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的頻率範圍是300MHz至3000GHz。

與同軸電纜通信、光纖通信和衛星通信等現代通信網傳輸方式不同的是，微波通信是直接使用微波作為介質進行的通信，不需要固體介質，當兩點間直線距離內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、質量好並可傳至很遠的距離的特點，因此是國家通信網的一種重要通信手段，也普遍適用於各種專用通信網。

基本介紹

• 中文名：微波通信
• 外文名：Microwave Communication
• 波長範圍：0.1毫米-1米
• 微波類型：電磁波
• 套用學科：通信
• 未來發展：數字微波通信

技術簡介

隨著我國通信技術現代化建設的發展，通信技術中的數位化以及信息化建設越來越廣泛，數字微波通信技術的研究也取得了新的成就。在現代通信技術中，微波通信占有非常重要的作用。近年來，微波通信在許多領域都得到了廣泛的套用，如移動通信、衛星通信等。微波的頻率非常高，凡是處於300MHz至3000GHz頻段內的通信，都可稱之為微波通信。

微波中繼站

微波通信於20世紀中期開始套用於實際生活當中，其能夠實現大容量通信，且建設速度較快，質量較高，通信過程穩定，維護便捷，由於上述優點，使其成為目前套用極為頻繁的傳輸方式。相比光纖通信以及衛星通信，微波通信的通信網更為容易建立，即使處於山區、農村等較為偏僻的地區，也可以實現微波通信。

中國微波通信廣泛套用L、S、C、X諸頻段，K頻段的套用尚在開發之中。由於微波的頻率極高，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，超過視距以後需要中繼轉發。一般說來，由於地球曲面的影響以及空間傳輸的損耗，每隔50公里左右，就需要設定中繼站，將電波放大轉發而延伸。這種通信方式，也稱為微波中繼通信或稱微波接力通信。長距離微波通信幹線可以經過幾十次中繼而傳至數千公里仍可保持很高的通信質量。

發展簡史

微波的發展是與無線通信的發展是分不開的。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，開創了人類無線通信的新紀元。無線通信初期，人們使用長波及中波來通信。20世紀20年代初人們發現了短波通信，直到20世紀60年代衛星通信的興起，它一直是國際遠距離通信的主要手段，並且對目前的應急和軍事通信仍然很重要。

用於空間傳輸的電波是一種電磁波，其傳播的速度等於光速。無線電波可以按照頻率或波長來分類和命名。我們把頻率高於300MHz的電磁波稱為微波。由於各波段的傳播特性各異，因此，可以用於不同的通信系統。例如，中波主要沿地面傳播，繞射能力強，適用於廣播和海上通信。而短波具有較強的電離層反射能力，適用於環球通信。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。第二次世界大戰後，微波接力通信得到迅速發展。1955年對流層散射通信在北美試驗成功。20世紀50年代開始進行衛星通信試驗，60年代中期投入使用。由於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展。此外數位技術及微電子技術的發展，也促進了微波通信逐步從模擬微波通信向數字微波通信過渡。

微波通信

微波通信是二十世紀50年代的產物。由於其通信的容量大而投資費用省（約占電纜投資的五分之一），建設速度快，抗災能力強等優點而取得迅速的發展。20世紀40年代到50年代產生了傳輸頻帶較寬，性能較穩定的微波通信，成為長距離大容量地面幹線無線傳輸的主要手段，模擬調頻傳輸容量高達2700路，也可同時傳輸高質量的彩色電視，而後逐步進入中容量乃至大容量數字微波傳輸。80年代中期以來，隨著頻率選擇性色散衰落對數字微波傳輸中斷影響的發現以及一系列自適應衰落對抗技術與高狀態調製與檢測技術的發展，使數字微波傳輸產生了一個革命性的變化。特別應該指出的是80年代至90年代發展起來的一整套高速多狀態的自適應編碼調製解調技術與信號處理及信號檢測技術的迅速發展，對現今的衛星通信，移動通信，全數字HDTV傳輸，通用高速有線/無線的接入，乃至高質量的磁性記錄等諸多領域的信號設計和信號的處理套用，起到了重要的作用。

國外已開發國家的微波中繼通信在長途通信網中所占的比例高達50%以上。據統計美國為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備以來，經過仿製和自發研製過程，已經取得了很大的成就，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中，微波通信又一次顯示了它的巨大威力。在當今世界的通信革命中，微波通信仍是最有發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，分別對應於特高頻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。

其中L頻段以下適用於移動通信。S至Ku頻段適用於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星通信，其中C頻段的套用最為普遍，毫米波適用於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，已開始採用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，適宜於近距離地面保密通信。94GHz的電波在大氣中衰減很少，適合於地球站與空間站之間的遠距離通信。

系統構成

系統設備

微波通信系統由發信機、收信機、天饋線系統、多路復用設備、及用戶終端設備等組成，如圖2所示。

其中，發信機由調製器、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，解調器組成；天饋線系統由饋線、雙工器及天線組成。用戶終端設備把各種信息變換成電信號。多路復用設備則把多個用戶的電信號構成共享一個傳輸信道的基帶信號。在發信機中調製器把基帶信號調製到中頻再經上變頻變至射頻，也可直接調製到射頻。

