2.5 无线信道的微波频段
2.5.1 微波频段的定义
微波频段被定义为1GHz到100GHz的范围，也有定义认为微波频段的上限为1000GHz。但实用的微波通信系统工作上限一般为50GHz。由于最常见的微波接力中继通信系统与一般的移动通信系统有很多不同之处。因此虽然两者都属于无线通信的范畴，但在此对微波频段的使用做单独介绍。
2.5.2 微波频段的特点
微波通信同样是利用电磁波来承载信息，但它具有以下显著特点：
（1）工作频率高，可用带宽大：微波通信系统一般工作在数G或数十GHz的频率上。被分配的带宽在数十MHz左右，这在无线通信中已是非常可观；一个第三代移动通信的运营商在单方向也仅被分配5MHz的带宽；
（2）波长短，易于设计高增益的天线：天线可以设计得比较复杂，增益可以达到数十分贝；
（3）受天电干扰小：天电干扰、工业干扰和太阳黑子活动基本不影响微波频段；
（4）视距传播：在微波通信的系统中必须保证电磁波传输路径的可视性，它无法像某些低频波那样沿着地球的曲面传播，也无法穿过建筑物，甚至树叶这样的物体也会显著的影响通信系统。在微波中继通信中还必须注意天线的指向性；
（5）容易受天气影响：雷雨、空气凝结物等都会引导起反射、影响通信效果。
2.5.3 地面视距信道
微波传输的信道也被称为地面视距信道，视距传播模型主要考虑的因素包括大气效应和地面效应。其中，大气效应主要包括吸收衰减、雨雾衰减和大气折射；地面效应主要包括费涅尔效应和地面反射。
（1）吸收衰减：主要发生在微波的高频段，不同的大气成分如水蒸汽、氧气具有不同的吸收衰减，对12GHz以下的低频段影响较小；
（2）雨雾衰减：在10GHz以下频段，雨雾衰减并不严重，一般只有几dB；在10GHz以上频段，雨雾衰减则会大大增加。下雨衰减是限制高频段微波传播距离的主要因素，在暴雨天气下出现的电视转播中断常是由此原因造成的；
（3）大气折射：是由于空气密度存在梯度而造成的微波传播方向的改变；
（4）费涅尔效应：描述了微波传播在遇到障碍物时产生的附加损耗；
（5）地面反射：是传播过程中产生电平衰落的主要原因；
（6）频率选择性衰落。
2.5.4 微波通信的主要应用
微波通信兴起于二十世纪50年代。由于其通信的容量大而投资费用省（约占电缆投资的五分之一），建设速度快，抗灾能力强等优点而取得迅速的发展。20世纪40年代到50年代产生了传输频带较宽，性能较稳定的微波通信，成为长距离、大容量地面干线无线传输的主要手段，也可以用于传输高质量的彩色电视信号，而后逐步进入中容量乃至大容量数字微波传输。80年代中期以来，随着频率选择性色散衰落对数字微波传输中断影响的发现以及一系列自适应衰落对抗技术与高阶调制与检测技术的发展，使数字微波传输产生了一个革命性的变化。
国外发达国家的微波中继通信在长途通信网中所占的比例最高达50%以上。我国对于微波通信的应用也已经取得了很大的成就，在1976年的唐山大地震中，在京津之间的同轴电缆全部断裂的情况下，六个微波通道全部安然无恙。九十年代的长江中下游的特大洪灾中，微波通信又一次显示了它的巨大威力。在当今世界的通信技术中，微波通信仍然具有独特而重要的地位。以下是几种微波通信的典型应用。
（1）微波中继通信：微波中继通信系统一般包含终端站和中继站两大类设备。它的站与站之间要求具有视距传播条件，通过高度指向性天线来完成相互通信。中继站上的天线依次将信号传递给相邻的站点，这种传递不断持续下去就可以实现视线被地表切断的两个站点间的传输，如图2-5所示。由于这些站都是固定设置的，因此上述这些条件可以最大限度的保证通信的有限距离和信号质量，微波中继通信常用于电话通信网的补充，也用于在较长的距离上以中继接力的方式传输电视信号，主要是作为有线通信线路的补充，在难于铺设有线电缆或一些临时性应用的场合替代有线通信；
图2-5 微波中继通信系统
（2）多点分配业务（MDS）：这实际上是一种固定无线接入技术，它包括由运营商设置的主站和位于用户处的子站，可以提供数十MHz甚至数GHz的带宽，这些带宽由所有的用户共享。MDS系统主要为个人用户、宽带小区和写字楼等设施提供无线宽带接入，它的特点是建网迅速，但资源分配不够灵活。MDS包括覆盖范围较大的多信道多点分配业务（MMDS）和覆盖范围较小、但提供带宽更为充足的本地多点分配业务（LMDS）。图2-6是多点分配业务系统的示意图。MMDS 和LMDS 的系统构成相似，一般包括基站、远端站和网管系统，其中基站和远端站又分为室内单元（IDU） 和室外单元（ODU） 部分。IDU是与提供业务相关的部分，如业务的适配和汇聚、分发；ODU 提供基站和远端站之间的射频传输功能。MMDS 和LMDS 的实现技术也非常相似，都是通过无线调制与复用技术实现宽带业务的点对多点接入。二者主要区别在于工作的频段不同以及由此带来的可承载带宽和无线传输特性的不同。
