ミリ波（MMW）は、高速（10Gbps、10ギガビット/秒）の大容量ワイヤレスリンクのテクノロジーであり、都市部に最適です。 Eバンド（70-80GHz）および58GHZから60GHz（Vバンド）スペクトルの高周波マイクロ波を使用すると、干渉なしに、またケーブルや光ファイバーを掘る必要なしに、混雑した都市にリンクを高密度に展開できます。費用がかかり、時間がかかり、非常に破壊的です。対照的に、MMWリンクは数時間で展開でき、ネットワーク要件の変化に応じてさまざまなサイトに移動して再利用できます。

アラブ首長国連邦に設置されたCableFreeMMWミリ波リンク

MMWの歴史

2003年、北米連邦通信委員会（FCC）は、商用および公共用に、70、80、および90ギガヘルツ（GHz）の範囲のいくつかの高周波ミリ波（MMW）帯域を開設しました。これらの帯域で利用可能な膨大な量のスペクトル（約13 GHz）により、ミリ波無線はすぐに市場で最速のポイントツーポイント（pt-to-pt）無線ソリューションになりました。現在、最大1.25 Gbpsの全二重データレート、99.999％のキャリアクラスの可用性レベル、およびXNUMXマイル以上に近い距離を提供する無線伝送製品が利用可能です。費用対効果の高い価格設定により、MMW無線は、モバイルバックホールプロバイダーおよびメトロ/エンタープライズの「ラストマイル」アクセス接続のビジネスモデルを変革する可能性があります。

規制の背景
13年71月に、76〜81 GHz、86〜92 GHz、および95〜2003GHzの周波数範囲でこれまで使用されていなかったXNUMXGHzのスペクトルが商用利用され、米国で高密度固定無線サービスが開始されたと見なされます。連邦通信委員会（FCC）による画期的な判決。技術的な観点から、この判決は、キャリアクラスの可用性レベルで、XNUMXマイル以上の距離にわたる全回線速度および全二重ギガビット速度の無線通信を初めて可能にしました。商用利用のためにスペクトルを開いたとき、FCCのマイケル・パウエル委員長は、アメリカ人のための商用サービスと製品の「新しいフロンティア」を開くものとしてこの判決を予告しました。それ以来、ファイバーの交換または延長、ポイントツーポイントワイヤレス「ラストマイル」アクセスネットワーク、およびギガビットデータレート以上のブロードバンドインターネットアクセスの新しい市場が開かれました。

70 GHz、80 GHz、および90GHzの割り当ての重要性は誇張することはできません。これらの13つの割り当ては、まとめてEバンドと呼ばれ、FCCが認可された商用利用のためにこれまでにリリースした最大のスペクトルを構成します。合わせて、20 GHzのスペクトルはFCC承認の周波数帯域の量を50％増加させ、これらの帯域を合わせると、セルラースペクトル全体の帯域幅の5倍になります。 70GHzと80GHzでそれぞれ合計3GHzの帯域幅を利用でき、90GHzでXNUMXGHzを使用できるため、ギガビットイーサネット以上のデータレートは、比較的単純な無線アーキテクチャで、複雑な変調方式なしで簡単に対応できます。広く使用されているマイクロ波帯よりも伝搬特性がわずかに悪く、降雨フェージングが理解できる特徴のある気象特性により、数マイルのリンク距離を自信を持って実現できます。

FCCの判決は、新しいインターネットベースのライセンススキームの基礎も築きました。このオンラインライセンススキームにより、無線リンクの高速登録が可能になり、数百ドルという低額の70回限りの料金で周波数保護が提供されます。 FCCの画期的な判決を受けて、現在、世界中の他の多くの国がMMWスペクトルを公的および商業的使用のために開放しています。このホワイトペーパーでは、80 GHz、90 GHz、XNUMX GHz帯域の重要性を説明し、これらの新しい周波数割り当てが高データレート伝送と関連するビジネスモデルをどのように再形成する可能性があるかを示します。

