G毫米波通信
民航领域5G加速推进背景下通信原理与系统课程教学改革
民航领域5G加速推进背景下通信原理与系统课程教学改革作者：屈景怡刘涛夏冬喻丽红来源：《高教学刊》2024年第15期摘要：中国交通教育研究会“十四五”交通教育科研发展规划中明确指出，大力开展5G加速推进背景下专业课程教学创新方面的研究。
中国民航大学通信原理与系统课程组立足民航发展需求，紧跟技术进步和行业发展的趋势，重组教学内容，深拓教学资源，探索多元化考核方式，开展“行业为要、内容为新”的课程教学改革，为民航5G加速推进背景下的课程建设提供参考和应用实践。
关键词：通信原理与系统；民航宽带通信技术；5G；6G；教学改革中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）15-0142-05Abstract： The "14th Five Year Plan" for the development of transportation education research and development by the China Association of Transportation Education Research clearly points out the need to vigorously carry out research on innovative teaching in professional courses under the background of accelerating the promotion of 5G. The "Communication Principles and Systems" course group of Civil Aviation University of China is based on the development needs of civil aviation and carry out curriculum teaching reform with "industry oriented and content oriented" closely following the trends of technological progress and industry development， restructuring teaching content， deepening teaching resources， and exploring diversified assessment methods. According to teaching feedback， students are satisfied with the effectiveness of teaching reform.Keywords： Communication Principle and System; civil aviation broadband communication; 5G; 6G; teaching reform隨着通信技术突飞猛进发展，目前，无线通信技术已经全面进入5G时代，6G的研发工作也已经在多个国家启动。
5G毫米波TR组件设计
设计应用esign & ApplicationD5G毫米波TR组件设计Design of 5G millimeter-wave TR module陶长亚（1.电子信息测试技术安徽省重点实验室，安徽 蚌埠 2330062.中国电子科技集团公司第41研究所，安徽 蚌埠 2330063.中电科仪器仪表（安徽）有限公司，安徽 蚌埠 233006）摘 要：为了对5G毫米波通信信号进行测试，本文利用锁相技术、混频技术、滤波技术和功率控制技术设计出一种宽带毫米波TR组件，经过实际测试，所有指标都达到了设计要求。
并成功用于5G信号综合测试仪中，实现了5G频段24.25 GHz～30 GHz的通信信号测试。
关键词：TR组件 5G 毫米波 本振源基金项目：电子信息测试技术安徽省重点实验室项目，由安徽省“三重一创”项目资助，国家科技重大专项（2017ZX03001020）0 引言对于TR 组件的设计，已有很多人做了深入的研究[1-4]。
但是对于5 G 毫米波TR 组件研制的文献却很少。
5 G 通信信号具有毫米波、大带宽等的特点。
为了对5 G 信号进行测试，本文设计出一种5 G 毫米波TR 组件，并成功用于5 G 信号综合测试仪中，实现了5 G 频段 24.25 GHz ～30 GHz 的通信信号测试。
1 方案设计１．１ 设计指标频率范围：24.25 GHz ～30 GHz 功率输出范围：-90 dBm ～10 dBm 功率输出步进：1 dB 调制带宽：200 MHz 分析带宽：200 MHz作者简介：陶长亚（1975-），男，高级工程师。
研究方向：通信测量仪器的研究与开发。
通信地址：安徽省蚌埠市禹会区长征路726号电子第41研究所研发一部１．２ 设计方案本设计方案的原理框图如图1所示。
对于上行发射通道，中频基带模块产生的0.25 GHz ～6 GHz 中频基带信号通过开关选择，经过衰减、放大等功率调整与 12 GHz 点频低相噪本振2次谐波混频获得24.25 GHz ～ 30 GHz 的5G 通信频段信号，经过滤波、功率调整后发射出去。
5G无线网络中毫米波通信的路径损耗预测模型
第30卷第2期2020年6月信阳农林学院学报Journal o£Xinyang Agriculture and Forestry UniversityVol.30No.2Jun.20205G无线网络中毫米波通信的路径损耗预测模型韩静(山西工程职业学院计算机信息系，山西太原030032)摘要:在5G通信中，毫米波信道建模是一项尤为关键的技术。
为了充分了解毫米波的传输特征,首先在室外点对点网络和车联网环境下分别测量了60GHz和73GHz的信道。
然后，通过在自由空间模型和斯坦福大学信道模型中引入校正因子，建立能够准确预测60GHz毫米波路径损耗的改进模型。
