5G通信微波技术应用分析

摘要：阐释了微波通信原理，介绍了5G承载对微波技术带来的挑战，最后阐述了物联网推动5G和微波通信融合发展的趋势。

关键词：微波通信；5G；回传；毫米波；物联网

随着5G技术的到来，微波通信技术将迅速发展。微波通信是在光缆部署困难或需要快速开通基站的情况下回传首选的方案。5G承载对微波带来的最大挑战是带宽、时延和可靠性等需求。采用微波通信中的毫米波通信可以增大频带宽度，但应用毫米波时会遇到与低频段不同的若干问题与挑战。

1微波通信原理

微波通信是指使用频率分布在300MHz～300GHz的无线电磁波进行通信的无线通信方式，其电波波长分布在0．1mm～1m这个范围之内。由于微波通信使用的频率高于一般通信手段使用的无线电波频率，因此又被称为“超高频电磁波通信”。微波通信按照其使用的无线电磁波波长，可分为分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波四个波段，工程上微波通信主要使用的频率范围为3GHz～40GHz，见表1［1］。微波通信系统作为现代通信网络中的重要通信手段，具有容量大、传输质量高以及超远距离的优点。常见的电磁波通信方式可分为点对点传输和广播方式传输。由于微波通信使用的频率较高、波长较短，因此其绕射能力和穿透能力会比较差，在传输过程中衰减就会比较大，进而限制其传播距离，因此微波通信一般会采用点对点的方式进行传播，见图1。随着无线电通信技术的发展，很多重要领域都存在微波通信技术身影，主要进行地面视距传播。所谓视距传输是指微波发射天线和微波接收天线之间没有障碍物阻挡，发射的无线电磁波信号通过近乎直线的方式传播。这就要求在视距传输的过程中，收发天线之间不能存在任何障碍物，若存在高山或高耸建筑物遮挡，就会严重影响微波传输的信号质量。同时由于地球是近乎圆球形的椭球体，当微波传输的两点之间的传输距离过长的话，传输距离与地球半径可相比拟时，地球表面凸起便会对微波传输产生影响，微波通信的电磁波会受到地表的阻挡。如图2所示。微波通信的无线电磁波在空中传播特征与光波相近，通过直线方式进行信号的传播。微波无线信号具有频率高、波长短的特性，一旦遇到物体阻挡，微波信号就会被阻断，影响通信信号的传输。为了实现超远距离的信号传输，需要借助微波中继站转发高频无线电信号，通常微波中继站之间的距离为50km左右。通过微波通信接力的方式可以实现微波信号的超远距离传播，如图3所示。

25G承载对微波技术带来的挑战

鉴于4G的LTE技术已经成为移动通信的主流技术，因此5G移动通信系统需要对4G系统在技术基础上进行兼容构建。相比于4G移动通信系统，5G具有更优秀的无线电频谱利用率，信息数据的传输速率将达到更高的量级，带来更加优质的用户体验。由于5G移动通信系统使用的频率较高，5G技术标准提供的用户传输速率要求也很高，单个5G基站所能承载的用户数与4G基站所能承载的相比会更少，因此5G基站需要以更高密度的方式进行基站建设。在光缆部署存在困难或需要在较短时间内开通基站的情况下，利用微波设备进行信息回传则是首选的方案。5G对基站回传承载的带宽和稳定性提出了更高的要求［2］。根据5G无线接入网结构特性，承载将分为前传、中传和回传，其中前传承载AAU（有源天线处理单元）和DU（分布单元）之间的流量；中传承载DU（分布单元）和CU（集中单元）之间的流量；回传承载CU和核心网之间的流量。在原有的4G使用场景下，前传的带宽需求就已经达到了5Gbps，而对于5G来说，即便是最小工程可用需求也达到了10Gbps，在前传中使用微波的情况不会太高。在回传层面，4G基站回传传输局容量最高达2Gbps而5G的可能达到10Gbps以上。根据使用场景的不同，5G基站频率配置的不同，不同场景下的峰值带宽也有较大的不同，其场景分布见表2。不同标准组织都对5G技术的时延做了初步规范，其中要求在增强移动宽带业务中，用户时延应控制在4ms以内，控制领域时延应控制在10ms以内；而在超高可靠超低时延通信业务中用户时延应在0．5ms以内，控制领域时延在10ms以内，具体见表3。除eMBB应用外，5G还有uRLLC与mMTC（大连接物联网）等的应用，各类新的应用场景对5G基站回传的可靠性提出了更高的要求。在5G无线空口技术上，新频谱的开发利用是极为重要的一环。毫米波频段具有丰富的频谱资源，可充分支持5G通信的需要［3］。毫米波通信是微波通信的一种，其使用电磁波频率范围为30GHz～300GHz，波长范围为1mm～10mm。相比于4G使用的分米波波段，其频率更高，波长更短，故而其散射与绕射能力相对较差，因此毫米波传输更接近光传输，主要依赖视通路径进行传输，而且毫米波天线波束窄，具有良好的方向性，但也更容易被反射或被阻断［4］。在自由空间传播过程中，大气、降雨等对毫米波传输都会造成较严重的吸收损耗，根据无线电波自由空间传输损耗原理，无线电波的频率越高在其传输路径上衰减就会越严重。同时在自由空间中，大气中的每一个部分都充满着空气和水蒸气，空气中的氧气分子和水分子都会对特定波长的电磁波产生强烈的共振吸收，其共振吸收频率正好同毫米波无线电的频率相吻合。毫米波在室外由于绕射能力和穿透能力较弱，会有更高的概率被建筑物和移动物体遮挡，地形和植被对毫米波的影响也更大。因此，当5G通信技术使用毫米波进行空间覆盖时，其覆盖距离必然会收到严重的限制。再者，毫米波对人的健康的影响也不容忽视。据研究表明，人的皮肤和角膜对毫米波波段的电磁波吸收能力更强，毫米波是否会对人的健康产生负面的影响，是十分值得关注的。

