【摘要】基于ROF技術(shù)的高天線系統(tǒng)在通信領(lǐng)域的應(yīng)用是一種有效且低成本的解決方法，首先介紹了該系統(tǒng)的組成，并通過菲涅爾繞射理論說明了其工作原理，然后分析了高天線系統(tǒng)在通信領(lǐng)域的應(yīng)用，介紹了目前高天線系統(tǒng)通過小型系留飛行器承載升空及利用光纖拉遠(yuǎn)拉高的兩種典型應(yīng)用方式，并列舉山區(qū)升空試驗(yàn)數(shù)據(jù)來說明高天線系統(tǒng)在不同工作頻段對(duì)增加通信距離的作用，減少了通信盲區(qū)。

　　【關(guān)鍵詞】光纖承載射頻技術(shù),高天線系統(tǒng),增大通信距離,通信工程論文

　　1引言

　　ROF（RadiooverFiber，光纖承載射頻）技術(shù)用于無線通信、雷達(dá)、監(jiān)視等領(lǐng)域，是微波光子學(xué)的一個(gè)重要應(yīng)用，也是當(dāng)今國(guó)際微波毫米波學(xué)術(shù)界的一個(gè)研究熱點(diǎn)。微波光子學(xué)研究的快速發(fā)展，極大地推動(dòng)了ROF技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)程，其中基于ROF技術(shù)的高天線系統(tǒng)在通信領(lǐng)域的應(yīng)用是一種有效且低成本的解決方法。通過升高天線的方法，利用光纖連接電臺(tái)和天線，實(shí)現(xiàn)在多個(gè)地面站（臺(tái)）之間通信，具有超視距、大區(qū)域、容量大、機(jī)動(dòng)靈活、組網(wǎng)方便和對(duì)地形地貌依賴弱等特點(diǎn)。

　　2高天線系統(tǒng)介紹

　　2.1ROF技術(shù)

　　ROF技術(shù)是應(yīng)高速大容量無線通信需求發(fā)展起來的將光纖通信和無線通信結(jié)合起來的無線接入技術(shù)�；�于ROF技術(shù)，利用光纖將電臺(tái)和天線之間的距離拉開，一方面可保證電臺(tái)設(shè)備的隱蔽性及安全性，另一方面在無需升高電臺(tái)設(shè)備的條件下，通過升高天線來擴(kuò)大通信覆蓋范圍。

　　2.2高天線系統(tǒng)的組成、原理及主要指標(biāo)

　　高天線系統(tǒng)主要由電臺(tái)接口單元（RIU）、天線接口單元（AIU）、射頻功率放大器（HPA）、光纜、射頻同軸電纜、天線等組成。工作原理是：RIU將射頻同軸電纜送過來的電臺(tái)射頻信號(hào)變換為光信號(hào)，光信號(hào)通過光纜傳輸?shù)紸IU，由AIU將光信號(hào)恢復(fù)為射頻信號(hào)，然后通過同軸電纜送入HPA進(jìn)行射頻信號(hào)的放大，放大后的射頻信號(hào)由射頻同軸電纜傳送到天線，并由天線發(fā)送出去。如圖1所示：

　　圖1高天線系統(tǒng)設(shè)備組成及工作原理

　　由于光纜的傳輸損耗要比射頻同軸電纜小得多，經(jīng)過RIU轉(zhuǎn)換的光信號(hào)可以通過光纜傳輸?shù)浇�十公里處的AIU。在高天線系統(tǒng)中，拉遠(yuǎn)拉高的是輕量化的AIU、HPA和天線，而RIU則與電臺(tái)配置在一起，實(shí)現(xiàn)了電臺(tái)與天線的分離。

　　高天線系統(tǒng)的主要指標(biāo)：

　　拉遠(yuǎn)距離：光纜10km，復(fù)合光纜3km；

　　超輕型光電復(fù)合光纜單位重量：11g/m；

　　射頻工作頻率：30MHz～3GHz（按基站分段）。

　　2.3機(jī)理分析

　　在實(shí)際情況下，除了考慮在自由空間中的視距傳輸損耗外，還應(yīng)考慮各種障礙物對(duì)電波傳輸引起的損耗，通常將這種損耗稱為繞射損耗。下面以山區(qū)通信為例來說明ROF高天線系統(tǒng)擴(kuò)大通信覆蓋范圍的機(jī)理。電波受山體遮擋，傳播損耗明顯增加，損耗值與山的高度、天線高度、電臺(tái)與山體之間的距離等都有關(guān)系，具體影響可根據(jù)菲涅爾繞射理論計(jì)算，如圖2所示：

