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2014/11/28 11:26

上海贝尔:抗选择性衰落的关键措施

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摘要

更高阶的调制增加了针对选择性衰落的灵敏度

一个强大的均衡器是抗选择性衰落的关键措施

空间分集数字信号合成比信号转换更有效

尤其在中低频段,选择性衰落成为限制点对点微波链路的最长链路距离的决定因素。具有正确的抗选择性衰落措施的微波系统可以提高长距链路的最长链路距离,同时也帮助运营商降低需要昂贵的空间分集(或两天线)结构的链路数量。

抗选择性衰落

由于微波行业采取更高阶的调制方式,抗选择性衰落的有效措施就显得极其重要。运营商已经部署了1024QAM(正交幅度调制)系统,4096QAM也同样如此。对于选择性衰落造成的影响,这些更高的调制方式比传统的128QAM更加灵敏。

抗选择性衰落在长距链路中特别重要。在点对点无线链路中,许多人以为发射功率越高无线传播距离越长。这一定程度上是对的,但是发射功率只是其中的一个考虑因素,我们并不能只是通过增加发射功率而消除严重的传播损耗,此时需要采用强大的均衡器之类的其他技术来防止失真。

理解了影响最大链路距离的因素和抗选择性衰落的关键措施将有助于运营商评估微波系统。

影响最大链路距离的因素

雨雪是影响最大链路距离的主要因素。雨越密集,信号衰减越高,对长距链路部署的挑战越大。而链路越长,雨的衰减影响越大。由于在整个频段出现的衰落程度相同,这种类型的衰减通常被称为平衰落。

频段越高降雨影响越大,例如,对于每小时60毫升的降雨率,信号衰减如下:

38GHz:13 dB/km

6 GHz:0.3 dB/km

由于高频段和低频段的波长不同,衰减也不同:

频段越高,波长越短,降雨导致波的能量衰减越多。

频段越低,波长越长,降雨仅仅衰减了一部分波的能量。

这就是为什么高频段短距链路距离一般在5到20公里、而低频段长距链路距离能达到150到200公里的原因。

知道了这些因素,看起来微波链路的配置显得很简单,可以采用降雨强度和传输频率来计算最长链路距离。对于高于13GHz的频率来说确实是很容易的,如果已知发射功率和降雨衰减(db/km),计算最长链路距离非常简单。

然而,对于低于13GHz的频段来说,无论是降雨引入的衰减还是发射功率大小,都必须考虑到限制链路距离的其他现象。

多径反射导致选择性衰落

在长距链路或通过复杂的传播条件(如水面)下的低频段传输,接收信号由主要信号加上多径射线组成。这些多径射线会被地面、水面或空气反射。

3-rays模型,也称为Rummler模型[1],是描述视距微波传输。当多径射线被反射时产生两个主要结果:

衰减以不同的方式影响了传输频谱的频率——因而称为选择性(图1)

除增加发射功率或天线尺寸这两种方法外,还需要其他的消除技术来抵消失真。

图1. 不同方式的频率选择性衰落影响

数字均衡器防止失真

强大的均衡器之类的技术能补偿和恢复多径射线引入的失真。但不同均衡器的能力各不相同,测量均衡器的有效性,进行性能比较就变得非常重要。

通常用陷波的概念(也叫W曲线)比较均衡器性能[2]。陷波的范围决定最大链路距离。范围越小,均衡器性能越好,而最长链路距离越长。

图2说明均衡器能够补偿高达30dB的衰落而不产生错误:

X轴表示系统增益(含天线增益)

Y轴表示陷波深度,值越大,陷波范围越小

目前最先进的微波系统可以提供的均衡器陷波深度为30dB(28Mhz信道间隔)。

图2. 陷波范围越小,均衡器性能越好

系统增益加上陷波深度决定最长链路距离。如果链路系统增益保持固定,一个将信号从20dB提高到30dB的均衡器可以使得最长链路距离从25公里增加到40公里,增幅超过60%。图3表示了净增益和信号陷波对最长链路距离的影响。

图3. 净增益和陷波深度决定最长链路距离

空间分集有利有弊

一方面,均衡器能够帮助改善信号范围,增加最长链路距离;另一方面它也有不足的地方。例如,对于超过50公里以及经过水面的长距链路传输,均衡器就不能充分的减少多径传播的影响。

在这些情况下,空间分集(也称天线分集)是一个更有效的抗选择性衰落措施。

空间分集通过两面空间隔开的天线(主天线和分集天线)同时接收信号。当天线被很好隔开的时候两个信号之间的相关性很低,假设其中一面天线接收到的信号质量不好,通过另一面天线接收到的信号则可能会足够强,这使得空间分集技术非常有效。

然而,空间分集需要增加一倍的天线来提高链路的可靠性。天线越多意味着投资和运维成本越高。

此外,微波系统中均衡器的功率也很重要。在很多情况下,一个能够提供30dB信号范围的均衡器就可使运营商避免采用空间分集。它们能够在长距链路中,只采用一面天线,在30到40公里的覆盖范围内获得99.999%的可靠性。

合成是理想的空间分集方式

仍然有些场合必须采用空间分集保证链路可靠性,此时,微波设备商提供了两个不同的方式来处理这对接收到的信号。

转换方式选择了两路信号中较好的一路,使得比特错误率最小化。

合成方式处理两路分集信号,它通过智能算法对样本信号进行混合。

数字信号合成方式采用了两个信号的合力,是一个更有效的方法。转换方法则仅仅使用了两个信号中的一个,这样就造成了浪费。

一个采用数字信号合成的空间分集系统:

较平衰落信噪比改善高达3dB

优于转换技术。即使两个信号中的一个遭遇35dB的衰落,合成信号也能实现零错误。只选择两个信号中的一个意味着系统不能实现零错误,如上图2所示,目前最先进的均衡器也只提供了30dB的陷波深度,这意味着不能完全消除35dB的衰落,最终结果是在一个转换系统中,一个有35dB衰落的选择性信道上将产生错误。

仔细评估系统

具有有效抗选择性衰落措施的微波系统提供了重要的微分器,这些系统为运营商提供了可部署的1024QAM长距链路,系统可以在QAM星座图上简单增加像点获得1024 QAM。

当选择微波系统的时候,均衡器也是一个很重要的比较指标。均衡器能够消除两天线空间分集系统的部署需求。而在需要空间分集的情况下,均衡器和数字信号合成器改善了性能和链路距离。

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