導(dǎo)語：5G通信微波技術(shù)應(yīng)用分析一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：闡釋了微波通信原理，介紹了5g承載對微波技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)，最后闡述了物聯(lián)網(wǎng)推動5G和微波通信融合發(fā)展的趨勢。

關(guān)鍵詞：微波通信；5G；回傳；毫米波；物聯(lián)網(wǎng)

隨著5G技術(shù)的到來，微波通信技術(shù)將迅速發(fā)展。微波通信是在光纜部署困難或需要快速開通基站的情況下回傳首選的方案。5G承載對微波帶來的最大挑戰(zhàn)是帶寬、時延和可靠性等需求。采用微波通信中的毫米波通信可以增大頻帶寬度，但應(yīng)用毫米波時會遇到與低頻段不同的若干問題與挑戰(zhàn)。

1微波通信原理

微波通信是指使用頻率分布在300MHz～300GHz的無線電磁波進(jìn)行通信的無線通信方式，其電波波長分布在0．1mm～1m這個范圍之內(nèi)。由于微波通信使用的頻率高于一般通信手段使用的無線電波頻率，因此又被稱為“超高頻電磁波通信”。微波通信按照其使用的無線電磁波波長，可分為分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波四個波段，工程上微波通信主要使用的頻率范圍為3GHz～40GHz，見表1［1］。微波通信系統(tǒng)作為現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)中的重要通信手段，具有容量大、傳輸質(zhì)量高以及超遠(yuǎn)距離的優(yōu)點。常見的電磁波通信方式可分為點對點傳輸和廣播方式傳輸。由于微波通信使用的頻率較高、波長較短，因此其繞射能力和穿透能力會比較差，在傳輸過程中衰減就會比較大，進(jìn)而限制其傳播距離，因此微波通信一般會采用點對點的方式進(jìn)行傳播，見圖1。隨著無線電通信技術(shù)的發(fā)展，很多重要領(lǐng)域都存在微波通信技術(shù)身影，主要進(jìn)行地面視距傳播。所謂視距傳輸是指微波發(fā)射天線和微波接收天線之間沒有障礙物阻擋，發(fā)射的無線電磁波信號通過近乎直線的方式傳播。這就要求在視距傳輸?shù)倪^程中，收發(fā)天線之間不能存在任何障礙物，若存在高山或高聳建筑物遮擋，就會嚴(yán)重影響微波傳輸?shù)男盘栙|(zhì)量。同時由于地球是近乎圓球形的橢球體，當(dāng)微波傳輸?shù)膬牲c之間的傳輸距離過長的話，傳輸距離與地球半徑可相比擬時，地球表面凸起便會對微波傳輸產(chǎn)生影響，微波通信的電磁波會受到地表的阻擋。如圖2所示。微波通信的無線電磁波在空中傳播特征與光波相近，通過直線方式進(jìn)行信號的傳播。微波無線信號具有頻率高、波長短的特性，一旦遇到物體阻擋，微波信號就會被阻斷，影響通信信號的傳輸。為了實現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的信號傳輸，需要借助微波中繼站轉(zhuǎn)發(fā)高頻無線電信號，通常微波中繼站之間的距離為50km左右。通過微波通信接力的方式可以實現(xiàn)微波信號的超遠(yuǎn)距離傳播，如圖3所示。

25G承載對微波技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)

