微波特性及其应用（五）

——微波5G通信

徐长发，华中科技大学，2019.9.1

一．通信信号的调制与解调

这里先简单形象的解释一下无线通信的基本原理和基本过程。

需要传输的信号假设是连续变化的一条不规则的曲线（称为模拟信号）。

模拟信号要传输出去，需要载波。各种频率的电磁波都可以作为载波，波长较长的、波长较短的，还有微波都可以作为载波。载波是频率规则变化的谐波，是正玄波样子。

为了无线传输模拟信号，需要把模拟信号和载波混合在一起，成为调制信号，把调制信号波发射出去。

接受到调制信号后，需要对调制信号滤波解调，去除载波，分离出模拟信号，这就达到无线通信的目的了。

在下面的图中明显可见，要传输的模拟信号是

和载波混合在一起后变为的调制信号是

再对调制信号滤波解调，滤掉载波，就还原到原始信号了。

现在，一般都采用数字通信，数字通信由四个部分组成。

第一部分，把模拟信号变为数字信号，即通过A/D转换器对模拟信号数值采样，把信号强度用数值标记，把信号数值用二进制表示，这样就把模拟信号变为数字信号了。

第二部分，再把数字信号和载波混合变为调制信号，

第三部分，发射数字调制信号，接受调制信号，滤波解调，复得数字信号。

第四部分，把数字信号还原为数字模拟信号，再还原为模拟信号。

简单地说，数字通信方法是这样的：在模拟通信方法的前端加上原信号的数字化步骤，在后端加上把数字化信号还原为原信号的步骤。

为什么要搞数字通信？数字通讯有什么好处？

1）抗干扰能力强，尤其是数字信号通过中继再生后可消除噪声积累;

2）数字信号通过差错控制编码，可提高通信的可靠性;

3）由于数字通信传输一般采用二进制码，所以可使用计算机对数字信号进行处理，实现复杂的远距离大规模自动控制系统和自动数据处理系统，实现以计算机为中心的通信网。

4）在数字通信中，各种消息(模拟的和离散的)都可变成统一的数字信号进行传输。在系统中对数字信号传输情况的监视信号、控制信号及业务信号都可采用数字信号，而且可以自动地进行变换、综合、传输、处理、存储和分离，实现各种综合业务。

5）数字信号易于加密处理，所以数字通信保密性强。数字通信的缺点是比模拟信号占带宽，然而，由于毫米波和光纤通信的出现，带宽已不成问题。

二．微波通讯的特点

微波通信和其它无线通信的简单区别在于，通常的低频、中频、高频无线通信所采用的载波频率都不高，而微波通信的载波是微波，其频率在300MHz至300GHz频段内。凡是处于300MHz至300GHz频段内的通信，都可称之为微波通信。

正是微波频率非常高的缘故，微波通信的特点就很鲜明了。

1)微波频率高，同光线一样直线传播，衰减也快，必须每隔50千米左右设置一个中继站，把前一站送来的信号经过放大，再送到下一站。所以微波通信是用“接力”的形式进行通信的。

2)通信频段的频带宽,传输信息容量大。全部长波、中波和短波频段占有的

频带总和不足30MHz，微波频段占用的频带约300GHz，一套微波中继通信设备可以容纳几千甚至上万条话路同时工作，或传输电视图像信号等宽频带信号。

3)通信稳定、可靠。当通信频率高于100MHz时,工业干扰、天电干扰及太

阳黑子的活动对其影响小。由于微波频段频率高，这些干扰对微波通信的影响极小。数字微波通信的中继站都能去噪声、增强数字信号，于是噪声不逐站积累，增加了通信抗干扰能力，因此，微波通信较稳定可靠。

4）通信灵活性较大。微波中继通信采用中继方式，可以实现地面上的远距

离通信，并且可以跨越沼泽、江河、高山等特殊地理环境。在遭遇地震、洪水、战争等灾祸时，通信的建立及转移都较容易，这些方面比有线通信具有更大的灵活性。

5）天线增益高、方向性强。当天线面积给定时，天线增益与工作波长的平

方成反比。由于微波通信的工作波长短，天线尺寸可做得很小，通常做成增益高，方向性强的面式天线。这样可以降低微波发信机的输出功率，利用微波天线强的方向性使微波电磁波传播方向对准下一接收站，减少通信中的相互干扰。