其次，将在发射器和接收器之间来自多个天线指向方向的信号进行合并，提出了73GHz毫米波波束合并的路径损耗模型。
实验结果表明，本文的路径损耗预测模型能够较准确地描述60GHz和73GHz毫米波的路径损耗情况。
关键词：5G；毫米波;路径损耗模型中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:2095-8978(2020)02-0110-04多输入多输出(Multiple—Input Multiple—Output,MIM0)m等创新技术以及毫米波(mmWave)频段中的新频谱分配有助于缓解当前频谱不足的问题闪，并且推动第五代(5G)无线通信的发展。
为了进行准确而可靠的5G系统设计,有必要全面了解毫米波频率上的传播通道特性。
新兴的5G通信系统采用了革命性新技术、新频谱和新架构概念。
因此，设计可靠的信道通道模型以协助工程师进行设计显得尤为重要。
与低于6GHz的频率相比，毫米波在发射天线的第一米传播中会有更高的自由空间路径损耗。
而在链路的两端使用高增益天线可以克服路径损耗,还可以使用波束成形和波束合并技术来提高链路质量并消除干扰区_5]。
本文针对60GHz和73GHz频段的毫米波，建立了能够准确描述路径损耗的模型。
1改进自由空间和斯坦福大学信道模型对于3G和4G蜂窝网络，可以使用IEEE802.16e系统的斯坦福大学信道模型来估计在微波频带中工作于2GHz以上的路径损耗冏。
无线电通信波段划分
波段划分最早用于搜索雷达的电磁波波长为23cm，这一波段被定义为L波段（英语Long的字头），后来这一波段的中心波长变为22cm。
当波长为10cm的电磁波被使用后，其波段被定义为S波段（英语Short的字头，意为比原有波长短的电磁波）。
在主要使用3cm电磁波的火控雷达出现后，3cm波长的电磁波被称为X波段，因为X 代表座标上的某点。
为了结合X波段和S波段的优点，逐渐出现了使用中心波长为5cm的雷达，该波段被称为C波段（C即Compromise，英语“结合”一词的字头）。
在英国人之后，德国人也开始独立开发自己的雷达，他们选择1.5cm作为自己雷达的中心波长。
这一波长的电磁波就被称为K波段（K = Kurtz，德语中“短”的字头）。
“不幸”的是，德国人以其日尔曼民族特有的“精确性”选择的波长可以被水蒸气强烈吸收。
结果这一波段的雷达不能在雨中和有雾的天气使用。
战后设计的雷达为了避免这一吸收峰，通常使用比K波段波长略长（Ka，即英语K－above的缩写，意为在K 波段之上）和略短（Ku，即英语K－under的缩写，意为在K波段之下）的波段。
最后，由于最早的雷达使用的是米波，这一波段被称为P波段（P为Previous的缩写，即英语“以往”的字头）。
该系统十分繁琐、而且使用不便。
终于被一个以实际波长划分的波分波段系统取代，这两个系统的换算如下。
原P波段= 现A/B 原L波段= 现C/D 原S波段= 现E/F 原C波段= 现G/H 原X波段= 现I/J 原K波段= 现K 波段我国现用微波分波段代号Extremely Low Frequency (ELF) 0 KHz to 3 KHz Very Low Frequency (VLF)3 KHz to 30 KHz Radio Navigation & Maritime/Aeronautical Mobile 9 KHz to 540 KHz Low Frequency (LF) 30 KHz to 300 KHz Medium Frequency (MF) 300 KHz to 3 MHz AM Radio Broadcast 540 KHz to 1630 KHz High Frequency (HF)3 MHz to 30 MHz Shortwave Broadcast Radio 5.95 MHz to 26.1 MHz Very High Frequency (VHF)30 MHz to 300 MHz Low Band: TV Band 1 - Channels 2-6 54 MHz to 88 MHz Mid Band: FM Radio Broadcast 88 MHz to 174 MHz High Band: TV Band 2 - Channels 7-13 174 MHz to 216 MHz Super Band (mobile/fixed radio TV) 216 MHz to 600 MHz Ultra-High Frequency (UHF) 300 MHz to 3000 MHz Channels 14-70 470 MHz to 806 MHzL-band500 MHz to 1500 MHz Personal Communications Services (PCS) 1850 MHz to 1990 MHz Unlicensed PCS Devices1910 MHz to 1930 MHz Superhigh Frequencies (SHF) (Microwave) 3 GHz to 30 GHzC-band 3.6 GHz to 7 GHz X-band 7.25 GHz to 8.4 GHz Ku-band 10.7 GHz to 14.5 GHz Ka-band17.3 GHz to 31 GHz Extremely High Frequencies (EHF) (Millimeter Wave Signals) 30 GHz to 300 GHz Additional Fixed Satellite 38.6 GHz to 275 GHz Infrared Radiation 300 GHz to 810 THz Visible Light 810 THz to 1620 THz Ultraviolet Radiation 1.62 PHz to 30 PHz X-Rays 30 PHz to 30 EHz Gamma Rays30 EHzto3000 EHz微波波段极低频短波通信频率功能的划分极低频短波通信实际使用的频率范围:1.6 MHz～30 MHz1600 kHz～1800 kHz:主要是些灯塔和导航信号，用来给鱼船和海上油井勘探的定位信号1800 kHz～2000 kHz:160米的业余无线电波段，在秋冬季节的夜晚有最好的接收效果。
