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毫米波通信技术 刘发林电子工程与信息科学系2006年12月08日 第九章 地面毫米波通信系统 中国科学技术大学 研究生选修课ES45215 2 第九章 地面毫米波通信系统 9 1大 中容量短程毫米波通信系统9 1 1具体频段的划分9 1 2技术体制9 1 3设备组成及特点9 1 4系统设计考虑9 1 5实用设备举例 9 2本地多点分配业务 LMDS 9 2 1接入网及无线接入技术9 2 2本地多点分配业务 LMDS 的工作原理9 2 3本地多点分配业务 LMDS 组成和用途9 2 4RF设计问题9 2 5网络设计考虑 9 3高高度 远程运行网 HALO 9 3 1HALO网络的概念和原理9 3 2系统架构和技术9 3 3HALO网络系统参考模型9 3 4HALO网络业务9 3 5用户单元 用户终端 9 4宽带无线局域网9 4 1无线局域网 WLAN 的概念和原理9 4 2毫米波在WLAN中的应用9 4 3光纤 毫米波结合的传输系统 3 序言 地面干线微波网 50Km中继 地球曲面进一步发展 毫米波网 距离近 中继站多 降雨影响光网 自由空间激光通信 精确点对点 光纤网 性价比高 广泛应用 利用卫星中继的地面网络 若支持移动 必需利用微波或毫米波 9 1大 中容量短程mmw通信系统 4 大容量短程毫米波通信系统 视距通信天气 大气 影响大容量大1频段划分 表9 1部分地面微波通信频段的具体划分 9 1大 中容量短程mmw通信系统 5 2技术与体制 数字复用系列 又称数字复用体系 其用途是提供标准的数字传输速率接口64kbps作为0次群 但到了复接成一次群以上时 则难以统一标准 高次群的复用是靠插入一些额外比特 使各支路信号与复用设备同步 9 1大 中容量短程mmw通信系统 6 表9 2准同步 PDH 数字复用系列 9 1大 中容量短程mmw通信系统 7 同步数字层次SDH SDH是在同步条件下进行传输的一种数字体制 当复接为高次群的数字信号时 如果被复接信号的比特率完全相同 即达到比特同步 则在帧相位取得一致后就可复接 最初是美国AT T公司为光纤通信同步网 SONET 建立 后国际上以此为基础 经进一步研究并重新命名SDH 使之成为既适于光纤 也适于地面微波和卫星通信的通用技术体制 优点明显 它有全球统一的网络节点接口 NNI 从而简化了信号的互通及传输复用 交叉连接和交换过程 它有一套复用映射结构 允许PDH信号 SDH信号及ATM信号等都能纳入其帧结构 因此具有广泛的适应性 它大量采用了软件进行网络配置和控制 极便于新功能 新特性和新业务的加入或升级 具有很大的发展空间 9 1大 中容量短程mmw通信系统 8 表9 3SDH和SONET的标准速率划分 9 1大 中容量短程mmw通信系统 9 9 1大 中容量短程mmw通信系统 在毫米波地面通信系统中 调制方式常用的有M PSK M FSK和M QAM等 表9 4列出了这几种调制方式的频带利用率 单位带宽的传输数据速率 和功率效率 用Eb No表示 的性能 理论值 其中 M PSK的优点在上一章及第五章中已经说明 此外 采用M QAM M 16 64 256甚至更高 是为了获得高频带利用率 但要以高的Eb No为代价 一般说来 M FSK的频带利用率是最差的 但其M进制信号是正交的 且可工作于非线性功率放大而不会导致性能的恶化 故在许多应用场合也是可取的 10 M248163264256PSK0 511 522 53FSK 相干 0 40 570 550 420 290 18QAM1234PSK10 510 51418 523428 5Eb NoFSK 相干 13 510 89 48 27 56 9 BER 10 6 QAM10 51518 524 表9 4M QPSK M FSK和M QAM的频带利用率 和功率效率的比较 9 1大 中容量短程mmw通信系统 频带利用率 单位带宽的传输数据的速率 11 9 1大 中容量短程mmw通信系统 3设备组成及特点设备组成一种点对点的毫米波通信系统设备的组成如图9 1所示 每一完整的设备包括室外单元 ODU 和室内单元 IDU ODU由天线 射频收 发信机等组成 IDU则包括线路接口 数字复用器 调制解调器 频率源 以及诊断 勤务信道 网管设备和告警电路等 在ODU中 小型化 高性能的收 发信机是至关重要的 作为例子 图9 2和图9 3分别给出了工作于21 2 23 6GHz的发射机和接收机模块的组成框图 发射机模块用作中等速率点对点通信 其本振具有良好相位噪声性能 输出射频功率为 20dBm 采用2FSK或4FSK调制 功放输出端处可加入一可控衰减器 当发射机模块用作热备份时可将输出功率降低50dB 模块安装在一尺寸为8 89x3 175x1cm3的屏蔽盒内 12 图9 1毫米波通信系统设备的基本组成 9 1大 中容量短程mmw通信系统 13 图9 2工作于21 2 23 6GHz发射机模块组成框图 9 1大 中容量短程mmw通信系统 无衰减器的发射机模块 上 有衰减器的发射机模块 下 14 9 1大 中容量短程mmw通信系统 设备组成在图9 3所示的接收机模块中 采用了pHEMT作为LNA 其噪声系数在4 5 5 5dB之间 