تقنية الموجة المليمترية للنطاق الإلكتروني

مقدمة في تقنية الموجات المليمترية للنطاق الإلكتروني والنطاق الخامس

ملخص MMW

الموجة المليمترية (MMW) هي تقنية للروابط اللاسلكية عالية السعة (10 جيجابت في الثانية ، 10 جيجابت في الثانية) ، وهي مثالية للمناطق الحضرية. باستخدام ميكروويف عالي التردد في النطاق E (70-80 جيجا هرتز) و 58 جيجا هرتز إلى 60 جيجا هرتز (V-Band) ، يمكن نشر الروابط بكثافة في المدن المزدحمة دون تدخل ، ودون الحاجة إلى حفر الكابلات والألياف الضوئية ، والتي يمكن أن تكون مكلفة وبطيئة ومدمرة للغاية. على النقيض من ذلك ، يمكن نشر روابط MMW في ساعات ، ونقلها وإعادة استخدامها في مواقع مختلفة مع تطور متطلبات الشبكة.

تم تثبيت CableFree MMW Millimeter Wave Link في الإمارات العربية المتحدة

تاريخ MMW

في عام 2003 ، فتحت لجنة الاتصالات الفيدرالية لأمريكا الشمالية (FCC) العديد من نطاقات الموجات المليمترية عالية التردد (MMW) ، أي في نطاقات 70 و 80 و 90 جيجاهيرتز (GHz) ، للاستخدام التجاري والعامة. نظرًا للكم الهائل من الطيف (حوالي 13 جيجاهرتز) المتاح في هذه النطاقات ، أصبحت أجهزة الراديو ذات الموجات المليمترية بسرعة الحل اللاسلكي الأسرع من نقطة إلى نقطة (نقطة إلى نقطة) في السوق. منتجات الإرسال اللاسلكي التي تقدم معدلات بيانات ثنائية الاتجاه تصل إلى 1.25 جيجابت في الثانية ، ومستويات توافر فئة الناقل 99.999٪ ، وعبر مسافات قريبة من ميل واحد أو أكثر متوفرة اليوم. نظرًا للتسعير الفعال من حيث التكلفة ، تتمتع أجهزة راديو MMW بإمكانية تحويل نماذج الأعمال لمزودي خدمة التوصيل المتنقل واتصال الوصول إلى "الميل الأخير" في المترو / المؤسسات.

الخلفية التنظيمية
يعتبر افتتاح 13 جيجاهرتز من الطيف غير المستخدم سابقًا في نطاقات التردد 71 ... 76 جيجاهرتز و 81 ... 86 جيجاهرتز و 92 ... 95 جيجاهرتز ، للاستخدام التجاري ، والخدمات اللاسلكية الثابتة عالية الكثافة في الولايات المتحدة في أكتوبر 2003 بمثابة حكم تاريخي صادر عن لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC). من وجهة نظر تكنولوجية ، سمح هذا الحكم لأول مرة ، باتصالات لاسلكية كاملة السرعة وسرعات جيجابت مزدوجة عبر مسافات ميل واحد أو أكثر عند مستويات توافر فئة الناقل. في وقت فتح الطيف للاستخدام التجاري ، أعلن رئيس لجنة الاتصالات الفيدرالية مايكل باول عن الحكم بأنه فتح "حدود جديدة" في الخدمات والمنتجات التجارية للشعب الأمريكي. منذ ذلك الحين ، تم فتح أسواق جديدة لاستبدال الألياف أو تمديدها ، وشبكات الوصول اللاسلكية من نقطة إلى نقطة "Last-Mile" ، والوصول إلى الإنترنت عريض النطاق بمعدلات بيانات جيجابت وما بعدها.

لا يمكن المبالغة في أهمية تخصيصات 70 جيجاهرتز و 80 جيجاهرتز و 90 جيجاهرتز. هذه التوزيعات الثلاثة ، التي يشار إليها مجتمعة باسم النطاق E ، تشتمل على أكبر كمية من الطيف تم إصدارها من قبل لجنة الاتصالات الفيدرالية للاستخدام التجاري المرخص. يعمل الطيف البالغ 13 جيجاهرتز معًا على زيادة كمية نطاقات التردد المعتمدة من لجنة الاتصالات الفيدرالية بنسبة 20٪ وتمثل هذه النطاقات مجتمعة 50 ضعف عرض النطاق الترددي للطيف الخلوي بأكمله. مع ما مجموعه 5 جيجاهرتز من النطاق الترددي المتاح عند 70 جيجاهرتز و 80 جيجاهرتز ، على التوالي ، و 3 جيجاهرتز عند 90 جيجاهرتز ، يمكن بسهولة استيعاب جيجابت إيثرنت ومعدلات بيانات أعلى مع بنى راديوية بسيطة نسبيًا وبدون مخططات تعديل معقدة. مع كون خصائص الانتشار أسوأ قليلاً من تلك الموجودة في نطاقات الميكروويف المستخدمة على نطاق واسع ، وخصائص الطقس الجيدة التي تسمح بفهم الخبو الناجم عن المطر ، يمكن بثقة إدراك مسافات الوصلة لعدة أميال.

