Loading article…
マイクロ波伝送とは、電磁スペクトルの300MHz ～300GHz （波長1m～1mm ）のマイクロ波周波数帯の波長を持つ電磁波を用いて情報を伝送することです。マイクロ波信号は通常、見通し線内に限定されるため、これらの信号を用いた長距離伝送には、マイクロ波中継ネットワークを構成する一連の中継器が必要です。対流圏散乱を利用した超水平線通信にマイクロ波信号を用いることも可能ですが、そのようなシステムは高価であり、一般的には専門的な用途でのみ使用されます。
1931年にはイギリス海峡を横断する実験的な64キロメートル（40マイル）のマイクロ波通信回線が実証されたものの、マイクロ波通信を実用化するための技術は第二次世界大戦中のレーダー開発によってもたらされた。戦時中、イギリス陸軍はマイクロ波中継器を用いて8つの電話回線を多重化し、長距離通信を可能にする無線機「ワイヤレスセット10号」を導入した。イギリス海峡を横断するこの回線により、バーナード・モントゴメリー将軍はロンドンの部隊司令部と常に連絡を取り合うことができた。
戦後、マイクロ波技術は急速に発展し、北米とヨーロッパに複数の大陸横断マイクロ波中継システムが構築されました。これらのネットワークは、一度に数千件の電話通話を伝送するだけでなく、国をまたぐテレビ放送用の信号送信や、後にはコンピュータデータの送信にも使用されました。 1970年代から80年代にかけて通信衛星がテレビ放送市場を席巻し、1980年代、特に90年代には長距離光ファイバーシステムの導入により、中継ネットワークは急速に衰退し、そのほとんどが現在では廃止されています。
近年、無線ネットワークや、テレビやラジオを消費者の家庭に直接放送する衛星放送など、新たな通信技術によるマイクロ波スペクトルの利用が爆発的に増加している。携帯電話基地局間の接続には、見通しの良い長距離リンクが再び人気を集めているが、これらは一般的に長距離の中継チェーンとして構成されているわけではない。
マイクロ波は波長が短いため、小型のアンテナで狭いビーム状に放射でき、受信アンテナに直接向けることができるため、ポイントツーポイント通信に広く利用されています。このように集束された直接ビームを使用することで、同じエリアにあるマイクロ波送信機は、低周波の電波のように互いに干渉することなく、同じ周波数を使用できます。この周波数再利用により、貴重な無線スペクトル帯域幅を節約できます。もう一つの利点は、マイクロ波の周波数が高いため、マイクロ波帯の情報伝送容量が非常に大きいことです。マイクロ波帯の帯域幅は、それより下のすべての無線スペクトルの30倍です。欠点としては、マイクロ波は見通し線伝搬に限定されるため、低周波の電波のように丘や山を迂回することができない点が挙げられます。
マイクロ波無線伝送は、地球表面におけるポイントツーポイント通信システム、衛星通信、および深宇宙無線通信で一般的に使用されています。マイクロ波無線帯域の他の部分は、レーダー、無線航法システム、センサーシステム、および電波天文学に使用されています。
無線周波数帯の次の高周波数帯である30GHz ～300GHz帯は、波長が10mm ～1mmであることから「ミリ波 」と呼ばれています。ミリ波帯の電波は、大気中のガスによって強く減衰するため、実用的な伝送距離は数キロメートルに制限され、長距離通信には不十分です。また、ミリ波帯に必要な電子技術は、マイクロ波帯の電子技術に比べて開発段階が遅れています。
近年では、マイクロ波が無線送電に利用されている。
マイクロ波無線中継は、1950年代から1960年代にかけて、マイクロ波の狭いビームを用いて、長距離電話やテレビ番組などの情報を2つの地上地点間で伝送するために広く用いられた技術です。マイクロ波無線中継では、マイクロ波送信機と指向性アンテナが、多数の情報チャネルを伝送するマイクロ波の狭いビームを、見通し線上の別の中継局に送信します。中継局では、指向性アンテナと受信機によって受信され、2地点間に固定の無線接続が形成されます。このリンクは双方向であることが多く、両端の送信機と受信機を使用して双方向にデータを伝送します。見通し線が必要であるため、中継局間の距離は視界の地平線まで、約30～50マイル（48～80km ）に制限されます。より長距離の場合、受信局は中継局として機能し、受信した情報を経路上の別の局に再送信することができます。マイクロ波中継局の連鎖は、大陸横断距離にわたって通信信号を伝送するために使用されました。マイクロ波中継局は、通信範囲を最大限に確保するため、高層ビルや山頂に設置されることが多く、アンテナは塔の上に設置されていた。
