微波及毫米波技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)通信中的應(yīng)用研究

常 巍

(中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

0 引言

如今是網(wǎng)絡(luò)信息時代，面對不斷增長的網(wǎng)絡(luò)通信流量以及新型的專業(yè)設(shè)備，5G的研發(fā)與使用成為大勢所趨，5G毫米波技術(shù)因傳輸距離存在缺陷并未得到廣泛應(yīng)用，而隨著技術(shù)與設(shè)備的更新?lián)Q代，更加需要5G毫米波穩(wěn)定的方向性與高速率，5G毫米波又重回大眾視野得到業(yè)界的認可。現(xiàn)階段，毫米波的研究已經(jīng)成為5G開發(fā)的重要組成之一，越來越多的頻譜資源為毫米波的應(yīng)用提供了方向，為其在網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)應(yīng)用的研究提供了技術(shù)支持。

1 微波及毫米波技術(shù)概述

1.1 毫米波技術(shù)概述

毫米波本質(zhì)是一種電磁波，其波長為1～10 mm，是人類所感知不到的頻譜，從頻率的角度來講，毫米波的頻率隨波動速度提升而提升，是5G的重要組成之一。在5G之前，并未進行毫米波的研究與使用，僅針對6 GHz以下的頻段，即Sub-6 GHz展開研究，然而在世界范圍內(nèi)Sub-6 GHz非常稀缺，而5G毫米波的使用無疑帶來了諸多技術(shù)突破。于網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)而言，Sub-6 GHz僅能達到100 MHz的寬帶，而5G毫米波能將其增強至8倍以上，可達到800 MHz，除此之外，5G毫米波在醫(yī)療領(lǐng)域也顯示出了強大的作用。現(xiàn)階段，全球有超過150家運營商對5G毫米波技術(shù)進行投資并用于商用網(wǎng)絡(luò)，我國在2020年也進行了相關(guān)準備與測試[1]。

1.2 微波傳輸技術(shù)的內(nèi)涵

“微波”是指波長比較短的電磁波，波長一般為1 mm～1 m，傳輸頻率為300 MHz～300 GHz，屬于相對比較靈活的信息傳輸介質(zhì)。微波傳輸技術(shù)主要是利用微波的形態(tài)特點去實現(xiàn)信號的傳輸，微波傳輸信號最早期被應(yīng)用于通信行業(yè)，隨著技術(shù)發(fā)展，逐步拓寬到廣播電視領(lǐng)域。電磁波傳輸過程中的特點與光波很相似，采用的都是直線傳播的形式，在遇到阻礙物時，信號會被中斷。因此，微波傳輸技術(shù)要得到更穩(wěn)定的傳輸和發(fā)展，需要隔一段距離即對信號進行加強和轉(zhuǎn)播，實現(xiàn)大范圍的區(qū)域覆蓋[2]。

1.3 毫米波技術(shù)概述

毫米波的用處十分廣泛，但其傳播極易受到影響，除建筑物、地表等外，雨滴、雪花，甚至大氣中的分子顆粒、塵土、煙霧等，都會阻礙其傳播。此外，毫米波依靠高頻傳輸，導(dǎo)致其傳輸性能出現(xiàn)以下缺點:(1)毫米波能量發(fā)散迅速，非常容易變?nèi)酰偌由鲜芟藓芏啵y以傳遞到較遠距離，覆蓋面較小。(2)以波長更短、頻率更高的可見光作比，難以穿透物體，毫米波就更加容易受到阻擋、反射與折射。(3)水分子等空間因素會通過吸收大幅度降低毫米波的信號，故其衰減極快。盡管毫米波存在較多的影響因素，但其強大作用能激發(fā)人們源源不斷地探索與優(yōu)化，只要保證毫米波數(shù)據(jù)的連續(xù)性，利用先進技術(shù)做好充足的預(yù)算，就能確保其傳輸距離。

2 微波及毫米波技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)通信中的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 微波傳輸在網(wǎng)絡(luò)通信中的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1.1 容易穿越復(fù)雜地形

微波傳輸受地理環(huán)境的影響程度較低，因此可以較好地穿越惡劣地形進行信號傳輸，比如沼澤、沙漠山區(qū)以及大面積林區(qū)等。其信號傳輸質(zhì)量可以與高質(zhì)量光纜相媲美，特別是在網(wǎng)絡(luò)分配以及數(shù)字節(jié)點建立過程中，能夠發(fā)揮出更為突出的優(yōu)勢。而且光纜敷設(shè)的投資成本相對也較大，需要敷設(shè)相應(yīng)的管道，面對復(fù)雜地質(zhì)的時候存在較多困難，微波傳輸設(shè)備的使用則沒有這些問題[3]。

2.1.2 抗干擾能力強

無論是電磁波還是微波，其信號抗干擾能力與傳統(tǒng)信號傳輸方式相比都具有不可比擬的優(yōu)勢。另外，微波傳輸與一般的短波傳輸相比，抗干擾能力也更強，可以抵抗大部分的太陽黑子影響以及天電干擾。有研究表明，當波頻達到100 MHz以上時，上述干擾影響幾乎可以忽略不計，而微波傳輸?shù)念l率可以達到300 MHz以上，穩(wěn)定性非常強[4]。

