微波通信概述.ppt

1、數(shù)字微波通信概述以及理論,提綱 第一部分 微波基礎(chǔ)知識(shí)介紹 第二部分 微波網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 第三部分 微波設(shè)計(jì)的重要指標(biāo) 第四部分 微波設(shè)計(jì)常用軟件,微波基礎(chǔ)知識(shí),微波通信的定義 微波頻段的劃分 微波傳輸容量分類 微波設(shè)備組成部分 微波傳輸特性,現(xiàn)代通信網(wǎng)中的傳輸手段,同軸電纜,微波的定義,微波是一種電磁波，從廣義上講，頻率范圍為300MHz300GHz，微波通信使用的頻率范圍通常是3GHz30GHz。 實(shí)際微波設(shè)計(jì)中的設(shè)備是從7GHZ38GHZ，頻率越高，傳輸距離越短。 根據(jù)微波傳播的特點(diǎn)，可視其為平面波。 平面波沿傳播方向是沒(méi)有電場(chǎng)和磁場(chǎng)縱向分量的，電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量都是與傳播方向垂直的，所以稱為橫電

2、磁波，記為TEM波,微波傳輸基本知識(shí),站站接力式的中繼方式完成傳輸,由于微波頻率很高，波長(zhǎng)很短(110cm),電波沿地面?zhèn)鞑r(shí)衰減很大，遇到障礙物時(shí)繞射能力很弱，投射到高空電離層不能反射。因此，這一波段電波只能在視距內(nèi)直線傳播，所以叫視距傳播。 由于微波必須要求為視距傳輸，所以把信息從一地傳到另一地，只能靠接力，一段段地傳下去。故又叫微波接力通信,微波頻段劃分,2GHz頻段（1.7-1.9GHz; 1.9-2.3GHz; 2.4GHz; 2.49-2.69GHz) 4/5GHz頻段（3.4-3.8GHz; 3.8-4.2GHz; 4.4-5.0GHz; 5.8GHz) 6GHz頻段（5.925

3、-6.425GHz; 6.430-7.110GHz) 7GHz頻段（7.125-7.425GHz; 7.425-7.725GHz;) 8GHz頻段（7.725-8.275GHz; 8.275-8. 5GHz; 8.50-8.75GHz) 11/13GHz頻段（10.7-11.7GHz; 12.75-13. 25GHz;) 15/18GHz頻段（14.50-15.35GHz; 17.7-19.7GHz;) 23GHz頻段（21.955523.5445GHz); 38GHz頻段(37.061539.4345GHz),微波頻段選擇和射頻波道配置,微波頻段選擇和射頻波道配置,在每個(gè)頻段中定義了多種子頻

4、率范圍，多種收發(fā)間隔和波道間隔。,微波頻段選擇和射頻波道配置（續(xù)）,局方申請(qǐng)的頻點(diǎn)信息,NEO-C設(shè)備頻率子帶表,通過(guò)子帶信息表，查找出申請(qǐng)的頻點(diǎn)范圍所在的子帶，算出中心頻率，做出頻率文件。,微波傳輸?shù)娜萘?微波復(fù)用方式PDH與SDH 1、PDH：中小容量，常用于接入層，一般容量只到16E1，有些可以到32E1或48E1。 2、SDH：大容量，常用于匯聚層，以STM-1為單位，一般容量只能做到1或2個(gè)STM-1。單獨(dú)的一個(gè)IDU最大可支持400Mbps。 3、機(jī)架式SDH：SDH5000S可支持8個(gè)STM-1。,分體式微波設(shè)備,射頻部分（ODU）在室外，中頻、信號(hào)處理、復(fù)接等單元（IDU）在室

