電子帶毫米波技術

E波段和V波段毫米波技術簡介

MMW摘要

毫米波（MMW）是一項用於高速（10Gbps，每秒10吉比特）大容量無線鏈路的技術，非常適合城市地區。 使用E波段（70-80GHz）和58GHZ至60GHz（V波段）頻譜中的高頻微波，可以在擁擠的城市中密集地部署鏈路，而不會產生干擾，也不需要挖掘電纜和光纖。代價高，速度慢且破壞力大。 相比之下，隨著網絡需求的發展，MMW鏈接可以在數小時內部署，並可以在不同站點上移動和重用。

阿聯酋安裝了CableFree MMW毫米波鏈路

MMW的歷史

2003年，北美聯邦通信委員會（FCC）開通了數個高頻毫米波（MMW）頻段，分別在70、80和90吉赫（GHz）範圍內供商業和公共使用。 由於這些頻段中存在大量頻譜（大約13 GHz），毫米波無線電已迅速成為市場上最快的點對點（點對點）無線電解決方案。 如今，可提供提供高達1.25 Gbps的全雙工數據速率，運營商級別的可用性水平為99.999％，並且距離近一英里或更長的無線電傳輸產品。 由於具有成本效益的價格，MMW無線電具有改變移動回程提供商和城域/企業“上一英里”接入連接性的業務模式的潛力。

監管背景
13年71月，在美國用於商業用途和高密度固定無線服務的76…81 GHz，86…92 GHz和95…2003 GHz頻率範圍內，開放了XNUMX GHz以前未使用的頻譜。聯邦通信委員會（FCC）做出的具有里程碑意義的裁決。 從技術角度來看，該裁決首次允許在電信級可用性級別上，在XNUMX英里或更長的距離上實現全線速和全雙工千兆速無線通信。 在開放用於商業用途的頻譜時，FCC主席邁克爾·鮑威爾（Michael Powell）宣布這項裁決是為美國人民開放商業服務和產品的“新領域”。 從那時起，就開闢了光纖替換或擴展，點對點無線“最後一英里”訪問網絡以及千兆位數據速率及更高帶寬的寬帶Internet訪問的新市場。

70 GHz，80 GHz和90 GHz分配的重要性不能高估。 這三個分配統稱為E頻段，構成了FCC為許可的商業用途釋放的最大頻譜數量。 13 GHz頻譜加在一起將FCC批准的頻帶數量增加了20％，這些頻帶的組合代表整個蜂窩頻譜帶寬的50倍。 憑藉分別在5 GHz和70 GHz的80 GHz帶寬以及3 GHz的90 GHz可用帶寬，千兆比特以太網和更高的數據速率可以通過相對簡單的無線電架構輕鬆實現，而無需複雜的調製方案。 由於傳播特性僅比在廣泛使用的微波頻帶上的傳播特性稍差，並且良好的天氣特性使雨衰得以理解，因此可以放心地實現幾英里的鏈路距離。

FCC裁決還為基於Internet的新型許可計劃奠定了基礎。 這種在線許可方案允許快速註冊無線電鏈路，並以幾百美元的一次性費用提供頻率保護。 繼FCC具有里程碑意義的裁決之後，全球許多其他國家/地區目前正在開放MMW頻譜供公眾和商業使用。 在本文中，我們將嘗試解釋70 GHz，80 GHz和90 GHz頻段的重要性，並展示這些新的頻率分配將如何重塑高數據速率傳輸和相關的業務模型。

高容量“最後一英里”訪問連接的目標市場和應用
僅在美國，就有大約750,000萬名員工的20座商業建築。 在當今高度Internet連接的業務環境中，這些建築物中的大多數都需要高數據速率Internet連接。 雖然確實確實有許多企業目前對分別以1 Mbps或1 Mbps的速度較慢的T1.54 / E2.048或任何其他形式的速度較慢的DSL連接感到滿意，但數量迅速增長的企業需要或要求DS- 3（45 Mbps）連接或更高速度的光纖連接。 但是，根據垂直系統集團（Vertical Systems Group）的最新研究，問題就從這裡開始。在美國，只有13.4％的商業建築連接到光纖網絡。 換句話說，這些建築物中有86.6％的建築物沒有光纖連接，並且建築物的租戶依靠租用現有或替代電話提供商（ILEC或CLEC）的較慢速度的有線銅電路。 對於更高速度的有線銅纜連接（例如45 Mbps DS-3連接），此類費用每月很容易達到3,000美元。