大容量の「ラストマイル」アクセス接続のターゲット市場とアプリケーション
米国だけでも、750,000人以上の従業員を抱える約20万の商業ビルがあります。今日の高度にインターネットに接続されたビジネス環境では、これらの建物の大部分は高データレートのインターネット接続を必要とします。現在、多くの企業がそれぞれ1Mbpsまたは1Mbpsの低速T1.54 / E2.048、またはその他の低速DSL接続に満足していることは確かですが、急速に増加している企業がDS-を要求または要求しています。 3（45 Mbps）接続またはより高速のファイバー接続。ただし、Vertical Systems Groupによる最近の調査によると、ここから問題が発生します。米国の商業ビルの13.4％のみがファイバーネットワークに接続されています。言い換えると、これらの建物の86.6％にはファイバー接続がなく、建物のテナントは、既存または代替の電話プロバイダー（ILECまたはCLEC）から低速の有線銅線回線をリースすることに依存しています。 45 Mbps DS-3接続のような高速有線銅線接続のこのようなコストは、月額3,000ドル以上になる可能性があります。

2003年にシスコが実施した別の興味深い調査によると、ファイバーに接続されていない米国の商業ビルの75％がファイバー接続から250,000マイル以内にあります。ただし、これらの建物への大容量伝送に対する需要が高まっているにもかかわらず、ファイバーの敷設に関連するコストでは、「伝送のボトルネックを解消」できないことがよくあります。たとえば、米国の主要な大都市でファイバーを敷設するコストは1マイルあたり最大XNUMXドルに達する可能性があり、米国の最大の都市の多くでは、関連する大規模な交通の混乱のために新しいファイバーを敷設するモラトリアムさえあります。多くのヨーロッパの都市でのファイバーと商業ビルの接続性の数値ははるかに悪く、一部の研究では、商業ビルの約XNUMX％のみがファイバーに接続されていることが示唆されています。

多くの業界アナリストは、基盤となるテクノロジーがキャリアクラスの可用性レベルを可能にするという条件で、短距離ワイヤレス「ラストマイル」アクセス接続の市場が大きく、現在十分にサービスされていないことに同意しています。 MMW無線システムは、これらの技術要件を満たすのに最適です。さらに、大容量で市販されているMMWシステムの価格は、過去10年間で大幅に下がっています。米国またはヨーロッパの主要都市にわずかXNUMXマイルのファイバーを敷設する場合と比較すると、ギガビットイーサネット対応のMMW無線を使用すると、ファイバーコストのXNUMX％まで実行できます。この価格設定構造により、必要な資本レイアウトとその結果としての投資収益率（ROI）期間が大幅に短縮されるため、ギガビット接続の経済性が魅力的になります。その結果、トレンチファイバのインフラストラクチャコストが高いためにこれまで経済的に提供できなかった多くの高データレートアプリケーションを提供できるようになり、MMW無線テクノロジを使用すると経済的に実現可能になります。これらのアプリケーションには次のものがあります。
●CLECおよびILECファイバーの延長と交換
●メトロイーサネットバックホールとファイバーリングクロージャー
●ワイヤレスキャンパスLAN拡張
●キャンパスネットワークにおけるファイバーバックアップとパスダイバーシティ
●災害復旧
●大容量SAN接続
●国土安全保障省と軍隊の冗長性、移植性、セキュリティ
●密集した都市ネットワークでの3Gセルラーおよび/またはWIFI / WiMAXバックホール
●高解像度ビデオまたはHDTVトランスポート用のポータブルおよび一時リンク

EバンドMMWテクノロジーを使用する理由

開放された70つの周波数帯域のうち、80GHzおよび71GHz帯域は、機器メーカーから最も関心を集めています。共存するように設計された76〜81 GHzと86〜5 GHzの割り当てにより、5GHzの全二重伝送帯域幅が可能になります。最も単純な変調方式でも、全二重ギガビットイーサネット（GbE）信号を簡単に送信するのに十分です。高度なWirelessExcellence設計では、71〜76GHzのみの10GHz未満の帯域を使用して、全二重GbE信号を転送することもできました。後で、天文サイトの近くや米国以外の国でのMMWテクノロジーの展開に関して、このアプローチを使用することで明確な利点が示されます。直接データ変換（OOK）と低コストのダイプレクサーがあり、比較的シンプルでコスト効率が高いです。信頼性の高い無線アーキテクチャを実現できます。よりスペクトル効率の高い変調コードを使用すると、10 Gbps（40GigE）から最大XNUMXGbpsまでのさらに高い全二重伝送に到達できます。

