5G微波性能估算及應(yīng)用研究

曾云光，黃陳橫（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州 510630）

0 引言

隨著移動(dòng)帶寬的高速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)容量增長(zhǎng)迅猛，作為移動(dòng)承載網(wǎng)重要回傳方式之一的微波網(wǎng)絡(luò)，面臨超大業(yè)務(wù)容量和站址密集部署的雙重挑戰(zhàn)［3］。如圖1所示，根據(jù)ITU-R 的頻譜規(guī)劃，常規(guī)6～42 GHz 微波擁有的頻譜資源小于20 GHz，其傳送高帶寬的頻率資源消耗很高，其主流調(diào)制波道間隔多為14～56 MHz（少數(shù)國(guó)家為承載更大的容量，也有使用112 MHz，甚至224 MHz），要傳輸數(shù)百兆帶寬的業(yè)務(wù)就必須采用高階調(diào)制模式。若要傳輸更大容量的業(yè)務(wù)，就需要采用XPIC技術(shù)或是多條微波鏈路組成平行鏈路，這無(wú)疑會(huì)帶來(lái)更高的成本和更復(fù)雜的系統(tǒng)配置。同時(shí)經(jīng)過(guò)多年的開發(fā)利用，越來(lái)越難以獲取新的可用頻點(diǎn)。由此可見，微波要能滿足4G、5G 網(wǎng)絡(luò)高帶寬業(yè)務(wù)的需求，需進(jìn)一步依賴高頻技術(shù)的發(fā)展，71～86 GHz E-band 1 個(gè)頻段的資源就有10 GHz，在很多國(guó)家是全新頻譜，未被占用，可解決帶寬相對(duì)不足的問(wèn)題。未來(lái)越來(lái)越多的Eband 頻譜用于微波傳輸是大勢(shì)所趨，是微波持續(xù)演進(jìn)的主要方向。

圖1 ITU-R 微波頻譜帶寬資源

1 微波演進(jìn)概況

在通信技術(shù)迅速發(fā)展的今天，傳輸設(shè)備越來(lái)越豐富，越來(lái)越完善。光纖傳輸具有容量大，再生中繼段距離長(zhǎng)，抗干擾能力及耐腐蝕性能力強(qiáng)等特點(diǎn)，光纜傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、成本低，性能優(yōu)良，但光纜很脆弱，如在路面施工等工程活動(dòng)中容易被破壞、易受自然災(zāi)害影響，并且有些特殊地形（崇山峻嶺、江海河湖）是不便于鋪設(shè)光纜的［5］，尤其在國(guó)外土地的私有化給光纜的建設(shè)帶來(lái)了極大困難（手續(xù)多且煩，各種許可多達(dá)20多種），導(dǎo)致工程建設(shè)周期長(zhǎng)。該場(chǎng)景下微波傳輸技術(shù)就成了光纜傳輸系統(tǒng)的一種很好的替代與備份，微波傳輸是一種較有效的無(wú)線傳輸手段，其抗災(zāi)害能力強(qiáng)，易于快速恢復(fù)，且發(fā)展越來(lái)越成熟，應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。

如圖2 所示，1947 年貝爾實(shí)驗(yàn)室在紐約和波士頓之間建設(shè)世界第一條模擬微波試驗(yàn)電路（TD-X），其采用頻率調(diào)制（FM）方式，1950 年4 GHz TD-2 微波設(shè)備首次實(shí)現(xiàn)承載商用電話業(yè)務(wù)，60 年代末期，為提高語(yǔ)音質(zhì)量，首次出現(xiàn)數(shù)字微波系統(tǒng)，到80、90年代出現(xiàn)相對(duì)較高速率的PDH、SDH 微波，伴隨著IP 化的進(jìn)程，業(yè)界不斷推出具有更高傳輸效率的IP微波。

圖2 微波發(fā)展歷程

微波傳輸帶寬從模擬時(shí)代的幾十kbit/s，到數(shù)字微波的幾百M(fèi)bit/s，單波道乃至E-band微波的1 Gbit/s，甚至于10 Gbit/s，完全可滿足5G 網(wǎng)絡(luò)大帶寬的傳輸部署需求。

5G 網(wǎng)絡(luò)開始被各國(guó)運(yùn)營(yíng)商納入未來(lái)幾年的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)日程，大規(guī)模的部署，部分新建基站光纜資源不足，使得基站業(yè)務(wù)回傳及傳輸網(wǎng)絡(luò)成環(huán)面臨較大壓力，微波則可作為移動(dòng)回傳的重要解決方案，替代光纜或作為光纜的補(bǔ)充，解決光纜短缺問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)快速部署，但微波常規(guī)頻段頻譜資源的利用率近乎飽和，且射頻帶寬較窄，難以滿足5G 基站對(duì)承載網(wǎng)絡(luò)的大帶寬需求。如何滿足5G 網(wǎng)絡(luò)巨大的傳輸容量需求，業(yè)界將眼光投向了能提供超大帶寬的E-Band 微波。

