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无线高速公路—微波通信

2016/7/29 23:32:42点击:
1 微波的概念
什么是微波?许多人可能比较陌生,有些人可能会想到自己家中的微波炉,只知道微波可以加热食品,在通信中有什么作用就说不清了。微波其实是电磁波的一种,其波长在1毫米1之间,相应的频率范围是300MHz300GHz。微波的特点是穿透性较强,不能被电离层反射,且易被地面吸收,其在空中的传播特性与光波相近,基本上是直线前进,遇到阻挡就被反射或被阻断(3000MHz以下的微波具有一定的绕射特性)。
用于微波炉来加热食品的微波频率通常在2.4GHz左右,它仅是微波应用的一个例子。
2 微波通信的发展和应用
微波除能用来加热食品外,其最重要的作用就是用于通信。目前,微波通信仍然是主要的通信手段之一。
这里有必要谈谈微波通信的发展历史。其实在无线通信初期,人们使用长波和中波来通信,直到19363月,美国贝尔研究所(BTL)的GCSouthworth,成功地进行了波导传输实验——实验线路长260m,采用直径12.5cm的圆形青铜管,传输的波长9cm,开辟了微波使用的新纪元。在193821,美国IRE举行了关干波导的学术报告会,第二天又举行了关于喇叭天线(由波导开口逐步扩大而成)的报告和演示会,自此以后,微波(Microwaves)通信成为一个热门话题。进入到20世纪50年代以后,微波通信由于其自身的优点而得到广泛的应用。
我国自1956年从德国引进第一套微波通信设备以来,经过“取其精华,去其糟粕”的过程,取得了重大的技术进步。到80年代后期和90年代初期,我国已经能够独立研制6GHz 1920路、11GHz 192016QAM数字微波系统和传输容量为140Mbit/s 64QAM 中频系统。
微波通信由于其频带宽、容量大、可以用于各种电信业务传送,如电话、电报、数据、传真以及彩色电视等均可通过微波电路传输,它也广泛应用于国家通信干线传输,因此也可认为微波通信系统在2000年前是国家的“信息高速公路”。微波通信具有良好的抗灾性能,水灾、风灾以及地震等自然灾害对其影响都不大,如1976年的唐山大地震,在京津之间的同轴电缆全部断裂的情况下,6个微波通道全部安然无恙,为抗震救灾提供了有力的通信保证;90年代的长江中、下游的特大洪灾中,微波通信在救灾过程中又一次大展拳脚。
3 微波通信系统的组成
微波通信就是利用微波来传送信息。微波的传播特性决定了微波通信的主要方式是视距通信,超过视距以后需要中继转发,所以微波通信又称为微波中继通信或微波接力通信。一般说来,由于地球曲面的影响以及微波传输的损耗,每隔50公里左右,就需要设置中继站(统称为微波站),将电波放大转发而延伸。长距离微波通信干线可以经过几十次中继而传至数千公里仍可保持很高的通信质量,微波通信示意图如下所示:

微波站的设备包括天线、收发信机、调制器、多路复用设备以及电源设备、自动控制设备等。为了把电波聚集起来成为波束,送至远方,一般都采用抛物面天线来收发,其聚焦作用可大大增加传送距离。多个收发信机可以共同使用一副天线而互不干扰。
微波站按工作性质不同,一般分为终端站、枢纽站、分路站、中继站等。
终端站:处在微波通信线路的两端。它将数字复用设备送来的基带信号或从电视台送来的电视信号,经微波设备处理后由微波发信机发射给中继站同时将微波接收机接收到的信号,经微波设备处理后变成基带信号送给数字复用设备;或经数字解码设备处理后还原成电视信号传送给电视台。
枢纽站:大都设在省会以上大城市,处在微波通信线路的中间,有二条以上微波通信线路的汇接的城市。这样不仅可以进行本线路的用户间信息交换,也可以与其他线路的用户进行信息交流构成通信网。用户间的信息交流就更加方便。
分路站:又称上下话路站,为了适应一些地方的小容量的信息交换而设置的,设备简单,投资小,这样可满足一些中小城市与省会以上城市进行信息交流,这种站型必须与SDH 的分插复用设备连接。
中继站:是微波通信线路数量最多的站型,一般都有几个到几十个。中继站的作用是将信号进行再生、放大处理后,再转发给下一个中继站,以确保传输信号的质量。所以,中继站又叫再生站。再生中继站具有全线公务联络能力,并向网管系统汇报站信息。由于中继站的作用才使得微波通信将信号传送到几百公里甚至几千公里之外。
4 数字微波通信系统制式
微波通信系统的发展也同其它无线电通信系统一样经历了由模拟到数字的转换。
模拟微波系统每个收发信机可以工作于60路、960路、1800路或2700路通信,可用于不同容量等级的微波电路,但由于技术的进步,模拟系统已经完全退出市场;数字微波系统应用数字复用设备以30路电话按时分复用原理组成一次群,进而可组成二次群120路、三次群480路、四次群1920路,并经过数字调制器调制于发射机上,在接收端经数字解调器还原成多路电话。在数字传输系统中,有两种数字传输制式,一种叫“准同步数字系列”(Plesiochronous Digital Hierarchy),简称PDH;另一种叫“同步数字系列”(Synchronous Digital Hierarchy),简称SDH
