数字微波通信概述以及理论课件.ppt

1、数字微波通信概述以及理论数字微波通信概述以及理论微波知识简介微波知识简介 提纲提纲第一部分第一部分 微波基础知识介绍微波基础知识介绍第二部分第二部分 微波网络架构微波网络架构 微波知识简介微波知识简介微波基础知识微波基础知识n 微波通信的定义n 微波频段的划分n 微波传输容量分类n 微波设备组成部分n 微波传输特性 微波知识简介微波知识简介 现代通信网中的传输手段现代通信网中的传输手段微微波波端端站站光纤通信光纤通信微波通信微波通信卫星通信卫星通信微微波波端端站站复用设备复用设备复用设备复用设备同轴电缆同轴电缆微波知识简介微波知识简介微波的定义微波的定义 p微波是一种电磁波，从广义上讲，频率范

2、围为300MHz300GHz，微波通信使用的频率范围通常是3GHz30GHz。p实际微波设计中的设备是从7GHZ38GHZ，频率越高，传输距离越短。p根据微波传播的特点，可视其为平面波。p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知识简介微波传输基本知识微波传输基本知识站站接力式的中继方式完成传输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(110cm),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

3、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（

4、10.7-11.7GHz; 12.75-13. 25GHz;)15/18GHz频段（14.50-15.35GHz; 17.7-19.7GHz;)23GHz频段（21.955523.5445GHz);38GHz频段(37.061539.4345GHz)微波频段划分微波知识简介微波知识简介微波传输的容量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(155 Mb/s)。单独的一个IDU最大可支持400Mbps。3、机架式SDH：

5、SDH5000S可支持8个STM-1。微波知识简介微波知识简介数字微波设备分类数字微波设备分类u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。微波知识简介微波知识简介l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。微波知识简介微波知识简介l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

6、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。微波知识简介微波知识简介分体式微波安装分体式微波安装标准天线（分标准天线（分离式安装）离式安装）室外单元室外单元 (ODU)(ODU)中频电缆中频电缆中频中频口口分离式安装分离式安装软波导软波导室内单元（室内单元（IDUIDU）中频口中频口 标准天线标准天线（集成式安装）（集成式安装）室外单元室外单元 (ODU)(ODU)室内单

7、元（室内单元（IDUIDU）直扣式安装直扣式安装中频电缆中频电缆中频口中频口微波知识简介微波知识简介 影响电波传播的因素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的传播及抗衰落技术微波知识简介微波知识简介微波传播的几个重要参数微波传播的几个重要参数自由空间的电波传播自由空间的电波传播菲涅尔区及其半径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

8、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。 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(n1)表示。 微波知识简介微波知识简介自由空间的电波传播自由空间的电波传播l第一菲涅尔区半径计算公式： )()()()(32.17211kmdGHzfkmdkmdFl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

9、数的增大，接收点的场强以等差级数关系递减。微波知识简介微波知识简介余隙余隙p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。p 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，则称则称hc/Fhc/F1 1为该点的相对余隙为该点的相对余隙。余隙一般要求余隙一般要求大于大于一阶费涅尔半径一阶费涅尔半径微波知识简介微波知识简介保障余隙的高度是微波视通的必要条件保障余

10、隙的高度是微波视通的必要条件微波知识简介微波知识简介K K因子概念因子概念l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。l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。l当dn/dh 0时，n与h为反比变化，使电波传播射线向下弯曲；微波知识简介微波知识简介l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。l定义K为等效地球半径系数：K= ae/a l式中a=6370km

11、lK与折射率的关系为： lK=1/（1+a dn/dh） 微波知识简介微波知识简介K K因子概念因子概念微波知识简介微波知识简介按按k 值的不同可将折射分为三类值的不同可将折射分为三类l无折射：dn/dh=0；此时：k=1或 a=a el负折射： dn/dh 0； 此时：k 1或 a a e、电波射线弯曲反向与地球的弯曲相反故称为负折射。l正折射：dn/dh 0； 此时：k 1或 a a e、电波射线弯曲反向与地球的弯曲同相故称为正折射。l根据大量的测试结果得到折射率梯度为 ：dn/dh=-1/4al代入K 表达式得：k=1/(1+a(-1/4a)=4/3l在温带地区称K=4/3时折射为标准折