5、內(nèi)，之間通過(guò)中頻電纜連接。 ODU可直接和天線連接或通過(guò)一根很短的軟波導(dǎo)連接，避免了饋線損耗。 容量相對(duì)較小，安裝維護(hù)方便，便于快速建網(wǎng)，是目前應(yīng)用最廣泛的微波設(shè)備。,分體式微波設(shè)備（續(xù)）,各組成部分的作用： 天線： 聚焦ODU發(fā)送的射頻信號(hào)，加大信號(hào)增益。 ODU：射頻處理，實(shí)現(xiàn)中頻射頻之間信號(hào)轉(zhuǎn)換。 中頻電纜：中頻業(yè)務(wù)信號(hào)和IDU/ODU通訊信號(hào)的傳輸并向ODU供電。 IDU：完成業(yè)務(wù)接入、業(yè)務(wù)調(diào)度、復(fù)接和調(diào)制解調(diào)等功能。,分體式微波安裝,標(biāo)準(zhǔn)天線（分離式安裝）,室外單元 (ODU),中頻電纜,中頻口,分離式安裝,軟波導(dǎo),室內(nèi)單元（IDU）,中頻口,標(biāo)準(zhǔn)天線 （集成式安裝）,室外單元 (O

6、DU),室內(nèi)單元（IDU）,直扣式安裝,中頻電纜,中頻口,影響電波傳播的因素 費(fèi)涅爾半徑、余隙、K因子 地形、大氣 微波傳播的各種衰落 自由空間損耗、大氣吸收衰落 雨霧衰減、K形 多徑、波導(dǎo)、閃爍 數(shù)字微波抗衰落技術(shù) 頻率分集 空間分集,微波的傳播及抗衰落技術(shù),微波傳播的幾個(gè)重要參數(shù),自由空間的電波傳播,菲涅爾區(qū)及其半徑,定義：,在微波波段，頻率很高，無(wú)線電波利用視距傳播的方式工作。視距傳播是指發(fā)射天線和接收天線在相互能看得見(jiàn)的距離內(nèi)，電波直接從發(fā)射點(diǎn)傳到接收點(diǎn)的一種傳播方式。具體來(lái)說(shuō)，就是微波波段時(shí)，發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)之間不希望有障礙物阻擋。,圖中球面上的點(diǎn)P到(T,R)點(diǎn)距離之和滿足：TP+P

7、R=TR + n /2（n =1,2,3,)，則由P點(diǎn)構(gòu)成的軌跡就是菲涅爾區(qū)。,我們把菲涅爾區(qū)上一點(diǎn)P到TR的連線的垂直距離PO稱為菲涅爾半徑。第一菲涅爾半徑用F1(n1)表示。,自由空間的電波傳播,第一菲涅爾區(qū)半徑計(jì)算公式：,第一菲涅爾區(qū)是微波傳輸能量最集中的區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)應(yīng)盡量減少阻擋。隨著菲涅爾區(qū)序號(hào)數(shù)的增大，接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)以等差級(jí)數(shù)關(guān)系遞減。,余隙,在實(shí)際微波傳播路徑中，有時(shí)會(huì)受到建筑物、樹木、山峰等的阻擋，如果障礙物的高度進(jìn)入第一菲涅爾區(qū)域時(shí)，則可能會(huì)引起附加損耗，使接收電平下降，影響傳輸質(zhì)量。為了避免這種情況的發(fā)生，因此引入了余隙的概念。 障礙點(diǎn)到AB線段的垂直距離叫做路徑上障礙點(diǎn)

8、的余隙，為方便總是用障礙點(diǎn)的垂直于地面的線段hc近似表示余隙, 若該點(diǎn)的第一菲涅爾半徑為F1，則稱hc/F1為該點(diǎn)的相對(duì)余隙。,余隙一般要求大于 一階費(fèi)涅爾半徑,保障余隙的高度是微波視通的必要條件,K因子概念,無(wú)線電波設(shè)計(jì)目標(biāo),K=4/3時(shí),第一費(fèi)涅耳區(qū)無(wú)障礙物 在傳播經(jīng)過(guò)水面或沙漠地區(qū)時(shí),建議K=1時(shí),第一費(fèi)涅耳區(qū)無(wú)障礙物,路徑余隙標(biāo)準(zhǔn),影響電波傳播的因素地形,主要表現(xiàn)為地面的反射波對(duì)接收電平的影響:,光滑地面或水面會(huì)把天線發(fā)出的一部分信號(hào)能量反射到接收天線并對(duì)主波(直射波)信號(hào)產(chǎn)生干擾。反射波與主波進(jìn)行矢量相加，其結(jié)果使合成波加大或減小，使傳輸處于不穩(wěn)定狀態(tài)。所以在鏈路設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量減少反

