第六章-數(shù)字微波中繼系統(tǒng)的總體設計考慮課件(1)

1、微波通信鄭玉峰第6章數(shù)字微波中繼系統(tǒng)的總體設計考慮主要內(nèi)容假設參考通道與傳輸質(zhì)量標準射頻波道的頻率配置系統(tǒng)性能的估算與指標分配路徑效應和大氣效應的估計與控制路由工程設計舉例通信系統(tǒng)的總體設計涉及的面很廣，它可以貫穿到通信設備的研制與生產(chǎn)、通信線路的架設與使用等各個方面。簡單考慮一下具體的設計：如何考慮全網(wǎng)的性能？假設參考通道與傳輸質(zhì)量標準頻率分配-射頻波道的頻率配置調(diào)制方式選擇與傳輸惡化性能估算與指標分配，路由設計等知識主要內(nèi)容假設參考通道與傳輸質(zhì)量標準射頻波道的頻率配置系統(tǒng)性能的估算與指標分配路徑效應和大氣效應的估計與控制路由工程設計舉例用戶對通信系統(tǒng)的要求是多種多樣的。例如，通信距離可以有

2、遠有近，傳送的信息可以是語言、圖像或數(shù)據(jù)，每個中繼段可以分出或插入信息也可以直接轉(zhuǎn)接，話路噪聲有大有小等等。這樣，很難對不同通信線路規(guī)定一個統(tǒng)一的質(zhì)量標準。6.1 假設參考通道與傳輸質(zhì)量標準為了比較各種通信設備與通信線路的性能，可以預先規(guī)定一條假設的通信線路，并假定把通信設備安裝在這條線路上，在這種條件下去考察該線路的傳輸質(zhì)量。通常就把這條通信線路稱為假設參考通道。而傳輸質(zhì)量標準都是針對一定的假設參考通道規(guī)定的，這是系統(tǒng)規(guī)劃、設計和設備總體設計的依據(jù)。國際電報電話咨詢委員會（后來的國際電信聯(lián)盟）在上世紀80年代就提出了以64kb/s為接口基礎(chǔ)進行交換鏈接質(zhì)量要求的建議書G.821。我們的討論就

3、以這樣的假設參考數(shù)字連接進行。（1）假設參考數(shù)字連接（HRX）在微波中繼通信系統(tǒng)中，64 kbit/s的數(shù)字連接可由高級、中級和用戶級3 個質(zhì)量等級的假設參考數(shù)字通道組成，最長通道為27 500 km，這部分又可分為高級假設參考數(shù)字通道、中級假設參考數(shù)字通道和低級（用戶級）假設參考數(shù)字通道三部分。ITU-T建議的一個標準的最長HRX包含14個假設參考數(shù)字鏈路和13個交換節(jié)點。 假設參考數(shù)字連接模型（2）假想?yún)⒖紨?shù)字通道（或鏈路）（HRDL） 為了簡化數(shù)字傳輸系統(tǒng)的研究，把假設參考連接中的兩個相鄰交換點的數(shù)字配線架間所有的傳輸系統(tǒng)、復接和分接設備等各種傳輸單元（不包括交換），用假設參考數(shù)字通道（

4、HRDL）表示。（3）假設參考數(shù)字段（HRDS） 一個假設參考數(shù)字通道是由多個假設參考數(shù)字段構(gòu)成的。而一個假設參考數(shù)字段是指兩個相鄰的數(shù)字配線架或等效設備（例如兩個分插復用器）之間用來傳輸特定速率的數(shù)字信號的線路及設備。高級假設參考數(shù)字通道每個射頻波道容量大于二次群的數(shù)字微波通信系統(tǒng)高級假設參考數(shù)字通道，長度為2500km，其中包括9 段等長相同的數(shù)字段，一般用于長途電路。 中級假設參考數(shù)字通道 每個射頻波道容量大于二次群的數(shù)字微波通信系統(tǒng)中級假設參考數(shù)字通道，其基本長度為1220km，常用于長途支線電路。 1 220km中級假設參考數(shù)字通道的數(shù)字段可分為6段，共分為4類，其中第一類和第二類長