放大器增益为18 26dB 采用了镜象抑制混频器 输出中频为630MHz或1260MHz 输出功率可达3dBm 本振 LO 为工作于S C频段的VCO 经3倍频后与输入信号混频产生所需之中频 而经4分频可用作LO的相位锁定 与在发端的2FSK或4FSK对应 解调是在中频上进行的 模块安装在一9x3x1cm3的屏蔽盒内 15 9 1大 中容量短程mmw通信系统 图9 3工作于21 2 23 6GHz接收机模块组成框图 16 9 1大 中容量短程mmw通信系统 特点与以往的微波通信设备相比 新的毫米波通信设备具有以下若干特点 1 采用数字体制 可支持宽带数字综合业务 B ISDN 2 可支持大容量通信应用 如可高达16E1或STM 1 OC 3 155Mbps 因此必要时可作为光纤通信的备分或替代手段 3 高度集成化和小型化 4 网络管理采用标准化的协议 如SNMP等 5 IDU或基带设备通用化 可与多种RF频段接口 17 9 1大 中容量短程mmw通信系统 4系统设计考虑基本性能指标 1 误码率如同一般的数字微波通信系统一样 误码率是衡量毫米波通信传输质量的一项重要的指标 通常有两种定义 低误码率和高误码率 低误码率是在较长时间间隔内统计平均的误码率 它决定了系统或链路在大多数时间内的误码性能 这时不考虑衰落的影响 即误码主要由码间干扰及外部系统的干扰造成的 高误码率是在短时间间隔内统计平均的误码率 它主要由传播衰落引起 并规定了系统中断的误码门限 18 9 1大 中容量短程mmw通信系统 2 传输中断时间TF与系统或链路可用度相关 当信道衰落使接收到的信号电平下降到门限值以下时 将导致通信的中断 其发生概率称为传输中断率 与此中断率对应的时间称为中断时间TF TF的定义是数字无线电信道在功率衰落超过备余量F dB 时引起的中断时间 可按下式计算 9 1 式中 为观察时间 一般以秒为单位 为与天气和地面情况有关的因子 f为工作射频 GHz d为路径长度 km 为总的衰落备余量 dB 按下式求得 9 2 式中 FFM 平衰落备余量 dB DFM 色散衰落备余量 dB IFM 干扰衰落备余量 dB 19 9 1大 中容量短程mmw通信系统 平衰落是指在信道带宽内功率的损失是均匀的 即与频率无关 它由障碍物阻挡电磁波的传播 雨衰等引起 其值是天线增益 发射功率 路径损耗 波导损耗及接收机灵敏度的函数 为克服此衰落所留出的备份量 与无此衰减时相比 即FFM 色散衰落即频率选择性衰落 它会导致码间干扰 从而引起误码 为克服此衰落所留出的备份量即DFM 可按下式计算 9 3 式中 9 4 而Mm f 和Mn f 分别为最小与非最小相位衰落特征值 可通过测量求得 x是与多径衰落色散程度有关的因子 随时间和通信站的位置而变 20 9 1大 中容量短程mmw通信系统 干扰衰落是由于天线旁瓣影响 通信路径上同频或接近同频的信号引起的干扰 由此增加的备余量降低了链路对总衰落的容限 3 系统增益系统增益Gs也是一种对性能评估有用的度量 定义是 在给定的误码率下发射机输出功率与接收机门限灵敏度之差 它应满足下式 dB 9 5 式中 Gs 系统增益 dB Pt 发射机输出功率 dBm Cmin 为达到最低通信质量要求所需之接收载波功率 dBm 通常规定为BER 10 6作为通信质量最低限度 亦称接收机门限 Lp 自由空间传播损耗 dB LF 馈线损耗 dB Gt GR 发射 接收天线增益 dB F 衰落备余量 dB 21 9 1大 中容量短程mmw通信系统 设计方法原则上 较低频段的微波视距通信系统与毫米波通信系统在设计中要解决的主要问题是基本相同的 即都面临着较为复杂的电磁波传播条件 诸如 地面反射 大气吸取 降雨影响和其他无线通信系统的干扰等 许多影响因素具有随机性质 使系统设计参数具有相当大的不确定性 从而造成系统工程设计的困难 为了使系统设计尽可能符合实际 利用计算机辅助设计是解决此问题的有效途径 图9 4给出了这种方法的处理流图 22 9 1大 中容量短程mmw通信系统 图9 4利用计算机辅助设计微波视距通信链路的处理流图 23 9 1大 中容量短程mmw通信系统 通常计算机辅助设计工具有两部分 一是路径剖面程序 一是链路设计程序 1 路径剖面程序 用于选择路由的工程设计 包括天线高度和地面反射的似然评估 以及选择路线对沿线障碍物如建筑物和树木高度的限制等 2 链路设计程序 根据所选择的通信设备性能 衰落环境和衰落储备 确定链路参数并计算其中断率 中断 时间 或根据性能要求 确定设备所需之技术性能参数 24 9 1大 中容量短程mmw通信系统 抗衰落技术及对链路性能的影响 1 空间分集最简单而又有一定效果的作法 是在距主天线架设的垂直方向上若干工作波长处增加一副天线 由此对中断时间的改善可按下式计算 9 6 式中 是采用空间分集后的中断时间 TF由 9 1 式给出 为空间分集改善因子 9 7 式中 为辅助天线相对增益参数 s为主 辅天线间垂直间距 m f为工作射频 GHz d为路径长度 km 实际应用中 25 9 1大 中容量短程mmw通信系统 利用空间分集可增加数字无线电的衰落备余量 改善后的备余量设F 为对于平衰落为 9 8 对于色散衰落为 取一阶近似 对于色散衰落空间分集改善与相对天线增益和天线间隔无关 即有 9 9 k为实验测试确定的常数 26 