Τεχνολογία E-Band Millimeter Wave

Εισαγωγή στην τεχνολογία Millimeter Wave για E-Band και V-Band

Περίληψη MMW

Το Millimeter Wave (MMW) είναι μια τεχνολογία ασύρματων συνδέσεων υψηλής χωρητικότητας (10Gbps, 10 Gigabit ανά δευτερόλεπτο), ιδανική για αστικές περιοχές. Χρησιμοποιώντας φούρνο μικροκυμάτων υψηλής συχνότητας στο φάσμα E-Band (70-80GHz) και 58GHZ έως 60GHz (V-Band), οι σύνδεσμοι μπορούν να αναπτυχθούν πυκνά σε πόλεις με συμφόρηση χωρίς παρεμβολές και χωρίς ανάγκη για σκάψιμο καλωδίων και οπτικών ινών, δαπανηρό, αργό και πολύ ενοχλητικό. Αντίθετα, οι σύνδεσμοι MMW μπορούν να αναπτυχθούν σε ώρες και να μετακινηθούν και να επαναχρησιμοποιηθούν σε διαφορετικούς ιστότοπους καθώς εξελίσσονται οι απαιτήσεις δικτύου.

CableFree MMW Millimeter Wave Link εγκατεστημένο στα ΗΑΕ

Ιστορία MMW

Το 2003, η Ομοσπονδιακή Επιτροπή Επικοινωνιών της Βόρειας Αμερικής (FCC) άνοιξε αρκετές ζώνες χιλιοστομετρικών κυμάτων υψηλής συχνότητας (MMW), δηλαδή στις σειρές 70, 80 και 90 gigahertz (GHz), για εμπορική και δημόσια χρήση. Λόγω του τεράστιου όγκου του φάσματος (περίπου 13 GHz) που διατίθεται σε αυτές τις ζώνες, τα ραδιοφωνικά κύματα χιλιοστών έχουν γίνει γρήγορα η ταχύτερη ραδιοφωνική λύση point-to-point (pt-to-pt) στην αγορά. Σήμερα διατίθενται προϊόντα μετάδοσης ραδιοφώνου που προσφέρουν ρυθμούς πλήρους διπλής όψης έως 1.25 Gbps, σε επίπεδα διαθεσιμότητας κλάσης φορέα 99.999% και σε αποστάσεις κοντά σε ένα μίλι ή περισσότερες είναι σήμερα διαθέσιμα. Λόγω της οικονομικά αποδοτικής τιμολόγησης, τα ραδιόφωνα MMW έχουν τη δυνατότητα να μεταμορφώσουν επιχειρηματικά μοντέλα για παρόχους κινητής τηλεφωνίας και συνδεσιμότητα πρόσβασης μετρό / επιχείρηση "Last-Mile".

Ρυθμιστικό υπόβαθρο
Το άνοιγμα των 13 GHz προηγουμένως αχρησιμοποίητου φάσματος στα εύρη συχνοτήτων 71… 76 GHz, 81… 86 GHz και 92… 95 GHz, για εμπορική χρήση, και σταθερών ασύρματων υπηρεσιών υψηλής πυκνότητας στις Ηνωμένες Πολιτείες τον Οκτώβριο του 2003 θεωρείται ως απόφαση ορόσημο από την Ομοσπονδιακή Επιτροπή Επικοινωνιών (FCC). Από τεχνολογική άποψη, αυτή η απόφαση επέτρεψε για πρώτη φορά, ασύρματες επικοινωνίες ταχύτητας πλήρους γραμμής και πλήρους διπλής ταχύτητας gigabit σε απόσταση ενός μιλίου ή μεγαλύτερη σε επίπεδα διαθεσιμότητας κλάσης φορέα. Κατά το άνοιγμα του φάσματος για εμπορική χρήση, ο πρόεδρος της FCC Michael Powell ανακοίνωσε την απόφαση ως άνοιγμα ενός «νέου συνόρου» σε εμπορικές υπηρεσίες και προϊόντα για τον αμερικανικό λαό. Έκτοτε, έχουν ανοίξει νέες αγορές για αντικατάσταση ή επέκταση ινών, ασύρματα δίκτυα πρόσβασης "Last-Mile" από σημείο σε σημείο και ευρυζωνική πρόσβαση στο Διαδίκτυο με ρυθμούς δεδομένων gigabit και πέραν αυτής.

Η σημασία των κατανομών 70 GHz, 80 GHz και 90 GHz δεν μπορεί να υπερεκτιμηθεί. Αυτές οι τρεις κατανομές, που αναφέρονται συλλογικά ως E-band, αποτελούν τη μεγαλύτερη ποσότητα φάσματος που κυκλοφόρησε ποτέ η FCC για άδεια εμπορικής χρήσης. Μαζί, τα 13 GHz του φάσματος αυξάνουν την ποσότητα των εγκεκριμένων από την FCC ζωνών συχνοτήτων κατά 20% και αυτές οι ζώνες σε συνδυασμό αντιπροσωπεύουν 50 φορές το εύρος ζώνης ολόκληρου του κυτταρικού φάσματος. Με συνολικό εύρος ζώνης 5 GHz διαθέσιμο στα 70 GHz και 80 GHz, αντίστοιχα, και 3 GHz στα 90 GHz, το gigabit Ethernet και οι υψηλότεροι ρυθμοί δεδομένων μπορούν εύκολα να προσαρμοστούν με σχετικά απλές αρχιτεκτονικές ραδιοφώνου και χωρίς πολύπλοκα σχήματα διαμόρφωσης. Με τα χαρακτηριστικά διάδοσης να είναι ελαφρώς χειρότερα από εκείνα στις ευρέως χρησιμοποιούμενες ζώνες μικροκυμάτων, και καλά χαρακτηρισμένα χαρακτηριστικά καιρού που επιτρέπουν την κατανόηση της βροχής, μπορούν να πραγματοποιηθούν με βεβαιότητα αποστάσεις συνδέσμων αρκετών μιλίων.