كما أرسى حكم لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) الأساس لنظام ترخيص جديد قائم على الإنترنت. يسمح مخطط الترخيص عبر الإنترنت هذا بالتسجيل السريع لارتباط لاسلكي ويوفر حماية من التردد بتكلفة منخفضة لمرة واحدة تبلغ بضع مئات من الدولارات. تفتح العديد من البلدان الأخرى حول العالم حاليًا نطاق MMW للاستخدام العام والتجاري ، وفقًا للحكم التاريخي للجنة الاتصالات الفيدرالية. سنحاول في هذا البحث شرح أهمية نطاقات 70 جيجاهرتز و 80 جيجاهرتز و 90 جيجاهرتز ، ونوضح كيف أن تخصيصات التردد الجديدة هذه ستعيد تشكيل نقل البيانات عالي السرعة ونماذج الأعمال المرتبطة بها.

الأسواق المستهدفة والتطبيقات الخاصة باتصال وصول "الميل الأخير" عالي السعة
في الولايات المتحدة وحدها ، يوجد ما يقرب من 750,000 ألف مبنى تجاري يعمل بها أكثر من 20 موظفًا. في بيئات الأعمال التجارية عالية الاتصال بالإنترنت اليوم ، تحتاج غالبية هذه المباني إلى اتصال إنترنت عالي السرعة. في حين أنه من المؤكد أن العديد من الشركات راضية حاليًا عن وجود سرعة أبطأ T1 / E1 عند 1.54 ميجابت في الثانية أو 2.048 ميجابت في الثانية ، على التوالي ، أو أي شكل آخر من أشكال اتصال DSL بسرعة أبطأ ، فإن عددًا متزايدًا من الشركات تتطلب أو تطلب DS- 3 اتصال (45 ميجابت في الثانية) أو اتصالات ألياف عالية السرعة. ومع ذلك ، وهنا تبدأ المشاكل ، وفقًا لدراسة حديثة جدًا أجرتها Vertical Systems Group ، فإن 13.4 ٪ فقط من المباني التجارية في الولايات المتحدة متصلة بشبكة ألياف. بعبارة أخرى ، 86.6٪ من هذه المباني ليس لديها اتصال بالألياف الضوئية ، ويعتمد مستأجرو المبنى على تأجير دوائر نحاسية سلكية أبطأ سرعة من مزودي خدمات الهاتف الحاليين أو البديلين (ILECs أو CLECs). يمكن أن تصل هذه التكاليف للاتصال النحاسي السلكي عالي السرعة مثل اتصال DS-45 بسرعة 3 ميجابت في الثانية بسهولة إلى 3,000 دولار شهريًا أو أكثر.

كشفت دراسة أخرى مثيرة للاهتمام أجرتها شركة Cisco في عام 2003 أن 75٪ من المباني التجارية الأمريكية غير المتصلة بالألياف تقع على بعد ميل واحد من اتصال الألياف. ومع ذلك ، على الرغم من الطلب المتزايد على النقل عالي السعة إلى هذه المباني ، فإن التكلفة المرتبطة بوضع الألياف في كثير من الأحيان لا تسمح "بإغلاق عنق الزجاجة للنقل". على سبيل المثال ، يمكن أن تصل تكاليف وضع الألياف في المدن الكبرى بالولايات المتحدة إلى 250,000 ألف دولار لكل ميل ، وفي العديد من أكبر مدن الولايات المتحدة ، يوجد حتى حظر على وضع ألياف جديدة بسبب الاضطرابات المرورية الضخمة المرتبطة بها. تعد أرقام اتصال الألياف بالمباني التجارية في العديد من المدن الأوروبية أسوأ بكثير وتشير بعض الدراسات إلى أن حوالي 1 ٪ فقط من المباني التجارية متصلة بالألياف.

