300 Mbps長站距跨海微波系統(tǒng)設(shè)計

張永杰，孟慶凡，段 文

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

0 引言

微波通信是一種先進的通信方式，它利用微波攜帶信息，通過電波空間同時傳送若干相互無關(guān)的信息，并且還能進行再生中繼，具有傳輸容量大、通信穩(wěn)定可靠及通信靈活等特點，可作為干線光纖的備份和補充、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[4-5]。文獻[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的長站距跨海微波傳輸研究尚處于空白，此項研究將有助于探索遠距離跨海鏈路特性、積累寬帶微波工程設(shè)計與建設(shè)經(jīng)驗。

1 跨海微波鏈路分析

衡量微波通信鏈路質(zhì)量主要有3個指標(biāo):電路傳播余隙、衰落儲備和衰落中斷率[7-8]。電路傳播余隙滿足要求即2站之間無阻擋具備視通條件，衰落電平滿足要求即收發(fā)信機有足夠的電平對信號進行發(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)計的一個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

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

(1)

式中，hc為路徑上某點余隙(m);h1，h2為剖面圖上兩天線的標(biāo)高(m);d1,d2為該點到路徑兩端的距離(km);d=d1+d2為站點間距(km);hs為該點地形高度(m)。K為等效地球半徑因子，通常要核算2/3，4/3，∞三個關(guān)鍵點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計算公式為[9]：

(2)

式中，λ為工作波長(m)，其他參數(shù)含義同式(1)。

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

1.2 衰落儲備

衰落儲備為[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

衰落對大容量微波通信的影響主要有2個方面：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為路徑長度(km)，F(xiàn)為衰落儲備(dB)。

選擇性衰落中斷率比較常用的是衰落儲備法，選擇性衰落中斷率儲備值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)估算選擇性衰落儲備值

(6)

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

(7)

1.4 跨海微波鏈路設(shè)計難點

通過上述分析可以看出，大容量長站距跨海微波設(shè)計的難點體現(xiàn)在2個方面，一是遠距離、惡劣傳播條件與高可靠性之間的矛盾。由式(3)～(5)計算得到，通信距離增加會使得衰落儲備降低、衰落中斷率上升；由式(5)和GB/T14617.3-2012計算可得，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)造成寬頻譜信號的選擇性衰落，會使得系統(tǒng)引入不可減小誤碼甚至無法正常工作，必須采用抗多徑衰落措施消除符號間干擾的影響。

2 系統(tǒng)設(shè)計

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個方面。對于長站距跨海微波當(dāng)然希望天線口徑增大，大天線波束窄，方向去耦性更強，可以有效提高接收電平和儲備量。但天線增大不但會增加投資，而且由于波束太窄不易對準(zhǔn)，海邊較大風(fēng)力可能會引起天線擺動從而造成通信中斷，因此根據(jù)跨海微波建設(shè)經(jīng)驗選擇3 m口徑天線。那么系統(tǒng)設(shè)計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)，對于64 KB短字節(jié)吞吐量可以提升一倍以上，但對于1 518 KB長字節(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行最佳檢測，微波通信采用升余弦滾降濾波器作為成形濾波器對信號的頻譜進行壓縮，其傳輸函數(shù)為[11]:

(8)

式中，α為滾降系數(shù)，0≤α≤1，T為符號間隔。滾降系數(shù)越小，信號占用帶寬和對收發(fā)干擾或相鄰波道的干擾越小，但對傳輸失真與衰落會變得敏感且調(diào)制信號的峰均比越大，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[2000]705號文件《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。客觀條件決定最多占用2個連續(xù)波道。若300 Mbps信息只占用一個波道傳輸，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個連續(xù)波道傳輸時，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)成若干個基本獨立的信號，然后有效地合并起來，使得信號相互彌補和加強，噪聲相互抵消，以獲得較強較穩(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]。對于強反射的長(>30 km)路徑，克服反射衰落的唯一有效方法是空間分集，同時考慮到系統(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)射出的射頻信號由對端2個掛高不同的天線接收，2路信號經(jīng)時延、相位或幅度調(diào)整后，按一定規(guī)則進行合成；副天線發(fā)射處于熱備份保護狀態(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，對減輕衰落影響所得到的效果。空間分集改善系數(shù)的經(jīng)驗公式如下[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)實際經(jīng)驗，天線的垂直間距應(yīng)取工作波長的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)計出二徑傳播時延差為[16]：

(10)

這將造成誤碼性能急劇變壞，導(dǎo)致鏈路瞬時中斷。自適應(yīng)均衡是指均衡器的參數(shù)隨著接收信號頻譜的變化而自適應(yīng)地變化，從而實現(xiàn)對接收信號的頻譜畸變進行實時矯正的均衡方法[17]。自適應(yīng)均衡分為時域均衡器和頻域均衡器兩大類，微波通信中常采用時域非線性均衡器，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

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)計算出衰落儲備F為45 dB，再綜合運用式(5)和式(9)可得到傳播可靠度P為99.91%，滿足設(shè)計要求。

3 試驗驗證

3.1 性能測試

50 km跨海微波系統(tǒng)建成后進入測試與運行階段，按照RFC2544標(biāo)準(zhǔn)測試了從64 ～1 518 KB典型包長的300 Mbps吞吐量以及通信鏈路誤碼率。測試結(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累計誤碼率為0，通信鏈路運行穩(wěn)定，由此看出：

① 跨海微波鏈路設(shè)計有效。根據(jù)系統(tǒng)配置計算出的理論接收中值電平與實測值波動±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不同時低于接收門限，保障合并后的信號質(zhì)量。

③ 系統(tǒng)增益能力提升能顯著對抗深衰落。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 跨海鏈路補充特性

鏈路測量安排在傳播電平低的3月份，測量了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近40 dB。

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

4 結(jié)束語

通過對大容量長站距跨海微波的分析設(shè)計與實際建設(shè)測試，表明信道除具備一般微波信道特點外，還具有深衰落嚴(yán)重、受天氣影響大的特性，綜合運用調(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，實現(xiàn)系統(tǒng)平穩(wěn)高可靠傳輸，這些措施針對大容量長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)計提供參考。