微波通信算法技術(shù)問題研究及優(yōu)化策略分析

李 杼，張 軍，王志林

（中國人民解放軍92941部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125000）

0 引 言

微波通信是電磁波基于微波頻段及地面視距實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和轉(zhuǎn)化的技術(shù)，其頻率為300 MHz～300 GHz。微波通信技術(shù)又被稱為微波點(diǎn)對點(diǎn)通信技術(shù)，其主要是利用電磁波在大氣電離層的反射作用實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。此外，微波的波長較短，頻率較高，在三維空間呈直線傳播[1]。

雖然微波通信技術(shù)具有較好的傳播優(yōu)勢，其攜帶信息量大、不易受氣候和環(huán)境干擾，但如果同時發(fā)射相同頻率的電磁波，則會對微波通信的信息傳遞產(chǎn)生干擾，影響傳播的信號[2]。此外，由于其在傳輸過程中遇到障礙物時會使傳遞受到影響，導(dǎo)致未能像短波一樣通過大氣層的電離層進(jìn)行反射，實(shí)現(xiàn)長距離信息傳輸[3]。因此，微波通信的局限在于只能進(jìn)行視距傳播，對于遠(yuǎn)距離的信息傳播，需要對微波通信技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化[4]。為了有效解決微波通信遠(yuǎn)距離傳播過程中存在的不足，針對微波通信損耗進(jìn)行了測算分析，并分析當(dāng)前微波通信在不同領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢及不足。

1 微波通信傳輸信息及損耗算法分析

微波通信是采用微波作為信息傳遞介質(zhì)，再通過微波的輻射實(shí)現(xiàn)信息傳遞，將信息轉(zhuǎn)化為電信號后，基站將電信號轉(zhuǎn)化為電磁波信號在空間發(fā)射電磁波，電磁波在傳遞過程中通過反射或直射的方式向另一終端或基站進(jìn)行輻射，另一終端或基站接收到相鄰基站發(fā)送的微波信號后對信息進(jìn)行解碼并向接收信息的目標(biāo)發(fā)送信息，從而實(shí)現(xiàn)通信信息的無線傳遞。根據(jù)信息傳播的方式不同可以將電波分為自由空間波、對流層反射波、電離層波以及地波[5]。微波在傳播過程中由于傳播方式不同會導(dǎo)致傳播損耗方程存在差異，通常情況下，在自由空間中出現(xiàn)傳播損耗時，可以采用無線電波傳播的理想模型進(jìn)行表征，即

式中：Ls為微波在自由空間的傳輸損耗；d為傳輸距離，km；f為傳播頻率。

在實(shí)際的微波信息傳遞過程中，基本會采用點(diǎn)對點(diǎn)的方式進(jìn)行信息傳播，因此傳播的方向性特征明顯。在實(shí)際的點(diǎn)對點(diǎn)傳播過程中需要考慮收發(fā)微波信號時天線的增益G1、G2與收發(fā)微波兩端系統(tǒng)反饋時所產(chǎn)生的損耗L1、L2。忽略傳播路徑中其他因素導(dǎo)致的衰減，即可獲得實(shí)際傳輸中接收到的功率，即

式中：Pr為微波在實(shí)際傳遞過程接收到的功率。

在實(shí)際傳輸中，微波傳遞信息的容量為

式中：C為信息傳遞容量；W為頻帶寬度；P為信號功率；N為噪聲功率。

由式（3）可知，微波傳遞信息的容量與頻帶寬度W呈正比，在微波波長的范圍內(nèi)，隨著頻帶寬度的增加，微波傳遞信息的容量也在增加。此外，微波在進(jìn)行信息傳遞時，輸入信號的功率越大，微波信息傳遞的容量越大。信息傳遞時噪聲的增加會對微波信息傳遞的容量產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，在微波通信信息傳遞時，可以通過調(diào)控微波帶寬及其輸入功率實(shí)現(xiàn)對不同信息容量的傳遞。

2 微波通信技術(shù)的應(yīng)用

2.1 微波通信技術(shù)的區(qū)域化通信應(yīng)用

微波點(diǎn)對點(diǎn)通信技術(shù)可以根據(jù)使用設(shè)備的形式將其劃分為2種模式，即室內(nèi)單元和室外單元。站點(diǎn)設(shè)計如圖1所示，在微波點(diǎn)對點(diǎn)傳輸過程中主要是通過樞紐站對周圍終端傳播信號，其傳播鏈接終端的數(shù)量較少，覆蓋范圍較窄，傳輸距離較短。