Η απόφαση της FCC έθεσε επίσης τα θεμέλια για ένα νέο σύστημα αδειοδότησης με βάση το Διαδίκτυο. Αυτό το διαδικτυακό σύστημα αδειοδότησης επιτρέπει την ταχεία εγγραφή ενός ραδιοφωνικού συνδέσμου και παρέχει προστασία συχνότητας με χαμηλή εφάπαξ χρέωση μερικών εκατοντάδων δολαρίων. Πολλές άλλες χώρες σε όλο τον κόσμο ανοίγουν επί του παρόντος το φάσμα MMW για δημόσια και εμπορική χρήση, μετά την απόφαση ορόσημο της FCC. Μέσα σε αυτό το άρθρο θα προσπαθήσουμε να εξηγήσουμε τη σημασία των ζωνών 70 GHz, 80 GHz και 90 GHz και να δείξουμε πώς αυτές οι νέες κατανομές συχνοτήτων θα αναμορφώσουν ενδεχομένως τη μετάδοση υψηλού ρυθμού δεδομένων και τα σχετικά επιχειρηματικά μοντέλα.

Στόχευση Αγορών και Εφαρμογών για Συνδεσιμότητα Πρόσβασης Υψηλής Χωρητικότητας "Last-Mile"
Μόνο στις Ηνωμένες Πολιτείες, υπάρχουν περίπου 750,000 εμπορικά κτίρια με 20+ υπαλλήλους. Στα σημερινά επιχειρηματικά περιβάλλοντα με υψηλή σύνδεση στο Διαδίκτυο, η πλειονότητα αυτών των κτιρίων χρειάζεται υψηλή σύνδεση δεδομένων στο Διαδίκτυο. Παρόλο που είναι σίγουρα αλήθεια ότι πολλές επιχειρήσεις είναι ικανοποιημένες αυτήν τη στιγμή με χαμηλότερη ταχύτητα T1 / E1 στα 1.54 Mbps ή 2.048 Mbps, αντίστοιχα, ή με οποιαδήποτε άλλη μορφή σύνδεσης χαμηλότερης ταχύτητας DSL, ένας ταχύτατα αυξανόμενος αριθμός επιχειρήσεων απαιτούν ή απαιτούν DS- Συνδεσιμότητα 3 (45 Mbps) ή συνδέσεις ινών υψηλότερης ταχύτητας. Ωστόσο, και εδώ ξεκινούν τα προβλήματα, σύμφωνα με μια πολύ πρόσφατη μελέτη του Vertical Systems Group, μόνο το 13.4% των εμπορικών κτιρίων στις Ηνωμένες Πολιτείες είναι συνδεδεμένα με ένα δίκτυο ινών. Με άλλα λόγια, το 86.6% αυτών των κτιρίων δεν έχει σύνδεση με ίνες, και οι ενοικιαστές κτιρίων βασίζονται στη μίσθωση βραχυκυκλωμένων κυκλωμάτων χαλκού χαμηλότερης ταχύτητας από τον κατεστημένο ή εναλλακτικό πάροχο τηλεφωνίας (ILEC ή CLEC) Τέτοιο κόστος για ενσύρματη σύνδεση χαλκού υψηλότερης ταχύτητας, όπως σύνδεση DS-45 3 Mbps, μπορεί εύκολα να φτάσει τα 3,000 $ το μήνα ή περισσότερο.

Μια άλλη ενδιαφέρουσα μελέτη που διενήργησε η Cisco το 2003 αποκάλυψε ότι το 75% των εμπορικών κτιρίων των ΗΠΑ που δεν είναι συνδεδεμένα με ίνες βρίσκονται σε απόσταση ενός μιλίου από τη σύνδεση ινών. Ωστόσο, παρά την αυξανόμενη ζήτηση για μετάδοση υψηλής χωρητικότητας σε αυτά τα κτίρια, το κόστος που σχετίζεται με την τοποθέτηση ινών πολύ συχνά δεν επιτρέπει το «κλείσιμο της συμφόρησης μετάδοσης». Για παράδειγμα, το κόστος τοποθέτησης ινών σε μεγάλες μητροπολιτικές πόλεις των ΗΠΑ μπορεί να φτάσει τα 250,000 $ ανά μίλι και σε πολλές από τις μεγαλύτερες πόλεις των ΗΠΑ υπάρχει ακόμη και μορατόριουμ για την τοποθέτηση νέων ινών λόγω των σχετικών μαζικών διαταραχών της κυκλοφορίας. Οι αριθμοί συνδεσιμότητας ινών σε εμπορικά κτίρια σε πολλές ευρωπαϊκές πόλεις είναι πολύ χειρότερες και ορισμένες μελέτες δείχνουν ότι μόνο το 1% περίπου των εμπορικών κτιρίων συνδέεται με ίνες.