12、射，此时的大气称为标准大气压。 la e=4a/3称为标准等效地球半径。l在赤道，标准等效地球半径a e=（4/33/2）a；微波知识简介微波知识简介折射的分类示意图折射的分类示意图l在工程计算时，我在工程计算时，我国选用国选用K标准标准=4/3、K负折射负折射=2/3、考虑越站干扰时按考虑越站干扰时按K= 计算，即不计计算，即不计地球凸起的高度对地球凸起的高度对电波干扰传播的影电波干扰传播的影响。响。微波知识简介微波知识简介K值在工程设计中的意义值在工程设计中的意义l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：l0.5，即地面反射系数较小的电路，如山区、城市、丘陵地区这种地

13、形主要防止过大的绕射，应按满足如下标准控制天线高度：l K=2/3时，hc 0.3F1 (对一般障碍物)l hc 0 (对刃形障碍物) 这种情形产生的绕射衰落不大于8dB 。l 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：l K=2/3时，hc 0.3F1 (对一般障碍物)l hc 0 (对刃形障碍物) l K=4/3时，hc F1l K=时， hc 1.35 F1 (因为余隙为21/2 F1时会出现深衰落)l如上述情况不能被满足时,那就改变天线高度或更改路由。微波知识简介微波知识简介影响电波传播的因素地形影响电波传播的因素

14、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。 直线直线反射反射直线直线反射反射微波知识简介微波知识简介l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：pA类：山地（或建筑物密集的城市）pB类：丘陵（地面起伏较平缓）pC类：平原pD类：大面积的水面l其中山地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；

15、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）影响电波传播的因素地形（续）微波知识简介微波知识简介影响电波传播的因素大气影响电波传播的因素大气l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：p 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。p 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。p 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

16、。其中对微波传输影响最大的是大气折射。微波知识简介微波知识简介电波传播的衰落特性电波传播的衰落特性衰落机理衰落机理吸收衰落吸收衰落雨雾衰落雨雾衰落闪烁衰落闪烁衰落k k型衰落型衰落波导型衰落波导型衰落衰落时间衰落时间接收电接收电平高低平高低衰落对信衰落对信号的影响号的影响快衰落快衰落慢衰落慢衰落上衰落上衰落下衰落下衰落平衰落平衰落频率选择性衰落频率选择性衰落自由空间传播衰落自由空间传播衰落l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。微波知识简介微波知识简介自由空间传播损耗自由空间传播损耗P = 发射功率发射功率(TX Power)PTXPo

17、werLevelDistanceGTXGRX PRX G = 天线增益天线增益(Antenna Gain)A0A0 = 自由空间损耗自由空间损耗(Free Space Loss)M接收门限接收门限(Receiver Threshold)M = 衰落储备衰落储备(Fading Margin)微波知识简介微波知识简介Free Space Loss A = 92.4 + 20 log + 20 log = distance in km = frequency in GHz (refer to isotropic antennas)0df或或 增加增加一倍，损耗将增加一倍，损耗将增加6 dB 自由空间

18、传播损耗自由空间传播损耗自由空间传播条件下的收信电平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微波知识简介大气吸收衰落大气吸收衰落l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。l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大气对微波吸

19、收曲线图(dB/Km)1GHz7.5GHz12GHz23GHz60GHz0.01dB10dB1dB0.1dB微波知识简介微波知识简介l 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l 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。l 高频段可以做用户级

20、传输，频段越高雨衰越厉害。雨雾衰减雨雾衰减微波知识简介微波知识简介l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响，或采用高低天线加空间分集技术来克服多径反射的影响。K K型衰落型衰落ReR微波知识简介微波知识简介l多径衰落：由于折射波，反射波，散射波等多途径传播，造成到达接收端有多条

