微波链路技术

 

微波概论

 

无电缆微波链路安装示例

微波是一种视距无线通信技术，它使用无线电波的高频束提供可以发送和接收语音，视频和数据信息的高速无线连接。

微波链路被广泛用于点对点通信，因为它们的小波长允许大小合适的天线将它们指向窄波束，该波束可以直接指向接收天线。 这样一来，附近的微波设备就可以像低频无线电波一样使用相同的频率而不会互相干扰。 另一个优点是微波的高频使微波频带具有非常大的信息承载能力。 微波频段的带宽是其下所有其余无线电频谱带宽的30倍。

微波无线电传输通常用于地球表面的点对点通信系统，卫星通信以及深空无线电通信中。 微波无线电频段的其他部分用于雷达，无线电导航系统，传感器系统和射电天文学。

频率高于30 GHz和低于100 GHz的无线电电磁频谱的较高部分被称为“毫米波”，因为它们的波长可以方便地以毫米为单位进行测量，并且其波长范围从10毫米到3.0毫米不等。 该频带中的无线电波通常会被地球大气及其中包含的粒子强烈衰减，尤其是在潮湿天气期间。 另外，在60 GHz左右的宽频带中，无线电波被大气中的分子氧强烈衰减。 毫米波波段所需的电子技术也比微波波段的电子技术复杂得多，难以制造，因此毫米波无线电的成本通常更高。

微波通讯的历史
詹姆斯·克莱克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）使用他着名的“麦克斯韦方程组”，在1865年预测了不可见电磁波的存在，其中微波是微波的一部分。1888年，海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）成为第一个通过建造一种能证明这种波存在的设备在超高频区域产生并检测到微波。 赫兹认识到他的实验结果证实了麦克斯韦的预测，但他没有看到这些隐形波的任何实际应用。 后来其他人的工作导致了基于微波的无线通信的发明。 这项工作的贡献者包括尼古拉·特斯拉，古列尔莫·马可尼，塞缪尔·摩尔斯，威廉·汤姆森爵士（后为开尔文勋爵），奥利弗·哈维赛德，瑞利勋爵和奥利弗·洛奇。

1931年，英语频道上的微波链接

1931年，一个美国-法国联合体在整个英吉利海峡使用10英尺（3m）的碟形天线（最早的微波通信系统之一）演示了实验性微波中继链路。 电话，电报和传真数据在英国多佛和法国加来之间1.7英里处的40 GHz波束上传输。 但是，它无法与廉价的海底电缆价格竞争，并且从未建立计划的商业系统。

在1950年代，AT＆T微波中继链路的长线系统逐渐发展为承载美国大部分长途电话业务以及洲际电视网络信号。 该原型机称为TDX，并于1946年在纽约市与贝尔实验室所在的Murray Hill之间进行了连接测试。TDX系统于1947年在纽约和波士顿之间建立。

现代商业微波链路
CableFree微波通讯塔

微波通讯塔

微波链路是一种通信系统，它使用微波频率范围内的无线电波在两个位置之间传输视频，音频或数据，两个位置之间的距离可能只有几英尺或几米，甚至几英里或几千米。 CableFree提供的商用微波链接示例请参见此处。 使用400QAM调制和IP报头压缩技术，现代微波链路可以在56MHz信道中传输高达256Mbps的带宽。 微波链路的工作距离取决于天线尺寸（增益），频段和链路容量。 清晰视线的可用性对必须允许地球曲率的微波链路至关重要

CableFree FOR2微波链路400Mbps

电视广播员通常使用微波链接在整个国家/地区传输节目，或者从外部广播回播到演播室。 移动单元可以安装在摄像机上，使摄像机可以自由移动，而不会拖曳电缆。 这些通常在Steadicam系统上运动场的接触线上看到。

微波链路的规划
●必须考虑以下参数来规划无电缆微波链路：
●所需距离（公里/英里）和容量（Mbps）
●链接的所需可用性目标（％）
●终端节点之间的净视线（LOS）的可用性
●如果需要获得清晰的LOS，则需要塔或桅杆
●特定于地区/国家/地区的允许频段
●环境限制，包括雨衰
●所需频段的许可证费用
 
