マイクロ波伝送

マイクロ波伝送は、電磁スペクトルのマイクロ波周波数範囲300MHz〜300GHz（波長1m〜1mm）の波長を持つ電磁波による情報の伝送です。マイクロ波信号は通常、見通し線に制限されるため、これらの信号を使用した長距離伝送には、マイクロ波リレーネットワークを形成する一連の中継器が必要です。対流圏散乱を使用した地平線越え通信にマイクロ波信号を使用することは可能ですが、そのようなシステムは高価であり、通常は専門的な役割でのみ使用されます。

1931 年にイギリス海峡を越える40 マイル (64 km) の実験的なマイクロ波通信リンクが実証されましたが、第二次世界大戦中のレーダーの発達により、マイクロ波通信を実際に活用する技術が生まれました。戦争中、イギリス軍は、マイクロ波リレーを使用して長距離の8 つの電話チャネルを多重化するワイヤレス セット No. 10 を導入しました。イギリス海峡を越えたリンクにより、バーナード モントゴメリー将軍はロンドンのグループ本部と継続的に連絡を取ることができました。

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大陸横断マイクロ波中継システムがいくつか建設されました。これらのネットワークは、一度に何千もの電話通話を運ぶだけでなく、全国放送用のテレビ信号を送信するためにも使用され、後にはコンピューター データも送信されました。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 年代に長距離光ファイバーシステムが導入されたことで、中継ネットワークは急速に衰退し、そのほとんどは放棄されました。

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直接放送衛星などの新しい通信技術によるマイクロ波スペクトルの使用が爆発的に増加しています。携帯電話の塔間の接続を処理するために、より大規模な見通し内リンクが再び人気を集めていますが、これらは通常、長いリレー チェーンに編成されていません。

マイクロ波は、波長が短いため、適切な大きさのアンテナで狭いビームに向けることができ、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使用されています。このように、集中した直接ビームを使用すると、同じエリアにあるマイクロ波送信機が同じ周波数を使用でき、低周波の無線波のように相互に干渉することはありません。この周波数の再利用により、希少な無線スペクトルの帯域幅が節約されます。もう 1 つの利点は、マイクロ波の高周波により、マイクロ波帯域の情報搬送容量が非常に大きくなることです。マイクロ波帯域の帯域幅は、それ以下の他のすべての無線スペクトルの30 倍です。欠点は、マイクロ波の伝搬が見通し線に限られることです。つまり、低周波の無線波のように丘や山を迂回することができません。

マイクロ波無線伝送は、地球表面の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、無線ナビゲーションシステム、センサー システム、および電波天文学に使用されます。

無線スペクトルの次に高い周波数帯である 30 GHz から 300 GHz は、波長が 10 mm から 1 mm の範囲にあるため、 「ミリ波」と呼ばれます。ミリ波帯の電波は大気中のガスによって大きく減衰するため、実際の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。ミリ波帯に必要な電子技術も、マイクロ波帯の技術よりも開発が進んでいます。

情報の無線伝送

• 通信衛星を利用した一方向および双方向の通信
• 携帯電話ネットワークのバックボーンまたはバックホールキャリアを含む通信ネットワークの地上マイクロ波中継リンク

最近では、マイクロ波が無線電力伝送に使用されています。

マイクロ波無線中継は、1950 年代から 1960 年代にかけて、狭いマイクロ波ビームを利用して地上の 2 地点間で長距離電話やテレビ番組などの情報を送信するために広く使用されていた技術です。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、見通し経路で多くの情報チャネルを運ぶ狭いマイクロ波ビームを別の中継局に送信し、そこで指向性アンテナと受信機がそれを受信し、2 地点間に固定の無線接続を形成します。リンクは双方向であることが多く、両端に送信機と受信機を使用して双方向にデータを送信していました。見通しが必要であるため、局間の距離は視認可能な地平線、つまり約 30 ～ 50 マイル (48 ～ 80 km) に制限されます。距離が長くなると、受信局がリレーとして機能し、受信した情報を経路上の別の局に再送信できます。大陸横断距離にわたって通信信号を伝送するために、マイクロ波中継局のチェーンが使用されました。マイクロ波中継局は、最大範囲を確保するために塔の上にアンテナを設置し、高いビルや山頂に設置されることが多い。

