300 Mbps长站距跨海微波系统设计

张永杰，孟庆凡，段 文

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.中国人民解放军92493部队， 辽宁 葫芦岛 125000；3．北京直属保障大队,北京 100071)

0 引言

微波通信是一种先进的通信方式，它利用微波携带信息，通过电波空间同时传送若干相互无关的信息，并且还能进行再生中继，具有传输容量大、通信稳定可靠及通信灵活等特点，可作为干线光纤的备份和补充、环境困难地区的通信网建设以及市区支线信息传递[1-3]。伴随着移动通信网建设，从传统PDH和SDH体制的TDM微波向混合型和纯分组型的IP微波演进[4-5]。文献[6-7]主要研究了跨海信道特性以及抗衰落措施，但传输带宽仅为几十兆，传输容量300 Mbps的长站距跨海微波传输研究尚处于空白，此项研究将有助于探索远距离跨海链路特性、积累宽带微波工程设计与建设经验。

1 跨海微波链路分析

衡量微波通信链路质量主要有3个指标:电路传播余隙、衰落储备和衰落中断率[7-8]。电路传播余隙满足要求即2站之间无阻挡具备视通条件，衰落电平满足要求即收发信机有足够的电平对信号进行发射和接收，衰落中断率满足要求即链路可靠性满足要求。

1.1 电路传播余隙

路径剖面图制作是微波电路路径设计的一个十分有力且必备的工具，反映了收发天线之间电波、地形和地貌之间的关系，最终通过剖面图确定路径余隙是否满足微波电路在视距上贯通标准要求。典型的微波电路剖面图如图1所示。

图1 典型微波电路剖面图

路径余隙是指某点在路径剖面图上的标高点与天线连线之间的距离，由式(1)给出，计算时应考虑建筑物、树木等地物的平均高度。

(1)

式中，hc为路径上某点余隙(m);h1，h2为剖面图上两天线的标高(m);d1,d2为该点到路径两端的距离(km);d=d1+d2为站点间距(km);hs为该点地形高度(m)。K为等效地球半径因子，通常要核算2/3，4/3，∞三个关键点的路径电波传播状态，以保证电波射线与障碍物之间应有合适的余隙量。

第一菲涅尔半径F1计算公式为[9]：

(2)

式中，λ为工作波长(m)，其他参数含义同式(1)。

根据阻挡损耗与相对余隙关系，当相对余隙hc≥0.5F1时附加损耗会很快衰减为0 dB，传播损耗接近自由空间时的数值。

1.2 衰落储备

衰落储备为[10]：

F(dB)=P+(Gt+Gr)-(bt+br)-Ls-Prth，

(3)

式中，P为发射功率，Gt,Gr为收发天线增益，Ls为链路传播损耗，bt,br为收发端馈线损耗，Prth为接收灵敏度。

综合考虑频带、雨雾衰减和长距离干线网频率使用规划等多方面因素，跨海微波选用8 GHz频段，路径传播损耗近似为自由空间传播损耗:

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

(4)

式中，R为传输距离(km)，f为工作频率(GHz)。

1.3 衰落中断率

衰落对大容量微波通信的影响主要有2个方面：一是接收电平的下降，即平衰落；二是由于衰落的频率选择性而引起的传输波形失真，即频率选择性衰落。数字微波电路总中断率P为平衰落中断率Pf和选择性衰落中断率Ps之和。平衰落中断率为:

(5)

式中，地形和气候因子KQ,B,C可根据GB/T14617.3-2012确定，f为工作频率(GHz)，d为路径长度(km)，F为衰落储备(dB)。

选择性衰落中断率比较常用的是衰落储备法，选择性衰落中断率储备值Fs往往由设备生产厂家提供，通常在25～30 dB之间，工程上也可以采用式(6)估算选择性衰落储备值

(6)

式中，rb为系统比特率(Mbps)，d为站距(km)。采用衰落储备法估算选择性衰落中断率Ps的计算公式为:

(7)

1.4 跨海微波链路设计难点

通过上述分析可以看出，大容量长站距跨海微波设计的难点体现在2个方面，一是远距离、恶劣传播条件与高可靠性之间的矛盾。由式(3)～(5)计算得到，通信距离增加会使得衰落储备降低、衰落中断率上升；由式(5)和GB/T14617.3-2012计算可得，为了保证DM4类型跨海条件下50 km微波链路的传播可靠性，衰落储备比其他条件下至少增加7 dB。这就要求微波通信具有足够高的系统增益。二是多径效应造成宽频谱信号的选择性衰落，会使得系统引入不可减小误码甚至无法正常工作，必须采用抗多径衰落措施消除符号间干扰的影响。

2 系统设计

在通信距离、工作频率和地形条件固定的前提下，系统衰落中断率由衰落储备决定，具体体现在发射功率、天线增益和接收门限3个方面。对于长站距跨海微波当然希望天线口径增大，大天线波束窄，方向去耦性更强，可以有效提高接收电平和储备量。但天线增大不但会增加投资，而且由于波束太窄不易对准，海边较大风力可能会引起天线摆动从而造成通信中断，因此根据跨海微波建设经验选择3 m口径天线。那么系统设计主要集中在选择合适的调制方式和抗海面衰落技术研究上。

2.1 调制方式

IP微波产品宽带化主要通过更高的调制方式和帧头压缩技术等方面实现。帧头压缩技术采用短字节代替发送端的固定内容，在接收端还原，从而提升微波传输的有效字节，对于64 KB短字节吞吐量可以提升一倍以上，但对于1 518 KB长字节提升效果有限。传统微波产品的最高调制模式一般为256QAM，IP微波产品的最高调制方式已达到了2 048QAM，并且支持ACM(自适应编码调制)。

为了消除码间干扰和实行最佳检测，微波通信采用升余弦滚降滤波器作为成形滤波器对信号的频谱进行压缩，其传输函数为[11]:

(8)

式中，α为滚降系数，0≤α≤1，T为符号间隔。滚降系数越小，信号占用带宽和对收发干扰或相邻波道的干扰越小，但对传输失真与衰落会变得敏感且调制信号的峰均比越大，大容量微波通信系统的滚降系数一般取较小值。

图2 QAM调制性能曲线

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

IP微波通信系统的射频波道配置遵循工信部无[2000]705号文件《关于调整1～30 GHz数字微波接力通信系统容量系列及射频波道配置的通知》中8 GHz(L)频段29.65 MHz波道间隔。客观条件决定最多占用2个连续波道。若300 Mbps信息只占用一个波道传输，则频谱利用率要求不低于10.5 bit/Hz，现有IP微波通信产品均不能满足；占用2个连续波道传输时，频谱利用率降要求低至5.23 bit/Hz，调制方式不低于128QAM均可，采用256QAM及以上调制方式会降低系统接收门限与抗传输失真能力、提高峰均比[12]，从而降低系统储备和传播可靠度，因此选用128QAM调制方式。

2.2 抗多径衰落

海平面的镜面反射和波浪散射作用使得直射波和反射波相互叠加，造成接收信号电平起伏、失真和波形展宽，使得微波通信系统特别是大容量系统发生严重的误码，导致通信系统性能下降[13]。分集接收是有效的克服手段之一，就是将所需传送的信息复现成若干个基本独立的信号，然后有效地合并起来，使得信号相互弥补和加强，噪声相互抵消，以获得较强较稳定的信噪比。分集的方式主要有空间分集、频率分集、角分集、极化分集和时间分集，微波通信中使用比较多的是空间分集与频率分集[14]。对于强反射的长(>30 km)路径，克服反射衰落的唯一有效方法是空间分集，同时考虑到系统频谱资源紧张，因此采用两重空间分集和热备份相结合的方式，如图3所示。

