張永杰，孟慶凡，段 文

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國(guó)人民解放軍92493部隊(duì)， 遼寧 葫蘆島 125000；3．北京直屬保障大隊(duì),北京 100071)

0 引言

微波通信是一種先進(jìn)的通信方式，它利用微波攜帶信息，通過電波空間同時(shí)傳送若干相互無(wú)關(guān)的信息，并且還能進(jìn)行再生中繼，具有傳輸容量大、通信穩(wěn)定可靠及通信靈活等特點(diǎn)，可作為干線光纖的備份和補(bǔ)充、環(huán)境困難地區(qū)的通信網(wǎng)建設(shè)以及市區(qū)支線信息傳遞[1-3]。伴隨著移動(dòng)通信網(wǎng)建設(shè)，從傳統(tǒng)PDH和SDH體制的TDM微波向混合型和純分組型的IP微波演進(jìn)[4-5]。文獻(xiàn)[6-7]主要研究了跨海信道特性以及抗衰落措施，但傳輸帶寬僅為幾十兆，傳輸容量300 Mbps的長(zhǎng)站距跨海微波傳輸研究尚處于空白，此項(xiàng)研究將有助于探索遠(yuǎn)距離跨海鏈路特性、積累寬帶微波工程設(shè)計(jì)與建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。

1 跨海微波鏈路分析

衡量微波通信鏈路質(zhì)量主要有3個(gè)指標(biāo):電路傳播余隙、衰落儲(chǔ)備和衰落中斷率[7-8]。電路傳播余隙滿足要求即2站之間無(wú)阻擋具備視通條件，衰落電平滿足要求即收發(fā)信機(jī)有足夠的電平對(duì)信號(hào)進(jìn)行發(fā)射和接收，衰落中斷率滿足要求即鏈路可靠性滿足要求。

1.1 電路傳播余隙

路徑剖面圖制作是微波電路路徑設(shè)計(jì)的一個(gè)十分有力且必備的工具，反映了收發(fā)天線之間電波、地形和地貌之間的關(guān)系，最終通過剖面圖確定路徑余隙是否滿足微波電路在視距上貫通標(biāo)準(zhǔn)要求。典型的微波電路剖面圖如圖1所示。

圖1 典型微波電路剖面圖

路徑余隙是指某點(diǎn)在路徑剖面圖上的標(biāo)高點(diǎn)與天線連線之間的距離，由式(1)給出，計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮建筑物、樹木等地物的平均高度。

(1)

式中，hc為路徑上某點(diǎn)余隙(m);h1，h2為剖面圖上兩天線的標(biāo)高(m);d1,d2為該點(diǎn)到路徑兩端的距離(km);d=d1+d2為站點(diǎn)間距(km);hs為該點(diǎn)地形高度(m)。K為等效地球半徑因子，通常要核算2/3，4/3，∞三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的路徑電波傳播狀態(tài)，以保證電波射線與障礙物之間應(yīng)有合適的余隙量。

第一菲涅爾半徑F1計(jì)算公式為[9]：

(2)

式中，λ為工作波長(zhǎng)(m)，其他參數(shù)含義同式(1)。

根據(jù)阻擋損耗與相對(duì)余隙關(guān)系，當(dāng)相對(duì)余隙hc≥0.5F1時(shí)附加損耗會(huì)很快衰減為0 dB，傳播損耗接近自由空間時(shí)的數(shù)值。

1.2 衰落儲(chǔ)備

衰落儲(chǔ)備為[10]：

F(dB)=P+(Gt+Gr)-(bt+br)-Ls-Prth，

(3)

式中，P為發(fā)射功率，Gt,Gr為收發(fā)天線增益，Ls為鏈路傳播損耗，bt,br為收發(fā)端饋線損耗，Prth為接收靈敏度。

綜合考慮頻帶、雨霧衰減和長(zhǎng)距離干線網(wǎng)頻率使用規(guī)劃等多方面因素，跨海微波選用8 GHz頻段，路徑傳播損耗近似為自由空間傳播損耗:

Ls(dB)=92.4+20lgR+20lgf,

(4)