1950年代初頭、米国のAT&T Long Linesシステムなどの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通話やテレビ番組を伝送しました。^[1] AT&Tによって構築された最初のシステムはTDXと呼ばれ、1947年にニューヨークとボストンを8つの無線中継局で接続しました。^{[1] 1950年代を通じて、AT&Tは}TD2として知られるわずかに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ました。これらには、山脈を横断し大陸にまたがる長いデイジーチェーンリンクが含まれていました。1970年代に通信衛星が打ち上げられたことで、より安価な代替手段が提供されました。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で搬送されていますが、マイクロ波中継は短距離では依然として重要です。

マイクロ波伝送では、電波は 1 つのアンテナから別のアンテナまでの見通し内経路に限定された狭いビームで伝わるため、他のマイクロ波機器に干渉せず、近くのマイクロ波リンクで同じ周波数を使用できます。したがって、アンテナは指向性が非常に高く(ゲインが高い) 必要があり、地面に近い障害物を回避して長距離伝送できるように、大きな無線塔などの高い場所に設置されます。無線中継リンクの設置に使用される一般的なアンテナの種類は、直径が最大 4 m (13 フィート) のパラボラ アンテナ、誘電体レンズ、ホーン リフレクタ アンテナです。指向性の高いアンテナを使用すると、伝送距離が長くても、利用可能な周波数スペクトルを経済的に使用できます。

使用される周波数が高いため、ステーション間の見通し経路が必要です。さらに、ビームの減衰を避けるために、第 1フレネル ゾーンと呼ばれるビームの周囲の領域に障害物がない必要があります。信号フィールド内の障害物は、不要な減衰を引き起こします。高い山の頂上や尾根は、多くの場合、アンテナの理想的な位置です。

異なる周波数で送信するバックツーバック無線を備えた従来のリピーターの使用に加えて、パッシブ リピーターまたはオン周波数リピーターを使用してマイクロ波経路の障害に対処することもできます。

障害物、地球の曲率、地域の地形、および近くの土地の使用 (製造業や林業など) から生じる受信の問題は、無線リンクを計画する際に考慮すべき重要な問題です。計画プロセスでは、伝送パスに影響を与える地形とフレネル ゾーンに関する情報を提供する「パス プロファイル」を作成することが不可欠です。パス沿いの湖や川などの水面の存在も考慮する必要があります。水面はビームを反射する可能性があり、直接ビームと反射ビームが受信アンテナで互いに干渉して、マルチパス フェーディングを引き起こす可能性があるためです。マルチパス フェーディングは通常、小さなスポットと狭い周波数帯域でのみ深刻であるため、空間および/または周波数ダイバーシティ スキームを適用してこれらの影響を軽減できます。

大気の成層化の影響により、一般的な状況では無線経路が下向きに曲がるため、地球の等価曲率が 6,370 km (3,960 マイル) から約 8,500 km (5,300 マイル) に増加するため、長距離の通信が可能になります (4/3 等価半径効果)。高度に対する温度、湿度、気圧のプロファイルのまれなイベントにより、伝播に大きな偏差と歪みが生じ、伝送品質に影響する場合があります。特に 10 GHz を超える周波数では、激しい雨や降雪による雨音の減衰も、障害要因として考慮する必要があります。このセクションで説明したすべての有害な要因 (総称してパス損失) により、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の 99.99% または 99.999% のように、リンクを長時間動作させ続けるために、適切な電力マージンを計算する必要があります。

知られている最も長いマイクロ波無線中継は、ジェベル・エルバ（標高2,170メートル、20°44′46.17″N 36°50′24.65″E / 20.7461583°N 36.8401806°E / 20.7461583; 36.8401806 、スーダン）とジェベル・ダッカ（標高2,572メートル、2,572メートル、21°5′36.89″N 40°17′29.80″E / 21.0935806°N 40.2916111°E / 21.0935806; 40.2916111 、スーダン）間の360キロメートル（ 220マイル）のホップで紅海を横断するものである。サウジアラビア）。このリンクは、1979年にテレトラ社によって構築され、2GHzの周波数帯域で300の電話チャネルと1つのテレビ信号を送信しました。（ホップ距離は、2つのマイクロ波ステーション間の距離です）。^{[2] [信頼できない情報源？ ]}

