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5G回程需要微波

Jimmy Yu, Dell’Oro Group, Redwood City, Calif.

在4G和5G的热词背后，连接无线接入网络（RAN）和移动核心的传输层常常被人遗忘。该传输层被称为移动回程（MBH），是蜂窝网络的关键组成部分之一，可确保手机与互联网之间的良好连接。

两个选项等于两个选择，而不是一个

运营商与市场中的其他公司一样，如果能率先进入市场并提供卓越的产品体验，就能增加市场份额和收入，同时获得更高的利润。这一原则推动了4G的快速部署，也正在推动5G的快速部署。因此，当运营商开始推出5G网络时，每个运营商都将面临同样的挑战：在尽可能短的时间内实现全面的人口覆盖，以确保良好的客户体验，因为任何不尽如人意的地方都会有损公司的品牌。为了实现人口和地理覆盖，运营商需要在城市、郊区和农村等多种环境中部署5G。在这些地区中，最令人担忧的是回程线路的到位，因为如果没有一个良好的MBH网络，用户体验将大打折扣。

大多数人认为，最好的MBH技术是光纤技术，因此所有MBH都应使用光纤系统。这在理论上是正确的，但在现实中，光纤系统的使用受到光纤供应和成本的限制。另一种选择是使用无线技术做MBH，如点对点（PTP）或点对多点（PTMP）微波传输系统，这种技术不依赖于电缆，可以在几天而不是几个月内完成安装。因此，对于MBH来说，光纤和微波始终是两种选择。表1举例说明了不同类型的MBH网络，以及使用案例和优缺点。

在全球范围内，光纤系统的使用超过了微波系统，但在世界许多主要地区，包括欧洲、拉丁美洲和亚太地区（不包括中国），微波系统的使用多于光纤系统，因为光纤的安装成本太高或使用起来不切实际。因此，运营商需要微波系统来实现5G的全面覆盖，或者换一种说法，没有微波回程就无法实现5G的全面覆盖。

微波传输的演变

在光纤出现之前，就有了微波传输。早在1930年，微波传输就被用于通信网络。在早期阶段，微波应用于短距离语音传输。随着时间的推移，运营商在各大洲安装了微波系统，传输数以万计的语音电路，将沿岸城市与对岸城市连接起来。

从早期开始，微波传输技术不断发展，以满足每一代人的需求。蜂窝技术出现时，微波传输用于传输数百条语音线路；2G时代到来时，微波传输用于传输千比特的语音流量；4G时代则用于传输数百兆比特的数据。在此期间，网络从传输大量语音流量转向传输越来越多的数据，这就要求微波设备从传输模拟语音发展到传输大量数据包。图1显示了微波传输演变的一些细节。

图1 微波传输性能的演变。资料来源：Dell'Oro集团

为满足5G回程要求而设计的最新微波传输设备具备所有最新功能，包括分组交换、载波聚合和软件定义网络。这些技术可增加链路容量、提高性能并降低运营成本。Dell'Oro集团估计，在未来五年内，将有超过三分之一的5G基站需要使用PTP微波系统进行回程。此外，尽管5G并非一项新技术，但它正在推动E波段（70和80GHz）的使用。

E波段用于微波传输已有几十年的历史。虽然这个波段具有更高的吞吐速度，但由于其跨度较短，成本较高，最初主要针对园区网络应用。当4G标准要求回程链路的速度高达1Gbps时，它的使用逐渐转向MBH。

随着5G时代的到来，人们对E波段的兴趣与日俱增，因为5G提出的要求是更高的回程速率和更低的延迟。随着时间的推移，新的E波段系统相继问世，单盒传输速率最高可达20Gbps，横跨城市和郊区，跨度长达数公里。随着这些新产品的推出，价格也随着低成本芯片组的使用而下降。如今，E波段系统的平均溢价仅为60%，其传输带宽是标准频率低于40GHz的微波系统的10倍。据Dell'Oro集团估计，约80%的新E波段无线电设备是为MBH应用而购买的。

使用E波段的另一个好处是，70和80GHz范围内的这些频率在许多国家都是免许可或低费用许可的，与标准微波频率相比，频谱许可成本更低。将E波段频谱用于PTP微波的最大问题是，雨、风和热会造成信号大量衰减。所有微波信号都会出现雨衰，但频率越高，雨衰越严重，而E波段是目前用于回程的最高频率。风和热会造成对准问题，因为E波段信号的波束角很小，如果微波收发设备没有安装在稳定的结构上，两个收发设备之间的对准很容易受到大风和高温的干扰。

不过，制造商一直在通过几种方式稳步解决这些问题。首先是引入多波段系统，将传统无线电与E波段无线电结合在一条链路上。这种新的解决方案加强了两个无线电的信号质量，并确保在降雨量大的情况下，数据至少可以穿越传统频段。制造商改善这些问题的第二种方法是增加E波段无线电功率，以扩大信号覆盖范围并提高链路可用性。最后一项技术进步是机械性的，它解决了大风导致E波段无线电发射塔摇摆的问题。为了补偿两个无线电设备之间的角度偏移，制造商增加了有源天线对准系统，以不断重新对准两个无线电设备。当温度变化导致塔架膨胀和收缩时，这一功能也很重要。

为满足对更高容量不断增长的需求和6G的需要，正在开发使用新频谱的微波系统。新频谱包括W波段（92至114.5GHz）和D波段（141至174.8GHz）。使用这两个波段的链路预计将在6G推出时准备就绪。

5G推动微波需求

5G部署始于2018年，并在2019年大幅增长。这些早期部署大多发生在光纤丰富的国家，如中国、日本、韩国和美国。它们利用了为4G铺设的光纤网络，运营商的重点是现有客户所在地的人口覆盖。在最初的5G推广期间，几乎不需要额外的回程系统，当需要新系统时，通常会选择光纤系统。展望下一阶段，一开始使用光纤的运营商正在将其5G网络扩展到光纤稀少的地区，他们将需要使用微波系统来节省时间和资金。

图2 E波段无线电设备出货量预测。资料来源：Dell'Oro集团

从欧洲、拉丁美洲和东南亚等通常依赖微波传输MBH的地区看，5G的推广仍处于早期阶段。这些国家刚刚开始推出5G网络。因此，虽然在2018年5G刚开始推广时，微波系统并未得到初步使用，但其在基站中所占的份额预计将迅速增至35%以上。Dell'Oro集团预计，未来五年将为5G MBH购买80亿美元的PTP微波系统。在构成微波传输的各技术领域中，E波段系统预计将在未来五年内因MBH而实现最高增长，年均增长率将超过20%。Dell'Oro集团对E波段无线电设备出货量的最新预测见图2。

总结

传输层是5G网络的关键组成部分，往往决定了用户体验是否令人满意。如果光纤是唯一的选择，那么传输层也是最具挑战性的部分，因为光纤的安装可能需要数年时间。因此，每次部署新的移动RAN和每一代升级时，运营商仍然需要微波系统。这就是为什么5G最终需要微波回程的原因。