　　圖2山體與菲涅爾余隙

　　圖中x稱為菲涅爾余隙，d表示通信距離。依據(jù)菲涅爾繞射理論：菲涅爾余隙和第一菲涅爾截面半徑x1的比值x/x1大于0.5時(shí)，山體引起的附加損耗約為0dB，障礙物對(duì)直射波的傳播基本沒有影響，可以忽略；當(dāng)x=0時(shí)，即直射線從山頂相切而過時(shí)，附加損耗為6dB；當(dāng)x<0，即直射線低于山頂時(shí)，損耗急劇增加。

　　x1和d的計(jì)算公式為：

　�。�1）

　�。�2）

　　通過上述分析可見，若將天線升高至接近山高或直接架設(shè)在山頂上，可以明顯減少山體對(duì)電波傳播的損耗，增大山區(qū)通信設(shè)備的通信覆蓋范圍，提高通信系統(tǒng)的整體效能。

　　2.4光電復(fù)合光纜

　　光電復(fù)合光纜是一種由光纜和供電電纜結(jié)合而成的復(fù)合光纜。由于高天線系統(tǒng)中的天線接口單元和功放所消耗的能量比電臺(tái)本身小得多，所需的電流小，因此復(fù)合光纜可以做得相對(duì)輕便，使整個(gè)高天線系統(tǒng)輕量化，達(dá)到小型系留升空平臺(tái)（例如系留氣球或四旋翼飛機(jī)等）載重輕的要求。當(dāng)在大型活動(dòng)或者遭遇突發(fā)事件需應(yīng)急通信時(shí)，可借助小型系留升空平臺(tái)承載高天線系統(tǒng)進(jìn)行通信，而從地面向空中供電的方式可以保證系留平臺(tái)長(zhǎng)時(shí)間停留在空中工作。光電復(fù)合光纜也適用于天線拉遠(yuǎn)使用，當(dāng)天線端不方便取電時(shí)，可通過光電復(fù)合光纜從電臺(tái)端為天線端設(shè)備供電。

　　3高天線系統(tǒng)應(yīng)用

　　3.1高天線系統(tǒng)山頂架高應(yīng)用

　　把ROF高天線放置在基站附近的山頂，實(shí)現(xiàn)基站與天線的分離，這種應(yīng)用的好處是：變非視距通信為視距通信；擴(kuò)大通信覆蓋范圍，減少基站數(shù)量；減少山體、樹林遮擋造成的通信盲區(qū)；天線與基站分離，遠(yuǎn)端設(shè)備可無人值守；機(jī)房或山下供電，可長(zhǎng)時(shí)間工作。

　�。�1）單基站應(yīng)用

　　山頂架設(shè)高天線系統(tǒng)的單基站應(yīng)用如圖3所示，可擴(kuò)大基站通信的覆蓋范圍，減少通信盲區(qū)。

　　圖3單基站應(yīng)用ROF高天線系統(tǒng)

　　（2）多基站應(yīng)用

　　如圖4所示，把多個(gè)基站集中在同一機(jī)房，各基站的ROF高天線安置在不同的山頭，便于設(shè)備的日常維護(hù)。

　　圖4多基站應(yīng)用ROF高天線系統(tǒng)

　�。�3）車載臺(tái)應(yīng)用

　　在邊境巡邏中，可以在巡邏線附近山頭預(yù)設(shè)ROF高天線，巡邏車到達(dá)復(fù)合光纜接入點(diǎn)時(shí)，可把車載臺(tái)搬移至車下使用，通過接入點(diǎn)車載臺(tái)的中繼，巡邏車?yán)^續(xù)行駛并保持與基站的聯(lián)絡(luò)；也可以把巡邏的車載臺(tái)接入復(fù)合光纜接入點(diǎn)，巡邏隊(duì)攜手持臺(tái)或背負(fù)臺(tái)徒步巡邏，通過巡邏車的中繼，實(shí)現(xiàn)巡邏隊(duì)與駐地基站的聯(lián)絡(luò)。如圖5所示：

