E波段数字微波通信技术研究.pdf

版权声明 本 研究报告 版权属于中国通信标准化协会，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本 研究报告 文字或者观点的，应注明“来源：中国通信标准化协会”。违反上述声明者，本协会将追究其相关法律责任。 I 研究报告要点 随着 4G、 5G 时代的到来，对移动通信基站回传速率的要求大幅提升（例如 LTE-A 可以达到 1Gbps， CPRI 以及即将到来的 5G 基站下行速率会达到 10Gbps），移动回传网络对于微波链路速率的要求急剧增加，传统频段微波由于带宽的限制，在实现高速率方面有非常大的困难，而在毫米波频段存在丰富的带宽资源，可以相对容易地实现吉比 特甚至十吉比特以上的传输速率，此外，大气衰减在 E 波段 (71GHz76GHz/81GHz86GHz， E band)刚好处于较低点，比较适合移动回传网络所需要的短距离视距传输。 E band 微波设备在国际上已于 2013 年开始商业部署，众多微波厂家都有成熟产品问世，至今已在全球 70 多个国家实现了规模部署。因此，有必要对 E band 相关的高速微波技术和应用进行分析和研究，以推动 E band 技术在我国移动回传业务上的快速应用。 无线通信 技术工作委员会 卫星与微波通信 工作组 研究单位： 华为技术有限公司、爱立信 （中国）通信有限公司、上海诺基亚贝尔股份有限公司、 西安通和电信设备检测有限公司 项目负责人：黄曦 项目参加人： 龙昊、潘景胜、李云峰、赵艳峰、李昆、王天祥、王俊 完成日期： 2018 年 4 月 27 日 目 次 1 范围 . 1 2 术语、定义和缩略语 . 1 3 介绍 . 1 4 应用需求 . 2 4.1 在移动回传网络中的应用 . 2 4.2 高带宽短距离的专网接入应用 . 3 4.3 实现光纤网络补网的应用 . 3 4.4 应急高速业务的微波传输应用 . 3 5 传播特性 . 3 5.1 自由空间衰减 . 3 5.2 大气衰减 . 4 5.3 雨衰 . 4 6 测试实验 . 5 6.1 雨衰模型、传输距离验证实验 . 5 6.1.1 测试实验的目的 . 5 6.1.2 测试实验方法和过程 . 5 6.1.3 测试实验数据和结论 . 6 6.2 在中国地理环境下传输距离分析 . 8 6.2.1 ITU-R REC. P.837-7 模型计算 . 8 6.2.2 ITU-T REC.G821 模型计算 . 8 6.3 北京 E BAND 微波实验局 . 9 6.3.1 实验局目的 . 9 6.3.2 测试场景 . 9 6.3.3 测试配置 . 10 6.3.4 测试结果 . 12 6.4 福建 E BAND 微波实验局 . 14 6.4.1 实验局目的 . 14 6.4.2 测试场景 . 14 6.4.3 测试配置 . 15 6.4.4 测试结果 . 16 7 频谱规划 . 18 7.1 信道划分 . 18 7.2 频谱策略 . 18 7.3 干扰风险 . 19 8 设备 参数标准 . 20 8.1 ETSI 设备参数标准 . 20 8.2 FCC 设备参数标 准 . 20 9 设备形态 . 20 10 业界进展 . 20 11 应用比较及技术前瞻 . 20 11.1 应用及应用比较 . 20 11.2 技术前瞻 . 21 12 结论和建议 . 21 参考文献 . 22 1 E波段数字微波通信技术研究 1 范围 本 研究课题主要研究 E波段 （ E band） 数字微波通信技术的进展和应用前景，主要内容包括应用需求、频谱 规划 及策略、传播特性、系统参数、设备形态、业界进展和应用前景 。 该研究报告适用于 E band数字微波系统。 2 术语、定义和缩略语 BER Bit Error Rate 误码率 GBE Giga Bit Ethernet 吉比特以太 PL Packet Link 分组链路 BPSK Binary Phase Shift Keying 二进制相移键控 QPSK Quadrature Phase Shift Keying 正交相移键控 QAM Quadrature Amplitude Modulation 正交振幅调制 RIC Radio Interface Capacity 射频接口容量 CS Channel Spacing 信道间距 RSL Receiving Signal Level 接收信号电平 CPRI Common Public Radio Interface 通用公共无线电接 口 ITU-R International Telecommunication Union-Radiocommunication Sector 国际电信联盟 -无线电通信部门 ITU-T International Telecommunication Union- Telecommunication Standardization Sector 国际电信联盟-电信标准化部门 ETSI European Telecommunication Standard Institute FCC Federal Communications Commission IMT-2020 International Mobile Telecommunications-2020 3 介绍 E band是指 71GHz76GHz/81GHz86GHz的微波频段，由于该频段具有较低的大气衰减，能够实现在室外场景的部署。