Geschichte
Eine Mikrowellenverbindung ist ein Kommunikationssystem, das einen Strahl von Radiowellen im Mikrowellenfrequenzbereich verwendet, um Informationen zwischen zwei festen Orten auf der Erde zu übertragen. Sie sind für viele Kommunikationsformen von entscheidender Bedeutung und wirken sich auf ein breites Spektrum von Branchen aus. Rundfunkveranstalter verwenden Mikrowellenverbindungen, um Programme vom Studio zum Senderstandort zu senden, der möglicherweise kilometerweit entfernt ist. Mikrowellenverbindungen führen Mobiltelefongespräche zwischen Zellenstandorten. Anbieter von drahtlosen Internetdiensten verwenden Mikrowellenverbindungen, um ihren Kunden einen Hochgeschwindigkeits-Internetzugang ohne Kabelverbindungen zu bieten. Telefongesellschaften übertragen Anrufe zwischen Vermittlungsstellen über Mikrowellenverbindungen, obwohl sie in jüngster Zeit weitgehend durch Glasfaserkabel ersetzt wurden. Unternehmen und Regierungsbehörden verwenden sie, um Kommunikationsnetze zwischen nahe gelegenen Einrichtungen innerhalb einer Organisation bereitzustellen, z. B. einem Unternehmen mit mehreren Gebäuden innerhalb einer Stadt.
Einer der Gründe, warum Mikrowellenverbindungen so anpassungsfähig sind, ist, dass sie breitbandig sind. Das bedeutet, dass sie große Mengen an Informationen mit hoher Geschwindigkeit bewegen können. Eine andere wichtige Qualität von Mikrowellenverbindungen ist, dass sie keine Ausrüstung oder Anlagen zwischen den zwei Anschlusspunkten erfordern, also ist die Installierung einer Mikrowellenverbindung häufig schneller und weniger kostspielig als eine Kabelverbindung. Schließlich können sie fast überall verwendet werden, solange die zu überspannende Entfernung innerhalb des Betriebsbereichs des Geräts liegt und ein klarer Weg (dh keine festen Hindernisse) zwischen den Standorten besteht. Mikrowellen können auch Regen, Nebel und Schnee durchdringen, was bedeutet, dass schlechtes Wetter die Übertragung nicht stört.
Eine einfache Einweg-Mikrowellenverbindung umfasst vier Hauptelemente: einen Sender, einen Empfänger, Übertragungsleitungen und Antennen. Diese grundlegenden Komponenten existieren in jedem Funkkommunikationssystem, einschließlich Mobiltelefonen, Funkgeräten, drahtlosen Netzwerken und kommerziellem Rundfunk. Die in Mikrowellenverbindungen verwendete Technologie unterscheidet sich jedoch deutlich von der Technologie, die bei niedrigeren Frequenzen (längeren Wellenlängen) im Funkspektrum verwendet wird. Techniken und Komponenten, die bei niedrigen Frequenzen gut funktionieren, sind bei den höheren Frequenzen (kürzeren Wellenlängen), die in Mikrowellenverbindungen verwendet werden, nicht verwendbar. Zum Beispiel funktionieren gewöhnliche Drähte und Kabel schlecht als Leiter von Mikrowellensignalen. Auf der anderen Seite ermöglichen Mikrowellenfrequenzen Ingenieuren, bestimmte Prinzipien zu nutzen, deren Anwendung bei niedrigeren Frequenzen unpraktisch ist. Ein Beispiel ist die Verwendung einer Parabolantenne oder einer „Tellerantenne“ zum Fokussieren eines Mikrowellenradiostrahls. Solche Antennen können so ausgelegt werden, dass sie bei viel niedrigeren Frequenzen arbeiten, aber sie wären zu groß, um für die meisten Zwecke wirtschaftlich zu sein.
In einer Mikrowellenverbindung erzeugt der Sender ein Mikrowellensignal, das die zu kommunizierende Information trägt. Diese Information — die Eingabe – kann alles sein, was auf elektronischem Wege gesendet werden kann, wie ein Telefonanruf, Fernseh- oder Radioprogramme, Text, bewegte oder Standbilder, Webseiten oder eine Kombination dieser Medien.
Der Sender hat zwei grundlegende Aufgaben: Mikrowellenenergie mit der erforderlichen Frequenz und Leistung zu erzeugen und mit dem Eingangssignal so zu modulieren, dass er aussagekräftige Informationen übermittelt. Die Modulation wird erreicht, indem eine Eigenschaft der Energie als Reaktion auf den Eingang des Senders variiert wird. Das Blinken eines Lichts zur Übertragung einer Nachricht im Morsecode ist ein Beispiel für die Modulation. Die unterschiedlichen Längen der Blitze (die Punkte und Striche) und die Abstände der Dunkelheit zwischen ihnen vermitteln die Informationen — in diesem Fall eine Textnachricht.