يتفق العديد من محللي الصناعة على أن هناك سوقًا كبيرة وغير مخدومة حاليًا للاتصال اللاسلكي قصير المدى "Last Mile" شريطة أن تسمح التقنية الأساسية بمستويات توفر من فئة الناقل. تُعد أنظمة الراديو MMW مناسبة تمامًا لتلبية هذه المتطلبات التقنية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن أنظمة MMW ذات السعة العالية والمتاحة تجاريًا قد انخفضت بشكل كبير في الأسعار على مدار العامين الماضيين. عند مقارنتها بوضع ميل واحد فقط من الألياف في مدينة كبرى بالولايات المتحدة أو مدينة أوروبية ، فإن استخدام راديو MMW قادر على تشغيل شبكة جيجابت إيثرنت يمكن أن يصل إلى 10٪ من تكاليف الألياف. هيكل التسعير هذا يجعل اقتصاديات اتصال جيجابت جذابة نظرًا لتقصير مخطط رأس المال المطلوب وفترة العائد على الاستثمار الناتجة بشكل كبير. وبالتالي ، يمكن الآن تقديم العديد من التطبيقات ذات معدل البيانات المرتفع التي لم يكن من الممكن خدمتها اقتصاديًا في الماضي بسبب ارتفاع تكاليف البنية التحتية لحفر الألياف وتكون مجدية اقتصاديًا عند استخدام تقنية راديو MMW. من بين هذه التطبيقات:
● تمديدات واستبدال ألياف CLEC و ILEC
● وصلات إيثرنت المترو وإغلاق حلقات الألياف
● امتدادات الشبكة المحلية اللاسلكية للحرم الجامعي
● دعم الألياف الضوئية وتنوع المسارات في شبكات الحرم الجامعي
● التعافي من الكوارث
● اتصال SAN عالي السعة
● التكرار وإمكانية النقل والأمن للأمن الداخلي والجيش
● وصلات 3G الخلوية و / أو WIFI / WiMAX في الشبكات الحضرية الكثيفة
● روابط محمولة ومؤقتة للفيديو عالي الدقة أو نقل HDTV

لماذا تستخدم تقنية E-Band MMW؟

من بين نطاقات التردد الثلاثة المفتوحة ، جذبت نطاقي 70 جيجاهرتز و 80 جيجاهرتز أكثر الشركات المصنعة للمعدات اهتمامًا. صممت التخصيصات 71 ... 76 جيجاهرتز و 81 ... 86 جيجاهرتز لتتعايش مع 5 جيجاهرتز من عرض نطاق الإرسال ثنائي الاتجاه ؛ يكفي لنقل إشارة جيجابت إيثرنت ثنائية الاتجاه (GbE) بسهولة حتى مع أبسط مخططات التعديل. تمكن تصميم Wireless Excellence المتقدم حتى من استخدام نطاق 5 جيجاهرتز أقل ، من 71 ... 76 جيجاهرتز فقط ، لنقل إشارة GbE مزدوجة كاملة. لاحقًا ، ظهرت ميزة واضحة في استخدام هذا النهج عندما يتعلق الأمر بنشر تقنية MMW بالقرب من المواقع الفلكية وفي بلدان خارج الولايات المتحدة مع التحويل المباشر للبيانات (OOK) والمحولات ثنائية الإرسال منخفضة التكلفة ، وهي بسيطة نسبيًا وبالتالي فعالة من حيث التكلفة ويمكن تحقيق بنى راديوية عالية الموثوقية. مع أكواد التعديل الأكثر كفاءة في الطيف ، يمكن الوصول إلى إرسال مزدوج كامل بسرعة 10 جيجابت في الثانية (10 جيجابت في الثانية) حتى 40 جيجابت في الثانية.

يصعب التعامل مع توزيع 92… 95 جيجاهرتز لأن هذا الجزء من الطيف مقسم إلى جزأين غير متكافئين يفصل بينهما نطاق استبعاد ضيق 100 ميجاهرتز بين 94.0 ... 94.1 جيجاهرتز. يمكن افتراض أن هذا الجزء من الطيف سيُستخدم على الأرجح للتطبيقات الداخلية ذات السعة العالية والمدى الأقصر. لن تتم مناقشة هذا التخصيص بمزيد من التفصيل في هذا المستند التعريفي التمهيدي.

