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TD-2は、ベル研究所が開発したマイクロ波中継システムで、 AT&Tが電話やテレビ放送用の中継器による全国ネットワークを構築するために使用しました。同じシステムは、ベル・カナダによるカナダ横断スカイウェイ・システムの構築にも使用され、その後、多くの国の多くの企業が民間および軍事通信用の同様のネットワークを構築するために使用しました。
このシステムは、1947年11月に完成した実験的なTDXから始まり、ボストンとニューヨーク市の間でテレビと電話を伝送した。TD-2はTDXのマイナーアップデートであり、 1947年に共通搬送波 用に確保された3.7～4.2GHz帯に移行した。このシステムは6つのチャンネルを持ち、周波数分割多重方式を使用することで、各チャンネルは最大480件の電話通話またはテレビ信号を伝送できた。ニューヨークとシカゴを結ぶ最初のTD-2リンクは1950年9月1日に開通し、続いてロサンゼルスとサンフランシスコを結ぶリンクが9月1日に開通した。両海岸は1951年に結ばれた。
1953年の機器改良により、チャネルあたりの通話容量は600に増加した。スループットをさらに向上させるため、ベル研究所は6GHz付近のより高い周波数帯で動作するTHシステムを導入した。このシステムは信号に偏波を 追加し、 1つの周波数帯で2つのチャネルを利用できるようにした。これにより、チャネルあたり1,200の通話を伝送できるようになったが、偏波を維持するためにホーンアンテナを使用する必要があった。ベル研究所は相当な研究を経て、TD-2とTHの両方で機能するアンテナを開発したが、これらの改良はTD-2にも役立ち、容量を900に再び増加させたため、最も混雑する回線にのみ導入されたTHの普及は遅れた。
1960年代後半までに、北米のほぼ全人口がTD-2とTHで接続されました。1970年代から80年代にかけてテレビ信号は衛星配信に移行し、それ以降、ネットワークは主に電話回線として使用されるようになりました。1980年代後半、特に1990年代には、光ファイバー回線の設置によってマイクロ波ネットワークが置き換えられました。現在、一部のタワーは他の用途で使用されていますが、大部分の施設は放棄されています。
無線電話システムは、AT&Tがリー・デ・フォレストのオーディオン真空管の特許を買収した翌年の1915年には既に実験されていた。実験はバージニア州アーリントン、ハワイ、パリの間で行われた。第一次世界大戦で中断された後、こうした実験は再開され、1927年にはニューヨーク市とロンドンの間に恒久的なリンクが構築された。このシステムは60kHzで動作し、低周波電波が地球の曲率に沿って伝わる性質を利用して、水平線を超えた通信を実現した。[ 1 ]
ほぼ同時期に、メガヘルツ周波数無線機の最初の実験では、電離層散乱を利用してこれらの高周波数で長距離無線伝搬を実現できることが示されました。1928年にニューヨークとロンドンを結ぶ新しい回線が開設され、すぐに世界中の他のユーザーもこれに続きました。このシステムの主な問題は、散乱によって信号の最終的な到達距離を予測できなかったため、どの2つの局でも同じ周波数を使用しても干渉を受けないことを保証するのが困難だったことです。干渉を回避し帯域幅を拡大するために、さらに高い周波数への移行に関する研究が続けられました。[ 1 ]
1934年にボストンとケープコッドを結ぶ単線リンクが60MHzで開設され、当時比較的使われていなかった周波数帯が利用されるようになった。1941年にはチェサピーク湾の入り口付近に、より高度なシステムが150MHzで稼働する形で 設置された。このシステムは、長距離電話回線で使用されている多重化システムと同じ方式を用いて、1つの接続で12件の電話通話を送信できる十分な帯域幅を備えていた。[ 2 ]
ギガヘルツ帯に移行すれば、はるかに広い帯域幅が得られ、1つのリンクで数百件の通話が可能になることは既に明らかだった。ベルは、そのようなシステムがどのようなものになるかを示す図解まで示し、その図解では長いホーンアンテナが使用されていた。第二次世界大戦の勃発により、これらの実験は終了した。[ 2 ]
レーダー開発の一環として、空洞マグネトロンの開発とクライストロンの出力向上、および関連する導波管、結晶検出器、マイクロ波スイッチの開発により、無線電話をマイクロ波領域に移行させるために必要な機器がすべて揃いました。英国では、これらの技術を用いて世界初のマイクロ波中継電話システムである無線機セット10号機（WS.10）が開発されました。これは、8つの電話通話を1つのマイクロ波リンクに多重化し、見通し線の限界まで使用できるものでした。第二次世界大戦のノルマンディー上陸作戦では、前線部隊との通信や、英仏海峡の両岸で英国の司令部との連絡手段として使用されました。[ 3 ]
ベルは戦争中も電話に関する研究を続け、ニューヨークとニュージャージー州ネシャニック間の40マイル（64km ） の回線で3GHz、4.6GHz、9.5GHzのシステムを実験した。より短い回線では0.7GHzと24GHzもテストされた。1944年4月、同社はこの技術を使って都市間電話システムを構築する計画を発表した。12月には、戦争が明らかに終結に向かい、民間業務への復帰が近づいていたため、新しい特別プロジェクトグループが設立された。これにより、ゴードン・セイヤーの指揮の下、研究部門にマイクロ波中継グループが設立された。[ 4 ]