Πολλοί αναλυτές της βιομηχανίας συμφωνούν ότι υπάρχει μια μεγάλη και επί του παρόντος ανεπιτήδευτη αγορά για ασύρματη συνδεσιμότητα πρόσβασης "Last Mile" μικρής απόστασης, υπό την προϋπόθεση ότι η υποκείμενη τεχνολογία επιτρέπει επίπεδα διαθεσιμότητας κατηγορίας φορέα. Τα ραδιοφωνικά συστήματα MMW ταιριάζουν απόλυτα σε αυτές τις τεχνικές απαιτήσεις. Επιπλέον, η υψηλή χωρητικότητα και τα εμπορικά διαθέσιμα συστήματα MMW έχουν μειωθεί δραστικά στις τιμές τα τελευταία δύο χρόνια. Σε σύγκριση με την τοποθέτηση μόλις ενός μιλίου ινών σε μια μεγάλη μητροπολιτική πόλη των ΗΠΑ ή της Ευρώπης, η χρήση ενός ραδιοφώνου MMW με δυνατότητα gigabit Ethernet μπορεί να φτάσει το 10% του κόστους των ινών. Αυτή η δομή τιμολόγησης καθιστά τα οικονομικά της συνδεσιμότητας gigabit ελκυστικά, επειδή η απαιτούμενη διάταξη κεφαλαίου και η προκύπτουσα περίοδος απόδοσης επένδυσης (ROI) μειώνονται δραστικά. Κατά συνέπεια, πολλές εφαρμογές υψηλής ταχύτητας δεδομένων που δεν μπορούσαν να εξυπηρετηθούν οικονομικά στο παρελθόν λόγω του υψηλού κόστους υποδομής των ινών χάραξης μπορούν τώρα να εξυπηρετηθούν και είναι οικονομικά εφικτές όταν χρησιμοποιούν τεχνολογία ραδιοφώνου MMW. Μεταξύ αυτών των εφαρμογών είναι:
● Επεκτάσεις και αντικαταστάσεις ινών CLEC και ILEC
● Κλείσιμο μετρό Ethernet και κλείσιμο δακτυλίων ινών
● Επεκτάσεις ασύρματου LAN πανεπιστημίου
● Δημιουργία αντιγράφων ασφαλείας ινών και ποικιλία διαδρομών στα δίκτυα πανεπιστημιούπολης
● Αποκατάσταση καταστροφών
● Συνδεσιμότητα SAN υψηλής χωρητικότητας
● Απολύσεις, φορητότητα και ασφάλεια για την Εσωτερική Ασφάλεια και το Στρατιωτικό
● 3G κινητής τηλεφωνίας ή / και WIFI / WiMAX backhaul σε πυκνά αστικά δίκτυα
● Φορητές και προσωρινές συνδέσεις για μεταφορά βίντεο υψηλής ευκρίνειας ή HDTV

Γιατί να χρησιμοποιήσετε την τεχνολογία E-Band MMW;

Από τις τρεις ζώνες συχνοτήτων που άνοιξαν, οι ζώνες 70 GHz και 80 GHz έχουν προσελκύσει τους περισσότερους ενδιαφερόμενους από τους κατασκευαστές εξοπλισμού. Σχεδιασμένο να συνυπάρχει, οι εκχωρήσεις 71… 76 GHz και 81… 86 GHz επιτρέπουν 5 GHz πλήρους εύρους ζώνης μετάδοσης. αρκετό για να μεταδίδει εύκολα ένα σήμα διπλής όψης gigabit Ethernet (GbE) ακόμα και με τα πιο απλά σχήματα διαμόρφωσης. Ο προηγμένος σχεδιασμός Wireless Excellence κατάφερε ακόμη και να χρησιμοποιήσει τη χαμηλότερη ζώνη 5 GHz, από 71… 76 GHz μόνο, για τη μεταφορά ενός πλήρους διπλού σήματος GbE. Αργότερα, εμφανίζεται ένα σαφές πλεονέκτημα στη χρήση αυτής της προσέγγισης όσον αφορά την ανάπτυξη της τεχνολογίας MMW κοντά σε αστρονομικούς ιστότοπους και σε χώρες εκτός των ΗΠΑ με άμεση μετατροπή δεδομένων (OOK) και χαμηλού κόστους διπλέκτες, σχετικά απλούς και επομένως οικονομικά αποδοτικούς και μπορούν να επιτευχθούν υψηλές αξιόπιστες αρχιτεκτονικές ραδιοφώνου. Με πιο φασματικά αποδοτικούς κωδικούς διαμόρφωσης, μπορεί να επιτευχθεί ακόμα υψηλότερη μετάδοση πλήρους διπλής όψης στα 10 Gbps (10GigE) έως 40Gbps.

Η κατανομή των 92… 95 GHz είναι πολύ πιο δύσκολο να εργαστεί γιατί αυτό το μέρος του φάσματος χωρίζεται σε δύο άνισα τμήματα που χωρίζονται από μια στενή ζώνη αποκλεισμού 100 MHz μεταξύ 94.0… 94.1 GHz. Μπορεί να υποτεθεί ότι αυτό το μέρος του φάσματος πιθανότατα θα χρησιμοποιηθεί για υψηλότερη χωρητικότητα και εφαρμογές εσωτερικού χώρου μικρότερης εμβέλειας. Αυτή η κατανομή δεν θα συζητηθεί περαιτέρω σε αυτήν τη Λευκή Βίβλο.

