微波無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：以微波設(shè)備實(shí)現(xiàn)的無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)可提供半徑20km內(nèi)的點(diǎn)對多點(diǎn)無線通信，能在視通條件差的惡劣電波傳播環(huán)境下正常工作，具有較強(qiáng)的抗干擾能力和良好的機(jī)動性。
關(guān)鍵詞：微波；無線網(wǎng)絡(luò)；信道；中頻轉(zhuǎn)發(fā)

1 引言
---武器裝備的網(wǎng)絡(luò)化和信息化使對裝備的技術(shù)支持需要延伸至戰(zhàn)場前端，并可以配合局部范圍機(jī)動作戰(zhàn)。因此，在有線網(wǎng)絡(luò)為主體的條件下，需要輔以無線網(wǎng)絡(luò)平臺，使網(wǎng)絡(luò)廣泛覆蓋并可機(jī)動應(yīng)用。

2 通信設(shè)計(jì)
 ---
    無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)包括1個中心站，最多36個外圍站和若干個轉(zhuǎn)發(fā)器組成。
---
    中心站和外圍站設(shè)備主要有點(diǎn)對多點(diǎn)通信設(shè)備，網(wǎng)管、監(jiān)控及調(diào)度臺，圖像編/解碼器，攝像頭，天線和饋線等，分別裝載在通信車和作戰(zhàn)車上。系統(tǒng)設(shè)備組成框圖如圖1所示。
2.1 信道分配
---系統(tǒng)共有18條無線信道、3路圖像信道和1路通播信道，實(shí)現(xiàn)中心站與36個外圍站的話音、數(shù)據(jù)和圖像的傳輸。在中心站，共有18支路的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和3路圖像，而每個外圍站有2個支路業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和1路圖像。為保證信道資源的高效利用，采用按需分配策略，保證36個外圍站根據(jù)需要占用18條無線信道和3路圖像信道。
2.1.1 話音和數(shù)據(jù)（TDMA信道）
---中心站申請信道時(shí)，由交換機(jī)在某個支路上發(fā)出信道占用申請，系統(tǒng)在認(rèn)可后通過信令交互得知該支路要連接的站點(diǎn)，然后為該支路分配一個空閑信道并建立該支路到目標(biāo)站點(diǎn)的連接，連接建立成功后通知交換機(jī)鏈路建立成功。
 ---

