1～10GHz微波系统的频谱有效利用研究

1～10GHz微波系统的频谱有效利用研究

冯　博

　　摘要： 简单介绍了我国微波接力通信系统的发展现状，详细分析了我国微波接力通信中存在的一些主要问题。根据ITU-R SM.1046建议关于频谱有效利用的概念，讨论了微波接力通信系统的频谱有效利用的技术和方法，得到一个微波通信系统的频谱利用率不仅与调制方式有关，而且与天线、信号处理、编码、RF滤波器等有关。在分析讨论的基础上提出了我国微波通信系统频谱有效利用的12条建议，为微波通信系统的设计和无线电管理部门制定法规及标准提供了科学依据。
　　关键词：无线电通信； 微波接力通信； 频谱有效利用
　　中图分类号： TN925　　　　文献标识码：B
　　文章编号：1005-0388(1999)02-0223-07

Research of spectrum utilization efficiency for
radio-relay system in the band 1～10GHz

FENG Bo
(The National Research Institute of Radio Spectrum Management, Xi"an 710061, China)

　　Abstract: The paper describes briefly a present development of microwave communication and also provides a detail analysis about some key shortcomings in China radio-relay system. According to the concepts in Recommendation ITU-R SM.1046， and was defined as the spectrum utilization efficiency (SUE). The SUE technology and method for radiorelay system are discussed here. From the discussion, we obtain that the better SUE of a-system is not only relative to the styles of modulation, but the antenna, signal processing, coding and RF filter etc. On the basis of the analysis and discussion, 13 suggestions for SUE in China radio-relay system are offered, which will be helpful in the designing of microwave communication system as well as scientific basis for the decision of spectrum regulations and standards made by radio management sector.
　　Key words: Radio communication; Radio-relay system； Spectrum utilization efficiency(SUE)

1　引言

　　微波接力通信是指利用微波频段的无线电波传播进行接力通信的方式，微波频段通常是指300MHz～300GHz的频率范围。而1～10GHz的微波由于传播性能稳定，最宜于无线信道传输的频谱范围。因此很多微波干线都使用它，从而造成这一波段的频率的紧张，据调查我国现有微波电路约30×10⁴km，"九五"期间计划建设数字微波电路17～20×10⁴km。由于微波电路频率使用不合理，以及其它无线电业务的有害干扰造成了我国微波频谱资源的浪费和干扰严重。为了满足通信发展对频谱的需求，只有通过频谱有效利用来达到。

2　我国微波通信系统存在的问题

　　为了进行1～10GHz微波接力系统频谱有效利用研究，下面我们就目前我国微波通信中存在的一些问题进行讨论。
2.1　邮电系统内一二级干线电路缺乏规划，有些中小容量微波电路占用了大容量的微波频段，既造成频率资源浪费，又难于进行干扰协调。
2.2　其它专用网自成体系占用频段较多，同一路由上重复建设，造成国家总投资加大，频率资源浪费严重。
2.3　有一些部门在微波电路的波道配置上不合理，限制了其它微波电路的扩容和发展。
2.4　专用网传输容量小，信道利用率低。
2.5　有关微波接力系统的国家标准GB13159-91《数字微波接力系统进网技术要求》和GB／T13502-92《数字微波接力通信设备通用技术条件》有严重的错误和不足。
2.6　还有一些部门未经批准，擅自建设微波电路，还有的地方无委有越权审批微波频率的现象，给频率配置和使用及干扰协调造成了很大困难。
2.7　少数城市所建大型C波段地球站离城区较近，影响了微波电路进城。
2.8　雷达很容易对微波接力系统造成干扰，使微波通信指标下降，严重地影响了微波接力通信业务。
2.9　一些人认为光纤通信可以代替微波接力通信，因而对微波通信的建设和研究不够重视。邮电部在1995年前10年内只发展了上千公里的数字微波一级干线电路。
2.10　一些设计部门不具备微波电路的设计资格，致使电路建成之后传输不稳定。
　　这些问题严重地阻碍了我国微波接力通信的发展，要研究这些问题，寻找出微波频谱有效利用的方法和技术。

