Tecnologia de link de microondas

 

Introdução ao Microondas

 

Exemplo de instalação de link de micro-ondas sem cabos

Microondas é uma tecnologia de comunicação sem fio de linha de visão que usa feixes de ondas de rádio de alta frequência para fornecer conexões sem fio de alta velocidade que podem enviar e receber voz, vídeo e informações de dados.

Os links de microondas são amplamente usados ​​para comunicações ponto a ponto porque seu pequeno comprimento de onda permite que antenas de tamanhos convenientes os direcionem em feixes estreitos, que podem ser apontados diretamente para a antena receptora. Isso permite que equipamentos de micro-ondas próximos usem as mesmas frequências sem interferirem uns com os outros, como fazem as ondas de rádio de frequência mais baixa. Outra vantagem é que a alta frequência das microondas dá à banda de microondas uma capacidade de transporte de informações muito grande; a banda de microondas tem uma largura de banda 30 vezes maior do que todo o resto do espectro de rádio abaixo dela.

A transmissão de rádio por micro-ondas é comumente usada em sistemas de comunicação ponto a ponto na superfície da Terra, em comunicações por satélite e em comunicações de rádio no espaço profundo. Outras partes da banda de rádio de microondas são usadas para radares, sistemas de navegação de rádio, sistemas de sensores e radioastronomia.

A parte superior do espectro radioeletromagnético com frequências acima de 30 GHz e abaixo de 100 GHz, são chamadas de "ondas milimétricas" porque seus comprimentos de onda são convenientemente medidos em milímetros e seus comprimentos de onda variam de 10 mm a 3.0 mm. As ondas de rádio nesta banda são geralmente fortemente atenuadas pela atmosfera terrestre e pelas partículas nela contidas, especialmente durante o tempo chuvoso. Além disso, na banda larga de frequências em torno de 60 GHz, as ondas de rádio são fortemente atenuadas pelo oxigênio molecular na atmosfera. As tecnologias eletrônicas necessárias na banda de ondas milimétricas também são muito mais complexas e difíceis de fabricar do que as da banda de microondas, portanto, o custo dos rádios de ondas milimétricas é geralmente mais alto.

História da Comunicação por Microondas
James Clerk Maxwell, usando suas famosas "equações de Maxwell", previu a existência de ondas eletromagnéticas invisíveis, das quais as microondas fazem parte, em 1865. Em 1888, Heinrich Hertz foi o primeiro a demonstrar a existência de tais ondas construindo um aparelho que microondas produzidas e detectadas na região de ultra alta frequência. Hertz reconheceu que os resultados de seu experimento validaram a previsão de Maxwell, mas ele não viu nenhuma aplicação prática para essas ondas invisíveis. Posteriormente, o trabalho de outros levou à invenção das comunicações sem fio, baseadas em microondas. Os contribuintes para este trabalho incluíram Nikola Tesla, Guglielmo Marconi, Samuel Morse, Sir William Thomson (mais tarde Lord Kelvin), Oliver Heaviside, Lord Rayleigh e Oliver Lodge.

Link de microondas sobre o Canal Inglês, 1931

Em 1931, um consórcio americano-francês demonstrou um link experimental de retransmissão de micro-ondas através do Canal da Mancha usando antenas de 10 metros, um dos primeiros sistemas de comunicação por micro-ondas. Dados de telefonia, telégrafo e fac-símile foram transmitidos em feixes de 3 GHz a 1.7 milhas entre Dover, no Reino Unido, e Calais, na França. No entanto, ele não podia competir com as tarifas de cabos submarinos baratos e um sistema comercial planejado nunca foi construído.

Durante a década de 1950, o sistema AT&T Long Lines de links de retransmissão de microondas cresceu para transportar a maior parte do tráfego telefônico de longa distância dos Estados Unidos, bem como sinais de rede de televisão intercontinental. O protótipo foi chamado de TDX e foi testado com uma conexão entre a cidade de Nova York e Murray Hill, a localização dos Laboratórios Bell em 1946. O sistema TDX foi instalado entre Nova York e Boston em 1947.

