微波通信概论

数字微波通信概述以及理论微波知识简介提纲•第一部分微波基础知识介绍•第二部分微波网络架构微波知识简介微波基础知识微波通信的定义微波频段的划分微波传输容量分类微波设备组成部分微波传输特性微波知识简介现代通信网中的传输手段微波端站光纤通信微波通信卫星通信微波端站复用设备复用设备同轴电缆微波知识简介微波的定义微波是一种电磁波，从广义上讲，频率范围为300MHz～300GHz，微波通信使用的频率范围通常是3GHz～30GHz。实际微波设计中的设备是从7GHZ～38GHZ，频率越高，传输距离越短。根据微波传播的特点，可视其为平面波。平面波沿传播方向是没有电场和磁场纵向分量的，电场和磁场分量都是与传播方向垂直的，所以称为横电磁波，记为TEM波微波知识简介微波传输基本知识站站接力式的中继方式完成传输由于微波频率很高，波长很短(1－10cm),电波沿地面传播时衰减很大，遇到障碍物时绕射能力很弱，投射到高空电离层不能反射。因此，这一波段电波只能在视距内直线传播，所以叫视距传播。由于微波必须要求为视距传输，所以把信息从一地传到另一地，只能靠接力，一段段地传下去。故又叫微波接力通信微波知识简介2GHz频段（1.7--1.9GHz;1.9--2.3GHz;2.4GHz;2.49--2.69GHz)4/5GHz频段（3.4--3.8GHz;3.8--4.2GHz;4.4--5.0GHz;5.8GHz)6GHz频段（5.925--6.425GHz;6.430--7.110GHz)7GHz频段（7.125--7.425GHz;7.425--7.725GHz;)8GHz频段（7.725--8.275GHz;8.275--8.5GHz;8.50--8.75GHz)11/13GHz频段（10.7--11.7GHz;12.75--13.25GHz;)15/18GHz频段（14.50--15.35GHz;17.7--19.7GHz;)23GHz频段（21.9555—23.5445GHz);38GHz频段(37.0615—39.4345GHz)微波频段划分微波知识简介微波传输的容量微波复用方式PDH与SDH1、PDH：中小容量，常用于接入层，一般容量只到16E1，有些可以到32E1或48E1。2、SDH：大容量，常用于汇聚层，以STM-1为单位，一般容量只能做到1或2个STM-1(155Mb/s)。单独的一个IDU最大可支持400Mbps。3、机架式SDH：SDH5000S可支持8个STM-1。微波知识简介数字微波设备分类目前，大家比较常见的分类方法是按照结构分类，将微波设备分为分体式微波、全室内型(一体式)微波和全室外型。一体式微波一般是trunk，俗称大微波，射频单元（RFU）、信号处理单元（SPU）、复接器等单元全在室内，室外仅有天线，特点是传输容量大，适用于骨干线路传输。但是，一体式微波的成本高。微波知识简介全室外型微波是所有单元都在室外，其优点是易于安装、节省机房空间，但是设备在室外，容易损坏。微波知识简介分体式微波由天线、室外单元（ODU）和室内单元（IDU）组成，天线和ODU之间一般用波导管连接，IDU和ODU之间通过中频电缆连接。中频电缆用于IDU和ODU之间的中频业务信号和IDU/ODU通讯控制信号的传输，并向ODU供电。容量相对较小，安装维护方便，便于快速建网，是目前应用最广泛的微波设备。在后续章节，如无特殊说明，都是指分体式微波的。微波知识简介分体式微波－安装标准天线（分离式安装）室外单元(ODU)中频电缆中频口分离式安装软波导室内单元（IDU）中频口标准天线（集成式安装）室外单元(ODU)室内单元（IDU）直扣式安装中频电缆中频口微波知识简介•影响电波传播的因素•费涅尔半径、余隙、K因子•地形、大气•微波传播的各种衰落•自由空间损耗、大气吸收衰落•雨雾衰减、K形•多径、波导、闪烁•数字微波抗衰落技术•频率分集•空间分集微波的传播及抗衰落技术微波知识简介微波传播的几个重要参数自由空间的电波传播菲涅尔区及其半径定义：在微波波段，频率很高，无线电波利用视距传播的方式工作。