 

微波频段

微波信号通常分为三类：

超高频（UHF）（0.3-3 GHz）；
超高频（SHF）（3-30 GHz）; 和
超高频（EHF）（30-300 GHz）。
另外，微波频带由特定字母表示。 英国无线电协会的指定如下。
微波频段
名称频率范围
●L频段1至2 GHz
●S频段2至4 GHz
●C频段4至8 GHz
●X频段8至12 GHz
●Ku频段12至18 GHz
●K频段18至26.5 GHz
Ka频段26.5至40 GHz
●Q频段30至50 GHz
●40至60 GHz的U频段
●V波段50至75 GHz
●E频段60至90 GHz
●W波段75至110 GHz
●F频段90至140 GHz
●D波段110至170 GHz

术语“ P频带”有时用于L频带以下的超高频。 有关其他定义，请参见微波波段的字母名称

较低的微波频率用于较长的链路，雨水衰减较高的区域。 相反，较高的频率用于较短的链接和雨衰较小的区域。

微波链路上的雨衰

微波链路雨衰淡雨衰主要是指大气中的雨，雪或冰吸收微波射频（RF）信号，以及在11 GHz以上的频率尤其普遍的损耗。 它也指由于风暴锋面前沿的电磁干扰而导致的信号降级。 雨衰可能是由上行链路或下行链路位置的降水引起的。 但是，由于信号可能会穿过许多英里以外的降水，尤其是在卫星天线的视角低的情况下，它并不需要在某个地方下雨，因为它可能会受到雨衰的影响。 上行或下行天线反射器，天线罩或馈电喇叭上的雨，雪或冰也可能导致5％到20％的雨衰或卫星信号衰减。 雨衰不仅限于卫星的上行链路或下行链路，还可能影响地面点对点微波链路（地球表面的微波链路）。

克服雨衰影响的可能方法是站点分集，上行链路功率控制，可变速率编码，接收天线大于（即更高的增益）大于正常天气条件所需尺寸的天线以及疏水涂层。

微波链路的多样性
 

1 + 0无保护的微波链路的示例

在地面微波链路中，分集方案是指通过使用两个或多个具有不同特性的通信信道来提高消息信号的可靠性的方法。 分集在对抗衰落和同信道干扰以及避免错误突发方面起着重要作用。 这是基于以下事实：各个信道会经历不同程度的衰落和干扰。 相同信号的多个版本可以在接收器中发送和/或接收和组合。 可替代地，可以添加冗余的前向纠错码，并且在不同的信道上发送消息的不同部分。 分集技术可以利用多径传播，从而产生分集增益，通常可以测量分贝。

以下类别的分集方案在地面微波链路中很典型：
●未保护：没有分集或保护的微波链路被分类为“未保护”和“ 1 + 0”。 安装了一套设备，没有多样性或备用设备
●热备用：通常安装两套微波设备（ODU或有源无线电）连接到同一天线，并调谐到同一频道。 一种是“掉电”或处于待机模式，通常在接收机处于活动状态但发射机处于静音状态时。 如果活动单元发生故障，则将其关闭电源并激活备用单元。 热备份缩写为HSB，通常用于1 + 1配置（一个活动，一个备用）。
●频率分集：信号是通过几个频道传输的，或者在受选频衰落影响的宽频谱中传播。 微波无线电链路通常使用几个活动的无线电信道以及一个保护信道，以供任何衰落的信道自动使用。 这就是所谓的N + 1保护
●空间分集：信号在几个不同的传播路径上传输。 在有线传输的情况下，可以通过多条导线进行传输。 在无线传输的情况下，可以通过使用多个发射机天线（发射分集）和/或多个接收天线（接收分集）的天线分集来实现。
●极化分集：通过不同极化的天线发送和接收多个版本的信号。 分集组合技术被应用于接收器侧。