思科在2003年進行的另一項有趣的研究表明，未連接光纖的美國商業建築中有75％位於光纖連接的一英里範圍內。 然而，儘管對向這些建築物中進行大容量傳輸的需求不斷增長，但與鋪設光纖相關的成本卻常常不允許“關閉傳輸瓶頸”。 例如，在美國主要大城市鋪設光纖的成本可能高達每英里250,000美元，而且在美國許多最大的城市中，甚至由於相關的大規模交通中斷而暫停了鋪設新光纖的費用。 歐洲許多城市的光纖到商業建築的連通性數據要差得多，一些研究表明，只有大約1％的商業建築與光纖相連。

許多行業分析家一致認為，只要基礎技術允許運營商級的可用性水平，短距離無線“最後一英里”訪問連接將有一個龐大且目前服務不足的市場。 MMW無線電系統非常適合滿足這些技術要求。 此外，在過去的幾年中，大容量的商用MMW系統的價格已大幅下降。 與在美國或歐洲大城市中僅鋪設一英里的光纖相比，使用具有千兆以太網功能的MMW無線電的運行成本可低至光纖成本的10％。 這種定價結構使千兆位連接的經濟性具有吸引力，因為所需的資本佈局以及由此產生的投資回報期（ROI）大大縮短了。 因此，現在可以使用過去由於溝槽光纖的高昂的基礎設施成本而無法經濟地服務的許多高數據速率應用，並且在使用MMW無線電技術時在經濟上是可行的。 這些應用包括：
●CLEC和ILEC光纖的擴展和替換
●城域以太網回傳和光纖環網封閉
●無線校園局域網擴展
●校園網中的光纖備份和路徑分集
●災難恢復
●高容量SAN連接
●用於國土安全和軍事的冗餘，可移植性和安全性
●密集城市網絡中的3G蜂窩和/或WIFI / WiMAX回傳
●便攜式和臨時鏈接，用於高清視頻或HDTV傳輸

為什麼使用E波段MMW技術？

在開放的三個頻段中，70 GHz和80 GHz頻段吸引了設備製造商的最大興趣。 設計為共存，71…76 GHz和81…86 GHz分配允許5 GHz的全雙工傳輸帶寬。 即使採用最簡單的調製方案，也足以輕鬆傳輸全雙工千兆以太網（GbE）信號。 先進的Wireless Excellence設計甚至設法使用了較低的5 GHz頻段（僅從71…76 GHz）來傳輸全雙工GbE信號。 後來，在將MMW技術部署到天文站點附近以及在美國以外的國家/地區使用直接數據轉換（OOK）和低成本雙工器的MMW技術方面，顯示了明顯的優勢，相對簡單，因此具有成本效益並且可以實現高度可靠的無線電架構。 使用頻譜效率更高的調製碼，甚至可以達到10Gbps（10GigE）甚至更高的全雙工傳輸速率，最高可達40Gbps。

92…95 GHz分配要困難得多，因為頻譜的這一部分被分成兩個不相等的部分，這些部分被100…94.0 GHz之間的窄94.1 MHz排除頻帶分隔開。 可以假設這部分頻譜將更可能用於更高容量和更短距離的室內應用。 此分配將不在本白皮書中進一步討論。

在晴朗的天氣條件下，由於低的大氣衰減值，在70 GHz和80 GHz的傳輸距離超過了許多英里。 然而，圖1顯示，即使在這些條件下，大氣衰減也隨頻率而顯著變化[1]。 在常規的較低微波頻率和大約38 GHz的頻率下，大氣衰減相當低，衰減值僅為每公里十分之幾分貝（dB / km）。 在約60 GHz時，氧分子的吸收會引起衰減的大峰值。 氧氣吸收量的大幅增加嚴重限制了60 GHz無線電產品的無線電傳輸距離。 但是，超過60 GHz的氧吸收峰後，會打開一個更寬的低衰減窗口，在該窗口中衰減降至0.5 dB / km左右。 低衰減窗口通常稱為E波段。 E波段的衰減值接近普通微波無線電所經歷的衰減。 在100 GHz以上，大氣衰減通常會增加，此外，在較高的頻率下，由於O2和H2O的吸收會導致許多分子吸收帶。 總而言之，正是70 GHz和100 GHz之間相對較低的大氣衰減窗口使E波段頻率吸引了大容量無線傳輸。 圖1還顯示雨水和霧氣如何影響開始於200太赫茲（THz）並用於FSO傳輸系統的微波，毫米波和紅外光波段的衰減。 在各種特定降雨率下，衰減值隨傳輸頻率的增加而略有變化。 下一節將進一步研究降雨率與傳輸距離之間的關係。 與霧有關的衰減基本上可以在毫米波頻率上忽略不計，在毫米波和光學傳輸帶之間增加了幾個數量級：這是更長距離的FSO系統在有霧條件下停止工作的主要原因。

