เทคโนโลยีคลื่นมิลลิเมตร E-Band

รู้เบื้องต้นเกี่ยวกับเทคโนโลยีคลื่นมิลลิเมตรสำหรับ E-Band และ V-Band

MMW สรุป

Millimeter Wave (MMW) เป็นเทคโนโลยีสำหรับการเชื่อมโยงไร้สายความจุสูงความเร็วสูง (10Gbps, 10 กิกะบิตต่อวินาที) เหมาะอย่างยิ่งสำหรับพื้นที่ในเมือง การใช้ไมโครเวฟความถี่สูงในคลื่นความถี่ E-Band (70-80GHz) และ 58GHZ ถึง 60GHz (V-Band) สามารถใช้ลิงก์ได้อย่างหนาแน่นในเมืองที่แออัดโดยไม่มีสัญญาณรบกวนและไม่จำเป็นต้องขุดหาสายเคเบิลและไฟเบอร์ออปติกซึ่งสามารถ เสียค่าใช้จ่ายช้าและก่อกวนสูง ในทางตรงกันข้ามลิงก์ MMW สามารถใช้งานได้ภายในไม่กี่ชั่วโมงและย้ายและนำกลับมาใช้ในไซต์ต่างๆได้เมื่อความต้องการของเครือข่ายพัฒนาขึ้น

CableFree MMW Millimeter Wave Link ติดตั้งใน UAE

ประวัติ MMW

ในปี 2003 คณะกรรมการการสื่อสารแห่งชาติของอเมริกาเหนือ (FCC) ได้เปิดแถบความถี่คลื่นมิลลิเมตร (MMW) ความถี่สูงหลายแถบ ได้แก่ ในช่วง 70, 80 และ 90 กิกะเฮิรตซ์ (GHz) สำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์และสาธารณะ เนื่องจากคลื่นความถี่จำนวนมาก (ประมาณ 13 GHz) ที่มีอยู่ในย่านความถี่เหล่านี้วิทยุคลื่นมิลลิเมตรจึงกลายเป็นโซลูชันวิทยุแบบจุดต่อจุด (pt-to-pt) ที่เร็วที่สุดในตลาดอย่างรวดเร็ว ผลิตภัณฑ์ส่งสัญญาณวิทยุที่ให้อัตราข้อมูลฟูลดูเพล็กซ์สูงสุด 1.25 Gbps ที่ระดับความพร้อมใช้งานระดับผู้ให้บริการ 99.999% และในระยะทางใกล้หนึ่งไมล์ขึ้นไปมีวางจำหน่ายแล้ววันนี้ เนื่องจากการกำหนดราคาที่คุ้มค่าวิทยุ MMW จึงมีศักยภาพในการเปลี่ยนแปลงรูปแบบธุรกิจสำหรับผู้ให้บริการแบ็คเฮาส์มือถือและการเชื่อมต่อการเข้าถึงรถไฟใต้ดิน / องค์กร“ Last-Mile”

ความเป็นมาของกฎข้อบังคับ
การเปิดตัว 13 GHz ของคลื่นความถี่ที่ไม่ได้ใช้ก่อนหน้านี้ในย่านความถี่ 71 … 76 GHz, 81 … 86 GHz และ 92 … 95 GHz สำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์และบริการไร้สายแบบคงที่ความหนาแน่นสูงในสหรัฐอเมริกาในเดือนตุลาคม 2003 ถือได้ว่าเป็น การพิจารณาคดีที่สำคัญโดย Federal Communications Commission (FCC) จากมุมมองทางเทคโนโลยีการพิจารณาคดีนี้อนุญาตให้ใช้เป็นครั้งแรกความเร็วเต็มสายและการสื่อสารไร้สายความเร็วกิกะบิตฟูลดูเพล็กซ์ในระยะทางหนึ่งไมล์ขึ้นไปที่ระดับความพร้อมใช้งานระดับผู้ให้บริการ ในช่วงเวลาของการเปิดคลื่นความถี่สำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์ Michael Powell ประธาน FCC ได้ประกาศคำตัดสินดังกล่าวว่าเป็นการเปิด "พรมแดนใหม่" ในบริการและผลิตภัณฑ์ทางการค้าสำหรับชาวอเมริกัน ตั้งแต่นั้นมาได้มีการเปิดตลาดใหม่สำหรับการเปลี่ยนหรือขยายไฟเบอร์เครือข่ายการเข้าถึง“ Last-Mile” แบบจุดต่อจุดแบบไร้สายและการเข้าถึงอินเทอร์เน็ตบรอดแบนด์ที่อัตราข้อมูลกิกะบิตและอื่น ๆ

ความสำคัญของการจัดสรร 70 GHz, 80 GHz และ 90 GHz ไม่สามารถคุยโวได้ การจัดสรรทั้งสามนี้เรียกรวมกันว่า E-band ประกอบด้วยคลื่นความถี่จำนวนมากที่สุดที่ FCC ปล่อยออกมาสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์ที่ได้รับอนุญาต เมื่อรวมกันแล้ว 13 GHz ของสเปกตรัมจะเพิ่มจำนวนคลื่นความถี่ที่ FCC รับรองขึ้น 20% และแบนด์วิดท์เหล่านี้รวมกันเป็น 50 เท่าของแบนด์วิดท์ของสเปกตรัมเซลลูลาร์ทั้งหมด ด้วยแบนด์วิดท์รวม 5 GHz ที่ 70 GHz และ 80 GHz ตามลำดับและ 3 GHz ที่ 90 GHz กิกะบิตอีเทอร์เน็ตและอัตราข้อมูลที่สูงขึ้นสามารถรองรับสถาปัตยกรรมวิทยุที่ค่อนข้างเรียบง่ายและไม่มีรูปแบบการมอดูเลตที่ซับซ้อน ด้วยลักษณะการแพร่กระจายที่แย่กว่าแถบคลื่นไมโครเวฟที่ใช้กันอย่างแพร่หลายเพียงเล็กน้อยและลักษณะอากาศที่มีลักษณะเฉพาะทำให้เข้าใจฝนจางลงจึงสามารถรับรู้ระยะทางเชื่อมโยงหลายไมล์ได้อย่างมั่นใจ

