Technologie de liaison micro-ondes

 

Introduction au micro-ondes

 

Exemple d'installation d'une liaison micro-ondes sans câble

Microwave est une technologie de communication sans fil à visibilité directe qui utilise des faisceaux d'ondes radio à haute fréquence pour fournir des connexions sans fil à haut débit capables d'envoyer et de recevoir des informations vocales, vidéo et de données.

Les liaisons hyperfréquences sont largement utilisées pour les communications point à point car leur petite longueur d'onde permet à des antennes de taille appropriée de les diriger en faisceaux étroits, qui peuvent être dirigés directement vers l'antenne de réception. Cela permet aux équipements micro-ondes à proximité d'utiliser les mêmes fréquences sans interférer les uns avec les autres, comme le font les ondes radio à basse fréquence. Un autre avantage est que la fréquence élevée des micro-ondes confère à la bande micro-ondes une très grande capacité de transport d'informations; la bande hyperfréquence a une largeur de bande 30 fois supérieure à celle de tout le reste du spectre radioélectrique en dessous.

La transmission radio micro-ondes est couramment utilisée dans les systèmes de communication point à point à la surface de la Terre, dans les communications par satellite et dans les communications radio dans l'espace lointain. D'autres parties de la bande radio micro-onde sont utilisées pour les radars, les systèmes de radionavigation, les systèmes de capteurs et la radioastronomie.

La partie supérieure du spectre radio-électromagnétique avec des fréquences supérieures à 30 GHz et inférieures à 100 GHz, sont appelées «ondes millimétriques» parce que leurs longueurs d'onde sont commodément mesurées en millimètres et leurs longueurs d'onde vont de 10 mm à 3.0 mm. Les ondes radio de cette bande sont généralement fortement atténuées par l'atmosphère terrestre et les particules qu'elle contient, en particulier par temps humide. Aussi, dans une large bande de fréquences autour de 60 GHz, les ondes radio sont fortement atténuées par l'oxygène moléculaire de l'atmosphère. Les technologies électroniques nécessaires dans la bande d'ondes millimétriques sont également beaucoup plus complexes et plus difficiles à fabriquer que celles de la bande hyperfréquence, d'où le coût des radios à ondes millimétriques est généralement plus élevé.

Histoire de la communication par micro-ondes
James Clerk Maxwell, utilisant ses fameuses «équations de Maxwell», a prédit l'existence d'ondes électromagnétiques invisibles, dont les micro-ondes font partie, en 1865. En 1888, Heinrich Hertz est devenu le premier à démontrer l'existence de telles ondes en construisant un appareil qui micro-ondes produites et détectées dans la région des ultra hautes fréquences. Hertz a reconnu que les résultats de son expérience validaient la prédiction de Maxwell, mais il ne voyait aucune application pratique pour ces ondes invisibles. Des travaux ultérieurs par d'autres ont conduit à l'invention des communications sans fil, basées sur les micro-ondes. Les contributeurs à ce travail comprenaient Nikola Tesla, Guglielmo Marconi, Samuel Morse, Sir William Thomson (plus tard Lord Kelvin), Oliver Heaviside, Lord Rayleigh et Oliver Lodge.

Lien micro-ondes sur la Manche, 1931

En 1931, un consortium franco-américain a démontré une liaison de relais hyperfréquence expérimentale à travers la Manche en utilisant des paraboles de 10 pieds (3 m), l'un des premiers systèmes de communication hyperfréquence. Les données de téléphonie, de télégraphe et de télécopie ont été transmises sur les faisceaux de 1.7 GHz à 40 miles entre Douvres, Royaume-Uni et Calais, France. Cependant, il ne pouvait pas concurrencer les tarifs de câbles sous-marins bon marché et un système commercial planifié n'a jamais été construit.

Au cours des années 1950, le système AT&T Long Lines de liaisons relais hyperfréquences s'est développé pour acheminer la majorité du trafic téléphonique interurbain américain, ainsi que les signaux des réseaux de télévision intercontinentaux. Le prototype s'appelait TDX et a été testé avec une connexion entre New York et Murray Hill, l'emplacement des laboratoires Bell en 1946. Le système TDX a été mis en place entre New York et Boston en 1947.