面向5G应用场景的毫米波传输衰减分析
间传播，波束窄，具有良好的方向性。
由于毫米波所处频段高，干扰较少，所以传播稳定可靠。
但是，由于水汽、氧气等吸收作用，毫米波在大气中传播会受到不可忽视的衰减。
同时，降雨、云雾及沙尘也会带来信号的额外衰落，所以毫米波单跳通信距离较短本文从大气吸收、云雾、降雨和沙尘等大气为主的分子会对电磁波能量进行吸收，引起电波衰减。
大气吸收对毫米波的传播影响主要有频率、水蒸气浓度和天线仰角。
在毫米波频段内，氧60GHz 条主要谱线。
分别将这些谱线的吸收衰减率线性相加，并考虑亚毫米波段和红外区域强度极高的谱线以及连续谱的影响，可得到氧气和水汽的吸收损耗率 dB/km 是干燥空气条件下的特征衰减；定水汽密度条件下的特征衰减；f 是电波频率，以是该频率相关的复合折射率的虚部，计算方由于氧气和水汽的吸收线很多，逐项计算所有吸收线对应频率对电波衰减的贡献十分复杂，中根据发射天线和接收天线的相对高度将传播路径分为水平路径和倾斜路径，给出了在高度范围内的简易计算方法。
此法与逐线计算的大气吸收衰减所得结果之间60GHz 水平路径和微小倾角倾斜路径的路径衰减计算方法相同。
整个积分路径上氧气衰减率为常数，对其求衰减率积分，其路径衰减可由如式60−66−p=1013hPa、温度t=15℃的条件下模拟的干燥空气与水汽衰减率以及总的衰减率随频2是在ITU-R建议的水蒸气密度）、大气压强p=1013hPa、温度℃的条件下模拟的干燥空气与水汽衰减率以及总特征衰减率随频率的变化曲线图：频率f/GHz水蒸气密度为10.5g/m³时衰减率与频率的关系=频率f/GHz水蒸气密度为13g/m³时衰减率与频率的关系知，毫米波对于氧气和水蒸气吸收衰减均是随着频率的升高而增大。
在倾斜路径上大气衰减随高度递增近似成负指数采用了等效高度的方法。
定义等效高度对电波的衰减才显得重要[5]。
云、雾是由微小水滴成水滴直径在0.001~0.4mm 之间，满足瑞利散射条件[8]。
2g、3g、4g、5g、6g的工作频段
2g、3g、4g、5g、6g的工作频段【原创版】目录1.2G 的工作频段2.3G 的工作频段3.4G 的工作频段4.5G 的工作频段5.6G 的工作频段正文【2G 的工作频段】2G，即第二代移动通信技术，主要工作频段有 900MHz、1800MHz 和1900MHz。
在我国，2G 网络主要由两家运营商运营，分别是中国移动和中国联通。
这个阶段的移动通信技术主要提供语音和低速数据服务，如短信和 WAP 上网。
【3G 的工作频段】3G，即第三代移动通信技术，其主要工作频段有 UMTS850/900/1900/2100MHz，CDMA2000 800/1900MHz以及TD-SCDMA1880/2010MHz。
在我国，3G网络同样由三家运营商运营，分别是中国移动、中国联通和中国电信。
3G技术相较于2G，提供了更快的数据传输速度，能够满足用户浏览网页、收发邮件、观看在线视频等需求。
【4G 的工作频段】4G，即第四代移动通信技术，其主要工作频段有 LTE800/900/1800/1900/2100/2600MHz。
在我国，4G网络由三家运营商运营，分别是中国移动、中国联通和中国电信。
4G技术提供了更高的数据传输速度，使得用户能够轻松实现高清语音、视频通话以及在线游戏等应用。
【5G 的工作频段】5G，即第五代移动通信技术，其主要工作频段有 Sub-6GHz（如3.3-4.9GHz、6-8GHz 等）和毫米波（如 24GHz、28GHz、39GHz 等）。
在我国，5G 网络目前由三家运营商运营，分别是中国移动、中国联通和中国电信。
5G 技术以其超高速率、低时延和大连接数量，为未来物联网、智慧城市等应用提供了强大的通信支持。
【6G 的工作频段】6G，即第六代移动通信技术，目前尚处于研究和探索阶段。
预计 6G 网络的工作频段将会更高，如毫米波、太赫兹波等。
移动通信发展五个阶段
移动通信发展五个阶段移动通信发展五个阶段引言移动通信技术自问世以来，经历了不断的发展和演变。
从最初的1G时代开始，到目前的5G时代，移动通信行业在过去几十年间取得了巨大的进步。
本文将介绍移动通信发展的五个主要阶段，以及各个阶段的特点和重要的技术突破。
1. 第一阶段：1G时代1G时代是移动通信的起点，从20世纪70年代末开始，直到20世纪90年代末。
在1G时代，主要采用的是模拟信号传输技术，通信质量相对较差且容易受到干扰。
1G时代的蜂窝通信系统采用了分频多址（FDMA）技术，使得多个用户可以进行通话。
2. 第二阶段：2G时代2G时代是从20世纪90年代末开始到21世纪初的一个阶段。
2G时代标志着数字信号取代模拟信号成为移动通信的主流。
2G时代采用的主要技术是全球移动通信系统（GSM）和代码分割多址（CDMA）。
2G时代的重要突破是数据业务的引入，例如短信服务和无线上网。
3. 第三阶段：3G时代3G时代是从21世纪初到2010年左右的一个阶段。
3G时代引入了更高速的数据传输和更多多媒体服务。
其中最重要的标准是第三代合作伙伴项目（UMTS）和CDMA2000。
3G时代的突破在于提供更快的网速，允许用户进行视频通话、视频流媒体和互联网接入。
4. 第四阶段：4G时代4G时代是从2010年左右开始的一个阶段，至今仍然是我们目前最常使用的移动通信技术。
4G时代使用长期演进技术（LTE）作为其主要标准，提供了更快的上网速度和更可靠的连接质量。
4G时代的突破在于为用户提供了更好的多媒体体验，例如高清视频流媒体和大规模在线游戏。
