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1、数字微波通信概述以及理论,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,现代通信网中的传输手段,同轴电缆,微波的定义,微波是一种电磁波，从广义上讲，频率范围为300MHz300GHz，微波通信使用的频率范围通常是3GHz30GHz。实际微波设计中的设备是从7GHZ38GHZ，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,微波传输基本知识,站站接力式的中继方式完成传输,
2、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,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;7.4
3、25-7.725GHz;)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（21.955523.5445GHz);38GHz频段(37.061539.4345GHz),微波频段划分,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
4、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：SDH5000S可支持8个STM-1。,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。,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。,分体式微波由天线、室外单元（ODU）和室内单元（IDU）
5、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。,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,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
6、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。,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
7、示。,自由空间的电波传播,第一菲涅尔区半径计算公式：,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。,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,保障余隙的高度是微
8、波视通的必要条件,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；,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=6370kmK与折射率的关系为：K=1/（1+a dn/dh）,K因子概念,按k 值的不同可将
9、折射分为三类,无折射：dn/dh=0；此时：k=1或 a=a e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。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。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。a e=4a/3称为标准等效地球半径。在赤道，标准等效地球半径a e=（4/33/2）a；,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
10、/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。,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：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。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，
11、hc 1.35 F1(因为余隙为21/2 F1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。,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,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
12、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）,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
13、等现象。其中对微波传输影响最大的是大气折射。,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,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。,自由空间传播损耗,PowerLevel,Distance,GTX,GRX,Free Space Loss,d,f,D 或 f 增加一倍，损耗将增加6 dB,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-Lb,
14、Ptx：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,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。,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
15、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,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
16、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型衰落,R,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电波，这些电波合成引起严重的干涉型衰落。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。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。,大气不均匀水面光滑地面,多径衰落,波导型衰落,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
17、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。,闪烁衰落,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,数字微波系统的抗衰落技术,频率分集 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
18、工作方式叫频率分集。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。,空间分集 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。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。,微波网络架构,微波网络布局分类以及组网方式 微波网络有哪几种保护方式 网络拓扑中的频率干扰以及解决方案,微波网络布局分类,按站型分类为：终端站、中继站、枢纽站 按通信频率分为：高站和低站 高站：收信频率高于发射频率 低站：收信频率低于发射频率,链型（Chain Conf
19、igurations）星型（Star configuration）树型（Tree configuration）环行（Ring configuration）,微波网络组网方式,应该用哪一种,链型（Chain Configurations）Suitable along Roads,-BSC/HUB汇聚点方向数少,:BTS Site,:BTS(基站收发器)Site connected to BSC（基站控制器）,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,星型（Star Configuration）Small networks,链路之间无相关性链路中断影响很小,视通难度，所有站点都要与汇聚
20、点视通频率配置较难，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,:BTS Site,:BTS Site connected to BSC,树型（Tree Configuration）Small or medium size networks,视通容易路径短 天线口径小频率复用度高,可用性一跳链路中断会影响很多站点,:BTS Site,:BTS Site connected to BSC,汇聚节点容量要求高子汇聚点需要交换机,需要1+1保护在重要链路,环型（Ring Configuration）When high availability is required,可靠性高，路由保护单跳
21、链路中断不影响通信,链路传输容量高要求高调制带宽视通要求高每个站点都要连接相邻两个站点设备成本很高每条链路的容量是所有节点容量之和,:BTS Site,:BTS Site connected to BSC,微波的保护模式,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 HSB（热备份）1+1 SD（空分）1+1 FD（频分）,PDH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。SDH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
22、施，以防链路中断造成大面积站点通信中断。,无保护链路1+0 配置：,ODU,天线,IDU,中频电缆,组成是1个ODU(室外射频单元)+1个合路器+1个IDU+1面天线,中继站配置（Repeater Configuration）,1+1 HSB 配置 基于设备的保护,有保护链路,组成是2个ODU(室外射频单元)+1个合路器+1面天线,室内设备双备份，个频点,1+1 SD 配置 基于设备和天线的保护,有保护链路,空间分集采用2个ODU+2面天线,室内设备双备份，个频点。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输方式。,1+1 FD 配置 基于设备和天线的保护,有保护链路,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。,