スペクトルのこの部分は、92〜95GHzの狭い100MHzの除外帯域によって分離された、94.0つの等しくない部分にセグメント化されているため、94.1〜XNUMXGHzの割り当てを処理するのははるかに困難です。スペクトルのこの部分は、大容量で短距離の屋内アプリケーションに使用される可能性が高いと想定できます。この割り当てについては、このホワイトペーパーではこれ以上説明しません。

晴天時には、大気の減衰値が低いため、70GHzと80GHzでの伝送距離は何マイルも超えます。ただし、図1は、これらの条件下でも、大気の減衰が周波数によって大幅に変化することを示しています[1]。従来のより低いマイクロ波周波数と最大約38GHzでは、大気の減衰は適度に低く、減衰値は60 kmあたり60分の数デシベル（dB / km）です。約60GHzで、酸素分子による吸収により、減衰に大きなスパイクが発生します。この酸素吸収の大幅な増加により、0.5GHz無線製品の無線伝送距離が大幅に制限されます。ただし、100 GHzの酸素吸収ピークを超えると、より広い低減衰ウィンドウが開き、減衰が約2 dB / kmの値に戻ります。この低減衰のウィンドウは、一般にEバンドと呼ばれます。 Eバンドの減衰値は、一般的なマイクロ波無線で発生する減衰に近い値です。 2 GHzを超えると、大気の減衰は一般に増加し、さらに、より高い周波数でのO70およびH100O吸収によって引き起こされる多数の分子吸収帯があります。要約すると、Eバンド周波数を大容量無線伝送にとって魅力的なものにしているのは、1GHzから200GHzの間の比較的低い大気減衰ウィンドウです。図XNUMXは、雨と霧が、約XNUMXテラヘルツ（THz）で始まり、FSO伝送システムで使用されるマイクロ波、ミリ波、および赤外線の光帯域の減衰にどのように影響するかも示しています。さまざまな特定の降雨量では、透過周波数の増加に伴い、減衰値がわずかに変化します。降雨量と伝送距離の関係については、次のセクションで詳しく説明します。霧に関連する減衰は、基本的にミリ波周波数では無視でき、ミリ波と光透過帯域の間で数桁増加します。長距離FSOシステムが霧の条件下で動作を停止する主な理由。

Eバンドの伝送距離
すべての高周波電波伝搬と同様に、降雨減衰は通常、伝送距離の実際的な制限を決定します。図2は、Eバンド周波数範囲で動作する無線システムは、雨が降ると大きな減衰が発生する可能性があることを示しています[2]。幸いなことに、最も激しい雨は世界の限られた地域に降る傾向があります。主に亜熱帯および赤道諸国。ピーク時には、180インチ/時（100mm /時）を超える降雨量が短期間観察されます。米国とヨーロッパでは、経験する最大降雨量は通常30インチ/時（XNUMX mm /時）未満です。このような降雨量は、XNUMX dB / kmの信号減衰を引き起こし、通常、短い雲のバースト中にのみ発生します。これらの雲のバーストは、比較的小さく局所的な領域内、および強度が低く、直径が大きい雨雲内に現れる雨イベントです。雲のバーストは通常、リンクをすばやく移動する悪天候にも関連しているため、雨の停止は短い傾向があり、長距離の伝送リンクでのみ問題になります。

ミリ波および降雨減衰VバンドEバンド

ITUレインゾーングローバルミリ波EバンドVバンド

国際電気通信連合（ITU）およびその他の研究機関は、世界中から数十年にわたる降雨データを収集してきました。一般に、降雨特性と降雨量、統計的降雨時間、雨滴サイズなどの関係はよく理解されており[3]、この情報を使用することで、最悪の気象イベントを克服したり、予測したりするために無線リンクを設計することができます。特定の周波数で動作する長距離無線リンクでの気象関連の停止の期間。 ITUレインゾーン分類スキームは、予想される統計的降雨量をアルファベット順に示しています。降雨量が最も少ない地域は「地域A」に分類されますが、降雨量が最も多い地域は「地域Q」です。以下の図3に、グローバルITUレインゾーンマップと世界の特定の地域の降雨量のリストを示します。