式中，R為傳輸距離(km)，f為工作頻率(GHz)。

1.3 衰落中斷率

衰落對(duì)大容量微波通信的影響主要有2個(gè)方面：一是接收電平的下降，即平衰落；二是由于衰落的頻率選擇性而引起的傳輸波形失真，即頻率選擇性衰落。數(shù)字微波電路總中斷率P為平衰落中斷率Pf和選擇性衰落中斷率Ps之和。平衰落中斷率為:

(5)

式中，地形和氣候因子KQ,B,C可根據(jù)GB/T14617.3-2012確定，f為工作頻率(GHz)，d為路徑長(zhǎng)度(km)，F(xiàn)為衰落儲(chǔ)備(dB)。

選擇性衰落中斷率比較常用的是衰落儲(chǔ)備法，選擇性衰落中斷率儲(chǔ)備值Fs往往由設(shè)備生產(chǎn)廠家提供，通常在25～30 dB之間，工程上也可以采用式(6)估算選擇性衰落儲(chǔ)備值

(6)

式中，rb為系統(tǒng)比特率(Mbps)，d為站距(km)。采用衰落儲(chǔ)備法估算選擇性衰落中斷率Ps的計(jì)算公式為:

(7)

1.4 跨海微波鏈路設(shè)計(jì)難點(diǎn)

通過上述分析可以看出，大容量長(zhǎng)站距跨海微波設(shè)計(jì)的難點(diǎn)體現(xiàn)在2個(gè)方面，一是遠(yuǎn)距離、惡劣傳播條件與高可靠性之間的矛盾。由式(3)～(5)計(jì)算得到，通信距離增加會(huì)使得衰落儲(chǔ)備降低、衰落中斷率上升；由式(5)和GB/T14617.3-2012計(jì)算可得，為了保證DM4類型跨海條件下50 km微波鏈路的傳播可靠性，衰落儲(chǔ)備比其他條件下至少增加7 dB。這就要求微波通信具有足夠高的系統(tǒng)增益。二是多徑效應(yīng)造成寬頻譜信號(hào)的選擇性衰落，會(huì)使得系統(tǒng)引入不可減小誤碼甚至無(wú)法正常工作，必須采用抗多徑衰落措施消除符號(hào)間干擾的影響。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在通信距離、工作頻率和地形條件固定的前提下，系統(tǒng)衰落中斷率由衰落儲(chǔ)備決定，具體體現(xiàn)在發(fā)射功率、天線增益和接收門限3個(gè)方面。對(duì)于長(zhǎng)站距跨海微波當(dāng)然希望天線口徑增大，大天線波束窄，方向去耦性更強(qiáng)，可以有效提高接收電平和儲(chǔ)備量。但天線增大不但會(huì)增加投資，而且由于波束太窄不易對(duì)準(zhǔn)，海邊較大風(fēng)力可能會(huì)引起天線擺動(dòng)從而造成通信中斷，因此根據(jù)跨海微波建設(shè)經(jīng)驗(yàn)選擇3 m口徑天線。那么系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要集中在選擇合適的調(diào)制方式和抗海面衰落技術(shù)研究上。

2.1 調(diào)制方式

IP微波產(chǎn)品寬帶化主要通過更高的調(diào)制方式和幀頭壓縮技術(shù)等方面實(shí)現(xiàn)。幀頭壓縮技術(shù)采用短字節(jié)代替發(fā)送端的固定內(nèi)容，在接收端還原，從而提升微波傳輸?shù)挠行ё止?jié)，對(duì)于64 KB短字節(jié)吞吐量可以提升一倍以上，但對(duì)于1 518 KB長(zhǎng)字節(jié)提升效果有限。傳統(tǒng)微波產(chǎn)品的最高調(diào)制模式一般為256QAM，IP微波產(chǎn)品的最高調(diào)制方式已達(dá)到了2 048QAM，并且支持ACM(自適應(yīng)編碼調(diào)制)。

為了消除碼間干擾和實(shí)行最佳檢測(cè)，微波通信采用升余弦滾降濾波器作為成形濾波器對(duì)信號(hào)的頻譜進(jìn)行壓縮，其傳輸函數(shù)為[11]:

(8)