في ظل ظروف الطقس الصافية ، تتجاوز مسافات الإرسال عند 70 جيجاهرتز و 80 جيجاهرتز العديد من الأميال بسبب قيم التوهين الجوي المنخفضة. ومع ذلك ، يوضح الشكل 1 أنه حتى في ظل هذه الظروف ، فإن التوهين الجوي يختلف اختلافًا كبيرًا مع التردد [1]. في ترددات الميكروويف التقليدية المنخفضة وحتى حوالي 38 جيجا هرتز ، يكون التوهين الجوي منخفضًا بشكل معقول مع قيم توهين تبلغ بضعة أعشار ديسيبل لكل كيلومتر (ديسيبل / كم). عند حوالي 60 جيجاهرتز ، يؤدي امتصاص جزيئات الأكسجين إلى ارتفاع كبير في التوهين. هذه الزيادة الكبيرة في امتصاص الأكسجين تحد بشكل خطير من مسافات الإرسال الراديوي البالغة 60 جيجا هرتز للمنتجات الراديوية. ومع ذلك ، بعد ذروة امتصاص الأكسجين 60 جيجاهرتز ، تفتح نافذة توهين منخفضة أوسع حيث ينخفض ​​التوهين إلى قيم حوالي 0.5 ديسيبل / كم. يشار إلى هذه النافذة ذات التوهين المنخفض عادةً باسم النطاق E. قيم التوهين في النطاق E قريبة من التوهين الذي تعاني منه أجهزة راديو الموجات الصغرية الشائعة. فوق 100 جيجاهرتز ، يزداد التوهين الجوي بشكل عام ، بالإضافة إلى وجود العديد من نطاقات الامتصاص الجزيئي الناتجة عن امتصاص O2 و H2O عند ترددات أعلى. باختصار ، إن نافذة التوهين الجوي المنخفضة نسبيًا بين 70 جيجاهرتز و 100 جيجاهرتز هي التي تجعل ترددات النطاق الإلكتروني جذابة للإرسال اللاسلكي عالي السعة. يوضح الشكل 1 أيضًا كيفية توهين تأثير المطر والضباب في النطاقات البصرية للموجات الدقيقة والموجات المليمترية والأشعة تحت الحمراء التي تبدأ بحوالي 200 تيراهيرتز (THz) والتي تُستخدم في أنظمة نقل FSO. تتغير قيم التوهين قليلاً عند معدلات هطول الأمطار المختلفة والمحددة ، مع زيادة ترددات الإرسال. سيتم فحص العلاقة بين معدلات هطول الأمطار ومسافات الإرسال بمزيد من التفصيل في القسم التالي. يمكن إهمال التوهين المرتبط بالضباب بشكل أساسي عند ترددات الموجات المليمترية ، حيث يزداد بعدة أوامر من حيث الحجم بين موجة المليمتر ونطاق الإرسال البصري: السبب الرئيسي وراء توقف أنظمة FSO ذات المسافات الطويلة عن العمل في ظل ظروف ضبابية.

مسافات الإرسال للنطاق الإلكتروني
كما هو الحال مع جميع عمليات الانتشار الراديوي عالية التردد ، يحدد التوهين الناجم عن المطر عادةً الحدود العملية لمسافات الإرسال. يوضح الشكل 2 أن الأنظمة الراديوية العاملة في مدى تردد النطاق E يمكن أن تتعرض لتوهين كبير نظراً لوجود المطر [2]. لحسن الحظ ، تميل أكثر الأمطار غزارة إلى السقوط في أجزاء محدودة من العالم ؛ بشكل رئيسي البلدان شبه الاستوائية والاستوائية. في أوقات الذروة ، يمكن ملاحظة معدلات هطول الأمطار التي تزيد عن سبع بوصات / ساعة (180 ملم / ساعة) لفترات زمنية قصيرة. في الولايات المتحدة وأوروبا ، يكون الحد الأقصى لمعدلات هطول الأمطار أقل من أربع بوصات / ساعة (100 ملم / ساعة). يتسبب معدل هطول الأمطار هذا في توهين الإشارة بمقدار 30 dB / km ، وعادةً ما يحدث فقط أثناء رشقات السحب القصيرة. هذه الاندفاعات السحابية عبارة عن أحداث مطر تظهر داخل مناطق صغيرة وموضوعية نسبيًا وداخل سحابة مطر ذات قطر أكبر وشدة أقل. نظرًا لأن الاندفاعات السحابية ترتبط عادةً أيضًا بظواهر الطقس القاسية التي تتحرك بسرعة عبر الرابط ، تميل فترات انقطاع المطر إلى أن تكون قصيرة وتكون مشكلة فقط في روابط النقل لمسافات أطول.

الموجة المليمترية وتخفيف المطر على شكل حرف V النطاق E

مناطق المطر التابعة للاتحاد الدولي للاتصالات ، الموجة العالمية المليمترية ، الموجة الإلكترونية V-Band

جمع الاتحاد الدولي للاتصالات (ITU) ومنظمات بحثية أخرى عقودًا من بيانات هطول الأمطار من جميع أنحاء العالم. بشكل عام ، فإن خصائص هطول الأمطار والعلاقات بين معدل هطول الأمطار ، ومدة المطر الإحصائية ، وأحجام قطرات المطر ، وما إلى ذلك مفهومة جيدًا [3] وباستخدام هذه المعلومات ، من الممكن هندسة روابط لاسلكية للتغلب على أسوأ الأحداث الجوية أو التنبؤ فترات الانقطاع المرتبط بالطقس على الوصلات اللاسلكية ذات المسافات الطويلة العاملة بترددات محددة. يبين مخطط تصنيف مناطق المطر في الاتحاد معدلات هطول الأمطار الإحصائية المتوقعة حسب الترتيب الأبجدي. في حين أن المناطق التي تعاني من أقل هطول للأمطار مصنفة على أنها "المنطقة أ" ، فإن أعلى معدلات هطول الأمطار تكون في "المنطقة س." يوضح الشكل 3 أدناه خريطة منطقة المطر العالمية للاتحاد وقائمة بمعدلات هطول الأمطار في مناطق معينة من العالم.