3物联网推动

5G和微波技术融合5G移动通信技术和微波技术的融合是物联网实现“万物互联”应用的重要根本途径，物联网技术的具体应用需求对微波传感器的技术条件提出了更高的需求。在物联网无线领域内，新型传感器的开发更多的融合进了微波技术，微波技术相关应用已成为物联网和嵌入式设计中的重要设计单元，主要表现在无线空口、调制编码和新型空口调制这三点上［4］。无线空口技术也称之为“空中接口”技术，包括物理层、网络层和链路层的三个层面，其中物理层是无线空口技术的核心。无线空口是使用微波技术的根本技术，为终端设备间的互联提供最为基础的技术保障。F－OFDM技术能够自由对每个子载波宽带进行调整，从而实现不同的应用场景下的速率适配。无线空口技术不仅应用到大规模阵列天线技术中，还能够应用到诸如移动互联网、物联网等应用技术中。5G中采用的天线技术称为MassiveMIMO（大规模多输入多输出阵列天线），这个技术是在基站侧采用集成64根天线的天线阵列面板进行无线信号覆盖，64根天线的阵列每一根天线都可以在相同的时间内利用相同的频率传送不同的数据，这是通过不同的天线通过不同的波束在空间中实现不同区域的覆盖。这项技术也是推进物联网技术发展的根本举措。F－OFDM（子带滤波的正交频分复用）主要的功能是控制基站和无线设备间的无线信息电波的发送与接收，是一种无线电磁波的调制与解调技术。在5G通信系统中，携带信息的无线电波需要经过调制，经过自由空间从发送端发射到接收终端，接收端需要将无线信号进行解调才能转变成有用数据。F－OFDM能够在与OFDM兼容的情况下进行子带的独立工作，从而完成不同应用场景的任务需求。5G是衍生在4G基础上的新一代无线技术。随着时代的不断发展进步，5G通信技术已经逐步主宰了我国信息事业的发展，对于物联网而言，5G技术的应用全面革新了物联网整体发展速度，庞大的信息网络系统实现了整个物体的串联，也实现了人与物体的信息沟通。因此，挖掘基于5G时代物联网相关技术应用的学习具有实际作用，我们应当在5G技术的引领下，探索物联网相关技术应用的未来发展趋势，把握第四次工业革命的时代命题。

4结束语

我们应了解微波通信技术本身具备的特点，将其应用于5G回传。微波中毫米波频段具有丰富的频谱资源，可充分支持5G通信的需要，但毫米波通信受环境影响大。物联网的提出意味着万物互联时代到来，物联网日益增长的需求为微波通信技术和5G的融合发展提供新的动力，微波技术在5G的应用为我国通信行业稳步发展提供有力支持。

［参考文献］

［1］黄雪杉．微波通信的应用及前景分析［J］．电子世界，2020，（19）：74～75．

［2］钟旻．毫米波在5G移动通信中应用———迎接5G时代的到来［J］．数字通信世界，2018，（9）：1～2，17．

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

［4］陈磊，邹淑华．60GHz短距离高速率微波在LTE中的应用前景［J］．电信技术，2013，（10）：54～56．

［5］张浩．论5G时代对物联网相关技术学习的影响［J］．中国新通信，2020，22（24）：44～45

作者：：孙志坚 单位内蒙古广播电视微波传输总站