1950年代から、米国のAT&Tロングラインシステムのようなマイクロ波中継リンクのネットワークが、都市間の長距離電話やテレビ番組を伝送するようになった。[ 1 ] AT&Tが構築した最初のシステムであるTDXは、1947年に8つの無線中継局でニューヨークとボストンを結んだ。[ 1 ] 1950年代を通じて、AT&TはTD2として知られる、若干改良されたバージョンのネットワークを米国全土に展開した。これには、山脈を越え、大陸を横断する長いデイジーチェーンリンクが含まれていた。1970年代の通信衛星の打ち上げにより、より安価な代替手段が提供された。現在、大陸横断トラフィックの多くは衛星と光ファイバーによって伝送されているが、マイクロ波中継は短距離では依然として重要である。
マイクロ波伝送では、電波は一方のアンテナからもう一方のアンテナまで見通し線上の狭いビーム状に伝搬するため、他のマイクロ波機器と干渉せず、近隣のマイクロ波リンクで同じ周波数を使用できます。そのため、アンテナは指向性が高く（高利得）、地上付近の障害物を回避して長距離伝送を可能にするために、大型無線塔などの高所に設置されます。無線中継リンク設備で使用される代表的なアンテナは、パラボラアンテナ、誘電体レンズアンテナ、ホーン反射アンテナで、直径は最大4m （13フィート）に達します。指向性の高いアンテナを使用することで、伝送距離が長くても利用可能な周波数スペクトルを効率的に利用できます。
使用する周波数が高いため、基地局間には見通しの良い経路が必要です。さらに、ビームの減衰を避けるため、ビーム周辺の第1フレネルゾーンと呼ばれる領域には障害物があってはなりません。信号場内の障害物は、不要な減衰を引き起こします。高い山頂や尾根は、アンテナ設置に理想的な場所となることが多いです。
異なる周波数で送信する無線機を背中合わせに配置した従来型の中継器の使用に加え、マイクロ波経路上の障害物に対処する方法として、パッシブ中継器や同周波数中継器を使用する方法もある。
無線リンクを計画する際には、障害物、地球の曲率、地域の地形、近隣の土地利用（製造業や林業など）に起因する受信上の問題などを考慮する必要があります。計画プロセスでは、伝送経路に影響を与える地形やフレネルゾーンに関する情報を提供する「経路プロファイル」を作成することが不可欠です。経路沿いに湖や川などの水面が存在する場合も考慮する必要があります。水面はビームを反射し、受信アンテナで直接ビームと反射ビームが干渉してマルチパスフェージングを引き起こす可能性があるためです。マルチパスフェージングは通常、狭い範囲と狭い周波数帯域でのみ深刻になるため、空間ダイバーシティや周波数ダイバーシティなどの方式を適用してこれらの影響を軽減できます。
大気成層の影響により、通常、無線経路は下向きに曲がるため、地球の等価曲率が6,370 km (3,960 mi)から約8,500 km (5,300 mi) (等価半径効果 4/3) に増加すると、大きな距離が可能になります。高度に対する温度、湿度、気圧プロファイルのまれな事象は、伝搬の大きな偏差と歪みを生じさせ、伝送品質に影響を与える可能性があります。特に 10 GHz を超える周波数では、降雨減衰を引き起こす激しい雨や雪も、劣化要因として考慮する必要があります。このセクションで述べたすべての有害な要因は、まとめてパス損失として知られており、ほとんどの通信事業者の「キャリアクラス」サービスで使用される標準的な 99.99% または 99.999% のように、リンクを高い割合で動作させるために、適切な電力マージンを計算する必要があります。
既知のマイクロ波無線中継で最長のものは紅海を横断しており、ジェベル・エルバ（北緯20度44分47秒、東経36度50分18秒、スーダン、標高2,109.8メートル）とジェベル・ダッカ（北緯21度5分36秒、東経40度17分28秒、サウジアラビア、標高2,650.65メートル）の間を361キロメートル（224マイル）にわたってホップしている。このリンクは、2.4GHz周波数帯で300の電話チャンネルと1つのテレビ信号を送信するために、 1979年にテレトラによって構築されました。（ホップ距離は2つのマイクロ波局間の距離です）。[ 2 ]
