微波基础介绍

1、什么是微波

大家在高中物理中都学过电磁波，可见光、微波都是电磁波波段，如下图所示，可见光谱只占有宽广的电磁波谱的一小部分：

电磁波

而我们这次的主角微波，是频率范围300MHz到3THz的电磁波（1THz=1000GHz），对应波长范围是1米~0.1毫米。尽管微波的频带范围很宽，但是目前的微波通信并没有使用微波的全部频率，主要集中在3GHz-40Ghz这个范围，但是也在向更高频的扩展，比如后续会提到使用71-86 GHz的E-band。

常用的电磁波长波长及实际应用可以查看下表。

Frequency 频率	Wavelength 波长	Application 应用
50–60 Hz	6000–5000 km	AC electricity transmission 交流输电
3–30 kHz	100–10 km	Sub-marine communication 海底通信
30–300 kHz	10–1 km	Long-wave radio broadcast 长波无线电广播
180–1600 kHz	1.7 km–188 m	AM radio broadcast 调幅广播
1.8–30 MHz	167–10 m	Shortwave radio 短波无线电
88–108 MHz	3.4–2.7 m	FM broadcast 调频广播
300–3000 MHz	1–0.1 m	UHF point to point 超高频点对点
800–2200 MHz	0.375–0.136 m	Mobile base station 移动基站
1–60 GHz	0.3–0.005 m	Microwave links 微波链路
60–300 GHz	0.005–0.001 m	Millimeter-wave links 毫米波链路
352, 230, 193 THz	1550, 1300, 850 nm	Fiber-optic links 光纤链路
420–750 THz	714–400 nm	Visible light 可见光

常见的电磁波传输方式包括天波、地波、视线传播等等。地波传输通常对应于频率f<2MHz的长波,能够贴着地球表面传播，可传输数百至数千km，例如AM广播等。天波主要对应短波频率在2~30MHz的短波通信，可以被大气电离层反射回地面；

由于微波频率高，波长短，具有直线传播、方向性强、抗干扰能力强、传输容量大等优点。但是也有缺点，比如视距传输、受地球曲率限制、易受雨衰减等影响。这种类型的电磁波，绕射能力很差，穿透力很差，在地表传输时，衰减很大，传输距离短，其传播方式为视线传播的直线传播方式。由于地球是一个球体，地球的表面是有弧度的。微波天线发出的微波，经过一定距离之后，就会被地球表面所阻挡，无法继续传播。

其传播距离与天线高度h有关，可以利用下式近似计算：
$h=\frac{D^2}{8r} \approx \frac{D^2}{50}$
在这里插入图片描述

比如天线高40m,可得到最远通信距离 $D=\sqrt{50h}\approx44.7km$ 。

要想传播远，有两种方式：

1、增大h，离地面约高越好；

在地面挂太高，施工难度很大。但是我们可以考虑挂到天上去，这就是卫星通信。

借助地球同步卫星，将“微波中继站”挂在太空中，可是最大化地扩大微波通信的距离。

2、中继接力，如下图所示微波中继转接站接收到前一站的微波信号，加以放大等处理，再转发到下一站去，就像接力赛跑一样，直到抵达最终收信端。也正是因为这个传输特点，微波通信经常被称为微波中继通信，或微波接力通信。

2、微波传输损耗

微波传输的距离同时受到自由空间损耗、大气损耗和雨衰等诸多因素的影响：

① 自由空间衰耗

自由空间是理想的真空空间，在此空间中电波不产生反射、折射和散射等物理现象。电磁波在自由空间距离能量扩散而产生的衰耗叫自由空间衰耗，有一个经验公式描述自由空间损耗：
$L s (d B) = 92.4 + 20 l g (F) + 20 l g (D)$
可以看出反射频率F（GHz）越高，传输距离D（km）越远，损耗越大。

② 大气吸收衰减大气中的分子具有磁偶极子，水蒸气分子具有电偶分子，它们能从微波中吸收能量，使微波产生衰减。一般说来，水蒸气的最大吸收峰在λ=1.3cm处，氧分子的最大吸收峰则在λ=0.5cm处。对于频率较低的电磁波，站与站之间的距离是 50km 以上时，大气吸收产生的衰减相对于自由空间产生的衰减是微不足道的，可以忽略不计。

③ 雨雾衰减由于雨雾中的小水滴会使电磁波产生散射，从而造成电磁波的能量损失，产生散射衰减。一般来讲，10GHz以下频段雨雾的散射衰耗并不太严重，通常50km两站之间只有几分贝。但若在 10GHz 以上，散射衰耗将变得严重，使得站与站之间的距离受到散射的限制，通常只有几千米。

④ 地面反射的影响在微波的传输过程中，除了大气，气候对其传播产生影响以外，地面的影响也是较大的，主要表现在以下几个方面。

●树林、山丘、建筑物等建筑物能够阻挡一部分电磁波的射线，从而增加了损耗。

●平滑的地面和水面可以将一部分的信号反射到接收天线上，反射波与入射波叠加后，有可能相互抵消而产生损耗。有些时候地面上没有明显的障碍物，此时主要是反射波对直射波产生的影响

