微波无线网络通信系统设计

摘 要：以微波设备实现的无线网络通信系统可提供半径20km内的点对多点无线通信，能在视通条件差的恶劣电波传播环境下正常工作，具有较强的抗干扰能力和良好的机动性。
关键词：微波；无线网络；信道；中频转发

1 引言
---武器装备的网络化和信息化使对装备的技术支持需要延伸至战场前端，并可以配合局部范围机动作战。因此，在有线网络为主体的条件下，需要辅以无线网络平台，使网络广泛覆盖并可机动应用。

2 通信设计
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    无线网络通信系统包括1个中心站，最多36个外围站和若干个转发器组成。
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    中心站和外围站设备主要有点对多点通信设备，网管、监控及调度台，图像编/解码器，摄像头，天线和馈线等，分别装载在通信车和作战车上。系统设备组成框图如图1所示。
2.1 信道分配
---系统共有18条无线信道、3路图像信道和1路通播信道，实现中心站与36个外围站的话音、数据和图像的传输。在中心站，共有18支路的业务数据和3路图像，而每个外围站有2个支路业务数据和1路图像。为保证信道资源的高效利用，采用按需分配策略，保证36个外围站根据需要占用18条无线信道和3路图像信道。
2.1.1 话音和数据（TDMA信道）
---中心站申请信道时，由交换机在某个支路上发出信道占用申请，系统在认可后通过信令交互得知该支路要连接的站点，然后为该支路分配一个空闲信道并建立该支路到目标站点的连接，连接建立成功后通知交换机链路建立成功。
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    由于外围站发出的信道占用，必然是去往中心站，所以在外围站不需告诉要连接目标站点。
---为了防止信道不稳定造成的链接误拆，链路的拆除统一由中心站识别信令来决定。
2.1.2 图像（FDMA信道）
---由于图像信息速率最高为2Mbps，并且同时只传3路，故采用FDMA方式进行传输。当某外围站向中心站传输图像时，首先向中心站提出申请，由中心站调度人员通过调度台给该外围站建立图像传输通道，中心站可同时监视3个外围站上传的3路图像信号。其组成示意图如图2所示。
2.1.3 勤务信道
---勤务信道不单独设立信道，而是借用第18路无线信道来完成所有通话功能。勤务必须在第18路无线信道空闲时，才能进行通话。
---遇有紧急情况需要勤务联络时，中心站可以强行拆除第18路无线信道的连接，或者把第18路无线信道设置为勤务专用。
---呼叫信令通过专用信道来实现，不受第18路无线信道占用情况的影响。
2.1.4 信道加密
---对于TDMA方式传输的数据/话音信号的加密，采用单路加密，无论中心站还是外围站，都是只有一个保密模块。
---对于FDMA方式传输的图像信号的加密，采用长序列扰码加密方式。
2.2 直序扩频与跳频设计
---话音/数据通道采取了直序扩频和跳频相结合的组合抗干扰、抗截获、抗侦收措施。
2.2.1 直序扩频设计
---点对多点微波设备采用直扩、跳/扩结合的多种抗干扰方式，同时采用前向纠错作为抗信道突发错误的有效方法，大大增强了设备抗干扰、抗多径、抗截获能力。
---因为18路业务数据和1路通播信道的速率为152kb/s，对TDMA设备进行帧结构设计，得到无线群路的速率为256kb/s，采用QPSK调制方式，扩频码长为32bits，扩频码片速率为4096kb/s，发端采用滚降因子为α＝0.5的升余弦滤波器，扩频后信号所占带宽为6MHz，直序扩频处理增益为：10log32 ＝15.1dB。
---直序扩频采用M序列作为扩频码。设备用于扩频的扩频码可以选择，其数量不小于12组。
---设备收端解扩解调器，根据设置的扩频码，采用数字匹配滤波器实现解扩。
2.2.2 跳频设计
---跳频与直序扩频相结合是系统抗干扰、抗截获、抗侦收的重要手段。
---系统信道总带宽为48MHz，用于TDMA信道的跳频带宽为40MHz，中频直扩调制后，带宽为6MHz，跳频的扩频处理增益为10log40/6＝8.2dB。本方案中跳频+直序扩频的总扩频处理增益为15.1+8.2= 23.3 dB。
2.3 纠错措施
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    为了提高信道质量，系统采用了多种纠错及组合纠错措施，包括8比特(60,50)RS码、交织(31,21)BCH码、交织(15,11)BCH码和交织11中取9双相大数判纠错。其中RS码和BCH码的纠错能力如图3所示。