5、度為280km（4段），第三類和第四類長度為50km，每類的性能指標是不同的。用戶級假設參考數(shù)字通道 數(shù)字微波通信系統(tǒng)用戶級假設參考數(shù)字通道長度為50 km ，用于本地通信6.1.2 數(shù)字微波通信的線路傳輸質(zhì)量指標誤碼性能指標可用性指標傳輸容量基帶接口1.誤碼性能指標誤碼率指標是數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)在可用期間內(nèi)的主要質(zhì)量指標，也是確定不可用門限的一項重要指標。ITU-R針對數(shù)字微波假設參考通道的誤碼性能做了以下幾項規(guī)定。 誤碼惡化分 誤碼秒 嚴重誤碼秒 殘余誤碼率 誤碼惡化分（低碼率指標）指在1分鐘統(tǒng)計時間內(nèi)，誤碼率大于l x10-6的分鐘數(shù)與相應的惡化分占總通信時間(也以分鐘計)的百分比，通

6、常認為這時的誤碼主要是由設備不完善及干擾等因素造成的。 嚴重誤碼秒（高誤碼率指標）指在1秒鐘統(tǒng)計時間內(nèi)，誤碼率大于l x10-3的秒數(shù)與相應的誤碼秒占總通信時間(也以秒計)的百分比，影響這項指標的主要因素是傳播衰落。 誤碼秒指在1秒鐘統(tǒng)計時間內(nèi)出現(xiàn)一個或多個誤碼的秒數(shù)相應的誤碼秒占總通信時間的百分比，此項指標主要是針對數(shù)據(jù)傳輸而規(guī)定的，主要取決于設備性能的完善程度 。殘余誤碼率即背景小誤碼率，指在較長的一定時間間隔內(nèi)(例如15分鐘等)進行統(tǒng)計處理所得的平均比特誤碼率，或其他較長統(tǒng)計時間統(tǒng)計方法所獲得的平均比特誤碼率，這往往用于表征設備及環(huán)境不完善引起的極小的背景誤碼性能。這一指標要求主要針對I

7、SDN的多種業(yè)務綜合傳輸時必須具備嚴格的傳輸質(zhì)量要求而規(guī)定，以限制各數(shù)字微波傳輸段低誤碼率不斷累計造成不可收拾的傳輸性能惡化。 對于這些指標，在各級建設參考數(shù)字通道中都有具體的要求。具體如何呢？對高級假設參考數(shù)字通道的誤碼性能要求（1）考慮衰落、干擾及其他性能惡化因素的影響，對2500km長的64kbs高級假設參考數(shù)字通道輸出端的比特誤碼率要求應滿足：任何月份一分鐘的平均誤碼率大于1xl0-6的時間概率不得超過0.4(低誤碼率指標)；任何月份一秒鐘的平均誤碼率大于1x10-3的時間概率不得超過0.054(高誤碼率指標)任何月份的誤碼秒累計時間概率不大于0.32；殘余誤碼率不大于5x10-9。對

8、高級假設參考數(shù)字通道的誤碼性能要求（2）對長度為2802500km時的誤碼率指標，對于非2500km的實際高級數(shù)字通道微波電路，當線路長度L時的64kbs碼流的數(shù)字電路上，其誤碼率指標為：任何月份一分鐘的平均誤碼率大于1xl0-6的時間概率不得超過0.4 L/2500 (惡化分)；任何月份一秒鐘的平均誤碼率大于1x10-3的時間概率不得超過0.054 L/2500 (嚴重誤碼秒)任何月份的誤碼秒累計時間概率不大于0.32 L/2500 ；殘余誤碼率不大于5x10-9 L/2500 ；當L280km時，按L280km規(guī)定其誤碼性能指標。 中級通道的誤碼性能指標當實際數(shù)字微波通道作為數(shù)字通信網(wǎng)絡的

