無線波頻率規(guī)劃技術(shù)要點(diǎn)

無線波頻率規(guī)劃技術(shù)要點(diǎn)

隨著無線業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，頻率需求變得越來越大，信號資源的緊張狀態(tài)變得越來越緊張。如何解決頻帶資源不足的問題，有效合理開發(fā)、利用無線電頻帶資源，滿足各行業(yè)對頻率日益增長的需求，已成為各國平衡管理部門面臨的主要問題。為滿足目前和未來無線電頻譜資源的使用需求,必須對頻譜資源加以科學(xué)的規(guī)劃。頻率規(guī)劃是按照國家和軍隊(duì)的有關(guān)法令、法規(guī)要求,為某一頻段內(nèi)的某種無線電業(yè)務(wù)制定頻率使用計(jì)劃的活動,是電磁頻譜管理的重要環(huán)節(jié),包括頻率的劃分、分配、指配以及頻譜標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定等內(nèi)容。它通過合理劃分和分配無線電頻率,科學(xué)利用頻譜資源,規(guī)范無線電業(yè)務(wù)的頻率使用,引導(dǎo)無線電業(yè)務(wù)的發(fā)展方向,推動電磁頻譜新技術(shù)、新業(yè)務(wù)的引入,提高頻率利用率,緩解頻譜資源的緊張。頻率規(guī)劃是一項(xiàng)必須綜合考慮政治、經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)、政策、法律和技術(shù)因素之間相互平衡的活動。它是一項(xiàng)社會活動,同時也是一項(xiàng)技術(shù)活動。本文從技術(shù)的角度探討了頻率規(guī)劃涉及的幾個技術(shù)要點(diǎn)。頻率規(guī)劃主要涉及無線電波傳播、電磁兼容、用頻協(xié)調(diào)、干擾分析、用頻業(yè)務(wù)的特點(diǎn)和需求等技術(shù)要點(diǎn)。1波形通信功能與高頻行業(yè)的頻帶匹配1.1無線發(fā)射頻率振幅傳播系統(tǒng)通信、廣播、雷達(dá)、導(dǎo)航、遙測遙控等任何與無線電波有關(guān)的設(shè)備,其使用和性能均與所采用的無線電頻率及其電波傳播方式密切相關(guān)。無線電波依據(jù)傳播媒介的不同有多種傳播方式,按照不同的傳播方式又將無線電波劃分成多個波段,每個波段的傳播特點(diǎn)又決定了它的典型應(yīng)用。根據(jù)傳播媒介的不同,電波傳播方式主要有地波傳播、天波傳播、視距傳播、散射傳播和波導(dǎo)電波傳播。根據(jù)無線電波的傳播特性和國際頻率波段劃分方式,將300GHz以下的無線電頻率劃分為超長波、長波、中波、短波、超短波、微波等波段。其中低頻段例如超長波、長波可采用波導(dǎo)電波傳播,其主要特點(diǎn)是傳輸距離遠(yuǎn),帶寬十分有限,性能穩(wěn)定,可用于核潛艇水下通信、世界范圍長距離無線電導(dǎo)航和無線電通信。中波、短波可進(jìn)行地波和天波傳播,帶寬中等,可用于短距離點(diǎn)對點(diǎn)通信、廣播業(yè)務(wù)及遠(yuǎn)距離通信。超短波和微波主要是視距傳播和散射傳播,其特點(diǎn)是頻段較高,帶寬寬,可用于中短距離點(diǎn)對點(diǎn)、移動、LAN、廣播、個人通信以及衛(wèi)星通信。可見無線電波是無線電應(yīng)用的基礎(chǔ)。無線電波的各種媒介傳播特性影響不同頻率、不同無線電業(yè)務(wù)的開展。因此無線電波傳播理論是進(jìn)行頻率規(guī)劃的重要依據(jù),必須加強(qiáng)對無線電波傳播媒介、各種電波傳播方式的特性研究。根據(jù)不同頻率、不同業(yè)務(wù)的電波傳播特點(diǎn)和各種傳播模型,進(jìn)行電磁波傳播損耗和場強(qiáng)覆蓋計(jì)算后科學(xué)規(guī)劃頻率,以保證各種無線電業(yè)務(wù)的質(zhì)量,確保無線電覆蓋范圍和電波傳播的可靠程度,減小設(shè)備和系統(tǒng)間的電磁干擾,提高頻譜利用率。