PDH系统,是在数字通信网的每个节点上都分别设置高精度的时钟,这些时钟的信号都具有统一的标准速率。尽管每个时钟的精度都很高,但总还是有一些微小的差别。为了保证通信的质量,要求这些时钟的差别不能超过规定的范围。因此,这种同步方式严格来说不是真正的同步,所以叫做“准同步”。在以往的电信网中,多使用PDH设备,这种系列对传统的点到点通信有较好的适应性。而随着数字通信的迅速发展,点到点的直接传输越来越少,而大部分数字传输都要经过转接,因而PDH系列便不能适合现代电信业务开发的需要,以及现代化电信网管理的需要。SDH就是适应这种新的需要而出现的传输体系。
SDH概念最早是由美国贝尔通信研究所提出的,称为光同步网络(SONET)。它是高速、大容量光纤传输技术和高度灵活、又便于管理控制的智能网技术的有机结合。最初的目的是在光路上实现标准化,便于不同厂家的产品能在光路上互通,从而提高网络的灵活性。1988年,国际电报电话咨询委员会(CCITT)接受了SONET的概念,重新命名为“同步数字系列(SDH)”,使它不仅适用于光纤,也适用于微波和卫星传输的技术体制,并且使其网络管理功能大大增强。
SDH技术与PDH技术相比,有如下明显优点:
  a、网络管理能力大大加强。
  b、提出了自愈网的新概念。用SDH设备组成的带有自愈保护能力的环网形式,可以在传输媒体主信号被切断时,自动通过自愈网恢复正常通信。
  c、统一的比特率,统一的接口标准,为不同厂家设备间的互联提供了可能。
  d、采用字节复接技术,使网络中上下支路信号变得十分简单。
由于SDH具有上述显著优点,它取代PDH在初期的信息高速公路建设中得到了广泛地应用,但是在与信息高速公路相连接的支路和叉路上,PDH设备仍将有用武之地。
5 我国微波使用频段
为了充分、有效地使用有限的频谱资源,原信息产业部于2000年发布了《关于调整1-30GHz数字微波接力通信系统容量系列及射频波道配置的通知》(信部无[2000] 705号),对1-30GHz数字微波接力通信系统容量系列及射频波道配置进行了调整。调整以后的微波通信接力系统主要使用3-30GHz频率,波长在10cm-1cm之间,尤以6GHz以上的频率为主。在这些频率中,4-7GHz频率主要用于大容量微波传输系统,而8GHz以上(含8GHz)既可用于大容量微波系统,也可用于中小容量微波系统。
另外,我国还在3.5GHz规划了2×30MHz带宽用于固定无线接入系统;在26GHz频段上规划了LMDS (本地多点分配业务系统,Local Multi-point Distribution Service)系统。
6 微波通信系统面临的机遇与挑战
数字微波通信技术,曾经和卫星、光纤一起被称为现代通信传输的三大支柱,但随着光纤技术的发展,数字微波通信网络逐渐退出了三大运营商的干线传输网络。但作为对人类的通信建设起到过重要作用的,既有过辉煌岁月,也遇过挑战冷落,在全球通信网面临重大变革的浪潮中,数字微波技术正在积极总结得失,寻找市场定位。
20世纪80年代中、后期,光纤通信迅速兴起,光纤通信以其巨大带宽、超低损耗和较低成本而成为干线传输的主要手段,并对数字微波形成巨大的冲击。数字微波的干线传输功能已逐步被光纤所代替。从上世纪90年代以来,以大容量光纤传输作为国家信息高速公路的主要传输手段,已经成为不可抗拒的历史潮流。
尽管受到光纤通信的极大挑战,数字微波通信仍然具有其自身的优点。作为一种无线传输方式,具有架设灵活、抗灾性强、终端可移动等光纤传输所无法比拟的优点。当前数字微波的发展机遇可以归纳如下:
(1) 干线光纤传输的备份及补充
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) 点对多点微波通信系统
点对多点微波通信系统是近几年发展起来的新型微波通信系统,主要分为中心站和用户站。中心站采用全向天线向四周发射,在周围50公里以内,可以在多个点放置用户站,从用户站再分出多路电话分别接至各用户使用。其总体容量有100线、500线和1000线等不同的容量的设备,每个用户站可以分配十几或数十个电话用户,在必要时还可通过中继站延伸至数百公里外的用户使用。这种点对多点微波通信系统对于城市郊区、县城至农村村镇或沿海岛屿的用户、对分散的居民点也十分合用,较为经济。
(3) 微波扩频数据传输系统
如点对点24 GHz扩频微波,点对多点24 GHz 扩频微波数据网等,主要问题是干扰协调问题。移动通信基站间链路一般可以使用光纤,但由于微波的灵活性,目前也被广泛使用。如利用5.8GHz扩频微波设备来实现基站间的互连。
(4) 高频段微波
131518 GHz 几个频段的点对点微波通信系统,可以用于城市内的短距离支线,如移动通信基站的连接。
(5) 本地多点分配业务(LMDS)
工作在2426GHz 频段,用于未来的宽带业务接入,被称为无线光纤。
(6) 军用数字微波通信系统
主要解决抗干扰和加密等问题。另外,还可通过“对流层散射通信”、“流星余迹通信”等,利用高层大气的不均匀性或流星的余迹对电波的散射作用而达到超过视距的通信。
参考文献
1、微波通信     中国电信老科协李建禄