 MMW Rain Fade Map للنطاق الإلكتروني V-band للولايات المتحدة الأمريكية

الشكل 3: تصنيف مناطق المطر في الاتحاد الدولي للاتصالات لمناطق مختلفة حول العالم (أعلى) ومعدلات هطول الأمطار الإحصائية الفعلية كدالة على مدة حدث المطر

يوضح الشكل 4 خريطة أكثر تفصيلاً لأمريكا الشمالية وأستراليا. من الجدير بالذكر أن ما يقرب من 80٪ من أراضي الولايات المتحدة القارية تقع في منطقة المطر K وما دونها. بعبارة أخرى ، للتشغيل عند مستوى إتاحة بنسبة 99.99٪ ، يجب تصميم هامش الخبو للنظام الراديوي لتحمل معدل سقوط أقصى يبلغ 42 مم / ساعة. يمكن ملاحظة أعلى معدلات هطول الأمطار في أمريكا الشمالية في فلوريدا وعلى طول ساحل الخليج ، وتصنف هذه المناطق تحت منطقة المطر N. بشكل عام ، تعاني أستراليا من هطول أمطار أقل من أمريكا الشمالية. توجد أجزاء كبيرة من هذا البلد بما في ذلك الخط الساحلي الجنوبي الأكثر اكتظاظًا بالسكان في مناطق المطر E و F (<28 مم / ساعة).

للتبسيط ، من خلال الجمع بين نتائج الشكل 2 (معدل هطول الأمطار مقابل التوهين) واستخدام مخططات الاتحاد الدولي لهطول الأمطار الموضحة في الشكلين 3 و 4 ، من الممكن حساب توفر نظام راديو معين يعمل في جزء معين من العالم . تظهر الحسابات النظرية المستندة إلى بيانات هطول الأمطار للولايات المتحدة وأوروبا وأستراليا أن معدات الإرسال اللاسلكي 70/80 جيجاهرتز يمكنها تحقيق اتصال GbE بمستوى توافر إحصائي 99.99 ... 99.999٪ عبر مسافات قريبة من ميل واحد أو حتى أبعد. لتوافر أقل بنسبة 99.9٪ ، يمكن تحقيق مسافات تتجاوز ميلين بشكل روتيني. عند تكوين الشبكة في طوبولوجيا حلقة أو شبكة ، تتضاعف المسافات الفعالة في بعض الحالات لنفس رقم التوفر بسبب الطبيعة الكثيفة والمجمعة لخلايا المطر الغزير وتكرار المسار الذي توفره طبولوجيا الحلقة / الشبكة.

خريطة MMW Rain Fade لأستراليا E-Band V_Band

الشكل 4: تصنيف الاتحاد الدولي للاتصالات لمنطقة المطر في أمريكا الشمالية وأستراليا

إحدى الفوائد القوية لتقنية MMW مقارنة بالحلول اللاسلكية عالية السعة الأخرى مثل بصريات المساحة الحرة (FSO) هي أن ترددات MMW لا تتأثر بإعاقات الإرسال الأخرى مثل الضباب أو العواصف الرملية. الضباب الكثيف ، على سبيل المثال ، مع محتوى الماء السائل 0.1 جم / م 3 (رؤية حوالي 50 م) له فقط 0.4 ديسيبل / كم عند 70/80 جيجاهرتز [4]. في ظل هذه الظروف ، يعاني نظام FSO من توهين إشارة يزيد عن 250 dB / km [5]. تُظهر قيم التوهين الشديدة هذه سبب قدرة تقنية FSO على توفير أرقام توفر عالية فقط عبر مسافات أقصر. لا تتأثر الأنظمة الراديوية للنطاق الإلكتروني بالمثل بالغبار والرمل والثلج وغير ذلك من حالات انحطاط مسار الإرسال.

التقنيات اللاسلكية البديلة عالية السرعة
كبدائل للتكنولوجيا اللاسلكية للنطاق الإلكتروني ، هناك عدد محدود من التقنيات القابلة للتطبيق القادرة على دعم الاتصال بمعدل بيانات مرتفع. يقدم هذا القسم من المستند التعريفي التمهيدي نظرة عامة موجزة.

