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摘要：闡釋了微波通信原理，介紹了5g承載對微波技術帶來的挑戰，最后闡述了物聯網推動5G和微波通信融合發展的趨勢。

關鍵詞：微波通信；5G；回傳；毫米波；物聯網

隨著5G技術的到來，微波通信技術將迅速發展。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，但應用毫米波時會遇到與低頻段不同的若干問題與挑戰。

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。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］。微波通信系統作為現代通信網絡中的重要通信手段，具有容量大、傳輸質量高以及超遠距離的優點。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行傳播，見圖1。隨著無線電通信技術的發展，很多重要領域都存在微波通信技術身影，主要進行地面視距傳播。所謂視距傳輸是指微波發射天線和微波接收天線之間沒有障礙物阻擋，發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的過程中，收發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，就會嚴重影響微波傳輸的信號質量。同時由于地球是近乎圓球形的橢球體，當微波傳輸的兩點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。為了實現超遠距離的信號傳輸，需要借助微波中繼站轉發高頻無線電信號，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微波信號的超遠距離傳播，如圖3所示。

25G承載對微波技術帶來的挑戰

鑒于4G的LTE技術已經成為移動通信的主流技術，因此5G移動通信系統需要對4G系統在技術基礎上進行兼容構建。相比于4G移動通信系統，5G具有更優秀的無線電頻譜利用率，信息數據的傳輸速率將達到更高的量級，帶來更加優質的用戶體驗。由于5G移動通信系統使用的頻率較高，5G技術標準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行基站建設。在光纜部署存在困難或需要在較短時間內開通基站的情況下，利用微波設備進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定性提出了更高的要求［2］。根據5G無線接入網結構特性，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達到了5Gbps，而對于5G來說，即便是最小工程可用需求也達到了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2Gbps而5G的可能達到10Gbps以上。根據使用場景的不同，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。不同標準組織都對5G技術的時延做了初步規范，其中要求在增強移動寬帶業務中，用戶時延應控制在4ms以內，控制領域時延應控制在10ms以內；而在超高可靠超低時延通信業務中用戶時延應在0．5ms以內，控制領域時延在10ms以內，具體見表3。除eMBB應用外，5G還有uRLLC與mMTC（大連接物聯網）等的應用，各類新的應用場景對5G基站回傳的可靠性提出了更高的要求。在5G無線空口技術上，新頻譜的開發利用是極為重要的一環。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重的吸收損耗，根據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生強烈的共振吸收，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5G通信技術使用毫米波進行空間覆蓋時，其覆蓋距離必然會收到嚴重的限制。再者，毫米波對人的健康的影響也不容忽視。據研究表明，人的皮膚和角膜對毫米波波段的電磁波吸收能力更強，毫米波是否會對人的健康產生負面的影響，是十分值得關注的。

3物聯網推動

5G和微波技術融合5G移動通信技術和微波技術的融合是物聯網實現“萬物互聯”應用的重要根本途徑，物聯網技術的具體應用需求對微波傳感器的技術條件提出了更高的需求。在物聯網無線領域內，新型傳感器的開發更多的融合進了微波技術，微波技術相關應用已成為物聯網和嵌入式設計中的重要設計單元，主要表現在無線空口、調制編碼和新型空口調制這三點上［4］。無線空口技術也稱之為“空中接口”技術，包括物理層、網絡層和鏈路層的三個層面，其中物理層是無線空口技術的核心。無線空口是使用微波技術的根本技術，為終端設備間的互聯提供最為基礎的技術保障。F－OFDM技術能夠自由對每個子載波寬帶進行調整，從而實現不同的應用場景下的速率適配。無線空口技術不僅應用到大規模陣列天線技術中，還能夠應用到諸如移動互聯網、物聯網等應用技術中。5G中采用的天線技術稱為MassiveMIMO（大規模多輸入多輸出陣列天線），這個技術是在基站側采用集成64根天線的天線陣列面板進行無線信號覆蓋，64根天線的陣列每一根天線都可以在相同的時間內利用相同的頻率傳送不同的數據，這是通過不同的天線通過不同的波束在空間中實現不同區域的覆蓋。這項技術也是推進物聯網技術發展的根本舉措。F－OFDM（子帶濾波的正交頻分復用）主要的功能是控制基站和無線設備間的無線信息電波的發送與接收，是一種無線電磁波的調制與解調技術。在5G通信系統中，攜帶信息的無線電波需要經過調制，經過自由空間從發送端發射到接收終端，接收端需要將無線信號進行解調才能轉變成有用數據。F－OFDM能夠在與OFDM兼容的情況下進行子帶的獨立工作，從而完成不同應用場景的任務需求。5G是衍生在4G基礎上的新一代無線技術。隨著時代的不斷發展進步，5G通信技術已經逐步主宰了我國信息事業的發展，對于物聯網而言，5G技術的應用全面革新了物聯網整體發展速度，龐大的信息網絡系統實現了整個物體的串聯，也實現了人與物體的信息溝通。因此，挖掘基于5G時代物聯網相關技術應用的學習具有實際作用，我們應當在5G技術的引領下，探索物聯網相關技術應用的未來發展趨勢，把握第四次工業革命的時代命題。

4結束語

我們應了解微波通信技術本身具備的特點，將其應用于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，但毫米波通信受環境影響大。物聯網的提出意味著萬物互聯時代到來，物聯網日益增長的需求為微波通信技術和5G的融合發展提供新的動力，微波技術在5G的應用為我國通信行業穩步發展提供有力支持。

［參考文獻］

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［3］W．Hong，etal．TheRoleofMillimeter－WaveTechnologiesin5G／6GWirelessCommunications［J］．IEEEJournalofMicrowaves，2021，1（1）．

［4］陳磊，鄒淑華．60GHz短距離高速率微波在LTE中的應用前景［J］．電信技術，2013，（10）：54～56．

［5］張浩．論5G時代對物聯網相關技術學習的影響［J］．中國新通信，2020，22（24）：44～45

作者：：孫志堅 單位內蒙古廣播電視微波傳輸總站