9、射波，如果有反射情況，則應(yīng)利用地形的起伏阻擋住反射波。,直線,反射,直線,反射,由于不同地形的反射條件不同，所以對(duì)電波傳播的影響也不同。我們把地形分為四類，分別是： A類：山地（或建筑物密集的城市） B類：丘陵（地面起伏較平緩） C類：平原 D類：大面積的水面 其中山地的反射系數(shù)最小，是最適合微波傳輸?shù)牡匦?，丘陵地區(qū)次之；電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)水面等光滑的平面。,影響電波傳播的因素地形（續(xù)）,影響電波傳播的因素大氣,對(duì)流層是指自地面10km以內(nèi)的低空大氣層，由于微波天線高度遠(yuǎn)不會(huì)超過(guò)這個(gè)高度，因此研究電波在大氣中的傳播只要研究電波在對(duì)流層中的傳播即可。對(duì)流層對(duì)電波傳播的影響主要表現(xiàn)在： 由氣體分

10、子諧振引起對(duì)電磁波能量的吸收，這種吸收對(duì)頻率12GHz以上的微波有一定的影響。 由雨、霧、雪引起的對(duì)電磁波能量的吸收和散射，這種情況一般對(duì)頻率10GHz以上的微波傳輸影響較大。 由于大氣的不均勻性，對(duì)流層中電波傳輸會(huì)產(chǎn)生折射、吸收、反射、散射等現(xiàn)象。其中對(duì)微波傳輸影響最大的是大氣折射。,電波傳播的衰落特性,衰落機(jī)理,吸收衰落,雨霧衰落,閃爍衰落,k型衰落,波導(dǎo)型衰落,衰落時(shí)間,衰落對(duì)信號(hào)的影響,快衰落,慢衰落,上衰落,下衰落,平衰落,頻率選擇性衰落,自由空間傳播衰落,衰 落(FADING) ：指接收電平隨機(jī)起伏變化。即不規(guī)則的變化，忽大忽小，其原因是多種多樣的。,自由空間傳播損耗,PowerL

11、evel,Distance,GTX,GRX,Free Space Loss,d,f,D 或 f 增加一倍，損耗將增加6 dB,自由空間傳播損耗,自由空間傳播條件下的收信電平,Prx(dBm)=Ptx+Gtx+Grx-A0-Ltx-Lrx-Lb,Ptx：發(fā)射功率,Gtx、Grx為收發(fā)天線增益， A0為自由空間傳輸損耗，Ltx、Lrx為收發(fā)饋線損耗、Lb為分路系統(tǒng)損耗,大氣吸收衰落,任何物質(zhì)的分子都是由帶電粒子組成的，這些粒子都有其固有的電磁諧振頻率，當(dāng)通過(guò)這些物質(zhì)的微波頻率接近它們的諧振頻率時(shí)，這些物質(zhì)對(duì)微波產(chǎn)生共振吸收。 統(tǒng)計(jì)表明大氣吸收對(duì)微波頻率在12GHz以下時(shí)，吸收小于0.1dB/Km，

12、和自由空間衰耗相比，可以忽略。,在10GHz頻段以下，雨霧損耗并不顯得特別嚴(yán)重，10G頻段以上，需要注意加入雨衰因子，關(guān)注可用度指標(biāo)達(dá)標(biāo)。如果指標(biāo)不達(dá)標(biāo)所能改善的解決辦法為增大天線口徑（增益）和改善調(diào)制方式或者改變路由 在10GHz以上頻段，中繼間隔主要受降雨損耗的限制。如對(duì)13GHz以上頻段，100mm/小時(shí)的降雨會(huì)引起5dB/km的損耗，所以在13GHz，15GHz頻段，一般最大中繼距離在10km左右。在20GHz以上頻段，由于降雨損耗影響，中繼間距只能有幾公里。 高頻段可以做用戶級(jí)傳輸，頻段越高雨衰越厲害。,雨霧衰減,大氣折射: 因?yàn)榇髿庹凵涞挠绊?，微波在傳播過(guò)程中，路徑實(shí)際上是彎曲的。