كابل الألياف الضوئية

يوفر كابل الألياف الضوئية أوسع عرض نطاق ترددي لأي تقنية نقل عملية ، مما يسمح بنقل معدلات بيانات عالية جدًا عبر مسافات طويلة. على الرغم من توفر آلاف الأميال من الألياف في جميع أنحاء العالم وخاصة في شبكات المسافات الطويلة وبين المدن ، إلا أن الوصول إلى "الميل الأخير" لا يزال محدودًا. نظرًا للتكاليف الأولية الكبيرة والمرتفعة في كثير من الأحيان المرتبطة بحفر الخنادق ومد الألياف الأرضية ، بالإضافة إلى مشكلات حق الطريق ، قد يكون الوصول إلى الألياف أمرًا صعبًا ومستحيلًا. كما تتكرر حالات التأخير الطويلة ، ليس فقط بسبب العملية الفيزيائية لحفر الألياف ، ولكن أيضًا بسبب العقبات التي تسببها الآثار البيئية والعقبات البيروقراطية المحتملة التي ينطوي عليها مثل هذا المشروع. لهذا السبب ، تحظر العديد من المدن حول العالم حفر الخنادق الليفية بسبب تعطل حركة المرور داخل المدينة والإزعاج العام الذي تسببه عملية حفر الخنادق للجمهور.

حلول راديو الميكروويف

يمكن أن تدعم أجهزة الراديو ذات الموجات الصغرية الثابتة من نقطة إلى نقطة معدلات بيانات أعلى مثل سرعة Ethernet ثنائية الاتجاه بسرعة 100 ميجابت في الثانية أو حتى 500 ميجابت في الثانية لكل ناقل في نطاقات التردد بين 4-42 جيجاهرتز. ومع ذلك ، في نطاقات الميكروويف الأكثر تقليدية ، يكون الطيف محدودًا ، وغالبًا ما تكون قنوات الطيف المرخصة النموذجية مزدحمة وضيقة جدًا عند مقارنتها بطيف النطاق E.

الموجات الدقيقة والمليمترية الموجة MMW الطيف V والنطاق الإلكتروني

الشكل 5: مقارنة بين أجهزة راديو الميكروويف ذات معدل البيانات المرتفع وحل الراديو 70/80 جيجا هرتز.

بشكل عام ، لا تزيد قنوات التردد المتاحة للترخيص غالبًا عن 56 ميغا هرتز (MHz) ، ولكنها عادةً 30 ميغا هرتز أو أقل. في بعض النطاقات ، قد تتوفر قنوات 112 ميجا هرتز عريضة قادرة على دعم 880 ميجا بت في الثانية لكل ناقل ، ولكن فقط في نطاقات تردد أعلى مناسبة للمسافات القصيرة. وبالتالي ، يتعين على أجهزة الراديو التي تعمل في هذه النطاقات بمعدلات بيانات أعلى أن تستخدم بنى نظام شديدة التعقيد تستخدم مخططات تعديل تصل إلى 1024 تعديل سعة التربيع (QAM). تؤدي هذه الأنظمة شديدة التعقيد إلى مسافات محدودة ، ولا يزال معدل النقل محدودًا بمعدلات بيانات تصل إلى 880 ميجابت في الثانية في القنوات الأكبر. نظرًا للكمية المحدودة من الطيف المتاح في هذه النطاقات ، ومخططات عرض حزمة الهوائي الأوسع ، وحساسية تعديل QAM العالي تجاه أي نوع من التداخل ، فإن النشر الأكثر كثافة لحلول الميكروويف التقليدية في المناطق الحضرية أو الحضرية يمثل مشكلة كبيرة. يوضح الشكل 70 مقارنة الطيف المرئي بين نطاقات الميكروويف التقليدية ونهج 80/5 جيجاهرتز.

60 جيجاهرتز (V-Band) المليمتر حلول الراديو
تختلف توزيعات التردد ضمن الطيف GHz 60 ، ولا سيما التخصيصات بين 57 ... 66 GHz ، اختلافًا كبيرًا في مناطق مختلفة من العالم. أصدرت لجنة الاتصالات الفيدرالية الأمريكية (FCC) مجموعة أوسع من طيف التردد بين 57 ... 64 جيجا هرتز والتي توفر نطاقًا تردديًا كافيًا لتشغيل جيجابت إيثرنت ثنائي الاتجاه. لم تتبع البلدان الأخرى هذا الحكم المحدد ولا تتمتع هذه البلدان إلا بإمكانية الوصول إلى تخصيصات تردد أصغر بكثير وغالبًا ما تكون قناة ضمن نطاق الطيف 60 جيجا هرتز. الكمية المحدودة من الطيف المتاح خارج الولايات المتحدة لا تسمح ببناء حلول لاسلكية فعالة من حيث التكلفة 60 جيجا هرتز بمعدلات بيانات عالية في أوروبا ، دول مثل ألمانيا وفرنسا وإنجلترا على سبيل المثال لا الحصر. ومع ذلك ، حتى في الولايات المتحدة ، فإن القيد المنظم في قدرة الإرسال ، إلى جانب خصائص الانتشار الضعيفة نسبيًا بسبب امتصاص الغلاف الجوي العالي بواسطة جزيئات الأكسجين (انظر الشكل 1) ، يحد من مسافات الارتباط النموذجية إلى أقل من نصف ميل. لتحقيق أداء من فئة الناقل يبلغ 99.99 ... توفر نظام بنسبة 99.999٪ ، لأجزاء كبيرة من أراضي الولايات المتحدة القارية ، تقتصر المسافة عمومًا على ما يزيد قليلاً عن 500 ياردة (500 متر). صنفت لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) الطيف 60 جيجاهرتز على أنه طيف غير مرخص. على عكس التخصيصات عالية التردد 70/80 جيجاهرتز ، لا يتطلب تشغيل الأنظمة الراديوية 60 جيجاهرتز الموافقة القانونية أو التنسيق. من ناحية أخرى ، يحظى استخدام التكنولوجيا غير المرخصة بشعبية كبيرة بين المستخدمين النهائيين ، ولكن في الوقت نفسه لا توجد حماية ضد التداخل ، سواء كان عرضيًا أو متعمدًا. باختصار ، لا سيما في الولايات المتحدة ، يمكن أن يكون استخدام الطيف 60 جيجاهرتز بديلاً قابلاً للتطبيق لعمليات النشر لمسافات قصيرة ، ولكن التكنولوجيا ليست بديلاً حقيقيًا لمسافات الوصلة التي تتجاوز 500 متر وعندما يكون 99.99 ... 99.999٪ توافر النظام مطلوبًا