9、中級通道時（標準情況下），誤碼性能指標如下：任何月份一分鐘的平均誤碼率大于1xl0-6的時間概率不得超過1.5(低誤碼率指標)；任何月份一秒鐘的平均誤碼率大于1x10-3的時間概率不得超過0.04(高誤碼率指標)任何月份的誤碼秒累計時間概率不大于1.2；殘余誤碼率不大于1.8x10-9。長度不標準的情況下的中級參考通道誤碼秒（不大于）嚴重誤碼秒（不大于）殘余誤碼率（不大于）誤碼惡化分（不大于）年可用性（不小于）第一類280km0. 036 %0.006 %5.510-100.045%0.99967第二類280km0.16 %0.0075 %2.410-90.2 %0.9996第三類50km0.

10、16 %0.002 %2.410-90.2 %0.9996第四類50km0.4 %0.005 %6.010-90.5 %0.998用戶級通道的誤碼性能指標當實際數(shù)字微波通道作為數(shù)字通信網(wǎng)絡的用戶級通道，且其長度不大于50 km時，誤碼性能指標如下：任何月份一分鐘的平均誤碼率大于1xl0-6的時間概率不得超過0.75(惡化分)；任何月份一秒鐘的平均誤碼率大于1x10-3的時間概率不得超過0.0075(嚴重誤碼秒)任何月份的誤碼秒累計時間概率不大于0.6；殘余誤碼率不大于0.9x10-9。誤碼率指標在各中繼段上的分配在進行誤碼率指標分配時，假定下述條件成立：全線共m個中繼段，其特性相同；衰落是造成

11、高誤碼率的主要原因，且各中繼段的衰落是相互獨立的；碼間干擾及外來干擾是造成低誤碼的主要原因，而且在低誤碼率的統(tǒng)計時間內(nèi)，這些干擾可近似看成是平穩(wěn)的。假設全程高誤碼率指標為Peth，其時間百分數(shù)為Kth；全程低誤碼率指標為Petl，其時間百分數(shù)為Ktl；下標t表示全程，以s取代t時，表示某一段的指標，m表示所分段數(shù)則有高誤碼率指標分配：Pesh=PethKsh=Kth/m低誤碼率指標分配：Pesl=Petl/mKsl=Ktl意義是：低誤碼率指標按誤碼率數(shù)值在各中繼段均勻分配，而時間百分數(shù)不變；高誤碼率指標按時間百分數(shù)在各中繼段均勻分配，而誤碼率數(shù)值不變。 例子：共有10個中繼段任何月份一分鐘的平

12、均誤碼率大于1xl0-6的時間概率不得超過a(惡化分)；（ 1xl0-7 ； a）任何月份一秒鐘的平均誤碼率大于1x10-3的時間概率不得超過b(嚴重誤碼秒)（ 1x10-3；b/10 ）2.可用性假設參考數(shù)字通道(或數(shù)字段)的可用性定義如下可用性l-不可用性 =可用時間/（可用時間+不可用時間）不可用時間定義為：在至少一個傳輸方向上，只要下述兩個條件中有一個連續(xù)出現(xiàn)10秒，即認為該通道不可用時間開始(這10秒計入不可用時間)。(1)數(shù)字信號阻斷(即定位或定時喪失)；(2)每秒平均誤碼率大于1x10-3?？捎脮r間定義為：在兩個傳輸方向上，下述兩個條件同時連續(xù)出現(xiàn)10秒，即認定該通道可用時間開始