การพิจารณาคดีของ FCC ยังวางรากฐานสำหรับแผนการออกใบอนุญาตบนอินเทอร์เน็ตแบบใหม่ แผนการออกใบอนุญาตออนไลน์นี้ช่วยให้สามารถลงทะเบียนลิงก์วิทยุได้อย่างรวดเร็วและให้การป้องกันความถี่โดยเสียค่าใช้จ่ายเพียงครั้งเดียวไม่กี่ร้อยดอลลาร์ ขณะนี้หลายประเทศทั่วโลกกำลังเปิดคลื่นความถี่ MMW สำหรับการใช้งานสาธารณะและเชิงพาณิชย์ตามคำตัดสินของ FCC ในบทความนี้เราจะพยายามอธิบายถึงความสำคัญของคลื่นความถี่ 70 GHz, 80 GHz และ 90 GHz และแสดงให้เห็นว่าการจัดสรรความถี่ใหม่เหล่านี้จะเปลี่ยนรูปแบบการส่งข้อมูลที่มีอัตราสูงและรูปแบบธุรกิจที่เกี่ยวข้องได้อย่างไร

ตลาดเป้าหมายและแอพพลิเคชั่นสำหรับการเชื่อมต่อการเข้าถึง“ Last-Mile” ความจุสูง
ในสหรัฐอเมริกาเพียงแห่งเดียวมีอาคารพาณิชย์ประมาณ 750,000 แห่งที่มีพนักงานมากกว่า 20 คน ในสภาพแวดล้อมทางธุรกิจที่เชื่อมต่ออินเทอร์เน็ตสูงในปัจจุบันอาคารเหล่านี้ส่วนใหญ่ต้องการการเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ตที่มีอัตราข้อมูลสูง ในขณะที่เป็นความจริงอย่างแน่นอนที่ธุรกิจจำนวนมากพอใจกับการมี T1 / E1 ความเร็วที่ช้าลงที่ 1.54 Mbps หรือ 2.048 Mbps ตามลำดับหรือรูปแบบอื่น ๆ ของการเชื่อมต่อ DSL ที่มีความเร็วช้าลง แต่ธุรกิจจำนวนมากที่ต้องการหรือต้องการ DS- การเชื่อมต่อ 3 (45 Mbps) หรือการเชื่อมต่อไฟเบอร์ความเร็วสูง อย่างไรก็ตามและนี่คือจุดเริ่มต้นของปัญหาจากการศึกษาล่าสุดของ Vertical Systems Group พบว่ามีเพียง 13.4% ของอาคารพาณิชย์ใน United Sates เท่านั้นที่เชื่อมต่อกับเครือข่ายไฟเบอร์ กล่าวอีกนัยหนึ่ง 86.6% ของอาคารเหล่านี้ไม่มีการเชื่อมต่อแบบไฟเบอร์และผู้เช่าอาคารอาศัยการเช่าวงจรทองแดงแบบใช้สายความเร็วที่ช้ากว่าจากผู้ดำรงตำแหน่งหรือผู้ให้บริการโทรศัพท์ทางเลือก (ILEC หรือ CLEC) ค่าใช้จ่ายดังกล่าวสำหรับการเชื่อมต่อทองแดงแบบใช้สายความเร็วสูงเช่นการเชื่อมต่อ DS-45 3 Mbps สามารถวิ่งได้อย่างง่ายดายถึง 3,000 เหรียญต่อเดือนหรือมากกว่า

การศึกษาที่น่าสนใจอีกชิ้นหนึ่งที่จัดทำโดย Cisco ในปี 2003 พบว่า 75% ของอาคารพาณิชย์ในสหรัฐอเมริกาที่ไม่ได้เชื่อมต่อกับไฟเบอร์อยู่ห่างจากการเชื่อมต่อไฟเบอร์ไม่เกินหนึ่งไมล์ อย่างไรก็ตามแม้ว่าความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับการส่งผ่านกำลังการผลิตสูงไปยังอาคารเหล่านี้ แต่ค่าใช้จ่ายที่เกี่ยวข้องกับการวางไฟเบอร์ก็มักไม่อนุญาตให้มีการ "ปิดคอขวดการส่งผ่าน" ตัวอย่างเช่นค่าใช้จ่ายในการวางไฟเบอร์ในเมืองใหญ่ ๆ ของสหรัฐฯอาจสูงถึง 250,000 ดอลลาร์ต่อไมล์และในเมืองที่ใหญ่ที่สุดหลายแห่งของสหรัฐฯจะมีการเลื่อนการชำระหนี้ในการวางไฟเบอร์ใหม่เนื่องจากการจราจรติดขัด ตัวเลขการเชื่อมต่อไฟเบอร์กับอาคารพาณิชย์ในเมืองในยุโรปหลายแห่งนั้นแย่กว่ามากและการศึกษาบางชิ้นชี้ให้เห็นว่ามีเพียง 1% ของอาคารพาณิชย์ที่เชื่อมต่อกับไฟเบอร์