---上行管理数据和所有业务数据都采取了GF(8)的(60,50)RS码纠错，可纠正5字节数据的错误，大大提高了业务数据的通信质量。
---网管数据通信要求有误码率较低的信道，因此采取级联纠错的方法。先对异步数据采取BCH纠错，再进行RS码纠错。RS码纠错是采用与业务数据相同的编码方式，而BCH码采用（15，11）的编码方式。采用BCH纠错，用于在RS纠错基础上，将信道误码率从1×10-4提高到1×10-5，从而保证网管数据的通过率。
---此外还对BCH纠错后的数据进行了交织编码，以减小突发误码对BCH纠错性能的影响。
---下行信令数据也采取级联纠错的方法，不同的是，BCH码采用（31，21）的编码方式，期望在RS纠错基础上，将信道误码率从1×10-4提高到1×10-6，从而为信令数据提供更高的通信质量。
---各外围站的上行信令主要用于链路的建立，其数据量小而且分散，但要求及时的传输，因而不能采用RS纠错，而是采用了11中取9的大数判纠错措施，同时对编码数据进行简单的交织处理。中心站信令的接收端对上行信令进行双相大数判译码，当存在严重的突发误码时，不可靠的信令帧将被抛弃。
2.4 勤务设计
2.4.1 勤务会议方式
---勤务采用会议方式，允许各个站点的操作人员可以自由对话，而无需发出呼叫或申请信道。另外，还支持中心站与某一外围站的全双工通信和两个外围站之间的半双工通信。
---使用时，所有的勤务用户必须按下PTT键发话，其他用户都可以接听。当中心站和某一个外围站同时按下PTT键时，则中心站和该外围站用户可进行全双工通信；当两个外围站用户轮流按下PTT键发话时，该两个外围站可实现半双工对话。要说明的是，不支持当两个或多个外围站用户同时按下PTT键发话。
---中心站用户设有优先的发言权。只要中心站用户按下PTT键发话，所有外围站用户都可以听到，而不管外围站是否正在发话。
2.4.2 勤务呼叫
---勤务呼叫用于使某个站勤务振铃，来提醒被叫站用户进行勤务对话。
---勤务呼叫分为选呼和通呼。系统每一个站点的用户都可以发起通呼，也都可以向某一个站点发起选呼。
---收到呼叫后，本站开始振铃，直到呼叫命令取消，或者本地用户取消呼叫振铃，或者本地按下PTT键发话。
2.4.3 勤务话音编码
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   勤务话音采用AMBE编码，数字勤务话音信号自带帧同步信息。
---勤务话音发端根据PTT键的状态发送话音信号，当PTT键按下时，发出编码的数字话音信号，否则发全“0”。
---各个站点的勤务收端不停对勤务数据流进行监测，当检测到勤务的帧同步信息并正确同步后，将勤务码流送话音解码器还原出话音信号。
2.5 频率配置设计
2.5.1 频率规划
---系统工作在1350MHz～1850MHz频段内，为了频率灵活配置，点对多点微波设备采用步进为1MHz的频率综合器和电调双工滤波器，在直通、1次转发或2次转发工作时，需要至少4个工作频点。
2.5.2. 频带设计
---系统工作频带的带宽为48MHz。其中40MHz带宽传输话音/数据信号，8MHz带宽传输图像信号，频带的信道分配带宽如图4所示。
2.5.3 频率配置
2.5.3.1 收发波道频率间隔
---对发射频谱的抑制，主要来自基带成形滤波器、上变频滤波器、发端电调双工器和环形器收发隔离。基带成形滤波器带外抑制度大于35dB。收、发频段保护间隔为150MHz，电调滤波器3dB带宽为48MHz，按最小频率间隔150MHz计算，发端四腔电调滤波器带外抑制为：
---20lg[（150-24)/24]4=57.6(dB)
---环形器隔离度为20dB
---所以，总的带外抑制度为：35+57.6×2＋20＝170.2(dB)。
---如果功放出口功率为40dBm，在间隔150MHz处频谱滚降为20dB，则落在收端带内的信号电平为：40－20－170.2＝－150.2（dBm）。
---大大低于最低接收门限电平－100dBm，满足解调器所需的归一化信噪比和收发隔离要求。
2.5.3.2 收端带外抑制
---由上所述，LNA入口电平为：40－57.6－20＝－37.6（dBm），设计LNA增益为30dB，保证不工作在饱和状态，另外由前中、主中和解调器入口共3滤波器对带外抑制为35×3＝105dB，接收门限电平－100dBm，则带内信号比带外高57.6＋20＋105－40－100＝42.6dB。满足带外抑制要求。
2.5.3.3 FDMA收、发信机频率配置
---各外围站的图像信道频率配置互相关联，也就是如果其中一个外围站的图像信道中心频率为f0，则另外两个外围站的图像信道中心频率分别为f0-2.5MHz和f0+2.5MHz。其频率配置如图5所示。

