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(shè)民航空管地空通信甚高頻遙控臺(tái)存在覆蓋需求和保障條件的矛盾。主要基于光載無(wú)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(jìn)展和成熟產(chǎn)品提出一個(gè)高高原地區(qū)民航空管甚高頻地空通信遙控臺(tái)架設(shè)方案。

關(guān)鍵詞：RoF，PoF，甚高頻，地空通信

1.高高原臺(tái)站覆蓋與保障條件的矛盾

一直以來(lái)，在高高原地區(qū)（平均海拔3000米以上）架設(shè)民航空管地空通信甚高頻遙控臺(tái)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(tái)址遮擋少、海拔高，基本位于無(wú)人活動(dòng)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(tái)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(yán)重、覆蓋較差?；谏鲜雒?，高高原甚高頻遙控臺(tái)通常選擇在運(yùn)營(yíng)商基站共用機(jī)房或依托高高原機(jī)場(chǎng)選址設(shè)臺(tái)。而運(yùn)營(yíng)商基站主要解決主要城鎮(zhèn)、道路周邊的覆蓋，不考慮對(duì)空覆蓋，且機(jī)房面積和供電能力受限;高高原機(jī)場(chǎng)數(shù)量少、可選臺(tái)址有限。

2.高高原臺(tái)站實(shí)際輻射功率需求

2.1高高原甚高頻理論覆蓋計(jì)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(yīng)將地面平均海拔高度考慮在內(nèi)，此時(shí)近似為地球半徑增大，則視距傳播距離為：

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

2.2高高原發(fā)射機(jī)功率需求

空間電磁信號(hào)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(chǎng)強(qiáng)、自由空間阻抗關(guān)系為

ICAO附件10要求甚高頻地面臺(tái)信號(hào)覆蓋應(yīng)不小于，同時(shí)，，，則：

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

3.遠(yuǎn)距離天線與功放

在前面的敘述中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于高高原地區(qū)民航空管甚高頻臺(tái)選址，運(yùn)營(yíng)商基站仍然是難得的候選設(shè)臺(tái)點(diǎn)。能否成功設(shè)臺(tái)的關(guān)鍵是能否解決基站對(duì)空覆蓋不足和供電不夠穩(wěn)定的問(wèn)題。

通過(guò)上述計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，高高原臺(tái)站中電臺(tái)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(jī)發(fā)射功率、減少對(duì)臺(tái)站供電的需求。對(duì)于覆蓋需求，可以將天線安裝在海拔高、無(wú)遮擋、覆蓋好的地點(diǎn)，而收發(fā)信機(jī)安放在保障條件較好的運(yùn)營(yíng)商基站。實(shí)現(xiàn)這種方案需要解決射頻信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯?wèn)題，可以采用臺(tái)站端使用大功率功放或者天線采取遠(yuǎn)端安裝的方式。結(jié)合上述計(jì)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(diǎn)，可以安裝小功率風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電為遠(yuǎn)端功放供電。

常用的同軸射頻電纜衰減大、布設(shè)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(yīng)用以解決上述問(wèn)題。

4.光載無(wú)線電

4.1光載無(wú)線電技術(shù)概述

光載無(wú)線電技術(shù)（Radio over Fiber，ROF）概念最早源于20世紀(jì)80年代，是結(jié)合無(wú)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(diǎn)，使用模擬光纖鏈路傳輸射頻信號(hào)。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展和各種光電器件的成熟逐步進(jìn)入實(shí)用，主要應(yīng)用于移動(dòng)通信領(lǐng)域，采用中心機(jī)房+分布式天線的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)、室外各處信號(hào)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(cè)器。

4.2技術(shù)原理

利用光信號(hào)傳輸射頻信號(hào)實(shí)際上是使用射頻信號(hào)對(duì)光信號(hào)進(jìn)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(yīng)用于數(shù)字基站與遠(yuǎn)程無(wú)線端的連接，而光纖中頻通信主要適用于無(wú)線頻率高于3GHz或多個(gè)無(wú)線信道必須在單一鏈路同時(shí)傳輸?shù)膱?chǎng)景，[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(dòng)電流直接根據(jù)RF信號(hào)改變，發(fā)光和光調(diào)制同時(shí)進(jìn)行。此時(shí)激光器偏置在受激輻射區(qū)的中間點(diǎn)：過(guò)大的電流可能使激光器飽和、過(guò)小的電流會(huì)使其關(guān)斷，因此直接調(diào)制只有很小的動(dòng)態(tài)范圍。[1]而民航空管甚高頻地空通信信號(hào)的強(qiáng)度在-110dBm至+47dBm之間、動(dòng)態(tài)范圍極大，因此雖然這種方法簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、成本低，但仍然不適合應(yīng)用于高高原臺(tái)站建設(shè)。

外調(diào)制中，激光器由恒定電流驅(qū)動(dòng)發(fā)出連續(xù)波，經(jīng)過(guò)外調(diào)制器后進(jìn)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(dǎo)體光放大器（Reflective Semiconductor Optical Amplifier，RSOA）等方式實(shí)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?jǐn)?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(dòng)甚高頻天線進(jìn)行使用，需要在接入天線前進(jìn)行信號(hào)放大。

4.3成熟產(chǎn)品應(yīng)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(shí)現(xiàn)最遠(yuǎn)80km的遠(yuǎn)距離傳輸，但遠(yuǎn)端射頻輸出功率僅有3dBm，無(wú)法滿足上述計(jì)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(duì)信號(hào)進(jìn)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(bǔ)償射頻信號(hào)功率，國(guó)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(guó)外也有成熟光纖功能系統(tǒng)，最大供電輸出功率達(dá)1W，仍然無(wú)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(shí)，功耗低于140W，僅需要采用小功率風(fēng)光互補(bǔ)即可提供不間斷的電力供應(yīng)。

5.一種可能的臺(tái)站結(jié)構(gòu)

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

如圖所示，將電臺(tái)、傳輸設(shè)備等功耗大、易故障、需要有人定期在現(xiàn)場(chǎng)檢修、維護(hù)的設(shè)備安裝在保障條件較好、交通較為便利的運(yùn)營(yíng)商基站或自建設(shè)備機(jī)房。此時(shí)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(wú)需考慮覆蓋情況。

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

參考文獻(xiàn)：

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