式中，α為滾降系數(shù)，0≤α≤1，T為符號(hào)間隔。滾降系數(shù)越小，信號(hào)占用帶寬和對(duì)收發(fā)干擾或相鄰波道的干擾越小，但對(duì)傳輸失真與衰落會(huì)變得敏感且調(diào)制信號(hào)的峰均比越大，大容量微波通信系統(tǒng)的滾降系數(shù)一般取較小值。

圖2 QAM調(diào)制性能曲線

可以看出16QAM-32QAM，256QAM-512QAM與1024QAM-2048QAM；64QAM-128QAM-256QAM；32QAM-64QAM；512QAM-1024QAM斜率最小。

IP微波通信系統(tǒng)的射頻波道配置遵循工信部無(wú)[2000]705號(hào)文件《關(guān)于調(diào)整1～30 GHz數(shù)字微波接力通信系統(tǒng)容量系列及射頻波道配置的通知》中8 GHz(L)頻段29.65 MHz波道間隔?？陀^條件決定最多占用2個(gè)連續(xù)波道。若300 Mbps信息只占用一個(gè)波道傳輸，則頻譜利用率要求不低于10.5 bit/Hz，現(xiàn)有IP微波通信產(chǎn)品均不能滿足；占用2個(gè)連續(xù)波道傳輸時(shí)，頻譜利用率降要求低至5.23 bit/Hz，調(diào)制方式不低于128QAM均可，采用256QAM及以上調(diào)制方式會(huì)降低系統(tǒng)接收門限與抗傳輸失真能力、提高峰均比[12]，從而降低系統(tǒng)儲(chǔ)備和傳播可靠度，因此選用128QAM調(diào)制方式。

2.2 抗多徑衰落

海平面的鏡面反射和波浪散射作用使得直射波和反射波相互疊加，造成接收信號(hào)電平起伏、失真和波形展寬，使得微波通信系統(tǒng)特別是大容量系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重的誤碼，導(dǎo)致通信系統(tǒng)性能下降[13]。分集接收是有效的克服手段之一，就是將所需傳送的信息復(fù)現(xiàn)成若干個(gè)基本獨(dú)立的信號(hào)，然后有效地合并起來(lái)，使得信號(hào)相互彌補(bǔ)和加強(qiáng)，噪聲相互抵消，以獲得較強(qiáng)較穩(wěn)定的信噪比。分集的方式主要有空間分集、頻率分集、角分集、極化分集和時(shí)間分集，微波通信中使用比較多的是空間分集與頻率分集[14]。對(duì)于強(qiáng)反射的長(zhǎng)(>30 km)路徑，克服反射衰落的唯一有效方法是空間分集，同時(shí)考慮到系統(tǒng)頻譜資源緊張，因此采用兩重空間分集和熱備份相結(jié)合的方式，如圖3所示。

圖3 空間分集配置圖

主天線發(fā)射出的射頻信號(hào)由對(duì)端2個(gè)掛高不同的天線接收，2路信號(hào)經(jīng)時(shí)延、相位或幅度調(diào)整后，按一定規(guī)則進(jìn)行合成；副天線發(fā)射處于熱備份保護(hù)狀態(tài)，避免因設(shè)備故障造成的業(yè)務(wù)中斷。

分集改善效果是指采用分集技術(shù)與不采用分集技術(shù)二者相比，對(duì)減輕衰落影響所得到的效果?？臻g分集改善系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式如下[15]：

(9)

式中，s為天線的垂直間距(m)，d為通信距離(km)，f為工作頻率(GHz)，F(xiàn)為衰落深度(dB)。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，天線的垂直間距應(yīng)取工作波長(zhǎng)的150～200倍。

跨海鏈路為典型的二徑模型，根據(jù)收發(fā)端的距離和天線高度預(yù)計(jì)出二徑傳播時(shí)延差為[16]：

(10)