9 1大 中容量短程mmw通信系统 2 频率分集利用频分集可有效地减少频率选择性衰落 改善后的备余量F 为 9 10 对于平衰落 我们有 9 11 式中 实验表明 频率分集在降低色散衰落中断方面更为有效 作为一阶近似 频率分集改善为 9 12 w为实验确定常数 27 9 1大 中容量短程mmw通信系统 5实用设备举例向高频段开拓 利用更多的频谱资源 同样是地面微波通信的发展趋势 世界上许多厂商供应的微波通信设备 在频段配置上大都是系列化的 如表9 5所示 表9 5若干较高频段地面通信设备的技术参数设备参数Tel LinkEncoreSPECTRUMAgilink频带 GHz 21 2 23 637 0 39 527 5 29 5调制方式4FSK4FSKMSK传输能力 最大 16E116E116E1RF信道间隔 MHz 16E1 28 028 0 发射机输出功率 高 dBm 222122接收机灵敏度 BER 10 6时 dBm 74 5 71 0 71 0系统增益 BER 10 6时 dB 87 0 频率稳定度 ppm 1055数字线路码HDB3HDB3HDB3直流供电电压 V 或功耗 W 55W70W 48V15 尺寸 cm3 IDU4 45x44x23 5 1 5UODU25x18 7cm2 12x21x21重量 kg IDU 3 4 ODU 6 3 28 图9 5现代电信网络的组成 CPN 用户驻地网UNI 用户网络接口SNI 业务接点接口 9 2本地多点分配业务 LMDS 本地多点分配业务 LMDS 1接入网及无线接入技术接入网的基本概念现代通信过程通常是通过电信网络实现的 随着社会的进步 电信网络不断发展与完善 图9 5给出了当今完整的电信网络的组成示意图 其中 核心网是由长途网和中继网组成的 而用户与核心网之间的接续网络 便是接入网 AN AccessNetwork 29 9 2本地多点分配业务 LMDS ITU TG 902给出的定义是 AN是由业务接点接口 SNI 和相关用户网络接口 UNI 之间的一系列传送实体 如线路设施和传输设施 所组成的 为传送电信业务提供所需承载能力的实施系统 可经由Q3接口进行配置和管理 接入网所含盖的范围通过SNI UNI和Q3这三个接口来界定 如图9 6所示 接入网的业务是由业务节点提供的 一个业务节点可只提供一种特定的业务 也可提供多种业务 其中 接入网通过SNI与业务节点 SN 相连 用户终端通过UNI连接到接入网络 另外 用户终端通过Q3接口与电信管理网 TMN 相连 SN是提供业务的实体 是一种可接入各种交换型和 或永久连接型电信业务的网元 就交换业务而言 它提供接入呼叫和连接控制信令 以及接入连接和资源处理 30 9 2本地多点分配业务 LMDS 图9 6接入网的界定 对于提供规定业务的业务节点 SN 有本地交换机 IP选路器租用线业务节点 或特定配置下的点播电视和广播电视业务节点等 31 9 2本地多点分配业务 LMDS 作为本地交换机与用户之间的连接部分 接入网通常包括用户线 传输系统 复用设备 也可包括数字交叉连接设备和用户 网络接口设备等 由于现有的本地网络正于向其他交换与传输技术的演变中 需要引入一个新的概念 把接入网设施建成能为所有类型用户进入业务节点提供支持的共用基础设施 接入网还应能提供数字接入和宽带接入 32 9 2本地多点分配业务 LMDS 无线接入技术ITU T提出接入网的概念 目的之一是采用多种传输媒体来灵活支持混合的不同接入类型与业务 接入网的物理媒体可以是基于有线 如光纤 也可以是基于无线的 其中 由于光纤具有宽带 大容量传输能力 通信质量高和便于规模生产等 故而成为接入网传输媒体的首选 但无线接入也是一种重要的接入方式 这种接入网以无线传输手段为用户提供各种电信业务 在某些场合和条件下可全部或部分替代有线接入网 无线接入的优点是应用灵活 安装快速 建设周期短 且经费投入对传输距离和用户密度不敏感 若干无线接入方式还可具有移动性 很适合于用户密度低 架设有线 光 电缆 困难 线路距离长的地域 在城市 在管线紧张地区 以及用户密集的公司 宾馆 社区等处 可采用微蜂窝或无线局域网接入技术 33 9 2本地多点分配业务 LMDS 无线接入网分为固定无线接入网和移动接入网 固定无线接入仅具有有限的移动性 即用户终端可在单基站范围内移动 而无越区切换功能 它包括微波传输 卫星 以及蜂窝式结构和无绳电话等无线环路 WLL 卫星移动通信系统则是无线移动接入的典型 目前重点发展是放在固定无线接入网上 且多为窄带应用 无线接入需要足够的频谱资源的保证 我国为此已在1 8GHz 1 9GHz为无线接入系统分配了频率 FDD方式和TDD方式各20MHz 显然远不能满足使用地区和宽带接入的需要 在此背景下 采用更高 厘米波和毫米波 频段的LMDS业务脱颖而出 成为一种新的宽带无线接入方式 34 9 2本地多点分配业务 LMDS 2本地多点分配业务 LMDS 的工作原理 1 基本概念LMDS代表LocalMultipointDistributionServices 它是一种独特的无线电接入方式 可提供宽带接入到同一地区的多个用户 这里引进了点对多点的概念 多个用户利用复接和排队可接入同一无线电台 可以认为 LMDS是利用厘米波 毫米波无线电作为基本的传输媒体 是一种变型的无线环路 