Eine Mikrowellenverbindung ist ein System zur Übertragung von Signalen - heute hauptsächlich digital - mono-direktional oder bidirektional und im Allgemeinen permanent zwischen zwei festen geografischen Standorten. Es nutzt die Unterstützung von Funkwellen mit Trägerfrequenzen von 1 bis 86 GHz ( Mikrowellenbereich ), die dank Richtantennen fokussiert und konzentriert sind .
Diese Emissionen sind besonders empfindlich gegenüber Hindernissen und Maskierungen (Relief, Vegetation, Gebäude usw. ), Niederschlag, Brechungsbedingungen der Atmosphäre, elektromagnetischen Störungen und haben eine ziemlich hohe Empfindlichkeit gegenüber Reflexionsphänomenen (für analoge Signale, aber digitale Modulation) kann zumindest teilweise die Übertragungsfehlerrate aufgrund dieser Belästigungen kompensieren).
Aufgrund geografischer Entfernungsbeschränkungen und Einschränkungen der Sichtbarkeit wird der Funkpfad zwischen zwei Endgeräten häufig mithilfe von Relaisstationen in mehrere Abschnitte unterteilt, die üblicherweise als „Hopfen“ bezeichnet werden (Beispiel: Funkturm du Vigen ). Unter optimalen Bedingungen (klares Profil, günstige geoklimatische Bedingungen, geringer Durchfluss usw. ) kann ein Mikrowellensprung 100 km überschreiten .
Ein Calais - Dover Link Im Jahr 1931 , 19 Zentimeter (~ 1,57 GHz ) über 40 Kilometer lang.
Die erste Forschung stammt aus dem Zweiten Weltkrieg .
In den 1970er Jahren nutzte France Telecom Funkverbindungen mit regionalen Berufen .
Funkverbindungen werden verwendet, weil sie kostengünstiger sind als das Verlegen von Glasfasern .
In Frankreich bittet die Behörde Unternehmen, die Mikrowellenverbindungen betreiben, nach den für sie geeigneten Regeln .
Im Jahr 2006 wurden sie zu den Autorisierungsmethoden für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen für Betreiber konsultiert .
2010 konsultierte sie sie für die Verwendung von Hochbändern für feste Breitbandverbindungen: 66 GHz, 71-76 GHz und 81-86 GHz .
2012 wurden sie zu künftigen Entwicklungen im Hinblick auf die Verwendung von Mikrowellenverbindungen und den damit verbundenen Frequenzanforderungen konsultiert , insbesondere im Zusammenhang mit der Entwicklung von Hoch- und Hochgeschwindigkeitsnetzen .
Im Jahr 2014 werden die Bedingungen für die Verwendung des Frequenzbandes wurden 24,5 bis 26,5 GHz (26 GHz) durch die Mikrowellen zur Ausrichtung mit dem Frequenzplan - Empfehlung überprüft n o T / R 13-02. Sie ermöglichen ein breiteres Funkspektrum, um die Geschwindigkeit in den Netzen zu erhöhen.
Für jede bilaterale Mikrowellenverbindung werden zwei unterschiedliche Frequenzen verwendet; sie entsprechen jeweils einer der Übertragungsrichtungen.
Die Funkressourcen gesättigt ist aufgrund der vielen Anwendungen eingesetzt (Sprechfunk, Fernsehsendungen, Militär- oder Sicherheitsübertragungen, usw. ). Die Frequenzbänder sind daher eine knappe Ressource und ihre Nutzung wird von einigen nationalen und internationalen Regierungsbehörden reguliert.
Bei einem Netzwerk, das aus mehreren Hops oder geografisch engen Verbindungen besteht, können bestimmte Interferenzprobleme auftreten, die die Qualität der Übertragungen beeinträchtigen oder andere Übertragungen stören können. Die Definition eines Frequenzplans soll Störungen minimieren und gleichzeitig die Effizienz der genutzten Spektralressource optimieren.
Das zu übertragende Quellensignal (Video, Audio, Daten, Text usw.) wird durch Modulation in Frequenz transponiert . Die Modulationsoperation wandelt das ursprüngliche Signal durch ein sogenanntes "schmalbandiges" moduliertes Signal in ein definiertes Durchlassband, das den verwendeten Standards entspricht , in ein Basisband um .