　　圖5車載臺(tái)應(yīng)用ROF高天線系統(tǒng)

　　3.2高天線系統(tǒng)升空應(yīng)用

　　由于ROF高天線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了天線與基站/電臺(tái)的分離，同時(shí)輕型復(fù)合光纜的出現(xiàn)，使得用低成本的小型飛行器或氣球來承載ROF高天線成為可能。從地面向空中供電的方式使得ROF高天線系統(tǒng)有了更廣闊的應(yīng)用范圍，特別適合需要臨時(shí)開設(shè)中遠(yuǎn)距離通信保障平臺(tái)的使用場(chǎng)景，例如大型體育、文藝活動(dòng)時(shí)臨時(shí)構(gòu)建安保通信調(diào)度平臺(tái)，抗洪搶險(xiǎn)、森林防火、處理突發(fā)事件時(shí)構(gòu)建通信指揮調(diào)度平臺(tái)。（1）用系留氣球承載ROF高天線系統(tǒng)

　　系留氣球本身的成本低，氣球的容積決定了承載能力和升空高度，通常最高可以升空至上千米的高度，如圖6所示：

　　圖6系留氣球承載ROF高天線

　�。�2）用四旋翼飛行器承載ROF高天線

　　四旋翼飛行器能垂直起降，可設(shè)定在空中某一位置，對(duì)起降場(chǎng)地要求不高，使用成本比無人直升機(jī)要低得多。國(guó)內(nèi)已有多家公司生產(chǎn)四旋翼飛行器，目前的四旋翼承載能力不高，通常承載ROF高天線后可升空至200m的高度。如圖7所示：

　　圖7四旋翼承載ROF高天線

　　4山區(qū)升空試驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　在通信鏈路上山體比高約為300m左右的典型山區(qū)，各選取100MHz（代表VHF波段）、600MHz（代表UHF波段）、2.4GHz（代表G波段）頻段的通信設(shè)備在相同的發(fā)射功率下進(jìn)行ROF高天線升空試驗(yàn)。天線升高后，通信距離的改善與工作頻段有關(guān)，表1為在山區(qū)不同工作頻段下不同升空高度時(shí)的通信距離試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

　　從表1可以看出，VHF波段在比高以下天線的升高會(huì)帶來通信距離的增加，這源于VHF波段具有一定的繞射能力，在天線升高至比高以下時(shí)即可有效地增大通信距離；而UHF波段和G段在比高以下，天線的升高并不會(huì)使通信距離有明顯變化，這源于UHF波段和G波段缺少繞射能力，但當(dāng)天線升高至比高或以上時(shí)，通信距離就明顯增大。因此對(duì)于UHF波段和G波最有效的方法是升空高度高于比高，變非視距通信為視距通信。

　　5小結(jié)

　　ROF技術(shù)在高天線系統(tǒng)上的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了通信設(shè)備與天線的分離，而天線的升空或拉遠(yuǎn)拉高應(yīng)用很大程度地增加了通信距離、減少了通信盲區(qū)。輕型光電復(fù)合光纜的出現(xiàn)使得小型系留氣球和四旋翼飛行器承載高天線系統(tǒng)成為可能，這樣就大大降低了升空平臺(tái)的整體成本，有利于基于ROF技術(shù)的高天線系統(tǒng)在通信領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]陳志元，王聰.空地混合中繼通信及山區(qū)應(yīng)用研究[J].通信技術(shù)，2001（6）：91-93.

　　[2]王現(xiàn)兵，雷亮，鄧相國(guó).談山區(qū)通信模式[J].重慶技術(shù)職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（5）：110-112.

　　[3]李沫.ROF系統(tǒng)中60GHz傳輸技術(shù)及光域微波信號(hào)處理技術(shù)研究[D].北京：清華大學(xué)，2011.

　　[4]李明漢，蘇燕廣，孔勝池.高山無線通信基站聯(lián)合接地體的設(shè)計(jì)[A].首屆中國(guó)防雷論壇論文摘編[C].2002.

　　[5]喻志剛，肖剛.ROF技術(shù)在移動(dòng)通信中的應(yīng)用[J].信息通信，2005（5）.

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