[科普中國]-微波通信

微波通信（Microwave Communication），是使用波長在0.1毫米至1米之間的電磁波——微波進行的通信。該波長段電磁波所對應(yīng)的頻率范圍是300 MHz（0.3 GHz）~3THz。

與同軸電纜通信、光纖通信和衛(wèi)星通信等現(xiàn)代通信網(wǎng)傳輸方式不同的是，微波通信是直接使用微波作為介質(zhì)進行的通信，不需要固體介質(zhì)，當(dāng)兩點間直線距離內(nèi)無障礙時就可以使用微波傳送。利用微波進行通信具有容量大、質(zhì)量好并可傳至很遠的距離的特點，因此是國家通信網(wǎng)的一種重要通信手段，也普遍適用于各種專用通信網(wǎng)。

技術(shù)簡介隨著我國通信技術(shù)現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，通信技術(shù)中的數(shù)字化以及信息化建設(shè)越來越廣泛，數(shù)字微波通信技術(shù)的研究也取得了新的成就。在現(xiàn)代通信技術(shù)中，微波通信占有非常重要的重要。近年來，微波通信在許多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，如移動通信、衛(wèi)星通信等。微波的頻率非常高，凡是處于300MHz至300GHz頻段內(nèi)的通信，都可稱之為微波通信。1

微波通信于20世紀(jì)中期開始應(yīng)用于實際生活當(dāng)中，其能夠?qū)崿F(xiàn)大容量通信，且建設(shè)速度較快，質(zhì)量較高，通信過程穩(wěn)定，維護便捷，由于上述優(yōu)點，使其成為目前應(yīng)用極為頻繁的傳輸方式。相比光纖通信以及衛(wèi)星通信，微波通信的通信網(wǎng)更為容易建立，即使處于山區(qū)、農(nóng)村等較為偏僻的地區(qū)，也可以實現(xiàn)微波通信。

中國微波通信廣泛應(yīng)用L、S、C、X諸頻段，K頻段的應(yīng)用尚在開發(fā)之中。由于微波的頻率極高，波長又很短，其在空中的傳播特性與光波相近，也就是直線前進，遇到阻擋就被反射或被阻斷，因此微波通信的主要方式是視距通信，超過視距以后需要中繼轉(zhuǎn)發(fā)。一般說來，由于地球曲面的影響以及空間傳輸?shù)膿p耗，每隔50公里左右，就需要設(shè)置中繼站，將電波放大轉(zhuǎn)發(fā)而延伸。這種通信方式，也稱為微波中繼通信或稱微波接力通信。長距離微波通信干線可以經(jīng)過幾十次中繼而傳至數(shù)千公里仍可保持很高的通信質(zhì)量。

|| || 無線電波劃分

發(fā)展簡史微波的發(fā)展是與無線通信的發(fā)展是分不開的。1901年馬克尼使用800KHz中波信號進行了從英國到北美紐芬蘭的世界上第一次橫跨大西洋的無線電波的通信試驗，開創(chuàng)了人類無線通信的新紀(jì)元。無線通信初期，人們使用長波及中波來通信。20世紀(jì)20年代初人們發(fā)現(xiàn)了短波通信，直到20世紀(jì)60年代衛(wèi)星通信的興起，它一直是國際遠距離通信的主要手段，并且對目前的應(yīng)急和軍事通信仍然很重要。

用于空間傳輸?shù)碾姴ㄊ且环N電磁波，其傳播的速度等于光速。無線電波可以按照頻率或波長來分類和命名。我們把頻率高于300MHz的電磁波稱為微波。由于各波段的傳播特性各異，因此，可以用于不同的通信系統(tǒng)。例如，中波主要沿地面?zhèn)鞑?，繞射能力強，適用于廣播和海上通信。而短波具有較強的電離層反射能力，適用于環(huán)球通信。超短波和微波的繞射能力較差，可作為視距或超視距中繼通信。