13、(這10秒計入可用時間)(1)數(shù)字信號恢復(即定位或定時恢復)；(2)每秒平均誤碼率小于1x10-3。3.傳輸容量目前對于大多數(shù)通信用戶來說，電話依然是一種主要的業(yè)務內(nèi)容。因此數(shù)字微波通信系統(tǒng)的傳輸容量基本上是按照多路數(shù)字電話的容量等級來規(guī)定的。關(guān)于多路數(shù)字電話的群路等級，國際電信聯(lián)盟曾規(guī)定過兩種標準，第一種是西歐各國主要采用的30路系列；一種是日本和北關(guān)各國主要采用的24路系列：其他一些數(shù)字業(yè)務(如頻分多路模擬電話的編碼信號、彩色電視編碼信號、數(shù)據(jù)信號等)的比特率應納入這兩個標準系列之中，或者復用成64kbb。我國數(shù)字微波中繼通信的傳輸容量采用脈碼調(diào)制30路系列和增量調(diào)制系列混合傳輸?shù)捏w制。

14、為了滿足用戶的更廣泛要求。在脈碼調(diào)制30路標準系列基礎(chǔ)上，又增設了幾種中間等級的非標準系列，如60路、240路、960路等：按照人們一般的習慣，認為比特率100Mbs以上為大容量數(shù)字微波系統(tǒng)；10-100Mb/s為中容量數(shù)字微波系統(tǒng)；10Mbs以下為小容量數(shù)字微波系統(tǒng)。4.基帶接口是指微波設備與數(shù)字復用設備之間或者再生型中繼設備之間的接口關(guān)系?；鶐Ы涌趨?shù)是數(shù)字微波設備的一項重要指標。為了便于不同設備在組成通信網(wǎng)時能夠互相連接，基帶接口必須標準化。對于脈碼調(diào)制系列的各種群路等級，ITU_T的G.703和G.823建議已規(guī)定數(shù)字接口的物理電氣特性。對數(shù)字接口一般需考慮以下幾項性能指標：比特率容差

15、；接口碼型；輸入、輸出口規(guī)范；定時時鐘抖動特性等。主要內(nèi)容假設參考通道與傳輸質(zhì)量標準射頻波道的頻率配置系統(tǒng)性能的估算與指標分配路徑效應和大氣效應的估計與控制路由工程設計舉例6.2 射頻波道的頻率配置在微波中繼通信中為了提高射頻頻譜的利用率和減少波道間或路由間的干擾，必須很好地解決波道頻率配置問題。6.2.1 波道波道是指無線電通信設備的不同射頻通道。微波中繼通信的波道有固定波道與可變波道兩類。固定波道，就是對每臺收發(fā)信機來說，其射頻中心頻率標稱值是固定的，一旦建站以后一般就不再變了，固定站大都屬于這種情況。可變波道，就是收發(fā)信機的射頻中心頻率標稱值隨時可變。一般移動站或軍用站住往屬于這種情況。

16、6.2.2 收發(fā)波道的頻率配置方式 對兩套對通的微波收發(fā)信機而言，它們的射頻頻帶寬度是有限的，因而其傳輸容量也是有限的。為了增加微波中繼通信系統(tǒng)的傳輸容量，各微波站在每個通信方向上可以使用多套微波收發(fā)信機同時工作，而同一方向的每套收發(fā)信機必須使用不同的微波收發(fā)頻率，以避免相互干擾。這樣，每兩套對通的微波收發(fā)信機構(gòu)成了一條獨立的雙向微波信道，稱為射頻波道。因此，在一條微波中繼通信線路上，相鄰兩個微波站之間將有多條射頻波道。所謂射頻波道的頻率配置，就是如何分配各相鄰兩條微波站之間各條射頻波道收發(fā)信機的微波收發(fā)頻率。 頻率配置的基本原則：(1)盡可能在給定的微波頻段內(nèi)多安排一些波道，以增加傳輸容量；