圖1 微波點(diǎn)對點(diǎn)通信站點(diǎn)設(shè)計

雖然點(diǎn)對點(diǎn)微波通信在應(yīng)用過程中可能會出現(xiàn)廣播性質(zhì)的通信導(dǎo)致接收數(shù)據(jù)錯誤、DIR所決定的數(shù)據(jù)傳輸方向不嚴(yán)格等現(xiàn)象，但是設(shè)計成本較低，易于實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)信息的傳遞，在小范圍區(qū)域網(wǎng)絡(luò)傳輸中的使用極為廣泛[6]。王麗華等人也對微波廣頻通信在水庫通信的應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)例分析，明確指出將微波通信技術(shù)應(yīng)用于移動通信、電信和聯(lián)通信號不能覆蓋的區(qū)域可以節(jié)約通信的成本[7]。

2.2 中繼轉(zhuǎn)發(fā)通信技術(shù)在遠(yuǎn)程信息傳遞的應(yīng)用

由于微波通信的傳播具有直線性的特點(diǎn)，且傳輸距離有限。因此，要實(shí)現(xiàn)微波的長距離信息通信，就需要使用中繼轉(zhuǎn)發(fā)的模式實(shí)現(xiàn)信息的整合和傳遞。中繼轉(zhuǎn)發(fā)通信通常包括終端基站、中繼基站以及樞紐基站。中繼基站和樞紐基站通常起到信息的接收和轉(zhuǎn)發(fā)作用，其中分別設(shè)有電源的基站和無電源的基站。當(dāng)前常用于遠(yuǎn)程信息傳遞的中繼轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)大多數(shù)為多輸入多輸出系統(tǒng)，通過大規(guī)模多輸入和多輸出模式進(jìn)行信息傳遞可以增大遠(yuǎn)程信息傳遞增益，降低信息傳遞過程的損耗，提高信息傳遞的效率和服務(wù)質(zhì)量[8]。采用中繼轉(zhuǎn)發(fā)傳輸時，最主要的應(yīng)用是聯(lián)合編碼與中繼傳輸技術(shù)，融合傳輸模型內(nèi)的雙中繼轉(zhuǎn)發(fā)。

當(dāng)前微波中繼轉(zhuǎn)發(fā)的應(yīng)用主要是為了實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)程傳輸，采用中繼轉(zhuǎn)發(fā)的模式對信息進(jìn)行傳遞，可以有效彌補(bǔ)微波點(diǎn)對點(diǎn)通信傳輸距離不足，并降低信息傳遞過程中受障礙干擾的概率，提高信息傳遞的增益，使微波通信的質(zhì)量得到有效提升。微波中繼轉(zhuǎn)發(fā)基站的網(wǎng)點(diǎn)設(shè)計如圖2所示。由圖2可知，通過中繼站的設(shè)計可以彌補(bǔ)微波點(diǎn)對點(diǎn)通信的不足，使微波通信能夠由視距傳輸向遠(yuǎn)程傳輸演變，擴(kuò)大微波通信網(wǎng)絡(luò)傳輸距離和網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。此外，中繼站點(diǎn)的設(shè)計數(shù)量還會對終端信息的傳遞和接收效率產(chǎn)生影響。通常情況下，中繼站點(diǎn)設(shè)計數(shù)量越多，網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量越能夠得到保證。但與點(diǎn)對點(diǎn)傳輸相比，微波中繼轉(zhuǎn)發(fā)通信的建設(shè)成本高，施工周期長。

圖2 微波中繼轉(zhuǎn)發(fā)站點(diǎn)設(shè)計模型

通過上述分析得知，中繼微波通信的傳輸速度更快，但針對其發(fā)展程度與應(yīng)用而言，相對光纖技術(shù)，效果較差。這主要是由于微波在地面空間進(jìn)行信息傳輸時，易受到外界環(huán)境的干擾。光纖是采用光信號作為信息載體以達(dá)到傳遞信息的目的，與微波傳遞信息相比，光纖的帶寬更高，服務(wù)器的防御能力更強(qiáng)，有益于實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)的協(xié)同傳輸。