これまでの検討は、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となる典型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)) のホップ長が主に使用されていました。10 GHz 未満の周波数帯域、特に送信される情報は、固定容量の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。日中の短時間にリンクに影響を与えるフェーディングやマルチパスは、ダイバーシティ アーキテクチャによって対抗する必要がありました。1990 年代には、セルラー ネットワークの都市部リンクにマイクロ波無線リンクが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、ホップが短くなる（10 km（6.2 マイル）未満、通常は 3 ～ 5 km（1.9 ～ 3.1 マイル））ようになり、周波数は 11 ～ 43 GHz の帯域に増加し、最近では 86 GHz（E バンド）まで増加しました。さらに、リンク プランニングでは、マルチパスよりも激しい降雨に重点が置かれるようになったため、ダイバーシティ スキームはあまり使用されなくなりました。過去 10 年間に発生したもう 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ました。

放射電力は、携帯電話システムおよびマイクロ波システム用に規制されています。これらのマイクロ波送信では、通常 0.03 ～ 0.30 W の放射電力が使用され、パラボラ アンテナによって数度 (1 ～ 3 ～ 4) 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 ) および地域規制 ( ETSI、FCC ) によって規制されています。過去 10 年間で、各マイクロ波帯域の専用スペクトルは非常に混雑しており、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進されています。

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」に発表したことから始まりました。^{[3] [4]}しかし、彼の提案は原始的で、実用には適していませんでした。無線信号を中継するための無線中継局の最初の実験は、1899年にエミール・グアリーニ・フォレジオによって行われました。^[3]しかし、無線の最初の40年間に使用された低周波と中周波の電波は、地上波と空中波の伝播によって長距離を移動できることが証明されました。^{[引用が必要]}

1931年、アンドレ・C・クラヴィエ率いる英仏連合が、直径10フィート（3メートル）のアンテナを使ってイギリス海峡を越え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、イギリスのドー​​バーとフランスのカレーの間を40マイル（64キロ）にわたって双方向1.7GHzビームで送信された。アンテナの焦点にある小型バルクハウゼン・クルツ管から発せられる放射電力は0.5ワットだった。1933年にはフランスのサン・アングルヴェール空港とイギリスのラインプンの空港を56キロ（35マイル）離れた場所に軍事用マイクロ波リンクが敷設され、1935年には初の商用マイクロ波中継システムとなる300MHz通信リンクが敷設された。^[6]

第二次世界大戦中のレーダーの発達により、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がもたらされました。特にクライストロン発振器とパラボラアンテナの設計技術です。あまり知られていませんが、イギリス軍は第二次世界大戦中に無線機 10 号をこの役割に使用しました。 ^[要出典]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てからです。マイクロ波は視線で伝わるため、伝播距離は地平線から見て約 40 マイル (64 km) に制限されていました。^[要出典]

戦後、電話会社はこの技術を使って長距離電話の通話を行う大規模なマイクロ波無線中継ネットワークを構築した。1950年代には、米国の電話会社AT&T Long Linesの一部門が、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、これは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運ぶまでに成長した。^[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だった。^[要出典] 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た。大容量を突然導入しなければならなかった主な理由は2つあった。戦時中の中断による長距離電話サービスの需要の蓄積と、ラジオよりも広い帯域幅を必要とするテレビという新しいメディアである。^{[引用が必要]} プロトタイプは TDX と呼ばれ、1946 年にニューヨーク市とベル研究所の所在地であるマレーヒル間の接続でテストされました。^{[引用が必要]} 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 エレクトリック製のモートン管 416B、後に 416C] を使用する TD2 システムにアップグレードされ、その後、ソリッド ステートエレクトロニクスを使用する TD3 にアップグレードされました。^{[引用が必要]}

注目すべきは冷戦中に西ベルリンにマイクロ波中継回線が敷設されたことである。これは西ドイツとベルリンの間の距離が遠かったため、技術的に実現可能な範囲で構築、運用する必要があった。電話網に加えて、テレビやラジオ放送の配信用のマイクロ波中継回線もあった。これにはスタジオから全国に分散した放送システムへの接続や、番組交換などのためのラジオ局間の接続が含まれていた。^[要出典]

