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対流圏散乱（トロポスキャッターとも呼ばれる）は、マイクロ波無線信号を用いてかなりの距離（多くの場合、最大500キロメートル（310マイル）以上）にわたって通信する方法で、動作周波数、機器の種類、地形、気候要因によってさらに遠くまで及ぶことがあります。この伝搬方法は、対流圏散乱現象を利用しており、UHFおよびSHF周波数の電波が対流圏の上層を通過する際にランダムに散乱されます。無線信号は、受信局の方向に向かって地平線のすぐ上を狙った狭いビームで送信されます。信号が対流圏を通過する際に、エネルギーの一部が地球に向かって散乱されるため、受信局は信号を受信できます。[ 1 ]
通常、マイクロ波周波数帯の信号は直進するため、送信機から受信機が「見える」見通し線通信に限定されます。通信距離は視界の限界によって約48～64キロメートル（30～40マイル）に制限されます。対流圏散乱は、水平線を超えたマイクロ波通信を可能にします。これは1950年代に開発され、1970年代に通信衛星に取って代わられるまで軍事通信に使用されていました。
対流圏は乱流が多く、水分含有量も高いため、対流圏散乱電波信号は屈折し、結果として送信された電波エネルギーのごく一部しか受信アンテナで収集されません。2GHz付近の送信周波数は、この周波数では信号の波長が対流圏の湿潤で乱流の多い領域と良好に相互作用し、信号対雑音比が向上するため、対流圏散乱システムに最適です。
第二次世界大戦前、主流の電波物理学理論では、周波数と回折の関係から、電波信号は地球の曲率に沿って伝わるものの、その効果の強さは急速に、特に高周波数では弱まると予測されていた。この広く信じられていた考えにもかかわらず、戦争中には高周波レーダー信号が理論計算をはるかに超える距離で目標を探知できた事例が数多くあった。こうした異常な距離の事例が繰り返されたにもかかわらず、この問題は真剣に研究されることはなかった。[ 2 ]
戦後間もない時期に、米国ではテレビ建設の制限が解除され、数百万台のテレビが販売された。これにより、新しいテレビ局も急速に増加した。連邦通信委員会（FCC）は、戦時中と同じ計算に基づいて、新しいVHFおよびUHFチャンネルの周波数割り当てを調整し、局間の干渉を回避した。しかし、誰もが驚いたことに、遠く離れた局間でも干渉が頻繁に発生した。その結果、1948年の「テレビ凍結」として知られる事態が発生し、新しい局の免許は保留された。[ 2 ]
ベル研究所は、この現象の研究を始めた多くの組織の一つであり、これは対流圏界面からのこれまで知られていなかったタイプの反射であると結論付けました。これはUHF帯やマイクロ波帯といった高周波数帯に限られていたため、これらの周波数が既存の電子機器の能力を超えていた戦前には観測されませんでした。信号の大部分は対流圏を通過して宇宙空間に伝わりましたが、反射されたごくわずかな信号も、強力な送信機と非常に高感度な受信機と組み合わせれば有用でした。1952年、ベルはMIT傘下のレーダー研究所であるリンカーン研究所と共同で実験を開始しました。リンカーンの強力なマイクロ波送信機とベルの高感度受信機を用いて、さまざまな周波数や気象の影響をテストするための実験システムをいくつか構築しました。ベル・カナダはこのシステムを知ると、ラブラドール地方の新しい通信ネットワークに役立つかもしれないと考え、寒冷地でのテストのためにシステムの1つをラブラドール地方に持ち込みました。[ 2 ]
1954年、両試験シリーズの結果が確定し、ラブラドール沿岸のパインツリーラインレーダーシステムを結ぶ最初の対流圏散乱システムであるポールボルトシステムの建設が開始された。対流圏散乱を利用することで、荒野に点在していた50のマイクロ波中継局から、レーダー基地に設置されたわずか10の中継局にまで削減された。単価は高かったものの、この新しいネットワークの構築費用は中継システムの半分で済んだ。ポールボルトに続いて、ホワイトアリス、ミッドカナダラインとDEWラインの中継局といった同様のシステムが次々と開発され、1960年代にはNATOのACE Highシステムの一部として大西洋とヨーロッパを横断するシステムも構築された。
伝搬損失は非常に大きく、送信電力の約1兆分の1 ( 10 × 10 ^ −12 ) しか受信機で利用できません。そのため、非常に大きなアンテナ利得を持つアンテナの使用が求められます。当初のポールボルトシステムでは大型のパラボラ反射鏡アンテナが使用されていましたが、すぐにビルボードアンテナに置き換えられました。ビルボードアンテナは、これらのシステムが過酷な場所に設置されることが多かったため、より堅牢で重要な特性でした。1,000キロメートル (620マイル)を超える距離に経路が設定されました。これには、9～36メートル (30～118フィート)のアンテナと、 1kW から50kW 。これらはアナログシステムであり 、少数の音声チャンネルを送信することができた。
対流圏散乱システムは長年にわたって進化してきました。長距離通信リンクに通信衛星が使用されるようになったため、現在の対流圏散乱システムは以前のシステムよりも短い距離で使用され、より小型のアンテナとアンプを使用し、帯域幅の能力が大幅に向上しています。一般的な距離は50～250キロメートル（31～155マイル）ですが、気候、地形、必要なデータレートによっては、より長い距離も達成できます。一般的なアンテナサイズは1.2～12メートル（3フィート11インチ～39フィート4インチ）で、一般的なアンプサイズは 10W から2 kW。データレートは今日の技術では20Mbps の速度を実現できる。