1944年3月13日、AT&Tは電話とテレビの信号を伝送するために7,000マイル（11,000km ）の同軸ケーブルを敷設すると発表し、1950年にはそれを12,000マイル（19,000km ）に拡張した。しかし、エンジニアリング調査により、同じネットワークであればマイクロ波リレーの方が設置コストが低いことが示されたが、継続的な運用コストについては疑問が残った。同社の資金調達能力に対する懸念から、マイクロ波システムの方が魅力的な選択肢と見なされた。この期間を通して行われた実験により、10GHz以上では雨による干渉が顕著である一方、1GHz以下では必要なアンテナサイズが大きすぎて実用的ではないため、運用が困難であることが示された。[ 5 ]
このプロジェクトの問題の一つは、AT&Tだけが戦後の無線周波数帯域の大規模な計画を立てていたわけではなかったことです。戦争中はテレビの制作が中止され、これらの企業は戦後の大規模な買い付けを期待していました。初期のテストでは、UHF信号が理論的には不可能とされていた非常に長い距離で検出されることがありました。これが対流圏散乱の発見につながり、これは将来、もう一つの重要な長距離電話システムとなりました。また、FCCが問題の理解と解決策の考案を試みたため、1948年の「テレビ放送凍結」にもつながりました。これはほぼ間違いなく周波数の再割り当てを意味するため、AT&Tもどの周波数が使用できるかを知るまで中継の取り組みを凍結されました。[ 5 ]
FCCの取り組みの結果を待つ間、ベルは商用システムになると信じていたもののプロトタイプとして実験システムを設置することにした。これはニューヨークとボストンの間のTDX 回線として構築された。FCCは1945年5月に3.9～4.4GHzの周波数帯を割り当てた。このシステムは割り当てられた周波数帯上にそれぞれ10MHzの4つのチャンネルを持ち 、信号は周波数変調を使用してチャンネルに符号化された。ネットワークはリンクに沿って7つのリピーターを使用した。[ 6 ]
システムは1947年11月に完成し、13日に実験的なテレビ送信が開始された。信号は既存の同軸ケーブル回線でボストンからニューヨーク、そしてワシントンDCへと送信された。この回線は1948年5月まで無料で利用できたが、その後商用サービスとして提供されるようになった。TDX回線は1958年まで運用された。[ 6 ]
テレビの周波数帯が買い占められるにつれ、AT&Tは新しいテレビチャンネルのために既存のVHF割り当てを放棄するようますます強い圧力を受けるようになった。[ 6 ]これは、FCCが電話用に新しい周波数を開放した場合にのみ可能となる。FCCは1946年にはすでにGHz帯の混雑の可能性を懸念しており、正式な割り当てについても検討し始めた。1947年には、周波数帯を割り当てるために国際電気通信連合の会議が招集され、1948年の夏にFCCによって承認された。これにより、共通搬送波用に3.7～4.2GHz、5.925～6.425GHz、10.7～11.7GHzの3つの帯域が確保された 。[ 7 ]
そのため、TDXはまだブレッドボードモデルの段階にとどまっていましたが、より新しく、やや低い周波数で生産システムを進めることが決定されました。1946年10月、ニューヨークからシカゴへのルートが全国ネットワークの基盤として選ばれました。計画チームは2つの計画の概要を示し、1つは1949年6月に、もう1つは1950年6月に完了する予定でした。主な違いは、前者のTD1は既存のTDX機器を使用するのに対し、後者のTD-2は4チャンネルではなく6チャンネルの改良された機器と、局間の距離を長くできる新しい受信機を使用するという点でした。[ 8 ]
AT&T は 1947 年 1 月に FCC にリンク構築の申請を提出した。[ 9 ] 経営陣は、テレビ局が新しいリンクを強く求めていたため、より高度な TD-2 システムを使用するが、当初の 1949 年の期限を守るよう要求した。エンジニアリング部門はこの目標を受け入れ、すべてが順調に進めば達成できると述べた。[ 10 ]当初の計画では、1947 年末までに無線機、アンテナ、発電所の設計を開発し、1948 年初頭までに他のすべての部品を開発することになっていた。ウェスタン・エレクトリック社は、1948 年後半に納入を開始し、6 か月で完了できるように生産ラインを準備することになっていた。一方、AT&T ロングラインズは中継局の敷地を調査して購入し、関連する建物や塔を建設することになっていた。[ 11 ]
経営陣は当初テレビ信号に関心を持っていたが、時が経つにつれて電話信号の重要性が増した。このため、1950年の秋までサービス開始を延期し、1チャンネルあたり480回の通話が可能な多重化システムを設置することにした。同時に、ロサンゼルスとサンフランシスコ間の第2回線の計画も立てられた。シカゴルートの機器は1950年の春までに設置された。[ 12 ]これらの初期システムは、無線機器をアンテナにできるだけ近づけて伝送線路での損失を避けるために、高いコンクリート製の塔に構築された。[ 13 ]
試験は6月に開始されたが、当初はほとんど成果がなく、ノイズの問題は7月までシステムを悩ませ続けた。[ 12 ] 8月にはようやく状況が改善し、その時点で実験ではニューヨークからシカゴへ、そして再びニューヨークへ、さらにシカゴへと信号が送信された。伝送の全長はニューヨークからサンフランシスコまでと同じで、信号の劣化はオシロスコープ上でも「ほとんど知覚できない」ほどだった。[ 14 ]
