微波鏈路技術

 

微波概論

 

無電纜微波鏈路安裝示例

微波是一種視距無線通信技術，它使用無線電波的高頻束提供可以發送和接收語音，視頻和數據信息的高速無線連接。

微波鏈路被廣泛用於點對點通信，因為它們的小波長允許大小合適的天線將它們指向窄波束，該波束可以直接指向接收天線。 這樣一來，附近的微波設備就可以像低頻無線電波一樣使用相同的頻率而不會互相干擾。 另一個優點是微波的高頻使微波頻帶具有非常大的信息承載能力。 微波頻段的帶寬是其下所有其餘無線電頻譜帶寬的30倍。

微波無線電傳輸通常用於地球表面的點對點通信系統，衛星通信和深空無線電通信中。 微波無線電頻段的其他部分用於雷達，無線電導航系統，傳感器系統和射電天文學。

頻率高於30 GHz和低於100 GHz的無線電電磁頻譜的較高部分被稱為“毫米波”，因為它們的波長可以方便地以毫米為單位進行測量，並且其波長范圍從10毫米到3.0毫米不等。 該頻帶中的無線電波通常會被地球大氣及其中包含的粒子強烈衰減，尤其是在潮濕天氣期間。 另外，在60 GHz左右的寬頻帶中，無線電波被大氣中的分子氧強烈衰減。 毫米波波段所需的電子技術也比微波波段的電子技術複雜得多，製造難度更大，因此毫米波無線電的成本通常更高。

微波通訊的歷史
詹姆斯·克萊克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）使用他著名的“麥克斯韋方程組”，在1865年預測了不可見電磁波的存在，其中微波是微波的一部分。1888年，海因里希·赫茲（Heinrich Hertz）成為第一個通過構建一種裝置來證明此類波的存在的人。在超高頻區域產生並檢測到微波。 赫茲認識到他的實驗結果證實了麥克斯韋的預測，但他沒有看到這些隱形波的任何實際應用。 後來其他人的工作導致了基於微波的無線通信的發明。 這項工作的貢獻者包括尼古拉·特斯拉，古格列爾莫·馬可尼，塞繆爾·莫爾斯，威廉·湯姆森爵士（後為開爾文勳爵），奧利弗·哈維賽德，瑞利勳爵和奧利弗·洛奇。

1931年，英語頻道上的微波鏈接

1931年，一個美國-法國聯合體在整個英吉利海峽展示了一個實驗性的微波中繼鏈路，該鏈路使用10英尺（3m）的天線作為最早的微波通信系統之一。 電話，電報和傳真數據在英國多佛和法國加來之間1.7英里處的40 GHz波束上傳輸。 但是，它無法與廉價的海底電纜價格競爭，並且從未建立計劃的商業系統。

在1950年代，AT＆T微波中繼鏈路的長線系統逐漸發展為承載美國大部分的長途電話業務以及洲際電視網絡信號。 該原型機稱為TDX，並於1946年在紐約市與貝爾實驗室所在的Murray Hill之間進行了連接測試。TDX系統於1947年在紐約和波士頓之間建立。

現代商業微波鏈路
CableFree微波通訊塔

微波通訊塔

微波鏈路是一種通信系統，它使用微波頻率範圍內的無線電波在兩個位置之間傳輸視頻，音頻或數據，兩個位置之間的距離可能只有幾英尺或幾米，甚至幾英里或幾千米。 CableFree提供的商用微波鏈接示例請參見此處。 使用400QAM調製和IP報頭壓縮技術，現代微波鏈路可以在56MHz信道中傳輸高達256Mbps的帶寬。 微波鏈路的工作距離取決於天線尺寸（增益），頻段和鏈路容量。 清晰視線的可用性對必須允許地球曲率的微波鏈路至關重要

CableFree FOR2微波鏈路400Mbps

電視廣播員通常使用微波鏈接在整個國家/地區傳輸節目，或者從外部廣播回播到演播室。 移動單元可以安裝在攝像機上，從而使攝像機可以自由移動而不用拖曳電纜。 這些通常在Steadicam系統上運動場的接觸線上看到。

微波鏈路的規劃
●必須考慮以下參數來規劃無電纜微波鏈路：
●所需距離（公里/英里）和容量（Mbps）
●鏈接的所需可用性目標（％）
●終端節點之間的淨視線（LOS）的可用性
●如果需要獲得清晰的LOS，則需要塔或桅杆
●特定於地區/國家/地區的允許頻段
●環境限制，包括雨衰
●所需頻段的許可證費用
 