這將造成誤碼性能急劇變壞，導(dǎo)致鏈路瞬時(shí)中斷。自適應(yīng)均衡是指均衡器的參數(shù)隨著接收信號(hào)頻譜的變化而自適應(yīng)地變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)接收信號(hào)的頻譜畸變進(jìn)行實(shí)時(shí)矯正的均衡方法[17]。自適應(yīng)均衡分為時(shí)域均衡器和頻域均衡器兩大類，微波通信中常采用時(shí)域非線性均衡器，均衡算法包括LMS算法及卡爾曼算法等[18]，可提高抗噪聲能力，能完全消除后尾干擾、抗深衰落。

2.3 鏈路設(shè)計(jì)

2站通信距離50 km，海拔高度分別為150 m和110 m，最大障礙物位于中間位置、海拔高度為10 m。業(yè)務(wù)傳輸速率不低于300 Mbps，系統(tǒng)傳播可靠度要求不低于99.9%。

根據(jù)式(2)求得第一菲涅爾半徑F1為21.6，由式(1)求出地球半徑因子K為2/3，4/3，∞三種情況下的路徑余隙hc分別為46.4，83.2，120，均能滿足hc≥0.5F1，因此路徑傳播損耗為自由空間損耗。

為了滿足大容量遠(yuǎn)距離跨海鏈路的高可靠要求，在確定工作頻段、調(diào)制方式、天線口徑與分集配置基礎(chǔ)上，系統(tǒng)發(fā)射功率為30 dBm、接收門限為-70.5 dBm@BER=10-6。通過式(4)計(jì)算出衰落儲(chǔ)備F為45 dB，再綜合運(yùn)用式(5)和式(9)可得到傳播可靠度P為99.91%，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 性能測(cè)試

50 km跨海微波系統(tǒng)建成后進(jìn)入測(cè)試與運(yùn)行階段，按照RFC2544標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試了從64 ～1 518 KB典型包長(zhǎng)的300 Mbps吞吐量以及通信鏈路誤碼率。測(cè)試結(jié)果表明，在大風(fēng)、大雨、晴及多云等各種天氣和海況下，吞吐量均不低于300 Mbps，72 h累計(jì)誤碼率為0，通信鏈路運(yùn)行穩(wěn)定，由此看出：

① 跨海微波鏈路設(shè)計(jì)有效。根據(jù)系統(tǒng)配置計(jì)算出的理論接收中值電平與實(shí)測(cè)值波動(dòng)±2 dB。

② 空間分集能有效地平滑海面衰落?？臻g分集的主天線和副天線接收信號(hào)不同時(shí)低于接收門限，保障合并后的信號(hào)質(zhì)量。

③ 系統(tǒng)增益能力提升能顯著對(duì)抗深衰落。通過合適的調(diào)制方式、發(fā)射功率、天線口徑及編碼方式等手段可使系統(tǒng)適應(yīng)惡劣環(huán)境造成的持續(xù)深衰落。

3.2 跨海鏈路補(bǔ)充特性

鏈路測(cè)量安排在傳播電平低的3月份，測(cè)量了50 km跨海鏈路中分集天線接收電平的最大值、中值和最小值等參數(shù)，采樣間隔為15 min、連續(xù)采樣時(shí)間為72 h，如圖4所示。

圖4 50 km跨海鏈路接收電平圖

通過圖4可以看出：

① 跨海鏈路衰落深度大。與中值電平相比，單天線的最大衰落深度可達(dá)近40 dB。

② 鏈路特性受天氣影響較大。測(cè)試第一天的后半段海面風(fēng)力達(dá)到8級(jí)，2個(gè)天線的接收電平最小值衰落波動(dòng)大、衰落速度快，且持續(xù)衰落達(dá)30 dB。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)大容量長(zhǎng)站距跨海微波的分析設(shè)計(jì)與實(shí)際建設(shè)測(cè)試，表明信道除具備一般微波信道特點(diǎn)外，還具有深衰落嚴(yán)重、受天氣影響大的特性，綜合運(yùn)用調(diào)制、編碼及高功率等多種方式提升系統(tǒng)增益、空間分集及自適應(yīng)均衡等技術(shù)抗多徑衰落可克服信道損傷，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平穩(wěn)高可靠傳輸，這些措施針對(duì)大容量長(zhǎng)站距跨海信道特性有的放矢，效果良好，可為類似工程應(yīng)用設(shè)計(jì)提供參考。