圖2 微波多路通信系統示意圖

在模擬微波通信系統中，常用的調製方式是調頻；在數字微波通信系統中，常用多相數字調相方式，大容量數字微波則採用有效利用頻譜的多進制數字調製及組合調製等調製方式。發信機中的高功率放大器用於把傳送的射頻信號提高到足夠的電平，以滿足經信道傳輸後的接收場強。收信機中的低噪聲放大器用於提高收信機的靈敏度；下變頻器用於中頻信號與微波信號之間的變換以實現固定中頻的高增益穩定放大；解調器的功能是進行調製的逆變換。

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，饋線主要採用波導或同軸電纜。在地面接力和衛星通信系統中，還需以中繼站或衛星轉發器等作為中繼轉發裝置。

通信方式

地面上的遠距離微波通信通常採用中繼（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，需要在兩地之間設立若干中繼站，進行電磁波轉接

微波傳播有損耗，隨著通信距離的增加信號衰減，有必要採用中繼方式對信號逐段接收、放大後傳送給下一段，延長通信距離。

距離地面微波中繼通信系統如圖3所示。

圖3 微波中繼通信示意圖

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，因傳輸業務上下的需要而設立的微波站。

圖4 微波網路布局分類

主要特點

微波通信具有良好的抗災性能，對水災、風災以及地震等自然災害，微波通信一般都不受影響。但微波經空中傳送，易受干擾，在同一微波電路上不能使用相同頻率於同一方向，因此微波電路必須在無線電管理部門的嚴格管理之下進行建設。此外由於微波直線傳播的特性，在電波波束方向上，不能有高樓阻擋,因此城市規劃部門要考慮城市空間微波通道的規劃，使之不受高樓的阻隔而影響通信。

圖5 微波技術

超大頻寬容量

傳統頻段微波產品一般指6GHz～42GHz傳統頻段的微波，可以利用XPIC，MIMO和CA等無線技術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，傳統頻段微波速率可達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。

支持多種傳輸業務

支持PDH、SDH業務、以太業務和IP業務。能夠很好滿足現網2G、3G和4G移動業務的頻寬需求和未來即將商用的5G移動業務容量需求。

低時延

微波傳輸超低時延的優良特性不僅能滿足2G、3G和4G行動網路的要求，能很好滿足5G移動更低時延 （例如無人駕駛, 智慧型製造和遠程醫療等）套用需求。

提供高精度時間同步

1588v2為基站提供精準的頻率和相位時鐘同步，能為TDD移動通信系統提供全網時鐘，降低行動網路安裝、維護成本。

快速部署

分組微波設備的全室外解決方案，無需鋪設傳輸光纖，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量，微波傳輸作為回傳解決方案能為行動網路的部署大大節省時間。

抗災抗人為破壞

相對於光纖傳輸, 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、防火災等自然災害, 受損時微波傳輸恢復通信鏈路快。在自然災害和光纖無法達到地區, 微波傳輸可以作為應急移動通信的傳輸網路。

技術原理

由於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發（包括變頻、中放等環節），這種數字通信方式，也稱為地面數字微波中繼傳輸方式。終端站處在數字微波傳輸線路的兩端，中繼站是數字微波傳輸線路數量最多的站型，一般都有幾個到幾十個，每隔 50km 左右，就需要設定一個中繼站，中繼站的主要作用是將數位訊號接收，進行放大，再轉發到下一個中繼站，並確保傳輸數位訊號的質量。所以數字微波傳輸又稱數字微波接力傳輸。這種長距離數字微波傳輸幹線，可以經過幾十次中繼而傳至數千公里仍可保持很高的傳輸質量。

圖6 微波通信中繼站

就微波通信的性能而論，數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，而且其通信設備的通頻帶也可以做得很寬。例如，一個4000MHz的設備，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頻寬。可見，一套微波收發信設備可傳輸的話路數是相當多的。因數位訊號占用頻寬較寬，所以數字微波通信設備在選擇適當的調製方式後，可傳輸的話路容量仍然是相當多的。

“接力”因微波頻段的電磁波在視距範圍內是沿直線傳播的，通信距離一般為40~50km。考慮到地球表面的彎曲，在進行長距離通信時，就必須採用接力的傳播方式，發端信號經若干中間站多次轉發，才能到達收端。

主要類型

根據通信方式和確定信道主要性質的傳輸媒質的不同，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於傳輸多路載波電話、載波電報、電視節目等的模擬微波通信，以及主要用於傳輸多路數字電話、高速數據、數位電視、電視會議和其它新型電信業務的數字微波通信。