6）投资少、建设快。与其它有线通信相比，在通信容量和质量基本相同的条件下，按话路公里计算，微波中继通信线路的建设费用低，建设周期短。

三．什么是5G微波移动通信

微波通信从开始推广使用的第一代手机(Genenations是“代”的意思，G是其第一个字母，1G是第一代移动通信的意思，不是表示存储量的)开始，在网络和功能方面不断发展更新，直到现在的第五代手机。

1G手机时代，模拟手机的天下。

1973年，摩托罗拉公司为全世界带来了第一部手机，移动通信采用模拟信号发送和接受，网络是局部的模拟蜂窝网，除了打电话，其它什么功能也没有。信号不稳定，不能在更大范围内打电话。这种手机最显著的特征就是大和重，拿在手上仿佛拿着两块大板砖，但非常昂贵，简称“大哥大”。摩托罗拉公司开创了民用的无线通信时代，这是1G手机时代，1G手机只能打电话，霸主是摩托罗拉。

2G手机时代，功能手机来临。

上世纪90年代，2G手机时代网络发展了，联系范围更大了；使用了数字通信，信号传输更稳定了。2G手机不再局限于只能打电话，还能接发短信甚至简单的wap网页浏览。此外，2G手机在拍照、音乐播放、游戏上的功能也逐步被开发出来，其中最有名的游戏就是贪吃蛇了。与此同时，2G手机在外形上也是越变越好看。特别是彩色屏幕出现后，2G手机就像女士们的衣服样式一样，发展成直板、翻盖、滑盖共存的格局。

那时的2G手机还不能看图片和视频，网速太慢，网络还不够稳定。

那个时候的摩托罗拉依旧沉迷于过去的成功，从而错失了最好的战略的良机，被诺基亚、爱立信迎头赶上，形成了摩托罗拉、诺基亚、爱立信三足鼎立的格局。

那时，由于诺基亚在拍照方面的表现稳定而卓越，诺基亚手机逐渐从三强中脱颖而出，在全球范围内都难以找到可以与之匹敌的对手。可以说，2G手机的时代就是诺基亚的发家史。诺基亚是霸主。

3G手机时代，智能手机的爆发。

2009年“3G”迅速席卷市场，3G手机可以简单的处理一些图片、音频等，“超大屏幕、超薄机身、设计时尚”成为3G时代手机最大的卖点。

3G手机容量更大，功率小辐射也小，网速提高，可以视频通话了，微博也出现了。

但是，“3G”的流量太贵，网速太慢了，而且还经常有卡顿，甚至加载不出来的情况，特别是到了一些信号不好的地方就已经完全刷不出来了，给用户的体验很差，远不能满足用户的要求。

诺基亚怎么也想不到，3G时代说来就来了。而诺基亚在这时却走上了摩托罗拉的老路，不跟随3G前进，彻底葬送了自己的大佬地位。紧接着，“被吃过的苹果”迅速打开智能手机市场。等诺基亚如梦初醒时，苹果、三星早已经断绝了他的发展机会。

4G手机时代，国产手机发力了。

2013年，手机大步流星地奔向4G时代，诺基亚也逐渐淡出人们的视线。苹果、三星依然是手机行业的佼佼者，但华为、小米、以及著名的“蓝绿厂”等国产手机品牌开始发力。尤其在三星手机“爆炸门”，和苹果手机“降频门”事件发生后，越来越多的人开始转而使用国产手机。4G手机时代，让国产手机出展现出了百花争艳的盛况。

4G网络问世了，4G网络相较于之前的任何网络通信都迅速的多，4G网络的问世给我们的生活带来了很多的改变，比如网上支付、视频通话等。尽管如此，在人们日益丰富的需求面前，仍显得不足。

5G手机时代，未来的手机谁说了算?