Links de microondas comerciais modernos
Torre de comunicação de microondas sem cabos

Torre de comunicação de microondas

Um link de micro-ondas é um sistema de comunicação que usa um feixe de ondas de rádio na faixa de frequência de micro-ondas para transmitir vídeo, áudio ou dados entre dois locais, que podem estar a uma distância de apenas alguns pés ou metros a várias milhas ou quilômetros de distância. Exemplos de links comerciais de micro-ondas da CableFree podem ser vistos aqui. Os links de micro-ondas modernos podem transportar até 400 Mbps em um canal de 56 MHz usando modulação 256QAM e técnicas de compressão de cabeçalho IP. As distâncias operacionais para links de microondas são determinadas pelo tamanho da antena (ganho), banda de frequência e capacidade de link. A disponibilidade de uma linha de visão clara é crucial para links de microondas para os quais a curvatura da Terra deve ser permitida

CableFree FOR2 Microwave Link 400 Mbps

Links de microondas são comumente usados ​​por emissoras de televisão para transmitir programas em um país, por exemplo, ou de uma transmissão externa para um estúdio. As unidades móveis podem ser montadas em câmeras, permitindo que as câmeras se movam livremente sem arrastar cabos. Eles são freqüentemente vistos nas linhas de lateral de campos esportivos em sistemas Steadicam.

Planejamento de links de microondas
● Os links de microondas sem cabo devem ser planejados considerando os seguintes parâmetros:
● Distância necessária (km / milhas) e capacidade (Mbps)
● Meta de disponibilidade desejada (%) para o link
● Disponibilidade de linha clara de visão (LOS) entre os nós finais
● Torres ou mastros, se necessário, para alcançar LOS claro
● Bandas de frequência permitidas específicas para região / país
● Restrições ambientais, incluindo diminuição da chuva
● Custo das licenças para as bandas de frequência necessárias
 
 

Faixas de frequência de micro-ondas

Os sinais de micro-ondas costumam ser divididos em três categorias:

frequência ultra-alta (UHF) (0.3-3 GHz);
super alta frequência (SHF) (3-30 GHz); e
frequência extremamente alta (EHF) (30-300 GHz).
Além disso, as bandas de frequência de microondas são designadas por letras específicas. As designações da Radio Society of Great Britain são fornecidas abaixo.
Bandas de frequência de micro-ondas
Faixa de frequência de designação
● Banda L 1 a 2 GHz
● Banda S 2 a 4 GHz
● Banda C 4 a 8 GHz
● banda X de 8 a 12 GHz
● Banda Ku 12 a 18 GHz
● banda K de 18 a 26.5 GHz
Banda Ka 26.5 a 40 GHz
● banda Q de 30 a 50 GHz
● Banda U de 40 a 60 GHz
● Banda V 50 a 75 GHz
● Banda E 60 a 90 GHz
● Banda W 75 a 110 GHz
● Banda F 90 a 140 GHz
● Banda D 110 a 170 GHz

O termo “banda P” às vezes é usado para frequências ultra-altas abaixo da banda L. Para outras definições, consulte Designações de letras de faixas de micro-ondas

Freqüências de micro-ondas mais baixas são usadas para links mais longos e regiões com maior queda de chuva. Por outro lado, as frequências mais altas são usadas para links mais curtos e regiões com menor enfraquecimento da chuva.

A chuva desvanece nos links de microondas

FadeRain da chuva do link de microondas O desvanecimento da chuva se refere principalmente à absorção de um sinal de radiofrequência (RF) de microondas pela chuva atmosférica, neve ou gelo, e perdas que são especialmente prevalentes em frequências acima de 11 GHz. Também se refere à degradação de um sinal causada pela interferência eletromagnética da vanguarda de uma frente de tempestade. O desbotamento da chuva pode ser causado por precipitação no local do uplink ou do downlink. No entanto, não precisa estar chovendo em um local para que seja afetado pelo enfraquecimento da chuva, pois o sinal pode passar por precipitação a muitos quilômetros de distância, especialmente se a antena parabólica tiver um ângulo de visão baixo. De 5 a 20 por cento do desvanecimento da chuva ou atenuação do sinal de satélite também podem ser causados ​​por chuva, neve ou gelo no refletor de antena de uplink ou downlink, radome ou buzina de alimentação. O enfraquecimento da chuva não se limita a uplinks ou downlinks de satélite, mas também pode afetar links terrestres ponto a ponto de micro-ondas (aqueles na superfície da Terra).

As formas possíveis de superar os efeitos do desbotamento da chuva são diversidade do local, controle de potência do uplink, codificação de taxa variável, recepção de antenas maiores (isto é, ganho maior) do que o tamanho necessário para condições climáticas normais e revestimentos hidrofóbicos.