Υπό καθαρές καιρικές συνθήκες, οι αποστάσεις μετάδοσης στα 70 GHz και 80 GHz υπερβαίνουν πολλά μίλια λόγω των χαμηλών ατμοσφαιρικών τιμών εξασθένησης. Ωστόσο, το Σχήμα 1 δείχνει ότι ακόμη και υπό αυτές τις συνθήκες η ατμοσφαιρική εξασθένηση ποικίλλει σημαντικά με τη συχνότητα [1]. Σε συμβατικές, χαμηλότερες συχνότητες μικροκυμάτων και έως περίπου 38 GHz, η ατμοσφαιρική εξασθένηση είναι αρκετά χαμηλή με τιμές εξασθένησης μερικών δέκατων ενός ντεσιμπέλ ανά χιλιόμετρο (dB / km). Σε περίπου 60 GHz απορρόφηση από μόρια οξυγόνου προκαλεί μεγάλη αύξηση της εξασθένησης. Αυτή η μεγάλη αύξηση της απορρόφησης οξυγόνου περιορίζει σοβαρά τις αποστάσεις ραδιοφωνικής μετάδοσης 60 GHz ραδιοφωνικών προϊόντων. Ωστόσο, πέρα ​​από την κορυφή απορρόφησης οξυγόνου των 60 GHz, ανοίγει ένα ευρύτερο παράθυρο χαμηλής εξασθένησης όπου η εξασθένιση πέφτει πίσω σε τιμές περίπου 0.5 dB / km. Αυτό το παράθυρο χαμηλής εξασθένησης αναφέρεται συνήθως ως E-band. Οι τιμές εξασθένησης της ζώνης Ε είναι κοντά στην εξασθένηση που βιώνουν τα κοινά ραδιόφωνα μικροκυμάτων. Πάνω από 100 GHz, η ατμοσφαιρική εξασθένηση γενικά αυξάνεται και επιπλέον υπάρχουν πολλές ζώνες μοριακής απορρόφησης που προκαλούνται από την απορρόφηση O2 και H2O σε υψηλότερες συχνότητες. Συνοπτικά, είναι το σχετικά χαμηλό ατμοσφαιρικό παράθυρο εξασθένησης μεταξύ 70 GHz και 100 GHz που κάνει τις συχνότητες E-band ελκυστικές για ασύρματη μετάδοση υψηλής χωρητικότητας. Το Σχήμα 1 δείχνει επίσης πώς η βροχή και η ομίχλη επηρεάζουν την εξασθένηση σε μικροκύματα, κύματα χιλιοστομέτρων και υπέρυθρες που ξεκινούν περίπου 200 terahertz (THz) και που χρησιμοποιούνται σε συστήματα μετάδοσης FSO. Σε διάφορα και συγκεκριμένα ποσοστά βροχόπτωσης οι τιμές εξασθένησης αλλάζουν ελαφρώς, με αυξανόμενες συχνότητες μετάδοσης. Η σχέση μεταξύ των ποσοστών βροχόπτωσης και των αποστάσεων μετάδοσης θα εξεταστεί περαιτέρω στην επόμενη ενότητα. Η εξασθένηση που σχετίζεται με την ομίχλη μπορεί βασικά να παραμεληθεί στις συχνότητες των χιλιοστομετρικών κυμάτων, αυξάνοντας κατά αρκετές τάξεις μεγέθους μεταξύ του κύματος χιλιοστομέτρου και της ζώνης οπτικής μετάδοσης: Ο κύριος λόγος για τον οποίο τα συστήματα FSO μεγαλύτερης απόστασης σταματούν να λειτουργούν υπό ομιχλώδεις συνθήκες.

Αποστάσεις μετάδοσης για E-Band
Όπως συμβαίνει με όλη τη ραδιοδιάδοση υψηλής συχνότητας, η εξασθένηση της βροχής καθορίζει συνήθως τα πρακτικά όρια στις αποστάσεις μετάδοσης. Το σχήμα 2 δείχνει ότι τα ραδιοσυστήματα που λειτουργούν στο εύρος συχνοτήτων της ζώνης Ε μπορούν να παρουσιάσουν μεγάλη εξασθένηση δεδομένης της παρουσίας βροχής [2]. Ευτυχώς, η πιο έντονη βροχή τείνει να πέφτει σε περιορισμένα μέρη του κόσμου. κυρίως τις υποτροπικές και ισημερινές χώρες. Στις ώρες αιχμής μπορεί να παρατηρηθούν ταχύτητες βροχόπτωσης άνω των επτά ίντσες / ώρα (180 mm / ώρα) για μικρές χρονικές περιόδους. Στις Ηνωμένες Πολιτείες και την Ευρώπη, οι μέγιστες βροχοπτώσεις που παρατηρούνται είναι συνήθως μικρότερες από τέσσερις ίντσες / ώρα (100 mm / hr). Ένας τέτοιος ρυθμός βροχόπτωσης προκαλεί εξασθένηση σήματος 30 dB / km, και γενικά συμβαίνει μόνο κατά τη διάρκεια μικρών εκρήξεων νέφους. Αυτές οι εκρήξεις νέφους είναι συμβάντα βροχής που εμφανίζονται σε σχετικά μικρές και εντοπισμένες περιοχές και σε χαμηλότερη ένταση, νέφος βροχής μεγαλύτερης διαμέτρου. Δεδομένου ότι οι εκρήξεις σύννεφων συσχετίζονται επίσης συνήθως με σοβαρά καιρικά φαινόμενα που κινούνται γρήγορα μέσω του συνδέσμου, οι διακοπές βροχής τείνουν να είναι σύντομες και είναι προβληματικές μόνο σε συνδέσεις μετάδοσης σε μεγάλες αποστάσεις.

Ε-ζώνη V-band χιλιοστόμετρου και εξασθένησης βροχής

ITU Rain Zones Global Millimeter Wave E-Band V-Band

Η Διεθνής Ένωση Τηλεπικοινωνιών (ITU) και άλλοι ερευνητικοί οργανισμοί έχουν συλλέξει δεκαετίες δεδομένων βροχόπτωσης από όλο τον κόσμο. Γενικά, τα χαρακτηριστικά της βροχόπτωσης και οι σχέσεις μεταξύ του ρυθμού βροχόπτωσης, της στατιστικής διάρκειας βροχής, των μεγεθών της βροχής κ.λπ. είναι καλά κατανοητά [3] και με τη χρήση αυτών των πληροφοριών είναι δυνατό να κατασκευαστεί ραδιοσύνδεση για να ξεπεραστούν ακόμη και τα χειρότερα καιρικά φαινόμενα ή να προβλεφθούν τη διάρκεια των διακοπών που σχετίζονται με τον καιρό σε ραδιο συνδέσεις μεγάλων αποστάσεων που λειτουργούν σε συγκεκριμένες συχνότητες. Το σχήμα ταξινόμησης ζώνης βροχής ITU δείχνει τα αναμενόμενα στατιστικά ποσοστά βροχόπτωσης με αλφαβητική σειρά. Ενώ οι περιοχές με τις λιγότερες βροχοπτώσεις ταξινομούνται ως "Περιοχή Α", τα υψηλότερα ποσοστά βροχοπτώσεων είναι στην "Περιοχή Ε." Ένας παγκόσμιος χάρτης ζώνης βροχής ITU και μια λίστα των ποσοστών βροχόπτωσης σε συγκεκριμένες περιοχές του κόσμου παρουσιάζεται στο Σχήμα 3 παρακάτω.