電子波段的傳輸距離
與所有高頻無線電傳播一樣，降雨衰減通常決定了傳輸距離的實際限制。 圖2顯示，在有雨的情況下，在E波段頻率範圍內工作的無線電系統會經歷較大的衰減[2]。 幸運的是，世界上最有限的地區往往會下最強烈的降雨。 主要是亞熱帶和赤道國家。 在高峰時間，短時間內可觀察到超過180英寸/小時（100毫米/小時）的降雨率。 在美國和歐洲，經歷的最大降雨速率通常小於30英寸/小時（XNUMX毫米/小時）。 這樣的降雨率導致信號衰減XNUMX dB / km，通常只在短雲爆發期間發生。 這些雲爆發是降雨事件，出現在相對較小的局部區域和強度較低，直徑較大的雨雲中。 由於雲爆發通常還與嚴重天氣事件相關聯，這些天氣事件在鏈路上快速移動，因此雨水中斷往往很短，並且僅在長距離傳輸鏈路上存在問題。

毫米波和雨衰減V波段電子帶

國際電聯雨區全球毫米波E波段V波段

國際電信聯盟（ITU）和其他研究組織已經收集了數十年來來自世界各地的降雨數據。 通常，降雨特徵以及降雨率，統計降雨持續時間，雨滴大小等之間的關係是很容易理解的[3]，通過使用此信息，可以設計無線電鏈路來克服最惡劣的天氣事件或進行預測在特定頻率下工作的較長距離無線電鏈路上與天氣有關的中斷持續時間。 國際電聯雨區分類方案按字母順序顯示了預期的統計降雨率。 降雨量最少的地區被列為“ A區”，而降雨量最高的地區則被列為“ Q區”。 國際電聯全球雨區圖和世界特定地區的降雨率清單如下圖3所示。

 美國E波段V波段的MMW雨衰圖

圖3：國際電聯世界不同地區的雨區分類（頂部）和實際統計降雨率與降雨事件持續時間的關係

圖4顯示了北美和澳大利亞的更詳細的地圖。 值得一提的是，美國大陸地區約有80％落入K區及以下雨區。 換句話說，要在99.99％的可用性水平下運行，無線電系統的衰落餘量必須設計成能夠承受42毫米/小時的最大降雨率。 在佛羅里達州和墨西哥灣沿岸可以看到北美最高的降雨率，這些地區被歸類為N雨區。總的來說，澳大利亞的降雨少於北美。 這個國家的大部分地區，包括人口稠密的南部海岸線，都位於E和F雨區（<28毫米/小時）。

為簡化起見，通過組合圖2的結果（降雨率與衰減）並使用圖3和圖4中所示的ITU降雨圖，可以計算出在世界某些地區運行的特定無線電系統的可用性。 根據美國，歐洲和澳大利亞的降雨數據進行的理論計算表明，在接近一英里甚至更高的距離上，70/80 GHz無線電傳輸設備可以達到99.99…99.999％的統計可用性水平上的GbE連接。 對於較低的99.9％的可用性，可以常規實現超過2英里的距離。 在環形或網狀拓撲中配置網絡時，由於大雨單元的密集，群集性質以及環形/網狀拓撲提供的路徑冗餘，在某些情況下，對於相同的可用性，有效距離會增加一倍。

MMW Rain Fade Map 澳大利亞 E-Band V_Band

圖4：國際電聯北美和澳大利亞的雨區分類

MMW技術相對於其他大容量無線解決方案（如自由空間光學（FSO））的一個強大優勢是，MMW頻率不受霧或沙塵暴等其他傳輸障礙的影響。 例如，液態水含量為0.1 g / m3（可見性約為50 m）的濃霧在0.4/70 GHz時僅具有80 dB / km的衰減[4]。 在這些條件下，FSO系統的信號衰減將超過250 dB / km [5]。 這些極端的衰減值表明了為什麼FSO技術只能在較短的距離內提供高可用性數據。 E波段無線電系統同樣不受灰塵，沙子，雪和其他傳輸路徑損害的影響。