In Frankreich werden analoge Modulationen (AM und FM) jetzt durch digitale Codierungen ersetzt:
Die Vervierfachung der Anzahl der Zustände (von 4 auf 16) reduziert die erforderliche Bandbreite für eine gegebene Geschwindigkeit um den Faktor 2 (umgekehrt ermöglicht es für eine gegebene Bandbreite, die Geschwindigkeit zu verdoppeln). Andererseits setzt die schlechtere Rauschtoleranz der modulierten Signale eine Verringerung des effektiven Bereichs der Verbindungen voraus.
In der folgenden Tabelle sind die erforderlichen Bandbreiten in Abhängigkeit von den in Frankreich betriebenen digitalen Geschwindigkeiten sowie der Art der zugehörigen Modulation zusammengefasst:
Standard | PDH | PDH | PDH | PDH | SDH |
---|---|---|---|---|---|
Lastschrift | 2 × 2 Mbit / s | 4 × 2 Mbit / s | 8 × 2 Mbit / s | 16 × 2 Mbit / s | 155 Mbit / s |
4 Staaten | 3,5 MHz | 7 MHz | 14 MHz | 28 MHz | - - |
16 Staaten | 1,75 MHz | 3,5 MHz | 7 MHz | 14 MHz | - - |
64 Staaten | - - | - - | - - | - - | 56 MHz |
128 Staaten | - - | - - | - - | - - | 28 MHz |
Um Funkverbindungen mit Sichtverbindung genau zu konstruieren, sollte die Empfehlung ITU-R P.530-8 (oder höher) befolgt werden , die die wichtigsten Ausbreitungsparameter definiert.
Wenn es sich ausbreitet, erfährt die Funkwelle hauptsächlich drei Arten der Dämpfung :
Die Sendestation strahlt. Die elektromagnetischen Wellen tragen eine Energie pro Flächeneinheit, die mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt.
Darüber hinaus muss auf dem gesamten von der Welle zurückgelegten Weg unbedingt sichergestellt werden, dass die Verbindung frei ist. Entlastung, Vegetation, Gebäude, die den Balken abfangen, führen zu Verlusten, die berücksichtigt werden müssen.
Der größte Teil der Energie konzentriert sich auf das Gebiet, das als „erstes Fresnel-Ellipsoid “ bezeichnet wird. Die Ausdehnung dieser Zone (einige Meter bis einige zehn Meter) variiert proportional mit der Wellenlänge und der Länge der Verbindung. Wir stellen daher die Veröffentlichung dieses Bandes sicher.
Atmosphärische BrechungDiese Lautstärke ist jedoch nicht festgelegt. Bei der Definition dieser Zone müssen die Bedingungen der Atmosphäre entlang des Wellenwegs berücksichtigt werden. In der Tat breiten sich die Strahlen nicht in einer geraden Linie aus, sondern folgen bevorzugt den Bereichen mit hohem elektromagnetischen Index, dh den dichtesten Schichten der Atmosphäre. Dies ist atmosphärische Brechung .
Abhängig von den Klimaparametern ändert sich die Anordnung dieser Schichten. Hertzsche Strahlen sind daher mehr oder weniger zur Erde hin gekrümmt (Super-Brechung) oder im Gegenteil zum Himmel (Infra-Brechung). Im letzteren Fall wird die Freigabe des Links erschwert.
Es ist daher erforderlich, statistische Studien durchzuführen, um zu quantifizieren, wie lange und mit welcher Intensität diese Phänomene die Qualität der Verbindung beeinträchtigen können.
Wir stellen fest, dass dies für alle Berechnungen eine durchschnittliche Krümmung des Radius bedeutet. Eine bequeme Darstellung besteht darin, vorzutäuschen, dass sich die Strahlen immer in einer geraden Linie bewegen, und das Profil der Bindungen entsprechend zu biegen. Dies erleichtert insbesondere die Beschreibung der Geometrie der reflektierten Strahlen.
Wir führen daher einen „scheinbaren Erdradius“ ein, der die virtuelle Verformung der Erde in Bezug auf die sich ausbreitenden Wellen berücksichtigt. Sie wird aus dem realen Radius durch einen Parameter abgeleitet, der als " Faktor K " bezeichnet wird und den vertikalen Gradienten des Brechungsindex widerspiegelt . Der Medianwert in Europa liegt bei 4/3.
Clearance / BeugungDas Fresnel-Ellipsoid wird manchmal teilweise durch ein Hindernis blockiert. Es gibt normalerweise drei Arten von Hindernissen:
Berechnungsmethoden ermöglichen es jeweils, die zusätzliche Dämpfung vorherzusagen, die in den Bilanzen zu berücksichtigen ist.