3、微波频段分布

微波频段划分

目前大规模使用的微波频段为常规频段6到42GHz，但目前几乎已消耗殆尽。V-band在60GHz左右，但是根据前面传输损耗的图，可以看出来大气损耗十分严重，所以传输距离很短。未来微波将会在E-band（71到76G，81到86G）处发力，具有大容量、站间干扰小、频谱资源丰富等特点。

微波的信号制式与移动通信的不同，细节可以参考ETSI划分的标准。

波道间隔

4、微波通信基本结构简介

前面我们讲过，日常生活中常见的移动通信基站大概是这样的：
在这里插入图片描述

但是细心观察的话会发现在有些大楼的楼顶上，除了基站，还会有一些像“大鼓”一样的设备。
这些“大鼓”，就是我们通常所说的“微波设备”。更准确一点，是“微波通信天线”。

微波一般分为全室内安装、全室外安装以及分体式安装。

2.1 分体式安装

3种安装方式中最常见的结构且与移动通信基站最为类似的为分体式安装，其主要由IDU（Indoor Unit，室内单元）、ODU（Outdoor Unit，室外单元）、中频电缆、天线等部分组成。

IDU负责完成业务接入、复分接和调制解调，在室内将业务信号转换成中频模拟信号，例如华为的RTN900系列。
ODU负责完成信号的变频和放大。
天线将射频信号转换成电磁波，向空中进行辐射。或者接收电磁波，转换成射频信号，送给ODU。常见微波电信有如下鼓面、抛物面和卡塞格伦天线。

室外微波设备的安装方式，也分为两种。一种是ODU和天线分开的分离式安装，还有一种是ODU和天线扣在一起的直扣式安装。

2.2 全室内安装与全室外安装

全室内微波的基带、中频和射频单元都在室内，通过软波导链接天线；全室外安装基带、中频和射频单元都在室外。

可以看到，上图中，有两种方式的天线。一种是直接挂在铁塔上，还有一种是借助了无源反射板，将信号进行了一个反射。

3、微波链路的用途

微波通讯广泛应用在光网络建设成本比较高的场景，比如高山、湖泊、小岛、沙漠等场景

在这里插入图片描述

3.1 移动基站业务回传

将移动基站信号回传至核心网。一般用在光缆铺设不便的场景，另外在城市密集地区，短距微波拥有丰富的频谱资源，可以用来解决传统微波频段资源紧张、传输带宽小的问题，作为末端基站业务接入，解决部分新建站址光纤缺失的问题，实现基站快速部署。

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3.2 光网络组网

环网能提高承载网络的可靠性和容灾能力，运营商通常对网络成环率都有一定要求，尤其是追求高品质的中国移动。但常常由于各种各样的现实困难，部分站点光纤资源缺失，接入层仍然有相当比例的网络面临成环压力。微波可以作为光纤替代，配合现网PTN设备进行成环补网（目前接入环的带宽在1Gbps），解决光纤资源缺失导致PTN网络无法成环的问题，为PTN网络提供环网保护能力，提升传输网络可靠性。

3.3 重要链路备份

将微波传输作为光网络的备份

3.4 企业专网

如石油管道公司、电力公司由于条件限制不便铺设光缆时，通常使用微波传输。

3.5 大用户专网

对于数据业务互联专线、企业链路租赁等1Gbps以上带宽需求的业务，有些大楼因光纤铺设困难，成本高、周期长而无法部署，微波可作为IP/MPLS路由器或L2交换机之间的光纤替代，解决光纤和部署困难问题。

3、微波通信与移动通信

微波通信与移动通信都属于无线电技术的应用范畴，都使用电磁波作为载波进行信息传输，都需要天线设备来发射和接收电磁波。但是它们也有很大的不同。比如：

微波通信主要用于固定点对点或点对多点之间的中继传输，而移动通信主要用于固定或移动用户之间的随意连接。
微波通信使用较高频率（3GHz-40GHz）的电磁波作为载波，而移动通信使用较低频率（300MHz-3GHz）的电磁波作为载波。
微波天线一般采用抛物面天线或角反射器天线等高增益、窄束宽、方向性强的天线类型，而移动天线一般采用偶极子天线或贴片天线等低增益、宽束宽、方向性弱或全向性的天线类型。
微波系统一般采用数字调制技术来提高频谱利用效率和抗干扰能力，而移动系统一般采用多址技术（如FDMA、TDMA、CDMA等）来提高用户容量和系统灵活性。

参考内容：

1、https://zhuanlan.zhihu.com/p/76652324

2、https://zhuanlan.zhihu.com/p/47568225 小枣君五分钟看懂微波通信

3、https://max.book118.com/html/2018/0605/170959048.shtm 华为微波产品介绍

4、https://www.bilibili.com/video/BV1ut411P7jm/?spm_id_from=333.788.recommend_more_video.-1&vd_source=0d437291def62d72151b1c1fac03f31b 该B站主播的微波相关介绍