    由于外圍站發(fā)出的信道占用，必然是去往中心站，所以在外圍站不需告訴要連接目標(biāo)站點(diǎn)。
---為了防止信道不穩(wěn)定造成的鏈接誤拆，鏈路的拆除統(tǒng)一由中心站識別信令來決定。
2.1.2 圖像（FDMA信道）
---由于圖像信息速率最高為2Mbps，并且同時(shí)只傳3路，故采用FDMA方式進(jìn)行傳輸。當(dāng)某外圍站向中心站傳輸圖像時(shí)，首先向中心站提出申請，由中心站調(diào)度人員通過調(diào)度臺給該外圍站建立圖像傳輸通道，中心站可同時(shí)監(jiān)視3個外圍站上傳的3路圖像信號。其組成示意圖如圖2所示。
2.1.3 勤務(wù)信道
---勤務(wù)信道不單獨(dú)設(shè)立信道，而是借用第18路無線信道來完成所有通話功能。勤務(wù)必須在第18路無線信道空閑時(shí)，才能進(jìn)行通話。
---遇有緊急情況需要勤務(wù)聯(lián)絡(luò)時(shí)，中心站可以強(qiáng)行拆除第18路無線信道的連接，或者把第18路無線信道設(shè)置為勤務(wù)專用。
---呼叫信令通過專用信道來實(shí)現(xiàn)，不受第18路無線信道占用情況的影響。
2.1.4 信道加密
---對于TDMA方式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)/話音信號的加密，采用單路加密，無論中心站還是外圍站，都是只有一個保密模塊。
---對于FDMA方式傳輸?shù)膱D像信號的加密，采用長序列擾碼加密方式。
2.2 直序擴(kuò)頻與跳頻設(shè)計(jì)
---話音/數(shù)據(jù)通道采取了直序擴(kuò)頻和跳頻相結(jié)合的組合抗干擾、抗截獲、抗偵收措施。
2.2.1 直序擴(kuò)頻設(shè)計(jì)
---點(diǎn)對多點(diǎn)微波設(shè)備采用直擴(kuò)、跳/擴(kuò)結(jié)合的多種抗干擾方式，同時(shí)采用前向糾錯作為抗信道突發(fā)錯誤的有效方法，大大增強(qiáng)了設(shè)備抗干擾、抗多徑、抗截獲能力。
---因?yàn)?8路業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和1路通播信道的速率為152kb/s，對TDMA設(shè)備進(jìn)行幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得到無線群路的速率為256kb/s，采用QPSK調(diào)制方式，擴(kuò)頻碼長為32bits，擴(kuò)頻碼片速率為4096kb/s，發(fā)端采用滾降因子為α＝0.5的升余弦濾波器，擴(kuò)頻后信號所占帶寬為6MHz，直序擴(kuò)頻處理增益為：10log32 ＝15.1dB。
---直序擴(kuò)頻采用M序列作為擴(kuò)頻碼。設(shè)備用于擴(kuò)頻的擴(kuò)頻碼可以選擇，其數(shù)量不小于12組。
---設(shè)備收端解擴(kuò)解調(diào)器，根據(jù)設(shè)置的擴(kuò)頻碼，采用數(shù)字匹配濾波器實(shí)現(xiàn)解擴(kuò)。
2.2.2 跳頻設(shè)計(jì)
---跳頻與直序擴(kuò)頻相結(jié)合是系統(tǒng)抗干擾、抗截獲、抗偵收的重要手段。
---系統(tǒng)信道總帶寬為48MHz，用于TDMA信道的跳頻帶寬為40MHz，中頻直擴(kuò)調(diào)制后，帶寬為6MHz，跳頻的擴(kuò)頻處理增益為10log40/6＝8.2dB。本方案中跳頻+直序擴(kuò)頻的總擴(kuò)頻處理增益為15.1+8.2= 23.3 dB。
2.3 糾錯措施
 ---
    為了提高信道質(zhì)量，系統(tǒng)采用了多種糾錯及組合糾錯措施，包括8比特(60,50)RS碼、交織(31,21)BCH碼、交織(15,11)BCH碼和交織11中取9雙相大數(shù)判糾錯。其中RS碼和BCH碼的糾錯能力如圖3所示。
---上行管理數(shù)據(jù)和所有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)都采取了GF(8)的(60,50)RS碼糾錯，可糾正5字節(jié)數(shù)據(jù)的錯誤，大大提高了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的通信質(zhì)量。
---網(wǎng)管數(shù)據(jù)通信要求有誤碼率較低的信道，因此采取級聯(lián)糾錯的方法。先對異步數(shù)據(jù)采取BCH糾錯，再進(jìn)行RS碼糾錯。RS碼糾錯是采用與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)相同的編碼方式，而BCH碼采用（15，11）的編碼方式。采用BCH糾錯，用于在RS糾錯基礎(chǔ)上，將信道誤碼率從1×10-4提高到1×10-5，從而保證網(wǎng)管數(shù)據(jù)的通過率。
---此外還對BCH糾錯后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了交織編碼，以減小突發(fā)誤碼對BCH糾錯性能的影響。