بصريات الفضاء الحر (FSO ، بصري لاسلكي)
تستخدم تقنية بصريات الفضاء الحر (FSO) تقنية الليزر بالأشعة تحت الحمراء لنقل المعلومات بين المواقع البعيدة. تسمح هذه التقنية بنقل معدلات بيانات عالية جدًا تبلغ 1. 5 جيجابت في الثانية وما بعدها. تعد تقنية FSO بشكل عام تقنية إرسال آمنة للغاية ، وليست عرضة للتداخل نظرًا لخصائص حزمة الإرسال الضيقة للغاية ، كما أنها خالية من الترخيص في جميع أنحاء العالم.

لسوء الحظ ، يتأثر إرسال الإشارات في نطاقات الأشعة تحت الحمراء الضوئية بشكل كبير بالضباب ، حيث يمكن أن يتجاوز امتصاص الغلاف الجوي 130 ديسيبل / كم [5]. بشكل عام ، أي نوع من الظروف الجوية التي تؤثر على الرؤية بين موقعين (مثل الرمال والغبار) ، سوف تؤثر أيضًا على أداء نظام FSO. يمكن أيضًا أن تكون أحداث الضباب والعواصف الترابية / الرملية محلية جدًا ويصعب التنبؤ بها ، وبالتالي ، فإن التنبؤ بتوافر نظام FSO أكثر صعوبة. على عكس أحداث الأمطار الشديدة ، والتي تكون قصيرة جدًا ، يمكن أن يستمر الضباب والغبار / العواصف الرملية أيضًا لفترات طويلة جدًا (ساعات أو حتى أيام بدلاً من دقائق). يمكن أن يؤدي هذا إلى انقطاعات طويلة للغاية لأنظمة FSO التي تعمل في ظل هذه الظروف.

من وجهة نظر عملية ، وعند النظر في أرقام التوافر 99.99 ... 99.999٪ ، كل ما سبق يمكن أن يحد من تكنولوجيا FSO إلى مسافات لا تتجاوز بضع مئات من الياردات (300 متر) ؛ خاصة في المناطق الساحلية أو المعرضة للضباب ، وكذلك في المناطق التي تعاني من العواصف الرملية / الترابية. للحفاظ على اتصال بنسبة 100٪ عند نشر أنظمة FSO في هذه الأنواع من البيئات ، يوصى باستخدام تقنية مسار بديل.

يتفق غالبية خبراء الصناعة على أن تقنية FSO يمكن أن تقدم بديلاً مثيرًا للاهتمام ومن المحتمل أن يكون غير مكلف في توصيل المواقع البعيدة لاسلكيًا عبر مسافات أقصر. ومع ذلك ، فإن فيزياء توهين الإشارة في طيف الأشعة تحت الحمراء ستحصر دائمًا هذه التقنية على مسافات قصيرة جدًا.

يوضح الجدول 1 مقارنة قصيرة لتقنيات نقل معدل البيانات المرتفع التي تمت مناقشتها والمتاحة تجاريًا ومحركات أدائها الرئيسية.

