高频段微波通信前景广阔.docx

高频段微波通信前景广阔(1)2000-8-21 9:06:53                高频段微波通信前景广阔(1)摘要：本文概述了高频段微波通信的应用前景；介绍了新型设备的组成与先进技术，给出了系统工程设计的思想与方法，重点给出了高频段雨衰的估算方法，传输线路设计与特殊问题的处理方法；以STM-90N系列设备为例描述典型产品的性能指标。一、概述 我国数字微波通信的研制开发始于20世纪70年代中期，而工程建设始于80年代初期，至今它己与光缆通信与卫星通信并列为现代通信传输的三大支柱。在某些情况下，它们是竞争的关系；但更多的情况下，却是互补的关系；通过互连互通互操作，组成了完整的传输网络。 我国的数字微波通信已广泛应用于中国电信、中国联通、中国移动、部队，专网与其它应急通信网，它能应用在山区、沙漠、边防、海岛、跨江、跨海、水网地带及其它人迹罕至的地方，具有较强的适应能力。在 1998年长江与松花江洪汛期间，微波通信均发挥了难以替代的作用。 过去，微波通信的频段主要在100GHz以下，包括0.815、1.5、2.5、4、6、7、8GHZ等频段；容量包括基群、二次群、三次群、四次群以及第一级同步传输模块（155.520MbPS）与其子模块（51.840MbPS）；数字系列包括准同步数字系列（PDH）与同步数字系列（SDH），后者使各国的数字传输体制得到统一，使光缆、卫星、微波等多种介质上的信息得以同步传输；组网方式包括点对点、点对多点以及广播网等；建设站型以固定站为主。由于天线与设备又大又重，即使车载；其机动性也是十分有限的。 近几年来，随着无线接入网与无线移动通信网的发展，例如无线用户环路（WLL）、时分多址蜂窝网（GSM）、码分多址蜂窝网（CDMA）、数字无绳 网（DECT）、个人通信网（PCN）与集群无线电系统（Trunked Radio System）等，它们的无线基站之间需要以微波通信进行互连；随着中国电信经营业的改组，引入多家竞争机制，经营商如果认为租用线路太不方便时，则往往会自建微波通信线路；同时鉴于中国即将进入世贸组织（WTO），我们的微波通信设备则应走出国门，积极参与国际竞争。可以设想；在未来的十年内，数字微波通信仍然具有很大的商业契机与发展空间。 高频段（10GHZ以上）微波通信设备对于上述无线通信基站之间的互连具有较好的适应性。体积小、重量轻、安装容易。其室外单元与天线可直接安装于无线基站的轻型铁塔上；使用十分简便，可以无人值守；配置比较灵活，工作频段与发射功率可以捷变，现场按需调整即可，通信容量与备份配置也是多种多样，可供用户选择；相邻的无线基站之间的站距较小，多在20Km以下，只要合理设计，就能避免暴雨可能引起的微波通信中断；性能价格比高，维护费用低。比之其它的传输手段，具有较好的竞争性。因此，有时称这种设备为轻型微波通信设备。二、新型的高频段微波通信设备 从研究、制造的指导思想上看有两种趋势。一种是追求卓越、追求完美，采用最先进的技术措施与工艺手段，功能多、指标高、配置灵活多样；另一种是立足于特定市场需求，追求经济、适用、可靠、技术成熟、设备简单、效费比好。 2高频段微波通信设备组成 通常一个按10配置的端站设备由一个室外单元，一个室内单元与一面抛物面天线组成。 室外单元往往紧靠天线并安装于铁塔上或建筑物的顶上。具有抗恶劣环境的能力。室内单元则安装于室内的标准机架上或直接置于办公桌上，以射频同轴电缆与室创、单元互连，以基带数字电缆与数字终端设备相连。 3主要的先进技术与工艺 在设备的各个部件中广泛采用超大规模集成电路（VLSI）、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）、单片微波集成电路（MMIC）、微带电路（Microstrip Circuit）与数字信号处理器（DSP）等。 在设备结构上将室外与室内单元分开。室外单元具有抗恶劣环境能力，往往紧靠天线安装，这样有效地缩短了射频电缆长度，减小射频损耗；室外与室内单元之间的上行信号、下行信号、供电电源等共用一根同轴电缆传输，因为传输频率为中频，往往允许同轴电缆长达300m以上，便于机房远离天线。 