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。各站收發設備均衡配置，站距約50km，天線直徑1.5～4m，半功率角3～5°，發射機功率1～10W，接收機噪聲係數3～10dB（相當噪聲溫度290～261K），必要時二重分集接收。模擬調頻微波容量可達1800～2700路，數字多進制正交調幅微波容量可達144Mbit/s。設備投資和施工費用較少，維護方便；工程施工與設備安裝周期較短，利用車載式微波站，可迅速搶修溝通電路。

對流層散射通信

利用對流層中媒質的不均勻體的不連續界面對微波的散射作用實現的超視距無線通信。常用頻段為0.2～5GHz，為地面超視距點對點通信。跨距數百公里，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°，有孔徑介質耦合損耗，發射機功率5～50kW，四重分集接收，容量數十話路至百餘話路。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、丘陵、沙漠、沼澤、海灣島嶼等地域建立通信電路。

衛星通信

地球站之間利用人造地球衛星上的轉發器轉發信號的無線電通信，為地一空視距多址通信系統，衛星中繼站受能源和散熱條件的限制，故地-空設備偏重配置。同步衛星系統，空間段單程大於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，發射機功率0.5～5kW。

圖7 衛星通信

衛星中繼站，下行全球波束用喇叭天線，點波束用拋物面天線，可藉助波束分隔進行頻率再用。轉發器功率數十瓦，頻寬一般為36MHz，容量5000～10000話路。衛星通信覆蓋面廣，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於稀路由的甚小天線地球站（VSAT）適用於數據通信。

空間通信

利用微波在星體（包括人造衛星、宇宙飛船等太空飛行器）之間進行的通信。它包括地球站與太空飛行器、太空飛行器與太空飛行器之間的通信、以及地球站之間通過衛星間轉發的衛星通信。地球站與太空飛行器之間的通信分近空通信與深空通信。在深空通信時，為了實現從髙噪聲背景中提取微弱信號，需採用特種編碼和調製、相干接收和頻帶壓縮等技術。

微波移動通信

通信雙方或一方處於運動中的微波通信，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，並正向更高頻段發展。海上、航空及陸上移動通信均可使用衛星通信。海事衛星可提供此種移動通信業務。低地球軌道（LEO）的輕衛星將廣泛用於移動通信業務。

抗衰落技術

微波傳輸也會受到很多外界因素的干擾而衰落。有時衰落的持續時間很短，在幾秒鐘至幾分鐘內，稱為快衰落，有時衰落的時間持續十幾分鐘甚至幾個小時，稱為慢衰落。衰落時，接收電平高於正常電平稱為上衰落，低於正常電平稱為下衰落。 衰落時，接收電平低於收信機最低接收電平以下稱為深衰落。空間衰落現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；二是由於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。

吸收衰落

大氣中的氧分子和水分子能從電磁波吸收能量，導致微波在傳播的過程中的能量損耗而產生衰耗。頻率越高，站距越長，衰落越嚴重。

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生衰落。雨霧天氣時，對高頻微波影響大。

圖8 微波通信系統

K型衰落

多徑傳輸產生的干涉型衰落。由於這種衰落與大氣的折射參數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重。

波導型衰落

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

閃爍衰落

對流層中的大氣常發生大氣湍流，大氣湍流形成的不均勻的塊式層狀物使介電係數與周圍的不同。當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。由於這種衰落是由於多徑產生的，因此稱之為閃爍衰落。

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

新型技術

自適應調製編碼 (AMC) 在移動通信中得到了廣泛套用，根據信道質量對編碼速率予以調整，以此來獲取較高的吞吐量。當無線通信速率比較低的時候，信道估計相對準確，AMC的套用效果較好。

隨著終端移動速度的不斷加快, 信道質量已經無法滿足信道的變化, 在信道測量錯誤的情況下，導致AMC調製編碼方式和實際情況不相同，影響了系統容量、吞吐量等性能指標，值得相關人員進行深入研究。

無線通信技術共含有兩種基礎技術，分別為傳送技術以及多址技術。Wi MAX使用OFDM調製技術作為基礎傳送技術。OFDM調製技術令處於高速傳播狀態的數據流通過，之後再對數據進行轉化, 並將轉化後的數據分配至傳送速率不高的多個正交子信道當中，完成傳送過程。

至於多址技術，Wi MAX選用了OFDMA技術。OFDMA技術所使用的方法為頻分多址。相比OFDM，該技術具有如下優勢：分配方法更為靈活以及相同頻帶能夠實現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據的通道, 完成數據傳送工作。而OFDM技術則需要利用整個頻帶傳送數據。

發展趨勢

未來, 微波通信的發展將主要集中在高速大容量、高頻段、高集成度、微型化、智慧型化和低成本等方面。SDH數字通信採用多狀態的QAM調製, 實現更高的容量。同時, 在頻段方面, 3GHz以下範圍已經過於擁擠, 10GHz以上的高頻段是數字微波通信發展的主要方向。再者, 隨著積體電路的進一步發展, 微波通信設備也將會更加微型化, 實現低功耗、輕質量和小體積化。此外, 軟體無線電技術的運用, 也能促進微波通信的智慧型化和低成本, 增大其實用性。