นักวิเคราะห์ในอุตสาหกรรมหลายคนยอมรับว่าปัจจุบันมีตลาดขนาดใหญ่และด้อยโอกาสสำหรับการเชื่อมต่อการเข้าถึงแบบไร้สายระยะสั้น“ Last Mile” โดยที่เทคโนโลยีพื้นฐานช่วยให้สามารถรองรับระดับความพร้อมใช้งานระดับผู้ให้บริการได้ ระบบวิทยุ MMW เหมาะอย่างยิ่งที่จะปฏิบัติตามข้อกำหนดทางเทคนิคเหล่านี้ นอกจากนี้ระบบ MMW ที่มีความจุสูงและวางจำหน่ายทั่วไปได้ลดราคาลงอย่างมากในช่วงสองสามปีที่ผ่านมา เมื่อเปรียบเทียบกับการวางไฟเบอร์เพียง 10 ไมล์ในเมืองใหญ่ ๆ ของสหรัฐอเมริกาหรือในยุโรปการใช้วิทยุ MMW ที่รองรับกิกะบิตอีเทอร์เน็ตสามารถทำงานได้ต่ำถึง XNUMX% ของต้นทุนไฟเบอร์ โครงสร้างการกำหนดราคานี้ทำให้เศรษฐศาสตร์ของการเชื่อมต่อกิกะบิตมีความน่าสนใจเนื่องจากรูปแบบเงินทุนที่ต้องการและระยะเวลาผลตอบแทนจากการลงทุน (ROI) ที่ได้นั้นสั้นลงอย่างมาก ด้วยเหตุนี้แอปพลิเคชันที่มีอัตราข้อมูลสูงจำนวนมากซึ่งไม่สามารถให้บริการในเชิงเศรษฐกิจได้ในอดีตเนื่องจากต้นทุนโครงสร้างพื้นฐานที่สูงของเส้นใยร่องลึกจึงสามารถให้บริการได้และเป็นไปได้ทางเศรษฐกิจเมื่อใช้เทคโนโลยีวิทยุ MMW ในบรรดาแอปพลิเคชั่นเหล่านี้ ได้แก่ :
●ส่วนขยายและการเปลี่ยนเส้นใย CLEC และ ILEC
●เมโทรอีเทอร์เน็ต backhaul และการปิดวงแหวนไฟเบอร์
●ส่วนขยาย LAN ของมหาวิทยาลัยแบบไร้สาย
●การสำรองข้อมูลไฟเบอร์และความหลากหลายของเส้นทางในเครือข่ายของมหาวิทยาลัย
●การกู้คืนจากภัยพิบัติ
●การเชื่อมต่อ SAN ความจุสูง
●ความซ้ำซ้อนการพกพาและความปลอดภัยสำหรับความมั่นคงแห่งมาตุภูมิและการทหาร
● 3G มือถือและ / หรือ WIFI / WiMAX backhaul ในเครือข่ายในเมืองที่หนาแน่น
●ลิงก์แบบพกพาและชั่วคราวสำหรับการขนส่งวิดีโอความละเอียดสูงหรือ HDTV

ทำไมต้องใช้ E-Band MMW Technology?

จากสามคลื่นความถี่ที่เปิดขึ้นแถบความถี่ 70 GHz และ 80 GHz ได้รับความสนใจจากผู้ผลิตอุปกรณ์มากที่สุด ออกแบบมาเพื่อใช้งานร่วมกันการจัดสรร 71 … 76 GHz และ 81 … 86 GHz ช่วยให้แบนด์วิดท์การรับส่งข้อมูลแบบฟูลดูเพล็กซ์ 5 GHz; เพียงพอที่จะส่งสัญญาณแบบฟูลดูเพล็กซ์กิกะบิตอีเธอร์เน็ต (GbE) ได้อย่างง่ายดายแม้จะมีรูปแบบการมอดูเลตที่ง่ายที่สุด การออกแบบ Wireless Excellence ขั้นสูงยังสามารถใช้แบนด์ 5 GHz ที่ต่ำกว่าจาก 71 … 76 GHz เท่านั้นเพื่อส่งสัญญาณ GbE แบบดูเพล็กซ์เต็มรูปแบบ ต่อมามีการแสดงข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในการใช้แนวทางนี้เมื่อพูดถึงการปรับใช้เทคโนโลยี MMW ใกล้กับสถานที่ทางดาราศาสตร์และในประเทศนอกสหรัฐอเมริกาด้วยการแปลงข้อมูลโดยตรง (OOK) และเครื่องแปลงสัญญาณราคาประหยัดค่อนข้างง่ายและประหยัดค่าใช้จ่าย และสถาปัตยกรรมวิทยุที่เชื่อถือได้สูงสามารถทำได้ ด้วยรหัสการมอดูเลตที่มีประสิทธิภาพทางสเปกตรัมมากขึ้นการส่งสัญญาณแบบฟูลดูเพล็กซ์ที่สูงขึ้นที่ 10 Gbps (10GigE) ถึง 40Gbps ก็สามารถทำได้

การจัดสรร 92 … 95 GHz ทำได้ยากกว่ามากเนื่องจากส่วนนี้ของสเปกตรัมแบ่งออกเป็นสองส่วนที่ไม่เท่ากันซึ่งคั่นด้วยแถบการยกเว้น 100 MHz ที่แคบระหว่าง 94.0 … 94.1 GHz สันนิษฐานได้ว่าส่วนนี้ของสเปกตรัมน่าจะถูกใช้เพื่อความจุที่สูงขึ้นและการใช้งานภายในอาคารระยะสั้นกว่า การจัดสรรนี้จะไม่ถูกกล่าวถึงเพิ่มเติมในเอกสารไวท์เปเปอร์นี้

