高频段微波通信前景广阔.doc
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高频段微波通信前景广阔
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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和先进技术,给出了系统
工程设计的思想和方法,重点给出了高频段雨衰的估算方法,传输线路设计和特殊问题的处理方
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
己与光缆通信和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,专网和其它应急
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年长江和松花江洪汛期间,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)和同步数字系列(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。
由于天线和设备又大又重,即使车载;
其机动性也是十分有限的。
近几年来,随着无线接入网和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)、数字无绳电话网(DECT)、个人通信网(PCN)和
集群无线电系统(TrunkedRadioSystem)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
和发展空间。
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。
其室外单元和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,工作频段和发射功率可以捷变,现场按需调整即可,通信
容量和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
措施和工艺手段,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1+0配置的端站设备由一个室外单元,一个室内单元和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.主要的先进技术和工艺
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(MicrostripCircuit)和数字信
号处理器(DSP)等。
在设备结构上将室外和室内单元分开。
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;室外和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和功率利用率高、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)和加扰编码技术;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接口和局域网
(LAN)、广域网(WAN)、因特网传输协议(TCP/IP)。
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、配置管理和安全管理。
一般管理包括软件下载、远端注册和时
间标记等;故障管理包括告警监视、故障定位和告警日志等;性能管理包括性能数据采集、历史
性能记录、阈值设置和超阈值提示、性能数据报告等;配置管理包括网元配置、波道切换和状态
控制等;安全管理包括系统注册、标识口令规定和安全等级设定等。
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、有效的电磁屏蔽和密封措施等。
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、行业标准和国际标准;
尽量采用先进而成熟的通信技术、元器件和装配工艺;
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和扩容;
整个系统运行应该稳定、有效、安全、可靠、简便、经济。
2.系统使用要求和主要技术指标
通信环境和特点,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、业务种类和可靠性要求;
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、安全性和电源供给等;
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和选定;
系统组成和配置;
路由分析和选定;
系统指标的合理分配;
互连互通方案;
设备备份方案,如1+0、1+1和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;
选择和计算相关参数,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、衰落概率和衰落储备的估算;
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:
P1=Pfr+Ps+PIZ
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·10-Fd/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和d之外,考虑路径其它变量影响的因子。
按国家标准GB/T14617.3-93,我国按不同的地形和气候条件分为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,还有系统间的干扰和系统外干扰。
系统间的干扰包括相邻微波线路的
干扰和汇接点系统间干扰;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、增设滤波器和降波器以及干
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
频率点上的信号和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Pfr=
KQfBs
dC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、散射衰减和极化鉴别率的降低。
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;雨滴的大小和密度最终体现于瞬时降雨强度(单位为mm/h)
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,我国的西部和北部属第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、1.45mm/h。
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GB/T1467.3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≥25mm/h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
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