3　频谱有效利用的方法和技术

3.1　基本概念
　　在无线电通信系统中频谱的利用率被定义为：在某一距离上所传送的信息与所使用的频谱空间之比，即：
　　　　E=M／U　　　(1)
　　式中M是传送的信息，U是代表使用的频谱空间，它实际上是拒绝其他用户使用的空间，描述这个空间有三个分量，频率(带宽)B，时间T和地理空间S，因此(1)还可以表示为：
　　　　　　　(2)
　　由于无线电业务有多种多样，且使用者要求也各不相同，所以(1)和(2)式只是一般概念上的形式。频谱利用率的表达式会随着无线电业务的不同而不同，对于具体业务，其频谱利用率的计算公式有其一定形式。
3.2　改进微波接力系统频谱利用的技术
　　数字微波通信的有效性通常是用频谱利用率来衡量的，提高频谱利用率有三种途径：增加调制状态数；同波道双极化复用和单频中继技术。
　　为了提高频谱利用率，扩大通信容量主要是通过开发新的调制技术来实现。表1给出了当升降余弦滚降系数a=0.5时不同调制方式的频谱利用率。数字微波通信的可靠性包括两个方面，一是设备的可靠性，一是电波传播的可靠性。设备的可靠性主要靠系统的质量和电路的集成技术来解决，传播的可靠性主要靠提高功率利用率和采取各种抗衰落技术解决。不同的调制方式的功率利用率是不同的，表2表示了不同调制方式的功率利用率。

表1　不同调制方式的频谱有效利用率(bit／(s.Hz))
Tab.1　Spectrum utilization efficiency for different modulation

表2　不同调制方式的功率利用率(相对功率因子)
Tab.2　Power utilization efficiency for different modulation

　　使用(3)对点对点接力系统的频谱有效利用率的计算，必须确定两个微波站之间的参考系统的特性参数，这些参数包括：路径长度、路径衰减、天线增益、插入损耗、衰落余量和系统增益，对于已定的调制类型，还必须确定一些调制特性。本文中考虑的数字调制是16、64和256QAM。
　　我们采用了下面的一些假定特性来计算：
　　分析时应用了理论传输效率和不同的调制类型的载噪比(C／N)，以保证进行合理的比较。
　　数字无线接力系统参数
　　1.话音信道(Vc)　1344(16QAM) 2061(64QAM)
2688(256QAM)
　　2.比特率(BR)90Mbit／s(16QAM)
　　　　　　　　135Mbit／s(64QAM) 180Mbit／s(256QAM)
　　3.比特误码率(BER) 　　　　10^-6
　　4.接收机噪声系数(F)　　　 4dB
　　5.系统增益(G_s)　　　　　　103dB
　　天线类型
　　1.标准抛物面天线(STD)　2.遮蔽式抛物面天线(SHD)　3.锥形喇叭反射面天线(CHR)
调制
　　频谱和拒绝使用空间二者都受系统中所选用的调制类型的影响，而不同调制方式评价其频谱利用率是十分复杂的，通常，像占用带宽、接收机输入端所需的载噪比(C／N)和最大容许干扰电平等系统参数都是调制类型的函数，并对频谱利用有直接关系。
　　分析是根据理论传输效率和接收机输入端对不同调制类型的载噪比来进行的，以保证有一个合理的比较。为了评价不同调制类型的频谱利用性能时，需要确定每种情况下的占用带宽(B)和需要的发射机输出功率电平(P_t)。这些参数示于表3中。

