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第六章移动无线通信技术6.1数字微波通信6.2卫星通信6.3移动通信6.4无线局域网在利用无线电波承载信息的通信系统中，微波通信系统可支持长距离通信。微波的频带较宽，传输特性也比较稳定。因此，利用微波作载波的微波通信系统是一种容量较大、质量较高的通信系统，曾是20世纪六、七十年代世界各国干线通信采用的主要传输手段之一，同时微波在灵活性、抗灾性和移动性方面的优势是光纤传输不可缺少的补充和保护手段。移动通信是当今最热门的领域，具有大覆盖范围的卫星通信与之结合使得信息能够传到地球的每个角落。现在，数字微波通信、光纤通信和卫星通信一起被称为现代通信传输的三大支柱。6.1数字微波通信6.1.1基本概念微波是指频率为300MHz～300GHz的电磁波，其对应的波长为1m～1mm。微波通信是指利用微波段电磁波进行的通信。微波波段又可细分为分米波、厘米波和毫米波，见表6.1-1。频段名称频率范围波长范围分米波300MHz～3GHz10～100cm厘米波3GHz～30GHz1～10cm毫米波30GHz～300GHz1～10mm表6.1-1微波频段的分类1、微波通信的发展2、微波通信的特点（1）具有类似光波的特性。从表3.1-2和表6.1-1电磁频谱中，我们可以看到，微波频段高端与光波频段毗邻，微波与光波是“邻居”，因而微波的一些特性与其“邻居”光波就很类似。例如光波在空间是直线传播的，微波在空间也是直线传播。遇到障碍物时，微波传播便要受阻，不像中、长波那样会“拐弯抹角”。（2）微波波段的频带宽、通信容量大从表3.1-2可知，全部长波、中波和短波波段的总带宽还不到30MHz，而厘米波（1～10cm）波段的带宽27GHz，它几乎是前者的1000倍。显然，占有频带越宽，可容纳同时工作的无线电设备就越多，通信容量就越大，而且可以减少设备相互之间的干扰。（3）适于传送宽频带信号由于通信设备的通频带和载频的高低有关，载频越高，通频带就越宽。一套微波通信设备可容纳几千个话路同时工作，因此，它可进行多路传输。（4）采用中继传输方式微波通信属于无线通信的范畴，微波波段的电磁波是在视距范围内沿直线传播的，考虑到地球表面的弯曲，通信距离一般只有40km～50km。因此，在长途通信中，必须采用“接力”的中继方式，经过若干次中继转发才能将信号送到收端。这种通信方式又可称为“微波中继通信”，或视距通信。（5）抗干扰能力强微波频段（GHz级别）频率高，不易受天电干扰和工业噪声干扰，及太阳黑子变化影响。因此，通信可靠性高，由于波长短，天线尺寸可做得很小，通常做成面式天线，增益高，方向性强。6.1.2数字微波通信系统的组成数字微波通信就是指用微波作为载波，将数字基带信号调制在微波载频上，利用此载有信息的微波来传递信息的通信方式。1、微波中继线路的组成由于微波沿直线传播，不能沿地球表面绕射。所以微波通信的特点是每隔50km要设一个微波中继站。微波通信靠几个甚至几十个微波站进行无线电波的发射和接收，进行接力传送达到远距离通信的目的。微波天线安装在铁塔上，铁塔的高度应保证两个相邻站天线满足视距传播的要求。由于地面的高低不平以及为了避开地面上的一些障碍物，天线塔一般高达几十米。目前大多数的微波接力天线都是采用反射式的抛物面天线，抛物面的口径为1～3米，形状像一口大锅。一个典型的微波中继通信线路示意图如图6-1所示。它由终端站、枢纽站、分路站（也有不设分路站的）和若干个中继站（也称再生站）组成。图6-1微波中继通信线路示意图2、数字微波通信系统的组成数字微波通信系统由两个终端站、天线馈线系统和中间站（中继站）构成，如图6-2所示。图6-2数字微波通信系统方框图图6-2中，从甲地端站送来的数字信号，经过数字基带信号处理（数字多路复用或数字压缩处理）后，经数字调制，形成数字中频调制信号（70MHz或140MHz），再送入发送设备，进行射频调制变成为微波信号，送入发射天线向微波中间站（微波中继站）发送。