17、盡可能減小波道之間的相互千擾，以保證系統(tǒng)總體指標和通信質(zhì)量；盡可能有利于通信設備的標準化、系列化生產(chǎn)，以便于維修和降低成本。 因微波天線和天線塔建設費用很高，多波道系統(tǒng)要設法共用天線。所以選用的頻率配置方案應有利于天線共用，達到天線建設費用低，又能滿足技術(shù)指標的目的。對于外差式收信機，不應產(chǎn)生鏡像干擾，即不允許某一波道的發(fā)信頻率等于其他波道收信機的鏡像頻率。頻率配置的基本原則：(2)單波道頻率配置當一條微波中繼通信線路各相鄰兩個微波站之間只有一條波道上工作時，其頻率配置稱為單波道頻率配置。常采用二頻制方案，即整個微波線路共使用兩個不同的微波頻率f1，f2，且這兩個頻率在兩個信息傳輸方向上都是交

18、替出現(xiàn)的。由于發(fā)信電平比收信電平高很多，因此，如何防止本機的發(fā)信電平對收信電平的干擾將是考慮收發(fā)波道頻率配置的重要因素。單波道頻率配置還可采用四頻制方案，即整個微波線路共使用四個不同的微波頻率f1，f2，f3和f4，f2與f4、f1與f3各組成一條雙向波道，這兩條雙向波道在兩個信息傳輸方向上交替出現(xiàn)。f3f1f3f4f3f1f3f2f2f4采用二頻制方案時，每個中間站的兩個通信方向的收發(fā)頻率均相同，但收發(fā)頻率逐站更換一次。其優(yōu)點是占用頻帶窄（頻譜利用率高），缺點是存在反向干擾和越站同頻干擾問題。反相干擾是指一個通信方向的收信機會收到相反通信方向的同頻干擾信號，這就要求天線必須具備較高的前后比。

19、為防止越站同頻干擾，在微波線路設計和站址選擇時應妥善安排。采用四頻制方案時，沒有反向干擾問題，但仍然存在越站同頻干擾問題，且其占用頻帶比二頻制方案寬一倍。 多波道頻率配置當一條微波中繼通信線路各相鄰兩個微波站之間有多條波道同時工作時，其頻率配置稱為多波道頻率配置。通常是將某一頻段的2n個波道分割成低端與高端兩段，每段有n個波道，分別記為f1、f2、fn及f1、f2、fn。對某臺收發(fā)信機來說，如果發(fā)信波道取低端的fi，則收信波道一定取高端相應的fi。這樣，fi與fi就組成了一對波道，整個頻段共有n對波道。6.2.3 多波道的頻率配置間隔規(guī)定fi-fi為同一對波道的收發(fā)中心頻率間隔。規(guī)定fi+1-

20、fi為相鄰波道的頻率間隔。 F1與頻段的下限或FN與頻段的上限的間隔為邊沿保護間隔。6.2.4 波道頻率再用利用電波的水平與垂直極化分割，不僅可以減少干擾，還可以對射頻波道實行頻率再用，即在相同或相近的波道頻率位置借助于不同的極化來安排更多的射頻通道。數(shù)字微波波道頻率再用技術(shù)，有同波道型頻率再用方案和插入波道型頻率再用方案兩種。 利用電波的水平與垂直極化分割，不僅可以減少干擾，還可以對射頻波道實行頻率再用，即在相同或相近的波道頻率位置借助于不同的極化來安排更多的射頻通道。數(shù)字微波波道頻率再用技術(shù)，有同波道型頻率再用方案和插入波道型頻率再用方案兩種。 同波道型頻率再用方案主用與再用的波道頻率相同

21、，極化方式不同。 插入波道型頻率再用方案主用與再用的波道頻率交叉錯開，極化方式不同。85432102013040501.52.5區(qū)域網(wǎng)長距離干線網(wǎng)區(qū)域和本地網(wǎng)，邊際網(wǎng) 2834Mbit/s34140155Mbit/s2834140155Mbit/s3.311 GHzGHz微波頻率資源的使用6.2.5 射頻波道配置舉例頻率收發(fā)頻差 (MHz) 用途4-7161, 154, 245 ，340長距離干線126, 161，154，199,266, 311，長距離干線11-13266中，短距離308,420,490,315，720， 728中，短距離340，1092.5 1008,1010, 1560中