1931年在英國多佛與法國加萊之間建起世界上第一條微波通信電路。第二次世界大戰(zhàn)后，微波接力通信得到迅速發(fā)展。1955年對流層散射通信在北美試驗成功。20世紀(jì)50年代開始進行衛(wèi)星通信試驗，60年代中期投入使用。由于微波波段頻率資源極為豐富，而微波波段以下的頻譜十分擁擠，為此移動通信等也向微波波段發(fā)展。此外數(shù)字技術(shù)及微電子技術(shù)的發(fā)展，也促進了微波通信逐步從模擬微波通信向數(shù)字微波通信過渡。

微波通信是二十世紀(jì)50年代的產(chǎn)物。由于其通信的容量大而投資費用?。s占電纜投資的五分之一），建設(shè)速度快，抗災(zāi)能力強等優(yōu)點而取得迅速的發(fā)展。20世紀(jì)40年代到50年代產(chǎn)生了傳輸頻帶較寬，性能較穩(wěn)定的微波通信，成為長距離大容量地面干線無線傳輸?shù)闹饕侄危M調(diào)頻傳輸容量高達2700路，也可同時傳輸高質(zhì)量的彩色電視，而后逐步進入中容量乃至大容量數(shù)字微波傳輸。80年代中期以來，隨著頻率選擇性色散衰落對數(shù)字微波傳輸中斷影響的發(fā)現(xiàn)以及一系列自適應(yīng)衰落對抗技術(shù)與高狀態(tài)調(diào)制與檢測技術(shù)的發(fā)展，使數(shù)字微波傳輸產(chǎn)生了一個革命性的變化。特別應(yīng)該指出的是80年代至90年代發(fā)展起來的一整套高速多狀態(tài)的自適應(yīng)編碼調(diào)制解調(diào)技術(shù)與信號處理及信號檢測技術(shù)的迅速發(fā)展，對現(xiàn)今的衛(wèi)星通信，移動通信，全數(shù)字HDTV傳輸，通用高速有線/無線的接入，乃至高質(zhì)量的磁性記錄等諸多領(lǐng)域的信號設(shè)計和信號的處理應(yīng)用，起到了重要的作用。

國外發(fā)達國家的微波中繼通信在長途通信網(wǎng)中所占的比例高達50%以上。據(jù)統(tǒng)計美國為66%，日本為50%，法國為54%。我國自1956年從東德引進第一套微波通信設(shè)備以來，經(jīng)過仿制和自發(fā)研制過程，已經(jīng)取得了很大的成就，在1976年的唐山大地震中，在京津之間的同軸電纜全部斷裂的情況下，六個微波通道全部安然無恙。九十年代的長江中下游的特大洪災(zāi)中，微波通信又一次顯示了它的巨大威力。在當(dāng)今世界的通信革命中，微波通信仍是最有發(fā)展前景的通信手段之一。

頻帶劃分微波按波長不同可分為分米波，厘米波、毫米波及亞毫米波，分別對應(yīng)于特高頻UHF（0.3～3GHz）、超高頻SHF（3～30GHz）、極高頻EHF（30～300GHz）及至高頻THF（300GHz～3THz）。

微波中部分頻段常用代號來表示，如表所示。

|| || 微波部分頻段的代號

其中L頻段以下適用于移動通信。S至Ku頻段適用于以地球表面為基地的通信，包括地面微波接力通信及地球站之間的衛(wèi)星通信，其中C頻段的應(yīng)用最為普遍，毫米波適用于空間通信及近距離地面通信。為滿足通信容量不斷增長的需要，已開始采用K和Ka頻段進行地球站與空間站之間的通信。60GHz的電波在大氣中衰減較大，適宜于近距離地面保密通信。94GHz的電波在大氣中衰減很少，適合于地球站與空間站之間的遠距離通信。

系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)設(shè)備微波通信系統(tǒng)由發(fā)信機、收信機、天饋線系統(tǒng)、多路復(fù)用設(shè)備、及用戶終端設(shè)備等組成，如圖2所示。