Wenn das Hindernis einen zu großen Teil des Radius blockiert, kann die Verbindung immer hergestellt werden, diesmal jedoch durch Beugung (spezifische Berechnungsmethode).
Bestimmte Eigenschaften des Vermehrungsmediums sind daher "zufällig". Hierfür werden klimatologische Statistiken (z. B. mittlere Wasserdampfkonzentration) verwendet. Zwei Hauptphänomene sollten berücksichtigt werden:
FührungsphänomeneFür eine Weile können atmosphärische Bedingungen dazu führen, dass der Strahl geführt wird, normalerweise in Superbrechung. Das Ergebnis ähnelt dann einer Antennenauslenkung. Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens dieses „nicht-selektiven Verblassens“ über einen Monat wird in ITU-R S.530-8 durch einen statistischen Parameter namens „ PL-Faktor “ angegeben (von 2% bis 30% in Frankreich). In den neuesten Versionen von Advisory ITU-R P.530 wird ein anderer Parameter verwendet: der Gradient dN1 .
Dieses Führungsphänomen ist eine Dimensionierung beim Engineering von Verbindungen, deren Frequenzband weniger als 15 GHz beträgt . Dadurch wird die mögliche Sprunglänge für bestimmte Verfügbarkeitsanforderungen reduziert.
Dämpfung durch RegenBei HF mit einer Frequenz von mehr als 8 GHz verursacht der Niederschlag ebenfalls erhebliche Verluste, zumal die Niederschlagsrate (in mm / h) und die Frequenz hoch sind. Darüber hinaus beeinflusst die Phase dieses Niederschlags auch die Dämpfung des Signals. Schnee, der eine sehr kleine Dielektrizitätskonstante hat , hat also viel weniger Einfluss als Regentropfen gleicher Masse. Slush hingegen kombiniert den großen Durchmesser der Flocken und den Regenkoeffizienten, um ein größeres Hindernis zu schaffen als die beiden, die separat als " glänzender Streifen " bekannt sind. Somit trifft der Durchgang einer Welle von 10 cm in diesem Band auf eine drei- bis dreißigmal stärkere Dämpfung als im Regen unter dem Band.
In Frankreich variiert die Niederschlagsintensität, die 0,01% der Zeit erreicht oder überschritten wird, je nach Region zwischen 22 und 60 mm / h im Jahresdurchschnitt. Dieses Niederschlagsphänomen ist daher bei der Konstruktion von Verbindungen mit einem Frequenzband von mehr als 8 GHz von Bedeutung . Dadurch wird die mögliche Sprunglänge für bestimmte Verfügbarkeitsanforderungen reduziert. Die Welle ist auch auf der teilweise dispergiert Kreuzpolarisation (Phänomen der transpolarization). Dämpfung und Transpolarisation sind für ein Signal in H (horizontaler) Polarisation stärker ausgeprägt .
Das empfangene Signal ist die Summe des Hauptsignals und aller reflektierten Signale (am Boden, in der Vegetation und insbesondere in den Gewässern). Die zwischen all diesen Signalen erzeugte Interferenz führt zu manchmal extrem großen Über- und Unterfeldern, aber auch zu Verzerrungen (selektives Fading).
Die Hauptreflexion ist das dominierende Phänomen der Mehrwege . Es gibt jedoch andere wichtige Fälle.
Die Merkmale der Endausrüstung, die bei der Berechnung der Energiebilanz berücksichtigt werden müssen, sind:
Sendeleistung : Dies ist die Signalstärke, die das Funkgerät liefern kann. Sie liegt üblicherweise zwischen 20 und 30 dBm.
Empfangsschwellen : definiert in Bezug auf eine gegebene binäre Fehlerrate (BER = 10 –3 oder 10 –6 ), spiegeln sie die Fähigkeit des Empfängers wider, das geschwächte Signal nach der Ausbreitung (in Bezug auf thermisches Rauschen ) zu verarbeiten. Abhängig vom Frequenzband, der Bitrate und der Art der Modulation liegen sie im Allgemeinen zwischen –70 und –95 dBm.
Verbindungsverluste ( Wellenleiter , Verbindungen usw.): Bei Geräten ohne integrierte Antennen muss der Sender / Empfänger über ein Koaxialkabel oder einen Wellenleiter mit der Antenne verbunden werden. Diese Offsets induzieren lineare Verluste von 1 bis mehreren dB, zu denen die Verluste aufgrund der Steckverbinder und anderer Verbindungselemente addiert werden.