ภายใต้สภาพอากาศที่ชัดเจนระยะการส่งข้อมูลที่ 70 GHz และ 80 GHz จะเกินหลายไมล์เนื่องจากค่าการลดทอนบรรยากาศต่ำ อย่างไรก็ตามรูปที่ 1 แสดงให้เห็นว่าแม้ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้การลดทอนของบรรยากาศจะแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญตามความถี่ [1] ที่ความถี่ไมโครเวฟทั่วไปต่ำกว่าและสูงถึงประมาณ 38 GHz การลดทอนบรรยากาศจะต่ำพอสมควรโดยมีค่าการลดทอนไม่กี่สิบของเดซิเบลต่อกิโลเมตร (dB / km) ที่ประมาณ 60 GHz การดูดซึมโดยโมเลกุลของออกซิเจนทำให้การลดทอนเพิ่มขึ้นอย่างมาก การดูดซับออกซิเจนที่เพิ่มขึ้นอย่างมากนี้จะ จำกัด ระยะการส่งสัญญาณวิทยุของผลิตภัณฑ์วิทยุ 60 GHz อย่างจริงจัง อย่างไรก็ตามนอกเหนือจากการดูดซับออกซิเจน 60 GHz สูงสุดแล้วหน้าต่างการลดทอนต่ำที่กว้างขึ้นจะเปิดขึ้นโดยที่การลดทอนจะลดลงกลับไปที่ค่าประมาณ 0.5 dB / km หน้าต่างของการลดทอนต่ำนี้มักเรียกกันว่า E-band ค่าการลดทอน E-band ใกล้เคียงกับค่าการลดทอนที่วิทยุไมโครเวฟทั่วไปได้รับ สูงกว่า 100 GHz การลดทอนของบรรยากาศโดยทั่วไปจะเพิ่มขึ้นและนอกจากนี้ยังมีแถบการดูดซับโมเลกุลจำนวนมากที่เกิดจากการดูดซับ O2 และ H2O ที่ความถี่สูงกว่า โดยสรุปมันเป็นหน้าต่างลดทอนบรรยากาศที่ค่อนข้างต่ำระหว่าง 70 GHz ถึง 100 GHz ซึ่งทำให้ความถี่ E-band น่าสนใจสำหรับการส่งไร้สายความจุสูง รูปที่ 1 ยังแสดงให้เห็นว่าการลดทอนของฝนและหมอกในไมโครเวฟคลื่นมิลลิเมตรและแถบแสงอินฟราเรดที่เริ่มต้นประมาณ 200 เทราเฮิร์ตซ์ (THz) และที่ใช้ในระบบส่ง FSO ที่ค่าการลดทอนของปริมาณน้ำฝนที่หลากหลายและเฉพาะเจาะจงจะเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยโดยมีความถี่ในการส่งเพิ่มขึ้น ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราปริมาณน้ำฝนและระยะการส่งข้อมูลจะได้รับการตรวจสอบเพิ่มเติมในส่วนต่อไปนี้ การลดทอนที่เกี่ยวข้องกับหมอกโดยทั่วไปสามารถละเลยได้ที่ความถี่คลื่นมิลลิเมตรซึ่งเพิ่มขึ้นตามลำดับขนาดระหว่างคลื่นมิลลิเมตรและแถบการส่งผ่านแสง: สาเหตุหลักที่ระบบ FSO ระยะไกลหยุดทำงานภายใต้สภาวะที่มีหมอก

ระยะการส่งข้อมูลสำหรับ E-Band
เช่นเดียวกับการแพร่กระจายคลื่นวิทยุความถี่สูงโดยทั่วไปการลดทอนของฝนจะกำหนดขีด จำกัด ในทางปฏิบัติเกี่ยวกับระยะการส่งสัญญาณ รูปที่ 2 แสดงให้เห็นว่าระบบวิทยุที่ทำงานในช่วงความถี่ E-band จะได้รับการลดทอนจำนวนมากเมื่อมีฝนตก [2] โชคดีที่ฝนที่รุนแรงที่สุดมีแนวโน้มที่จะตกในพื้นที่ จำกัด ของโลก ส่วนใหญ่เป็นประเทศกึ่งเขตร้อนและเส้นศูนย์สูตร ในช่วงเวลาที่มีฝนตกชุกมากกว่าเจ็ดนิ้ว / ชั่วโมง (180 มม. / ชั่วโมง) สามารถสังเกตได้ในช่วงเวลาสั้น ๆ ในสหรัฐอเมริกาและยุโรปโดยทั่วไปอัตราฝนตกสูงสุดจะน้อยกว่าสี่นิ้ว / ชั่วโมง (100 มม. / ชม.) อัตราฝนตกดังกล่าวทำให้เกิดการลดทอนสัญญาณ 30 เดซิเบล / กม. ​​และโดยทั่วไปจะเกิดขึ้นเฉพาะในช่วงที่เมฆระเบิดสั้น ๆ การระเบิดของเมฆเหล่านี้เป็นเหตุการณ์ฝนที่ปรากฏในพื้นที่ที่มีขนาดค่อนข้างเล็กและมีการแปลเป็นภาษาท้องถิ่นและภายในความเข้มต่ำกว่าเมฆฝนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่า เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วการระเบิดของเมฆจะเกี่ยวข้องกับเหตุการณ์สภาพอากาศที่รุนแรงซึ่งเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วทั่วทั้งลิงก์ฝนจึงมักจะเกิดขึ้นในระยะสั้นและเป็นปัญหาเฉพาะกับลิงก์การส่งข้อมูลระยะไกล

คลื่นมิลลิเมตรและ E-Band ลดทอนฝน

ITU Rain Zones คลื่นมิลลิเมตรทั่วโลก E-Band V-Band

สหภาพโทรคมนาคมระหว่างประเทศ (ITU) และองค์กรวิจัยอื่น ๆ ได้รวบรวมข้อมูลปริมาณน้ำฝนจากทั่วทุกมุมโลกมานานหลายทศวรรษ โดยทั่วไปลักษณะของปริมาณน้ำฝนและความสัมพันธ์ระหว่างอัตราปริมาณน้ำฝนระยะเวลาฝนทางสถิติขนาดของฝนตก ฯลฯ เป็นที่เข้าใจกันดี [3] และด้วยการใช้ข้อมูลนี้จึงเป็นไปได้ที่จะสร้างลิงก์วิทยุเพื่อเอาชนะแม้กระทั่งเหตุการณ์สภาพอากาศที่เลวร้ายที่สุดหรือเพื่อทำนาย ระยะเวลาของการหยุดทำงานที่เกี่ยวข้องกับสภาพอากาศในลิงก์วิทยุทางไกลที่ทำงานที่ความถี่เฉพาะ โครงร่างการจำแนกเขตฝนของ ITU จะแสดงอัตราฝนตกทางสถิติที่คาดไว้ตามลำดับตัวอักษร ในขณะที่พื้นที่ที่มีฝนตกน้อยที่สุดจัดเป็น "ภูมิภาค A" อัตราฝนตกสูงสุดอยู่ใน "ภูมิภาค Q" แผนที่เขตฝน ITU ทั่วโลกและรายการอัตราฝนตกในภูมิภาคเฉพาะของโลกแสดงในรูปที่ 3 ด้านล่าง