其中，發(fā)信機由調(diào)制器、上變頻器、高功率放大器組成，收信機由低噪聲放大器、下變頻器，解調(diào)器組成；天饋線系統(tǒng)由饋線、雙工器及天線組成。用戶終端設(shè)備把各種信息變換成電信號。多路復(fù)用設(shè)備則把多個用戶的電信號構(gòu)成共享一個傳輸信道的基帶信號。在發(fā)信機中調(diào)制器把基帶信號調(diào)制到中頻再經(jīng)上變頻變至射頻，也可直接調(diào)制到射頻。

在模擬微波通信系統(tǒng)中，常用的調(diào)制方式是調(diào)頻；在數(shù)字微波通信系統(tǒng)中，常用多相數(shù)字調(diào)相方式，大容量數(shù)字微波則采用有效利用頻譜的多進制數(shù)字調(diào)制及組合調(diào)制等調(diào)制方式。發(fā)信機中的高功率放大器用于把發(fā)送的射頻信號提高到足夠的電平，以滿足經(jīng)信道傳輸后的接收場強。收信機中的低噪聲放大器用于提高收信機的靈敏度；下變頻器用于中頻信號與微波信號之間的變換以實現(xiàn)固定中頻的高增益穩(wěn)定放大；解調(diào)器的功能是進行調(diào)制的逆變換。

微波通信天線一般為強方向性、高效率、高增益的反射面天線，常用的有拋物面天線、卡塞格倫天線等，饋線主要采用波導(dǎo)或同軸電纜。在地面接力和衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，還需以中繼站或衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器等作為中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置。

通信方式地面上的遠距離微波通信通常采用中繼（接力）方式進行，原因如下：

微波波長短，具有視距傳播特性。而地球表面是個曲面，電磁波長距離傳輸時，會受到地面的阻擋。為了延長通信距離，需要在兩地之間設(shè)立若干中繼站，進行電磁波轉(zhuǎn)接

微波傳播有損耗，隨著通信距離的增加信號衰減，有必要采用中繼方式對信號逐段接收、放大后發(fā)送給下一段，延長通信距離。

距離地面微波中繼通信系統(tǒng)如圖3所示。

在微波傳輸過程中，有不同類型的微波站，如圖4示。

終端站：只有1個傳輸方向的微波站。

中繼站：具有2個傳輸方向，為了解決微波視通問題，需要增加的微波站。分為有源中繼站和無源中繼站兩種。

樞紐站：具有3個或3個以上傳輸方向，對不同方向的傳輸通道進行轉(zhuǎn)接的微波站，或稱為HUB站。

分路站：具有2個傳輸方向，因傳輸業(yè)務(wù)上下的需要而設(shè)立的微波站。

主要特點微波通信具有良好的抗災(zāi)性能，對水災(zāi)、風(fēng)災(zāi)以及地震等自然災(zāi)害，微波通信一般都不受影響。但微波經(jīng)空中傳送，易受干擾，在同一微波電路上不能使用相同頻率于同一方向，因此微波電路必須在無線電管理部門的嚴(yán)格管理之下進行建設(shè)。此外由于微波直線傳播的特性，在電波波束方向上，不能有高樓阻擋,因此城市規(guī)劃部門要考慮城市空間微波通道的規(guī)劃，使之不受高樓的阻隔而影響通信。

超大帶寬容量傳統(tǒng)頻段微波產(chǎn)品一般指6GHz～42GHz傳統(tǒng)頻段的微波，可以利用XPIC，MIMO和CA等無線技術(shù)在有限頻率資源下不斷倍增傳輸容量。通過射頻單元的簡單疊加，以及空口物理鏈路匯聚或鏈路層匯聚技術(shù)，傳統(tǒng)頻段微波速率可達10GBit/s，新一代E-band微波單空口超過10Gbit/s。滿足目前最新的5G移動通信回傳速率的需求。

支持多種傳輸業(yè)務(wù)支持PDH、SDH業(yè)務(wù)、以太業(yè)務(wù)和IP業(yè)務(wù)。能夠很好滿足現(xiàn)網(wǎng)2G、3G和4G移動業(yè)務(wù)的帶寬需求和未來即將商用的5G移動業(yè)務(wù)容量需求。

