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E-Band微波,未来移动宽带承载舞台的明星

Date: 2016-07-16
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        常规频段的分体式微波以其成熟的技术、较低的成本和丰富的工程应用经验,长期是主流的承载方案,但E-Band微波随着移动宽带的发展必将成为其强有力的补充。业界对E-Band发展前景普通乐观,领先的微波厂家已经能做到64QAM的高调,使得仅用2个250MHz波道的组合即可实现2.5Gbps的极高空口传输速率。在主流运营商沃达丰和主流厂商华为等联合推动下,目前标准化和产品商用化的速度在不断加快。业界普遍预期E-BAND微波将会在2013年左右实现规模商用部署,成长为移动宽带承载舞台上一颗耀眼的明星。                                                                       

        微波是常见的无线通信技术,以其远距离、大容量、部署快捷、抗损强的特点被广泛应用于各类通信系统的中继和回传。持续的移动宽带的承载需求,常规6GHz~38GHz的微波频谱资源已经被迅速消耗殆尽,微波通信向更高频段扩展已成为必然趋势。E-Band微波早在2001年和2003年被ITU-R(国际电联无线组织)所发布,主要包括”60GHz”和”80GHz”的高频段微波通信,60GHz免费频段较早为军方和行业客户使用,对运营商来说,80GHz微波频段将会是重要的无线传输手段。

        E-Band天然实现微波传输大带宽

  图1ITU-R建议的微波通信频段

 E-Band微波80GHz频段由71G~76G/81G~86G频谱资源构成的,既是目前民用微波通信领域发布的最高传送频段,也是迄今为止ITU-R一次性发放的频谱资源中波道间隔最大的一次。从上图1可以看出,80GHz E-Band频段拥有10GHz的收发间隔(TR间隔),以及总共5GHz的可调制带宽。按照1Hz传送1bit这样最基本的传送能力计算,5GHz的频带宽度使得空口G比特(Gbps)级高速率传输成为可能,这是以往常规低频段的微波无法实现的。

图二:E-Band微波波导间隔示意图

       常规频段微波通信系统(6GHz-38GHz)传送高带宽的代价是很大的。主要采用的调制波道间隔为3.5MHz~56MHz,要传输数百兆带宽的业务就必须采用高阶调制模式。按照目前常规的最大波道间隔56MHz的和最高的调制模式256QAM,一条微波链路空口的标准传输容量也仅能达到430Mbps左右。若要传输更大容量的业务,就需要多条微波链路捆绑使用,无疑带来了更高的成本和更复杂的系统配置。

 E-Band具有更宽的可调制波道间隔,故E-Band频段的微波通信系统天然具有传输G比特以上业务容量的能力。以ECC(欧洲电子通信委员会)对80GHz频段的定义为例,其建议的最小波道间隔为250MHz,整个5GHz的可用调制频段划被分成了19个子频段,传输业务时使用的波道间隔可以是1~4250MHz子频段的组合,当最多4250MHz子频段组合在一起时,可调波道间隔最大可以达到1GHz,采用一定的更高阶调制方式后,E-Band微波可以实现1~5Gbps的高容量空口传输。

 E-Band微波传播的环境影响分析

        与传统微波频段类似,自然界的大气(氧气)吸收和雨衰也会对E-Band微波通信系统产生一定的影响。

E-BAND微波大气吸收损耗图

        从上图的高频段无线信号大气吸收损耗图示可以看出,6GHz-38GHz的常规微波频段正常情况下的氧气吸收损耗大概在0.1dB/km左右,随着频率的增高,氧气吸收的影响也逐渐加剧,在60GHz频段附近达到一个高峰约14dB/km,随后的70GHz-80GHz频段附近,氧气吸收回落到了与常规频段接近的程度,约为0.35dB/km,对微波通信系统而言已基本可接受,这也是70GHz-80GHz频段被建议规模用于电信运营商的E-Band微波的重要原因之一。此外,由于80GHz频段属于高频信号,雨衰的影响相对会严重一些,25毫米/小时的大雨量会导致约10dB/km的衰耗,50毫米/小时的暴雨大概会导致约20dB/km的衰耗,而150毫米/小时的特大暴雨则可能导致高达约50dB/km的衰耗。不过,通常情况来说,只有赤道附近的N雨区和P雨区的国家和区域每年降雨有0.01%的可能超过100毫米/小时,所以雨衰对E-Band微波通信系统的严重影响只限在赤道附近降雨量丰富的某些特定国家和区域,地球上绝大多数区域因为降雨带来的衰落基本均可以接受。