多种路径弹性故障转移

在范围从11 GHz到80 GHz的地面点对点微波系统中，可以在易受雨衰影响的更高带宽连接旁边安装并行备用链路。 在这种布置中，可以计算诸如80GHz 1 Gbit / s全双工微波桥之类的主链路在一年的时间内具有99.9％的可用性。 计算得出的99.9％的可用率意味着，当暴雨的高峰穿过该地区时，该链接可能每年最多中断5.8个小时或更长时间。 可以与主要链路并行安装次要的较低带宽链路，例如基于100 GHz的100 Mbit / s桥接器，当主要的1 Gbit / s链路断开时，两端的路由器控制自动故障转移到23 Mbit / s的桥接器由于雨水褪色。 使用这种安排，可以将高频点对点链路（99.99GHz +）安装到比单个链路需要服务XNUMX％的正常运行时间更长的公里数的服务位置。

自动编码和调制（ACM）
 

微波自适应编码和调制（ACM）

链路自适应或自适应编码与调制（ACM）是无线通信中使用的一个术语，表示调制，编码以及其他信号和协议参数与无线电链路上的条件（例如，路径损耗，来自其他发射器的信号，接收器的灵敏度，可用的发射器功率余量等）。 例如，EDGE使用一种速率自适应算法，该算法根据无线电信道的质量以及数据传输的比特率和鲁棒性来适应调制和编码方案（MCS）。 链路自适应的过程是动态的，并且信号和协议参数随无线电链路条件的变化而变化。

自适应调制的目标是通过增加现有基础架构上的网络容量来提高微波链路的运营效率，同时降低对环境干扰的敏感性。
自适应调制意味着以无差错的方式动态改变调制，以便在瞬时传播条件下最大化吞吐量。 换句话说，系统可以在晴朗的天空条件下以其最大吞吐量运行，并降低它
雨下渐渐褪去。 例如，链接可以从256QAM更改为QPSK，以保持“链接处于活动状态”而不丢失连接。 在开发自动编码和调制之前，微波设计人员必须针对“最坏情况”条件进行设计，以避免链路中断。使用ACM的好处包括：
●更长的链接长度（距离）
●使用较小的天线（节省桅杆空间，在居民区通常也需要这样做）
●更高的可用性（链接可靠性）

自动发射功率控制（ATPC）

CableFree微波链接具有ATPC功能，该功能可在“淡入淡出”状况（例如大雨）期间自动增加发射功率。 ATPC可以与ACM分开使用，也可以一起使用以最大化链路正常运行时间，稳定性和可用性。 当“淡入淡出”条件（降雨）结束时，ATPC系统会再次降低发射功率。 这减少了微波功率放大器的压力，从而减少了功耗，发热并延长了预期寿命（MTBF）

微波链接的用途
蜂窝网络运营商的骨干链路和“最后一英里”通信
Internet服务提供商（ISP）和无线ISP（WISP）的骨干链接
企业网络到建筑物和校园站点
电信，在不需要铜/光纤线路的情况下将远程和区域电话交换机连接到较大的（主要）交换机。
符合HD-SDI和SMPTE标准的广播电视

企业

由于微波技术的可扩展性和灵活性，微波产品可以部署在许多企业应用程序中，包括建筑物到建筑物的连接，灾难恢复，网络冗余以及数据，语音和数据，视频服务，医学成像等应用程序的临时连接。 ，CAD和工程服务，以及固定电话运营商旁路。

移动运营商回传
 

蜂窝网络中的微波回程

微波链路是移动运营商回程中的宝贵工具：可以部署微波技术来提供传统的PDH 16xE1 / T1，STM-1和STM-4，以及现代IP千兆以太网回程连接和Greenfield移动网络。 与部署或租赁光纤网络相比，微波的安装速度要快得多，并且蜂窝网络运营商的总拥有成本更低

低延迟网络
CableFree低延迟版本的微波链路使用低延迟微波链路技术，在另一端发送和接收的数据包之间的延迟绝对最小，但视线传播延迟除外。 微波在空中的传播速度比通过光纤传播的速度快约40％，与光纤相比，客户的延迟立即降低了40％。 此外，由于建筑物布局，街道管道的实际情况以及使用现有电信基础设施的要求，光纤安装几乎从来不会成一直线，因此光纤运行距离比两个端点之间的直接视线路径长100％。 因此，CableFree低延迟微波产品在低延迟应用中很受欢迎，例如高频交易和其他用途。

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