低時延微波傳輸超低時延的優(yōu)良特性不僅能滿足2G、3G和4G移動網(wǎng)絡(luò)的要求，能很好滿足5G移動更低時延 （例如無人駕駛, 智能制造和遠程醫(yī)療等）應(yīng)用需求。

提供高精度時間同步1588v2為基站提供精準(zhǔn)的頻率和相位時鐘同步，能為TDD移動通信系統(tǒng)提供全網(wǎng)時鐘，降低移動網(wǎng)絡(luò)安裝、維護成本。

快速部署分組微波設(shè)備的全室外解決方案，無需鋪設(shè)傳輸光纖，無需機房，安裝部署簡單快捷，符合4G和5G密集小型化快速部署的需求。5G移動基站進一步縮短建站距離，每平方公里增加基站數(shù)量，微波傳輸作為回傳解決方案能為移動網(wǎng)絡(luò)的部署大大節(jié)省時間。

抗災(zāi)抗人為破壞相對于光纖傳輸, 微波通信是通過空中無線信號傳輸, 能夠防挖, 防爆破等人為破壞, 防地震、防火災(zāi)等自然災(zāi)害, 受損時微波傳輸恢復(fù)通信鏈路快。在自然災(zāi)害和光纖無法達到地區(qū), 微波傳輸可以作為應(yīng)急移動通信的傳輸網(wǎng)絡(luò)。2

技術(shù)原理由于微波在空中的傳播特性與光波相近，也就是直線前進，遇到阻擋就被反射或被阻斷，因此數(shù)字微波通信的主要方式是視距通信。受地球曲面和空問傳輸衰落較大的影響，要進行遠距離的通信，需要接力傳輸，即對信號進行多次中繼轉(zhuǎn)發(fā)（包括變頻、中放等環(huán)節(jié)），這種數(shù)字通信方式，也稱為地面數(shù)字微波中繼傳輸方式。終端站處在數(shù)字微波傳輸線路的兩端，中繼站是數(shù)字微波傳輸線路數(shù)量最多的站型，一般都有幾個到幾十個，每隔 50km 左右，就需要設(shè)置一個中繼站，中繼站的主要作用是將數(shù)字信號接收，進行放大，再轉(zhuǎn)發(fā)到下一個中繼站，并確保傳輸數(shù)字信號的質(zhì)量。所以數(shù)字微波傳輸又稱數(shù)字微波接力傳輸。這種長距離數(shù)字微波傳輸干線，可以經(jīng)過幾十次中繼而傳至數(shù)千公里仍可保持很高的傳輸質(zhì)量。3

就微波通信的性能而論，數(shù)字微波通信的特點可概括為微波、多路、接力六個字。

“微波”指通信頻率是微波頻段，又包括分米波、厘米波和毫米波。微波頻段寬度是長波、中波、短波及特高頻幾個頻段總和的l000倍。微波頻率不受天電干擾和工業(yè)干擾及太陽黑子變化的影響，通信的可靠性較高。還因微波頻率高，所以其天線尺寸較小，往往做成面式天線，其天線增益較高、方向性很強。

“多路”指微波通信不但總的頻段寬，傳輸容量大，而且其通信設(shè)備的通頻帶也可以做得很寬。例如，一個4000MHz的設(shè)備，其通頻帶按l%估算，可達40MHz。模擬微波的960路電話總頻譜約為4MHz帶寬?？梢姡惶孜⒉ㄊ瞻l(fā)信設(shè)備可傳輸?shù)脑捖窋?shù)是相當(dāng)多的。因數(shù)字信號占用帶寬較寬，所以數(shù)字微波通信設(shè)備在選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方式后，可傳輸?shù)脑捖啡萘咳匀皇窍喈?dāng)多的。

“接力”因微波頻段的電磁波在視距范圍內(nèi)是沿直線傳播的，通信距離一般為40~50km?？紤]到地球表面的彎曲，在進行長距離通信時，就必須采用接力的傳播方式，發(fā)端信號經(jīng)若干中間站多次轉(zhuǎn)發(fā)，才能到達收端。