 

微波頻段

微波信號通常分為三類：

超高頻（UHF）（0.3-3 GHz）；
超高頻（SHF）（3-30 GHz）; 和
超高頻（EHF）（30-300 GHz）。
另外，微波頻帶由特定字母表示。 英國無線電協會的指定如下。
微波頻段
名稱頻率範圍
●L頻段1至2 GHz
●S頻段2至4 GHz
●C頻段4至8 GHz
●X頻段8至12 GHz
●Ku頻段12至18 GHz
●K頻段18至26.5 GHz
Ka頻段26.5至40 GHz
●Q頻段30至50 GHz
●40至60 GHz的U頻段
●V波段50至75 GHz
●E頻段60至90 GHz
●W波段75至110 GHz
●F頻段90至140 GHz
●D波段110至170 GHz

術語“ P頻帶”有時用於L頻帶以下的超高頻。 有關其他定義，請參見微波波段的字母名稱

較低的微波頻率用於較長的鏈路，雨水衰減較高的區域。 相反，較高的頻率用於較短的鏈接和雨衰較小的區域。

微波鏈路上的雨衰

微波鏈路雨衰FadeRain衰落主要是指大氣中的雨，雪或冰吸收微波射頻（RF）信號，以及在11 GHz以上的頻率尤其普遍的損耗。 它也指由於風暴前緣的電磁干擾引起的信號降級。 雨衰可能是由上行鏈路或下行鏈路位置的降水引起的。 但是，由於信號可能會穿過許多英里以外的降水，尤其是在衛星天線的視角低的情況下，它並不需要在某個地方下雨，因為它可能會受到降雨衰落的影響。 上行或下行天線反射器，天線罩或饋電喇叭上的雨，雪或冰也可能導致5％到20％的雨衰或衛星信號衰減。 雨衰不僅限於衛星的上行鏈路或下行鏈路，還可能影響地麵點對點微波鏈路（地球表面的微波鏈路）。

克服雨衰影響的可能方法是站點分集，上行鏈路功率控制，可變速率編碼，接收天線大於（即更高的增益）大於正常天氣條件所需尺寸的天線以及疏水塗層。

微波鏈路的多樣性
 

1 + 0無保護的微波鏈路的示例

在地面微波鏈路中，分集方案是指通過使用兩個或多個具有不同特性的通信信道來提高消息信號的可靠性的方法。 分集在對抗衰落和同信道干擾以及避免錯誤突發方面起著重要作用。 這是基於以下事實：各個信道會經歷不同程度的衰落和乾擾。 可以在接收器中發送和/或接收和組合同一信號的多個版本。 可替代地，可以添加冗餘的前向糾錯碼，並且消息的不同部分通過不同的信道發送。 分集技術可以利用多徑傳播，從而產生分集增益，通常可以測量分貝。

以下類別的分集方案在地面微波鏈路中很典型：
●未保護：沒有分集或保護的微波鏈路被分類為“未保護”和“ 1 + 0”。 安裝了一套設備，沒有多樣性或備用設備
●熱備用：通常安裝兩套微波設備（ODU或有源無線電）連接到同一天線，並調諧到同一頻道。 一種是“掉電”或處於待機模式，通常在接收機處於活動狀態但發射機處於靜音狀態時。 如果活動單元發生故障，則將其關閉電源並激活備用單元。 熱備份縮寫為HSB，通常用於1 + 1配置（一個活動，一個備用）。
●頻率分集：信號使用多個頻率信道傳輸，或在受頻率選擇衰落影響的寬頻譜中擴展。 微波無線電鏈路通常使用幾個活動的無線電信道以及一個保護信道，以供任何衰落的信道自動使用。 這就是所謂的N + 1保護
●空間分集：信號在幾個不同的傳播路徑上傳輸。 在有線傳輸的情況下，可以通過多條導線進行傳輸。 在無線傳輸的情況下，可以通過使用多個發射機天線（發射分集）和/或多個接收天線（接收分集）的天線分集來實現。
●極化分集：通過不同極化的天線發送和接收多個版本的信號。 分集組合技術被應用於接收器側。