対流圏散乱は、アンテナの向きが非常に重要で、特に開水域を越えて送信される場合、信号を傍受することが極めて困難であるため、かなり安全な伝搬方法であり、軍事ユーザーにとって非常に魅力的です。軍事システムは、狭帯域の「情報」チャネルのみが対流圏システムで伝送されるという理由で「細線」対流圏散乱と呼ばれる傾向がありました。これは通常、最大32のアナログ（帯域幅4kHz ）チャネルです。現代の軍事システムは、4～16Mbit/sのデジタルデータチャネルを運用するため、「広帯域」です 。
英国テレコム（BT）の北海石油通信ネットワークのような民間の対流圏散乱システムは、衛星技術が利用可能になる以前は、HF（高周波 – 3 MHz～30 MHz ）無線信号で利用できるよりも大容量の「情報」チャネルを必要としていました。シェトランド諸島のスカウスバーグ、アバディーンシャーのモーモンドヒル、スカーバラ近郊のロウブロウに拠点を置くBTシステムは、周波数分割多重（FDMX）を使用してチャネルを結合し、北海の石油生産プラットフォームとの間で156のアナログ（帯域幅4 kHz ）チャネルのデータと電話を送受信することができました。
対流圏の乱流の性質上、4重の多様性伝搬経路を使用して、サービスの信頼性は99.98%で、伝搬障害によるダウンタイムは月あたり約3分に相当します。4重空間偏波ダイバーシティシステムには、2つの独立したパラボラアンテナ（数メートル離れた場所に設置）と、偏波の異なる2つの給電ホーン（一方は垂直偏波、もう一方は水平偏波）が必要でした。これにより、常に少なくとも1つの信号経路が開いていることが保証されました。4つの異なる経路からの信号は受信機で再結合され、位相補正器によって各信号の位相差が除去されました。位相差は、送信機から受信機までの各信号の経路長が異なるために生じました。位相補正後、4つの信号は加算的に合成されました。
対流圏散乱現象は、世界各地で民間および軍事通信回線の構築に利用されてきた。例えば、以下のような地域が挙げられる。
インド-ソビエト連邦
上記で詳述した恒久的なネットワークに加えて、いくつかの国によって多くの戦術的な可搬式システムが製造されてきた。[ 20 ]
米陸軍と米空軍は、長距離通信用にレイセオン社が開発した戦術対流圏散乱システムを使用している。このシステムには、オリジナルの「ヘビー・トロポ」構成と、より新しい「ライト・トロポ」構成の2種類がある。システムは、4つの多重化グループチャネルとトランク暗号化、そして16または32のローカルアナログ電話内線を提供する。米海兵隊も同じ装置を使用しているが、こちらは旧型である。
&Tは全国に数十の同様の通信用地下壕を所有していたが、チャタムの地下壕は「プロジェクト・オフィス」という一見地味な名前で呼ばれる、重装甲で厳重に警備されたわずか5つのグループの一部だったと、冷戦時代のインフラに特化した2つのウェブサイトを運営するアルバート・ラフランス氏は語った。より一般的なAT&Tの通信用地下壕とは異なり、プロジェクト・オフィスは核攻撃が発生した場合に少なくとも最低限の国家政府を維持する計画の一環として、政府や軍の高官を避難させるために設計されたようだとラフランス氏は述べた。これらの「政府機能継続」施設には通信機能が必要となるが、通信はそれらの施設の主な任務ではない、と彼は述べた。
ヨーロッパにおける国防総省通信ネットワークの主要部分が7月19日（1966年）に稼働した。この新システムは、西ヨーロッパの多くの国にまたがるET-A（ヨーロッパ対流圏陸軍）ネットワークの一部として運用を開始した。このシステムは、イタリアのリヴォルノからイタリアアルプスを経てドイツのブレーマーハーフェンまで、またハイデルベルクからパリの数マイル以内までの通信を結び付け、米陸軍戦略通信司令部の世界規模の通信複合体に1,200チャンネルマイル以上を追加した。
。セヴェル対流圏散乱無線中継線（TRRLセヴェル）は、国の遠隔地との通信を確立するために設計された旧ソ連の通信回線システムです。この回線は13200 km（8200マイル）の長さで、主に北極海と太平洋の沿岸とシベリアの主要河川であるオビ川、エニセイ川、レナ川沿いに位置する46の対流圏無線中継局（TRRS）で構成されていました。
ピース・ルビー計画は、イラン南部にAC&Wレーダーサイトと通信を追加し、北部のスペルアウト・システムを補完し、マシュハドからタブリーズまでのロシア国境沿いにレーダーによる監視を提供した。後のプロジェクトであるピース・ネットは、これら2つのシステムを最新の航空管制および防衛システムに完全に統合した。
アンテナ、アンテナ マウント、または伝送線の故障が、システムの利用不能の大部分を占めていることが観察されています。このような障害は、ドイツの Scope Com システム、ドイツの ETA システム、台湾の Phil-Tai-Oki システム、そして最近ではイタリアの DEB Phase I で観察されています。
1960 年 – バルバドスとトリニダードの間で対流圏散乱無線リンクが確立される。 1965 年 – 対流圏散乱システムが南はトリニダード経由でガイアナまで、北はセントルシアとアンティグア経由でトルトラまで拡張される。