13、大氣折射的最后效果可看成電磁波在一個(gè)等效半徑為 的地球上空沿直線傳播。即 =KR（R為實(shí)際地球半徑）。 彎曲影響是通過(guò)K型因子來(lái)表示 K值的實(shí)際測(cè)量平均值為4/3左右。但實(shí)際地段的K值和該地段的氣象有關(guān)，可以在較大范圍內(nèi)變化，影響視距傳播。,K型衰落,R,微波傳播,K型衰落（續(xù)）,k 1,k = 1,k 1,K型衰落（續(xù)）,等效地球半徑 在溫帶地區(qū)稱K=4/3時(shí)折射為標(biāo)準(zhǔn)折射，此時(shí)的大氣稱為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓, Re=4R/3稱為標(biāo)準(zhǔn)等效地球半徑,多徑衰落：由于折射波，反射波，散射波等多途徑傳播，造成到達(dá)接收端有多條電波，這些電波合成引起嚴(yán)重的干涉型衰落。 引起多徑衰落的原因很多：大氣不均勻、水面或光

14、滑地面的反射等。 當(dāng)合成波的電平比自由空間接收電平低的衰落稱為下衰落，比自由空間接收電平高的衰落稱為上衰落。,大氣不均勻 水面 光滑地面,多徑衰落,波導(dǎo)型衰落,由于氣象條件的影響（例夜間地面冷卻，早晨地面被太陽(yáng)曬熱，以及平靜的海面和高氣壓）會(huì)在某個(gè)大氣層中形成不均勻結(jié)構(gòu)，這種現(xiàn)象稱為大氣波導(dǎo)。如果微波射線通過(guò)大氣波導(dǎo)，而接收點(diǎn)在波導(dǎo)層外，則接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)除了直射波和地面反射波外，還有波導(dǎo)層邊界的反射波，形成嚴(yán)重的干涉型衰落，并往往造成通信中斷。,閃爍衰落,也叫起伏衰落。這種衰落是由于大氣局部因壓力、溫度和濕度不同所形成的粒子團(tuán)引起的介電常數(shù)與周圍不同，而使電波產(chǎn)生散射。各散射波的振幅和相位隨大氣

15、的變化而隨機(jī)變化，其結(jié)果在接收點(diǎn)的合成場(chǎng)強(qiáng)隨機(jī)變化。這是一種快衰落，持續(xù)時(shí)間很短，電平變化小，對(duì)主波影響小，不會(huì)造成通信中斷。,閃爍衰落示意圖,頻率越高，站距越長(zhǎng)，衰落越嚴(yán)重。 夜間比白天嚴(yán)重，夏季比冬季嚴(yán)重。白天在太陽(yáng)光的照射下，空氣對(duì)流較好，夏季氣候變化快。 晴天、無(wú)風(fēng)的天氣大氣混合不均勻，容易形成大氣分層，且形成后不易消散，這樣容易形成多徑傳播。 水上線路比陸地線路嚴(yán)重。水面線路反射系數(shù)大，水上大氣折射系數(shù)也大。 平原線路比山區(qū)線路嚴(yán)重。因平原線路容易形成大氣分層現(xiàn)象，地面反射系數(shù)也較大。 雨霧天氣對(duì)高頻微波影響大。,小結(jié),數(shù)字微波系統(tǒng)的抗衰落技術(shù),頻率分集 利用在空間傳輸中，不同頻率信

16、號(hào)的衰落特性不一樣的特性，采用兩個(gè)或兩個(gè)以上具有一定頻率間隔的微波頻率同時(shí)發(fā)送和接收同一信息，然后進(jìn)行合成或選擇，以減輕衰落的影響，這種工作方式叫頻率分集。 優(yōu)點(diǎn)是效果明顯，只需要一副天饋線。缺點(diǎn)是頻段利用率不高。,空間分集 利用信號(hào)在不同路徑的多徑效應(yīng)不同，從而衰落也不同的特性，采用高低不同的兩副或兩副以上的天線接收同一頻率的信號(hào)，然后進(jìn)行合成或選擇，這種工作方式叫空間分集。有幾副天線就叫幾重分集。 優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省頻率資源。缺點(diǎn)是設(shè)備復(fù)雜，需要兩套或兩套以上天饋線。 天線距離：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在常用頻段，一般為100200倍波長(zhǎng)。,除了以上介紹的抗衰落技術(shù)之外，還介紹兩個(gè)常用的技巧。,方法一：利用某些