ニューヨーク-シカゴ線は1950年9月1日に開通し、ロサンゼルス-サンフランシスコ線は15日に開通した。この2つの区間は、 1951年9月4日に行われたサンフランシスコ条約におけるハリー・S・トルーマン大統領の開会演説を全国に放送するのに間に合うように接続された。[ 15 ]
その後数年間、AT&Tとベル研究所はシステムの改良に継続的に取り組んだ。最も重要な改良点の1つは真空管の寿命に関するものであった。主な懸念事項は主送信機である416Aで、運用開始時の約2000時間から1952年には約6000～8000時間、1967年には20000時間にまで寿命が延びた。同様に、中間周波数プリアンプで使用されていた417Aの問題も解決され、その寿命はわずか100時間から10000時間にまで延びた。もう1つの重要な改良点は、信号を途切れさせることなく任意のチャンネルをスタンバイチャンネルに切り替えることができる高速切り替えシステムであった。通常、1つのチャンネルはこの目的のために空けておき、残りの5つのチャンネルはアクティブに使用されていた。[ 15 ]
TD-2 システムのもう 1 つの大きな問題は、当時のマイクロ波周波数フィルタはそれほど狭くなかったため、チャネルをかなり離して配置する必要があり、使用可能な帯域幅の半分しか使用できなかったことです。これにより、アンテナを向けられる角度も制限され、60 度より近い 2 つの信号は干渉し始めました。1951 年にフェライト コアを使用したスロット フィルタが開発され、この問題が解決され、チャネル数がほぼ 2 倍になり、アンテナを 9 度以内の角度に向けられるようになったため、1 つのタワーで近接した 2 つのエンドポイントをサービスできるようになりました。[ 16 ]
1955年、ベル研究所は6GHz帯で動作するTHと呼ばれる新しいリレーシステムの開発に着手した 。THの重要な特徴は、偏波を利用して信号を分離することで、チャネルが周波数で非常に近い状態で動作し、帯域幅をより効率的に利用できる点である。より広い帯域幅と新しい符号化方式と組み合わせることで、THはチャネルあたり1,200件の通話を伝送でき、チャネル数は2倍になった。[ 16 ]
理論上、THシステムは異なる周波数帯で動作するため、既存のTD-2サイトに追加して局の容量を増やすことができるはずだった。しかし残念ながら、TD-2アンテナは偏波信号には使用できず、THは偏波を維持するホーンアンテナを使用する予定だった。[ 16 ]そのため、TD-2もホーン設計に移行できるか、また単一のホーンで両方の周波数で動作できるかという検討が行われた。そのためには、導波管はTH信号が分岐される地点まで円形である必要があり、 短い6GHzのTH信号ではなく3.7GHzのTD-2信号を伝送できるほど大きくなければならない 。この疑問に答えるためには広範な研究とテストが必要だったが、最終的に適切なアンテナ設計が作成された。[ 16 ]
1955年以降のTD-2局は新しいホーン設計を採用した。同時に、これにより既存のTD-2局も偏波信号を使用するようにアップグレードできるようになり、新しいマルチプレクサ設計が登場し、これらを組み合わせることでチャネルあたり最大600の通話が可能になった。これにより、元のリンクの容量が2倍以上になった。そのため、THが既存のTD-2サイトを引き継げるかどうかを検討した設計作業は、既存のTD-2システムの容量が向上したことで、THの普及を遅らせる結果となった。THの展開は1961年まで始まらず、1960年代半ばになっても、ネットワークの大部分は依然としてTD-2を使用していた。[ 13 ]
1962年4月、TD-2システムをTD3として再設計することが決定されました。これはソリッドステートシステムで、唯一残った真空管はマイクロ波送信機で、クライストロンから低雑音進行波管に変更されました。受信機はショットキーバリアダイオードとトンネルダイオードを使用することで雑音が大幅に低減され、チャネルあたりの電話通話数を再び1,200に増やすことができました。これらのレベルに到達するには、物理的な設備とアンテナの改良も必要でした。これらの変更のみを利用した結果、チャネルあたり900の電話通話を伝送できるTD-2Aが開発され、TD3の到着を待つ間に迅速に展開することができました。[ 13 ]
1968年までに、米国の長距離通信の40%がTD-2によって運ばれていた。また、国内の都市間テレビ信号の95%もTD-2によって運ばれていた。[ 17 ]
1970年に起きた二つの出来事が、AT&Tのマイクロ波事業拡大の終焉、そして最終的な同社の消滅につながった。
最初の静止通信衛星は1960年代に打ち上げられましたが、広く商用サービスが開始されたのは1970年代になってからです。衛星はすぐにテレビ信号の配信を引き継ぎました。テレビ信号は通常、ネットワークのメインスタジオである単一の送信所から発信され、ローカルテレビ局の多数の受信機に放送されます。これは、1つの衛星とローカル局の比較的安価な受信機で容易に実現できました。テレビがマイクロ波システムから移行するにつれて、空いたチャンネルは電話や、1970年代初頭に台頭した専用データ回線市場に利用されました。[ 18 ]