Der zweite integrale Bestandteil einer Mikrowellenverbindung ist eine Übertragungsleitung. Diese Leitung führt das Signal vom Sender zur Antenne und am empfangenden Ende der Verbindung von der Antenne zum Empfänger. In der Elektrotechnik ist eine Übertragungsleitung alles, was Strom von einem Punkt zum anderen leitet. Lampenkabel, Stromleitungen, Telefonkabel und Lautsprecherkabel sind übliche Übertragungsleitungen. Bei Mikrowellenfrequenzen schwächen diese Medien das Signal jedoch übermäßig. An ihrer Stelle verwenden Ingenieure Koaxialkabel und insbesondere Hohlrohre, die als Wellenleiter bezeichnet werden.
Der dritte Teil des Mikrowellensystems sind die Antennen. Auf der Sendeseite sendet die Antenne das Mikrowellensignal von der Übertragungsleitung in den freien Raum aus. „Freiraum“ ist der Begriff des Elektrotechnikers für die Leere oder Lücke zwischen Sende- und Empfangsantenne. Es ist nicht dasselbe wie „die Atmosphäre“, weil Luft für keine Art von Funkübertragung notwendig ist (weshalb Radio im Vakuum des Weltraums arbeitet). Am Empfängerort sammelt eine auf die Sendestation gerichtete Antenne die Signalenergie und speist sie zur Verarbeitung durch den Empfänger in die Übertragungsleitung ein.
Antennen, die in Mikrowellenverbindungen verwendet werden, sind stark gerichtet, was bedeutet, dass sie die übertragene Energie eng fokussieren und Energie hauptsächlich aus einer bestimmten Richtung empfangen. Dies steht im Gegensatz zu Antennen, die in vielen anderen Kommunikationssystemen wie Rundfunk verwendet werden. Indem die Energie des Senders dorthin geleitet wird, wo sie benötigt wird — zum Empfänger — und das empfangene Signal konzentriert wird, ermöglicht diese Eigenschaft von Mikrowellenantennen die Kommunikation über große Entfernungen mit geringen Energiemengen.
Zwischen den Antennen der Verbindung liegt ein weiteres wichtiges Element der Mikrowellenverbindung — der Weg, den das Signal durch die Erdatmosphäre nimmt. Ein klarer Weg ist entscheidend für den Erfolg der Mikrowellenverbindung. Da sich Mikrowellen im Wesentlichen geradlinig bewegen, müssen vom Menschen verursachte Hindernisse (einschließlich möglicher zukünftiger Konstruktionen), die das Signal blockieren könnten, entweder durch hohe Antennenstrukturen überwunden oder ganz vermieden werden. Es gibt auch natürliche Hindernisse. Flaches Gelände kann unerwünschte Reflexionen erzeugen, Niederschlag kann einen Teil der Mikrowellenenergie absorbieren oder streuen, und das Auftreten von Laub im Frühjahr kann ein geringfügig starkes Signal schwächen, das ausreichend war, als die Bäume im Winter kahl waren. Ingenieure müssen bei der Entwicklung einer Mikrowellenverbindung alle bestehenden und potenziellen Probleme berücksichtigen.
Am Ende des Links befindet sich die letzte Komponente, der Empfänger. Hier werden Informationen aus dem Mikrowellensignal extrahiert und in seiner ursprünglichen Form zur Verfügung gestellt. Um dies zu erreichen, muss der Empfänger das Signal demodulieren, um die Information von der Mikrowellenenergie zu trennen, die sie trägt. Der Empfänger muss in der Lage sein, sehr kleine Mengen Mikrowellenenergie zu erfassen, da das Signal auf seiner Reise viel von seiner Stärke verliert.
Dieser gesamte Prozess findet in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit statt, so dass die Übertragung auch über große Entfernungen praktisch augenblicklich erfolgt. Mit all ihren Vorteilen werden Mikrowellenverbindungen in den kommenden Jahren sicherlich wichtige Bausteine der weltweiten Kommunikationsinfrastruktur sein.
Link Block Diagram
Dieses Diagramm stammt von einem NEC 500 series Microwave Link System (circa 1983) und zeigt einen Geräteblockpfad. Der Block „Rücklaufrichtung“ ist das Gegenteil von dem, was im Hauptdiagramm beschrieben wird.
Regulierung und Lizenzierung
Jedes Land hat unterschiedliche Anforderungen an die Lizenzierung von Mikrowellen-Funkverbindungen. In den meisten Fällen richtet sich diese Lizenz nur an den Sender, aber im selben Fall bietet sie regulatorischen Schutz für alle Interferenzen, die den Mikrowellenempfänger beeinflussen können.
Die Lizenzkosten hängen in der Regel mit der Größe des vom Sendersignal belegten Spektrums zusammen – und werden häufig direkt von einigen der von der lokalen Regulierungsbehörde, z. B. FCC, ACMA, PTT usw., realisierten Frequenzleasingkosten beeinflusst.