鑒于4G的LTE技術(shù)已經(jīng)成為移動通信的主流技術(shù)，因此5G移動通信系統(tǒng)需要對4G系統(tǒng)在技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行兼容構(gòu)建。相比于4G移動通信系統(tǒng)，5G具有更優(yōu)秀的無線電頻譜利用率，信息數(shù)據(jù)的傳輸速率將達(dá)到更高的量級，帶來更加優(yōu)質(zhì)的用戶體驗。由于5G移動通信系統(tǒng)使用的頻率較高，5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供的用戶傳輸速率要求也很高，單個5G基站所能承載的用戶數(shù)與4G基站所能承載的相比會更少，因此5G基站需要以更高密度的方式進(jìn)行基站建設(shè)。在光纜部署存在困難或需要在較短時間內(nèi)開通基站的情況下，利用微波設(shè)備進(jìn)行信息回傳則是首選的方案。5G對基站回傳承載的帶寬和穩(wěn)定性提出了更高的要求［2］。根據(jù)5G無線接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)特性，承載將分為前傳、中傳和回傳，其中前傳承載AAU（有源天線處理單元）和DU（分布單元）之間的流量；中傳承載DU（分布單元）和CU（集中單元）之間的流量；回傳承載CU和核心網(wǎng)之間的流量。在原有的4G使用場景下，前傳的帶寬需求就已經(jīng)達(dá)到了5Gbps，而對于5G來說，即便是最小工程可用需求也達(dá)到了10Gbps，在前傳中使用微波的情況不會太高。在回傳層面，4G基站回傳傳輸局容量最高達(dá)2Gbps而5G的可能達(dá)到10Gbps以上。根據(jù)使用場景的不同，5G基站頻率配置的不同，不同場景下的峰值帶寬也有較大的不同，其場景分布見表2。不同標(biāo)準(zhǔn)組織都對5G技術(shù)的時延做了初步規(guī)范，其中要求在增強(qiáng)移動寬帶業(yè)務(wù)中，用戶時延應(yīng)控制在4ms以內(nèi)，控制領(lǐng)域時延應(yīng)控制在10ms以內(nèi)；而在超高可靠超低時延通信業(yè)務(wù)中用戶時延應(yīng)在0．5ms以內(nèi)，控制領(lǐng)域時延在10ms以內(nèi)，具體見表3。除eMBB應(yīng)用外，5G還有uRLLC與mMTC（大連接物聯(lián)網(wǎng)）等的應(yīng)用，各類新的應(yīng)用場景對5G基站回傳的可靠性提出了更高的要求。在5G無線空口技術(shù)上，新頻譜的開發(fā)利用是極為重要的一環(huán)。毫米波頻段具有豐富的頻譜資源，可充分支持5G通信的需要［3］。毫米波通信是微波通信的一種，其使用電磁波頻率范圍為30GHz～300GHz，波長范圍為1mm～10mm。相比于4G使用的分米波波段，其頻率更高，波長更短，故而其散射與繞射能力相對較差，因此毫米波傳輸更接近光傳輸，主要依賴視通路徑進(jìn)行傳輸，而且毫米波天線波束窄，具有良好的方向性，但也更容易被反射或被阻斷［4］。在自由空間傳播過程中，大氣、降雨等對毫米波傳輸都會造成較嚴(yán)重的吸收損耗，根據(jù)無線電波自由空間傳輸損耗原理，無線電波的頻率越高在其傳輸路徑上衰減就會越嚴(yán)重。同時在自由空間中，大氣中的每一個部分都充滿著空氣和水蒸氣，空氣中的氧氣分子和水分子都會對特定波長的電磁波產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振吸收，其共振吸收頻率正好同毫米波無線電的頻率相吻合。毫米波在室外由于繞射能力和穿透能力較弱，會有更高的概率被建筑物和移動物體遮擋，地形和植被對毫米波的影響也更大。因此，當(dāng)5G通信技術(shù)使用毫米波進(jìn)行空間覆蓋時，其覆蓋距離必然會收到嚴(yán)重的限制。再者，毫米波對人的健康的影響也不容忽視。據(jù)研究表明，人的皮膚和角膜對毫米波波段的電磁波吸收能力更強(qiáng)，毫米波是否會對人的健康產(chǎn)生負(fù)面的影響，是十分值得關(guān)注的。