MMW مقارنة بالتقنيات اللاسلكية الأخرى

الجدول 1: مخطط مقارنة لتقنيات النقل السلكية واللاسلكية ذات معدل البيانات العالي والمتاحة تجاريًا

حلول الموجات المليمترية المتاحة تجارياً
تشتمل مجموعة منتجات CableFree Millimeter-wave على حلول لاسلكية من نقطة إلى نقطة تعمل من 100 ميجابت في الثانية إلى 10 جيجابت في الثانية (10 جيجابت إيثرنت) في نطاق 70 جيجاهرتز E-band المرخص وما يصل إلى 1 جيجابت في الثانية في الطيف غير المرخص 60 جيجاهرتز. تتوفر الأنظمة بأحجام مختلفة من الهوائيات لتلبية متطلبات توفر العميل على مسافات نشر محددة وبأسعار تنافسية لأي شركة مصنعة للراديو E-band في الصناعة. تعمل حلول راديو E-band من Wireless Excellence في النطاق الترددي المنخفض 5 جيجاهرتز للنطاق الإلكتروني المرخص 70/80 جيجاهرتز فقط ، بدلاً من الإرسال المتزامن في كل من النطاقين 70 جيجاهرتز و 80 جيجاهرتز. ونتيجة لذلك ، فإن منتجات Wireless Excellence ليست عرضة لقيود النشر المحتملة بالقرب من المواقع الفلكية أو المنشآت العسكرية في أوروبا ، حيث يستخدم الجيش أجزاء من النطاق 80 جيجا هرتز للاتصالات العسكرية. الأنظمة سهلة النشر ، وبسبب التغذية بالجهد المنخفض للتيار المباشر 48 فولت ، لا يلزم وجود كهربائي معتمد لتركيب النظام. يتم عرض صور فوتوغرافية لمنتجات Wireless Excellence في الشكل 6 أدناه.

وصلة MMW من CableFree منتشرة في الإمارات العربية المتحدة

الشكل 6: أجهزة الراديو MMW بدون كبل مدمجة ومتكاملة للغاية. يظهر إصدار الهوائي 60 سم

ملخص والاستنتاجات
لحل متطلبات الاتصال البيني للشبكات عالية السعة اليوم ، تتوفر حلول لاسلكية عالية الموثوقية توفر أداءً شبيهًا بالألياف بجزء بسيط من تكلفة وضع الألياف أو تأجير وصلات الألياف عالية السعة. هذا مهم ليس فقط من وجهة نظر الأداء / التكلفة ، ولكن أيضًا لأن اتصالات الألياف في شبكات الوصول "Last-Mile" لا تزال غير منتشرة على نطاق واسع وتكشف أحدث الدراسات أنه في الولايات المتحدة فقط 13.4٪ من المباني التجارية التي بها أكثر من 20 موظفًا متصلون بالألياف. هذه الأرقام أقل في العديد من البلدان الأخرى.

هناك العديد من التقنيات في السوق التي يمكنها توفير اتصال جيجابت لتوصيل مواقع الشبكات البعيدة. تعتبر حلول النطاق E المرخصة في نطاق التردد 70/80 جيجاهرتز ذات أهمية خاصة لأنها يمكن أن توفر أعلى أرقام توفر من فئة الناقل على مسافات تشغيل تبلغ ميل واحد (1.6 كم) وما بعده. في الولايات المتحدة ، فتحت حكم لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) التاريخي لعام 2003 هذا الطيف للاستخدام التجاري ، كما يسمح نظام ترخيص الضوء المنخفض التكلفة المستند إلى الإنترنت للمستخدمين بالحصول على ترخيص للتشغيل في غضون ساعات قليلة. بلدان أخرى إما لديها بالفعل و / أو هي في طور فتح طيف النطاق الإلكتروني للاستخدام التجاري. يمكن لأجهزة الراديو غير المرخصة 60 جيجاهرتز وأنظمة بصريات المساحة الحرة (FSO) أن توفر أيضًا اتصال جيجابت إيثرنت ، ولكن بمستويات توفر أعلى 99.99 ... 99.999٪ من فئة الناقل ، كلا الحلين قادرين فقط على العمل على مسافات منخفضة. كقاعدة عامة بسيطة وفي معظم أنحاء الولايات المتحدة ، يمكن لحلول 60 جيجاهرتز توفير مستويات التوافر العالية هذه فقط عند نشرها على مسافات تقل عن 500 ياردة (500 متر).

مراجع حسابات
● ITU-R P.676-6 ، "التوهين بواسطة غازات الغلاف الجوي" 2005.
● ITU-R P.838-3 ، "نموذج التوهين المحدد للمطر لاستخدامه في طرق التنبؤ ،" 2005.
● ITU-R P.837-4 ، "خصائص الهطول من أجل نمذجة الانتشار" 2003.
● ITU-R P.840-3 ، "التوهين الناجم عن السحب والضباب ،" 1999.

لمزيد من المعلومات حول الموجة المليمترية للنطاق الإلكتروني

لمزيد من المعلومات حول E-Band MMW ، من فضلك تواصل معنا

اترك رسالة 

قائمة الرسالة