主要類型根據(jù)通信方式和確定信道主要性質(zhì)的傳輸媒質(zhì)的不同，微波通信可分為大氣層視距地面微波通信、對流層超視距散射通信、穿過電離層和外層自由空間的衛(wèi)星通信，以及主要在自由空間中傳播的空間通信。按基帶信號形式的不同，微波通信可分為主要用于傳輸多路載波電話、載波電報、電視節(jié)目等的模擬微波通信，以及主要用于傳輸多路數(shù)字電話、高速數(shù)據(jù)、數(shù)字電視、電視會議和其它新型電信業(yè)務(wù)的數(shù)字微波通信。

微波接力通信利用微波視距傳播以接力站的接力方式離微波通信，也稱微波中繼通信。微波接力系統(tǒng)由兩端的終端站及中間的若干接力站組成，為地面視距點對點通信。各站收發(fā)設(shè)備均衡配置，站距約50km，天線直徑1.5～4m，半功率角3～5°，發(fā)射機功率1～10W，接收機噪聲系數(shù)3～10dB（相當(dāng)噪聲溫度290～261K），必要時二重分集接收。模擬調(diào)頻微波容量可達1800～2700路，數(shù)字多進制正交調(diào)幅微波容量可達144Mbit/s。設(shè)備投資和施工費用較少，維護方便；工程施工與設(shè)備安裝周期較短，利用車載式微波站，可迅速搶修溝通電路。

對流層散射通信利用對流層中媒質(zhì)的不均勻體的不連續(xù)界面對微波的散射作用實現(xiàn)的超視距無線通信。常用頻段為0.2～5GHz，為地面超視距點對點通信?？缇鄶?shù)百公里，大型廣告牌（拋物面）天線等效直徑可達30～35m，射束半功率角1～2°，有孔徑介質(zhì)耦合損耗，發(fā)射機功率5～50kW，四重分集接收，容量數(shù)十話路至百余話路。對流層散射通信一般不受太陽活動及核爆炸的影響，可在山區(qū)、丘陵、沙漠、沼澤、海灣島嶼等地域建立通信電路。

衛(wèi)星通信地球站之間利用人造地球衛(wèi)星上的轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)信號的無線電通信，為地一空視距多址通信系統(tǒng)，衛(wèi)星中繼站受能源和散熱條件的限制，故地-空設(shè)備偏重配置。同步衛(wèi)星系統(tǒng)，空間段單程大于3.6萬公里，地面站天線直徑15～32m，增益60dB，射束半功率角0.1～1°，需要自動跟蹤，發(fā)射機功率0.5～5kW。

衛(wèi)星中繼站，下行全球波束用喇叭天線，點波束用拋物面天線，可借助波束分隔進行頻率再用。轉(zhuǎn)發(fā)器功率數(shù)十瓦，帶寬一般為36MHz，容量5000～10000話路。衛(wèi)星通信覆蓋面廣，時延長，信號易被截獲、竊聽、甚至干擾。一種容量較小的可適用于稀路由的甚小天線地球站（VSAT）適用于數(shù)據(jù)通信。

空間通信利用微波在星體（包括人造衛(wèi)星、宇宙飛船等航天器）之間進行的通信。它包括地球站與航天器、航天器與航天器之間的通信、以及地球站之間通過衛(wèi)星間轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星通信。地球站與航天器之間的通信分近空通信與深空通信。在深空通信時，為了實現(xiàn)從髙噪聲背景中提取微弱信號，需采用特種編碼和調(diào)制、相干接收和頻帶壓縮等技術(shù)。

微波移動通信通信雙方或一方處于運動中的微波通信，分陸上、海上及航空三類移動通信。陸上移動通信多使用150，450或900MHz的頻段，并正向更高頻段發(fā)展。海上、航空及陸上移動通信均可使用衛(wèi)星通信。海事衛(wèi)星可提供此種移動通信業(yè)務(wù)。低地球軌道（LEO）的輕衛(wèi)星將廣泛用于移動通信業(yè)務(wù)。