3物聯(lián)網(wǎng)推動

5G和微波技術(shù)融合5G移動通信技術(shù)和微波技術(shù)的融合是物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)“萬物互聯(lián)”應(yīng)用的重要根本途徑，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的具體應(yīng)用需求對微波傳感器的技術(shù)條件提出了更高的需求。在物聯(lián)網(wǎng)無線領(lǐng)域內(nèi)，新型傳感器的開發(fā)更多的融合進(jìn)了微波技術(shù)，微波技術(shù)相關(guān)應(yīng)用已成為物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式設(shè)計中的重要設(shè)計單元，主要表現(xiàn)在無線空口、調(diào)制編碼和新型空口調(diào)制這三點上［4］。無線空口技術(shù)也稱之為“空中接口”技術(shù)，包括物理層、網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層的三個層面，其中物理層是無線空口技術(shù)的核心。無線空口是使用微波技術(shù)的根本技術(shù)，為終端設(shè)備間的互聯(lián)提供最為基礎(chǔ)的技術(shù)保障。F－OFDM技術(shù)能夠自由對每個子載波寬帶進(jìn)行調(diào)整，從而實現(xiàn)不同的應(yīng)用場景下的速率適配。無線空口技術(shù)不僅應(yīng)用到大規(guī)模陣列天線技術(shù)中，還能夠應(yīng)用到諸如移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用技術(shù)中。5G中采用的天線技術(shù)稱為MassiveMIMO（大規(guī)模多輸入多輸出陣列天線），這個技術(shù)是在基站側(cè)采用集成64根天線的天線陣列面板進(jìn)行無線信號覆蓋，64根天線的陣列每一根天線都可以在相同的時間內(nèi)利用相同的頻率傳送不同的數(shù)據(jù)，這是通過不同的天線通過不同的波束在空間中實現(xiàn)不同區(qū)域的覆蓋。這項技術(shù)也是推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的根本舉措。F－OFDM（子帶濾波的正交頻分復(fù)用）主要的功能是控制基站和無線設(shè)備間的無線信息電波的發(fā)送與接收，是一種無線電磁波的調(diào)制與解調(diào)技術(shù)。在5G通信系統(tǒng)中，攜帶信息的無線電波需要經(jīng)過調(diào)制，經(jīng)過自由空間從發(fā)送端發(fā)射到接收終端，接收端需要將無線信號進(jìn)行解調(diào)才能轉(zhuǎn)變成有用數(shù)據(jù)。F－OFDM能夠在與OFDM兼容的情況下進(jìn)行子帶的獨(dú)立工作，從而完成不同應(yīng)用場景的任務(wù)需求。5G是衍生在4G基礎(chǔ)上的新一代無線技術(shù)。隨著時代的不斷發(fā)展進(jìn)步，5G通信技術(shù)已經(jīng)逐步主宰了我國信息事業(yè)的發(fā)展，對于物聯(lián)網(wǎng)而言，5G技術(shù)的應(yīng)用全面革新了物聯(lián)網(wǎng)整體發(fā)展速度，龐大的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實現(xiàn)了整個物體的串聯(lián)，也實現(xiàn)了人與物體的信息溝通。因此，挖掘基于5G時代物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)應(yīng)用的學(xué)習(xí)具有實際作用，我們應(yīng)當(dāng)在5G技術(shù)的引領(lǐng)下，探索物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)應(yīng)用的未來發(fā)展趨勢，把握第四次工業(yè)革命的時代命題。

4結(jié)束語

我們應(yīng)了解微波通信技術(shù)本身具備的特點，將其應(yīng)用于5G回傳。微波中毫米波頻段具有豐富的頻譜資源，可充分支持5G通信的需要，但毫米波通信受環(huán)境影響大。物聯(lián)網(wǎng)的提出意味著萬物互聯(lián)時代到來，物聯(lián)網(wǎng)日益增長的需求為微波通信技術(shù)和5G的融合發(fā)展提供新的動力，微波技術(shù)在5G的應(yīng)用為我國通信行業(yè)穩(wěn)步發(fā)展提供有力支持。

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作者：：孫志堅 單位內(nèi)蒙古廣播電視微波傳輸總站