1.2確保數(shù)據(jù)率和帶寬較寬各種用頻業(yè)務(wù)在業(yè)務(wù)量、數(shù)據(jù)率、帶寬、傳輸距離、是否需要移動等各方面具有不同的特點(diǎn)和特殊的需求。頻率管理機(jī)構(gòu)在對用頻業(yè)務(wù)的特點(diǎn)需求分析的基礎(chǔ)上,綜合考慮不同業(yè)務(wù)的特點(diǎn)、需求,現(xiàn)有國際、國內(nèi)、我軍相關(guān)業(yè)務(wù)的使用規(guī)定或規(guī)范,以及現(xiàn)有業(yè)務(wù)已存在的占用頻率等情況后進(jìn)行頻率規(guī)劃。對于數(shù)據(jù)率高的業(yè)務(wù),其占用帶寬相對較大,可考慮頻率較高的頻段,如微波頻段,對數(shù)據(jù)率低的業(yè)務(wù)則可考慮短波或者超短波頻段。對全球范圍長距離用頻業(yè)務(wù)則可考慮衛(wèi)星通信方式和短波通信方式,長距離、高速數(shù)據(jù)率業(yè)務(wù)可采用衛(wèi)星通信,低速長距離業(yè)務(wù)可采用短波通信。例如:對于戰(zhàn)術(shù)電臺,通信傳輸數(shù)據(jù)率相對較低,需要移動,傳輸距離小于20km～30km。而超短波頻段其傳輸距離屬于視距通信范圍,不會干擾遠(yuǎn)距離的通信聯(lián)絡(luò)或被遠(yuǎn)距離敵臺截收,方便組網(wǎng),因此可考慮將該戰(zhàn)術(shù)電臺業(yè)務(wù)規(guī)劃在超短波頻段。對于群路接力通信業(yè)務(wù),數(shù)據(jù)率高、信息量大、帶寬較寬,需要考慮頻率規(guī)劃在較高的頻段。而微波頻段處于較高的頻段,傳輸帶寬較寬,既可用于固定干線通信,也可用于野戰(zhàn)通信,使用時采用定向天線,依靠空間波傳播,通過架設(shè)中間站轉(zhuǎn)接信號可達(dá)到較長的通信距離,滿足群路接力通信的要求,因此可考慮將群路接力通信業(yè)務(wù)安排在微波頻段。1.3波束:點(diǎn)波束+不穩(wěn)定產(chǎn)生的近距離通信電波傳播的距離要求是無線通信裝備用頻方式的主要決定因素。對于遠(yuǎn)距離通信系統(tǒng),它在很大的范圍內(nèi)占用工作頻率,影響的地域廣(甚至是整個地球),頻率協(xié)調(diào)范圍大,所以在頻率占用方式方面,主要是通過頻率上的分隔和時間上的分隔來體現(xiàn)。如長波通信、短波通信、衛(wèi)星通信等,當(dāng)它們工作時,都需要在很大區(qū)域內(nèi)獨(dú)占頻譜資源。但是,這類通信方式也可以通過控制天線的輻射方向來控制電波傳播的空間,達(dá)到與其他同類通信系統(tǒng)共享頻譜資源的目的,其中最典型的是衛(wèi)星通信中的點(diǎn)波束技術(shù),它在衛(wèi)星上采用窄波束或點(diǎn)波束天線輻射,使得不同波束之間實(shí)現(xiàn)頻率共享或復(fù)用。近距離通信由于電波傳播距離近的特點(diǎn),決定了這類通信系統(tǒng)只在一個比較小的空間內(nèi)占用頻譜資源,相互之間的影響可以通過合理的空間距離加以消除。同時可以進(jìn)一步利用其他頻率復(fù)用技術(shù),使得必須在同一空間內(nèi)使用的同一類通信系統(tǒng)共享頻譜資源,消除相互影響。超短波通信、微波接力通信和激光通信等,由于它們的工作頻率都高于電離層的反射頻率,利用它們進(jìn)行通信時,電波直接從發(fā)射天線到接收天線,或都通過地物反射到接收天線。這種傳播特點(diǎn),決定了這類通信的端到端距離一般最大不超過50km(視距),為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信,必須多跳接力。短波通信比較特別,它既可以通過電離層反射實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信,也可以利用地波傳播實(shí)現(xiàn)近距離通信,這主要通過控制發(fā)射功率與天線指向來實(shí)現(xiàn)。