淺談5G通信的微波技術(shù)應(yīng)用

孫志堅(jiān)

(內(nèi)蒙古廣播電視微波傳輸總站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050)

隨著5G技術(shù)的到來(lái)，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(kāi)通基站的情況下回傳首選的方案。5G承載對(duì)微波帶來(lái)的最大挑戰(zhàn)是帶寬、時(shí)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(shí)會(huì)遇到與低頻段不同的若干問(wèn)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(wú)線電磁波進(jìn)行通信的無(wú)線通信方式，其電波波長(zhǎng)分布在0.1mm～1m這個(gè)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(wú)線電波頻率，因此又被稱(chēng)為“超高頻電磁波通信”。微波通信按照其使用的無(wú)線電磁波波長(zhǎng)，可分為分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波四個(gè)波段，工程上微波通信主要使用的頻率范圍為3GHz～40GHz，見(jiàn)表1[1]。

表1 微波波段

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(diǎn)。常見(jiàn)的電磁波通信方式可分為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸和廣播方式傳輸。由于微波通信使用的頻率較高、波長(zhǎng)較短，因此其繞射能力和穿透能力會(huì)比較差，在傳輸過(guò)程中衰減就會(huì)比較大，進(jìn)而限制其傳播距離，因此微波通信一般會(huì)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式進(jìn)行傳播，見(jiàn)圖1。

圖1 無(wú)線電波通信方式

隨著無(wú)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(méi)有障礙物阻擋，發(fā)射的無(wú)線電磁波信號(hào)通過(guò)近乎直線的方式傳播。這就要求在視距傳輸?shù)倪^(guò)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(huì)嚴(yán)重影響微波傳輸?shù)男盘?hào)質(zhì)量。同時(shí)由于地球是近乎圓球形的橢球體，當(dāng)微波傳輸?shù)膬牲c(diǎn)之間的傳輸距離過(guò)長(zhǎng)的話，傳輸距離與地球半徑可相比擬時(shí)，地球表面凸起便會(huì)對(duì)微波傳輸產(chǎn)生影響，微波通信的電磁波會(huì)受到地表的阻擋。如圖2所示。

圖2 微波通信受地表阻擋示意

微波通信的無(wú)線電磁波在空中傳播特征與光波相近，通過(guò)直線方式進(jìn)行信號(hào)的傳播。微波無(wú)線信號(hào)具有頻率高、波長(zhǎng)短的特性，一旦遇到物體阻擋，微波信號(hào)就會(huì)被阻斷，影響通信信號(hào)的傳輸。為了實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的信號(hào)傳輸，需要借助微波中繼站轉(zhuǎn)發(fā)高頻無(wú)線電信號(hào)，通常微波中繼站之間的距離為50km左右。通過(guò)微波通信接力的方式可以實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的超遠(yuǎn)距離傳播，如圖3所示。

圖3 微波接力通信示意

2 5G承載對(duì)微波技術(shù)帶來(lái)的挑戰(zhàn)

鑒于4G的LTE技術(shù)已經(jīng)成為移動(dòng)通信的主流技術(shù)，因此5G移動(dòng)通信系統(tǒng)需要對(duì)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(dòng)通信系統(tǒng)，5G具有更優(yōu)秀的無(wú)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(jí)，帶來(lái)更加優(yōu)質(zhì)的用戶體驗(yàn)。由于5G移動(dòng)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(gè)5G基站所能承載的用戶數(shù)與4G基站所能承載的相比會(huì)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(shí)間內(nèi)開(kāi)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(duì)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(wú)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(chǎng)景下，前傳的帶寬需求就已經(jīng)達(dá)到了5Gbps，而對(duì)于5G來(lái)說(shuō)，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(huì)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(chǎng)景的不同，5G基站頻率配置的不同，不同場(chǎng)景下的峰值帶寬也有較大的不同，其場(chǎng)景分布見(jiàn)表2。