WLL LMDS组合了基于无线的大容量通信和工作于毫米波频率的具有交互性的广播系统 其构思是 在传统的电视广播网络或类似的网络中 通过在功能上加上一通信信道作为返回信道 建立起具有双向信道的广播网络 从而构成一交互网络 这样就有可能实现一全服务的接入网 35 LMDS系统 本地多点分配业务 毫米波地面通信系统 LMDS 图9 7LMDS原理示意图 利用数字化可达到宽带的交互性 交互的LMDS具有一点到多点下行链路和点到点的上行链路如图9 7所示 9 2本地多点分配业务 LMDS 36 9 2本地多点分配业务 LMDS 2 原理LMDS的工作原理说明 发射机应位于高建筑物的顶部或能 看到 服务区的高柱上 发射机覆盖扇形区 典型值为宽60 900 那么完全覆盖需要4 6部发射机 发射的数据流包含送给覆盖区中每一个用户 典型的TV 分群或个人 典型的通信 因特网 可高达34 38Mbps 点到点返回信道的容量是根据各用户的需要确定的 在一区域内LMDS的工作通常要求一群蜂窝及同时配有发 收信机的基站 一个基站将作为区的中心并连接LMDS蜂窝到外部网络去 内部蜂窝的组网可利用光纤或短跳无线中继连接 此外 也可采用其他方式 如下面介绍的双层结构的系统 37 9 2本地多点分配业务 LMDS 3 工作频率LMDS工作于厘米波高频段和毫米波频段 尽管毫米波频谱资源十分丰富 但有很多其他系统竞争频率的配置 因而很难获得用于LMDS的全球范围的配置 在美国 分配给LMDS的频段有24GHz 28 30GHz和39GHz 其中在28 31GHz频段分配了1 3GHz 参见图9 8 38 LMDS系统 本地多点分配业务 图9 8美国FCC分配给LMDS的频谱配置 39 9 2本地多点分配业务 LMDS 目前在欧洲批准和布置的系统分配在不同的频带上 从24GHz直到43 5GHz 在欧洲许多国家 在24 5 26 6GHz频带上有56MHz已经开放供点对多点的应用 这些频带可用于LMDS或有关的称之为固定无线接入 FWA 的系统 这些系统可能是典型的具有一些供私人 专用 用户的多点商业系统 仅属于商业范畴的系统是典型的基于ATM的 40GHz频带将通常为2或3获批准者共享 对每一运营者限制其可用的频谱为500 2000MHz并使用两种极化 欧洲各国则分配不同频段的频率 2000年世界无线电频率会议 WRC2000 决定主用频带是40 5 42 5GHz 并可扩展至43 5GHz 要注意到 各国批准的政策是不同的 随着欧盟的进一步推进 有可能区域一致或接近 40 9 2本地多点分配业务 LMDS 4 特点 优势和面临的挑战 a 优势 LMDS提供了一种可替代光纤 同轴和不对称 高速率数字用户环路线 ADLS VDSL 的手段 与其他无线解决方案如交互卫星系统和平流层气球平台相比 它在局部上呈现高容量的优点 如表9 6 9 7所示 b 面临的挑战 LMDS选择在毫米波范围内工作 必然会受到某些限制 例如降水衰减 有关信道特性将在下面进一步阐述 系统还需要以视距 LOS 方式工作 要做到完全覆盖是不可能的 另外 在毫米波频率 前端技术仍然是昂贵的 40GHz的前端技术比28 29GHz的更为昂贵 LMDS的主站设备较为复杂 成本也较高 41 9 2本地多点分配业务 LMDS 表9 6若干可供使用的接入技术的比较 42 9 2本地多点分配业务 LMDS 表9 7若干无线接入技术的局部容量比较 从使用角度看 系统很适合于大城市市区和其他人口密集的地区 其工程起动和建设周期短 易于扩容 维护方便 费用也较为低廉 43 9 2本地多点分配业务 LMDS 3LMDS组成和用途系统组成概括起来 LMDS系统的组成包括两个基本要素 物理传送层和服务层 这里着重叙述前者 它包含无线电和分组 电路交换平台 无线电平台由一系列基站通过无线通信链路与众多用户连接 并汇接到LMDS中心 然后进入骨干网 因此 系统应包括 服务区设备 主要有基站和终端设备 LMDS中心 基础设施 主要为与LMDS系统连接的骨干网 具体地 有两种系统构成方式 单层型和双层型 44 9 2本地多点分配业务 LMDS 1 单层型LMDS系统的构成单层型LMDS系统是将需要提供服务的地区划分为若干个服务区 服务区半径通常为数公里 为保证高的覆盖率 区间应考虑适当重叠 每一服务区内设有基站和众多的用户终端 基站利用点对多点工作于厘米波或毫米波频段的无线链路与区内的用户终端通信 基站通过LMDS中心进入骨干 核心 网 图9 9单层型LMDS系统的构成 45 9 2本地多点分配业务 LMDS 基站包含室内单元 IDU 室外单元 ODU 天线和IDU与ODU之间的中频或视频连接电缆 一要负责对服务区内用户终端的覆盖 为此利用天线进行分子区 通常为扇形区 覆盖 二需提供与骨干网的接口 如公共电话交换网络 PSTN 因特网 帧中继 ATM和ISDN等 设置这些接口 可以是每个基站单独实现 当存在多个服务区多个基站时 也可汇总到LMDS中心实现 用户终端也包括室外 ODU 和室内 IDU 单元 ODU为安装在室外的射频收 发信机和天线等 IDU则含有modem 复用 解复用和网络接口单元 NIU 等 NIU提供各种用户业务的接口 如电话 图象 交换机 帧中继和以太网等 46 图9 10LMDS基站与用户终端的组成和连接 