Diversidade em links de microondas
 

Exemplo de um link de micro-ondas 1 + 0 desprotegido

Em links de microondas terrestres, um esquema de diversidade refere-se a um método para melhorar a confiabilidade de um sinal de mensagem usando dois ou mais canais de comunicação com características diferentes. A diversidade desempenha um papel importante no combate ao desvanecimento e à interferência co-canal e evitando rajadas de erro. Baseia-se no fato de que canais individuais experimentam diferentes níveis de desvanecimento e interferência. Várias versões do mesmo sinal podem ser transmitidas e / ou recebidas e combinadas no receptor. Alternativamente, um código de correção de erro direto redundante pode ser adicionado e diferentes partes da mensagem transmitidas por diferentes canais. As técnicas de diversidade podem explorar a propagação multipercurso, resultando em um ganho de diversidade, frequentemente medido em indecibéis.

As seguintes classes de esquemas de diversidade são típicas em Links de Microondas Terrestres:
● Desprotegido: Os links de microondas onde não há diversidade ou proteção são classificados como Desprotegidos e também como 1 + 0. Há um conjunto de equipamentos instalado, e nenhuma diversidade ou backup
● Hot Standby: Dois conjuntos de equipamentos de microondas (ODUs ou rádios ativos) são instalados geralmente conectados à mesma antena, sintonizados no mesmo canal de frequência. Um está “desligado” ou em modo de espera, geralmente com o receptor ativo, mas o transmissor sem som. Se a unidade ativa falhar, ela será desligada e a unidade em espera será ativada. Hot Standby é abreviado como HSB e geralmente é usado em configurações 1 + 1 (uma ativa, uma em espera).
● Diversidade de frequência: O sinal é transmitido usando vários canais de frequência ou espalhado por um amplo espectro que é afetado pelo desvanecimento seletivo de frequência. Os links de rádio de micro-ondas geralmente usam vários canais de rádio ativos mais um canal de proteção para uso automático por qualquer canal desbotado. Isso é conhecido como proteção N + 1
● Diversidade de espaço: o sinal é transmitido por vários caminhos de propagação diferentes. No caso de transmissão com fio, isso pode ser conseguido transmitindo por meio de vários fios. No caso da transmissão sem fio, ela pode ser obtida por diversidade de antenas usando várias antenas transmissoras (diversidade de transmissão) e / ou várias antenas de recepção (diversidade de recepção).
● Diversidade de polarização: várias versões de um sinal são transmitidas e recebidas por meio de antenas com polarização diferente. Uma técnica de combinação de diversidade é aplicada no lado do receptor.

Failover resiliente de caminho diverso

Em sistemas terrestres de micro-ondas ponto a ponto variando de 11 GHz a 80 GHz, um link de backup paralelo pode ser instalado junto com uma conexão de largura de banda mais alta, propensa ao desbotamento pela chuva. Nesse arranjo, um link principal, como uma ponte de microondas full duplex de 80 GHz 1 Gbit / s, pode ser calculado para ter uma taxa de disponibilidade de 99.9% no período de um ano. A taxa de disponibilidade calculada de 99.9% significa que o link pode ficar inativo por um total cumulativo de dez ou mais horas por ano, conforme os picos das tempestades passam sobre a área. Um link secundário de largura de banda inferior, como uma ponte de 5.8 Mbit / s baseada em 100 GHz pode ser instalado paralelamente ao link principal, com roteadores em ambas as extremidades controlando o failover automático para a ponte de 100 Mbit / s quando o link de 1 Gbit / s principal está inativo devido ao desbotamento da chuva. Usando este arranjo, links ponto a ponto de alta frequência (23 GHz +) podem ser instalados em locais de serviço muitos quilômetros mais distantes do que poderiam ser servidos com um único link exigindo 99.99% de tempo de atividade ao longo de um ano.

Codificação e modulação automática (ACM)
 

Codificação e modulação adaptativa de micro-ondas (ACM)

Adaptação de link, ou Adaptive Coding and Modulation (ACM), é um termo usado em comunicações sem fio para denotar a correspondência da modulação, codificação e outros parâmetros de sinal e protocolo com as condições no link de rádio (por exemplo, a perda de caminho, a interferência devido a sinais vindos de outros transmissores, a sensibilidade do receptor, a margem de potência disponível do transmissor, etc.). Por exemplo, EDGE usa um algoritmo de adaptação de taxa que adapta o esquema de modulação e codificação (MCS) de acordo com a qualidade do canal de rádio e, portanto, a taxa de bits e a robustez da transmissão de dados. O processo de adaptação do link é dinâmico e os parâmetros do sinal e do protocolo mudam conforme as condições do link de rádio mudam.

