微波通信概述ppt课件.ppt

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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 微波网络架构第三部分 微波设计的重要指标第四部分 微波设计常用软件,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TE

2、M波,微波传输基本知识,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,微波频段划分,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;

3、 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（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),微波频段选择和射频波道配置,微波频段选择和射频波道配置,在每个频段中定义了多种子频率范围，多种收发间隔和波道间隔。

4、,微波频段选择和射频波道配置（续）,局方申请的频点信息,NEO-C设备频率子带表,通过子带信息表，查找出申请的频点范围所在的子带，算出中心频率，做出频率文件。,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。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。,分体式微波设备,射频部分（ODU）在室外，中频、信号处理、复接等单元（IDU）在室内，之间通过中频电缆连接。ODU可直

5、接和天线连接或通过一根很短的软波导连接，避免了馈线损耗。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。,分体式微波设备（续）,各组成部分的作用：天线： 聚焦ODU发送的射频信号，加大信号增益。ODU：射频处理，实现中频射频之间信号转换。中频电缆：中频业务信号和IDU/ODU通讯信号的传输并向ODU供电。IDU：完成业务接入、业务调度、复接和调制解调等功能。,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,

6、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

7、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。,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

8、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波视通的必要条件,K因子概念,无线电波设计目标,K=4/3时,第一费涅耳区无障碍物在传播经过水面或沙漠地区时,建议K=1时,第一费涅耳区无障碍物,路径余隙标准,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

9、,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

10、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

11、,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,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，10

12、G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,大气折射: 因为大气折射的影响，微波在传播过程中，路径实际上是弯曲的。大气折射的最后效果可看成电磁波在一个等效半径为 的地球上空沿直线传播。即 =KR（R

13、为实际地球半径）。 弯曲影响是通过K型因子来表示 K值的实际测量平均值为4/3左右。但实际地段的K值和该地段的气象有关，可以在较大范围内变化，影响视距传播。,K型衰落,R,微波传播,K型衰落（续）,k 1,k = 1,k 1,K型衰落（续）,等效地球半径 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, Re=4R/3称为标准等效地球半径,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

14、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

15、，对主波影响小，不会造成通信中断。,闪烁衰落示意图,频率越高，站距越长，衰落越严重。 夜间比白天严重，夏季比冬季严重。白天在太阳光的照射下，空气对流较好，夏季气候变化快。 晴天、无风的天气大气混合不均匀，容易形成大气分层，且形成后不易消散，这样容易形成多径传播。 水上线路比陆地线路严重。水面线路反射系数大，水上大气折射系数也大。 平原线路比山区线路严重。因平原线路容易形成大气分层现象，地面反射系数也较大。 雨雾天气对高频微波影响大。,小结,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

16、，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。 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。 天线距离：根据经验，在常用频段，一般为100200倍波长。,除了以上介绍的抗衰落技术之外，还介绍两个常用的技巧。,方法一：利用某些地形、地物阻挡反射波。,方法二：高低天线。,提纲第一部分 微波基础知识介绍第二部分 微波网络

17、架构第三部分 微波设计的重要指标第四部分 微波设计常用软件,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 Configurations）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 R

18、oads,- BSC/HUB汇聚点方向数少,: BTS Site,: BTS Site connected to BSC,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

19、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

20、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

21、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。,链路设计中的系统干扰,我们在做微波设计中，配置系统频率的关键指标有2个，一个是频点f1、f2.fn；还有一个是天线发射的极化方式V（垂直极化）与H（水平极化）。,频率配置

22、的目的是，通过合理的频率分配，最大限度的减少内部和外部干扰，提高线路的通信质量，其一般原则和一般的方法是：, 当拟建电路有交叉路由的微波线路时，如果交叉角小于30时,应采用隔频配置；若交叉角大于60 为节省频率资源，可采用同频配置。 为避免越站干扰，在一条中继线路上，第四个站不应在第一和第二各站的延长线上，极化的排列顺序为H、H、V、V。若难以避开，可采用F1、F1、F3、F3 配置。,链路设计中的系统干扰(续),解决办法依次是：1）更换极化方式 2）更换频点 3）路由更改（改善曲折性）4）降低发射功率,提纲第一部分 微波基础知识介绍第二部分 微波网络架构第三部分 微波设计的重要指标第四部分

23、微波设计常用软件,微波设计的重要指标,通信调制方式以及与带宽的关系 QPSK与QAM的区别 软件设计参数原理,数字微波通信调制方式,未经调制的数字信号叫做数字基带信号。由于基带信号不能在无线微波信道中传输，必须将基带信号变换成频带信号的形式，即用基带信号对载波进行数字调制。,数字基带信号,中频信号,基带信号速率,波道带宽,调制,传输的业务信号,数字微波通信调制方式（续）,数字微波中常用PSK和QAM调制,将数字基带信号转换成数字频带信号均可表示成：,调制方式与带宽的关系,QPSK与QAM区别,在相同的调制带宽下，QAM调制出的容量是QPSK的2倍，QPSK的发功比QAM大。,地图参数设置,DT

24、M数据有SRTM GTOPO30,我们用的坐标系是WGS84坐标系，也叫地球质心坐标系，是以地球的质心为原点的坐标系 SRTM地图是美国用航天飞机测量的，地形数据分了两种精度SRTM1和SRTM3 SRTM1只有美国的数据公开了，其他区域都是保密的， 目前的我们用的SRTM3就是大家所谓的90m地图。,这个90m是什么概念呢,不是高度！是雷达测量的时候每3弧秒取一个点数据，这样下来每个90 x90的区域会有4个点数据，根据这4个点数据和地形地貌山川的走势特征，计算出这个区域的地形，包括海波高度 坡度等等 根据实际的测量对比： SRTM1的高度误差大约在9-16m，平原地区更准确，山地丘陵稍差，

25、当然SRTM3的精度更差一点。 比较我们的纸质测量的地形图，SRTM3的精度约等于一比十万的精度 总之，我们的90m精度地图不是误差90m。,地图参数设置概述（续）,STM3 对全球DTM有非常大的贡献，但是也有很多不足：一是它的覆盖面，不能覆盖全球，它只提供北纬60至南纬54的环带状区域内的数字地形数据，二是STM3的数据在水域、高山区和峡谷地区的质量不好，在这些地区还常常有小块的数据空缺点、空白区。原因是雷达回波质量问题引起。SRTM3的数据集是一种数字地表高程模型（DSM）,GTOPO30 常用的全球性DTM数据还有美国的GTOPO30，这个地图数据虽然分辨率和精度都没有SRTM3高，但

26、是它的覆盖率优于SRTM3，是全球覆盖。而且它是DTM 而不是DSMGTOPO30的精度没有一个统一的标准，它取决于局部区域的源数据的精度，一般不高于正负30m。,微波设计最重要的三个参数指标,热衰落储备值,接收电平值,可用度指标,衰落储备值：指标必须大于30db接收电平：衰落储备量-设备阈值，只要衰落储备量达标，接收电平值就满足，一般 电平不要超过-50dbm。可用度：SDH =99.999% PDH的=99.997%,提纲第一部分 微波基础知识介绍第二部分 微波网络架构第三部分 微波设计的重要指标第四部分 微波设计常用软件,微波设计常用软件,Pathloss与Google earth结合使用,THANK YOU!,王泽昊,