2.3 微波通信在航空和航海領(lǐng)域的應(yīng)用

微波通信技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了國內(nèi)航空和航海事業(yè)的發(fā)展，提高了國家的核心競爭力。微波通信在航空和航海領(lǐng)域的應(yīng)用主要是在太空搭載衛(wèi)星，通過衛(wèi)星與地面基站鏈接實(shí)現(xiàn)信息傳遞，其基本原理與地面微波中繼轉(zhuǎn)發(fā)通信的機(jī)理相似。

微波通信可以通過搭載衛(wèi)星的方式運(yùn)用于航空和航海領(lǐng)域。采用通信衛(wèi)星進(jìn)行信息傳遞，可以完成對航空和航海數(shù)據(jù)的分類整理并儲存。但由于通信衛(wèi)星系統(tǒng)的容量有限，系統(tǒng)能儲存的信息和發(fā)射功率有上限，因此需要根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)儲存情況對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)存并清理。當(dāng)前衛(wèi)星通信系統(tǒng)未能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的自動轉(zhuǎn)存和清理，需要操作員定期對系統(tǒng)進(jìn)行管理，成本較高。

3 優(yōu)化策略與優(yōu)化機(jī)理分析

3.1 微波通信技術(shù)的優(yōu)化策略分析

采用點(diǎn)對點(diǎn)微波通信進(jìn)行信息傳遞時，微波由于穿透性弱，在傳播過程中若遇到障礙物會對微波的通信質(zhì)量和效率產(chǎn)生影響。對微波的區(qū)域化服務(wù)技術(shù)提出有效的優(yōu)化策略可以改善區(qū)域化通信質(zhì)量。因此，在海拔懸殊的地區(qū)設(shè)立基站時，應(yīng)將基站設(shè)立在區(qū)域海拔最高的位置，盡可能避免基站與服務(wù)區(qū)域之間存在障礙物。此外，在海拔較高地區(qū)設(shè)立微波基站應(yīng)安裝避雷基站，以避免基站受到雷雨的影響，導(dǎo)致基站故障停止服務(wù)。

3.2 微波衛(wèi)星通信的優(yōu)化策略

衛(wèi)星通信是當(dāng)前最先進(jìn)的通信服務(wù)技術(shù)，其通信原理和近地的微波通信技術(shù)相同，也是以微波作為載體進(jìn)行信息傳遞。但由于衛(wèi)星通信服務(wù)經(jīng)費(fèi)較近地微波通信的高，因此近地通信的服務(wù)優(yōu)先以微波中繼轉(zhuǎn)發(fā)通信為主。微波在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中應(yīng)用優(yōu)化的發(fā)展趨勢是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)的自動轉(zhuǎn)存和系統(tǒng)數(shù)據(jù)清理的自動化，從而減少衛(wèi)星通信服務(wù)的經(jīng)濟(jì)成本。

3.3 微波通信技術(shù)優(yōu)化的機(jī)理

微波通信在傳輸信息的過程中受環(huán)境氣候的影響會對傳播功率產(chǎn)生一定的損耗[9]。常見的傳輸損耗有空間損耗和大氣損耗，空間傳播損耗的表征方程為

式中：Lf為傳輸損耗；c為微波傳輸速率；d為中繼站的距離；f為微波的頻率，Hz。

在微波通信過程中，微波的傳輸損耗主要由受微波傳播速率、中繼基站之間的距離以及微波的傳播頻率等方面的影響組成。由此可知，在微波信息傳遞過程中可以通過對其傳播頻率以及中繼基站間的距離進(jìn)行調(diào)整與控制，從而達(dá)到降低微波傳輸損耗的目的。

4 結(jié) 論

隨著信息量與傳輸數(shù)據(jù)量的增加，導(dǎo)致微波通信技術(shù)的局限性對通信效率產(chǎn)生影響。微波通信的基本傳輸方式為微波的點(diǎn)對點(diǎn)直線傳播，其傳播效率高，攜帶信息量大，搭建設(shè)備簡單，通信成本低。通過分析微波通信的過程損耗可知，微波攜帶信息的容量、頻帶寬度以及微波輸入功率成正相關(guān)，同時與傳播過程中的噪聲成負(fù)相關(guān)。通過對微波通信在海拔懸殊地區(qū)的設(shè)計優(yōu)化、微波通信和光纖通信的融合發(fā)展以及衛(wèi)星通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)的自動轉(zhuǎn)載與清理優(yōu)化，可促進(jìn)微波通信被更好地應(yīng)用在不同領(lǐng)域。