图9 10给出了基站与一用户终端的组成和连接示意图 这些设备的组成和互连不是绝对的 惟一的 随着LMDS的不断发展和推广应用 将会在全球范围内建立起统一的软 硬件的标准 47 9 2本地多点分配业务 LMDS 2 双层型LMDS系统的构成双层型LMDS系统如图9 11所示 包括 高频段 28 40GHz 的小区 半径约1 3km 较低频段 如17GHz或5GHz或3 5GHz 的微蜂窝 半径50 500m 某些固定或较大型的用户通过高频段直接与基站链接 其余 大部分 用户分别划分到微蜂窝内 然后由微蜂窝经本地转发器 LR 汇总到小区的LMDS 这种结构的主要优点是用户工作于较低频率 可不要求视距通信条件 设备价格也较低廉 48 图9 11双层型LMDS系统的构成 49 9 2本地多点分配业务 LMDS 2 双层型LMDS系统的构成2作为例子 图9 12为欧洲的一种称之为CABINET试验网络设备的组成框图 系统中 小区频段为40 5 42 5GHz 而微蜂窝则使用了5 725 5 875GHz 基站 采用扇形天线 用于小区的接入方式为FDMA TDMA 用于微蜂窝则为通过DS CDMA的TDMA 50 毫米波地面通信系统 LMDS 51 9 2本地多点分配业务 LMDS 系统应用LMDS具有高度的灵活性和按申请分配容量的能力 其业务和容量通过改善蜂窝规模和采用不同的天线是很容易配置的 这非常适合于家庭和商业使用 具体地可有 1 局域网 广域网 虚拟专用网 LAN WAN VPN 2 T1 E1 3 帧中继 4 电话 5 视频会议 6 远程教育 7 Internet连接 8 Web服务 如e mail 9 电子商务 10 在IP上传话音 VoIP 52 9 2本地多点分配业务 LMDS 4RF设计问题RF设计的完整过程包括 1 确定技术要求 2 建立或确定可利用的频谱 3 确定设计时间流程 4 分析市场需求 5 确定实现方法 方案 6 方案及所采用技术的最终确定 7 确定蜂窝类型 4或8扇形 8 链路预算 9 覆盖要求及实现 10 容量要求及保障措施 11 完整的RF系统设计这里 我们仅就蜂窝类型 链路预计和RF设备作一些简要的讨论 53 9 2本地多点分配业务 LMDS 蜂窝类型的选择在LMDS中 通常基站采用扇区覆盖 按扇形弧度可划分为150 22 50 300 450 600和900扇区 为获得全方位覆盖 采用900扇区结构时需用4个 采用150扇区结构时则需用24个 为得到所需扇形 一种较为简单的技术是用一定张角的喇叭作为天线 使其波束宽度满足要求 另一种技术是采用智能天线用以形成所需之扇区覆盖 理想的天线方向图函数为式中 是归一化功率增益 是天线取向角度 是天线的3dB波束宽度 对于4扇区 n 4 为900 对于6扇区 n 6 为600 等等 余类推 54 9 2本地多点分配业务 LMDS 图9 13 a b c 分别给出了6扇区无重叠 有重叠和理想的天线方向图 实际上理想方向图是无法实现的 为了提高覆盖率 方向图间应有适当的重叠 图9 136扇区 a 无重叠 b 有重叠和 c 理想的天线方向图 55 9 2本地多点分配业务 LMDS 为避免相背扇区 尾瓣 间的相互干扰 可采取正交极化技术 如图9 14所示 即使如此 旁瓣和散射的同频干扰是难以消除的 采用智能天线即自适应数字波束形成技术 可避免同频干扰 并获得阵列增益和分集增益 参见图9 15 图9 14利用正交极化技术避免相背扇区间的同频干扰 56 9 2本地多点分配业务 LMDS 图9 15利用智能天线获得阵列天线增益 分集增益和同频干扰抵消 所谓阵列增益 是指利用智能天线中的多个天线阵元的相干组合信号能量 从而改善信噪比 所谓分集增益 是指由多个天线阵元获得的空间分集来对抗信道可能出现的衰落 而通过天线的自适应数字波束形成 可消除或避免干扰并使期望 有用 信号获得最佳或准最佳增益 57 9 2本地多点分配业务 LMDS 链路预算上 下链路预算内容应包括基站发射机射功率 输出回退 补偿 发射滤波器 合路器 电缆及接关损耗 天线增益 衰落储备 接收天线增益 接收机系统噪声系数 接收灵敏度及自由空间传播损耗 最大半径等 计算举例以用户终端到基站的上行链路为例 设系统工作射频为28GHz 终端发射机输出功率 PT 37dBm 输出回退 BO0 3dB 发射滤波器及馈线损耗 LF 1 2dB 发射天线增益 GT 21dB 基站接收天线增益 GR 27dB 接收灵敏度 BER 10 6时 Cmin 85dBm 链路可用度为99 时的 A 各种因素引起的衰减 为32 5dB 求最大通信距离d 58 9 2本地多点分配业务 LMDS a 先求出链路的系统增益 GS GS PT BO0 Cmin 37 3 85 119dB b 求自由空间损耗 LP 与链路参数的关系由 GS A LP LF GT GR 得 LP GS A LF GT GR 119 32 5 1 2 21 27 133 3 dB c 求d由 LP 92 4 20lgd 20lgf得20lgd LP 92 4 20lgf 133 3 92 4 20lg28 11 96d 3 96 km 59 9 2本地多点分配业务 LMDS RF设备及性能LMDS工作于毫米波及附近的频段时 降低射频 RF 