近年来由于微波通信所面临的业务 速率需求 越来越大，在传统频段上由于频谱带宽受限面临很大的挑战，而在 E band频段，有大约 10GHz的频谱可利用，因此越来越受到业界的关注。 E band数字微波通信 设备 是指射频工作于 E band的微波通信 设备 ，主要用以实现 Gbps、 10Gbps速率等级的点对点（或点对多点）的高速微波传输。由于其外观紧凑且易于安装，可以应用于运营商级纯户外解决方案，能够节省 建设 成本 和维护成本 。 当与 PTN设备互联时， 可以提供更强的分组处理能力，如更多接口和 L2交换容量等。 2 4 应用需求 4.1 在移动回传网络中的应用 图 1. 单用户速率演进情况 无线回传网络是目前微波通信设备的主要应用场景，它汇聚来自基站的数据流量，并实现无线基站之间的业务回传。图 1描述了目前无线接入领域技术发展的用户速率演进情况，可以看到未来用户接入 速率将成几何倍数提升，这意味着 LTE基站的回传速率至少要到 Gbps量级，目前的微波设备无法满足下一代移动业务的带宽提升 。而未来的 5G（ IMT-2020）对回传的速率要求则会更高 ,可 达到 10Gbps。 4.1.1 以实现 10Gbps 速率等级的点对点的高速 E band 微波传输 , 满足了移动回传网络中节点间对10Gbps 量级传输容量的需求 。 同时在我国高密度的大都市，基站（节点）的密度要求会更高，小站在基站总数量的比重会越来越大 , 基站的选址要求越来越灵活 。 一般情况下 ，站点间的距离将会在 1公里以内，而这刚好适合 于 E band微波设备的传输距离范围 。 4.1.2 由于 C-RAN 无线接入网的部署方式也在演进和变化，从传统的宏基站的架构，过度到分布式基站架构再到 C-RAN 集中化处理和控制。这样演进的目的是集中化的资源池，协作式无线处理 CoMP，3 处理能力动态调配，更好地应对潮汐效应，同时向未来开放的云化平台演进； C-RAN 无线接入网未来演进方向使得基站的 RRU 位置选择更加灵活，而 E band 微波技术正是满足短距离 、 大容量传输的有效快速部署手段。 4.2 高带宽短距离的专网接入应用 岛屿、农村、 高原 等地带难以实现光纤部署，目前的 微波设备能够提供的带宽不足，很难实现这类地区的高速上网、视频业务等需求。 校园网、企业网 、楼宇之间 中 通过高速 微波设备 实现互联 ， 部署更容易、成本更低 。 4.3 实现光纤网络补网的应用 未来网络结构中站点将更加密集，改造光纤网络成本高、周期长，如果高速微波设备能够提供接近于光纤设备的速率，那么对于网络快速扩容和扩大覆盖面积将非常有利。 4.4 应急 高速业务的微波传输 应用 当自然灾害如地震 、 洪水或人为灾难如战争来临时，保证通信畅通是避免二次灾难 、 减少灾难损失 、 安定灾民情绪的重要方式；而光传输又是在灾害面前最脆弱的传输手段。 E band 微波技术 具有 高传输 容量 、 灵活安装 、 快速实施 等 特点 ， 成为灾难发生时应急通信的有效传输手段 之一 。 5 传播特性 对于视距通信而言，基于直线距离上无障碍物的假定（建网时可保证），信号衰减主要由三部分组成：自由空间衰减、大气衰减和雨衰。 5.1 自由空间衰减 自由空间衰减描述在无障碍、正常天气下的衰减情况。根据 ITU-R P.525 提供的经验公式，自由空间衰减 LdB 与传输距离 d、频率 f 之间的关系如下： kmGHzdB dfL lg20lo g204.92 在 E band 频段，传输 1km 距离的衰减值大约在 131dB 左右，传 输 2km 的衰减值大约在 137dB 左右。 4 5.2 大气衰减 图 2. 各频段电磁波大气衰减 图 2 描述了各频段电磁波的大气衰减情况（引自 ITU-R P.676），在低于 100GHz 的频段中，大气衰减在 60GHz 附近 频段达到峰值 （约 15dB/km），但是在 E band 有一个 较小 值，在标准湿度情况下， E band频段的大气衰减大约在 0.5dB/km，而在干燥空气情况下更低，基本可忽略不计。 5.3 雨衰 图 3. 不同降雨量下的雨衰情况 图 3描述了不同降雨量下的雨衰情况，雨衰在毫米波频段普遍较高，而且随着降雨量的增大雨衰也迅速 增加。对于 E band而言，在 42mm/h的降雨量下，其衰减约 15dB/km，而在 100mm/h的降雨量下雨衰可达到 30dB/km。 71-76GHz 81-86GHz 5 另外，值得说明的是， 本报告第六节的 实测数据也同时表明 ITU-R的雨衰模型在 E band是比较准确的。 目前业界并无沙尘对 E band微波损耗影响的分析模型 , 如果在沙尘天气下测量衰耗 ,具有一定的参考价值，研究沙尘对微波衰耗的影响是一件很有意义的研究课题。 6 测试实验 6.1 雨衰模型、传输距离验证实验 6.1.1 测试实验的目的 验证 ITU-R 雨衰模型的准确性 ； 验证基于 ITU-R P837-7 标 准，误码指标小于 1E-12 时，传输距离 、 可用度指标和传输冗余 。 6.1.2 测试实验方法和过程 实验时间： 2009 年一月至 2010 年四月，历时一年零四个月 。 实验地点： Mondal 瑞典哥德堡 （东经 12.1 度，北纬 57.3 度）， AB 站间距 1 公里 ，如图 4 所示 。 图 4. 测试地理位置信息 测试气候数据包括：可视性，降雪，降雨密度，白天光线和雨滴的大小； 测试 方案 如下图所示：A 近端站 B 远端站