2 微波頻譜現(xiàn)狀

微波是一種電磁波，微波的頻率范圍為300 MHz～300 GHz（波長(zhǎng)：1 mm～1 m），而毫米波是介于微波和光波之間的電磁波，通常毫米波頻段是指30～300 GHz，相應(yīng)波長(zhǎng)為1～10 mm。ITU-R 頻譜資源分布情況如圖3所示［1］。

圖3 頻譜資源分布圖

E-Band 微波頻率為71～76 GHz/81～86 GHz，既是民用微波通信領(lǐng)域的最高傳送頻段，也是ITU-R 一次性發(fā)放的頻譜資源中波道間隔最大的頻段［6］。

E-Band ITU-R F.2006 Annex1 波道劃分情況如表1所示。

表1 E-Band波道劃分表（ITU-R F.2006）

E-Band 微波可支持250、500、750、1 000、1 500、2 000 MHz 波道帶寬，調(diào)制模式可在QPSK、8PSK、16QAM、32QAM、64QAM、128QAM、256QAM 間任意設(shè)置。

3 E-Band鏈路指標(biāo)評(píng)估

為保證微波通信質(zhì)量，微波接收電平設(shè)計(jì)值應(yīng)不小于設(shè)備接收靈敏度（見圖4），其計(jì)算公式為：

圖4 微波鏈路圖示

式中：

PRX——接收電平

GTX——發(fā)射功率

GRX、GTX——收、發(fā)天線增益

A0——自由空間損耗

L0——路徑各種損耗（如雨衰、大氣損耗等）

實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮一定的衰落儲(chǔ)備（M），以滿足鏈路的可用度，衰落儲(chǔ)備（M）=接收電平設(shè)計(jì)值-設(shè)備接收靈敏度（含電磁干擾的實(shí)際靈敏度）。

一般而言，微波傳輸?shù)木嚯x同時(shí)受到自由空間損耗、地形及氣候的影響。

其中，自由空間損耗：A0=92.4+20 logd+20 logf（d的單位為km，f的單位為GHz）。E-Band 微波71～76 GHz 的自由空間路徑損耗大約是130 dB，81～86 GHz的自由空間損耗是131 dB。高于傳統(tǒng)頻段下的自由空間損耗，從而E-Band 微波的傳輸距離要遠(yuǎn)小于其他傳統(tǒng)頻段微波。

圖5 給出大氣衰耗示意，從圖5 可以看出，在71～86 GHz 這個(gè)范圍內(nèi)，大氣對(duì)E-Band 的衰耗是很低的，基本小于0.5 dB/km［7］。

圖5 大氣衰耗示意圖

雨衰：對(duì)于10 GHz 以上的微波，雨衰會(huì)直接限制微波傳輸?shù)木嚯x。E-Band 微波在不同雨區(qū)（概率為0.01%）的雨衰值如表2所示。

從表2可知，在極端氣候情況下，如熱帶雨林降雨（P為145 mm/h），雨衰高達(dá)45 dB/km左右，但這一般只發(fā)生在短時(shí)間內(nèi)，而且在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)預(yù)留余量來(lái)適應(yīng)天氣變化。可通過(guò)降低調(diào)制模式（自適應(yīng)調(diào)制功能）來(lái)適應(yīng)天氣的變化，提升網(wǎng)絡(luò)可靠性。

表2 E-Band微波不同雨區(qū)雨衰值

通常來(lái)說(shuō)，只有赤道附近的N 雨區(qū)和P 雨區(qū)的國(guó)家和區(qū)域每年降雨有0.01%的可能超過(guò)100 mm/h，因此雨衰對(duì)E-Band 微波通信系統(tǒng)的嚴(yán)重影響只限在赤道附近降雨量豐富的某些特定國(guó)家和區(qū)域，在地球上絕大多數(shù)區(qū)域，降雨帶來(lái)的衰落基本均可以接受。EBand基本不受云霧的影響。即使是能見度為50 m，密度為0.1 g/m3的濃霧，對(duì)E-Band 也僅能產(chǎn)生0.4 dB/km的衰落，基本可以忽略不計(jì)。

表3 為1 GHz 波道帶寬，調(diào)制模式為16QAM，采用0.3 m H 極化天線以及1GHz 波道帶寬，調(diào)制模式為16QAM，采用0.6 m H 極化天線的E-Band 微波鏈路質(zhì)量指標(biāo)計(jì)算（P雨區(qū)）。