的复杂度和成本对于保证系统的高性能和赢得市场是至关重要的 这里以一种工作于Ka 30GHz 频段的全集成的收发信机模块为例 介绍其设计考虑 模块的构成和性能 1 集成电路材料的选择用于毫米波集成电路可供选择的材料有氧化铝 Al2O3 玻璃陶瓷和氟化铝 AlN 作为基片时 材料的损耗 用损耗角正切tan表示 和耐热能力 用T C W mK 表示 是两个重要的指标 表9 8给出了工作30GHz时这两个指标的测试结果 目前CMOS技术可能更有优势 60 9 2本地多点分配业务 LMDS 表9 8三种候选基片材料的测试结果 由表可见 AlN的损耗角正切 tan 与Al2O3的相差无几 在耐热能力方面 AlN是最好的 这在制作发射机功放时特别重要 利用Al2O3时 MMIC的功放沟道温度接近于1600C 其失效前平均时间 MTTF 小于6年 而利用AlN时 沟道温度小于1300C MTTF则高达100年 据此 封装选用AlN多层基片 包括三层AlN和4层导体 其中RF输入 输出由微带过渡到波导 WR 28 构成 AlN基片厚150m 在27 5 31 3GHz范围内微带到波导变换段的插入损耗小于0 8dB 61 9 2本地多点分配业务 LMDS 2 模块的构成模块的构成框图如图9 16所示 模块含有一由环行器和微带到波导变换器组成的频率双工器 波导口直接连接到天线 模块中 发射机包括一8GHz的VCO 硅双极晶体管预分频比例器 二倍频器 16GHz缓冲放大器 分谐波泵激混频器 PIN二极管衰减器 4级Ka频段MMIC放大器 可抑制镜象和接收机热噪声的两个5极点带通滤波器 两个1600 mH FET的31GHz功放 接收机则包括一13GHzVCO 缓冲放大器 硅双晶体极管预分比例器 分谐波泵激混频器 两个用于消除发射频段和镜象噪声的5极点带通滤波器 两级200 m28GHz低噪声放大器和中频放大器 62 9 2本地多点分配业务 LMDS 图9 16一种Ka频段收发信机的构成框图 63 9 2本地多点分配业务 LMDS 3 性能经测试 该模块的发射机饱和输出功率23dBm 利用一PIN二极管构成的可变衰减器的调节范围为28dB 即可控制发射机输出功率在 5dBm至23dBm 另外还利用一PIN管作为温度变化引起增益变化的补偿 变频 从850MHz上变频至射频 增益大于35dB 接收机噪声系数为7dB RF为28GHz 变频增益为15dB 本振 31GHz 在偏离中心频率100kHz处的相位噪声为 91dBc Hz 模块的尺寸为35x35x6mm3 64 9 2本地多点分配业务 LMDS 5网络设计考虑LMDS网络的系统设计是有其独特性的 因为它取决于所提供的业务及所选择的平台 涉及多种协议 一般地说 设计时要考虑的问题是 1 需要支持的服务 例如一种简单的IP服务如图9 17所示 2 主机终端与用户所使用的接口协议及占用带宽资源 主机与用户终端设备的连接如图9 18所示 用户接口的典型结构有 a 单IP b 有多用户终端设备的单IP c 多IP接口 d 租用线路 e 租用线路和话音 f 专用模块主机终端 g 租用线路和IP 65 图9 17利用LMDS提供简单的IP服务 66 9 2本地多点分配业务 LMDS 图9 18主机与用户终端的互连 67 9 2本地多点分配业务 LMDS 5网络设计考虑2 3 基站与在位于另一处的中心或处理设备的接口协议 上面已经提到 在应用中常遇到若干基站汇接到一LMDS中心 局 的情况 如图9 19所示 4 LMDS中心 局 与各种服务之间的接口及管道 图9 20给出了LMDS中心 局 与各种服务之间的接口及管道 实际上就是LMDS与外部网络的连接及所采用的协议 68 9 2本地多点分配业务 LMDS 图9 19基站与LMDS中心 局 的连接 69 9 2本地多点分配业务 LMDS 图9 20LMDS中心 局 与外部网络的连接 A B C D 70 9 2本地多点分配业务 LMDS 图中相应的连接 服务和管道如下 表9 9各种连接的服务和管道 71 9 2本地多点分配业务 LMDS 目前常用的协议有TDM IP及ATM 其在不同的服务中的效率比较如下 表9 11几种常用协议及在不同服务中的效率 注 1 表示最好 2 表示次之 3 更次之 NA 表示无用 从以上的介绍可知 设计好一个LMDS系统 其实是用户需求 成本与技术并考虑到未来扩展等的最佳综合和折衷 在此领域中还有很多工作要做 72 9 3高高度 远程运行网络 HALO 高高度 远程运行网络 HALO 1HALO网络的概念和原理基本概念HALO代表HighAltitudeLongOperationNetworkTM 它是一种宽带无线大都市区域网络 具有星形拓扑 其单独主站是一种安装有通信设备的专用飞机 位于服务区上空大气层中 高度高于商用航线高度 即以高于15 000米的高度飞行 是该网络的中心节点 网络的信号 足印 即商业圆锥将具有100km直径的规模 网络容量初步为10Gbps 然后增长到超过100Gbps 网络满足每个用户数据速率达几Mbps的通信需要 RF采用获得批准的商用频段中的毫米波频段 多架飞机轮班完成连续式服务 可提供多种服务 73 9 3高高度 远程运行网络 HALO 背景卫星网络是利用LEO MEO高椭圆轨道 HEO 和GEO上展开的 它们提供准自由空间信道 