表3　数字系统的参数
Tab.3　Digital system parameters

表4　频谱有效利用率
Tab.4　Spectrum utilization efficiency

4　我国1～10GHz微波接力通信系统频谱有效利用建议

　　根据《中华人民共和国无线电管理条例》和国家的有关法规和标准，参照ITU的有关建议，统一规划，合理使用微波频谱资源，确保微波通信系统的正常运行，特提出以下微波频谱有效利用建议：
4.1　科学地认识和评价微波通信系统，正确的处理微波与光纤通信的关系。从我国实际情况出发，因地制宜。在自然条件较好经济发达地区以光纤为主，辅以微波；在自然条件较差，灾害频发地区则以微波为主。世界各国的通信结构基本如此，各国的经验表明，在灾害事件发生时，微波就显的比光纤通信优越的多。另外，微波通信与卫星通信比较，通信费用低，好维护。
4.2　国家主管部门要做出明确规定，在"九五"期间微波通信建设时要大力发展SDH微波通信系统。作为无线电管理部门来说，对SDH微波的管理规定则相对滞后，至今还没有制定出一个SDH微波系统进网要求的国家标准。希望国家无委尽快对此做出安排。
4.3　我国在通信高技术引进方面以"市场换技术"建立合资工厂和研究开发中心自行生产SDH微波设备，生产的SDH微波设备已经在部分电路上投入使用，但与外国产品竞争，仍是十分困难的，需要国家有关部门大力扶持。为了摆脱我国目前SDH大容量数字微波关键器件—大规模专用集成电路(ASIC)仍需进口的局面，必须集中力量攻下这一难题。同时应开展"无线电波传播与SDH微波接力系统性能的关系"方面的研究。
4.4　修改有缺陷的国标GB13159-91、GB／T13503-92。制定新的微波通信的国家标准。
4.5　国家微波公网电路的频段采用4、5和6GHz为主；根据电磁兼容和干扰协调情况，分区域实现频率复用，以充分利用频谱资源。不管什么部门的专用网和中小容量微波电路都应采用上述频段以外的频段，已经占用了要限期退出。
4.6　配合一些专用网微波数字化改造把2GHz的频率调整出来，将7GHz频率主要分配给这些专用网。
4.7　从技术上采取措施避免雷达对微波接力通信业务的干扰，严格执行GB-92《微波站电磁环境保护要求》中的规定，克服雷达对微波接力系统的干扰。
4.8　今后建设微波干线电路应全面考虑，统筹规划，避免重复建设，节省国家投资和无线电频谱资源。
4.9　严格限制大型卫星地球站进城，以保证原有城市微波站的通信畅通，在一些干扰严重的城市应采用光纤进城。在城市的南方限制微波的发展。并开展全球移动卫星移动通信系统对1～3GHz固定通信业务的干扰的研究，力争在短时间内制订出1～3GHz频段移动卫星业务和微波接力通信业务之间的保护标准。
4.10　在城市建设中应对微波通道予以保护，防止微波受高层建筑的影响，国家无委和建设部应协调解决这一问题。
4.11　加强微波通信工程设计队伍资格认证和管理，以保证微波通信工程的质量。
4.12　尽快研制出微波频率自动指配专家系统，加强无线电管理系统人员业务培训，杜绝随意指配频率。
致谢：本所二室主任郭强高级工程师和邮电设计院总工程师黄三荣教授对本工作提出了意见和建议，在此表示感谢。

作者简介：冯博　(1954-), 男，副研究员。现从事无线电通信中的频谱有效利用研究。在国内外发表论文20余篇。

作者单位：国家无线电频谱管理研究所， 西安市 710061)

参考文献

［1］ITU-R SM.1046, 1994.
［2］ITU-R Doc.1B／TEMP／18-E, 1993.
［3］ITU-RF.75-1, 1994.
［4］GB 13159-91, 1992.
［5］GB／T 13503-92, 1993.
［6］GB 13616-92, 1993.
［7］室谷正芳.数字无线通信.文成义译, 西安电子科技大学出版社，西安，1991.
［8］李指行.SDH微波通信系统及我国的发展策略.微波与卫星通信，1995, 4(2)：8～14.
［9］冯博.日本频谱有效利用技术的研究.电波与天线，1997,(3)：28～30.