米国のEMW降雨フェージングマップEバンドVバンド

図3：世界中のさまざまな地域のITUレインゾーン分類（上）と、降雨イベント期間の関数としての実際の統計的降雨率

図4は、北米とオーストラリアのより詳細なマップを示しています。米国本土の領土の約80％がレインゾーンK以下に分類されることは言及する価値があります。言い換えると、99.99％の可用性レベルで動作するには、無線システムのフェードマージンを42 mm /時の最大降雨量に耐えるように設計する必要があります。北米で最も高い降雨量はフロリダとガルフコーストに沿って観察でき、これらの地域は雨域Nに分類されます。一般に、オーストラリアは北米よりも雨が少ないです。人口の多い南部の海岸線を含むこの国の巨大な部分は、雨域EとF（<28 mm / h）にあります。

簡単にするために、図2の結果（降雨量と減衰）を組み合わせ、図3と4に示すITU降雨チャートを使用することで、世界の特定の地域で動作している特定の無線システムの可用性を計算できます。。米国、ヨーロッパ、オーストラリアの降雨データに基づく理論計算によると、70/80 GHz無線伝送装置は、99.99マイルに近い距離またはそれを超える距離で99.999〜99.9％の統計的可用性レベルでGbE接続を実現できます。 2％の可用性を低くするために、XNUMXマイルを超える距離を日常的に達成できます。リングまたはメッシュトポロジでネットワークを構成する場合、大雨セルの密集したクラスタリングの性質とリング/メッシュトポロジが提供するパスの冗長性により、同じ可用性の数値に対して有効距離がXNUMX倍になる場合があります。

MMW降雨フェージングマップオーストラリアEバンドV_Band

図4：北米とオーストラリアのITUレインゾーン分類

自由空間光通信（FSO）などの他の大容量ワイヤレスソリューションに対するMMWテクノロジの大きな利点の0.1つは、MMW周波数が霧や砂嵐などの他の伝送障害の影響を受けないことです。たとえば、液体の含水量が3 g / m50（視程約0.4 m）の濃い霧は、70 / 80GHzでわずか4dB / kmの減衰があります[250]。これらの条件下では、FSOシステムは5 dB / kmを超える信号減衰を経験します[XNUMX]。これらの極端な減衰値は、FSOテクノロジーが短距離でのみ高可用性の数値を提供できる理由を示しています。 Eバンド無線システムも同様に、ほこり、砂、雪、その他の伝送経路の障害の影響を受けません。

代替の高データレートワイヤレステクノロジー
Eバンドワイヤレステクノロジーの代替として、高データレート接続をサポートできる実行可能なテクノロジーの数は限られています。ホワイトペーパーのこのセクションでは、簡単な概要を説明します。

光ファイバケーブル

光ファイバケーブルは、実用的な伝送技術の中で最も広い帯域幅を提供し、非常に高いデータレートを長距離で伝送できるようにします。世界中で、特に長距離および都市間ネットワークで数千マイルのファイバーが利用可能ですが、「ラストマイル」アクセスは制限されたままです。トレンチの掘削と地上のファイバーの敷設に関連するかなりの、そしてしばしば法外に高い初期費用、および通行権の問題のために、ファイバーへのアクセスは困難または不可能になる可能性があります。繊維を掘り下げる物理的プロセスだけでなく、環境への影響やそのようなプロジェクトに伴う潜在的な官僚的なハードルによって引き起こされる障害のためにも、長い遅延も頻繁に発生します。このため、世界中の多くの都市では、都心部の交通が途絶え、トレンチングプロセスが一般の人々に不便をもたらすため、ファイバートレンチングを禁止しています。

マイクロ波無線ソリューション

固定ポイントツーポイントマイクロ波無線は、全二重100 Mbpsファストイーサネットや、500〜4 GHzの周波数範囲で、キャリアあたり最大42Mbpsなどのより高いデータレートをサポートできます。ただし、従来のマイクロ波帯域では、スペクトルが制限されており、Eバンドのスペクトルと比較すると、混雑していることが多く、一般的なライセンススペクトルチャネルは非常に狭くなっています。

