通信工程论文基于ROF技术的高天线系统应用

　　【摘要】基于ROF技术的高天线系统在通信领域的应用是一种有效且低成本的解决方法，首先介绍了该系统的组成，并通过菲涅尔绕射理论说明了其工作原理，然后分析了高天线系统在通信领域的应用，介绍了目前高天线系统通过小型系留飞行器承载升空及利用光纤拉远拉高的两种典型应用方式，并列举山区升空试验数据来说明高天线系统在不同工作频段对增加通信距离的作用，减少了通信盲区。

　　【关键词】光纤承载射频技术,高天线系统,增大通信距离,通信工程论文

　　1引言

　　ROF（RadiooverFiber，光纤承载射频）技术用于无线通信、雷达、监视等领域，是微波光子学的一个重要应用，也是当今国际微波毫米波学术界的一个研究热点。微波光子学研究的快速发展，极大地推动了ROF技术的应用进程，其中基于ROF技术的高天线系统在通信领域的应用是一种有效且低成本的解决方法。通过升高天线的方法，利用光纤连接电台和天线，实现在多个地面站（台）之间通信，具有超视距、大区域、容量大、机动灵活、组网方便和对地形地貌依赖弱等特点。

　　2高天线系统介绍

　　2.1ROF技术

　　ROF技术是应高速大容量无线通信需求发展起来的将光纤通信和无线通信结合起来的无线接入技术。基于ROF技术，利用光纤将电台和天线之间的距离拉开，一方面可保证电台设备的隐蔽性及安全性，另一方面在无需升高电台设备的条件下，通过升高天线来扩大通信覆盖范围。

　　2.2高天线系统的组成、原理及主要指标

　　高天线系统主要由电台接口单元（RIU）、天线接口单元（AIU）、射频功率放大器（HPA）、光缆、射频同轴电缆、天线等组成。工作原理是：RIU将射频同轴电缆送过来的电台射频信号变换为光信号，光信号通过光缆传输到AIU，由AIU将光信号恢复为射频信号，然后通过同轴电缆送入HPA进行射频信号的放大，放大后的射频信号由射频同轴电缆传送到天线，并由天线发送出去。如图1所示：

　　图1高天线系统设备组成及工作原理

　　由于光缆的传输损耗要比射频同轴电缆小得多，经过RIU转换的光信号可以通过光缆传输到近十公里处的AIU。在高天线系统中，拉远拉高的是轻量化的AIU、HPA和天线，而RIU则与电台配置在一起，实现了电台与天线的分离。

　　高天线系统的主要指标：

　　拉远距离：光缆10km，复合光缆3km；

　　超轻型光电复合光缆单位重量：11g/m；

　　射频工作频率：30MHz～3GHz（按基站分段）。

　　2.3机理分析

　　在实际情况下，除了考虑在自由空间中的视距传输损耗外，还应考虑各种障碍物对电波传输引起的损耗，通常将这种损耗称为绕射损耗。下面以山区通信为例来说明ROF高天线系统扩大通信覆盖范围的机理。电波受山体遮挡，传播损耗明显增加，损耗值与山的高度、天线高度、电台与山体之间的距离等都有关系，具体影响可根据菲涅尔绕射理论计算，如图2所示：

　　图2山体与菲涅尔余隙

　　图中x称为菲涅尔余隙，d表示通信距离。依据菲涅尔绕射理论：菲涅尔余隙和第一菲涅尔截面半径x1的比值x/x1大于0.5时，山体引起的附加损耗约为0dB，障碍物对直射波的传播基本没有影响，可以忽略；当x=0时，即直射线从山顶相切而过时，附加损耗为6dB；当x<0，即直射线低于山顶时，损耗急剧增加。

　　x1和d的计算公式为：

　　（1）

　　（2）

　　通过上述分析可见，若将天线升高至接近山高或直接架设在山顶上，可以明显减少山体对电波传播的损耗，增大山区通信设备的通信覆盖范围，提高通信系统的整体效能。

　　2.4光电复合光缆

　　光电复合光缆是一种由光缆和供电电缆结合而成的复合光缆。由于高天线系统中的天线接口单元和功放所消耗的能量比电台本身小得多，所需的电流小，因此复合光缆可以做得相对轻便，使整个高天线系统轻量化，达到小型系留升空平台（例如系留气球或四旋翼飞机等）载重轻的要求。当在大型活动或者遭遇突发事件需应急通信时，可借助小型系留升空平台承载高天线系统进行通信，而从地面向空中供电的方式可以保证系留平台长时间停留在空中工作。光电复合光缆也适用于天线拉远使用，当天线端不方便取电时，可通过光电复合光缆从电台端为天线端设备供电。