21、电波，这些电波合成引起严重的干涉型衰落。l引起多径衰落的原因很多：大气不均匀、水面或光滑地面的反射等。l当合成波的电平比自由空间接收电平低的衰落称为下衰落，比自由空间接收电平高的衰落称为上衰落。p大气不均匀大气不均匀p水面水面p光滑地面光滑地面多径衰落多径衰落地面地面微波知识简介微波知识简介波导型衰落波导型衰落l 由于气象条件的影响（例夜间地面冷却，早晨地面被太阳晒热，以及平静的海面和高气压）会在某个大气层中形成不均匀结构，这种现象称为大气波导。如果微波射线通过大气波导，而接收点在波导层外，则接收点的场强除了直射波和地面反射波外，还有波导层边界的反射波，形成严重的干涉型衰落，并往往造成通信中断

22、。波导型衰落示意图波导型衰落示意图微波知识简介微波知识简介闪烁衰落闪烁衰落l 也叫起伏衰落。这种衰落是由于大气局部因压力、温度和湿度不同所形成的粒子团引起的介电常数与周围不同，而使电波产生散射。各散射波的振幅和相位随大气的变化而随机变化，其结果在接收点的合成场强随机变化。这是一种快衰落，持续时间很短，电平变化小，对主波影响小，不会造成通信中断。闪 烁 衰 落 示 意 图闪烁衰落示意图闪烁衰落示意图微波知识简介微波知识简介分 类对抗效应与设备有关的与设备有关的对抗措施对抗措施自适应均衡自适应均衡波形失真波形失真自动发信功率控制自动发信功率控制 (ATPC)功率降低功率降低前向纠错前向纠错（FEC

23、）功率降低功率降低与系统有关的与系统有关的对抗措施对抗措施分集接收技术分集接收技术功率降低和波形失真功率降低和波形失真数字微波系统的抗衰落技术数字微波系统的抗衰落技术微波知识简介微波知识简介l频率分集频率分集p 利用在空间传输中，不同频率信号的衰落特性不一样的特性，采用两个或两个以上具有一定频率间隔的微波频率同时发送和接收同一信息，然后进行合成或选择，以减轻衰落的影响，这种工作方式叫频率分集。p 优点是效果明显，只需要一副天馈线。缺点是频段利用率不高。f1f2微波知识简介微波知识简介l 空间分集空间分集p 利用信号在不同路径的多径效应不同，从而衰落也不同的特性，采用高低不同的两副或两副以上的天

24、线接收同一频率的信号，然后进行合成或选择，这种工作方式叫空间分集。有几副天线就叫几重分集。p 优点是节省频率资源。缺点是设备复杂，需要两套或两套以上天馈线。f1f1微波知识简介微波知识简介微波网络架构微波网络架构n 微波网络布局分类以及组网方式n 微波网络有哪几种保护方式n 网络拓扑中的频率干扰以及解决方案 微波知识简介微波知识简介微波网络布局分类微波网络布局分类终端站终端站终端站终端站终端站终端站枢纽枢纽站站分路站分路站中继站中继站u 按站型分类为：终端站、中继站、枢纽站u 按通信频率分为：高站和低站u 高站：收信频率高于发射频率u 低站：收信频率低于发射频率微波知识简介微波知识简介 适应不

25、同解决方案适应不同解决方案 链型（链型（Chain Configurations） 星型（星型（Star configuration） 树型（树型（Tree configuration ） 环行（环行（Ring configuration）微波网络组网方式微波网络组网方式应该用哪一种应该用哪一种微波知识简介微波知识简介链型（链型（Chain Configurations）Suitable along Roads- BSC/HUBBSC/HUB汇聚点方向数少汇聚点方向数少: BTS Site: BTS(基站收发器基站收发器) Site connected to BSC（基站控制器）（基站控制器）