5. 第五阶段：5G时代5G时代是当前移动通信发展的最新阶段，从2019年开始逐渐普及。
5G时代标志着移动通信技术迈向更高速、更可靠的新时代。
5G技术引入了毫米波（mmWave）频段和中低频（sub-6GHz）频段的利用，以提供更高的网速和更低的延迟。
，5G时代还将支持更多的设备连接和更广的服务范围，如物联网、自动驾驶和远程医疗。
使用 SystemVue 评测用于毫米波通信的 5G 波形
Keysight EEsof EDA使用 SystemVue 评测用于毫米波通信的 5G 波形应用指南毫米波 (mmWave) 频段因为有十分宽广的信道带宽，所以通信行业正在考虑将其分配给移动无线通信使用。
无线行业要想满足未来无线网络不断增长的数据速率和容量需求，必然需要使用更大的信道带宽。
波形选择是毫米波通信无线接口设计中的一个重要问题。
但是，一个关键挑战是，在高载波频率中（如毫米波频段），发送和接收的信号可能会因为硬件原因而发生严重的减损。
因此，对几种先进波形在遇到硬件减损时所能达到的性能进行评测，对确保合理的波形设计有十分重要的意义。
引言6 GHz 以上（即毫米波频率范围）的移动无线通信现在表现出很大潜力。
吸引业界关注的主要原因是它拥有大量的可用频谱，尤其是与如今使用的传统 6 GHz 以下频段相比，优势更为明显。
此外，在毫米波频率下，天线也可以做得更小。
因此，设计人员可以在单台移动设备上集成大量天线，并使用波束赋形技术来抵御敌方传播信道的干扰。
综合这些优点，毫米波通信现在被视为实现 5G 无线接入技术（也称为新空口（NR））的一个关键支柱。
对于毫米波通信而言，一个基本问题是波形设计。
近年来，开发人员针对 5G 空中接口提出了很多建议，其中包括采用各种多载波（MC）和单载波（SC）波形。
设计 MC 波形的难点在于，用于构建收发信机的硬件可能存在很多缺陷，也就是说有较大的振荡器相位噪声和功率放大器（PA）非线性失真，而且随着载波频率的增加，这些缺陷会变得更明显。
因此，在设计/评测波形尤其是毫米波通信使用的波形时，必须慎重考虑到这些硬件缺陷。
本应用指南对有硬件减损时的各种先进波形的性能进行了细致评测和对比。
为帮助完成整个流程，我们在常见仿真假设下，使用用于电子系统级（ESL）设计的 Keysight SystemVue 软件环境进行了性能评测。
目录引言 (02)评测候选波形 (03)候选波形 (04)硬件减损模型 (05)非线性功率放大器 (06)性能评测 (07)总结 (11)鸣谢 (11)评测候选波形6 GHz 以上频段的移动无线通信具有许多特点，例如信道带宽大、数据速率要求高、传播条件恶劣、射频减损严重、天线数量多、基站规模小且成本低等特点。
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Wave 1 (Voice)
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5G: The Living Network
new services, new business models
• Carrier Aggregation of discontinuous bands
• Dual band split user and control planes
• Joint multi-RATs management
• Cognitive techniques (Spectrum Sensing)
Multi-RAT cooperation
Ultra fast throughput
Interference coordination
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5G radio interface: technology trends
Electronically steerable phased array antennas to enable dynamic (re)configuration for guaranteed link reliability (in particular in mobile scenarios)
X 20
Throughput gain
Short range and narrow beams
X 10 Densification gain
Multiple simultaneous links in the same band
X5
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(mostly licensed; Not harmonized) (mostly unlicensed; Harmonized)
· Up to 100 MHz BW · FDD/TDD · Macro cells · Long symbol duration
· Up to 200 MHz BW · FDD/TDD · Macro/small cells · Long symbol duration
the living experience
integrated telephony applications
rise of the mobile internet
the video experience
Video ++ ● IoE ● Tactile internet ● Mission critical
· Up to 1 GHz BW · TDD (priority) · Small cells · Short symbol duration
· Up to 2 GHz BW · TDD (priority) · Small cells · Short symbol duration
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5G radio interface outlook Millimeter wave – A new interface Few Takeaways
