基于光載無線電的高高原地區(qū)甚高頻遙控臺架設方案

晏明楊

摘要：西南空管局管轄的部分空域位于青藏高原東側(cè)、平均海拔4000米，在這些地區(qū)架設民航空管地空通信甚高頻遙控臺存在覆蓋需求和保障條件的矛盾。主要基于光載無線電技術(shù)的一些光通信新技術(shù)為解決這一矛盾提供了思路，本文結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)進展和成熟產(chǎn)品提出一個高高原地區(qū)民航空管甚高頻地空通信遙控臺架設方案。

關(guān)鍵詞：RoF，PoF，甚高頻，地空通信

1.高高原臺站覆蓋與保障條件的矛盾

一直以來，在高高原地區(qū)（平均海拔3000米以上）架設民航空管地空通信甚高頻遙控臺始終存在覆蓋需求與保障條件之間的矛盾：覆蓋良好的候選臺址遮擋少、海拔高，基本位于無人活動的區(qū)域，供電、傳輸及道路條件極差或根本不具備條件;保障條件好的候選臺址有道路、供電、傳輸?shù)瘸墒鞐l件，但往往位于山間低谷、周邊遮擋嚴重、覆蓋較差。基于上述矛盾，高高原甚高頻遙控臺通常選擇在運營商基站共用機房或依托高高原機場選址設臺。而運營商基站主要解決主要城鎮(zhèn)、道路周邊的覆蓋，不考慮對空覆蓋，且機房面積和供電能力受限;高高原機場數(shù)量少、可選臺址有限。

2.高高原臺站實際輻射功率需求

2.1高高原甚高頻理論覆蓋計算公式的修正

甚高頻理論覆蓋公式基于地球平均半徑估算，考慮高原地區(qū)地形影響，公式應將地面平均海拔高度考慮在內(nèi)，此時近似為地球半徑增大，則視距傳播距離為：

某臺站天線高度20m，飛機飛行高度10000m，臺站海拔高度4000m，可得該臺站理論覆蓋距離為338km。

2.2高高原發(fā)射機功率需求

空間電磁信號功率密度與發(fā)射功率、發(fā)射天線增益、收發(fā)天線距離的關(guān)系為：

場強、自由空間阻抗關(guān)系為

ICAO附件10要求甚高頻地面臺信號覆蓋應不小于，同時，，，則：

由此可見，高高原臺站覆蓋距離受地形限制，因此發(fā)射機功率不需要設置太高。

3.遠距離天線與功放

在前面的敘述中可以發(fā)現(xiàn)，對于高高原地區(qū)民航空管甚高頻臺選址，運營商基站仍然是難得的候選設臺點。能否成功設臺的關(guān)鍵是能否解決基站對空覆蓋不足和供電不夠穩(wěn)定的問題。

通過上述計算可以發(fā)現(xiàn)，高高原臺站中電臺需要輸送給天線的有效輻射功率可以降低，因此可以降低發(fā)射機發(fā)射功率、減少對臺站供電的需求。對于覆蓋需求，可以將天線安裝在海拔高、無遮擋、覆蓋好的地點，而收發(fā)信機安放在保障條件較好的運營商基站。實現(xiàn)這種方案需要解決射頻信號遠距離傳輸?shù)膯栴}，可以采用臺站端使用大功率功放或者天線采取遠端安裝的方式。結(jié)合上述計算、輸入天線的發(fā)射功率并不需要很高的數(shù)值，在不具備供電條件的天線安裝地點，可以安裝小功率風光互補發(fā)電為遠端功放供電。

常用的同軸射頻電纜衰減大、布設施工困難、防雷難度大、承載信道數(shù)少，不滿足上述使用需求，需要考慮新技術(shù)的應用以解決上述問題。

4.光載無線電

4.1光載無線電技術(shù)概述

光載無線電技術(shù)（Radio over Fiber，ROF）概念最早源于20世紀80年代，是結(jié)合無線通信和光纖通信技術(shù)的一種新技術(shù)，利用光纖通信體積小、重量輕、帶寬大等優(yōu)點，使用模擬光纖鏈路傳輸射頻信號。隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展和各種光電器件的成熟逐步進入實用，主要應用于移動通信領(lǐng)域，采用中心機房+分布式天線的方式實現(xiàn)對室內(nèi)、室外各處信號完全覆蓋。其核心技術(shù)在于大功率激光發(fā)生器和高效率光電探測器。