现在我们正处于由4G时代，逐渐过渡到5G时代的过程中，也有人给当下命名为4G+时代。那么未来的5G手机时代，谁又将成为新的行业霸主呢?从手机的整个发展史来看，未来能主导整个手机行业的，一定是一个善于创新，能抓住时代发展机遇的品牌。谁能扣住时代的命脉，坚持发展，超越前人，并保持自己领先的优势，谁就是下一个王者。

下面用一张表介绍1G-5G手机的几个技术指标

为什么频段越用越高？

简单地说，有2个原因：一是低频段都被占用完了，只能向高频段发展；二是频率高会提高网速。

为什么频段越高，速度越快？

可以把带宽比作路宽，路越宽就可以分出较多的车道，道路的总车流量就大；同样的，频段宽就可以分出较多的信道，此频段内信号的传输量就会增大。

频率高→带宽大→信道多→流量大→速度快。

相比于4G，5G的各项参数都有质的飞跃，简单点说就是又好（移动时或者人多时信号照样好）又快（速度快没延迟）又省（省电）。

5G有多快？给个直观感受，那就是1秒钟可以下载一部高清电影！

5G频段有低、中、高之分，是不是频率越高越好？

从传输效果来看：

3GHz以下的低频段可以满足人与物之间的信息交互，满足大规模物联网的需求；

3GHz-6GHz之间的中频段可以满足物与物之间的通信需求，满足超高可靠超低时延通信；

6GHz以上及24GHz以上高频段具有大带宽及极高的传输速率，可以满足在现有移动宽带业务场景的基础上进一步提升用户体验，追求人与人之间极致的场景通信的互动体验。

日本研发的是低频率段的5G网络，这种低频信号的特点是覆盖范围广，适合建筑物较多的场所，但速率方面存在问题。

美国和韩国与日本不同，研发的是基于28Ghz左右高频的5G网络，频率高速率快，但是网络覆盖成了大问题，目前实验的效果并不好。

中国提倡中低频段的应用，我国正式宣布5G的使用频段：室内通信使用3.3-3.6 GHz，系统工作频段为4.8-5.0 GHz。在中频段上，3.5GHz非常有利于在原有基站的基础上改进，有利于信号覆盖，被全球多个国家视为5G网络的先锋频段，市场前景大。另外，因为国际上高频射频产业还不成熟，规模商用难度很大，因此我国的5G决定围绕中频段展开。

频率增高的确会带来很大优点，但是也会带来困难。

困难1，频率增高，传输损耗增大。

5G低频下，相比4G频率增加了约1倍，真空损耗增加了约6dB，将导致传送距离减小一倍  

5G高频下，相比4G频率增加了约10倍，真空损耗相比4G增加了20dB，将导致传送距离不到4G的1/8

上面近似真空传输损耗，实际应用中传播损耗要比这大的多。

困难2，频率高→波长短→绕射能力差→基站覆盖范围小→基站数量增加→成本提高。

综合起来考虑容易明白：微波低频和高频通信各有优缺点，5G在低频段中，速度提升较小，成本提升也较小，5G在高频段中，速度提升较高，成本提升也较高。

总结上述原因，国内对5G手机一直集中于中低频段部分的研发，进展很快，可以上市，上市就会有显著效果；对高频段的使用还正在加紧研发，将来我国5G会使用多高的频率，要看研发结果而定。　

四。5G会给现实生活带来哪些应用　

大家知道，最前沿的几个应用，如工业互联网、虚拟现实、大数据、工控安全、机器视觉和协作机器人的技术和应用，这些应用都离不开数据传输。大家可以设想，5G传输数据的速度快容量大，把5G和这些应用结合起来，前景无限。 

下面就简单介绍20个关于5G的应用，这些应用都已经在实验，只等5G网络的普及了。   

① 5G自动驾驶  

5G通信技术具备庞大的带宽容量和接近零时延的特性，正在让自动驾驶走进现实，因此，自动驾驶也被认为是最具前景的5G应用。

② 5G远程遥控驾驶 

5G网络远程对车辆执行驾驶操作，适用于乘客不能自己驾车或远程车辆处于危险环境等特殊的情形。

③ 5G智能电网  

智能电网就是电网的智能化（智电电力），也被称为“电网2.0”，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，其主要特征包括自愈、激励和保护用户、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。5G网络正好为其提供了强有力的支持。