散射通信和流星余跡通信不是通過電離層反射無線電波,而是分別利用大氣層中的散射體和流星余跡對電波的散射、反射作用來實(shí)現(xiàn)通信,但是由于散射體介質(zhì)的電波反射率低,這類通信的功率效率很低,常常需要數(shù)千瓦的發(fā)射功率向空中輻射,由于大功率工作,帶來了天線的旁瓣輻射和雜散輻射能量過高,容易影響周邊其他通信系統(tǒng),同時體積、功耗龐大,一度影響了這類通信系統(tǒng)的發(fā)展。但是,隨著自適應(yīng)技術(shù)、天線技術(shù)和預(yù)測技術(shù)的發(fā)展,可以從技術(shù)上控制無線電波集中照射散射體或某一顆流星留下的余跡來實(shí)現(xiàn)通信,使得輻射功率大大降低,使散射通信和流星余跡通信重新得到重視,特別是得到了軍方的重視。2資源分析和頻率協(xié)調(diào)電磁兼容一般指電氣和電子設(shè)備、系統(tǒng)在共同的電磁環(huán)境中能執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài),即要求在同一電磁環(huán)境中的上述各種設(shè)備和系統(tǒng)都能正常工作又互不干擾,達(dá)到“兼容”狀態(tài)。無線用頻業(yè)務(wù)的電磁兼容是指用頻業(yè)務(wù)在相同地域、相同時間使用時,業(yè)務(wù)間互不干擾的兼容共存狀態(tài),其設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)是有效利用和合理分配無線電頻譜資源,其主要任務(wù)是在進(jìn)行頻率規(guī)劃時考慮頻率間干擾(如同頻道、鄰頻道和插入波道的干擾)、互調(diào)干擾、發(fā)射機(jī)帶外噪聲和同站址干擾的分析,以及頻率自動選擇(輔助頻率指配)、場強(qiáng)覆蓋預(yù)測、邊界協(xié)調(diào)等,其分析工具可能涵蓋無線電波傳播模型和算法、干擾分析算法和信號多維分割技術(shù)等。無線電業(yè)務(wù)種類繁多,無線電業(yè)務(wù)通常由于頻率指配不恰當(dāng)、臺站選址不合理,以及發(fā)射設(shè)備諧波輻射和其他寄生輻射過強(qiáng)等因素而引起相互之間的電磁干擾。另外,為了有效地利用寶貴的頻譜資源,在一般情況下,新業(yè)務(wù)和現(xiàn)有業(yè)務(wù)都存在著頻率重疊使用的情況,如果業(yè)務(wù)間協(xié)調(diào)不當(dāng),會在邊界因頻率共用而產(chǎn)生干擾。因此,新業(yè)務(wù)和現(xiàn)有業(yè)務(wù)在進(jìn)行頻率規(guī)劃時首先需要進(jìn)行電磁兼容分析和頻率干擾協(xié)調(diào),之后在業(yè)務(wù)間電磁兼容性允許的基礎(chǔ)上,確定好工作頻段。用頻業(yè)務(wù)的電磁兼容性是無線電頻率規(guī)劃、無線電頻率分配、指配和臺站設(shè)置審批的重要步驟和依據(jù),電磁兼容分析則是無線電頻率規(guī)劃和臺站設(shè)置審批時技術(shù)審查中關(guān)鍵的環(huán)節(jié),必須專門對電磁兼容問題進(jìn)行特別分析。3高效利用頻譜資源隨著無線電業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展,頻譜資源的擁擠現(xiàn)象日益突出,不同的用頻業(yè)務(wù)共處同一空間,頻譜資源重疊的現(xiàn)象已經(jīng)逐步成為不可回避的現(xiàn)實(shí)問題。為了更有效地利用頻譜資源,依據(jù)電磁場的多維特性和業(yè)務(wù)對頻譜資源在時域、頻域、空域、能量域等占用方式,需要采用頻率協(xié)調(diào)、功率協(xié)調(diào)、空間協(xié)調(diào)、時間協(xié)調(diào)和干擾協(xié)調(diào)等用頻協(xié)調(diào)技術(shù),共享有限的頻譜資源,實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)在頻率、時間、空間上以不同的方式共存而互不干擾,充分利用頻譜資源的空間、時間、頻譜特性提高頻譜利用率。