Antennengewinn : Antennen, hauptsächlich parabolisch, liefern einen Leistungsgewinn (in der Größenordnung von 25 bis 45 dB ), je größer ihr Durchmesser ist. Die Richtwirkung des Strahls nimmt mit dem Frequenzband und den Durchmessern der Antenne zu.
Das Erhalten der Verbindungsbewertung basiert auf der einfachen Beobachtung: Die entfernte Station muss ein Signal empfangen, so dass sie es mit einer akzeptablen Fehlerrate im Hinblick auf die Qualitätsanforderungen der Verbindung transkribieren kann. Das Verbindungsbudget, die Summe der übertragenen Leistung und aller bis zum Empfänger auftretenden Gewinne und Verluste muss daher so sein, dass der empfangene Signalpegel größer als die Empfangsschwelle ist.
Wenn jedoch die Sende- / Empfangseigenschaften des FH bis zur Antenne genau bekannt sein können, ist es andererseits unmöglich, die Eigenschaften des von den Wellen gekreuzten Mediums zu irgendeinem Zeitpunkt zu kennen.
Die Leistungskriterien einer Verbindung definieren die Prozentsätze der zugewiesenen Zeit, während der das Signal mit ausreichender Qualität und Verfügbarkeit empfangen werden muss.
Die Qualitätsziele beziehen sich auf jeden Monat und führen zu folgenden Kriterien: Falsche Sekunde (mindestens ein Fehler) und Schwerwiegende Sekunde (deren BER 10 - 3 beträgt ). Die Qualität einer Verbindung wird hauptsächlich durch Mehrwegephänomene beeinflusst.
Die Verfügbarkeitsziele beziehen sich auf einen längeren Beobachtungszeitraum: BER> 10 –3 für mindestens zehn aufeinanderfolgende Sekunden. Abgesehen von Materialschäden und Wartungsarbeiten wird die Verfügbarkeit einer Verbindung hauptsächlich durch Führungsphänomene und Dämpfungen aufgrund von Hydrometeoren beeinflusst .
Angesichts der schwankenden Ausbreitungsbedingungen, die die Verbindung verschlechtern oder sogar gelegentlich unterbrechen können, werden die Betriebsmargen beim Empfang definiert, damit diese Kriterien erfüllt werden können.
Schwellenwert : Um die Mehrzahl der gelegentlichen Leistungsverluste (nicht selektives Fading) zu kompensieren, die das Signal erfährt, erfolgt der Empfang mit einem Spielraum, der als "einheitlicher Spielraum" oder "Schwellenwert" bezeichnet wird. Dies ist die Leistung, die durch Verschlechterung der Ausbreitungsbedingungen verloren gehen kann, ohne die Leistung der Verbindung zu verlieren.
Selektiver Spielraum : Wie bereits angegeben, wird das Signal während der Ausbreitung nicht nur einmal gedämpft. Es leidet auch unter Verzerrungen. Dies erschwert die Empfangsaufgabe weiter. Um die Fähigkeit eines Geräts zu übersetzen, ein verzerrtes Signal korrekt zu übersetzen (Überlagerung des Direktsignals mit seinen verzögerten Nachbildungen), wird ein sogenannter selektiver Rand eingeführt, der sich aus der Signaturcharakteristik des Empfängers ergibt.
Das Vorhandensein eines Störers (zum Beispiel einer anderen Verbindung, die auf einer zu engen Frequenz sendet) kann ebenfalls zu einer Verschlechterung der effektiven Schwelle des Empfängers führen und folglich diese Ränder verringern.
Geräte ermöglichen es, die Verfügbarkeit und Qualität der Verbindungen sowohl hinsichtlich der Ausbreitungsgefahren als auch der Zuverlässigkeit der Geräte zu verbessern. Es ist zum Beispiel möglich, die Verbindung zu verdoppeln, aber es gibt weniger schwere und kostengünstigere Mittel.
Es ist möglich, sich für eine sogenannte "aktive Standby " -Gerätekonfiguration zu entscheiden , um etwaige Geräteausfälle zu überwinden. Wir können auch eine "Vielfalt" hinzufügen: Dies ist ein zweiter separater Kanal zum Link.