图2-6 多点分配业务系统
MMDS/ LMDS 不同于传统的点到点微波传输和GSM移动通信系统，它采用蜂窝的形式，通过多扇区覆盖向所需地区提供业务服务，一个中心站可以根据系统容量和具体业务需求下带多个远端站，中心站与远端站之间的通信，下行大多使用TDM 方式，上行采用FDMA 或TDMA 方式，一个扇区可以提供多个载频，目前大多数产品可提供4 个90°扇区的覆盖，部分产品甚至可提供24个15°扇区覆盖。同时，因其远端站是固定的，MMDS/ LMDS 系统无需跨区切换和位置更新，这明显不同于GSM系统。以下分别说明MMDS/ LMDS的技术特点。
① 工作频段：MMDS的频率集中在2GHz～5GHz。它的优点是：雨衰可以忽略不计；器件成熟；设备成本低。本地多点分配业务LMDS工作在毫米波波段的20GHz～40GHz频段上，在20GHz～40GHz频段上，被许可的频率包括24GHz、28GHz、31GHz、38GHz等，其中以28GHz获得的许可较多，该频段具有较宽松的频谱范围，最有潜力提供多种业务。LMDS的信号传输距离很短，仅5km～6km，因此不得不采用多个小蜂窝结构来覆盖一个城市，造成多蜂窝系统复杂度较高；设备成本高；雨衰太大、降雨时很难工作；
② 多址方式：MMDS/ LMDS 下行主要采用FDMA 方式将信号向相应扇区广播。从中心站到终端站的下行信号采用点到多点的方式，每个用户终端在特定的频段内接收属于自己的信号。上行多址方式为TDMA或FDMA。如果采用TDMA 方式,则若干远端站可在相同频段的不同时隙向基站发射信号。这种方式对支持突发型的数据业务（如Internet 接入应用） 优势较明显。如果采用FDMA 方式，在相同扇区中，不同的远端在不同频段上向基站发射信号，彼此互不干扰。由于这种方式远端需长期占用频率资源,所以适合租用线业务；
③ 调制方式：MMDS/ LMDS 的调制方式主要采用QPSK、4QAM、16QAM和64QAM 等几种调制解调技术。调制阶数越高频率利用率越高，系统的容量也相应提高。但调制技术越复杂，相同条件下的覆盖范围越小，抗干扰的能力也随之下降；
④ 传输带宽：传输容量是衡量无线宽带接入设备的重要指标，主要包含中心站的单扇区容量和远端站的最大容量两部分。MMDS系统的带宽较为有限，总容量仅为200MHz；而LMDS的传输带宽甚至可以与光纤相比拟，实现无线“光纤”到楼，可用频率至少为1GHz，与其他接入技术相比，LMDS是最后一公里光纤的灵活替代技术，单一用户传输速率最高可达155Mbit/s；
⑤ 业务承载：MMDS/ LMDS可以承载的业务包括：话音业务，如POTS、ISDN 或E1；专线业务，如E1、N ×64K、30B +D、V.35、X.21等；高速数据业务。
（3）无线局域网：目前基于802.11系统标准的无线局域网也工作于微波频段，其中802.11b工作于2.4GHz；802.11a/g工作于5.8GHz；
（4）第4代移动通信系统：未来的移动通信系统要求达到数百MHz的带宽，这在频谱资源十分紧张的800MHz、900MHz、2GHz等频段是难以想象的。因此一个可行的解决方案即是使用目前频谱资源相对宽松的微波频段，特别是频率较高的微波频段。但由于微波频段的衰减较大，而且在非视距传播时的性能较差，因此这还是一个有待于进一步研究的难点；
（5）卫星通信：在卫星通信中使用的频谱资源主要有以下几个波段。
① C波段：上行链路工作于6GHz，下行链路工作于4GHz，C波段对于天气的适应性较好，但C波段的工作频率被地面微波系统所共享；
② Ku波段：上行链路工作于14GHz，下行链路工作于11GHz，它的频段并没有被其它系统所使用，能够提供一定的终端移动性支持，但更容易受到天气因素的干扰；
③ Ka波段：上行链路工作于30GHz，下行链路工作于20GHz，可以提供更宽的频谱供使用，Ka波段最容易受到天气因素（如雨衰）的影响；
④ L波段：工作于390MHz到1550MHz，受天气影响最小，但可提供的频带宽度不足。