视距传播是指发射天线和接收天线在相互能看得见的距离内，电波直接从发射点传到接收点的一种传播方式。具体来说，就是微波波段时，发射点和接收点之间不希望有障碍物阻挡。图中球面上的点P到(T,R)点距离之和满足：TP+PR=TR+n/2（n=1,2,3,…)，则由P点构成的轨迹就是菲涅尔区。ROTPF1d2d1我们把菲涅尔区上一点P到TR的连线的垂直距离PO称为菲涅尔半径。第一菲涅尔半径用F1(n＝1)表示。微波知识简介自由空间的电波传播第一菲涅尔区半径计算公式：)()()()(32.17211kmdGHzfkmdkmdF第一菲涅尔区是微波传输能量最集中的区域，在此区域内应尽量减少阻挡。随着菲涅尔区序号数的增大，接收点的场强以等差级数关系递减。微波知识简介余隙在实际微波传播路径中，有时会受到建筑物、树木、山峰等的阻挡，如果障碍物的高度进入第一菲涅尔区域时，则可能会引起附加损耗，使接收电平下降，影响传输质量。为了避免这种情况的发生，因此引入了余隙的概念。障碍点到AB线段的垂直距离叫做路径上障碍点的余隙，为方便总是用障碍点的垂直于地面的线段hc近似表示余隙,若该点的第一菲涅尔半径为F1，则称hc/F1为该点的相对余隙。余隙一般要求大于一阶费涅尔半径微波知识简介保障余隙的高度是微波视通的必要条件微波知识简介K因子概念对流层对电波的影响最明显的就是大气折射对电波传播的影响。在大气中，由于随高度的不同大气将受到不同的压力、温度、湿度的影响，而使大气随高度的变化而不同；这种变化用dn/dh来表达。当dn/dh＜0时，n与h为反比变化，使电波传播射线向下弯曲；微波知识简介为了方便研究分析对于电波传输受到的影响，我们引入等效地球半径的概念。这个概念引入后，始终是将电波视为直线，而将地球的实际半径a等效成ae；等效的规则是等效前后射线与地面间的余隙不变。定义K为等效地球半径系数：K=ae/a式中a=6370kmK与折射率的关系为：K=1/（1+adn/dh）微波知识简介K因子概念微波知识简介按k值的不同可将折射分为三类无折射：dn/dh=0；此时：k=1或a=ae负折射：dn/dh＞0；此时：k＜1或a＞ae、电波射线弯曲反向与地球的弯曲相反故称为负折射。正折射：dn/dh＜0；此时：k＞1或a＜ae、电波射线弯曲反向与地球的弯曲同相故称为正折射。根据大量的测试结果得到折射率梯度为：dn/dh=-1/4a代入K表达式得：k=1/(1+a(-1/4a))=4/3在温带地区称K=4/3时折射为标准折射，此时的大气称为标准大气压。ae=4a/3称为标准等效地球半径。在赤道，标准等效地球半径ae=（4/3～3/2）a；微波知识简介折射的分类示意图在工程计算时，我国选用K标准=4/3、K负折射=2/3、考虑越站干扰时按K=∞计算，即不计地球凸起的高度对电波干扰传播的影响。微波知识简介K值在工程设计中的意义在工程中为了使余隙经济、合理我们应按下面的要求去控制天线高度：Φ≤0.5，即地面反射系数较小的电路，如山区、城市、丘陵地区这种地形主要防止过大的绕射，应按满足如下标准控制天线高度：K=2/3时，hc≥0.3F1(对一般障碍物)hc≥0(对刃形障碍物)这种情形产生的绕射衰落不大于8dB。Φ＞0.7，,即地面反射系数较大的电路，如平坦、水网地区，这种地形主要防止过大的反射衰落，应按满足下标准控制天线高度：K=2/3时，hc≥0.3F1(对一般障碍物)hc≥0(对刃形障碍物)K=4/3时，hc≈F1K=∞时，hc≤1.35F1(因为余隙为21/2F1时会出现深衰落)如上述情况不能被满足时,那就改变天线高度或更改路由。微波知识简介影响电波传播的因素－地形主要表现为地面的反射波对接收电平的影响:光滑地面或水面会把天线发出的一部分信号能量反射到接收天线并对主波(直射波)信号产生干扰。