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5G: the evolution to the smarter living network
Multiplexing gain
Creating the Living Network 12
mmWave: the network
mmW backhaul
Next G eNB
Traditional Cellular Link
mmW access
mmW Phase Array Radio and Antenna
• All options on the table for spectrum licensing
• Global harmonization possible
Creating the Living Network
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mmWave: the range
20 dB free space path loss attenuation compared to below < 6 GHz + additional gaseous (Water Vapor / Oxygen) attenuation Inherently short range Enables X factor of densification
Spectral efficiency
Energy efficiency
Small cell densification
Ultra fast processing
Spectrum sharing
Spectrum extension
Ultra fast switg
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• Industry attention for exclusive licensing
• Need to deal with incumbents (e.g. FSS)
• Industry attention on 60 GHz upper part & E-band
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5G radio interface: initial requirements & enablers
Global consensus emerging on initial requirements and enabling concepts [ITU-R] …
100 Mbps to 1 Gbps
10 to 50 Gbps
1 to 10 TBps/Km2
1 ms
5 to 15 50 to 100 times 4G times 4G
User experienced data rate
Peak data rate
Area traffic capacity
Latency
700 – 2300 2300 – 6000
MHz
MHz
WRC’19
Above 6 GHz
20 – 50
60 – 70
70 – 80
GHz
GHz
GHz
1200 MHz spectrum (Licensed & Unlicensed; Harmonized)
Up to 5 GHz spectrum
Up to 24 GHz spectrum
Millimeter wave: An excursion in a new radio interface for 5G
Alain Mourad
Cambridge Wireless, London 03 February 2015
Creating the Living Network
Outline
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Creating the Living Network
mmWave: the bandwidth
Abundant Millimeter Wave Spectrum can provide fiber-like capacity (multiGbps data rates)
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5G radio interface: development timeline Today
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Millimeter Wave A new radio interface for 5G
Advanced antenna and multi-site technologies
Novel duplexing schemes
• 3D-beamforming and MU-MIMO
• Active Antenna System (AAS)
• Massive MIMO • Network MIMO
Advanced waveforms and multiple access
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• Non-orthogonal multiple access (NOMA)
• Broader set of modulation and coding schemes
Few Kilometers in outdoor LOS
1 dB/km @70 GHz
Water Vapor
Oxygen
Target in 5G 100-200m
outdoor 10-50m
indoor
Few meters in indoor NLOS