Liens micro-ondes commerciaux modernes
Tour de communication micro-ondes CableFree

Tour de communication micro-ondes

Une liaison hyperfréquence est un système de communication qui utilise un faisceau d'ondes radio dans la gamme de fréquences micro-ondes pour transmettre de la vidéo, de l'audio ou des données entre deux emplacements, qui peuvent être distants de quelques pieds ou mètres à plusieurs miles ou kilomètres. Des exemples de liaisons micro-ondes commerciales de CableFree peuvent être consultés ici. Les liaisons hyperfréquences modernes peuvent transporter jusqu'à 400 Mbps dans un canal 56 MHz en utilisant des techniques de modulation 256QAM et de compression d'en-tête IP. Les distances de fonctionnement des liaisons hyperfréquences sont déterminées par la taille de l'antenne (gain), la bande de fréquence et la capacité de la liaison. La disponibilité d'une ligne de visée claire est cruciale pour les liaisons hyperfréquences pour lesquelles la courbure de la Terre doit être autorisée

CableFree FOR2 Microwave Link 400 Mbps

Les liaisons hyperfréquences sont couramment utilisées par les télédiffuseurs pour transmettre des programmes à travers un pays, par exemple, ou depuis une émission extérieure vers un studio. Les unités mobiles peuvent être montées sur une caméra, ce qui permet aux caméras de se déplacer librement sans câbles traînant. Ceux-ci sont souvent vus sur les lignes de touche des terrains de sport sur les systèmes Steadicam.

Planification des liaisons micro-ondes
● Les liaisons hyperfréquences CableFree doivent être planifiées en tenant compte des paramètres suivants:
● Distance (km / miles) et capacité (Mbps) requises
● Objectif de disponibilité souhaité (%) pour le lien
● Disponibilité de la ligne de visée claire (LOS) entre les nœuds d'extrémité
● Tours ou mâts si nécessaire pour obtenir une LOS claire
● Bandes de fréquences autorisées spécifiques à la région / au pays
● Contraintes environnementales, y compris la pluie s'estompe
● Coût des licences pour les bandes de fréquences requises
 
 

Bandes de fréquence micro-ondes

Les signaux hyperfréquences sont souvent divisés en trois catégories:

ultra haute fréquence (UHF) (0.3-3 GHz);
super haute fréquence (SHF) (3-30 GHz); et
fréquence extrêmement élevée (EHF) (30-300 GHz).
De plus, les bandes de fréquences micro-ondes sont désignées par des lettres spécifiques. Les désignations de la Radio Society of Great Britain sont données ci-dessous.
Bandes de fréquences micro-ondes
Désignation Gamme de fréquences
● Bande L 1 à 2 GHz
● Bande S 2 à 4 GHz
● Bande C 4 à 8 GHz
● Bande X 8 à 12 GHz
● Bande Ku 12 à 18 GHz
● Bande K 18 à 26.5 GHz
Bande Ka 26.5 à 40 GHz
● Bande Q 30 à 50 GHz
● Bande U 40 à 60 GHz
● Bande V 50 à 75 GHz
● Bande E 60 à 90 GHz
● Bande W 75 à 110 GHz
● Bande F 90 à 140 GHz
● Bande D 110 à 170 GHz

Le terme «bande P» est parfois utilisé pour les très hautes fréquences en dessous de la bande L. Pour d'autres définitions, voir Désignation des lettres des bandes de micro-ondes

Des fréquences micro-ondes plus basses sont utilisées pour les liaisons plus longues et les régions avec une forte atténuation par la pluie. Inversement, des fréquences plus élevées sont utilisées pour les liaisons plus courtes et les régions avec un faible évanouissement dû à la pluie.

La pluie s'estompe sur les liaisons micro-ondes

L'évanouissement de la pluie par liaison micro-ondes se réfère principalement à l'absorption d'un signal de radiofréquence (RF) micro-ondes par la pluie atmosphérique, la neige ou la glace, et les pertes qui sont particulièrement fréquentes aux fréquences supérieures à 11 GHz. Il se réfère également à la dégradation d'un signal causée par l'interférence électromagnétique du front d'attaque d'un front d'orage. L'évanouissement dû à la pluie peut être causé par des précipitations à l'emplacement de la liaison montante ou descendante. Cependant, il n'est pas nécessaire qu'il pleuve à un endroit pour qu'il soit affecté par la pluie, car le signal peut traverser des précipitations à plusieurs kilomètres de distance, surtout si l'antenne parabolique a un angle de vue faible. De 5 à 20 pour cent de l'évanouissement dû à la pluie ou de l'atténuation du signal satellite peuvent également être causés par la pluie, la neige ou la glace sur le réflecteur d'antenne de liaison montante ou descendante, le radôme ou le cornet d'alimentation. L'évanouissement par la pluie ne se limite pas aux liaisons montantes ou descendantes des satellites, il peut également affecter les liaisons hertziennes point à point terrestres (celles situées à la surface de la Terre).

Les moyens possibles de surmonter les effets de l'évanouissement dû à la pluie sont la diversité des sites, le contrôle de la puissance en liaison montante, le codage à débit variable, des antennes de réception plus grandes (c'est-à-dire à gain plus élevé) que la taille requise pour des conditions météorologiques normales et des revêtements hydrophobes.