22、，短距離600,1050,1232, 1008, 1200, 中，短距離855,1008短距，離城區(qū)1008短距，離城區(qū)812短距，離城區(qū) 700,1260短距，離城區(qū)微波設備主要工作頻段下面是以6.7GHz為中心的6GHz干線大容量數(shù)字微波傳輸?shù)纳漕l波道配置。（單極化天線，上下的極化方式不同）這是雙極化天線各波道的中心頻率為：上半頻段：下半頻段：6.3 系統(tǒng)性能的估算與指標分配性能估算是總體設計的一項重要內(nèi)容，它將根據(jù)給定的傳輸質(zhì)量標準確定各分機的主要技術(shù)指標，或者根據(jù)分機性能估算此設備的通信能力，例如跨距、中斷率及在某些地理條件下要不要采用分集接收等。數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)通常是一種再生中繼

23、型通信系統(tǒng)。在中繼段所遇到的各種干擾和傳輸畸變只要不超過產(chǎn)生誤碼的門限，則對于整個系統(tǒng)的性能沒有影響。因此，數(shù)字微波中繼系統(tǒng)的設備能力估算主要根據(jù)誤碼率這項指標。為了分析誤碼產(chǎn)生的原因，讓我們考慮數(shù)字信息在微波通道上的傳輸過程，如圖所示：圖中的信道包括天饋系統(tǒng)及自由空間傳播。發(fā)射功率Pt經(jīng)信道傳輸后在收信入口處得到的功率為Pr，Pr的大小還與傳播衰落有關(guān)。收信機將一定信噪比的中頻信號送給解調(diào)器還原成和發(fā)端相同的信碼，如果干擾與失真超過一定限度就會產(chǎn)生誤碼。數(shù)字微波通道傳輸模型 在一個正常的數(shù)字微波中繼系統(tǒng)中，通常把干擾用高斯噪聲來近似。因此，根據(jù)相加性高斯白噪聲信道中的誤碼率計算公式，就可以將

24、誤碼率指標轉(zhuǎn)化為對歸一化信噪比的要求。外部干擾、碼間干擾及調(diào)制、解調(diào)不理想等對誤碼的影響，可以看成是一種惡化因素，即看成有效信噪比的降低。性能估算通常包括以下幾個步驟：根據(jù)傳輸質(zhì)量標準確定接收機入門處歸一化信噪比的理論門限值；估計設備的各種惡化及干擾因素，確定惡化儲備量及干擾儲備量，從而得到考慮了惡化及干擾諸因素后所必需的歸一化信噪比的實際門限值；將惡化儲備量及干擾儲備量在各個分機或部件上進行分配，確定各分機及部件的有關(guān)技術(shù)指標；將歸一化信噪比的實際門限值和其他設備參數(shù)、線路參數(shù)等代人視距傳播方程，求出在一定站距、塔高下的電平余量；根據(jù)給定的傳播中斷率指標計算不同站距下所要求的衰落儲備量，看看是否滿足要求，從而確定要不要加分集措施或者重新修訂對分機指標的要求。 傳輸質(zhì)量標準及在每跳上的分配 以11GHz PCM1920路數(shù)字微波中繼通信設備為例。本系統(tǒng)作為中級假設參考數(shù)字短路小的第2類假設參考數(shù)字段，全長280 km。有關(guān)傳輸質(zhì)量標準如下：低誤碼率：全年任何月份按分平均的誤碼率大于1x10-6的時間不超過0.2；高誤碼率：全年任何月份按秒平均的誤碼率大于1x10-3的時間不超過0.0075：誤碼秒：全年任何月份誤碼秒(最少含一個誤碼的秒)累計時間不超過0.