17、地形、地物阻擋反射波。,方法二：高低天線。,提綱 第一部分 微波基礎(chǔ)知識(shí)介紹 第二部分 微波網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 第三部分 微波設(shè)計(jì)的重要指標(biāo) 第四部分 微波設(shè)計(jì)常用軟件,微波網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),微波網(wǎng)絡(luò)布局分類以及組網(wǎng)方式 微波網(wǎng)絡(luò)有哪幾種保護(hù)方式 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械念l率干擾以及解決方案,微波網(wǎng)絡(luò)布局分類,按站型分類為：終端站、中繼站、樞紐站 按通信頻率分為：高站和低站 高站：收信頻率高于發(fā)射頻率 低站：收信頻率低于發(fā)射頻率,鏈型（Chain Configurations） 星型（Star configuration） 樹型（Tree configuration ） 環(huán)行（Ring configuration）,微波網(wǎng)

18、絡(luò)組網(wǎng)方式,應(yīng)該用哪一種,鏈型（Chain Configurations）Suitable along Roads,- BSC/HUB匯聚點(diǎn)方向數(shù)少,: BTS Site,: BTS Site connected to BSC,匯聚點(diǎn)容量大 網(wǎng)絡(luò)安全性差，一條鏈路中斷會(huì)影響下掛站點(diǎn),星型（Star Configuration）Small networks,鏈路之間無(wú)相關(guān)性 鏈路中斷影響很小,視通難度，所有站點(diǎn)都要與匯聚點(diǎn)視通 頻率配置較難，難以解決頻率干擾 匯聚點(diǎn)需要足夠大的負(fù)載和空間安裝天線,: BTS Site,: BTS Site connected to BSC,樹型（Tree Con

19、figuration）Small or medium size networks,視通容易 路徑短 天線口徑小 頻率復(fù)用度高,可用性 一跳鏈路中斷會(huì)影響很多站點(diǎn),: BTS Site,: BTS Site connected to BSC,匯聚節(jié)點(diǎn)容量要求高 子匯聚點(diǎn)需要交換機(jī),需要1+1保護(hù)在重要鏈路,環(huán)型（Ring Configuration）When high availability is required,可靠性高，路由保護(hù) 單跳鏈路中斷不影響通信,鏈路傳輸容量高 要求高調(diào)制帶寬 視通要求高 每個(gè)站點(diǎn)都要連接相鄰兩個(gè)站點(diǎn) 設(shè)備成本很高 每條鏈路的容量是所有節(jié)點(diǎn)容量之和,: BTS S

20、ite,: BTS Site connected to BSC,微波的保護(hù)模式,工程中，我們主要用以下幾種保護(hù)方式,1+0 （無(wú)保護(hù)方式） 1+1 HSB（熱備份） 1+1 SD （空分） 1+1 FD（頻分）,PDH鏈路基本是1+0的方式，因?yàn)镻DH容量的限制一般都用于末端鏈路或者末端鏈路的上一層，即使鏈路中斷也不會(huì)造成太大的影響，頂多1-2個(gè)站。 SDH鏈路全是應(yīng)用1+1保護(hù)方式，由于SDH設(shè)備的容量是以STM-1為單位，用于主干鏈路，下掛站點(diǎn)較多，必須有保護(hù)措施，以防鏈路中斷造成大面積站點(diǎn)通信中斷。,無(wú)保護(hù)鏈路 1+0 配置：,ODU,天線,IDU,中頻電纜,組成是1個(gè)ODU(室外射頻單