图3 空间分集配置图

主天线发射出的射频信号由对端2个挂高不同的天线接收，2路信号经时延、相位或幅度调整后，按一定规则进行合成；副天线发射处于热备份保护状态，避免因设备故障造成的业务中断。

分集改善效果是指采用分集技术与不采用分集技术二者相比，对减轻衰落影响所得到的效果。空间分集改善系数的经验公式如下[15]：

(9)

式中，s为天线的垂直间距(m)，d为通信距离(km)，f为工作频率(GHz)，F为衰落深度(dB)。根据实际经验，天线的垂直间距应取工作波长的150～200倍。

跨海链路为典型的二径模型，根据收发端的距离和天线高度预计出二径传播时延差为[16]：

(10)

这将造成误码性能急剧变坏，导致链路瞬时中断。自适应均衡是指均衡器的参数随着接收信号频谱的变化而自适应地变化，从而实现对接收信号的频谱畸变进行实时矫正的均衡方法[17]。自适应均衡分为时域均衡器和频域均衡器两大类，微波通信中常采用时域非线性均衡器，均衡算法包括LMS算法及卡尔曼算法等[18]，可提高抗噪声能力，能完全消除后尾干扰、抗深衰落。

2.3 链路设计

2站通信距离50 km，海拔高度分别为150 m和110 m，最大障碍物位于中间位置、海拔高度为10 m。业务传输速率不低于300 Mbps，系统传播可靠度要求不低于99.9%。

根据式(2)求得第一菲涅尔半径F1为21.6，由式(1)求出地球半径因子K为2/3，4/3，∞三种情况下的路径余隙hc分别为46.4，83.2，120，均能满足hc≥0.5F1，因此路径传播损耗为自由空间损耗。

为了满足大容量远距离跨海链路的高可靠要求，在确定工作频段、调制方式、天线口径与分集配置基础上，系统发射功率为30 dBm、接收门限为-70.5 dBm@BER=10-6。通过式(4)计算出衰落储备F为45 dB，再综合运用式(5)和式(9)可得到传播可靠度P为99.91%，满足设计要求。

3 试验验证

3.1 性能测试

50 km跨海微波系统建成后进入测试与运行阶段，按照RFC2544标准测试了从64 ～1 518 KB典型包长的300 Mbps吞吐量以及通信链路误码率。测试结果表明，在大风、大雨、晴及多云等各种天气和海况下，吞吐量均不低于300 Mbps，72 h累计误码率为0，通信链路运行稳定，由此看出：

① 跨海微波链路设计有效。根据系统配置计算出的理论接收中值电平与实测值波动±2 dB。

② 空间分集能有效地平滑海面衰落。空间分集的主天线和副天线接收信号不同时低于接收门限，保障合并后的信号质量。

③ 系统增益能力提升能显著对抗深衰落。通过合适的调制方式、发射功率、天线口径及编码方式等手段可使系统适应恶劣环境造成的持续深衰落。

3.2 跨海链路补充特性

链路测量安排在传播电平低的3月份，测量了50 km跨海链路中分集天线接收电平的最大值、中值和最小值等参数，采样间隔为15 min、连续采样时间为72 h，如图4所示。

图4 50 km跨海链路接收电平图

通过图4可以看出：

① 跨海链路衰落深度大。与中值电平相比，单天线的最大衰落深度可达近40 dB。

② 链路特性受天气影响较大。测试第一天的后半段海面风力达到8级，2个天线的接收电平最小值衰落波动大、衰落速度快，且持续衰落达30 dB。

4 结束语

通过对大容量长站距跨海微波的分析设计与实际建设测试，表明信道除具备一般微波信道特点外，还具有深衰落严重、受天气影响大的特性，综合运用调制、编码及高功率等多种方式提升系统增益、空间分集及自适应均衡等技术抗多径衰落可克服信道损伤，实现系统平稳高可靠传输，这些措施针对大容量长站距跨海信道特性有的放矢，效果良好，可为类似工程应用设计提供参考。