        对E-Band频段的微波通信系统,按照ITU(国际电联)定义的雨区进行规划统计可以发现,在除N雨区和P雨区之外的其它地区,在年可用度要求为99.9%的条件下传送1Gbps业务,一跳微波天线之间的通信距离可以达到5km左右;若年可用度要求增加到99.999%,传输距离也能够确保达到1.5km左右。所以环境对E-Band微波的影响有限,E-Band微波的应用场景还是十分广泛的。

 E-Band微波通信系统的应用及发展趋势

        近年来,随着无线通信网络从GSMUMTS发展到LTE,回传网络所需要的承载带宽需求大幅增长。对电信运营商而言,E-BAND微波的应用无疑拓宽了无线传输紧张的频率资源,特别是对于无线网络未来大量部署的LTE基站,E-BAND能以更宽的频谱资源满足其超大带宽的承载需求。需要说明的是,为适应短距离密集业务点传输的需求,E-BAND微波产品均设计成全室外形态(Fully Outdoor),以便于实现灵活的“零站址”安装。

E-BAND微波在LTE无线回传中的应用

        频谱开放和使用情况

        常规频段的微波通信不仅面临频谱资源逐渐耗尽的问题,其高昂的牌照(License)购买或租赁费用也给用户带来了巨大的成本压力。有鉴于此,为推动电信运营商等用户更好地进行宽带网络建设,做为常规微波频段补充的E-BAND微波,从目前已开放其使用的各国调研来看,频谱资源以象征性的低使用费(Light-license)为主。目前,在北美、欧洲、中东、南非和亚太的部分国家都已经开放了E-Band频段的使用,各国运营商也纷纷开始进行E-BAND微波用于无线下一代无线网络回传的试验。

        规模化商用面临的问题

        对71GHz-86GHz待商用的E-BAND频段来说,当前面临着标准和产业链不成熟的问题。

现有标准仅对波段划分、系统性能指标和天线指标三个方面做了初始定义,对业务层的规划,特别是密集部署的邻道干扰等实际应用问题尚未有规范和经验数据。同时由于E-Band微波技术最初是应用于军事和汽车行业,对电信行业来说尚处于产业启动阶段,目前只有极少数企业提供商用部件,产品质量不可靠、价格昂贵且市场供应不稳定,当前还难以适应大规模商用部属的需求。

        此外,E-BAND微波的天线波束角会比较狭窄,天线对调的难度和工程要求较高,除前面提到的大气吸收和雨衰影响外,设备对风速和振动造成的影响也相对敏感,这对工程安装和维护也带来了更高的要求。

        最后,对E-BAND频谱资源的规划和应用仍然存有不同的看法,从是否开放,到如何更加经济高效地利用和管理,各国政府目前的政策和态度仍然未达成一致,这也在某种程度上延缓了E-BAND微波产业化的发展步伐。

        发展趋势展望

        常规频段的分体式微波以其成熟的技术、较低的成本和丰富的工程应用经验,长期是主流的承载方案,但E-Band微波随着移动宽带的发展必将成为其强有力的补充。业界对E-Band发展前景普通乐观,领先的微波厂家已经能做到64QAM的高调,使得仅用2250MHz波道的组合即可实现2.5Gbps的极高空口传输速率。在主流运营商沃达丰和主流厂商华为等联合推动下,目前标准化和产品商用化的速度在不断加快。业界普遍预期E-BAND微波将会在2013年左右实现规模商用部署,成长为移动宽带承载舞台上一颗耀眼的明星。


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