表3 E-Band微波鏈路質(zhì)量指標(biāo)計(jì)算（P雨區(qū)）

4 E-Band傳輸距離及容量估算

以降雨量最大的P 降雨區(qū)為例，E-Band 微波典型的傳輸距離及傳輸容量估算如表4所示［8］。

從表4可以看出：受高頻段自有特性影響，年可用度在99.9%時(shí)，E-Band在P雨區(qū)傳輸距離約3 km。

表4 E-Band微波典型的傳輸距離及傳輸容量估算表

不同波道帶寬年可用度在99.9%可保證的傳輸容量如表5所示。

表5 不同波道帶寬年可用度在99.9%可保證的傳輸容量

5 E-Band微波部署方案

為適應(yīng)短距離密集業(yè)務(wù)點(diǎn)傳輸?shù)男枨?，E-Band微波緊湊型全室外（Fully Outdoor）以太網(wǎng)傳輸設(shè)備，產(chǎn)品均設(shè)計(jì)成全室外形態(tài)，以便于實(shí)現(xiàn)靈活的“零站址”安裝，可用于移動(dòng)通信回傳業(yè)務(wù)、環(huán)網(wǎng)連接、專業(yè)通信網(wǎng)的大容量數(shù)據(jù)傳輸。

為保證通信業(yè)務(wù)的可靠性和提供大容量業(yè)務(wù)，EBand 微波一般不單獨(dú)部署，業(yè)界推薦采用與常規(guī)頻段微波搭配使用，組成雙頻微波，充分融合常規(guī)微波（鏈路可用度高，但容量較小）與E-Band 微波優(yōu)點(diǎn)（鏈路容量大，但可用度偏低）。

在天氣正常時(shí)，負(fù)載能由各鏈路分擔(dān)，多條鏈路同時(shí)傳業(yè)務(wù)是基本要求；當(dāng)E-Band 受天氣影響可用度較低、容量變小甚至中斷時(shí)，業(yè)務(wù)切換至常規(guī)微波，同時(shí)通過(guò)QoS 管理，保證天氣變差時(shí)先丟低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)，高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)是最后被丟棄的（見圖6）。

圖6 雙頻微波工作機(jī)理

天線半功率角=（65°～70°）×波長(zhǎng)/天線口徑，由此可知，半功率角與頻率、天線口徑成反比。表6給出了E-Band天線不同天線口徑的半功率角。

表6 E-Band天線不同天線口徑的半功率角

E-Band微波的天線波束角會(huì)比較狹窄，天線對(duì)調(diào)的難度和工程要求較高，除前面提到的大氣吸收和雨衰影響外，設(shè)備對(duì)風(fēng)速和振動(dòng)造成的影響也相對(duì)敏感［4］，對(duì)桿塔的要求比較高。

擺角對(duì)微波鏈路質(zhì)量的影響如圖7 所示（以0.6 m天線為例）。

由圖7 可知，0.6m E-Band 天線在擺角為±1°左右時(shí)，鏈路衰減值可達(dá)30 dB，鏈路基本不可用。桿塔設(shè)計(jì)時(shí)頂部擺角一般要求不超過(guò)1°，微波天線應(yīng)安裝在桿塔高度的2/3 以下，燈桿、電線桿、拉線塔等擺角較大的桿塔不適合E-Band微波部署（見圖8）。

圖7 擺角對(duì)微波鏈路質(zhì)量的影響

圖8 E-Band微波部署場(chǎng)景要求

為克服因環(huán)境引起桿塔在一定范圍內(nèi)晃動(dòng)或位移時(shí)造成E-Band 微波鏈路質(zhì)量降低甚至不可用，最近個(gè)別廠商推出了智能波束跟蹤（Intelligent Beam Tracing，IBT）天線，該天線波束將自動(dòng)保持恒定方向，可降低E-Band 微波對(duì)桿塔穩(wěn)固性的苛刻要求，大大提高E-Band微波部署靈活性。

6 結(jié)論

隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展，基站業(yè)務(wù)對(duì)傳輸帶寬提出了更高的要求，在光纜無(wú)法到位或是成本過(guò)高的情況下，E-Band 微波是5G 傳輸?shù)闹匾侄?，是運(yùn)營(yíng)商本地傳輸網(wǎng)絡(luò)的重要補(bǔ)充，其全室外的解決方案為5G 網(wǎng)絡(luò)的快速部署贏得了寶貴時(shí)間，本文提供的EBand 覆蓋指標(biāo)及容量估算結(jié)果可供后續(xù)網(wǎng)絡(luò)部署參考。