Diversité des liaisons micro-ondes
 

Exemple de liaison hyperfréquence non protégée 1 + 0

Dans les liaisons hertziennes terrestres, un schéma de diversité fait référence à un procédé pour améliorer la fiabilité d'un signal de message en utilisant deux canaux de communication ou plus avec des caractéristiques différentes. La diversité joue un rôle important dans la lutte contre les évanouissements et les interférences dans le même canal et pour éviter les salves d'erreur. Il est basé sur le fait que les canaux individuels subissent différents niveaux d'évanouissement et d'interférence. Plusieurs versions du même signal peuvent être transmises et / ou reçues et combinées dans le récepteur. En variante, un code de correction d'erreur directe redondant peut être ajouté et différentes parties du message transmises sur différents canaux. Les techniques de diversité peuvent exploiter la propagation par trajets multiples, résultant en un gain de diversité, souvent mesuré indécibels.

Les classes suivantes de schémas de diversité sont typiques des liaisons hertziennes terrestres:
● Non protégé: les liaisons hyperfréquences où il n'y a pas de diversité ou de protection sont classées comme non protégées et également comme 1 + 0. Il y a un ensemble d'équipement installé, et aucune diversité ou sauvegarde
● Hot Standby: Deux ensembles d'équipements micro-ondes (ODU ou radios actives) sont installés généralement connectés à la même antenne, syntonisés sur le même canal de fréquence. L'un est «hors tension» ou en mode veille, généralement avec le récepteur actif mais l'émetteur coupé. Si l'unité active tombe en panne, elle est mise hors tension et l'unité de secours est activée. La redondance d'UC est abrégée en HSB et est souvent utilisée dans les configurations 1 + 1 (une active, une en veille).
● Diversité de fréquence: le signal est transmis à l'aide de plusieurs canaux de fréquence ou étalé sur un large spectre affecté par un évanouissement sélectif en fréquence. Les liaisons radio hyperfréquences utilisent souvent plusieurs canaux radio actifs plus un canal de protection pour une utilisation automatique par n'importe quel canal évanoui. C'est ce qu'on appelle la protection N + 1
● Diversité spatiale: le signal est transmis sur plusieurs chemins de propagation différents. Dans le cas d'une transmission câblée, cela peut être réalisé en transmettant via plusieurs fils. Dans le cas de la transmission sans fil, elle peut être réalisée par diversité d'antenne en utilisant plusieurs antennes d'émission (diversité d'émission) et / ou plusieurs antennes de réception (diversité de réception).
● Diversité de polarisation: plusieurs versions d'un signal sont transmises et reçues via des antennes de polarisation différente. Une technique de combinaison de diversité est appliquée du côté récepteur.

Basculement résilient à divers chemins

Dans les systèmes hertziens point à point terrestres allant de 11 GHz à 80 GHz, une liaison de secours parallèle peut être installée parallèlement à une connexion à bande passante plus élevée sujette à la pluie. Dans cet agencement, une liaison primaire telle qu'un pont hyperfréquence en duplex intégral à 80 GHz à 1 Gbit / s peut être calculée pour avoir un taux de disponibilité de 99.9% sur une période d'un an. Le taux de disponibilité calculé de 99.9% signifie que la liaison peut être en panne pendant un total cumulatif de dix heures ou plus par an lorsque les pics de tempêtes de pluie traversent la région. Une liaison secondaire à bande passante inférieure telle qu'un pont à 5.8 Mbit / s basé à 100 GHz peut être installée en parallèle à la liaison principale, avec des routeurs aux deux extrémités contrôlant le basculement automatique vers le pont à 100 Mbit / s lorsque la liaison principale 1 Gbit / s est en panne en raison de la décoloration de la pluie. En utilisant cet agencement, des liaisons point à point à haute fréquence (23 GHz +) peuvent être installées vers des emplacements de service à plusieurs kilomètres plus loin que ce qui pourrait être desservi avec une liaison unique nécessitant une disponibilité de 99.99% sur une année.

Codage et modulation automatiques (ACM)
 

Codage et modulation adaptatifs micro-ondes (ACM)

L'adaptation de liaison, ou Adaptive Coding and Modulation (ACM), est un terme utilisé dans les communications sans fil pour désigner l'adaptation de la modulation, du codage et d'autres paramètres de signal et de protocole aux conditions sur la liaison radio (par exemple, la perte de chemin, l'interférence due à signaux provenant d'autres émetteurs, la sensibilité du récepteur, la marge de puissance disponible de l'émetteur, etc.). Par exemple, EDGE utilise un algorithme d'adaptation de débit qui adapte le schéma de modulation et de codage (MCS) en fonction de la qualité du canal radio, et donc du débit et de la robustesse de la transmission des données. Le processus d'adaptation de liaison est dynamique et les paramètres de signal et de protocole changent à mesure que les conditions de liaison radio changent.