 MMW Rain Fade Map สำหรับ USA E-band V-band

รูปที่ 3: การจำแนกเขตฝนของ ITU ของภูมิภาคต่างๆทั่วโลก (ด้านบน) และอัตราปริมาณน้ำฝนที่แท้จริงตามระยะเวลาของเหตุการณ์ฝน

รูปที่ 4 แสดงแผนที่โดยละเอียดเพิ่มเติมสำหรับอเมริกาเหนือและออสเตรเลีย เป็นเรื่องที่ควรค่าแก่การกล่าวถึงว่าประมาณ 80% ของดินแดนทวีปอเมริกาตกอยู่ในเขตฝน K และต่ำกว่า กล่าวอีกนัยหนึ่งในการทำงานที่ระดับความพร้อมใช้งาน 99.99% ต้องออกแบบระยะขอบจางของระบบวิทยุให้ทนต่ออัตราฝนตกสูงสุด 42 มม. / ชม. อัตราฝนตกสูงสุดในอเมริกาเหนือสามารถสังเกตได้ในฟลอริดาและตามชายฝั่งอ่าวและภูมิภาคเหล่านี้จัดอยู่ในเขตฝน N โดยทั่วไปออสเตรเลียมีฝนตกน้อยกว่าอเมริกาเหนือ พื้นที่ส่วนใหญ่ของประเทศนี้รวมทั้งแนวชายฝั่งทางใต้ที่มีประชากรมากขึ้นตั้งอยู่ในเขตฝน E และ F (<28 mm / h)

เพื่อให้ง่ายขึ้นโดยการรวมผลลัพธ์ของรูปที่ 2 (อัตราปริมาณน้ำฝนเทียบกับการลดทอน) และใช้แผนภูมิปริมาณน้ำฝนของ ITU ที่แสดงในรูปที่ 3 และ 4 จึงเป็นไปได้ที่จะคำนวณความพร้อมใช้งานของระบบวิทยุเฉพาะที่ทำงานในพื้นที่ส่วนหนึ่งของโลก . การคำนวณทางทฤษฎีจากข้อมูลปริมาณน้ำฝนในสหรัฐอเมริกายุโรปและออสเตรเลียแสดงให้เห็นว่าอุปกรณ์ส่งสัญญาณวิทยุ 70/80 GHz สามารถเชื่อมต่อ GbE ได้ที่ระดับความพร้อมใช้งานทางสถิติที่ 99.99 … 99.999% ในระยะทางใกล้หนึ่งไมล์หรือมากกว่านั้น สำหรับความพร้อมใช้งานที่ต่ำกว่า 99.9% สามารถทำได้ระยะทางที่เกิน 2 ไมล์เป็นประจำ เมื่อกำหนดค่าเครือข่ายในโทโพโลยีแบบวงแหวนหรือแบบเมชระยะทางที่มีประสิทธิภาพจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าในบางกรณีสำหรับตัวเลขความพร้อมใช้งานเดียวกันเนื่องจากลักษณะการรวมกลุ่มของเซลล์ฝนตกหนักที่หนาแน่นและความซ้ำซ้อนของเส้นทางที่โทโพโลยีวงแหวน / ตาข่ายมีให้

MMW Rain Fade แผนที่ออสเตรเลีย E-Band V_Band

รูปที่ 4: การจำแนกเขตฝนของ ITU สำหรับอเมริกาเหนือและออสเตรเลีย

ข้อดีอย่างหนึ่งของเทคโนโลยี MMW เหนือโซลูชันไร้สายความจุสูงอื่น ๆ เช่น free space optics (FSO) คือความถี่ MMW ไม่ได้รับผลกระทบจากความบกพร่องในการส่งสัญญาณอื่น ๆ เช่นหมอกหรือพายุทราย ตัวอย่างเช่นหมอกหนาที่มีปริมาณน้ำเป็นของเหลว 0.1 g / m3 (การมองเห็นประมาณ 50 ม.) มีการลดทอนเพียง 0.4 dB / km ที่ 70/80 GHz [4] ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ระบบ FSO จะมีการลดทอนสัญญาณมากกว่า 250 dB / km [5] ค่าการลดทอนที่รุนแรงเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าทำไมเทคโนโลยี FSO จึงสามารถให้ตัวเลขความพร้อมใช้งานสูงในระยะทางสั้น ๆ เท่านั้น ระบบวิทยุ E-band ไม่ได้รับผลกระทบจากฝุ่นทรายหิมะและความบกพร่องของเส้นทางการส่งสัญญาณอื่น ๆ ในทำนองเดียวกัน

เทคโนโลยีไร้สายอัตราข้อมูลสูงทางเลือก
ในฐานะที่เป็นทางเลือกอื่นของเทคโนโลยีไร้สาย E-band มีเทคโนโลยีที่ใช้งานได้จำนวน จำกัด ที่สามารถรองรับการเชื่อมต่อที่มีอัตราข้อมูลสูง ส่วนนี้ของเอกสารไวท์เปเปอร์จะให้ภาพรวมสั้น ๆ