マイクロ波およびミリ波MMWスペクトルVバンドおよびEバンド

図5：高データレートのマイクロ波無線と70 / 80GHz無線ソリューションの比較。

一般に、ライセンス供与に使用できる周波数チャネルは、多くの場合56メガヘルツ（MHz）以下ですが、通常は30MHz以下です。一部の帯域では、キャリアあたり112Mbpsをサポートできる広い880MHzチャネルが利用できる場合がありますが、これは短距離に適したより高い周波数帯域でのみ可能です。その結果、より高いデータレートでこれらの帯域で動作する無線は、最大1024の直交振幅変調（QAM）の変調方式を採用する非常に複雑なシステムアーキテクチャを採用する必要があります。このような非常に複雑なシステムでは距離が制限され、スループットは最大チャネルでのデータレートが880Mbpsに制限されます。これらの帯域で利用できるスペクトルの量が限られていること、アンテナのビーム幅パターンが広いこと、およびあらゆる種類の干渉に対する高QAM変調の感度のため、都市部または大都市圏での従来のマイクロ波ソリューションの高密度展開は非常に問題があります。従来のマイクロ波帯域と70 / 80GHzアプローチの視覚スペクトルの比較を図5に示します。

60 GHz（Vバンド）ミリ波無線ソリューション
60 GHzスペクトル内の周波数割り当て、特に57〜66 GHzの割り当ては、世界のさまざまな地域で大幅に異なります。北米のFCCは、全二重GbE動作に十分な帯域幅を提供する57〜64GHzの周波数スペクトルのより広いブロックをリリースしました。他の国はこの特定の決定に従わず、これらの国は60GHzスペクトル帯域内のはるかに小さくしばしばチャネル化された周波数割り当てにしかアクセスできません。米国以外で利用できるスペクトルの量が限られているため、ヨーロッパ、ドイツ、フランス、イギリスなどの国では、費用効果の高い60GHz無線ソリューションを高データレートで構築することはできません。ただし、米国でも、送信電力の規制された制限と、酸素分子による高い大気吸収による比較的貧弱な伝搬特性（図1を参照）により、通常のリンク距離は99.99マイル未満に制限されます。 99.999〜500％のシステム可用性というキャリアクラスのパフォーマンスを実現するために、米国本土の大部分では、距離は通常500ヤード（60メートル）強に制限されています。 FCCは、70GHzスペクトルをライセンスフリースペクトルとして分類しています。より高い周波数の80 / 60GHz割り当てとは異なり、60 GHz無線システムの運用には、法的な承認や調整は必要ありません。一方で、ライセンスのないテクノロジーの使用はエンドユーザーの間で非常に人気がありますが、同時に、偶発的または意図的な干渉に対する保護はありません。要約すると、特に米国では、500 GHzスペクトルの使用は、短距離展開の潜在的に実行可能な代替手段になる可能性がありますが、このテクノロジーは、99.99メートルを超えるリンク距離および99.999〜XNUMX％のシステム可用性が必要な場合の実際の代替手段ではありません。

自由空間光通信（FSO、光無線）
自由空間光通信（FSO）テクノロジーは、赤外線レーザーテクノロジーを使用して、離れた場所間で情報を送信します。このテクノロジーにより、1Gbps以上の非常に高いデータレートを送信できます。 FSOテクノロジーは、一般的に非常に安全な伝送テクノロジーであり、伝送ビームの特性が非常に狭いため干渉を受けにくく、世界中でライセンスが不要です。

残念ながら、赤外線光帯域での信号の送信は、大気吸収が130 dB / kmを超える可能性がある霧の影響を大きく受けます[5]。一般に、XNUMXつの場所の間の視界に影響を与えるあらゆる種類の気象条件（砂、ほこりなど）も、FSOシステムのパフォーマンスに影響を与えます。霧イベントや砂嵐/砂嵐も非常に局所的で予測が難しい場合があり、その結果、FSOシステムの可用性の予測はより困難になります。期間が非常に短い極端な雨のイベントとは異なり、霧や砂嵐は非常に長い時間（数分ではなく数時間または数日）続くこともあります。これにより、このような条件下で動作するFSOシステムが非常に長時間停止する可能性があります。

実用的な観点から、そして99.99〜99.999％の可用性数を考慮すると、上記のすべてがFSOテクノロジーをわずか数百ヤード（300メートル）の距離に制限する可能性があります。特に沿岸または霧が発生しやすい地域、および砂/砂嵐が発生する地域で。これらの種類の環境にFSOシステムを展開するときに100％の接続を維持するには、代替パステクノロジーをお勧めします。