微波中间站收到信号后经处理，使数字信号再生后又恢复为微波信号向下一站再发送，这样一直传送到收端站，收端站把微波信号经过混频、中频解调恢复出数字基带信号，再分路还原为原始的数字信号。为了在一条微波线路上同时传输多路信号，需采用合适的复用技术。数字微波通信系统常采用时分复用（TDM）技术，早期系统中的复接按准同步数字系列（PDH）定义的等级进行逐级复/分接；正交幅度调制技术（如16QAM，64QAM，256QAM等）的应用，使数字微波通信系统的传输效率大大提高。进入20世纪90年代后，出现了容量更大的数字微波通信系统（采用512QAM、1024QAM等调制技术），并出现了基于同步数字系列（SDH）的数字微波通信系统。6.1.3微波通信的应用与发展1、微波通信的主要应用在现代通信技术中，微波通信仍然具有其独特而重要的地位。（1）干线光纤传输的备份及补充如点对点的SDH微波、PDH微波等。主要用于干线光纤传输系统在遇到自然灾害时的紧急修复，以及由于种种原因不适合使用光纤的地段和场合。（2）边远地区和专用通信网中为用户提供基本业务在农村、海岛等边远地区和专用通信网的场合，可以使用微波点对点、点对多点系统为用户提供基本业务，微波频段的无线用户环路也属于这一类。（3）城市内的短距离支线连接在移动通信基站之间、基站控制器与基站间的互连、局域网之间的无线联网等环境下，也广泛应用微波通信，既可使用中小容量点对点微波，也可使用无需申请频率的微波数字扩频系统。例如，基于IEEE802.11系统标准的无线局域网工作在微波频段，其中802.11b工作于2.4GHz，802.11a/g工作于5.8GHz。（4）无线宽带业务接入无线宽带业务接入以无线传播手段来替代接入网的局部甚至全部，从而达到降低成本、改善系统灵活性和扩展传输距离的目的。多点分配业务（MDS）是一种固定无线接入技术，其包括运营商设置的主站和位于用户处的子站，可以提供数十MHz甚至数GHz的带宽，该带宽由所有用户共享。MDS主要为个人用户、宽带小区和办公楼等设施提供无线宽带接入，其特点是建网迅速但资源分配不够灵活。MDS包括两类业务：①多信道多点分配业务（MMDS），其特点是覆盖范围较大。②本地多点分配业务（LMDS），其特点是覆盖范围较小，但提供带宽更为充足。MMDS和LDMS的实现技术类似，都是通过无线调制与复用技术实现宽带业务的点对多点接入；两者的区别在于工作的频段不同，以及由此带来的可承载带宽和无线传输特性的不同。2、数字微波通信技术的主要发展（1）提高QAM调制阶数及严格限带为提高频谱利用率，通常采用多电平QAM调制技术，目前已达到256/512QAM，并将实1024/2048QAM。与此同时，对信道滤波器的设计提出了极为严格的要求。（2）网格编码调制及维特比检测技术为降低系统误码率，需采用复杂的纠错编码技术，但会导致频带利用率的下降。为解决该问题，可采用网格编码调制（TCM）技术。（3）自适应时域均衡技术使用高性能、全数字化二维时域均衡技术可减少码间干扰、正交干扰及多径衰落的影响。（4）多载波并行传输多载波并行传输可显著降低发端信号码元的速率，减少传播色散的影响。（5）其他技术如多重空间分集接收、发信功放非线性预校正、自适应正交极化干扰消除等。6.2卫星通信6.2.1基本概念1、卫星通信卫星通信是在微波接力通信和航天技术基础上发展起来的一门新兴的通信技术。它是微波接力通信向太空的延伸，采用的是微波频段。卫星通信是指利用人造卫星作为中继站转发无线电信号，在多个地球站之间进行的通信。由于作为中继站的卫星离地面很高，所以经过一次中继转接之后即可进行长距离的通信。用于实现通信目的的人造地球卫星被称为通信卫星。通信卫星按结构划分可分为无源卫星和有源卫星。无源卫星只能反射无线电信号，现在已被淘汰。有源卫星是指卫星上装有电子设备，可将接收到的地球站信号进行放大、频率变换等项处理，再将其发送回地面，它是一种有增益的、可部分补偿传播损耗的中继站。