最坏情况下为莱斯 Ricean 衰落信道 由于视距信号迭加了众多的散射分量 然而 其缺点是包括昂贵的高功率用户终端 长的传播时延 以及性能提高过程中的停滞 也就是 系统容量实际上是固定的 要增加容量需增加卫星数 相反 地面无线网络的优点是诸如低成本 低功率用户终端 短的传播时延和良好的系统容量的可伸缩性 scalability 然而 其缺点包括低视角 具有瑞利衰落的多径信道 以及复杂的基础设施等 要求许多基站 其间需要通过电缆或微波的互连链路以传送返回业务 当利用蜂窝分割技术时来增加容量时 需要做许多重复建设 HALO网络综合了两种已有的无线通信服务手段 卫星网络和地面无线网络 如蜂窝和个人通信系统 的优点 74 9 3高高度 远程运行网络 HALO 原理HALO网络将配置在大气层中 在地面无线之上 卫星网络之下 它可为包括一个典型大城市及相邻小镇在内的区域中的商业和小办公楼 家庭办公室等 提供宽带服务 对每一末端用户 它将提供一无视线阻挡的和类似自由空间的 具有短传播时延的信道 并允许使用低功率 低成本的用户终端 HALO网络的基础设施是简单的 有一单中心主站的星形拓扑 结果 网络一旦开放便同时向全城区同时提供服务 其间维护费用预期是低的 增加系统容量可通过减小对地面照射的波束宽度而增加波束数的途径实现 也可通过增加每波束的信号带宽来实现 HALO网络可接入到现有的网络 它可通过帧中继方式 或直接通过LAN桥和路由器作为骨干连接分散的LAN运行 它还可通过标准的 ISDN或T1接口硬件提供视频会议服务 75 9 3高高度 远程运行网络 HALO 2HALO网络的系统架构和技术网络的系统架构网络的系统架构如图9 21所示 一种称为HALO Proteus飞机用作为无线宽带通信网络的中心 hub 机载网络元素包括一ATM交换机 点波束天线和多波束天线 以及收 发电子设备等 载重量约900kg 机上天线阵对大都市区域构成类似蜂窝状覆盖 ATM交换机可满足当前和未来网络扩展的需要 HALO Proteus飞机位置保持在15 000 18 000米的高度上飞行 对地面覆盖面积约180 280平方公里 足以包含一个典型的城市 并使用户终端对飞机的仰角在200以上 这样 可保证下大雨期间仍有高的可用度 三架飞机组成的机队 轮班转圈可在一孤立的城市上空提供连续服务 76 图9 21HALO网络的系统架构 77 9 3高高度 远程运行网络 HALO 技术 1 射频的选择选择毫米波频段 可实现高容量的宽带网络 因为这些频率上通过合作 伙伴 关系可获准使用100 1000MHz的带宽 在0 3米口面的小天线上可产生窄的波束 这样 用户终端可以做得很紧凑而具有高的增益 而多孔径天线阵列可以适于置在飞机机身下 HALO网络可利用各种频谱进行配置 某种频谱的选择受到实用技术的和商业的因素的驱动 如实际链路储备 批准使用的带宽 用户终端的成熟程度和价格可承受的程度 频谱接入和法律等等 以下两种频谱可用于HALO网络 a 28GHzLMDS业务 b 38GHz微波点对点业务 78 9 3高高度 远程运行网络 HALO 2 天线技术利用天线阵列产生两种对地波束 a 为100 1000用户提供服务的共享波束 b 专用波束 提供为宽带宽用户服务的信关站的连接 或到网络信关站 非HALO网用户通过该站可接入服务 与HALO网络中的末端站交换信息 c 蜂窝技术HALO网络利用对地多波束天线按典型的蜂窝图形排列 每一窄波束在图形中起一单个蜂窝的作用 每一蜂窝覆盖面积约几十平方公里 相邻蜂窝具有不同子频带 图形具有周期性 每一子带选取 即子带复用计划 在服务区内能使用多次 通过频率复用 可覆盖约260平方公里 仅一平台的总容量可达10 100Gb s 图9 22给出了一共享波束蜂窝图 79 图9 22共享波束蜂窝图 9 3高高度 远程运行网络 HALO 80 9 3高高度 远程运行网络 HALO 为建立模型的目的 假定波束覆盖图是由HALO机载天线产生的 设天线产生125个波束 分成6个环进行覆盖 蜂窝由天线阵列产生并在地面上固定 相邻单元 蜂窝 间不相重叠 蜂窝图形将覆盖一城区 飞机高度为16km 飞行轨道为一圆圈 直径14 8km 假定其对地面速度是恒定的 转一圈约6分钟 地面上每一蜂窝是由一点波束覆盖 然而 因飞机的运动 覆盖一具体的蜂窝的点波束是变化的 在一定持续时间内给定波束覆盖一给定的单元蜂窝称为驻留时间 dwelltime 一旦超过此周期 波束必须用一个或多个波束来覆盖地面上新的单元蜂窝 棘轮轮转式作用要求地面用户终端使用突发modem 并利用电子控制稳定飞机上的波束平台 aboard 一波束到波束切换情况 可能 event 产生 假定用户A和B在t时刻用天线波束106和26连接 当在t T时刻完成轮时 将分到改为由另二新的天线108和27连接 81 9 3高高度 远程运行网络 HALO 3HALO网络系统参考模型HALO网络系统参考模型如图9 23所示 概念的HALO网络的主要元素是HALO Proteus飞机装载的空中通信主机 用户终端 HALO信关 HG 以及各种接口 参考架构示出了互联网络元素的拓扑 HALO网络可以连接到非HALO网络去 如ATM网络 因特网 以及通过一HG网间单元 IWU 的帧中继等 在HALO网络内 4种网络元素可直接连接到空中交换机 