3 通信设备设计

3.1 点对多点微波设备
---点对多点微波设备主要包括保密、基带、调制器、上/下变频、发/收频率综合器、功放、电调滤波器、低噪声放大器、前中放大器、射频分路器、中频分路器、主中放大器、TDMA解扩解调器、3路FDMA解调器、恒温晶振、监控、电源等单元等。中心站和外围站设备组成框图如图6、图7所示。
---在发端，输入的语音/数据信号由基带单元中的时隙控制器分析单路码流中的路由信令，并根据该信令的内容按照按需分配的原则为该单路码流分配动态路由，最后经纠错编码处理后，复接成TDM/TDMA群路码流，送往调制变频单元。

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    在调制变频单元，首先对下行无线群路码流进行差分编码、直序扩频、限带成型，再完成DQPSK调制及滤波放大得到70MHz中频信号。然后利用来自发跳频综合器的发本振信号完成上变频，经带通滤波器抑制带外邻道杂散，缓冲放大送功放单元。
---功放单元将输入的射频小信号放大到额定电平输出。输出端的定向耦合器对输出电平和反射电平分别检波，且在出现驻波告警时，关闭供电电源，保护放大管。并且能够根据基带单元的控制关闭或者打开，实现突发功能。
---由功放放大的射频信号，经电调双工器滤波后经天线发射出去。
---在收端，由天线接收无线射频信号，首先经过电调多工器的滤波，低噪声放大器将滤波器进来的射频信号进行低噪声放大。经过镜像抑制混频后，经前中隔离放大，由分路器分离出话音/数据中频信号，再经过突发AGC主中放放大，完成对带外杂散的又一次滤波和对发端射频信号再次进行抑制，并对接收的突发射频信号予以快速稳定，输出电平稳定的中频信号。
3.2 转发设备
---以中频转发设计，设备组成原理框图如图8所示。
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    天线接收的中心站信号fr2经接收滤波器滤除带外干扰后，进入低噪声放大器放大，然后与本振混频后变成中频信号fi1。它经2级中频滤波器进一步滤除带外干扰，再由突发AGC及中频放大器快速稳定输出中频电平。该中频信号又与发端本振进行变频，经变频滤波滤除载波和镜频成分后变成ft4信号，再经功率放大器放大，由发端滤波器滤除带外杂散干扰后，经天线输出，发往外围站。
---天线接收的外围站信号fr2转发过程与上相似，变换后经天线输出，发往中心站。
---转发器配备高稳定的10MHz时钟源，给各个本振源作为环路锁定参考。

4. 结论
---以微波通信方式实现的无线局域网，通过IP接口将无线局域网接入广域网，构建了一个全方位、多层次的网络平台。在可能的条件下，也可以通过卫星转播建设独立的广域网。无线网络将使网络技术更广泛的应用于各个领域，是网络化进程中的重要一环。

参考文献
1 GiorioE.,etal. Design and performance of anadaptive IF equalizer for a 140Mb/s 16QAM system.I CC′1985,39.1.1～39.1.5
2 郭峰等.无线局域网. 北京:电子工业出版社,1997
3 马宏杰等.微机通信原理与使用技术.北京:清华大学出版社,1994,128-168, 273-313
4 VictorM.LubeckeandJung-ChihChiao. MEMS
Technologies for Enabling High Frequency Communications Circuits, The IEEE 4th International Conference on Telecommunications in Modern Satellite, Cable and Broadcasting Services[C], Nis, Yugoslavia, Oct.13, 1999, pp382-389