④ 5G智能工厂  

利用5G网络，多个机器人分工协作，快速地完成某项制造工作。

⑤ 5G无人机物流  

5G联网使得无人机的应用范围不断拓展。5G物流无人机便被认为是一种非常有前景的5G用例。

⑥ 5G无人机高清视频传输  

5G无人机高清视频的传输也非常具有应用前景。通过毫秒级低时延5G网络，进行无人机远程敏捷控制，完成各类巡检任务，例如巡检农场、果岭、山林、沙漠、边防等。

⑦ 5G远程医疗  

基于5G网络的远程医疗，将对农村的医疗现状产生深远变革。

⑧ 5G虚拟现实 

4G网络的虚拟现实已经实现，但是由于4G网络时延高，无法满足图像传输和和数字处理的需求。而5G的高速率、低时延特性正好为此解决问题。

⑨ 5G增强现实  

在游戏、导航、教育等大众市场应用中，利用5G网络，添加图像和现实情境，增强视觉感受，不是一件难事。

⑩ 5G VR全景直播

用5G来进行赛事直播已经成为一种潮流，这得益于5G的高带宽和低时延。已经试验，即将全面使用。

⑪ 5G安防 

可以轻松实现远程监控并实时响应，从而最大程度地提升安防质量和效率。

⑫ 5G儿童安全 

儿童穿戴无线终端，例如手表等，通过5G网络，支持日常儿童安全监控。

⑬ 5G智慧园区  

智慧园区作为智慧城市的缩影，是未来智慧城市建设的基础。将来，智慧办公需求，需要大带宽;物联监控需求，需要大连接;工业控制和安全生产需要高可靠低时延。而这些指标正是5G具备的。

⑭ 5G智慧农业

利用5G高速网络以及多种传感器，可以随时监控土壤的湿度、温度、肥度等各种影响农作物产量的因素，并做出实时处理，从而提高农作物的产量。更重要的是，还可以节约人力成本，减少体力劳动需求，提升农场运营效率。

⑮ 5G远程教育 

传统教育存在着一些客观问题，如教育资源配置失衡、地域教育差距大、农村偏远地区教育薄弱等。5G+VR远程教育打破了时空的限制，哪怕是最偏远的地区，只要能上网，就能在线接受万里之外的网络教育，获得优质教育资源，甚至是来自于全球最好教学课程。这也为企业发展提供了新的资源。

⑯ 5G新零售 

近年来，传统电商加互联网的网购规模还不错，但是将来增长瓶颈会显现，流量红利会逐渐萎缩，传统电商也会混不下去。原因是新零售概念被提出。新零售概念是，企业通过线上+线下的营销解决方案，构建端到端的数字化核心应用平台，实现业务增长，重塑商业价值。看来，只要5G正常使用，这种新销售概念就会实现。

⑰ 5G养老助残 

有了5G，养老和助残难题也将得到很好地解决。例如，帮助视力、行动、听说等方面的残疾人士，实现安全出行和顺畅交流。例如，通过终端、人、物、车、云的智能联动，以创建一张动态环绕残疾人士的保护网，再“造”残疾人士的感官，实现科技助残。

⑱ 5G智慧家居 

智慧家居被提及多年，但一直遭遇落地难问题。5G能够彻底改变智能家居终端的部署与服务方式，让智慧家居真正走进现实。

⑲ 5G气象系统 

气象预报不够准，一直是人们的心病，这种情况有望在5G时代被打破。

⑳ 5G超级救护车 

医学上把发生伤病后的头4分钟，称为急救“黄金时间”，在4至6分钟内不进行急救处置将导致神经系统不可逆损伤。如果超过8分钟，救护的成功率就将降低到5%。挽救生命必须分秒必争，未来的5G网络带来福音。搭载5G网络的系统也配备视频和必要的设备，将更好保证医院在患者到达前做好充分准备，从而快速投入抢救。

5G网络通信，绝不仅仅是通信速度快而已，它的应用前景不可限量，它涉及到一个国家在高科技发展方面的基础、应用、水平和后劲。

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