第1章 緒論

隨著5G無線通信時代的到來，萬物互聯的時代即將開啟，5G通信系統將全面實現數十Gbit/s的無線數據傳輸速率。面對傳統無線通信頻譜資源匱乏的現狀，具有低成本、帶寬寬的光纖通信與接入靈活、高頻率毫米波（Millimeter Wave，MMW）通信技術相結合的光載毫米波通信成為解決 5G 帶寬問題的一種必然選擇。光載毫米波通信系統包括毫米波信號的生成、處理、分配、傳輸、存儲和接收等多種技術，其中，高質量毫米波信號的生成技術是決定整個毫米波通信系統性能高低的一項關鍵技術，具有非常重要的研究意義和應用價值。因此，本章結合5G通信和光載毫米波通信的研究背景和意義，重點介紹光生毫米波技術的國內外研究現狀，下面簡單介紹本書研究的主要內容和創新工作。

1982年，北歐移動電話的正式使用將人類帶進了移動通信時代。移動通信按照每十年更新一代的速度已經歷了第一代（1G）、第二代（2G）、第三代（3G）和第四代（4G），現在已進入第五代（5G）移動通信網絡時代，無線通信技術及應用服務的發展歷程如圖1.1所示。1G模擬通信時代，移動通信主要是語音業務，數據傳輸帶寬只需要幾kbit/s。2G數字移動通信的傳輸帶寬只有幾十到一百多kbit/s。3G多媒體移動通信的一般傳輸速率為384kbit/s，最高傳輸速率只有2Mbit/s。4G多媒體移動通信實現了100Mbit/s的移動接入速率，比撥號上網快2000倍，上傳速率能達到20Mbit/s。第五代移動網絡時代，其標準超出了目前的4G/IMT-Advanced標準。根據目前各國研究，5G通信網絡性能比4G通信有較大的進步和提升。根據通信技術聯盟對5G通信制定的2020年部署規劃，光接入網需要支持的數據傳輸速率分別如下：用戶終端達到1～10Gbit/s，回程鏈路達到100Gbit/s，鐵路交通達到1Tbit/s，城市核心交通區域達到1Pbit/s。5G通信的峰值速率將增長數十倍，從4G的100Mbit/s提高到20Gbit/s，相當于1秒鐘可以下載 10 余部高清電影；以數十兆比特每秒（Mbit/s）的數據傳輸速率支持數萬用戶，每平方千米可支持的用戶連接數增長到 100 萬個；可以以1Gbit/s的數據傳輸速率同時提供給在同一棟樓辦公的許多人員；支持數十萬的并發連接及大規模傳感器網絡的部署，從而可以更好地滿足物聯網這樣的海量接入場景。

5G通信技術旨在改善設備間的通信。同時，端到端通信延時將從4G的十幾毫秒減少到5G的幾毫秒。正因為有了強大的通信能力和帶寬，5G網絡一旦應用，將使車聯網、物聯網、智慧城市、無人機網絡等概念變為現實。此外，5G還將進一步應用到工業、醫療、安全等領域，能夠極大地促進這些領域的生產效率，并且能夠創造出新的生產方式。目前，美國、日本、法國、德國和中國等國家都在爭分奪秒地奪取5G的標準話語權。

圖1.1 無線通信技術及應用服務的發展歷程

目前，無線通信的載波頻率大多數集中在 2.6GHz 以下，這部分頻譜資源幾乎已經被占用，而 2.6GHz 以上的無線通信信道容量大、頻率資源豐富，很多頻率還未開發利用。無線載波信號根據頻率由低到高劃分，可依次分為米波（30MHz到300MHz，波長1m到10m）、微波（300MHz到30GHz，波長1mm至1m）、毫米波（30GHz到300GHz，波長 1mm至10mm）和太赫茲波（300GHz到 10THz）。不同頻率的電磁波信號在大氣中傳輸衰減的情況不同，低于微波頻率的電磁波在大氣中傳輸的衰減可忽略不計，毫米波在大氣中的傳輸衰減卻很大，不同頻率的電磁波在大氣中的傳輸衰減如圖1.2所示。

因此，毫米波不適合遠距離傳輸。然而，毫米波通信有容量大、頻帶寬、頻率重用率高、相互干擾小、波長短等優勢。尤其在短距離寬帶無線接入網絡中，毫米波因波長短（天線距離大于1/2波長）、穿透力強、保密性強等特點，非常適合小型化的通信設備。同時，毫米波通信已被寫進標準，用于室內的多媒體高速通信。

圖1.2 不同頻率的電磁波受大氣影響的衰減情況

5G通信將為人們提供無處不在的靈活接入方式，但同時也面臨著無線帶寬資源緊張的難題。面對人們對通信容量和接入靈活性的急切需求，光載毫米波無線通信技術應運而生。它結合了光纖通信與無線通信的優點，具有光纖傳輸的大帶寬與低損耗的特點，還同時具有無線通信的移動接入和方便的特點。光載毫米波無線通信系統對于信息的傳輸有很強的透明性，可適用于不同的調制方式和不同頻率的載波信號，為用戶提供更加靈活與多元的傳輸服務。除此之外，在無線接入技術中，光載毫米波無線通信系統能把信號處理的功能主要集中于中心站，因此節約了大量的成本以增強微小區的覆蓋，這樣便能夠有效地降低大氣中高頻段信號的損耗，提高信號的質量。光載毫米波無線通信系統已經成為5G通信的一個關鍵技術，可提供比現有4G移動通信系統更寬的信道帶寬和更高的信號傳輸速率。基本的5G光載毫米波無線通信系統如圖1.3所示。

光載毫米波無線通信系統通常主要包含中心站、基站、光纖鏈路和用戶四部分。我們稱中心站至基站傳輸方向為光纖下行鏈路，反之為光纖上行鏈路，與無線信號的下行鏈路與上行鏈路分別相對應。對于下行鏈路，由中心站產生光載毫米波信號并經過光纖鏈路傳輸到基站，經過光電檢測后光載毫米波信號被轉換為電毫米波信號，電毫米波信號經放大后通過天線發送到空中，再由用戶單元通過毫米波天線接收電毫米波信號并解調；而對于上行鏈路，用戶單元將調制后的射頻信號經無線鏈路傳輸到基站，基站將無線信號調制到光載波上經光纖傳送回中心站完成信號的檢測。在整個系統中，為了簡化基站結構，幾乎所有的信號處理工作都在中心站內完成，包括編碼、復用、無線信號產生和光調制等。基站只有簡單的電光與光電轉換器件和天線，有的基站還有放大器。因此，光載毫米波無線通信系統大大簡化了設備要求，簡化了系統結構并降低了組網成本。其中，高質量光載毫米波信號的生成技術是實現光載毫米波通信的一項關鍵技術。

圖1.3 基本的5G光載毫米波無線通信系統