多種路徑彈性故障轉移

在範圍從11 GHz到80 GHz的地麵點對點微波系統中，可以在易受雨衰影響的更高帶寬連接旁邊安裝並行備份鏈路。 在這種佈置中，可以計算諸如80GHz 1 Gbit / s全雙工微波橋之類的主鏈路在一年的時間內具有99.9％的可用性。 計算得出的99.9％可用率意味著，當暴雨高峰穿過該地區時，該鏈接每年可能累計中斷十個小時或更長時間。 可以與主要鏈路並行安裝次要的較低帶寬鏈路，例如基於5.8 GHz的100 Mbit / s橋接器，當主要的100 Gbit / s鏈路斷開時，兩端的路由器控制自動故障轉移到1 Mbit / s的橋接器由於雨水褪色。 使用這種安排，可以將高頻點對點鏈路（23GHz +）安裝到比單個鏈路需要服務99.99％的正常運行時間更長的公里數的服務位置。

自動編碼和調製（ACM）
 

微波自適應編碼和調製（ACM）

鏈路自適應或自適應編碼和調製（ACM）是無線通信中使用的一個術語，表示調製，編碼以及其他信號和協議參數與無線電鏈路上的條件（例如，路徑損耗，來自其他發射器的信號，接收器的靈敏度，可用的發射器功率餘量等）。 例如，EDGE使用一種速率自適應算法，該算法根據無線電信道的質量以及數據傳輸的比特率和魯棒性來適應調製和編碼方案（MCS）。 鏈路自適應的過程是動態的，並且信號和協議參數隨無線電鏈路條件的變化而變化。

自適應調製的目標是通過增加現有基礎架構上的網絡容量來提高微波鏈路的運營效率，同時降低對環境干擾的敏感性。
自適應調製意味著以無差錯的方式動態改變調製，以便在瞬時傳播條件下最大化吞吐量。 換句話說，系統可以在晴朗的天空條件下以其最大吞吐量運行，並降低它
雨下漸漸褪去。 例如，鏈接可以從256QAM更改為QPSK，以保持“鏈接處於活動狀態”而不會丟失連接。 在開發自動編碼和調製之前，微波設計人員必須針對“最壞情況”條件進行設計，以避免鏈路中斷。使用ACM的好處包括：
●更長的鏈接長度（距離）
●使用較小的天線（節省桅杆空間，在居民區通常也需要這樣做）
●更高的可用性（鏈接可靠性）

自動發射功率控制（ATPC）

CableFree微波鏈接具有ATPC功能，該功能可在“淡入淡出”狀況（例如大雨）期間自動增加發射功率。 ATPC可以與ACM分開使用，也可以一起使用以最大化鏈路正常運行時間，穩定性和可用性。 當“淡入淡出”條件（降雨）結束時，ATPC系統會再次降低發射功率。 這減少了微波功率放大器的壓力，從而減少了功耗，發熱並延長了預期壽命（MTBF）

微波鏈接的用途
蜂窩網絡運營商的骨幹鏈路和“最後一英里”通信
Internet服務提供商（ISP）和無線ISP（WISP）的骨幹鏈接
企業網絡到建築物和校園站點
電信，在不需要銅/光纖線路的情況下將遠程和區域電話交換機連接到較大的（主要）交換機。
符合HD-SDI和SMPTE標準的廣播電視

企業

由於微波技術的可擴展性和靈活性，微波產品可以部署在許多企業應用程序中，包括建築物到建築物的連接，災難恢復，網絡冗餘以及數據，語音和數據，視頻服務，醫學成像等應用程序的臨時連接。 ，CAD和工程服務，以及固定電話運營商旁路。

移動運營商回傳
 

蜂窩網絡中的微波回傳

微波鏈路是移動運營商回程中的寶貴工具：可以部署微波技術來提供傳統的PDH 16xE1 / T1，STM-1和STM-4，以及現代IP千兆以太網回程連接和Greenfield移動網絡。 與部署或租賃光纖網絡相比，微波安裝起來要快得多，並且蜂窩網絡運營商的總體擁有成本更低

低延遲網絡
CableFree低延遲版本的微波鏈路使用低延遲微波鏈路技術，在另一端發送和接收的數據包之間的延遲絕對最小，除了視線傳播延遲。 微波在空中的傳播速度比通過光纖傳播的速度快約40％，與光纖相比，客戶的延遲立即降低了40％。 此外，由於建築物佈局，街道管道的實際情況以及使用現有電信基礎設施的要求，光纖安裝幾乎從來不會成一直線，因此光纖運行距離比兩個端點之間的直接視線路徑長100％。 因此，CableFree低延遲微波產品在低延遲應用中很受歡迎，例如高頻交易和其他用途。

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