反射波与主波进行矢量相加，其结果使合成波加大或减小，使传输处于不稳定状态。所以在链路设计时，要尽量减少反射波，如果有反射情况，则应利用地形的起伏阻挡住反射波。直线反射直线反射微波知识简介由于不同地形的反射条件不同，所以对电波传播的影响也不同。我们把地形分为四类，分别是：A类：山地（或建筑物密集的城市）B类：丘陵（地面起伏较平缓）C类：平原D类：大面积的水面其中山地的反射系数最小，是最适合微波传输的地形，丘陵地区次之；电路设计时应尽量避开水面等光滑的平面。影响电波传播的因素－地形（续）微波知识简介影响电波传播的因素－大气对流层是指自地面10km以内的低空大气层，由于微波天线高度远不会超过这个高度，因此研究电波在大气中的传播只要研究电波在对流层中的传播即可。对流层对电波传播的影响主要表现在：由气体分子谐振引起对电磁波能量的吸收，这种吸收对频率12GHz以上的微波有一定的影响。由雨、雾、雪引起的对电磁波能量的吸收和散射，这种情况一般对频率10GHz以上的微波传输影响较大。由于大气的不均匀性，对流层中电波传输会产生折射、吸收、反射、散射等现象。其中对微波传输影响最大的是大气折射。微波知识简介电波传播的衰落特性衰落机理吸收衰落雨雾衰落闪烁衰落k型衰落波导型衰落衰落时间接收电平高低衰落对信号的影响快衰落慢衰落上衰落下衰落平衰落频率选择性衰落自由空间传播衰落衰落(FADING)：指接收电平随机起伏变化。即不规则的变化，忽大忽小，其原因是多种多样的。微波知识简介自由空间传播损耗P=发射功率(TXPower)PTXPowerLevelDistanceGTXGRXPRXG=天线增益(AntennaGain)A0A0=自由空间损耗(FreeSpaceLoss)M接收门限(ReceiverThreshold)M=衰落储备(FadingMargin)微波知识简介FreeSpaceLossA=92.4+20logd+20logfd=distanceinkmf=frequencyinGHz(refertoisotropicantennas)0dfD或f增加一倍，损耗将增加6dB自由空间传播损耗自由空间传播条件下的收信电平Prx(dBm)=Ptx+Gtx+Grx-A0-Ltx-Lrx-LbPtx：发射功率Gtx、Grx为收发天线增益，A0为自由空间传输损耗，Ltx、Lrx为收发馈线损耗、Lb为分路系统损耗微波知识简介大气吸收衰落任何物质的分子都是由带电粒子组成的，这些粒子都有其固有的电磁谐振频率，当通过这些物质的微波频率接近它们的谐振频率时，这些物质对微波产生共振吸收。统计表明大气吸收对微波频率在12GHz以下时，吸收小于0.1dB/Km，和自由空间衰耗相比，可以忽略。大气对微波吸收曲线图(dB/Km)1GHz7.5GHz12GHz23GHz60GHz0.01dB10dB1dB0.1dB微波知识简介在10GHz频段以下，雨雾损耗并不显得特别严重，10G频段以上，需要注意加入雨衰因子，关注可用度指标达标。如果指标不达标所能改善的解决办法为增大天线口径（增益）和改善调制方式或者改变路由在10GHz以上频段，中继间隔主要受降雨损耗的限制。如对13GHz以上频段，100mm/小时的降雨会引起5dB/km的损耗，所以在13GHz，15GHz频段，一般最大中继距离在10km左右。在20GHz以上频段，由于降雨损耗影响，中继间距只能有几公里。高频段可以做用户级传输，频段越高雨衰越厉害。雨雾衰减微波知识简介这是一种由多径传输引起的干涉型衰落，它是由于直射波与地面反射波（或在一定条件下的绕射波）到达接收点由于相位不同相互干涉造成的衰落。其干涉的程度与行程差有关。因为在对流层中行程差是随K值而变化的，所以称为K型衰落。这种衰落在线路经过水面、湖泊、或平滑地面时更为严重，所以在选择路由时要尽量避免，不可能回避时一定要采用高低天线技术使反射点靠近一端减少反射波的影