Sicherheit der Mikrowellenstrahlung
Ein Sicherheitsaspekt der Mikrowellenfunk-EMR-Strahlung wird auch durch Normen und Richtlinien definiert, und häufig gibt es an der Vorderseite von Mikrowellenantennen, Hörnern und dielektrischen Antennen Ausschlusszonen für die Exposition des Menschen. Die Sicherheit des Personals muss auch bei offenen Wellenleiterenden und Wellenleiterschaltern mit nicht abgeschlossenen Anschlüssen berücksichtigt werden. Weitere Informationen finden Sie im GHN zur EMR-Sicherheit.
Die Sicherheit von Mikrowellenstrahlen konservativ zu behandeln, ist immer umsichtig, niemals nach unten schauen offener Wellenleiter, niemals vor einer Mikrowellenantenne stehen.
Frequenzplanung
In den älteren Frequenzmultiplex (FDM) -Mikrowellenfunkverbindungssystemen wurde nur ein einziges Frequenzpaar dem gesamten Verbindungsnetz zugeordnet, wobei eine abwechselnde Polarisationsisolationsanordnung von weiter entfernten Stationen im Netzwerk verwendet wurde. Dies bedeutete, dass an einer einzelnen Mikrowellenrepeaterstation die Link-Sender auf derselben Frequenz arbeiten, jedoch mit Antennen, die in verschiedene Richtungen gerichtet sind, und mit entgegengesetzter Antennenpolarisation.
Die gleiche Frequenzplanungslogik gilt immer noch für moderne digitale Mikrowellenfunkstrecken, wobei die Emissionsbandbreite / der Bezeichner genau im Auge behalten werden. Die Frequenzplanung kann auch von der Regulierungsbehörde (FCC / ACMA / Ofcom / PTT) eingeschränkt werden, so dass eine umfassende Konsultation erforderlich ist, bevor Verpflichtungen eingegangen werden können.
Mikrowellen-Funkverbindungsplanung
Der Entwurf und Aufbau eines Mikrowellen-Funkverbindungsnetzes basiert auf einer Reihe von Faktoren. Dazu gehören:
- Abstand zwischen Mikrowellen-Funkterminals;
- Geländeeigenschaften, z. B. Gewässer, Klippen, Wälder, Schnee;
- Betriebsfrequenz, oft abhängig von Lizenzkosten, Frequenzverfügbarkeit, geplanten Entfernungen und sogar Anfälligkeit für Regenfälle;
- Störmanagement zum Mikrowellen-Link-Empfänger. In der Regel durch Zuweisung eines klaren Frequenzpaares durch die Regulierungsbehörde verwaltet, aber für Frequenzbänder, die ‚versteigert‘ oder mit Delegation verkauft werden, z. B. Verteidigungskommunikation und große Netzbetreiber, liegt dies in der Verwaltungsverantwortung des Bandlizenznehmers / Eigentümers;
- Fading, Dispersion und Mehrwegeverzerrung;
- Größe der Antennen, Feedline-Eigenschaften, Bedarf an Türmen und Masten und für Antennen mit hohem Gewinn – selbst die Stabilität (sowohl Neigungs- als auch Torsionseigenschaften) des Stützmastes muss so ausgelegt sein, dass der Antennenstrahl nicht durch Wind oder Eis auf die Struktur gerichtet wird;
- Management von Feuchtigkeit in externen Wellenleitern;
- Management von Ausrüstung , Energie- und Sicherheitswarnungen, Fernsteuerungsschaltung und Auftragsdrahtsysteme.
- Genehmigungen des Rates, der lokalen Regierung, der FAA, der CASA und der Gemeindeentwicklung für visuelle und kontrollierte Eingriffe in den Luftraum;
- Kosten für Ausrüstung und Kosten-Nutzen-Analyse einschließlich Wartung der Ausrüstung;
- Satellitenkommunikationsverbindungen werden ebenfalls als Mikrowellenfunkverbindungen eingestuft, aber angesichts ihrer minimalen Exposition gegenüber atmosphärischen Bedingungen können diese Arten von Mikrowellenverbindungen mit minimalen Überblendungsmargen betrieben werden, dh mit minimaler Kontingenz in der Höhe der empfangenen Signalstärken;
- Verfügbarkeit von Ausrüstung, Ersatzteilen, Wartung, Testausrüstung und qualifiziertem Personal;
- Sonnentransits für Mikrowellenverbindungsempfänger mit Blick auf den östlichen oder westlichen Horizont. Das Problem hierbei ist, dass das „Sonnenrauschen“ häufig Breitband-Mikrowellenempfänger überwältigt und einen sogenannten „Sonnentransitausfall“ erzeugt. Gleiches gilt auch für Satellitenkommunikationsverbindungen.
Hersteller von Mikrowellenverbindungsgeräten
In keiner bestimmten Reihenfolge gehören dazu:
- – NEC
- – Ericsson
- – Nokia
- – Marelli
- – Marconi
- – GT&E
- – GE
- – Phillips
- – Rohde & Schwartz
- – Kuhne
- – Codan
- – Alcatel
- – Fujitsu
- – Siemens
- – ATI
- – Hughes