 MMW Rain Fade Map για V-band ΗΠΑ E-band

Σχήμα 3: Ταξινόμηση ζώνης βροχής ITU διαφορετικών περιοχών σε όλο τον κόσμο (κορυφή) και πραγματικοί στατιστικοί ρυθμοί βροχοπτώσεων σε συνάρτηση με τη διάρκεια του συμβάντος βροχής

Το σχήμα 4 δείχνει έναν πιο λεπτομερή χάρτη για τη Βόρεια Αμερική και την Αυστραλία. Αξίζει να σημειωθεί ότι περίπου το 80% του εδάφους των ηπειρωτικών ΗΠΑ πέφτει στη ζώνη βροχής Κ και κάτω. Με άλλα λόγια, για να λειτουργεί σε επίπεδο διαθεσιμότητας 99.99%, το περιθώριο εξασθένισης ενός ραδιοφωνικού συστήματος πρέπει να είναι σχεδιασμένο ώστε να αντέχει σε μέγιστο ρυθμό βροχόπτωσης 42 mm / ώρα. Τα υψηλότερα ποσοστά βροχόπτωσης στη Βόρεια Αμερική παρατηρούνται στη Φλόριντα και κατά μήκος της ακτής του Κόλπου και αυτές οι περιοχές κατατάσσονται στη ζώνη βροχής Β. Σε γενικές γραμμές, η Αυστραλία αντιμετωπίζει λιγότερη βροχή από τη Βόρεια Αμερική. Τεράστια μέρη αυτής της χώρας, συμπεριλαμβανομένης της πιο πυκνοκατοικημένης νότιας ακτής βρίσκονται στις ζώνες βροχής E και F (<28 mm / h).

Για απλοποίηση, συνδυάζοντας τα αποτελέσματα του Σχήματος 2 (ρυθμός βροχόπτωσης έναντι εξασθένησης) και χρησιμοποιώντας τα διαγράμματα βροχής ITU που φαίνονται στα Σχήματα 3 και 4, μπορείτε να υπολογίσετε τη διαθεσιμότητα ενός συγκεκριμένου ραδιο συστήματος που λειτουργεί σε ένα συγκεκριμένο μέρος του κόσμου . Οι θεωρητικοί υπολογισμοί που βασίζονται σε δεδομένα βροχόπτωσης για τις Ηνωμένες Πολιτείες, την Ευρώπη και την Αυστραλία δείχνουν ότι ο εξοπλισμός ραδιοφωνικής μετάδοσης 70/80 GHz μπορεί να επιτύχει συνδεσιμότητα GbE σε επίπεδο στατιστικής διαθεσιμότητας 99.99… 99.999% σε αποστάσεις κοντά σε ένα μίλι ή ακόμα και πέρα. Για χαμηλότερη διαθεσιμότητα 99.9%, μπορούν να επιτευχθούν αποστάσεις που ξεπερνούν τα 2 μίλια. Κατά τη διαμόρφωση του δικτύου σε τοπολογία δακτυλίου ή πλέγματος, οι αποτελεσματικές αποστάσεις διπλασιάζονται σε ορισμένες περιπτώσεις για τον ίδιο αριθμό διαθεσιμότητας λόγω της πυκνής, ομαδοποιημένης φύσης των κυψελών βαριάς βροχής και του πλεονασμού διαδρομής που παρέχουν οι τοπολογίες δακτυλίου / πλέγματος.

MMW Rain Fade Map Αυστραλία E-Band V_Band

Σχήμα 4: Ταξινόμηση ζώνης βροχής ITU για τη Βόρεια Αμερική και την Αυστραλία

Ένα ισχυρό πλεονέκτημα της τεχνολογίας MMW σε σχέση με άλλες ασύρματες λύσεις υψηλής χωρητικότητας όπως το ελεύθερο χώρο οπτικής (FSO) είναι ότι οι συχνότητες MMW δεν επηρεάζονται από άλλες βλάβες μετάδοσης, όπως ομίχλη ή καταιγίδες. Η πυκνή ομίχλη, για παράδειγμα, με περιεκτικότητα σε υγρό νερό 0.1 g / m3 (ορατότητα περίπου 50 m) έχει εξασθένηση μόλις 0.4 dB / km στα 70/80 GHz [4]. Υπό αυτές τις συνθήκες, ένα σύστημα FSO θα αντιμετωπίσει εξασθένηση σήματος άνω των 250 dB / km [5]. Αυτές οι ακραίες τιμές εξασθένησης δείχνουν γιατί η τεχνολογία FSO μπορεί να παρέχει μόνο υψηλές τιμές διαθεσιμότητας σε μικρότερες αποστάσεις. Τα συστήματα ραδιοφώνου E-band δεν επηρεάζονται ομοίως από τη σκόνη, την άμμο, το χιόνι και άλλες διαταραχές της διαδρομής μετάδοσης.

Εναλλακτικές ασύρματες τεχνολογίες υψηλής ταχύτητας δεδομένων
Ως εναλλακτικές λύσεις για την ασύρματη τεχνολογία E-band, υπάρχει ένας περιορισμένος αριθμός βιώσιμων τεχνολογιών ικανών να υποστηρίζουν συνδεσιμότητα υψηλού ρυθμού δεδομένων. Αυτή η ενότητα της Λευκής Βίβλου παρέχει μια σύντομη επισκόπηση.