替代的高數據速率無線技術
作為E波段無線技術的替代方法，數量有限的可行技術能夠支持高數據速率連接。 白皮書的此部分提供了簡短的概述。

光纖電纜

光纖電纜提供了任何實際傳輸技術中最寬的帶寬，從而可以非常長的距離傳輸很高的數據速率。 儘管全球都有數千英里的光纖可用，尤其是在長途和城際網絡中，但“最後一英里”的訪問仍然受到限制。 由於與開挖溝渠和鋪設地面光纖有關的大量前期費用（通常是高得令人望而卻步），以及通行權問題，因此很難或不可能接入光纖。 長時間的延誤也是經常發生的，這不僅是由於挖溝光纖的物理過程，而且還因為環境影響以及該項目涉及的潛在官僚障礙造成的障礙。 由於這個原因，世界上許多城市都禁止光纖開挖，這是因為內城區的交通中斷以及開挖過程給公眾帶來的普遍不便。

微波無線電解決方案

固定點對點微波無線電可以支持更高的數據速率，例如全雙工100 Mbps快速以太網，或者在500-4 GHz之間的頻率範圍內每個載波最高42 Mbps。 但是，在更傳統的微波波段中，與E波段頻譜相比，頻譜是有限的，經常會發生擁塞，並且典型的許可頻譜信道非常狹窄。

微波和毫米波MMW頻譜V波段和E波段

圖5：高數據速率微波無線電與70/80 GHz無線電解決方案之間的比較。

通常，可用於許可的頻道通常不超過56兆赫茲（MHz），但通常不超過30 MHz。 在某些頻帶中，可以使用每個載波支持112Mbps的880MHz寬信道，但僅在適合短距離的較高頻帶中可用。 因此，在這些頻帶中以較高數據速率工作的無線電設備必須採用高度複雜的系統架構，該系統架構採用的調製方案最高可達1024正交幅度調製（QAM）。 這種高度複雜的系統導致距離受限，並且在最大通道中，吞吐量仍然限制為880Mbps的數據速率。 由於這些頻帶中可用頻譜的數量有限，天線波束寬度方向圖更寬，以及高QAM調製對任何類型的干擾的敏感性，在城市或大都市地區更密集地部署傳統微波解決方案是非常成問題的。 傳統微波頻段與70/80 GHz方法之間的可視頻譜比較如圖5所示。

60 GHz（V波段）毫米波無線電解決方案
60 GHz頻譜內的頻率分配，尤其是57…66 GHz之間的分配，在世界不同地區有很大不同。 北美FCC已發布了一個在57…64 GHz之間的更寬頻譜範圍，為全雙工GbE操作提供了足夠的帶寬。 其他國家未遵循此特定規定，這些國家只能使用60 GHz頻段內較小得多且通常為信道化的頻率分配。 在美國，德國，法國和英國等國家，美國以外有限的可用頻譜數量不足以在歐洲以高數據速率構建經濟高效的60 GHz無線電解決方案。 但是，即使在美國，由於氧氣分子對大氣的高吸收，傳輸功率受到限制，再加上相對較差的傳播特性（參見圖1），將典型的鏈路距離限制在半英里以內。 為了達到99.99…99.999％的電信級性能，對於美國大陸的大部分地區，距離通常限制為略大於500碼（500米）。 FCC已將60 GHz頻譜歸為免許可證頻譜。 與更高的70/80 GHz頻率分配不同，60 GHz無線電系統的運行不需要法律批准或協調。 一方面，未經許可的技術在最終用戶中非常流行，但同時也沒有針對意外或故意干擾的保護措施。 總而言之，特別是在美國，使用60 GHz頻譜可能是短距離部署的可行選擇，但是對於超過500米的鏈路距離以及需要99.99…99.999％的系統可用性的情況，該技術並不是真正的選擇。

自由空間光學（FSO，光學無線）
自由空間光學（FSO）技術使用紅外激光技術在遠程位置之間傳輸信息。 該技術可以傳輸1. 5 Gbps甚至更高的極高數據速率。 FSO技術通常是一種非常安全的傳輸技術，由於極窄的傳輸波束特性，它不太容易受到干擾，並且在全球範圍內均免許可證使用。