業界の専門家の大多数は、FSOテクノロジーが、遠隔地を短距離でワイヤレス接続する際に、興味深く、潜在的に安価な代替手段を提供できることに同意しています。ただし、赤外線スペクトルの信号減衰の物理学により、このテクノロジーは常に非常に短い距離に制限されます。

議論され、市販されている高データレート伝送技術とそれらの主要なパフォーマンスドライバーの簡単な比較を表1に示します。

他のワイヤレステクノロジーと比較したMMW

表1：市販の高データレートの有線および無線伝送技術の比較チャート

市販のミリ波ソリューション
CableFreeミリ波製品ポートフォリオには、ライセンスされた100 GHzEバンドスペクトルで10Mbpsから10Gbps（70ギガビットイーサネット）の速度で動作し、ライセンスされていない1GHzスペクトルで最大60Gbpsで動作するポイントツーポイント無線ソリューションが含まれます。システムは、業界のEバンド無線メーカーの中で最も競争力のある価格で、特定の展開距離にわたる顧客の可用性要件を満たすために、さまざまなアンテナサイズで利用できます。 Wireless ExcellenceのEバンド無線ソリューションは、5GHz帯域と70GHz帯域の両方で同時に送信するのではなく、認可された80/70 GHzEバンドスペクトルの下位80GHz周波数帯域でのみ動作します。その結果、Wireless Excellence製品は、軍が軍事通信に80GHz帯域の一部を使用しているヨーロッパの天文台や軍事施設の近くで潜在的な展開制限を受ける傾向がありません。システムは簡単に導入でき、48ボルトの直流（Vdc）の低電圧給電により、システムの設置に認定された電気技師は必要ありません。ワイヤレスエクセレンス製品の写真を下の図6に示します。

アラブ首長国連邦に配備されたCableFreeMMWリンク

図6：CableFree MMW無線はコンパクトで、高度に統合されています。示されている60cmアンテナバージョン

まとめと結論
今日の大容量ネットワークの相互接続要件を解決するために、高信頼性のワイヤレスソリューションが利用可能であり、ファイバーの敷設や大容量ファイバー接続のリースの数分の13.4のコストでファイバーのようなパフォーマンスを提供します。これは、パフォーマンス/コストの観点からだけでなく、「ラストマイル」アクセスネットワークのファイバー接続がまだあまり普及しておらず、最新の調査によると、米国では商業ビルの20％のみがXNUMX人の従業員がファイバーに接続しています。これらの数値は、他の多くの国ではさらに低くなっています。

市場には、リモートネットワークの場所を接続するためのギガビット接続を提供できるいくつかのテクノロジーがあります。 70/80 GHz周波数範囲でライセンスされたEバンドソリューションは、1.6マイル（2003 km）以上の動作距離で最高のキャリアクラスの可用性の数値を提供できるため、特に興味深いものです。米国では、60年の画期的なFCC判決により、このスペクトルが商用利用可能になり、インターネットベースの低コストのライトライセンススキームにより、ユーザーは数時間以内に操作のライセンスを取得できます。他の国では、すでにEバンドスペクトルを商用利用するために開放しているか、現在その過程にあります。ライセンスのない99.99GHz無線および自由空間光通信（FSO）システムも、ギガビットイーサネット接続を提供できますが、99.999〜60％のキャリアクラスの可用性レベルが高い場合、これらのソリューションは両方とも、短縮された距離でしか動作できません。簡単な経験則として、また米国のほとんどの地域では、500 GHzソリューションは、500ヤード（XNUMXメートル）未満の距離に展開された場合にのみ、これらの高可用性レベルを提供できます。

参考文献
●ITU-RP.676-6、「大気ガスによる減衰」、2005年。
●ITU-RP.838-3、「予測方法で使用するための雨の特定の減衰モデル」、2005年。
●ITU-RP.837-4、「伝搬モデリングのための降水の特性」、2003年。
●ITU-RP.840-3、「雲と霧による減衰」、1999年。

Eバンドミリ波の詳細については

EバンドMMWの詳細については、お問い合わせ（英語）

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