2.1.3 傳輸設(shè)施建設(shè)快、投資少

由于微波傳輸技術(shù)本身所依賴的設(shè)備比較少，建設(shè)相應(yīng)的信號傳輸基站以及傳輸系統(tǒng)，無需投入過多的基礎(chǔ)設(shè)施，這能在很大程度上提高傳輸系統(tǒng)建設(shè)效率，降低成本。與此同時，建設(shè)過程中所投入的人力成本以及其他費用支出也會大幅降低。在通信質(zhì)量與通信容量保持一致的情況下，采用微波傳輸技術(shù)要比光纜通信設(shè)施建設(shè)所消耗的費用少50%以上，項目建設(shè)進度也更快。

2.1.4 通信靈活性強，不易受自然災(zāi)害影響

通過微波傳輸?shù)姆绞娇梢杂行崿F(xiàn)地面遠距離的信號傳輸，規(guī)避高山、湖泊等的影響。當通信地區(qū)發(fā)生自然災(zāi)害的時候，設(shè)備也能夠被迅速轉(zhuǎn)移或撤收，設(shè)備使用比較靈活。在自然災(zāi)害發(fā)生之后，設(shè)備也能夠快速重新安裝，恢復(fù)通信。遭遇自然災(zāi)害時，如果采用光纜通信，線路設(shè)備等可能會斷裂，微波通道卻不會被輕易破壞，而且微波網(wǎng)絡(luò)只要經(jīng)過合理規(guī)劃，還能夠與其他現(xiàn)代傳輸媒質(zhì)有效連接，一起支持和補充光纖傳送網(wǎng)。

2.1.5 能夠提高信息傳輸過程中的安全性

微波傳輸技術(shù)是在特殊設(shè)備的輔助應(yīng)用下實現(xiàn)信號的輸出和接入，即使信號在傳輸過程中被攔截，也無法對所攔截信號信息進行解密，能夠保證信息傳輸過程中的安全性。

2.1.6 能夠有效降低信號對線路的依賴性

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)信號傳輸都是以光纜為主，在信號傳輸過程中需要布設(shè)很長的通信線路完成信號的傳輸。而應(yīng)用微波傳輸技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通信傳輸不需要借助通信線路，可以在中繼站、接收終端等遠距離下完成網(wǎng)絡(luò)通信傳輸工作，降低信號對線路的依賴，所以，微波傳輸技術(shù)具有很好的發(fā)展前景。

2.1.7 能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信傳輸?shù)募苫攸c

將微波傳輸技術(shù)有效應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)通信傳輸中，鑒于微波傳輸技術(shù)的特點，能夠提高影像錄入、系統(tǒng)監(jiān)控以及信號傳輸過程之間的聯(lián)系，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信傳輸多個環(huán)節(jié)的銜接，在實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信傳輸集成化的同時，進一步推動了網(wǎng)絡(luò)通信行業(yè)的發(fā)展[5]。

2.2 毫米波優(yōu)勢分析

2.2.1 寬帶極寬

毫米波的頻率最高可達300 GHz，寬帶可達273.5 GHz，超過以往寬帶的10倍多，將其融入網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)能夠有效提升信道容量，極其適用于高速信息傳輸業(yè)務(wù)。

2.2.2 波束較窄

毫米波的波束極窄，能夠用于分辨距離更近的小目標，或用于觀察目標細節(jié)。例如，一段12 cm的天線，9.4 GHz時其寬度為18°，而94 GHz時寬度僅有1.8°，相差極大[6]。

2.2.3 安全

毫米波傳播距離較短，波束窄，難以被中途或遠距離截取，因此，網(wǎng)絡(luò)通信信息的安全程度較高。

2.2.4 方向性強

毫米波的傳輸極易受到阻礙，傳播距離較短，但正因如此，也降低了信號受到干擾的可能性，提高了傳播精度的同時加強了傳輸?shù)姆较蛐訹7]。這也反映了毫米波的劣勢能轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢，其超高的頻率使得不需要大尺寸的接收天線，意味著終端設(shè)備的機身能夠比以往更小，或在原有的基礎(chǔ)上裝備更多的高頻天線，實現(xiàn)更好的信息接收效果。

3 微波及毫米波技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)通信中的應(yīng)用策略

3.1 微波傳輸技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)通信中的應(yīng)用

3.1.1 在廣播電視領(lǐng)域中的應(yīng)用

微波傳輸技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓撲能力是比較靈活和多樣化的，且具備了標準化的接口，當遇到問題時可以實現(xiàn)自愈。正是因為微波傳輸具有眾多的優(yōu)勢，因此微波傳輸技術(shù)一步步地取代PDH成為廣播電視傳播的重要方式。微波傳輸技術(shù)、光纖技術(shù)、衛(wèi)星技術(shù)等結(jié)合形成了綜合信息網(wǎng)絡(luò)，如今微波傳輸在廣播電視領(lǐng)域中已經(jīng)成為熱點信號傳輸技術(shù)[8]。通過對該技術(shù)的應(yīng)用，廣播電視網(wǎng)絡(luò)建設(shè)在未來將得到更好的發(fā)展。將光纖傳輸網(wǎng)和微波之間的容量進行對比，可以發(fā)現(xiàn)光纖傳輸網(wǎng)更具有優(yōu)勢，但是在通信干線和支線上，光纖網(wǎng)絡(luò)仍需要微波傳輸網(wǎng)的應(yīng)用，實現(xiàn)技術(shù)上的缺陷補充和保護[9]。