これまでの考察は、いわゆるバックボーン ネットワークにマイクロ波を使用する地上無線リンクの特徴的な問題を表しています。1990年代までは、数十キロメートル (通常10 ～ 60 km (6.2 ～ 37.3マイル) ) のホップ長が広く使用されていました。10 GHz 未満の周波数帯域、そして何よりも送信する情報は、固定容量ブロックを含むストリームでした。目標は、ブロック全体 (プレシオクロナス デジタル階層、PDH、または同期デジタル階層、SDH) に対して要求された可用性を提供することでした。日中の短時間リンクに影響を与えるフェージングおよび/またはマルチパスは、ダイバーシティ アーキテクチャによって対処する必要がありました。1990 年代には、マイクロ波無線リンクがセルラー ネットワークの都市リンクに広く使用されるようになりました。リンク距離に関する要件は、より短いホップ（ 10 km (6.2マイル)未満、通常は3 ～ 5 km (1.9 ～ 3.1マイル)）へと変化し、周波数は 11 ～ 43 GHz の帯域、そして最近では 86 GHz (E バンド) まで増加しました。さらに、リンク計画ではマルチパスよりも激しい降雨への対応が重視されるようになり、ダイバーシティ方式の使用頻度は減少しました。過去 10 年間に起こったもう 1 つの大きな変化は、パケット無線伝送への進化です。そのため、適応変調などの新しい対策が採用されています。
セルラーシステムとマイクロ波システムでは、放射電力が規制されています。これらのマイクロ波伝送では、通常 0.03 ～ 0.30 W の放射電力が使用され、放物面アンテナによって数度 (1 ～ 3〜4) だけ広がる狭いビームで放射されます。マイクロ波チャネルの配置は、国際電気通信連合 ( ITU-R ) および各国の規制 ( ETSI、FCC ) によって規制されています。過去 10 年間で、各マイクロ波帯域専用のスペクトルが非常に混雑し、周波数再利用、偏波分割多重、XPIC、MIMOなどの伝送容量を増やす技術の使用が促されています。
無線中継通信の歴史は、1898年にヨハン・マタウシュがオーストリアの雑誌『Zeitschrift für Elektrotechnik』に論文を発表したことから始まった。[ 3 ] [ 4 ]しかし、彼の提案は原始的で、実用には適していなかった。無線信号を中継するための無線中継局を使った最初の実験は、1899年にエミール・グアリーニ＝フォレシオによって行われた。[ 3 ]しかし、ラジオの最初の40年間で使用された低周波と中周波の電波は、地表波と電離層伝搬によって長距離を伝搬できることが証明された。
1931年、アンドレ・C・クラヴィエ率いる英仏共同事業体は、直径10フィート（3m ）のパラボラアンテナを用いて、英仏海峡を横断する実験的なマイクロ波中継リンクを実証した。[ 5 ]電話、電信、ファクシミリのデータは、双方向1.7GHzビームを介して、イギリスのドーバーとフランスのカレーの間40マイル（64km ）にわたって送信された。パラボラアンテナの焦点に設置された小型のバルクハウゼン・クルツ管によって生成された放射電力は0.5ワットであった。1933年には、フランスのサン・イングルヴェール空港とイギリスのリンプネ空港の間（距離56km）に軍用マイクロ波リンクが構築され、1935年には、初の商用マイクロ波中継システムである300MHzの通信リンクが構築された。 [ 6 ]
第二次世界大戦中のレーダー開発は、実用的なマイクロ波通信リンクを可能にするマイクロ波技術の多くを提供しました。特にクライストロン発振器と放物面アンテナの設計技術が挙げられます。あまり知られていませんが、イギリス陸軍は第二次世界大戦中に無線機10号機をこの用途に使用していました。無線中継の必要性が本格的に始まったのは、1940年代にマイクロ波が利用されるようになってからです。マイクロ波は見通し線に沿って伝搬するため、視覚的な地平線によって伝搬距離が約40マイル（64km ）に制限されていました。
戦後、電話会社はこの技術を使って長距離電話を伝送するための大規模なマイクロ波無線中継ネットワークを構築しました。1950年代には、米国の電話会社AT&T Long Linesの子会社が米国全土にマイクロ波中継リンクの大陸横断システムを構築し、米国の長距離電話トラフィックの大部分とテレビネットワーク信号を伝送するまでに成長しました。[ 7 ] 1946年にケーブルの代わりにマイクロ波無線を使用する主な動機は、大容量を迅速かつ低コストで設置できることでした。 当時、マイクロ波無線の年間運用コストはケーブルよりも高くなると予想されていました。大容量を急遽導入する必要があった主な理由は2つありました。1つは、戦時中の中断による長距離電話サービスの潜在的な需要、もう1つは、無線よりも広い帯域幅を必要とする新しいメディアであるテレビです。 試作機はTDXと呼ばれ、1946年にニューヨーク市とベル研究所のあるマレーヒルを結ぶ接続でテストされました。TDX システムは1947年にニューヨークとボストンの間に設置されました。TDXは、送信機にウェスタン・エレクトリック社製のモートン管416B、後に416Cを使用したTD2システムにアップグレードされ、その後、ソリッドステート電子回路を使用したTD3にアップグレードされました。
