微波及毫米波技术在网络通信中的应用研究

常 巍

(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051)

0 引言

如今是网络信息时代，面对不断增长的网络通信流量以及新型的专业设备，5G的研发与使用成为大势所趋，5G毫米波技术因传输距离存在缺陷并未得到广泛应用，而随着技术与设备的更新换代，更加需要5G毫米波稳定的方向性与高速率，5G毫米波又重回大众视野得到业界的认可。现阶段，毫米波的研究已经成为5G开发的重要组成之一，越来越多的频谱资源为毫米波的应用提供了方向，为其在网络通信系统应用的研究提供了技术支持。

1 微波及毫米波技术概述

1.1 毫米波技术概述

毫米波本质是一种电磁波，其波长为1～10 mm，是人类所感知不到的频谱，从频率的角度来讲，毫米波的频率随波动速度提升而提升，是5G的重要组成之一。在5G之前，并未进行毫米波的研究与使用，仅针对6 GHz以下的频段，即Sub-6 GHz展开研究，然而在世界范围内Sub-6 GHz非常稀缺，而5G毫米波的使用无疑带来了诸多技术突破。于网络通信系统而言，Sub-6 GHz仅能达到100 MHz的宽带，而5G毫米波能将其增强至8倍以上，可达到800 MHz，除此之外，5G毫米波在医疗领域也显示出了强大的作用。现阶段，全球有超过150家运营商对5G毫米波技术进行投资并用于商用网络，我国在2020年也进行了相关准备与测试[1]。

1.2 微波传输技术的内涵

“微波”是指波长比较短的电磁波，波长一般为1 mm～1 m，传输频率为300 MHz～300 GHz，属于相对比较灵活的信息传输介质。微波传输技术主要是利用微波的形态特点去实现信号的传输，微波传输信号最早期被应用于通信行业，随着技术发展，逐步拓宽到广播电视领域。电磁波传输过程中的特点与光波很相似，采用的都是直线传播的形式，在遇到阻碍物时，信号会被中断。因此，微波传输技术要得到更稳定的传输和发展，需要隔一段距离即对信号进行加强和转播，实现大范围的区域覆盖[2]。

1.3 毫米波技术概述

毫米波的用处十分广泛，但其传播极易受到影响，除建筑物、地表等外，雨滴、雪花，甚至大气中的分子颗粒、尘土、烟雾等，都会阻碍其传播。此外，毫米波依靠高频传输，导致其传输性能出现以下缺点:(1)毫米波能量发散迅速，非常容易变弱，再加上受限很多，难以传递到较远距离，覆盖面较小。(2)以波长更短、频率更高的可见光作比，难以穿透物体，毫米波就更加容易受到阻挡、反射与折射。(3)水分子等空间因素会通过吸收大幅度降低毫米波的信号，故其衰减极快。尽管毫米波存在较多的影响因素，但其强大作用能激发人们源源不断地探索与优化，只要保证毫米波数据的连续性，利用先进技术做好充足的预算，就能确保其传输距离。

2 微波及毫米波技术在网络通信中的应用优势

2.1 微波传输在网络通信中的应用优势

2.1.1 容易穿越复杂地形

微波传输受地理环境的影响程度较低，因此可以较好地穿越恶劣地形进行信号传输，比如沼泽、沙漠山区以及大面积林区等。其信号传输质量可以与高质量光缆相媲美，特别是在网络分配以及数字节点建立过程中，能够发挥出更为突出的优势。而且光缆敷设的投资成本相对也较大，需要敷设相应的管道，面对复杂地质的时候存在较多困难，微波传输设备的使用则没有这些问题[3]。

2.1.2 抗干扰能力强

无论是电磁波还是微波，其信号抗干扰能力与传统信号传输方式相比都具有不可比拟的优势。另外，微波传输与一般的短波传输相比，抗干扰能力也更强，可以抵抗大部分的太阳黑子影响以及天电干扰。有研究表明，当波频达到100 MHz以上时，上述干扰影响几乎可以忽略不计，而微波传输的频率可以达到300 MHz以上，稳定性非常强[4]。

2.1.3 传输设施建设快、投资少

由于微波传输技术本身所依赖的设备比较少，建设相应的信号传输基站以及传输系统，无需投入过多的基础设施，这能在很大程度上提高传输系统建设效率，降低成本。与此同时，建设过程中所投入的人力成本以及其他费用支出也会大幅降低。在通信质量与通信容量保持一致的情况下，采用微波传输技术要比光缆通信设施建设所消耗的费用少50%以上，项目建设进度也更快。

2.1.4 通信灵活性强，不易受自然灾害影响

通过微波传输的方式可以有效实现地面远距离的信号传输，规避高山、湖泊等的影响。当通信地区发生自然灾害的时候，设备也能够被迅速转移或撤收，设备使用比较灵活。在自然灾害发生之后，设备也能够快速重新安装，恢复通信。遭遇自然灾害时，如果采用光缆通信，线路设备等可能会断裂，微波通道却不会被轻易破坏，而且微波网络只要经过合理规划，还能够与其他现代传输媒质有效连接，一起支持和补充光纤传送网。

2.1.5 能够提高信息传输过程中的安全性

微波传输技术是在特殊设备的辅助应用下实现信号的输出和接入，即使信号在传输过程中被拦截，也无法对所拦截信号信息进行解密，能够保证信息传输过程中的安全性。

2.1.6 能够有效降低信号对线路的依赖性

传统的网络信号传输都是以光缆为主，在信号传输过程中需要布设很长的通信线路完成信号的传输。而应用微波传输技术，网络通信传输不需要借助通信线路，可以在中继站、接收终端等远距离下完成网络通信传输工作，降低信号对线路的依赖，所以，微波传输技术具有很好的发展前景。