สายไฟเบอร์ออปติก

สายไฟเบอร์ออปติกมีแบนด์วิดท์ที่กว้างที่สุดในบรรดาเทคโนโลยีการรับส่งข้อมูลที่ใช้งานได้จริงทำให้สามารถส่งข้อมูลในระยะทางไกลได้สูงมาก แม้ว่าไฟเบอร์หลายพันไมล์จะมีให้บริการทั่วโลกและโดยเฉพาะอย่างยิ่งในเครือข่ายระยะไกลและระหว่างเมือง แต่การเข้าถึง“ Last-Mile” ยังคง จำกัด เนื่องจากค่าใช้จ่ายล่วงหน้าที่สูงมากและมักจะสูงอย่างห้ามไม่ได้ซึ่งเกี่ยวข้องกับการขุดสนามเพลาะและการวางเส้นใยบนบกรวมถึงปัญหาที่ถูกต้องการเข้าถึงไฟเบอร์จึงเป็นเรื่องยากที่จะเป็นไปไม่ได้ นอกจากนี้ยังมีความล่าช้าเป็นเวลานานไม่เพียง แต่เป็นเพราะกระบวนการทางกายภาพของการขุดเส้นใยเท่านั้น แต่ยังเกิดจากอุปสรรคที่เกิดจากผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมและอุปสรรคของระบบราชการที่อาจเกิดขึ้นในโครงการดังกล่าว ด้วยเหตุนี้หลายเมืองทั่วโลกจึงห้ามไม่ให้มีการขุดไฟเบอร์เนื่องจากการจราจรติดขัดในเมืองชั้นในและความไม่สะดวกโดยทั่วไปที่กระบวนการขุดเจาะทำให้ประชาชนเกิดความไม่สะดวก

โซลูชั่นวิทยุไมโครเวฟ

วิทยุไมโครเวฟแบบจุดต่อจุดคงที่สามารถรองรับอัตราข้อมูลที่สูงขึ้นเช่นฟูลดูเพล็กซ์ 100 Mbps Fast Ethernet หรือสูงสุด 500 Mbps ต่อผู้ให้บริการในช่วงความถี่ระหว่าง 4-42 GHz อย่างไรก็ตามในแถบคลื่นไมโครเวฟแบบดั้งเดิมสเปกตรัมมี จำกัด มักจะแออัดและช่องสัญญาณสเปกตรัมที่ได้รับอนุญาตโดยทั่วไปจะแคบมากเมื่อเทียบกับสเปกตรัม E-Band

คลื่นไมโครเวฟและมิลลิเมตรคลื่น MMW สเปกตรัม V-band และ E-band

รูปที่ 5: การเปรียบเทียบระหว่างวิทยุไมโครเวฟอัตราข้อมูลสูงกับโซลูชันวิทยุ 70/80 GHz

โดยทั่วไปช่องความถี่ที่มีให้สำหรับการออกใบอนุญาตมักจะมีขนาดไม่เกิน 56 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) แต่โดยทั่วไปคือ 30 MHz หรือต่ำกว่า ในบางย่านความถี่อาจมีช่องสัญญาณกว้าง 112MHz ที่รองรับ 880Mbps ต่อผู้ให้บริการ แต่เฉพาะในย่านความถี่ที่สูงขึ้นซึ่งเหมาะสำหรับระยะทางสั้น ๆ ดังนั้นวิทยุที่ทำงานในย่านความถี่เหล่านี้ในอัตราข้อมูลที่สูงขึ้นต้องใช้สถาปัตยกรรมระบบที่ซับซ้อนสูงโดยใช้โครงร่างการมอดูเลตสูงถึง 1024 Quadrature Amplitude Modulation (QAM) ระบบที่มีความซับซ้อนสูงดังกล่าวส่งผลให้มีระยะทางที่ จำกัด และทรูพุตยังคง จำกัด อัตราข้อมูลไว้ที่ 880Mbps ในช่องสัญญาณที่ใหญ่ที่สุด เนื่องจากคลื่นความถี่ที่มีอยู่ในวงดนตรีเหล่านี้มีจำนวน จำกัด รูปแบบลำแสงกว้างของเสาอากาศที่กว้างขึ้นและความไวของการมอดูเลต QAM ที่สูงต่อสัญญาณรบกวนทุกประเภทการติดตั้งโซลูชันไมโครเวฟแบบดั้งเดิมที่หนาแน่นขึ้นในเขตเมืองหรือปริมณฑลจึงเป็นปัญหาอย่างมาก การเปรียบเทียบสเปกตรัมภาพระหว่างคลื่นไมโครเวฟแบบดั้งเดิมกับวิธี 70/80 GHz แสดงในรูปที่ 5

โซลูชันวิทยุคลื่นมิลลิเมตร 60 GHz (V-Band)
การจัดสรรความถี่ภายในคลื่นความถี่ 60 GHz และโดยเฉพาะอย่างยิ่งการจัดสรรระหว่าง 57 … 66 GHz นั้นแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญในภูมิภาคต่างๆของโลก FCC ในอเมริกาเหนือได้เปิดตัวคลื่นความถี่ที่กว้างขึ้นระหว่าง 57 … 64 GHz ซึ่งให้แบนด์วิดท์ที่เพียงพอสำหรับการทำงานของ Full-duplex GbE ประเทศอื่น ๆ ไม่ได้ปฏิบัติตามคำวินิจฉัยนี้และประเทศเหล่านี้สามารถเข้าถึงการจัดสรรความถี่ที่มีขนาดเล็กกว่ามากและมักจะเป็นช่องสัญญาณภายในแถบคลื่นความถี่ 60 GHz คลื่นความถี่ที่มีอยู่นอกสหรัฐอเมริกาจำนวน จำกัด ไม่อนุญาตให้สร้างโซลูชันวิทยุ 60 GHz ที่คุ้มค่าในอัตราข้อมูลสูงในยุโรปประเทศต่างๆเช่นเยอรมนีฝรั่งเศสและอังกฤษเพียงไม่กี่รายการ อย่างไรก็ตามแม้ในสหรัฐอเมริกาข้อ จำกัด ด้านกำลังส่งที่มีการควบคุมควบคู่ไปกับลักษณะการแพร่กระจายที่ค่อนข้างแย่เนื่องจากโมเลกุลของออกซิเจนดูดซึมในชั้นบรรยากาศสูง (ดูรูปที่ 1) จำกัด ระยะทางเชื่อมโยงทั่วไปให้น้อยกว่าครึ่งไมล์ เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพระดับผู้ให้บริการ 99.99 … 99.999% ความพร้อมใช้งานของระบบสำหรับส่วนใหญ่ของดินแดนในทวีปอเมริกาโดยทั่วไประยะทางจะ จำกัด ไว้ที่มากกว่า 500 หลาเล็กน้อย (500 เมตร) FCC ได้จัดประเภทคลื่นความถี่ 60 GHz เป็นคลื่นความถี่ที่ไม่มีใบอนุญาต ซึ่งแตกต่างจากการจัดสรรความถี่ 70/80 GHz ที่สูงขึ้นการทำงานของระบบวิทยุ 60 GHz ไม่จำเป็นต้องได้รับการอนุมัติหรือการประสานงานทางกฎหมาย ในแง่หนึ่งการใช้เทคโนโลยีที่ไม่มีใบอนุญาตเป็นที่นิยมอย่างมากในหมู่ผู้ใช้ปลายทาง แต่ในขณะเดียวกันก็ไม่มีการป้องกันการรบกวนไม่ว่าจะโดยบังเอิญหรือโดยเจตนา โดยสรุปโดยเฉพาะอย่างยิ่งในสหรัฐอเมริกาการใช้คลื่นความถี่ 60 GHz อาจเป็นทางเลือกที่เป็นไปได้สำหรับการใช้งานในระยะทางสั้น ๆ แต่เทคโนโลยีนี้ไม่ใช่ทางเลือกที่แท้จริงสำหรับระยะทางเชื่อมต่อที่เกิน 500 เมตรและเมื่อต้องการความพร้อมของระบบ 99.99 … 99.999%