1 用户站设备 CPE 低速率用户终端 因为这些终端装有必要的接口到HALO无线信道 它们可直接接入到HALO网络 终端可支持ATM或IP末端用户 若它是一个IP用户 则将在终端中实现IPoverATM 82 9 3高高度 远程运行网络 HALO 图9 23HALO网络系统参考模型 83 9 3高高度 远程运行网络 HALO 2 商用站设备 BPE 高速率终端 这种设备提供用户群如一家公司 一所大学 一座工厂或其他用户群使用 通常在一个用户群内有局域网可供利用 例如 一家公司可有一专用ATM网络 它的雇员可接入到该网络 若专用网络有网络兼容的BPE作为共同网络和网络之间的桥时 公司内所有用户就将能接入HALO网络 3 HG IWU 这种设备提供HALO和非HALO网络之间的入口和接口 如图9 23所示 仅公用ATM网络直接连到HG IWU 这是因其他网络与HG IWU是不兼容的 故此因特网和帧中继业务 在连接到HG IWU之前 必须连接到公用ATM网络 4 网络控制站 它负责HALO网络的维护 运作和管理 即连接管理控制 CAC 时隙预留处理或由媒接入控制 MAC 协议产生的申请 切换处理和移动用户位置管理等 都是在该控制中心进行的 84 9 3高高度 远程运行网络 HALO 按照图9 23 ATM网络和HALO网络之间有4种信令接口 公共用户接口 UNI 位于机上ATM交换与CPE之间 HG IWU与星上交换之间的信令接口是B ICI 若在HALO网的局域网内存在专用ATM网络时 专用网络节点接口 NNI 和专用UNI两者将存在 如图9 23示 85 9 3高高度 远程运行网络 HALO 4HALO网络业务HALO网络提以下的设计目标 1 无缝非对等 ubiquitous 多媒体服务 2 对末端用户环境的适配 3 快速展开到机会位置 地点 sitesofopportunity 4 按需分配带宽以有效利用可供使用的频谱 如图9 24所示 多种组织 学校 医院 医生办公室 中小规模商业 在全世界范围内都因HALO网络所提供的低廉的宽带服务而受益 而HALO网也可用作为移动电话业务 双向寻呼 单向广播 低速率数据采集的无线局网 以及作为卫星集中器 concentrator 86 9 3高高度 远程运行网络 HALO 图9 24HALO网络提供的服务 87 9 3高高度 远程运行网络 HALO 标准的宽带协议如ATM和同步光纤网络 SONET 用来尽可能无缝隙地接口到HALO网络 信关到HALO网络将提供接入到公用交换电话网 PSTN 以及Internet骨干网 提供web和电子商务等服务 网络可向用户提供各种服务 它们共享给定波束的带宽 例如1 10Mbps峰值数据率给小商业用户 10 25Mbps峰值数据率给具有较大带宽需要的商业用户 因为每一链路均可 按申请分配带宽 得到服务 在波束内可供使用的带宽 通常共享只有激活的部分 平均数据速率是低的 对于一申请获准的用户 瞬间速率可增长到一规定的上限 专用波束也可向这些用户提供要求的25 155Mbps的服务 88 9 3高高度 远程运行网络 HALO 5用户单元 用户终端 用户终端由三部分硬件组成 射频单元 RU 网络接口单元 NIU 和业务终端 如PC 电话 视频业务服务器和视频终端等 RU包含毫米波天线 收发信机 天线是小型双馈式的 毫米发射机 接收机安装在天线上 天线跟踪单元利用HALO飞机上发射的导频 控制本终端的天线与机上天线对准 天线跟踪飞机通过安装低速率二轴万向支架实现 其它跟踪方案应是灵活的 在成本上具有竞争力的 毫米波发射机将来自NIU的L频段IF输入信号变换为毫米波频率 并利用一功率放大信号使其功率电平达到100 500mW 然后送给天线 89 9 3高高度 远程运行网络 HALO 毫米波接收机耦合来自天线的接收信号并送到LNA 将信号下变频到L频段中频 供后置放大器放大和处理 然后输出到NIU 毫米波收发机在任何某一时刻占用一单信道 或许其带宽为40MHz左右的窄带 具体是哪一条信道和频率 由NIU确定 NIU通过一同轴线对 传送L频段收 发信号 接口到RU NIU包括L频段调谐器和变频器 高速调解器 复接器 分接器 以及数据 电话和视频电子设备等 每一用户终端在每一方向 WAY 上可以51 84Mb s的速率接入 在某些应用中 某些带宽也可用来插入扩谱编码以抗干扰而改善性能 用户降低速率 NIU设备可与LMDS和其他宽带业务已研发的对应设备相同 这样可降低HALO网络服务的用户费用 因此可采用LMDS的设备使用于此 其他设备也是如此 不同之处是天线的跟踪功能 90 9 4宽带无线局域网 宽带无线局域网1无线局域网 WLAN 的概念和原理局域网 LAN LocalAreaNetwork 1 局域网的定义和作用局域网源于计算机网络的一种 后来随着应用范畴的扩大 其概念也随之扩展 简言之 局域网是将小范围内的一些通信设备互连在一起的通信网 特征是覆盖范围小 通常传输距离在数十至数百米之间 最大范围也不超过数公里 限于一建筑物或若干建筑物构成的院落 单位 内的终端 计算机及有关设备的相互连接 局域网中的系统通常是按图9 25 a c 所示的总线或环形拓扑连接起来的 有时也采用图9 25 b 所示的树形拓扑 所谓网络拓扑实际就是网络中各节点间连接媒体的布局 91 9