冷戦時代に西ベルリンとを結ぶマイクロ波中継回線が特筆すべき存在だった。西ドイツとベルリン間の距離が非常に遠かったため、技術的に実現可能な限界に近い状況で構築・運用する必要があったのだ。電話網に加え、テレビやラジオ放送の配信にもマイクロ波中継回線が用いられた。これには、スタジオから全国に分散する放送システムへの接続、そして番組交換などのためのラジオ局間の接続も含まれていた。
軍用マイクロ波中継システムは1960年代まで使用され続け、その後、その多くが対流圏散乱または通信衛星システムに置き換えられました。NATOの軍事部門が設立されると、既存の機器の多くが通信グループに移管されました。この時期にNATOで使用されていた典型的な通信システムは、ホスト国の電話会社が使用するために開発された技術で構成されていました。米国からの一例として、RCA CW-20A 1～2GHzマイクロ波中継システムがあります。これは、高周波システムに必要な硬質導波管ではなく、柔軟なUHF ケーブルを使用していたため、戦術用途に最適でした。典型的なマイクロ波中継設備または移動式バンには、2つの見通し線上のサイトを接続する2つの無線システム（およびバックアップ）がありました。これらの無線機は、マイクロ波搬送波上で周波数分割多重化（例：Lenkurt 33C FDM）された24の電話チャネルを伝送することがよくありました。任意のチャネルは、代わりに最大18のテレタイプ通信を伝送するように指定できました。ドイツや他の加盟国からも同様のシステムが使用されていました。
長距離マイクロ波中継ネットワークは1980年代まで多くの国で構築されていたが、その後、光ファイバーケーブルや通信衛星といった、ビットあたりのコストが低い新しい技術に、固定通信におけるシェアを奪われていった。
冷戦中、国家安全保障局（NSA）などの米国の情報機関は、ライオライト/アクアケードなどの衛星を使用してソ連のマイクロ波通信を傍受できたと伝えられている。[ 8 ]マイクロ波リンクのビームの大部分は受信アンテナを通過し、地平線に向かって宇宙空間に放射される。 静止衛星をビームの経路に配置することで、マイクロ波ビームを受信できる。
21世紀に入ると、マイクロ波無線中継システムは携帯無線機用途でますます広く利用されるようになった。この技術は、運用コストが低く、インフラ効率が高く、携帯無線機オペレーターがハードウェアに直接アクセスできるため、携帯無線機用途に特に適している。
マイクロ波リンクとは、マイクロ波周波数帯の電波ビームを用いて、数フィート（数メートル）から数マイル（数キロメートル）離れた2地点間で映像、音声、またはデータを伝送する通信システムです。マイクロ波リンクは、例えばテレビ放送局が全国に番組を配信したり、屋外中継からスタジオへ番組を中継したりする際によく利用されます。
移動式ユニットにはカメラを取り付けることができ、ケーブルを引きずることなくカメラを自由に動かすことができます。これらは、スポーツ競技場のタッチライン付近でステディカムシステムと組み合わせてよく見られます。
地上マイクロ波中継リンクは、タワーの高さにもよりますが、視界の地平線までの距離が制限され、数十マイルから数キロメートル程度です。対流圏散乱（「トロポ散乱」または「散乱」）は、1950年代に開発された技術で、地平線を超えて数百キロメートルの範囲までマイクロ波通信リンクを実現するものです。送信機は、地平線から受信機に向かって浅い角度でマイクロ波ビームを空に放射します。ビームが対流圏を通過する際、マイクロ波エネルギーのごく一部が空気中の水蒸気や塵によって地上に向かって散乱されます。地平線の向こう側にある高感度受信機が、この反射信号を受信します。この方法で得られる信号の明瞭度は天候やその他の要因に左右されるため、信頼性の高い地平線越え無線中継リンクを構築するには高度な技術的難易度が伴います。そのため、トロポ散乱リンクは、軍事通信など、衛星やその他の長距離通信チャネルが利用できない特殊な状況でのみ使用されます。