เลนส์อวกาศฟรี (FSO, Optical Wireless)
เทคโนโลยี Free space optic (FSO) ใช้เทคโนโลยีเลเซอร์อินฟราเรดในการส่งข้อมูลระหว่างสถานที่ห่างไกล เทคโนโลยีนี้ช่วยให้ส่งอัตราข้อมูลที่สูงมากถึง 1. 5 Gbps ขึ้นไป เทคโนโลยี FSO โดยทั่วไปเป็นเทคโนโลยีการส่งผ่านที่ปลอดภัยมากไม่มีแนวโน้มที่จะถูกรบกวนเนื่องจากลักษณะลำแสงที่แคบมากและยังไม่มีใบอนุญาตทั่วโลก

น่าเสียดายที่การส่งสัญญาณในแถบแสงอินฟราเรดได้รับผลกระทบอย่างมากจากหมอกซึ่งการดูดซับบรรยากาศอาจเกิน 130 dB / km [5] โดยทั่วไปสภาพอากาศทุกประเภทที่ส่งผลกระทบต่อการมองเห็นระหว่างสถานที่สองแห่ง (เช่นทรายฝุ่นละออง) จะส่งผลต่อประสิทธิภาพของระบบ FSO ด้วย เหตุการณ์หมอกและพายุฝุ่น / ทรายยังสามารถแปลเป็นภาษาท้องถิ่นได้มากและคาดเดาได้ยากดังนั้นการคาดการณ์ความพร้อมของระบบ FSO จึงทำได้ยากขึ้น ซึ่งแตกต่างจากเหตุการณ์ฝนตกที่รุนแรงซึ่งมีระยะเวลาสั้นมากหมอกและฝุ่นละออง / พายุทรายยังคงอยู่ได้นานมาก (ชั่วโมงหรือเป็นวันแทนที่จะเป็นนาที) ซึ่งอาจส่งผลให้ระบบ FSO ที่ทำงานภายใต้เงื่อนไขดังกล่าวหยุดทำงานเป็นเวลานานมาก

จากมุมมองที่ใช้งานได้จริงและเมื่อพิจารณาจำนวนความพร้อมใช้งาน 99.99 … 99.999% ทั้งหมดข้างต้นสามารถ จำกัด เทคโนโลยี FSO ไว้ที่ระยะทางเพียงไม่กี่ร้อยหลา (300 เมตร) โดยเฉพาะอย่างยิ่งในบริเวณชายฝั่งหรือบริเวณที่มีหมอกลงจัดรวมทั้งในภูมิภาคที่มีพายุทราย / ฝุ่น เพื่อรักษาการเชื่อมต่อ 100% เมื่อปรับใช้ระบบ FSO ในสภาพแวดล้อมประเภทนี้ขอแนะนำให้ใช้เทคโนโลยีเส้นทางอื่น

ผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ยอมรับว่าเทคโนโลยี FSO สามารถเสนอทางเลือกที่น่าสนใจและราคาไม่แพงในการเชื่อมต่อสถานที่ห่างไกลแบบไร้สายในระยะทางสั้น ๆ อย่างไรก็ตามฟิสิกส์ของการลดทอนสัญญาณในสเปกตรัมอินฟราเรดมักจะ จำกัด เทคโนโลยีนี้ให้อยู่ในระยะทางที่สั้นมาก

การเปรียบเทียบสั้น ๆ ของเทคโนโลยีการส่งข้อมูลอัตราสูงที่กล่าวถึงและมีจำหน่ายทั่วไปและตัวขับเคลื่อนประสิทธิภาพที่สำคัญแสดงไว้ในตารางที่ 1

MMW เปรียบเทียบกับเทคโนโลยีไร้สายอื่น ๆ

ตารางที่ 1: แผนภูมิเปรียบเทียบของเทคโนโลยีการส่งข้อมูลแบบสายและไร้สายที่มีอัตราข้อมูลสูงในเชิงพาณิชย์