21、元)+1個(gè)合路器+1個(gè)IDU+1面天線,中繼站配置（Repeater Configuration）,1+1 HSB 配置 基于設(shè)備的保護(hù),有保護(hù)鏈路,組成是2個(gè)ODU(室外射頻單元)+1個(gè)合路器+1面天線,室內(nèi)設(shè)備雙備份，個(gè)頻點(diǎn),1+1 SD 配置 基于設(shè)備和天線的保護(hù),有保護(hù)鏈路,空間分集采用2個(gè)ODU+2面天線,室內(nèi)設(shè)備雙備份，個(gè)頻點(diǎn)?？辗值呐渲枚嘤糜谄教沟貏?shì)以及跨水面鏈路由于微波折射不穩(wěn)定所采用的傳輸方式。,1+1 FD 配置 基于設(shè)備和天線的保護(hù),有保護(hù)鏈路,頻率分集采用個(gè)（室外射頻單元）合路器面天線，室內(nèi)單元雙備份，個(gè)頻點(diǎn)。工程中不常見(jiàn)，頻率占用資源大。,鏈路設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)干擾,我們?cè)?/p>

22、做微波設(shè)計(jì)中，配置系統(tǒng)頻率的關(guān)鍵指標(biāo)有2個(gè)，一個(gè)是頻點(diǎn)f1、f2.fn；還有一個(gè)是天線發(fā)射的極化方式V（垂直極化）與H（水平極化）。,頻率配置的目的是，通過(guò)合理的頻率分配，最大限度的減少內(nèi)部和外部干擾，提高線路的通信質(zhì)量，其一般原則和一般的方法是：, 當(dāng)擬建電路有交叉路由的微波線路時(shí)，如果交叉角小于30時(shí),應(yīng)采用隔頻配置；若交叉角大于60 為節(jié)省頻率資源，可采用同頻配置。 為避免越站干擾，在一條中繼線路上，第四個(gè)站不應(yīng)在第一和第二各站的延長(zhǎng)線上，極化的排列順序?yàn)镠、H、V、V。若難以避開(kāi)，可采用F1、F1、F3、F3 配置。,鏈路設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)干擾(續(xù)),解決辦法依次是：1）更換極化方式 2）更

23、換頻點(diǎn) 3）路由更改（改善曲折性）4）降低發(fā)射功率,提綱 第一部分 微波基礎(chǔ)知識(shí)介紹 第二部分 微波網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 第三部分 微波設(shè)計(jì)的重要指標(biāo) 第四部分 微波設(shè)計(jì)常用軟件,微波設(shè)計(jì)的重要指標(biāo),通信調(diào)制方式以及與帶寬的關(guān)系 QPSK與QAM的區(qū)別 軟件設(shè)計(jì)參數(shù)原理,數(shù)字微波通信調(diào)制方式,未經(jīng)調(diào)制的數(shù)字信號(hào)叫做數(shù)字基帶信號(hào)。由于基帶信號(hào)不能在無(wú)線微波信道中傳輸，必須將基帶信號(hào)變換成頻帶信號(hào)的形式，即用基帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行數(shù)字調(diào)制。,數(shù)字基帶信號(hào),中頻信號(hào),基帶信號(hào)速率,波道帶寬,調(diào)制,傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)信號(hào),數(shù)字微波通信調(diào)制方式（續(xù)）,數(shù)字微波中常用PSK和QAM調(diào)制,將數(shù)字基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字頻帶信號(hào)均可表示成：,調(diào)制方式與帶寬的關(guān)系,QPSK與QAM區(qū)別,在相同的調(diào)制帶寬下，QAM調(diào)制出的容量是QPSK的2倍，QPSK的發(fā)功比QAM大。,地圖參數(shù)設(shè)置,DTM數(shù)據(jù)有SRTM GTOPO30,我們用的坐標(biāo)系是WGS84坐標(biāo)系，也叫地球質(zhì)心坐標(biāo)系，是以地球的質(zhì)心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系 SRTM地圖是美國(guó)用航天飛機(jī)測(cè)量的，地形數(shù)據(jù)分了兩種精度SRTM1和SRTM3 SRTM1只有美國(guó)的數(shù)據(jù)公開(kāi)了，其他區(qū)域都是保密的， 目前的我們用的SR