不幸的是，紅外光波段中信號的傳輸受到霧的嚴重影響，霧中的大氣吸收率可能超過130 dB / km [5]。 通常，任何影響兩個位置之間可見度的天氣狀況（例如沙子，灰塵）也會影響FSO系統的性能。 霧事件和沙塵暴也可能非常局限並且難以預測，因此，對FSO系統可用性的預測更加困難。 與持續時間非常短的極端降雨事件不同，霧和塵埃/沙塵暴也可能持續很長時間（數小時甚至數天而不是數分鐘）。 在這種條件下運行的FSO系統可能會導致極長的停機時間。

從實際的角度來看，當考慮可用性為99.99…99.999％時，以上所有因素都可以將FSO技術限制在僅幾百碼（300米）的距離內。 特別是在沿海地區或容易起霧的地區，以及遇到沙塵暴的地區。 為了在此類環境中部署FSO系統時保持100％的連接性，建議使用替代路徑技術。

大多數行業專家都認為，FSO技術可以在較短距離無線連接遠程位置時提供有趣且潛在的廉價替代方案。 但是，紅外光譜中信號衰減的物理原理始終會將這項技術限制在非常短的距離內。

表1顯示了已討論的和市售的高數據速率傳輸技術及其關鍵性能驅動器的簡短比較。

MMW與其他無線技術相比

表1：市售高數據速率有線和無線傳輸技術的比較表

市售毫米波解決方案
CableFree毫米波產品組合包括點對點無線電解決方案，在許可的100 GHz E頻段頻譜中的工作速度為10 Mbps至10 Gbps（70吉比特以太網），在未許可的1 GHz頻譜中的工作速度高達60Gbps。 這些系統具有不同的天線尺寸，可以滿足業內任何E波段無線電製造商最具競爭力的價格，滿足客戶在特定部署距離上的可用性要求。 Wireless Excellence的E波段無線電解決方案僅在許可的5/70 GHz E波段頻譜的80 GHz較低頻段中運行，而不是在70 GHz和80 GHz波段中同時傳輸。 因此，Wireless Excellence產品不容易在歐洲的天文站點或軍事設施附近受到潛在的部署限制，在歐洲，軍事人員正在將80 GHz頻段的一部分用於軍事通信。 該系統易於部署，並且由於48伏直流電（Vdc）的低壓供電，因此不需要認證的電工來安裝系統。 無線卓越產品的照片如下圖6所示。

在阿聯酋部署了CableFree MMW鏈接

圖6：CableFree MMW無線電緊湊且高度集成。 顯示的是60厘米天線版本

總結和結論
為了滿足當今對高容量網絡互連的要求，提供了高度可靠的無線解決方案，可提供類似光纖的性能，而成本僅為鋪設光纖或租賃高容量光纖連接的一小部分。 這不僅很重要，從性能/成本的角度來看，而且還因為“最後一英里”接入網中的光纖連接仍然不是很普及，最新研究表明，在美國，只有13.4％的商業建築擁有超過光纖連接了20名員工。 這些數字在其他許多國家甚至更低。

市場上有幾種技術可以提供千兆位連接來連接遠程網絡位置。 在70/80 GHz頻率範圍內獲得許可的E波段解決方案特別受關注，因為它們可以在1.6英里（2003公里）或更高的工作距離上提供最高的載波級別可用性數據。 在美國，60年一項具有里程碑意義的FCC裁決將該頻譜開放用於商業用途，基於Internet的低成本輕型許可計劃允許用戶在數小時內獲得運行許可。 其他國家已經擁有和/或目前正在開放E波段頻譜用於商業用途。 未經許可的99.99 GHz無線電和自由空間光學（FSO）系統也可以提供千兆以太網連接，但是在99.999…60％的電信級可用性級別上，這兩種解決方案都只能在較短的距離內運行。 作為簡單的經驗法則，在美國大部分地區，只有在部署距離小於500碼（500米）的情況下，XNUMX GHz解決方案才能提供這些高可用性級別。

參考
●ITU-R P.676-6，“大氣氣體的衰減”，2005年。
●ITU-R P.838-3，“用於預測方法的雨的特定衰減模型”，2005年。
●ITU-R P.837-4，“傳播建模的降水特徵”，2003年。
●ITU-R P.840-3，“由於雲霧引起的衰減”，1999年。

有關E波段毫米波的更多信息

有關E波段MMW的更多信息，請 聯絡我們

留言 

郵件列表