表2 不同場(chǎng)景回傳帶寬需求

不同標(biāo)準(zhǔn)組織都對(duì)5G技術(shù)的時(shí)延做了初步規(guī)范，其中要求在增強(qiáng)移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)中，用戶時(shí)延應(yīng)控制在4ms以內(nèi)，控制領(lǐng)域時(shí)延應(yīng)控制在10ms以內(nèi)；而在超高可靠超低時(shí)延通信業(yè)務(wù)中用戶時(shí)延應(yīng)在0.5ms以內(nèi)，控制領(lǐng)域時(shí)延在10ms以內(nèi)，具體見(jiàn)表3。

表3 5G時(shí)延需求

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(lèi)新的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)5G基站回傳的可靠性提出了更高的要求。

在5G無(wú)線空口技術(shù)上，新頻譜的開(kāi)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(zhǎng)范圍為1mm～10mm。相比于4G使用的分米波波段，其頻率更高，波長(zhǎng)更短，故而其散射與繞射能力相對(duì)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(guò)程中，大氣、降雨等對(duì)毫米波傳輸都會(huì)造成較嚴(yán)重的吸收損耗，根據(jù)無(wú)線電波自由空間傳輸損耗原理，無(wú)線電波的頻率越高在其傳輸路徑上衰減就會(huì)越嚴(yán)重。同時(shí)在自由空間中，大氣中的每一個(gè)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(huì)對(duì)特定波長(zhǎng)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(wú)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(huì)有更高的概率被建筑物和移動(dòng)物體遮擋，地形和植被對(duì)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(shí)，其覆蓋距離必然會(huì)收到嚴(yán)重的限制。再者，毫米波對(duì)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(duì)毫米波波段的電磁波吸收能力更強(qiáng)，毫米波是否會(huì)對(duì)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(dòng)5G和微波技術(shù)融合

5G移動(dòng)通信技術(shù)和微波技術(shù)的融合是物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)“萬(wàn)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(duì)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(wú)線領(lǐng)域內(nèi)，新型傳感器的開(kāi)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(jì)中的重要設(shè)計(jì)單元，主要表現(xiàn)在無(wú)線空口、調(diào)制編碼和新型空口調(diào)制這三點(diǎn)上[4]。

無(wú)線空口技術(shù)也稱(chēng)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(gè)層面，其中物理層是無(wú)線空口技術(shù)的核心。無(wú)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(duì)每個(gè)子載波寬帶進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用場(chǎng)景下的速率適配。無(wú)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(dòng)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(chēng)為Massive MIMO(大規(guī)模多輸入多輸出陣列天線)，這個(gè)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(wú)線信號(hào)覆蓋，64根天線的陣列每一根天線都可以在相同的時(shí)間內(nèi)利用相同的頻率傳送不同的數(shù)據(jù)，這是通過(guò)不同的天線通過(guò)不同的波束在空間中實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域的覆蓋。這項(xiàng)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(wú)線設(shè)備間的無(wú)線信息電波的發(fā)送與接收，是一種無(wú)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(wú)線電波需要經(jīng)過(guò)調(diào)制，經(jīng)過(guò)自由空間從發(fā)送端發(fā)射到接收終端，接收端需要將無(wú)線信號(hào)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(chǎng)景的任務(wù)需求。

5G是衍生在4G基礎(chǔ)上的新一代無(wú)線技術(shù)。隨著時(shí)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(guó)信息事業(yè)的發(fā)展，對(duì)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(shí)現(xiàn)了整個(gè)物體的串聯(lián)，也實(shí)現(xiàn)了人與物體的信息溝通。因此，挖掘基于5G時(shí)代物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)應(yīng)用的學(xué)習(xí)具有實(shí)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(lái)發(fā)展趨勢(shì)，把握第四次工業(yè)革命的時(shí)代命題。

4 結(jié)束語(yǔ)

我們應(yīng)了解微波通信技術(shù)本身具備的特點(diǎn)，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(wàn)物互聯(lián)時(shí)代到來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)日益增長(zhǎng)的需求為微波通信技術(shù)和5G的融合發(fā)展提供新的動(dòng)力，微波技術(shù)在5G的應(yīng)用為我國(guó)通信行業(yè)穩(wěn)步發(fā)展提供有力支持。