Bei der Übertragung schaltet der Sender bei einem Ausfall automatisch auf einen zweiten Notsender um. Es ist daher die meiste Zeit inaktiv.
Beim Empfang empfangen die beiden Empfänger. Das Gerät wählt automatisch den Kanal aus, über den das Signal am besten ist. Im Fehlerfall ist immer einer der beiden Pfade verfügbar und ermöglicht die Fehlerbehebung, ohne die Verbindung zu unterbrechen.
Durch die Einführung von Diversity ist es möglich, die zuvor erwähnten Interferenzphänomene auszunutzen.
Raumdiversität : Eines der bereits erwähnten Hauptprobleme betrifft das Vorhandensein eines reflektierten Strahls zusätzlich zum direkten Strahl, der zur Bildung von Interferenzen in der vertikalen Ebene der Empfangsantennen führt. Die messbare Leistung zeigt daher Oberfeldspitzen und Unterfeldtäler entlang einer vertikalen Achse. Die Idee besteht darin, eine zweite Empfangsantenne, die durch einen halben Interferenzstreifen oder ein ungerades Vielfaches davon vom ersten entfernt ist, so zu platzieren, dass die Haupt- und Diversitätsfelder gegensätzlich korreliert sind. Das kombinierte Feld ermöglicht es somit, die Instabilitäten des Feldes aufgrund von Reflexionen oder Mehrfachpfaden sehr weitgehend zu überwinden.
Frequenzdiversität : Die Idee ähnelt der der Raumdiversität. Es geht auch darum, zwei Felder zu kombinieren, deren Phasenverschiebungen komplementär sind. Diesmal werden die Unterschiede in den Ausbreitungseigenschaften von Wellen benachbarter Frequenzen ausgenutzt. Es wird somit redundant auf einem zweiten Frequenzpaar übertragen, vorzugsweise auf einer Kreuzpolarisation.
Gemischte und hybride Diversität : Es ist auch möglich, Konfigurationen anzubieten, die die beiden vorherigen Diversitätstypen kombinieren. Es ist somit möglich, mit zwei verschiedenen Frequenzen auf den zwei Space-Diversity-Antennen zu senden (man spricht dann von Vierfach-Diversity). Es ist auch möglich, eine einzelne gekreuzte Antenne auf einer Seite zu platzieren und die Vielfalt des Empfangsraums asymmetrisch zu nutzen (dreifache Vielfalt).
Abhängig von den vorgesehenen Verbindungen ermöglichen diese Techniken es, eine Empfangsleistung bei einigen dB stabil zu halten, während in Abwesenheit das Feldschwund bis zu –40 dB erreichen kann .
Frequenzdiversität hat den Vorteil, dass nur eine Antenne benötigt wird. Die Kräfte auf die tragenden Strukturen sind daher geringer; Ihre Größe kann auch kleiner sein. Andererseits ist die optimale Frequenzabweichung festgelegt, sobald die Antennenhöhen angegeben sind. Diese Anforderung ist nicht immer mit den an anderer Stelle auferlegten Frequenzplänen vereinbar. Es hat auch eine geringe spektrale Effizienz
Die Raumvielfalt erfordert zwei Antennen (gibt es auf dem Pylon Platz, der dem gewünschten Abstand entspricht?), Aber ihre Größe ist oft kleiner. Darüber hinaus hat das Verfahren den Vorteil einer größeren Flexibilität und einer allgemein überlegenen Leistung. Es ist auch in Bezug auf Frequenzen wirtschaftlich, eine sehr seltene Ressource.
Die längste Verbindung, die jemals auf der Welt hergestellt wurde, verbindet Port Sudan im Sudan mit Taif in Saudi-Arabien , das 1979 von der italienischen Firma Telettra über eine Entfernung von 360 km über das Rote Meer zwischen den Stationen von Jebel Erba in der Höhe hergestellt wurde 2.179 m (20 ° 44'46.17 "N 36 ° 50'24.65" O, Sudan ) und Jebel Dakka , 2.572 m (21 ° 5'36.89 "N 40 ° 17'29.80" O in Saudi-Arabien ). Diese Verbindung wurde im 2- GHz-Band mit Sendern mit einer Leistung von 10 W (HT2) und vier Antennen mit einem Durchmesser von 4,60 m in jeder Station aufgebaut, die auf 112 m hohen Türmen montiert sind . Es ermöglichte die Übertragung von 300 Telefonanrufen plus eines Fernsehsignals in analoger Form (FDM).