電話用途における光ファイバーの代替も1970年代に行われていました。コーニング・グラスでは、ロバート・マウラー率いるチームが、従来の設計よりもはるかに高品質で損失の少ない光ファイバーを製造する新しい方法を開発しました。ほぼ同時期に、ベル研究所は初の室温半導体レーザーを開発しました。これは非常に高速でオンオフを切り替えることができ、ファイバー内でパルス符号変調（PCM）信号を生成することが可能になりました。1976年、AT&Tはアトランタの地下に2,000フィート（610メートル）の実験的な光ファイバーシステムを設置し、世界中で同様のプロジェクトが数多く出現しました。[ 19 ]
In 1976, Masaru Horiguchi of NTT introduced a new optical fiber that was optically clear at 1.3 micrometers. That same year, J. Jim Hsieh of the Lincoln Laboratory introduced a solid-state laser operating at this frequency. In 1979, AT&T built a network using this technology in Lake Placid, New York, to carry the television signals of the 1980 Winter Olympics. By the early 1980s, long-distance fibers were rapidly replacing all other technologies.[19]
AT&T continued using its microwave network for telephone service through this period, but Sprint's 1980s all-fiber, all-digital network forced the company to switch to digital as well, using new fiber rather than updating the microwave system. By the late 1990s, most of the microwave network had been turned off. In 1999, AT&T sold off the towers to any buyers. Most towers went unpurchased and now stand derelict.[20]
A small number of former TD-2 towers have been brought back to use under third-party ownership. The original New York to Chicago link is one of these. There are two reasons for their re-use, both related to end-to-end time. The first is that signals travel somewhat slower in fiber than through the air, about 200,000 km/s instead of 299,700 km/s. Much more important is that the fiber networks generally follow existing infrastructure like railways and tunnels rather than the relatively straight point-to-point connections of the microwave system. The packets are not routed between the two stations, they are simply forwarded, further improving performance.[21]
In the case of the New York-Chicago link, third-party measurements showed an average overall drop in latency of 2.5 milliseconds around 2011. This corresponded to the opening of the first new microwave link. By 2013, 15 such links were in operation between the two cities, and similar networks have been started between London and Frankfurt and other locations. Although these do not use the original equipment, and generally do not use the antennas either, the towers are perfectly sited for use with new equipment.[21]