Καλώδιο οπτικών ινών

Το καλώδιο οπτικών ινών προσφέρει το ευρύτερο εύρος ζώνης οποιασδήποτε πρακτικής τεχνολογίας μετάδοσης, επιτρέποντας τη μετάδοση πολύ υψηλών ποσοστών δεδομένων σε μεγάλες αποστάσεις. Παρόλο που χιλιάδες μίλια ινών είναι διαθέσιμα σε όλο τον κόσμο και ιδίως σε δίκτυα μεγάλων αποστάσεων και εντός της πόλης, η πρόσβαση στο "Last-Mile" παραμένει περιορισμένη. Λόγω του σημαντικού και συχνά απαγορευτικού υψηλού κόστους εκ των προτέρων που σχετίζεται με το σκάψιμο χαρακώματος και την τοποθέτηση επίγειων ινών, καθώς και με θέματα σωστού τρόπου, η πρόσβαση σε ίνες μπορεί να είναι δύσκολη και αδύνατη. Οι μεγάλες καθυστερήσεις είναι επίσης συχνές, όχι μόνο λόγω της φυσικής διαδικασίας απόσβεσης ινών, αλλά και λόγω εμποδίων που προκαλούνται από περιβαλλοντικές επιπτώσεις και πιθανά γραφειοκρατικά εμπόδια που εμπλέκονται σε ένα τέτοιο έργο. Για αυτόν τον λόγο, πολλές πόλεις σε όλο τον κόσμο απαγορεύουν την παράκαμψη ινών λόγω διαταραχής της κυκλοφορίας εντός της πόλης και της γενικής ταλαιπωρίας που προκαλεί η διαδικασία χάραξης στο κοινό.

Λύσεις ραδιοφώνου μικροκυμάτων

Τα σταθερά ραδιόφωνα μικροκυμάτων από σημείο σε σημείο μπορούν να υποστηρίξουν υψηλότερους ρυθμούς δεδομένων, όπως Full Ethernet 100 Mbps full-duplex ή έως 500 Mbps ανά φορέα σε εύρη συχνοτήτων μεταξύ 4-42 GHz. Ωστόσο, στις πιο παραδοσιακές ζώνες μικροκυμάτων το φάσμα είναι περιορισμένο, συχνά τα συμφόρια και τα τυπικά αδειοδοτημένα κανάλια φάσματος είναι πολύ στενά σε σύγκριση με το φάσμα E-Band.

Μικροκύματα και χιλιοστόμετρο MMW Spectrum V-band και E-band

Σχήμα 5: Σύγκριση μεταξύ ραδιοφώνων μικροκυμάτων υψηλής ταχύτητας δεδομένων και ραδιοφωνικής λύσης 70/80 GHz.

Γενικά, τα διαθέσιμα κανάλια συχνοτήτων για την αδειοδότηση συχνά δεν υπερβαίνουν τα 56 megahertz (MHz), αλλά συνήθως 30 MHz ή χαμηλότερα. Σε ορισμένες ζώνες, μπορεί να είναι διαθέσιμα ευρεία κανάλια 112MHz ικανά να υποστηρίζουν 880Mbps ανά φορέα, αλλά μόνο σε ζώνες υψηλότερης συχνότητας κατάλληλες για μικρές αποστάσεις. Κατά συνέπεια, τα ραδιόφωνα που λειτουργούν σε αυτές τις ζώνες με υψηλότερους ρυθμούς δεδομένων πρέπει να χρησιμοποιούν πολύ περίπλοκες αρχιτεκτονικές συστήματος που χρησιμοποιούν σχήματα διαμόρφωσης έως και 1024 Quadrature Amplitude Modulation (QAM). Τέτοια πολύ περίπλοκα συστήματα έχουν ως αποτέλεσμα περιορισμένες αποστάσεις και η απόδοση εξακολουθεί να περιορίζεται στους ρυθμούς δεδομένων στα 880Mbps στα μεγαλύτερα κανάλια. Λόγω της περιορισμένης ποσότητας του διαθέσιμου φάσματος σε αυτές τις ζώνες, τα ευρύτερα μοτίβα πλάτους δέσμης κεραιών και η ευαισθησία της υψηλής διαμόρφωσης QAM έναντι οποιουδήποτε είδους παρεμβολών, η πυκνότερη ανάπτυξη παραδοσιακών μικροκυμάτων σε αστικές ή μητροπολιτικές περιοχές είναι εξαιρετικά προβληματική. Μια οπτική σύγκριση φάσματος μεταξύ των παραδοσιακών ζωνών μικροκυμάτων και της προσέγγισης 70/80 GHz φαίνεται στο Σχήμα 5.