在电路设计上采用频谱与功率利用率高、抗干扰能力强的调制解调技术，如网格编码调制（TCM）、连续相位调制（CPM）、高斯型最小频移键控（GMSK）等；除了准同步数字系列（SDH）的复接外，为了实现辅助业务的数字传输而普遍采用微波帧复接技术；对传输容量在34MbPS以上的系统可设置无损伤自动切换电路；采用前向纠错（FEC）与加扰编码技术；某些情况下还需要采用自适应均衡技术。 在网络管理方面采用集中监控式的网络管理系统（NMS），基于标准的RS232接口与局域网（LAN）、广域网（WAN）、因特网传输协议（TCPIP）。建立多层次的网管系统，对网络提供一般管理、故障管理、性能管理、配置管理与安全管理。一般管理包括软件下载、远端注册与时间标记等；故障管理包括告警监视、故障定位与告警日志等；性能管理包括性能数据采集、历史性能记录、阈值设置与超阈值提示、性能数据报告等；配置管理包括网元配置、波道切换与状态控制等；安全管理包括系统注册、标识口令规定与安全等级设定等。 在先进工艺的应用上，多采用模块化、插卡式、元器件老化处理、表面贴装、接插件与电缆之间热塑封、有效的电磁屏蔽与密封措施等。三、高频段微波通信系统设计 1设计思想 按照高频段微波通信的特点，趋其长，避其短； 贯彻执行相关的国家标准、行业标准与国际标准； 尽量采用先进而成熟的通信技术、元器件与装配工艺； 在全面满足使用要求的基础上，系统应预留余量，以便于实现廉价的升级与扩容； 整个系统运行应该稳定、有效、安全、可靠、简便、经济。 2系统使用要求与主要技术指标 通信环境与特点，合地理位置、地质、气象参数及可能的干扰源； 微波通信系统的总体构成，与其它通信网的互连互通关系； 适应特殊用途的性能、业务种类与可靠性要求； 通用技术要求，例如网络结构、技术体制、接口要求、电磁兼容性、安全性与电源供给等； 主要的技术指标，如频率范围、波道配置、传输容量、设备备用方式、系统误码率；系统中断率、波道切换、中继方式、系统增益、衰落储备、分集要求、网管能允等。 3系统技术方案 不同技术方案的比较与选定； 系统组成与配置； 路由分析与选定； 系统指标的合理分配； 互连互通方案； 设备备份方案，如10、11与2+0等； 中继方案； 干扰协调方案； 防雷接地方案； 供电方案； 网络管理系统方案； 可靠性方案等。4微波传输线路设计 （1）线路设计主要内容 绘制路径剖面图，选用合适的等效地球半径因子； 选择与计算相关参数，如天线方位角、仰角、挂高、余隙、反射点等； 各种衰落性能的分析、衰落概率与衰落储备的估算； 电波传输可靠性的估算。 （2）电波传输中断率 数字微波电波传输的总中断率为： P1PfrPsPIZ 式中Pt一总中断率； Pfr一平衰落中断率； Ps频率选择性衰落中断率； PIZ一干扰引起的中断率； 而Pfr=PR·10Fd/10（单位为：） 式中PR-等效瑞利衰落发生因子； Fd一平衰落储备（dB）。 又有PR=KOfBdC 或中K一地形及气候条件因子； B一频率因子； C一距离因子； Q一除了f与d之外，考虑路径其它变量影响的因子。 按国家标准GBT14617.393，我国按不同的地形与气候条件分为4个类型，给出了相应的B、C、KO等参数取道。 （3）对中断率的分析 频率选择性衰落中断率PS；也叫做“色散衰落”。是指对一个己调无线电波的不同频谱分量起不同作用的衰落。在低频段大容量数字微波通信中，由于相对带宽较大，所以频率选择性衰落比较严重；而在10GHZ以上的高频段，由于相对带宽很小，频率选择性衰落常常可以忽略不计。 干扰引起的中断率PIz：任何无线电通信，都会遇到五花八门的干扰，对一条微波线路来说，除了本系统内部各种干扰外，还有系统间的干扰与系统外干扰。系统间的干扰包括相邻微波线路的干扰与汇接点系统间干扰；系统外干扰则有来自卫星通信的干扰、散射通信的干扰、雷达干扰、广播干扰及其它强功率电子设备的干扰等。对于这些干扰大多数可以通过合理配置频道、采用不同极化、距离拉大、路由走向避免干行、减小发射功率、提高天线方向性、增设滤波器与降波器以及干扰协调得以消除，另外的少数干扰也会大大削弱，只要宽打一些衰落储备量就可以了。 平衰落中断率Pfr：平衰落是任何微波线路无可避免的。是由于来自大气折射率不规则变化而产生的大气多径衰落，且与来自地面的反射有一定的关系。发生平衰落时，在接收机通带内，各个频率点上的信号与干扰接收电平在同一时刻按相同值上升或下降。平衰落的中断率可按PfrKQfBsdC求得。 但在高频段微波通信中，还有一种特殊的中断率，就是雨表的影响。随着无线电波长变短，雨滴会对微波传输造成吸收衰减、散射衰减与极化鉴别率的降低。