用頻業(yè)務(wù)間的用頻協(xié)調(diào)主要包括頻率協(xié)調(diào)、功率協(xié)調(diào)、空間協(xié)調(diào)、時間協(xié)調(diào)和干擾協(xié)調(diào)。3.1資源的不確定性影響業(yè)務(wù)的發(fā)展無線電頻率是重要的、有限的戰(zhàn)略資源,《中華人民共和國物權(quán)法》規(guī)定無線電頻譜資源屬國家所有。無線電頻率已廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)社會、安全、國防等各個領(lǐng)域,各類無線電新技術(shù)和新應(yīng)用的不斷涌現(xiàn)對有限的頻譜資源提出了愈來愈多的需求。自從用頻業(yè)務(wù)誕生至今,新業(yè)務(wù)層出不窮,不斷涌現(xiàn),極大繁榮,頻譜資源越來越緊張,由于業(yè)務(wù)發(fā)展的先后順序原因,經(jīng)常出現(xiàn)的情況是需要在已有頻段上發(fā)展新業(yè)務(wù),但老業(yè)務(wù)仍然在使用,為了滿足新業(yè)務(wù)或主要業(yè)務(wù)的需要,必須做好頻率規(guī)劃和頻率協(xié)調(diào)工作?？茖W(xué)的頻率規(guī)劃是高效、合理地利用無線電頻譜資源的基礎(chǔ)。電子技術(shù)的飛速發(fā)展及其在信息裝備上的應(yīng)用,使不論民用信息設(shè)備還是軍用信息裝備的數(shù)量都在急劇增加,尤其在軍用信息裝備方面,各種新型信息裝備、系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)并投入使用。隨著用頻業(yè)務(wù)的激增,很多業(yè)務(wù)都需要以不同的方式共用頻率,例如在相同地域內(nèi)以時間分割方式進(jìn)行頻率共用,在鄰近地域內(nèi)以空間分割方式實(shí)現(xiàn)頻率共用,在相同體制、相同地域、相近頻段的無線電業(yè)務(wù)之間,需要考慮功率協(xié)調(diào)、時間協(xié)調(diào)、干擾協(xié)調(diào)等一系列因素,從而實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)間在一定地域范圍內(nèi)共享頻率。3.2信號功率的影響信號輻射功率是信號的頻域、空域、時域和能量域這“四域”之一。功率協(xié)調(diào)主要是指在一定地域內(nèi)共用頻率時,業(yè)務(wù)的功率輻射及諧波和雜散輻射不得超標(biāo),兩種或多種業(yè)務(wù)共用頻率時,需要相互間的功率協(xié)調(diào)。各類無線電設(shè)備在應(yīng)用時,尤其是在戰(zhàn)場應(yīng)用中、在電磁環(huán)境惡劣時,需要成倍增加信號輻射功率以達(dá)到較好的通信效果。信號功率的增加可以使傳輸距離增大,傳輸更多的電磁信息,同時,對其他信息裝備的壓制能力和干擾能力大大增強(qiáng)。除了目前的大功率干擾設(shè)備以外,高功率微波武器、電磁脈沖彈這類武器在其電磁傳播通道上更有著極高的能量密度。在民用無線電設(shè)備中,例如廣播電視發(fā)射臺隨意加大發(fā)射功率、非法使用大功率無繩電話以及大批劣質(zhì)工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療等設(shè)備的使用也是出現(xiàn)干擾,從而導(dǎo)致電磁環(huán)境越來越復(fù)雜的重要原因。因此在新設(shè)備設(shè)計(jì)之初和使用過程中,功率協(xié)調(diào)都是用頻業(yè)務(wù)在作頻率規(guī)劃時涉及的技術(shù)要素之一。3.3衛(wèi)星地面站與微波站干擾的域無線電設(shè)備在發(fā)射信號的同時,將無法避免發(fā)射信號的諧波分量和各種雜散分量。當(dāng)無線電設(shè)備的發(fā)射功率過大時,諧波和雜散分量將成為其他設(shè)備的干擾。無線電業(yè)務(wù)之間的電磁干擾,通常的情況還會發(fā)生在相同地域、相近頻段、相同體制的無線電業(yè)務(wù)之間。