　　3高天线系统应用

　　3.1高天线系统山顶架高应用

　　把ROF高天线放置在基站附近的山顶，实现基站与天线的分离，这种应用的好处是：变非视距通信为视距通信；扩大通信覆盖范围，减少基站数量；减少山体、树林遮挡造成的通信盲区；天线与基站分离，远端设备可无人值守；机房或山下供电，可长时间工作。

　　（1）单基站应用

　　山顶架设高天线系统的单基站应用如图3所示，可扩大基站通信的覆盖范围，减少通信盲区。

　　图3单基站应用ROF高天线系统

　　（2）多基站应用

　　如图4所示，把多个基站集中在同一机房，各基站的ROF高天线安置在不同的山头，便于设备的日常维护。

　　图4多基站应用ROF高天线系统

　　（3）车载台应用

　　在边境巡逻中，可以在巡逻线附近山头预设ROF高天线，巡逻车到达复合光缆接入点时，可把车载台搬移至车下使用，通过接入点车载台的中继，巡逻车继续行驶并保持与基站的联络；也可以把巡逻的车载台接入复合光缆接入点，巡逻队携手持台或背负台徒步巡逻，通过巡逻车的中继，实现巡逻队与驻地基站的联络。如图5所示：

　　图5车载台应用ROF高天线系统

　　3.2高天线系统升空应用

　　由于ROF高天线系统实现了天线与基站/电台的分离，同时轻型复合光缆的出现，使得用低成本的小型飞行器或气球来承载ROF高天线成为可能。从地面向空中供电的方式使得ROF高天线系统有了更广阔的应用范围，特别适合需要临时开设中远距离通信保障平台的使用场景，例如大型体育、文艺活动时临时构建安保通信调度平台，抗洪抢险、森林防火、处理突发事件时构建通信指挥调度平台。（1）用系留气球承载ROF高天线系统

　　系留气球本身的成本低，气球的容积决定了承载能力和升空高度，通常最高可以升空至上千米的高度，如图6所示：

　　图6系留气球承载ROF高天线

　　（2）用四旋翼飞行器承载ROF高天线

　　四旋翼飞行器能垂直起降，可设定在空中某一位置，对起降场地要求不高，使用成本比无人直升机要低得多。国内已有多家公司生产四旋翼飞行器，目前的四旋翼承载能力不高，通常承载ROF高天线后可升空至200m的高度。如图7所示：

　　图7四旋翼承载ROF高天线

　　4山区升空试验数据

　　在通信链路上山体比高约为300m左右的典型山区，各选取100MHz（代表VHF波段）、600MHz（代表UHF波段）、2.4GHz（代表G波段）频段的通信设备在相同的发射功率下进行ROF高天线升空试验。天线升高后，通信距离的改善与工作频段有关，表1为在山区不同工作频段下不同升空高度时的通信距离试验数据。

　　从表1可以看出，VHF波段在比高以下天线的升高会带来通信距离的增加，这源于VHF波段具有一定的绕射能力，在天线升高至比高以下时即可有效地增大通信距离；而UHF波段和G段在比高以下，天线的升高并不会使通信距离有明显变化，这源于UHF波段和G波段缺少绕射能力，但当天线升高至比高或以上时，通信距离就明显增大。因此对于UHF波段和G波最有效的方法是升空高度高于比高，变非视距通信为视距通信。

　　5小结

　　ROF技术在高天线系统上的应用实现了通信设备与天线的分离，而天线的升空或拉远拉高应用很大程度地增加了通信距离、减少了通信盲区。轻型光电复合光缆的出现使得小型系留气球和四旋翼飞行器承载高天线系统成为可能，这样就大大降低了升空平台的整体成本，有利于基于ROF技术的高天线系统在通信领域的应用和推广。

　　参考文献：

　　[1]陈志元，王聪.空地混合中继通信及山区应用研究[J].通信技术，2001（6）：91-93.

　　[2]王现兵，雷亮，邓相国.谈山区通信模式[J].重庆技术职业学院学报，2008（5）：110-112.

　　[3]李沫.ROF系统中60GHz传输技术及光域微波信号处理技术研究[D].北京：清华大学，2011.

　　[4]李明汉，苏燕广，孔胜池.高山无线通信基站联合接地体的设计[A].首届中国防雷论坛论文摘编[C].2002.

　　[5]喻志刚，肖刚.ROF技术在移动通信中的应用[J].信息通信，2005（5）.