3.1.2 在特殊場合中的應(yīng)用

數(shù)字微波通信系統(tǒng)具有眾多的優(yōu)勢，同時擁有光纖級的傳輸性、網(wǎng)絡(luò)管理和開放性系統(tǒng)的雙重優(yōu)勢，可以應(yīng)用在型號不同的ADM之中，使得ADM之間自由交換、交叉互連。實際應(yīng)用也證明了，當發(fā)生自然災(zāi)害或在某些特殊場合中，對衛(wèi)星地球站、移動通信網(wǎng)基站和專用網(wǎng)進行連接，或者是連接農(nóng)村等一些較為偏遠的地區(qū)時，微波傳輸技術(shù)都是更加方便的一種連接方式，和其他連接方式相比，性價比也比較高。因此，我國不僅要重視對光纖干線傳輸?shù)难芯浚€要注重對微波傳輸數(shù)字微波通信的相關(guān)研究。

3.1.3 微波傳輸?shù)膬?yōu)勢

微波傳輸是一種新型的利用數(shù)字微波實現(xiàn)信息傳遞的傳輸方式，這種傳輸方式是通過微波作為整個傳輸過程的載體實現(xiàn)對數(shù)字信息的傳輸，其優(yōu)勢在于聚集微波傳輸和微波通信兩者的優(yōu)點。將微波通信升級成為微波傳輸已經(jīng)是未來微波通信發(fā)展的必經(jīng)之路。微波通信的使用可以實現(xiàn)更多的數(shù)字數(shù)據(jù)的傳播，傳輸更多的數(shù)字化電視節(jié)目，提升網(wǎng)絡(luò)傳輸效率；將數(shù)字微波和光纖微波網(wǎng)絡(luò)作為備份，能進一步提高網(wǎng)絡(luò)使用安全；對微波網(wǎng)絡(luò)進行建設(shè)，可以實現(xiàn)多個平臺的傳送，網(wǎng)絡(luò)承載力將會提高。

3.2 毫米波技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)通信中的應(yīng)用

3.2.1 毫米波小基站

在我國通信工程建設(shè)的全方位部署中，商用化的毫米波基站成熟之前，目標網(wǎng)的構(gòu)建會采取4G與5G協(xié)同的方式，其中5G會采用Sub-6 GHz，主要采取宏站覆蓋。但隨著更多的連接進入網(wǎng)絡(luò)，其密度會大幅提升，毫米波的引入成為網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的必然走勢，也是各界關(guān)注的熱點話題。考慮到毫米波的傳輸距離與覆蓋范圍的受限問題，未來的無線接入會以小基站場景為主。

3.2.2 基站回傳

要實現(xiàn)基站回傳必須滿足兩個條件，一是要有穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)，二是要有可靠高速的性能。這對于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)而言難以實現(xiàn)，因此，現(xiàn)階段的基站回傳仍舊采用光纖布纜進行有線傳輸。然而，光纖布纜布置難度與日俱增，加之光纖資源的緊張，無線回傳技術(shù)的研發(fā)再次成為人們關(guān)注的重點。毫米波的應(yīng)用使人們看到了新的方向，大寬帶高速率能夠?qū)崿F(xiàn)相同面積上更多的天線集中部署，在很大程度上滿足了基站回傳的網(wǎng)絡(luò)特性。使用毫米波進行基站回傳，一方面能夠?qū)⑵渥鳛榻K端設(shè)備，另一方面可以實現(xiàn)無線回傳，很好地解決了光纖資源不足與光纖布放成本較大的問題。

3.2.3 垂直行業(yè)專網(wǎng)

毫米波不僅具有大寬帶和高速率的優(yōu)勢，將其部分頻點進行規(guī)劃還能為行業(yè)用戶的轉(zhuǎn)網(wǎng)提供服務(wù)。此外，與移動邊緣計算、人工智能的有機融合，能夠更充分地發(fā)揮其各自的優(yōu)勢，為其技術(shù)的進步提供更加專業(yè)性的解決方案，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信安全可靠的網(wǎng)絡(luò)支持[10]。

4 結(jié)語

隨著新興技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)通信也要做到與時俱進，要充分發(fā)揮毫米波大寬帶、高速率等優(yōu)勢，充分融合網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，為科技創(chuàng)新注入新鮮活力。而且，微波及毫米波技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)通信中的應(yīng)用還影響著智能、萬物互聯(lián)等產(chǎn)業(yè)，微波及毫米波技術(shù)的充分應(yīng)用能夠使各行各業(yè)實現(xiàn)技術(shù)升級，為創(chuàng)新驅(qū)動提供無限可能。