例如衛(wèi)星地面站和微波站之間的電磁干擾。兩者在使用頻率、通信體制、業(yè)務(wù)種類等方面,都有很多相同之處,它們在同一地域使用時互相發(fā)生干擾的可能性很大,雙方的存在都可能對對方造成影響。在設(shè)計(jì)選址衛(wèi)星地面站和微波站時,相互之間的干擾和電磁兼容是首先需要考慮的問題。在設(shè)備共用時,干擾協(xié)調(diào)是頻率規(guī)劃中必須涉及的重要技術(shù)因素?，F(xiàn)在無線電設(shè)備種類越來越多、數(shù)量越來越大,特別是大功率臺站數(shù)量的迅速增加,一些單位把大功率短波、超短波發(fā)射機(jī)等設(shè)備架在高山、高塔及高樓之上,由于發(fā)射天線過于密集,發(fā)射功率過大,設(shè)備指標(biāo)不符合規(guī)定或發(fā)射機(jī)過期使用,性能指標(biāo)下降,使得互調(diào)干擾、諧波干擾、雜散發(fā)射超標(biāo)等現(xiàn)象越來越多,越來越嚴(yán)重,電磁環(huán)境日益惡化。另外,多種無線電設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)不完全一樣,輻射、干擾和電磁兼容特性也互不相同,它們在同一地域及同一時間使用時,往往由于使用人員缺乏相應(yīng)的無線電頻譜資源意識,無意輻射和超標(biāo)輻射等現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生,導(dǎo)致設(shè)備間的干擾增多。隨著無線電設(shè)備數(shù)量和種類的增加,設(shè)備間的干擾將越來越嚴(yán)重,干擾協(xié)調(diào)將會越來越難。因此在對新業(yè)務(wù)和新設(shè)備進(jìn)行頻率規(guī)劃時,必須分析新設(shè)備和已有設(shè)備之間的相互干擾特性,使得新設(shè)備在設(shè)計(jì)之初就將它和其他設(shè)備間的干擾減至最小。在設(shè)備使用過程中,為了達(dá)到較好的使用效果,還需要進(jìn)行合理的干擾協(xié)調(diào)。3.4頻率復(fù)用通信空間特性是用頻業(yè)務(wù)的基本用頻方式之一,表現(xiàn)在空間上對頻譜資源的占用?？臻g協(xié)調(diào)是指用頻業(yè)務(wù)間為了避開相互間的干擾,提高業(yè)務(wù)間的電磁兼容性而從空間位置上進(jìn)行協(xié)調(diào)。在空間位置上采用空間協(xié)調(diào)的方法可以實(shí)現(xiàn)相同體制、相近頻段的業(yè)務(wù)在相同時間內(nèi)共存,實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用,是提高頻譜利用率的重要途徑。在滿足業(yè)務(wù)技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上,確保通信質(zhì)量的同時,空間協(xié)調(diào)可通過限制發(fā)信機(jī)的射頻輸出功率、限制天線的有效高度等方法來實(shí)現(xiàn)。采用空間分割實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用的典型例子是蜂窩移動通信。采用六邊形劃分小區(qū)時,相鄰小區(qū)之間的頻率是不相同的,但不相鄰的小區(qū)間頻率是復(fù)用的,通過在空間上的協(xié)調(diào),實(shí)現(xiàn)了相同業(yè)務(wù)、相同頻段在相同時間內(nèi)共存,業(yè)務(wù)間相互的干擾降至最小,提高了業(yè)務(wù)間的電磁兼容性。大功率的臺站工作時,發(fā)射的諧波和雜散豐富,而且功率較大,容易對鄰近頻段的業(yè)務(wù)產(chǎn)生干擾。例如大功率的短波臺站的諧波容易對超短波電臺形成干擾,在使用時,這兩種業(yè)務(wù)必須在空間位置上進(jìn)行協(xié)調(diào),在大功率的短波臺站周圍一定范圍內(nèi)不能使用超短波電臺,否則會對超短波電臺造成干擾。因此在短波臺站選址時