2.1.7 能够实现网络通信传输的集成化特点

将微波传输技术有效应用在网络通信传输中，鉴于微波传输技术的特点，能够提高影像录入、系统监控以及信号传输过程之间的联系，实现网络通信传输多个环节的衔接，在实现网络通信传输集成化的同时，进一步推动了网络通信行业的发展[5]。

2.2 毫米波优势分析

2.2.1 宽带极宽

毫米波的频率最高可达300 GHz，宽带可达273.5 GHz，超过以往宽带的10倍多，将其融入网络通信系统能够有效提升信道容量，极其适用于高速信息传输业务。

2.2.2 波束较窄

毫米波的波束极窄，能够用于分辨距离更近的小目标，或用于观察目标细节。例如，一段12 cm的天线，9.4 GHz时其宽度为18°，而94 GHz时宽度仅有1.8°，相差极大[6]。

2.2.3 安全

毫米波传播距离较短，波束窄，难以被中途或远距离截取，因此，网络通信信息的安全程度较高。

2.2.4 方向性强

毫米波的传输极易受到阻碍，传播距离较短，但正因如此，也降低了信号受到干扰的可能性，提高了传播精度的同时加强了传输的方向性[7]。这也反映了毫米波的劣势能转化为优势，其超高的频率使得不需要大尺寸的接收天线，意味着终端设备的机身能够比以往更小，或在原有的基础上装备更多的高频天线，实现更好的信息接收效果。

3 微波及毫米波技术在网络通信中的应用策略

3.1 微波传输技术在网络通信中的应用

3.1.1 在广播电视领域中的应用

微波传输技术的网络拓扑能力是比较灵活和多样化的，且具备了标准化的接口，当遇到问题时可以实现自愈。正是因为微波传输具有众多的优势，因此微波传输技术一步步地取代PDH成为广播电视传播的重要方式。微波传输技术、光纤技术、卫星技术等结合形成了综合信息网络，如今微波传输在广播电视领域中已经成为热点信号传输技术[8]。通过对该技术的应用，广播电视网络建设在未来将得到更好的发展。将光纤传输网和微波之间的容量进行对比，可以发现光纤传输网更具有优势，但是在通信干线和支线上，光纤网络仍需要微波传输网的应用，实现技术上的缺陷补充和保护[9]。

3.1.2 在特殊场合中的应用

数字微波通信系统具有众多的优势，同时拥有光纤级的传输性、网络管理和开放性系统的双重优势，可以应用在型号不同的ADM之中，使得ADM之间自由交换、交叉互连。实际应用也证明了，当发生自然灾害或在某些特殊场合中，对卫星地球站、移动通信网基站和专用网进行连接，或者是连接农村等一些较为偏远的地区时，微波传输技术都是更加方便的一种连接方式，和其他连接方式相比，性价比也比较高。因此，我国不仅要重视对光纤干线传输的研究，还要注重对微波传输数字微波通信的相关研究。

3.1.3 微波传输的优势

微波传输是一种新型的利用数字微波实现信息传递的传输方式，这种传输方式是通过微波作为整个传输过程的载体实现对数字信息的传输，其优势在于聚集微波传输和微波通信两者的优点。将微波通信升级成为微波传输已经是未来微波通信发展的必经之路。微波通信的使用可以实现更多的数字数据的传播，传输更多的数字化电视节目，提升网络传输效率；将数字微波和光纤微波网络作为备份，能进一步提高网络使用安全；对微波网络进行建设，可以实现多个平台的传送，网络承载力将会提高。

3.2 毫米波技术在网络通信中的应用

3.2.1 毫米波小基站

在我国通信工程建设的全方位部署中，商用化的毫米波基站成熟之前，目标网的构建会采取4G与5G协同的方式，其中5G会采用Sub-6 GHz，主要采取宏站覆盖。但随着更多的连接进入网络，其密度会大幅提升，毫米波的引入成为网络通信系统的必然走势，也是各界关注的热点话题。考虑到毫米波的传输距离与覆盖范围的受限问题，未来的无线接入会以小基站场景为主。

3.2.2 基站回传

要实现基站回传必须满足两个条件，一是要有稳定的网络，二是要有可靠高速的性能。这对于传统的网络而言难以实现，因此，现阶段的基站回传仍旧采用光纤布缆进行有线传输。然而，光纤布缆布置难度与日俱增，加之光纤资源的紧张，无线回传技术的研发再次成为人们关注的重点。毫米波的应用使人们看到了新的方向，大宽带高速率能够实现相同面积上更多的天线集中部署，在很大程度上满足了基站回传的网络特性。使用毫米波进行基站回传，一方面能够将其作为终端设备，另一方面可以实现无线回传，很好地解决了光纤资源不足与光纤布放成本较大的问题。

3.2.3 垂直行业专网

毫米波不仅具有大宽带和高速率的优势，将其部分频点进行规划还能为行业用户的转网提供服务。此外，与移动边缘计算、人工智能的有机融合，能够更充分地发挥其各自的优势，为其技术的进步提供更加专业性的解决方案，实现网络通信安全可靠的网络支持[10]。

4 结语

随着新兴技术的不断发展，网络通信也要做到与时俱进，要充分发挥毫米波大宽带、高速率等优势，充分融合网络通信系统，为科技创新注入新鲜活力。而且，微波及毫米波技术在网络通信中的应用还影响着智能、万物互联等产业，微波及毫米波技术的充分应用能够使各行各业实现技术升级，为创新驱动提供无限可能。