Le but de la modulation adaptative est d'améliorer l'efficacité opérationnelle des liaisons hyperfréquences en augmentant la capacité du réseau sur l'infrastructure existante - tout en réduisant la sensibilité aux interférences environnementales.
La modulation adaptative signifie faire varier dynamiquement la modulation de manière sans erreur afin de maximiser le débit dans des conditions de propagation momentanée. En d'autres termes, un système peut fonctionner à son débit maximal dans des conditions de ciel dégagé et le réduire
progressivement sous la pluie s'estompent. Par exemple, un lien peut passer de 256QAM à QPSK pour maintenir le «lien actif» sans perdre la connexion. Avant le développement du codage et de la modulation automatiques, les concepteurs de micro-ondes devaient concevoir les conditions du «pire des cas» pour éviter les pannes de liaison. Les avantages de l'utilisation d'ACM comprennent:
● Longueurs de liaison plus longues (distance)
● Utilisation d'antennes plus petites (économise de l'espace sur le mât, également souvent nécessaire dans les zones résidentielles)
● Disponibilité accrue (fiabilité de la liaison)

Contrôle automatique de la puissance d'émission (ATPC)

Les liaisons hyperfréquences CableFree sont dotées de l'ATPC qui augmente automatiquement la puissance d'émission lors de conditions de «fondu» telles que de fortes pluies. ATPC peut être utilisé séparément à ACM ou ensemble pour maximiser le temps de fonctionnement, la stabilité et la disponibilité de la liaison. Lorsque les conditions de «fondu» (pluies) sont terminées, le système ATPC réduit à nouveau la puissance d'émission. Cela réduit le stress sur les amplificateurs de puissance micro-ondes, ce qui réduit la consommation d'énergie, la génération de chaleur et augmente la durée de vie prévue (MTBF)

Utilisations des liaisons micro-ondes
Liens backbone et communication «Last Mile» pour les opérateurs de réseaux cellulaires
Liens de base pour les fournisseurs d'accès Internet (FAI) et les FAI sans fil (WISP)
Réseaux d'entreprise pour les sites Building to Building et campus
Télécommunications, en reliant les centraux téléphoniques distants et régionaux à des centraux (principaux) plus importants sans avoir besoin de lignes cuivre / fibre optique.
Diffusion de la télévision avec les normes HD-SDI et SMPTE

Entreprise

En raison de l'évolutivité et de la flexibilité de la technologie micro-ondes, les produits micro-ondes peuvent être déployés dans de nombreuses applications d'entreprise, notamment la connectivité de bâtiment à bâtiment, la reprise après sinistre, la redondance du réseau et la connectivité temporaire pour des applications telles que les données, la voix et les données, les services vidéo, l'imagerie médicale. , CAO et services d'ingénierie, et contournement des opérateurs de téléphonie fixe.

Backhaul de transporteur mobile
 

Backhaul hyperfréquence dans les réseaux cellulaires

Les liaisons hyperfréquences sont un outil précieux dans le backhaul de l'opérateur mobile: la technologie hyperfréquence peut être déployée pour fournir une connectivité de backhaul PDH 16xE1 / T1, STM-1 et STM-4 traditionnelle et IP moderne Gigabit Ethernet et des réseaux mobiles Greenfield. Le micro-ondes est beaucoup plus rapide à installer et réduit le coût total de possession pour les opérateurs de réseau cellulaire par rapport au déploiement ou à la location de réseaux à fibre optique

Réseaux à faible latence
Les versions CableFree à faible latence des liaisons hyperfréquences utilisent la technologie de liaison hyperfréquence à faible latence, avec un délai absolument minimal entre les paquets transmis et reçus à l'autre extrémité, à l'exception du délai de propagation de la ligne de visée. La vitesse de propagation des micro-ondes dans l'air est environ 40% supérieure à celle de la fibre optique, offrant aux clients une réduction immédiate de 40% de la latence par rapport à la fibre optique. De plus, les installations de fibre optique ne sont presque jamais en ligne droite, avec les réalités de la disposition des bâtiments, les conduits de rue et la nécessité d'utiliser l'infrastructure de télécommunication existante, le trajet de fibre peut être 100% plus long que le chemin direct de la ligne de visée entre deux points d'extrémité. Par conséquent, les produits Micro-ondes à faible latence CableFree sont populaires dans les applications à faible latence telles que le trading haute fréquence et d'autres utilisations.

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