26、-汇聚点容量大汇聚点容量大网络安全性差，一条链路中断会影响下挂站点网络安全性差，一条链路中断会影响下挂站点微波知识简介微波知识简介星型（星型（Star Configuration）Small networks+ 链路之间无相关性链路之间无相关性 链路中断影响很小链路中断影响很小-视通难度，所有站点都要与汇聚点视通视通难度，所有站点都要与汇聚点视通-频率配置较难，难以解决频率干扰频率配置较难，难以解决频率干扰-汇聚点需要足够大的负载和空间安装天线汇聚点需要足够大的负载和空间安装天线: BTS Site: BTS Site connected to BSC 微波知识简介微波知识简介树型（树型（Tr

27、ee Configuration）Small or medium size networks+ 视通容易视通容易+ 路径短路径短 天线口径小天线口径小+ 频率复用度高频率复用度高- 可用性可用性 一跳链路中断会影响很多站点一跳链路中断会影响很多站点1+1 hop for protection: BTS Site: BTS Site connected to BSC- 汇聚节点容量要求高汇聚节点容量要求高 子汇聚点需要交换机子汇聚点需要交换机需要1+1保护在重要链路微波知识简介微波知识简介环型（环型（Ring Configuration）When high availability is req

28、uired+ 可靠性高，路由保护可靠性高，路由保护 单跳链路中断不影响通信单跳链路中断不影响通信- 链路传输容量高链路传输容量高 要求高调制带宽要求高调制带宽- 视通要求高视通要求高 每个站点都要连接相邻两个站点每个站点都要连接相邻两个站点- 设备成本很高设备成本很高- 每条链路的容量是所有节点容量之和每条链路的容量是所有节点容量之和: BTS Site: BTS Site connected to BSC微波知识简介微波知识简介微波的保护模式微波的保护模式工程中，我们主要用以下几种保护方式工程中，我们主要用以下几种保护方式1+0 （无保护方式）1+1 HSB1+1 HSB（热备份）（热备份）

29、 1+1 SD 1+1 SD （空分）（空分）1+1 FD1+1 FD（频分）（频分）PDHPDH链路基本是1+0的方式，因为PDH容量的限制一般都用于末端链路或者末端链路的上一层，即使链路中断也不会造成太大的影响，顶多1-2个站。SDHSDH链路全是应用1+1保护方式，由于SDH设备的容量是以STM-1为单位，用于主干链路，下挂站点较多，必须有保护措施，以防链路中断造成大面积站点通信中断。 微波知识简介微波知识简介无保护链路无保护链路1+0 配置：配置： ODU 天线天线IDU中频电缆中频电缆组成是组成是1 1个个ODU(ODU(室外射频单元室外射频单元)+1)+1个合路器个合路器+1+1个

30、个IDU+1IDU+1面天线面天线微波知识简介微波知识简介中继站配置（中继站配置（Repeater ConfigurationRepeater Configuration）微波知识简介微波知识简介1+1 HSB 1+1 HSB 配置配置 基于设备的保护基于设备的保护有保护链路有保护链路组成是组成是2 2个个ODU(ODU(室外射频单元室外射频单元)+1)+1个合路器个合路器+1+1面天线面天线, ,室内设备双备份，室内设备双备份，个频点个频点微波知识简介微波知识简介1+1 SD 1+1 SD 配置配置 基于设备和天线的保护基于设备和天线的保护有保护链路有保护链路空间分集采用空间分集采用2 2个个ODU+2ODU+2面天线面天线, ,室内设备双备份，个频点。室内设备双备份，个频点。空分的空分的配置多用于平坦地势以及跨水面链路由于微波折射不稳定所采用的传配置多用于平坦地势以及跨水面链路由于微波折射不稳定所采用的传输方式。输方式。微波知识简介微波知识简介1+1 FD 1+1 FD 配置配置 基于设备和天线的保护基于设备和天线的保护有保护链路有保护链路频率分集采用个（室外射频单元）合路器面天线，频率分集采用个（室外射频单元）合路器面天线，室内单元双备份，个频点。工程中不常见，频率占用资源大。室内单元双备份，个频点。工程中不常见，频率占用资源大。