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ましたが、その時点でこれらのシステムの多くは対流圏散乱システムまたは通信衛星システムに取って代わられました。NATO 軍事部門が結成されると、これらの既存の機器の多くは通信グループに移管されました。その時期にNATOが使用した典型的な通信システムは、ホスト国の電話通信事業者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。米国の 1 つの例は、RCA CW-20A 1～2 GHz マイクロ波中継システムです。これは、高周波システムに必要な剛性導波管ではなく、柔軟なUHFケーブルを使用しており、戦術的な用途に最適です。典型的なマイクロ波中継設備またはポータブル バンには、2 つの見通し線サイトを接続する 2 つの無線システム (およびバックアップ) がありました。これらの無線は、多くの場合、マイクロ波キャリア (つまり、Lenkurt 33C FDM) で周波数分割多重化された24 の電話チャネルを伝送します。代わりに、任意のチャネルを最大 18 のテレタイプ通信を伝送するように指定できます。ドイツおよびその他の加盟国の同様のシステムも使用されていました。^[要出典]

1980 年代まで、多くの国で長距離マイクロ波中継ネットワークが構築されていましたが、この技術は、ビットあたりのコストが低い光ファイバーケーブルや通信衛星などの新しい技術に取って代わられ、固定運用のシェアを奪われました。^{[引用が必要]}

冷戦中、国家安全保障局（NSA）などの米国の諜報機関は、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報告されています。^[8]マイクロ波リンクのビームの多くは受信アンテナを通過し、地平線に向かって宇宙に放射されます。^[要出典] ビームの経路に静止衛星を配置することで、マイクロ波ビームを受信できます。

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アプリケーションでますます使用されるようになりました。この技術は、運用コストが低く、インフラストラクチャがより効率的で、携帯無線オペレータに直接ハードウェア アクセスを提供できるため、このアプリケーションに特に適しています。^{[引用が必要]}

マイクロ波リンクは、マイクロ波周波数範囲の電波ビームを使用して、わずか数フィートまたは数メートルから数マイルまたは数キロメートル離れた 2 つの場所間でビデオ、オーディオ、またはデータを送信する通信システムです。マイクロ波リンクは、たとえば、テレビ放送局が番組を国中に送信したり、外部放送からスタジオに返信したりするためによく使用されます。

モバイル ユニットはカメラに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移動させることができます。これらは、スポーツ フィールドのタッチラインでSteadicamシステムによりよく見られます。

• 視線通信技術（LOS）を利用する
• 雨による色あせなど環境的制約に大きく影響される
• 丘、建物、木などの障害物を貫通する能力が非常に限られている
• 花粉の量が多いと敏感になる^{[引用が必要]}
• 太陽の陽子現象により信号が劣化することがある^[9]
• 空気中の光の速度は光ケーブルよりも速いため、伝播遅延は光ファイバーネットワークよりも低くなります^[10]

• 衛星と基地局間の通信において
• 携帯電話システムのバックボーンキャリアとして
• 短距離屋内通信
• 銅線や光ファイバー回線を必要とせずに、遠隔地や地域の電話交換局をより大きな（主要）交換局に接続します。
• 2地点間の雨の強さを測定する
• 遠隔地の取引所の価格変動をより早く把握することで、ある取引所の高頻度取引業者に経済的優位性を与えること^[10]

地上のマイクロ波中継リンクは、目視できる地平線までの距離が限られており、塔の高さに応じて数十マイルまたは数キロメートルです。対流圏散乱(「トロポスキャッター」または「スキャッター」) は、地平線を越​​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可能にするために 1950 年代に開発された技術です。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のビームを上空に放射します。ビームが対流圏を通過すると、マイクロ波エネルギーのごく一部が空気中の水蒸気とほこりによって地面に向かって散乱されます。地平線を越​​えた感度の高い受信機は、この反射信号を拾います。この方法で得られる信号の明瞭さは天候やその他の要因に依存し、その結果、信頼性の高い地平線を越​​えた無線中継リンクの作成には高度な技術的困難が伴います。したがって、対流圏散乱リンクは、軍事通信など、衛星やその他の長距離通信チャネルに頼ることができない特別な状況でのみ使用されます。

• マイクロ波無線伝送設計ガイド、Trevor Manning、Artech House、1999年

ウィキメディア・コモンズには、マイクロ波伝送に関連するメディアがあります。

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この音声ファイルは、2005 年 9 月 22 日付のこの記事の改訂版から作成されたもので、その後の編集は反映されていません。 ( 2005-09-22 )

(音声ヘルプ ·その他の音声記事)

• オックスフォード大学のRF/マイクロ波設計
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• ウェスタン ユニオン テレグラフ社で使用されたマイクロ波無線中継機器の RCA ビンテージ雑誌広告。
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• AT&T ロングライン
• IEEE グローバル ヒストリー ネットワーク マイクロ波リンク ネットワーク (Wollschlager, Anthony)