---下行信令數(shù)據(jù)也采取級聯(lián)糾錯的方法，不同的是，BCH碼采用（31，21）的編碼方式，期望在RS糾錯基礎(chǔ)上，將信道誤碼率從1×10-4提高到1×10-6，從而為信令數(shù)據(jù)提供更高的通信質(zhì)量。
---各外圍站的上行信令主要用于鏈路的建立，其數(shù)據(jù)量小而且分散，但要求及時(shí)的傳輸，因而不能采用RS糾錯，而是采用了11中取9的大數(shù)判糾錯措施，同時(shí)對編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的交織處理。中心站信令的接收端對上行信令進(jìn)行雙相大數(shù)判譯碼，當(dāng)存在嚴(yán)重的突發(fā)誤碼時(shí)，不可靠的信令幀將被拋棄。
2.4 勤務(wù)設(shè)計(jì)
2.4.1 勤務(wù)會議方式
---勤務(wù)采用會議方式，允許各個站點(diǎn)的操作人員可以自由對話，而無需發(fā)出呼叫或申請信道。另外，還支持中心站與某一外圍站的全雙工通信和兩個外圍站之間的半雙工通信。
---使用時(shí)，所有的勤務(wù)用戶必須按下PTT鍵發(fā)話，其他用戶都可以接聽。當(dāng)中心站和某一個外圍站同時(shí)按下PTT鍵時(shí)，則中心站和該外圍站用戶可進(jìn)行全雙工通信；當(dāng)兩個外圍站用戶輪流按下PTT鍵發(fā)話時(shí)，該兩個外圍站可實(shí)現(xiàn)半雙工對話。要說明的是，不支持當(dāng)兩個或多個外圍站用戶同時(shí)按下PTT鍵發(fā)話。
---中心站用戶設(shè)有優(yōu)先的發(fā)言權(quán)。只要中心站用戶按下PTT鍵發(fā)話，所有外圍站用戶都可以聽到，而不管外圍站是否正在發(fā)話。
2.4.2 勤務(wù)呼叫
---勤務(wù)呼叫用于使某個站勤務(wù)振鈴，來提醒被叫站用戶進(jìn)行勤務(wù)對話。
---勤務(wù)呼叫分為選呼和通呼。系統(tǒng)每一個站點(diǎn)的用戶都可以發(fā)起通呼，也都可以向某一個站點(diǎn)發(fā)起選呼。
---收到呼叫后，本站開始振鈴，直到呼叫命令取消，或者本地用戶取消呼叫振鈴，或者本地按下PTT鍵發(fā)話。
2.4.3 勤務(wù)話音編碼
 ---
   勤務(wù)話音采用AMBE編碼，數(shù)字勤務(wù)話音信號自帶幀同步信息。
---勤務(wù)話音發(fā)端根據(jù)PTT鍵的狀態(tài)發(fā)送話音信號，當(dāng)PTT鍵按下時(shí)，發(fā)出編碼的數(shù)字話音信號，否則發(fā)全“0”。
---各個站點(diǎn)的勤務(wù)收端不停對勤務(wù)數(shù)據(jù)流進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)檢測到勤務(wù)的幀同步信息并正確同步后，將勤務(wù)碼流送話音解碼器還原出話音信號。
2.5 頻率配置設(shè)計(jì)
2.5.1 頻率規(guī)劃
---系統(tǒng)工作在1350MHz～1850MHz頻段內(nèi)，為了頻率靈活配置，點(diǎn)對多點(diǎn)微波設(shè)備采用步進(jìn)為1MHz的頻率綜合器和電調(diào)雙工濾波器，在直通、1次轉(zhuǎn)發(fā)或2次轉(zhuǎn)發(fā)工作時(shí)，需要至少4個工作頻點(diǎn)。
2.5.2. 頻帶設(shè)計(jì)
---系統(tǒng)工作頻帶的帶寬為48MHz。其中40MHz帶寬傳輸話音/數(shù)據(jù)信號，8MHz帶寬傳輸圖像信號，頻帶的信道分配帶寬如圖4所示。
2.5.3 頻率配置
2.5.3.1 收發(fā)波道頻率間隔
---對發(fā)射頻譜的抑制，主要來自基帶成形濾波器、上變頻濾波器、發(fā)端電調(diào)雙工器和環(huán)形器收發(fā)隔離?；鶐С尚螢V波器帶外抑制度大于35dB。收、發(fā)頻段保護(hù)間隔為150MHz，電調(diào)濾波器3dB帶寬為48MHz，按最小頻率間隔150MHz計(jì)算，發(fā)端四腔電調(diào)濾波器帶外抑制為：
---20lg[（150-24)/24]4=57.6(dB)
---環(huán)形器隔離度為20dB
---所以，總的帶外抑制度為：35+57.6×2＋20＝170.2(dB)。
---如果功放出口功率為40dBm，在間隔150MHz處頻譜滾降為20dB，則落在收端帶內(nèi)的信號電平為：40－20－170.2＝－150.2（dBm）。
---大大低于最低接收門限電平－100dBm，滿足解調(diào)器所需的歸一化信噪比和收發(fā)隔離要求。
2.5.3.2 收端帶外抑制
---由上所述，LNA入口電平為：40－57.6－20＝－37.6（dBm），設(shè)計(jì)LNA增益為30dB，保證不工作在飽和狀態(tài)，另外由前中、主中和解調(diào)器入口共3濾波器對帶外抑制為35×3＝105dB，接收門限電平－100dBm，則帶內(nèi)信號比帶外高57.6＋20＋105－40－100＝42.6dB。滿足帶外抑制要求。
2.5.3.3 FDMA收、發(fā)信機(jī)頻率配置
---各外圍站的圖像信道頻率配置互相關(guān)聯(lián)，也就是如果其中一個外圍站的圖像信道中心頻率為f0，則另外兩個外圍站的圖像信道中心頻率分別為f0-2.5MHz和f0+2.5MHz。其頻率配置如圖5所示。