当微波波长远大于雨滴直径时，雨主要为散射衰减；由于雨滴的尺寸是上下方向长而横向方向短，所以垂直极化波比水平极化波的衰减要大，故应优先选用水平极化；雨滴的大小与密度最终表达于瞬时降雨强度（单位为 mmh）上，通常只有暴雨、大暴雨、特大暴雨才会对高频段微波产生显著的衰减；雨滴还会对微波产生微分相移，这会使正交极化的微波通信系统的极化鉴别率降低，导致干扰的增加。 5高频段微波通信雨衰的估算 （1）降雨区的划分 全球共划分为5个基本降雨区，我国的西部与北部属第5区，江南属第1区，华北平原属于第2区。 我国又将全国分为12个雨气候区，以A、B、D、E、F、G、H、J、K、M、N、P命名，与之相对应的0.01时间的雨强值依次为 8、12、19、22、28、30、32、35、42、63、95、1.45mmh。 微波应用所使用的雨强，其积分时间不能过长，不然，持续时间短的高强度降雨将被平滑排。国际上倾向于以1分钟抽样时间为标准，对于积分时间长于1分钟的雨强数据。需要转换到积分时间为1分钟的数据，我国也规定了暂用雨强转换参数，详见GBT1467.3标准。 （2）正确认识雨表中断率 大暴雨可能导致微波通信的瞬断，但如果正确设计，则可将瞬断的概率降至用户可接受的程度。 对10GHZ以上微波衰减比较显著的是雨强值 25mmh的大暴雨，但这种大暴雨的有效范围通常不大于3Km，持续时间每年只有几分钟。而一个微波中继段往往十多公里。计算时则要分段来计算雨衰，同时要计及其造成通信中断的时间概率。 高频段微波通信由于受雨衰中断的制约。一般中继距离比较近，例如13GHz频段20km， 8GHz频段10km ，38频段 3km。当然这些数据仅供参考，还需具体条件具体分析。 （3）雨表中断率的估算 雨衰的详细计算十分繁杂，在工程设计中可使用以下简便算法。 先查明拟建微波通信线路处于哪个雨气候区，即可得到相应地区的0.01时间的雨强值； 再按允许的雨衰中断时间百分数求出年平均中断时间的分钟数，再由此中断分钟数换算出与之相对应的雨强值，例如允许雨衰中断时间百分数为0.001，则年平均中断时间为5.3分钟，其相应的雨强值肯定比0.01时间的雨强值要大； 再从以雨强为参变数的雨衰系数（db/km）一工作频率（GHz）特性曲线图上查出雨衰系数值（dBkm），乘以微波线路在该雨表区的距离（km），即可得雨衰值； 将雨衰值与该中继段的自由空间衰减值相加得到该中继段传输衰减，再与该中继段的系统增益（发射机输出功率电平+发、收天线增益-接收机门限电平）进行比较；若前者小于后者，则表明该中继段可在规定的中断时间百分数（或者说规定的可用性）下稳定可靠地传输。 6其它问题的处理 （1）关于设备的备份配置 备份配置分为波道备份与设备备份。波道备份属异频备份，主要用于10GHZ以下克服深衰落与强干扰，在10GHZ以上则一般不用；设备备份属同频备份，它会带来主、备设备部件互换的方便，主要用于10GHz以上克服设备部件故障的影响。 按备用设备的用电情况又分为热备份，（主、备机均加电工作，且信号流程也完全一样）、温备份（主、备机均加电工作，但备机信号流平时被截断，一旦主机故障，备机的信号流才接通）与冷备份（备机平时不加电，一旦主机故障，才由人工或自动控制备机加电工作，替换主机传输信息）。 由于元器件与工艺水平的提高，目前的高频段微波设备可靠性比较高，一般均按 10配置，也有按 20配置的，只在可靠性要求特别高的场合才按 11配置。11配置时，设备整体可靠性指标比 10时可提高 10倍。 （2）进一步提高传输可靠性的措施 增加发射功率、增大天线尺寸、缩短通信距离、采用空间分集技术、优选水平极化波、避免使用双极化，则能增加系统增益、减少雨滴衰减、防止极化干扰，从而进一步提高传输可靠性。 （3）防雷与接地 这是一个既古老又新鲜、看似简单实为复杂的问题，必须因地因条件制宜，予以妥善解决。对于一些特殊环境，例如石头山、沙漠、冻土带如何保证接地良好，高雷电区如何有效避雷等，则需花费较大的代价解决好。不良的防雷、接地系统造成的恶果是十分巨大的。四、结语 近年来高频段微波通信系统发展很快，正在大举走向商用。目前国内国际通信市场十分活跃，无线通信的需求日趋旺盛，轻、小、简、廉、快的高频段轻型微波设备倍受青睐。积极的创新意识、敏锐的市场意识，可靠的质量保证与完善的服务体制相结合，会使高频段微波通信系统具有更加广阔的前景。第 15 页