4.2技術(shù)原理

利用光信號傳輸射頻信號實際上是使用射頻信號對光信號進行調(diào)制，目前主要的調(diào)制方法有：直接調(diào)制、外調(diào)制、數(shù)字化RoF或光纖中頻通信。數(shù)字化RoF主要應用于數(shù)字基站與遠程無線端的連接，而光纖中頻通信主要適用于無線頻率高于3GHz或多個無線信道必須在單一鏈路同時傳輸?shù)膱鼍埃琜1]因此這兩種技術(shù)不適用于民航空管甚高頻地空通信。

直接調(diào)制就是激光器或LED光源驅(qū)動電流直接根據(jù)RF信號改變，發(fā)光和光調(diào)制同時進行。此時激光器偏置在受激輻射區(qū)的中間點：過大的電流可能使激光器飽和、過小的電流會使其關(guān)斷，因此直接調(diào)制只有很小的動態(tài)范圍。[1]而民航空管甚高頻地空通信信號的強度在-110dBm至+47dBm之間、動態(tài)范圍極大，因此雖然這種方法簡單、穩(wěn)定性高、成本低，但仍然不適合應用于高高原臺站建設。

外調(diào)制中，激光器由恒定電流驅(qū)動發(fā)出連續(xù)波，經(jīng)過外調(diào)制器后進行幅度調(diào)制。目前外調(diào)制器有Mach-Zehnder干涉儀（Mach-Zehnder Interferometer，MZI）、電吸收調(diào)制（Electro-Absorption Modulator，EAM）和反射型半導體光放大器（Reflective Semiconductor Optical Amplifier，RSOA）等方式實現(xiàn)。RSOA僅適用于發(fā)射路徑，而甚高頻通信為半雙工通信，因此該方法不適用。目前MZI可以支持數(shù)百毫瓦的連續(xù)波光功率、EAM支持10mW輸入光功率，[1]這些性能都不足以直接驅(qū)動甚高頻天線進行使用，需要在接入天線前進行信號放大。

4.3成熟產(chǎn)品應用前景

在研究中光傳輸模塊輸入輸出功率都較小。[2]目前已有的RoF商用產(chǎn)品中，加配選件后可以實現(xiàn)最遠80km的遠距離傳輸，但遠端射頻輸出功率僅有3dBm，無法滿足上述計算中最低射頻功率要求，因此需要在天線端利用射頻功放對信號進行放大。在研究中光纖功能輸出功率也較小。[3]如果采用光纖供能補償射頻信號功率，國內(nèi)已經(jīng)研制出最大輸入功率為1W、轉(zhuǎn)化效率為60%的激光光伏電池;國外也有成熟光纖功能系統(tǒng)，最大供電輸出功率達1W，仍然無法滿足功放的供電需求。但是目前市售VHF射頻功放在最大輸出功率為25W，增益為46dB時，功耗低于140W，僅需要采用小功率風光互補即可提供不間斷的電力供應。

5.一種可能的臺站結(jié)構(gòu)

結(jié)合目前技術(shù)水平能達到的成熟商用產(chǎn)品以及民航空管運行特點，可以考慮使用以下結(jié)構(gòu)架設基于光載無線電的甚高頻地空通信臺站。

如圖所示，將電臺、傳輸設備等功耗大、易故障、需要有人定期在現(xiàn)場檢修、維護的設備安裝在保障條件較好、交通較為便利的運營商基站或自建設備機房。此時基站的選擇只需要考慮供電、傳輸、交通便利程度等保障條件而無需考慮覆蓋情況。

將天線安裝在方便敷設光纖、且周邊無明顯遮擋的山頂，將功放和風光互補發(fā)電與天線共桿安裝。利用小功率的風光互補系統(tǒng)為射頻功放模塊提供不間斷電力保障。

參考文獻：

[1]N.費爾南多.RoF光載無線通信：從理論到前沿[M].北京：機械工業(yè)出版社，2015.14，21-23，103.

[2]劉琛.RoF光收發(fā)模塊的設計與測試[D].成都：電子科技大學，2017.55.

[3]楊燕.面向光纖供能系統(tǒng)的光伏能量轉(zhuǎn)化器設計與實現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學，2013.55.