按卫星的运转轨道划分，通信卫星又分为静止卫星（同步卫星）和运动卫星（非同步卫星）。所谓静止卫星就是指发射到赤道上空35860km附近圆形轨道上的卫星，其运动方向与地球自转方向一致，并且绕地球一周的时间恰好24小时，与地球自转周期相同，因而从地球看过去，如同静止一般，固而称为静止卫星。静止卫星与地球的相对位置关系如图6-4所示。图6-4同步通信卫星2、卫星通信的发展卫星通信概念的提出可以追溯到1945年，英国空军雷达军官阿瑟.克拉克在《无线电世界》上发表了“地球外的中继站”，最先提出了利用静止卫星进行通信的设想，约20年之后，人类就实现了这个设想。卫星通信的发展大致经过如下几个时期。（1）从1954～1964年间，美国曾先后利用月球表面发射无源气球卫星等进行一系列的无源卫星通信实验。由于无源卫星是利用电波的发射技术，因此接收信号不强，使用价值不大。（2）1958年12月到1962年，美国先后发射多颗椭圆轨道运行的有源卫星，在美国、欧洲、南美洲之间进行了多次通信实验。（3）1963年7月到1964年8月，美国宇航局（NASA）先后发射3颗“SYNCOM”卫星，第1颗未能进入预定轨道，第2颗进入周期为24小时的倾斜轨道，第3颗进入静止同步轨道，成为世界上第1颗实验性静止卫星，并利用它在1964年向美国成功转播了在日本举行的奥林匹克运动会实况。（4）1965年4月，“国际卫星通信组织”把第一代“国际通信卫星”（INTERLSAT-Ι，简记为IS-Ι，原名“晨鸟”）射入地球同步轨道开始，卫星通信正式进入商用阶段，提供国际通信业务。到目前为止，国际通信卫星已经发展到第三代，卫星通信的容量也越来越大。（5）卫星通信用于移动通信始于1976年，国际海事卫星组织利用“国际海事卫星”为海上船只提供话音业务，到目前为止，已经有多个全球性的移动卫星通信系统提供商业应用，人类已经能实现全球个人移动通信的目标。3、卫星通信的特点卫星通信系统以通信卫星为中继站。与其他的通信系统相比较，具有以下优点。（1）通信距离远，通信成本与距离无关由于卫星在离地面几百、几千、几万公里的高度，因此在卫星能覆盖到的范围内，通信成本与距离无关。以地球静止卫星来看，卫星离地面约36000km，一颗卫星几乎覆盖地球的1/3，利用它可以实现最大通信距离约为18000km，地球站的建设成本与距离无关。如果采用地球静止卫星，只要3颗就可以基本实现全球的覆盖。（2）以广播方式工作，便于实现多址联接卫星通信系统类似于一个多发射台的广播系统，每个有发射机的地球站都可以发射信号，在卫星覆盖区内可以收到所有广播信号。因此只要同时具有收发信机，就可以在几个地球站之间建立通信连接。（3）通信容量大，传送的业务种类多由于卫星采用的射频频率在微波波段，可供使用的频带宽，加上太阳能技术和卫星转发器功率越来越大，随着新体制、新技术的不断发展，卫星通信容量越来越大，传输的业务类型越来越多。（4）性能稳定可靠由于卫星通信的电波主要是在大气层以外的宇宙空间内传播，而宇宙空间几乎是一种真空状态，因此可以看作均匀媒质的自由空间。电波在自由空间传播十分稳定，几乎不受气候和气象变化的影响。就是发生磁暴甚至核爆炸的情况下，线路仍能正常工作。正是由于卫星通信与其他通信手段相比有上述一些突出的优点，仅仅经过30年的时间，便得到了迅速的发展。目前，它已成为现代化通信的一种重要手段。4、卫星通信使用的频率目前，大多数卫星通信系统选择在表6.2-1所示的频段工作。表6.2-1卫星通信的主要工作频段目前大部分国际通信卫星尤其是商业卫星使用C频段，即6/4GHz频段（上行频率为6GHz，下行频率为4GHz），转发器带宽为500MHz，国内区域性通信卫星多数也应用该频段。许多国家的政府和军事卫星使用X频段，即8/7GHz（上行频率为8GHz，下行频率为7GHz），这样与民用卫星通信系统在频率上分开，避免相互干扰。为了避免C波段的拥挤，以及与地面微波网的干扰问题，目前已开发使用Ku频段，即14/11GHz频段（上行频率为1