โซลูชันมิลลิเมตร - คลื่นที่มีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์
กลุ่มผลิตภัณฑ์ CableFree Millimeter-wave ประกอบด้วยโซลูชันวิทยุแบบจุดต่อจุดที่ทำงานจากความเร็ว 100 Mbps ถึง 10 Gbps (10 Gigabit Ethernet) ในสเปกตรัม E-band 70 GHz ที่ได้รับอนุญาตและสูงสุด 1Gbps ในสเปกตรัม 60 GHz ที่ไม่มีใบอนุญาต ระบบมีให้เลือกใช้กับเสาอากาศขนาดต่างๆเพื่อตอบสนองความต้องการความพร้อมใช้งานของลูกค้าในระยะการใช้งานเฉพาะในราคาที่แข่งขันได้มากที่สุดของผู้ผลิตวิทยุ E-band ในอุตสาหกรรม โซลูชันวิทยุ E-band ของ Wireless Excellence ทำงานในย่านความถี่ต่ำกว่า 5 GHz ของคลื่นความถี่ 70/80 GHz E-band ที่ได้รับอนุญาตเท่านั้นแทนที่จะส่งพร้อมกันทั้งในย่านความถี่ 70 GHz และ 80 GHz เป็นผลให้ผลิตภัณฑ์ Wireless Excellence ไม่มีแนวโน้มที่จะมีข้อ จำกัด ในการใช้งานที่อาจเกิดขึ้นใกล้กับสถานที่ทางดาราศาสตร์หรือสถานที่ปฏิบัติงานทางทหารในยุโรปซึ่งกองทัพใช้บางส่วนของย่านความถี่ 80 GHz สำหรับการสื่อสารทางทหาร ระบบนี้ง่ายต่อการติดตั้งและเนื่องจากฟีดไฟฟ้าแรงดันต่ำ 48 โวลต์กระแสตรง (Vdc) จึงไม่จำเป็นต้องมีช่างไฟฟ้าที่ผ่านการรับรองในการติดตั้งระบบ ภาพถ่ายของผลิตภัณฑ์ Wireless Excellence แสดงในรูปที่ 6 ด้านล่าง

CableFree MMW Link ที่ปรับใช้ใน UAE

รูปที่ 6: วิทยุ MMW ของ CableFree มีขนาดกะทัดรัดและรวมเข้าด้วยกัน แสดงรุ่นเสาอากาศ 60 ซม

สรุปและข้อสรุป
เพื่อแก้ปัญหาความต้องการการเชื่อมต่อเครือข่ายที่มีความจุสูงในปัจจุบันมีโซลูชันไร้สายที่เชื่อถือได้สูงซึ่งให้ประสิทธิภาพการทำงานเหมือนไฟเบอร์ในราคาเพียงเศษเสี้ยวของการวางไฟเบอร์หรือการเช่าการเชื่อมต่อไฟเบอร์ความจุสูง สิ่งนี้มีความสำคัญไม่เพียง แต่จากมุมมองด้านประสิทธิภาพ / ต้นทุนเท่านั้น แต่ยังเป็นเพราะการเชื่อมต่อไฟเบอร์ในเครือข่ายการเข้าถึง“ Last-Mile” ยังไม่แพร่หลายมากนักและการศึกษาล่าสุดพบว่าในสหรัฐอเมริกามีเพียง 13.4% ของอาคารพาณิชย์ที่มีมากกว่า พนักงาน 20 คนเชื่อมต่อกับไฟเบอร์ ตัวเลขเหล่านี้ยังลดลงในอีกหลายประเทศ

มีเทคโนโลยีหลายอย่างในตลาดที่สามารถให้การเชื่อมต่อกิกะบิตเพื่อเชื่อมต่อตำแหน่งเครือข่ายระยะไกล โซลูชัน E-band ที่ได้รับอนุญาตในช่วงความถี่ 70/80 GHz นั้นน่าสนใจเป็นพิเศษเนื่องจากสามารถให้ตัวเลขความพร้อมใช้งานระดับผู้ให้บริการสูงสุดที่ระยะการทำงานหนึ่งไมล์ (1.6 กม.) และไกลกว่านั้น ในสหรัฐอเมริกาการพิจารณาคดีของ FCC ที่สำคัญในปี 2003 ได้เปิดสเปกตรัมนี้สำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์และโครงการอนุญาตให้ใช้สิทธิ์แสงต้นทุนต่ำทางอินเทอร์เน็ตช่วยให้ผู้ใช้ได้รับใบอนุญาตสำหรับการดำเนินการภายในไม่กี่ชั่วโมง ประเทศอื่น ๆ มีอยู่แล้วและ / หรือกำลังอยู่ในกระบวนการเปิดคลื่นความถี่ E-band เพื่อใช้ในเชิงพาณิชย์ วิทยุ 60 GHz ที่ไม่มีใบอนุญาตและระบบออปติกพื้นที่ว่าง (FSO) ยังสามารถให้การเชื่อมต่อกิกะบิตอีเทอร์เน็ต แต่ในระดับความพร้อมใช้งานระดับผู้ให้บริการ 99.99 … 99.999% ที่สูงขึ้นโซลูชันทั้งสองนี้สามารถทำงานได้ในระยะทางที่ลดลงเท่านั้น ตามหลักการง่ายๆและสำหรับพื้นที่ส่วนใหญ่ของสหรัฐอเมริกาโซลูชัน 60 GHz สามารถให้ระดับความพร้อมใช้งานสูงเหล่านี้ได้ก็ต่อเมื่อใช้งานในระยะที่ต่ำกว่า 500 หลา (500 เมตร)

อ้างอิง
● ITU-R หน้า 676-6“ การลดทอนโดยก๊าซในบรรยากาศ” ปี 2005
● ITU-R หน้า 838-3“ แบบจำลองการลดทอนเฉพาะสำหรับฝนเพื่อใช้ในวิธีการทำนาย” ปี 2005
● ITU-R หน้า 837-4“ ลักษณะของหยาดน้ำฟ้าสำหรับการสร้างแบบจำลองการขยายพันธุ์” พ.ศ. 2003
● ITU-R P.840-3,“ การลดทอนเนื่องจากเมฆและหมอก” 1999

สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับคลื่นมิลลิเมตร E-Band

สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ E-Band MMW โปรด ติดต่อเรา

ฝากข้อความ 

รายการข้อความ