3 通信設(shè)備設(shè)計(jì)

3.1 點(diǎn)對多點(diǎn)微波設(shè)備
---點(diǎn)對多點(diǎn)微波設(shè)備主要包括保密、基帶、調(diào)制器、上/下變頻、發(fā)/收頻率綜合器、功放、電調(diào)濾波器、低噪聲放大器、前中放大器、射頻分路器、中頻分路器、主中放大器、TDMA解擴(kuò)解調(diào)器、3路FDMA解調(diào)器、恒溫晶振、監(jiān)控、電源等單元等。中心站和外圍站設(shè)備組成框圖如圖6、圖7所示。
---在發(fā)端，輸入的語音/數(shù)據(jù)信號由基帶單元中的時(shí)隙控制器分析單路碼流中的路由信令，并根據(jù)該信令的內(nèi)容按照按需分配的原則為該單路碼流分配動態(tài)路由，最后經(jīng)糾錯編碼處理后，復(fù)接成TDM/TDMA群路碼流，送往調(diào)制變頻單元。

 ---
    在調(diào)制變頻單元，首先對下行無線群路碼流進(jìn)行差分編碼、直序擴(kuò)頻、限帶成型，再完成DQPSK調(diào)制及濾波放大得到70MHz中頻信號。然后利用來自發(fā)跳頻綜合器的發(fā)本振信號完成上變頻，經(jīng)帶通濾波器抑制帶外鄰道雜散，緩沖放大送功放單元。
---功放單元將輸入的射頻小信號放大到額定電平輸出。輸出端的定向耦合器對輸出電平和反射電平分別檢波，且在出現(xiàn)駐波告警時(shí)，關(guān)閉供電電源，保護(hù)放大管。并且能夠根據(jù)基帶單元的控制關(guān)閉或者打開，實(shí)現(xiàn)突發(fā)功能。
---由功放放大的射頻信號，經(jīng)電調(diào)雙工器濾波后經(jīng)天線發(fā)射出去。
---在收端，由天線接收無線射頻信號，首先經(jīng)過電調(diào)多工器的濾波，低噪聲放大器將濾波器進(jìn)來的射頻信號進(jìn)行低噪聲放大。經(jīng)過鏡像抑制混頻后，經(jīng)前中隔離放大，由分路器分離出話音/數(shù)據(jù)中頻信號，再經(jīng)過突發(fā)AGC主中放放大，完成對帶外雜散的又一次濾波和對發(fā)端射頻信號再次進(jìn)行抑制，并對接收的突發(fā)射頻信號予以快速穩(wěn)定，輸出電平穩(wěn)定的中頻信號。
3.2 轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備
---以中頻轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)計(jì)，設(shè)備組成原理框圖如圖8所示。
 ---
    天線接收的中心站信號fr2經(jīng)接收濾波器濾除帶外干擾后，進(jìn)入低噪聲放大器放大，然后與本振混頻后變成中頻信號fi1。它經(jīng)2級中頻濾波器進(jìn)一步濾除帶外干擾，再由突發(fā)AGC及中頻放大器快速穩(wěn)定輸出中頻電平。該中頻信號又與發(fā)端本振進(jìn)行變頻，經(jīng)變頻濾波濾除載波和鏡頻成分后變成ft4信號，再經(jīng)功率放大器放大，由發(fā)端濾波器濾除帶外雜散干擾后，經(jīng)天線輸出，發(fā)往外圍站。
---天線接收的外圍站信號fr2轉(zhuǎn)發(fā)過程與上相似，變換后經(jīng)天線輸出，發(fā)往中心站。
---轉(zhuǎn)發(fā)器配備高穩(wěn)定的10MHz時(shí)鐘源，給各個本振源作為環(huán)路鎖定參考。

4. 結(jié)論
---以微波通信方式實(shí)現(xiàn)的無線局域網(wǎng)，通過IP接口將無線局域網(wǎng)接入廣域網(wǎng)，構(gòu)建了一個全方位、多層次的網(wǎng)絡(luò)平臺。在可能的條件下，也可以通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)播建設(shè)獨(dú)立的廣域網(wǎng)。無線網(wǎng)絡(luò)將使網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更廣泛的應(yīng)用于各個領(lǐng)域，是網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程中的重要一環(huán)。

參考文獻(xiàn)
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.無線局域網(wǎng). 北京:電子工業(yè)出版社,1997
3 馬宏杰等.微機(jī)通信原理與使用技術(shù).北京:清華大學(xué)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