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五分钟看懂微波通信

2018-10-24
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大家好,我是小枣君。


今天我要给大家介绍的,是微波通信。


我们在日常生活中,随处可以看到移动通信基站。大概是这样的:



或者这样的:



但是,如果你细心观察的话,会发现,在有些大楼的楼顶上,除了基站,还会有一些像“大鼓”一样的设备。



在荒郊野外,可能更加容易看到:


白色圆型那个


这些“大鼓”,就是我们通常所说的“微波设备”。更准确一点,是“微波通信天线”。


拉近距离来看,是这样的:



微波通信,英文是Microwave Communication,是指使用微波(Microwave)作为载波,携带信息,进行中继通信的方式。


微波,是频率范围300MHz~3THz的电磁波(1THz=1000GHz),也就是说,波长范围是1米~0.1毫米(光速=波长×频率)。



微波通信并没有使用微波的全部频率,而是主要使用3GHz-40Ghz这个范围。


工程师们将部分微波波段进行了定义,并且单独命名,例如我们经常听说的Ka波段、Ku波段、C波段等。


常用微波波段的划分


人类使用微波进行通信的历史并不算短。


早在1931年,从英国多佛尔到法国加莱,就建立了世界上第一条超短波通信线路,横跨了英吉利海峡。


二战之后,微波通信获得了迅速发展和广泛应用。


1945年,美军的微波通信设备


1947年,著名的美国贝尔实验室在纽约和波士顿之间,建立了世界上第一条模拟微波通信线路。


到了50年代末,澳大利亚、英国、加拿大、法国、意大利和日本等国家,都在本国的主干路由上安装了微波接力通信系统。


1955年时,英国的微波骨干网线路


我国的微波通信研究启动比较晚,开始于60年代。与此同时,模拟微波逐渐被淘汰,人类逐渐进入了数字微波通信时代。


数字微波通信,又分为PDH(准同步)和SDH(同步)两个阶段。相信之前看过小枣君传输网科普文章的同学,一定不会觉得陌生。


80年代后期至本世纪初,SDH在传输系统中占据统治地位,微波通信技术发展非常迅速。


目前微波通信技术也和有线通信技术一样,进入了IP时代。



如今,虽然以光纤通信为主的有线传输网络占据主导,但是某些特殊应用场景下,我们仍然离不开微波通信方式。例如偏远地区,布设有线传输难度太大或成本过高,又或者发生自然灾害,光纤传输遭到损坏。


应急通信车上面的微波设备


相比于光纤通信来说,微波仍然具有很多无法替代的优势。例如成本低,抗灾害能力强等。



需要注意的是,我们通常说有三大传输系统:光纤通信、微波通信、卫星通信。实际上,卫星通信也是微波通信的一种,只是比较特别而已,待会我们会详细说到。


卫星通信


电磁波通信,一般可以分为广播方式和点对点方式。我们的微波通信,属于后者。



为什么要采用点对点方式?这主要是由微波的特性决定的。


微波的特性,就是频率高,波长短。


这种类型的电磁波,绕射能力很差,穿透力很差,在地表传输时,衰减很大,传输距离短。


我们知道,电磁波除了在地面沿空气传播之外,还可以利用天空中电离层反射的方式进行远距离传播。



但微波仍然无法利用这种方式。还是因为微波的频率太高,以至于电离层无法有效反射(只能穿透)。


所以,微波传输几乎只能进行视距传输。什么是视距传输?就是发送天线和接收天线之间没有障碍物阻挡,可以相互“看见”的传输。


视距传输,除了容易受山体或建筑物等影响之外,还会受到地球表面弧度的限制。


地球是一个球体,地球的表面是有弧度的。微波天线发出的微波,经过一定距离之后,就会被地球表面所阻挡,无法继续传播。



因此,微波通信存在距离限制。通常来说,如果微波天线挂在正常高度的铁塔上,它的传输距离就是50公里。


如果要进行远距离传输,就必须进行“接力”,也就是说,需要设置微波中继转接站



微波中继转接站接收到前一站的微波信号,加以放大等处理,再转发到下一站去,就像接力赛跑一样,直到抵达最终收信端。



也正是因为这个传输特点,微波通信经常被称为微波中继通信,或微波接力通信


根据上面的内容,我们可以知道,微波天线距离地面越高越好。


那么,你一定想到了,为什么我们不干脆把中继站挂到天上去呢?是的,这就是卫星通信



借助地球同步卫星,将“微波中继站”挂在太空中,可是最大化地扩大微波通信的距离。


地球同步卫星距离地面36000公里,可以覆盖地球表面积的三分之一,理论上来说,只需要3颗卫星,就能保证地球上任意两个中继站进行通信。




接下来我们具体看一下微波设备的组成


一般来说,微波设备主要由IDU、ODU、中频电缆、天线等部分组成。


微波设备


IDU是室内单元,Indoor Unit。ODU是室外单元,Outdoor Unit。


中频是指发射机将信号载波变换成发射频率,或者将接收频率变换成基带的一个中间频率,一般由系统架构决定。



而射频,就是天线发射出去的、在空中传播的电磁波信号频率。



IDU负责完成业务接入、复分接和调制解调,在室内将业务信号转换成中频模拟信号。


华为的IDU(型号RTN950)


ODU负责完成信号的变频和放大。


中兴的ODU,也叫AOU(All Outdoor Unit)


天线就不用说了,将射频信号转换成电磁波,向空中进行辐射。或者接收电磁波,转换成射频信号,送给ODU。


微波天线


微波天线除了大家看到的这种“大鼓”一样的,还有抛物面天线和卡塞格伦天线。



卫星通信就是用的这类天线,俗称“大锅”。



室外微波设备的安装方式,也分为两种。


一种是ODU和天线分开的分离式安装,还有一种是ODU和天线扣在一起的直扣式安装



当存在两个ODU时(用于1+1 HSB热备份,或者1+1 FD频分),还会有一个合路器,用于功率分配或合成。



1+1 HSB热备份(一个主用,一个备用,以防ODU故障造成业务中断):



我们可以看看完整的微波单站系统结构图:



可以看到,上图中,有两种方式的天线。一种是直接挂在铁塔上,还有一种是借助了无源反射板,将信号进行了一个反射。


这里,我们就要提到转发方式了。


微波通信里,站点分为三种:终端站、中继站、枢纽站



中继站和枢纽站,都会涉及到信号转发(中继)。中继的方式,分为无源和有源。无源除了刚才我们图里看到的无源反射板之外,还有背靠背天线。


反射板


背靠背无源中继站


而有源的话,就分为再生中继、中频中继和射频中继。所谓的“有源”,就是有能量源、电源,也就是说,通过外部能源进行了加强。虽然效果会更好,但是成本更高,而且故障点更多。



好啦,关于微波通信的科普介绍,就到这里。


感谢大家的耐心观看,我们下期再见啦!



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