抗衰落技術(shù)微波傳輸也會受到很多外界因素的干擾而衰落。有時衰落的持續(xù)時間很短，在幾秒鐘至幾分鐘內(nèi)，稱為快衰落，有時衰落的時間持續(xù)十幾分鐘甚至幾個小時，稱為慢衰落。衰落時，接收電平高于正常電平稱為上衰落，低于正常電平稱為下衰落。 衰落時，接收電平低于收信機最低接收電平以下稱為深衰落?？臻g衰落現(xiàn)象對微波通信的影響主要有兩個方面：一是接收電平降低，稱為平衰落；二是由于衰落的頻率選擇性而引起傳輸波形的失真，稱為頻率選擇性衰落。4

吸收衰落大氣中的氧分子和水分子能從電磁波吸收能量，導(dǎo)致微波在傳播的過程中的能量損耗而產(chǎn)生衰耗。頻率越高，站距越長，衰落越嚴(yán)重。

散射衰落雨霧中的大小水滴能夠散射電磁波的能量，因而造成電磁波的能量損失而產(chǎn)生衰落。雨霧天氣時，對高頻微波影響大。

K型衰落多徑傳輸產(chǎn)生的干涉型衰落。由于這種衰落與大氣的折射參數(shù)K值的變化而變化的，故稱為K型衰落。這種衰落在水面、湖泊、平滑的地面時顯得特別嚴(yán)重。

波導(dǎo)型衰落由于氣象的影響，大氣層中會形成不均勻的大氣波導(dǎo)。微波射線通過大氣波導(dǎo)，則接收點的電場強度包含了”波導(dǎo)層”以外的反射波，形成嚴(yán)重的干擾型衰落，造成通信的中斷。

閃爍衰落對流層中的大氣常發(fā)生大氣湍流，大氣湍流形成的不均勻的塊式層狀物使介電系數(shù)與周圍的不同。當(dāng)微波射線射到不均勻的塊式層狀物上來時，將使電波向周圍輻射，形成對流層散射。此時接收點也可以接收到多徑傳來的這種散射波，形成快衰落。由于這種衰落是由于多徑產(chǎn)生的，因此稱之為閃爍衰落。

對抗這些衰落的技術(shù)有自適應(yīng)均衡、自動發(fā)信功率控制（ATPC）、前向糾錯（FEC）和分集接收技術(shù)等。

|| || 微波抗衰落技術(shù)

新型技術(shù)自適應(yīng)調(diào)制編碼 (AMC) 在移動通信中得到了廣泛應(yīng)用，根據(jù)信道質(zhì)量對編碼速率予以調(diào)整，以此來獲取較高的吞吐量。當(dāng)無線通信速率比較低的時候，信道估計相對準(zhǔn)確，AMC的應(yīng)用效果較好。5

隨著終端移動速度的不斷加快, 信道質(zhì)量已經(jīng)無法滿足信道的變化, 在信道測量錯誤的情況下，導(dǎo)致AMC調(diào)制編碼方式和實際情況不相同，影響了系統(tǒng)容量、吞吐量等性能指標(biāo)，值得相關(guān)人員進行深入研究。

無線通信技術(shù)共含有兩種基礎(chǔ)技術(shù)，分別為傳送技術(shù)以及多址技術(shù)。Wi MAX使用OFDM調(diào)制技術(shù)作為基礎(chǔ)傳送技術(shù)。OFDM調(diào)制技術(shù)令處于高速傳播狀態(tài)的數(shù)據(jù)流通過，之后再對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)化, 并將轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)分配至傳送速率不高的多個正交子信道當(dāng)中，完成傳送過程。

至于多址技術(shù)，Wi MAX選用了OFDMA技術(shù)。OFDMA技術(shù)所使用的方法為頻分多址。相比OFDM，該技術(shù)具有如下優(yōu)勢：分配方法更為靈活以及相同頻帶能夠?qū)崿F(xiàn)多個使用熱源的運輸。OFDMA中的所有使用人員都可以選用具有良好條件的子信道作為傳送數(shù)據(jù)的通道, 完成數(shù)據(jù)傳送工作。而OFDM技術(shù)則需要利用整個頻帶傳送數(shù)據(jù)。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

徐恒山 - 講師 - 西北農(nóng)林科技大學(xué)