O objetivo da modulação adaptativa é melhorar a eficiência operacional dos links de microondas, aumentando a capacidade da rede sobre a infraestrutura existente - enquanto reduz a sensibilidade às interferências ambientais.
Modulação adaptativa significa variar dinamicamente a modulação de uma maneira sem erros, a fim de maximizar o rendimento sob condições de propagação momentâneas. Em outras palavras, um sistema pode operar em seu rendimento máximo em condições de céu claro e diminuí-lo
gradualmente sob a chuva desvanece-se. Por exemplo, um link pode mudar de 256QAM para QPSK para manter o “link ativo” sem perder a conexão. Antes do desenvolvimento da Codificação e Modulação Automática, os designers de micro-ondas tiveram que projetar para as condições do "pior caso" para evitar a interrupção do link. Os benefícios de usar ACM incluem:
● Comprimentos de link mais longos (distância)
● Usando antenas menores (economiza espaço no mastro, também frequentemente necessário em áreas residenciais)
● Maior disponibilidade (confiabilidade do link)

Controle de potência de transmissão automática (ATPC)

Os links de microondas sem cabo possuem ATPC, que aumenta automaticamente a potência de transmissão durante condições de “Fade”, como chuvas fortes. O ATPC pode ser usado separadamente para ACM ou junto para maximizar o tempo de atividade, estabilidade e disponibilidade do link. Quando as condições de “desvanecimento” (chuva) terminam, o sistema ATPC reduz a potência de transmissão novamente. Isso reduz o estresse sobre os amplificadores de potência de microondas, o que reduz o consumo de energia, a geração de calor e aumenta a vida útil esperada (MTBF)

Usos de links de microondas
Links de backbone e comunicação “Last Mile” para operadoras de rede celular
Links de backbone para provedores de serviços de Internet (ISPs) e sem fio ISPs (WISPs)
Redes corporativas para sites de edifício em edifício e campus
Telecomunicações, na ligação de centrais telefônicas remotas e regionais a centrais maiores (principais) sem a necessidade de linhas de cobre / fibra óptica.
Transmitir televisão com padrões HD-SDI e SMPTE

Empreendimento

Devido à escalabilidade e flexibilidade da tecnologia Microwave, os produtos Microwave podem ser implantados em muitos aplicativos corporativos, incluindo conectividade de edifício a edifício, recuperação de desastres, redundância de rede e conectividade temporária para aplicativos como dados, voz e dados, serviços de vídeo, imagens médicas , CAD e serviços de engenharia e desvio de operadora de linha fixa.

Backhaul da operadora de celular
 

Backhaul de microondas em redes celulares

Os links de micro-ondas são uma ferramenta valiosa no backhaul de operadora móvel: a tecnologia de micro-ondas pode ser implantada para fornecer PDH 16xE1 / T1, STM-1 e STM-4 tradicional e conectividade backhaul de Ethernet Gigabit IP moderno e redes móveis greenfield. O micro-ondas é muito mais rápido de instalar e reduz o custo total de propriedade para operadoras de rede celular em comparação com a implantação ou aluguel de redes de fibra óptica

Redes de baixa latência
As versões CableFree Low Latency de links de micro-ondas usam a tecnologia de link de micro-ondas de baixa latência, com atraso mínimo entre os pacotes sendo transmitidos e recebidos na outra extremidade, exceto o atraso de propagação da linha de visão. A velocidade de propagação das microondas através do ar é aproximadamente 40% maior do que através da fibra óptica, dando aos clientes uma redução imediata de 40% na latência em comparação com a fibra óptica. Além disso, as instalações de fibra óptica quase nunca estão em linha reta, com realidades de layout de construção, dutos de rua e necessidade de usar a infraestrutura de telecomunicações existente, a extensão da fibra pode ser 100% mais longa do que o caminho direto da linha de visão entre dois pontos finais. Conseqüentemente, os produtos de micro-ondas de baixa latência CableFree são populares em aplicações de baixa latência, como negociação de alta frequência e outros usos.

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