Λύσεις ραδιοφώνου 60 GHz (V-Band)
Οι κατανομές συχνότητας εντός του φάσματος 60 GHz, και ιδίως οι κατανομές μεταξύ 57… 66 GHz, ποικίλλουν σημαντικά σε διαφορετικές περιοχές του κόσμου. Η Βόρεια Αμερική FCC κυκλοφόρησε ένα ευρύτερο φάσμα φάσματος συχνοτήτων μεταξύ 57… 64 GHz που παρέχει επαρκές εύρος ζώνης για πλήρη λειτουργία διπλής όψης GbE. Άλλες χώρες δεν έχουν ακολουθήσει αυτή τη συγκεκριμένη απόφαση και αυτές οι χώρες έχουν πρόσβαση μόνο σε πολύ μικρότερες και συχνά διοχετεύσεις συχνότητας εντός της ζώνης φάσματος των 60 GHz. Ο περιορισμένος όγκος διαθέσιμου φάσματος εκτός των ΗΠΑ δεν επιτρέπει την οικοδόμηση αποδοτικών ραδιοφωνικών λύσεων 60 GHz με υψηλούς ρυθμούς δεδομένων σε ευρωπαϊκές χώρες, όπως η Γερμανία, η Γαλλία και η Αγγλία. Ωστόσο, ακόμη και στις ΗΠΑ, ο ρυθμιζόμενος περιορισμός της ισχύος μετάδοσης, σε συνδυασμό με τα σχετικά φτωχά χαρακτηριστικά διάδοσης λόγω της υψηλής ατμοσφαιρικής απορρόφησης από μόρια οξυγόνου (βλέπε σχήμα 1), περιορίζει τις τυπικές αποστάσεις ζεύξης σε λιγότερο από μισό μίλι. Για να επιτύχετε απόδοση κατηγορίας φορέα 99.99… 99.999% διαθεσιμότητα συστήματος, για μεγάλα τμήματα της ηπειρωτικής επικράτειας των Η.Π.Α., η απόσταση γενικά περιορίζεται σε λίγο περισσότερο από 500 μέτρα (500 μέτρα). Η FCC έχει κατηγοριοποιήσει το φάσμα 60 GHz ως φάσμα χωρίς άδεια. Σε αντίθεση με τις κατανομές υψηλότερης συχνότητας 70/80 GHz, η λειτουργία ραδιοσυστημάτων 60 GHz δεν απαιτεί νομική έγκριση ή συντονισμό. Από τη μία πλευρά, η χρήση της τεχνολογίας χωρίς άδεια είναι πολύ δημοφιλής στους τελικούς χρήστες, αλλά ταυτόχρονα δεν υπάρχει προστασία από παρεμβολές, τυχαία ή εκ προθέσεως. Συνοπτικά, ειδικά στις ΗΠΑ, η χρήση του φάσματος 60 GHz μπορεί να είναι μια δυνητικά βιώσιμη εναλλακτική λύση για την ανάπτυξη μικρών αποστάσεων, αλλά η τεχνολογία δεν είναι πραγματική εναλλακτική λύση για αποστάσεις σύνδεσης πέραν των 500 μέτρων και όταν απαιτείται διαθεσιμότητα συστήματος 99.99… 99.999%.

Οπτικά ελεύθερου χώρου (FSO, Optical Wireless)
Η τεχνολογία οπτικού χώρου (FSO) χρησιμοποιεί τεχνολογία υπερύθρων λέιζερ για τη μετάδοση πληροφοριών μεταξύ απομακρυσμένων τοποθεσιών. Η τεχνολογία επιτρέπει τη μετάδοση πολύ υψηλών ρυθμών δεδομένων 1, 5 Gbps και άνω. Η τεχνολογία FSO είναι γενικά μια πολύ ασφαλής τεχνολογία μετάδοσης, δεν είναι πολύ επιρρεπής σε παρεμβολές λόγω των εξαιρετικά στενών χαρακτηριστικών της δέσμης μετάδοσης και είναι επίσης παγκοσμίως χωρίς άδεια.

Δυστυχώς, η μετάδοση σημάτων στις υπέρυθρες οπτικές ζώνες επηρεάζεται δραστικά από την ομίχλη, όπου η ατμοσφαιρική απορρόφηση μπορεί να ξεπεράσει τα 130 dB / km [5]. Γενικά, κάθε είδους καιρικές συνθήκες που επηρεάζουν την ορατότητα μεταξύ δύο τοποθεσιών (π.χ. άμμος, σκόνη), θα επηρεάσουν επίσης την απόδοση του συστήματος FSO. Τα συμβάντα ομίχλης και οι καταιγίδες σκόνης / άμμου μπορεί επίσης να είναι πολύ εντοπισμένα και δύσκολο να προβλεφθούν, και κατά συνέπεια, η πρόβλεψη της διαθεσιμότητας του συστήματος FSO είναι πιο δύσκολη. Σε αντίθεση με τα ακραία γεγονότα βροχής, που έχουν πολύ μικρή διάρκεια, η ομίχλη και η σκόνη / οι αμμοθύελλες μπορούν επίσης να διαρκέσουν πολύ καιρό (ώρες ή ακόμα και ημέρες αντί για λεπτά) Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε εξαιρετικά μεγάλες διακοπές λειτουργίας για συστήματα FSO που λειτουργούν υπό τέτοιες συνθήκες.

Από πρακτική άποψη, και όταν εξετάζουμε αριθμούς διαθεσιμότητας 99.99… 99.999%, όλα τα παραπάνω μπορούν να περιορίσουν την τεχνολογία FSO σε αποστάσεις μόλις μερικές εκατοντάδες μέτρα (300 μέτρα). ειδικά σε παραθαλάσσιες ή επιρρεπείς σε ομίχλη περιοχές, καθώς και σε περιοχές που αντιμετωπίζουν καταιγίδες με άμμο / σκόνη. Για να διατηρηθεί η συνδεσιμότητα 100% κατά την ανάπτυξη συστημάτων FSO σε τέτοιου είδους περιβάλλοντα, συνιστάται μια εναλλακτική τεχνολογία διαδρομής.

Η πλειονότητα των ειδικών της βιομηχανίας συμφωνούν ότι η τεχνολογία FSO μπορεί να προσφέρει μια ενδιαφέρουσα και δυνητικά φθηνή εναλλακτική λύση για ασύρματη σύνδεση απομακρυσμένων τοποθεσιών σε μικρότερες αποστάσεις. Ωστόσο, η φυσική της εξασθένησης σήματος στο υπέρυθρο φάσμα θα περιορίζει πάντα αυτήν την τεχνολογία σε πολύ μικρές αποστάσεις.

Μια σύντομη σύγκριση των συζητούμενων και εμπορικά διαθέσιμων τεχνολογιών μετάδοσης υψηλού ρυθμού δεδομένων και των βασικών προγραμμάτων οδήγησης απόδοσης παρουσιάζεται στον Πίνακα 1.

