ワットでした。 8766>

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、特にクライストロン発振器やパラボラアンテナの設計技術の多くを提供した。

戦後、電話会社はこの技術を使用して、長距離電話を運ぶ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年代には、米国の電話会社であるAT&T Long Linesが、米国全土にマイクロ波リレーリンクの大陸横断システムを構築し、米国の長距離電話通信の大部分とテレビネットワーク信号を伝送するまでに成長したのです。 1946年当時、ケーブルの代わりにマイクロ波無線を使うことになった主な動機は、大容量を迅速に低コストで設置できることであった。 当時は、マイクロ波無線の年間運用コストはケーブルより高くなると予想されていた。 急に大容量を導入しなければならなくなった理由は、大きく分けて2つある。 戦時中の中断による長距離電話サービスの需要増と、ラジオより広い帯域を必要とするテレビという新しいメディアである。 試作機は「TDX」と呼ばれ、1946年にベル研究所のあるニューヨークとマレーヒルを結んでテストされた。 TDXシステムは1947年にニューヨークとボストン間に設置された。 TDXは、送信機に使用するTD2システムにアップグレードされ、その後、固体電子機器を使用するTD3にアップグレードされた。

注目すべきは、冷戦時代の西ベルリンとのマイクロ波中継回線で、西独とベルリン間の距離が大きく、技術的実現性の限界で建設・運用されなければならないものである。 電話網のほか、テレビやラジオの放送を配信するためのマイクロ波中継回線も。 8766>

軍事用マイクロ波中継システムは1960年代まで使用されたが、これらのシステムの多くは対流圏散乱システムや通信衛星システムに取って代わられた。 NATOの軍事部門が形成されたとき、この既存の機器の多くは通信グループに移管された。 この時期にNATOが使用した代表的な通信システムは、ホスト国の電話会社事業体が使用するために開発された技術で構成されていた。 米国の例としては、RCA CW-20A 1-2GHzマイクロ波中継システムがあり、高周波システムで必要とされる硬い導波管ではなく、柔軟なUHFケーブルを使用し、戦術的アプリケーションに最適なシステムとなっている。 典型的なマイクロ波リレー設備やポータブルバンには、2つの見通しサイトを結ぶ2つの無線システム(プラスバックアップ)がありました。 これらの無線機は、マイクロ波キャリア(Lenkurt 33C FDMなど)に24の電話チャネルを周波数分割多重したものを搭載することが多かったです。 どのチャンネルも最大18のテレタイプ通信に指定することができた。 8766>

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ましたが、光ファイバーケーブルや通信衛星など、ビットあたりのコストが低い新しい技術に固定運用のシェアを奪われました。

マイクロ波スパイ

冷戦時代、NSA(国家安全保障局)などのアメリカの情報機関は、Rhyoliteなどの衛星を使ってソ連のマイクロ波通信を傍受できたとされる。 マイクロ波通信は、受信アンテナを通過した後、水平方向へ放射され、宇宙空間に放出されます。 ビームの経路に静止衛星を配置することで、マイクロ波ビームを受信することができます。

世紀末になると、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るようになっています。

マイクロ波リンク 編集

マイクロ波リンクは、マイクロ波周波数帯の電波ビームを使用して、わずか数フィートまたはメートルから数マイルまたはキロメートル離れた2地点間でビデオ、オーディオ、またはデータを伝送する通信システムです。 マイクロ波リンクは、テレビ放送局で、例えば、国を超えて番組を伝送したり、外部放送からスタジオに戻るためによく使用されます。

モバイルユニットは、カメラを取り付けることができるので、ケーブルなしで自由に動き回ることができます。 スポーツフィールドのタッチラインでステディカム・システムに搭載されているのをよく見かけます。

マイクロ波リンクの特性Edit

  • 視線制御(LOS)通信技術
  • 雨音などの環境制約に大きく影響
  • 丘などの障害物を通過する能力は非常に限られています。
  • 花粉の影響を受けやすい
  • 太陽陽子現象が発生すると信号が劣化する

マイクロ波リンクの用途 編集

  • 衛星と基地局間の通信
  • セルラーシステム用のバックボーンキャリアとして
  • 短い距離の通信に使用する場合。銅線/光ファイバー線を使用せずに、遠隔地や地域の電話交換機を大規模な(主要な)交換機にリンクさせること。

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