MMW Σε σύγκριση με άλλες ασύρματες τεχνολογίες

Πίνακας 1: Διάγραμμα σύγκρισης τεχνολογιών ασύρματης μετάδοσης και ασύρματης μετάδοσης υψηλού ρυθμού δεδομένων που διατίθενται στο εμπόριο

Διαθέσιμες στο εμπόριο λύσεις χιλιοστομέτρου
Το χαρτοφυλάκιο προϊόντων CableFree Millimeter-wave περιλαμβάνει ραδιοφωνικές λύσεις point-to-point που λειτουργούν από ταχύτητες 100 Mbps έως 10 Gbps (10 Gigabit Ethernet) στο φάσμα E-band 70 GHz και έως 1Gbps στο φάσμα 60 GHz χωρίς άδεια. Τα συστήματα είναι διαθέσιμα με διαφορετικά μεγέθη κεραίας για να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις διαθεσιμότητας του πελάτη σε συγκεκριμένες αποστάσεις ανάπτυξης στα πιο ανταγωνιστικά σημεία τιμών οποιουδήποτε κατασκευαστή ραδιοφώνου E-band στον κλάδο. Οι ασύρματες λύσεις ασύρματης ζώνης E-band λειτουργούν στη ζώνη συχνοτήτων χαμηλότερης από 5 GHz του αποκλειστικού φάσματος 70/80 GHz E-band, παρά ταυτόχρονη μετάδοση τόσο στις ζώνες 70 GHz όσο και στις 80 GHz. Ως αποτέλεσμα, τα προϊόντα Wireless Excellence δεν είναι επιρρεπή σε πιθανούς περιορισμούς ανάπτυξης κοντά σε αστρονομικούς ιστότοπους ή στρατιωτικές εγκαταστάσεις στην Ευρώπη, όπου ο στρατός χρησιμοποιεί τμήματα της ζώνης των 80 GHz για στρατιωτικές επικοινωνίες. Τα συστήματα είναι εύκολο να αναπτυχθούν και λόγω της τροφοδοσίας χαμηλής τάσης συνεχούς ρεύματος 48 βολτ (Vdc), δεν απαιτείται πιστοποιημένος ηλεκτρολόγος για την εγκατάσταση του συστήματος. Οι φωτογραφίες των προϊόντων Wireless Excellence φαίνονται στο Σχήμα 6 παρακάτω.

CableFree MMW Link που αναπτύσσεται στα ΗΑΕ

Σχήμα 6: Τα ραδιόφωνα MMW CableFree είναι συμπαγή και εξαιρετικά ενσωματωμένα. Εμφανίζεται η έκδοση κεραίας 60cm

ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ
Για την επίλυση των σημερινών απαιτήσεων διασύνδεσης δικτύου υψηλής χωρητικότητας, διατίθενται εξαιρετικά αξιόπιστες ασύρματες λύσεις που παρέχουν απόδοση τύπου ινών σε ένα κλάσμα του κόστους τοποθέτησης ινών ή μίσθωσης συνδέσεων ινών υψηλής χωρητικότητας. Αυτό είναι σημαντικό όχι μόνο από την άποψη της απόδοσης / κόστους, αλλά και επειδή οι συνδέσεις ινών στα δίκτυα πρόσβασης "Last-Mile" εξακολουθούν να μην είναι πολύ διαδεδομένες και οι τελευταίες μελέτες αποκαλύπτουν ότι στις Ηνωμένες Πολιτείες μόνο το 13.4% των εμπορικών κτιρίων με περισσότερα από 20 εργαζόμενοι συνδέονται με το fiber. Αυτοί οι αριθμοί είναι ακόμη χαμηλότεροι σε πολλές άλλες χώρες.

Υπάρχουν αρκετές τεχνολογίες στην αγορά που μπορούν να παρέχουν συνδεσιμότητα gigabit για τη σύνδεση απομακρυσμένων τοποθεσιών δικτύωσης. Οι εγκεκριμένες λύσεις E-band στο εύρος συχνοτήτων 70/80 GHz παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον, διότι μπορούν να παρέχουν τις υψηλότερες τιμές διαθεσιμότητας κατηγορίας φορέα σε αποστάσεις λειτουργίας ενός μιλίου (1.6 km) και πέραν αυτής. Στις Ηνωμένες Πολιτείες, η απόφαση FCC ορόσημο του 2003 άνοιξε αυτό το φάσμα για εμπορική χρήση και ένα σύστημα αδειών χαμηλού κόστους με βάση το Διαδίκτυο επιτρέπει στους χρήστες να λάβουν άδεια λειτουργίας εντός μερικών ωρών. Άλλες χώρες είτε έχουν ήδη ή / και βρίσκονται στη διαδικασία ανοίγματος του φάσματος E-band για εμπορική χρήση. Ραδιόφωνα 60 GHz χωρίς άδεια και οπτικά συστήματα ελεύθερου χώρου (FSO) μπορούν επίσης να παρέχουν συνδεσιμότητα gigabit Ethernet, αλλά σε υψηλότερα επίπεδα διαθεσιμότητας κατηγορίας φορέα 99.99… 99.999%, και οι δύο αυτές λύσεις μπορούν να λειτουργούν μόνο σε μειωμένες αποστάσεις. Ως απλός κανόνας και για τα περισσότερα μέρη των Ηνωμένων Πολιτειών, οι λύσεις 60 GHz μπορούν να παρέχουν αυτά τα υψηλά επίπεδα διαθεσιμότητας μόνο όταν αναπτύσσονται σε αποστάσεις κάτω από 500 μέτρα (500 μέτρα).

αναφορές
● ITU-R P.676-6, «Εξασθένηση από ατμοσφαιρικά αέρια», 2005.
● ITU-R P.838-3, «Ειδικό μοντέλο εξασθένησης για βροχή για χρήση σε μεθόδους πρόβλεψης», 2005.
● ITU-R P.837-4, «Χαρακτηριστικά της καθίζησης για μοντελοποίηση πολλαπλασιασμού», 2003.
● ITU-R P.840-3, «Εξασθένηση λόγω σύννεφων και ομίχλης», 1999.

Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με το E-Band Millimeter Wave

Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με το E-Band MMW, παρακαλώ Επικοινωνία

Αφήστε μήνυμα 

Λίστα μηνυμάτων