第1章 绪论

随着5G无线通信时代的到来，万物互联的时代即将开启，5G通信系统将全面实现数十Gbit/s的无线数据传输速率。面对传统无线通信频谱资源匮乏的现状，具有低成本、带宽宽的光纤通信与接入灵活、高频率毫米波（Millimeter Wave，MMW）通信技术相结合的光载毫米波通信成为解决 5G 带宽问题的一种必然选择。光载毫米波通信系统包括毫米波信号的生成、处理、分配、传输、存储和接收等多种技术，其中，高质量毫米波信号的生成技术是决定整个毫米波通信系统性能高低的一项关键技术，具有非常重要的研究意义和应用价值。因此，本章结合5G通信和光载毫米波通信的研究背景和意义，重点介绍光生毫米波技术的国内外研究现状，下面简单介绍本书研究的主要内容和创新工作。

1982年，北欧移动电话的正式使用将人类带进了移动通信时代。移动通信按照每十年更新一代的速度已经历了第一代（1G）、第二代（2G）、第三代（3G）和第四代（4G），现在已进入第五代（5G）移动通信网络时代，无线通信技术及应用服务的发展历程如图1.1所示。1G模拟通信时代，移动通信主要是语音业务，数据传输带宽只需要几kbit/s。2G数字移动通信的传输带宽只有几十到一百多kbit/s。3G多媒体移动通信的一般传输速率为384kbit/s，最高传输速率只有2Mbit/s。4G多媒体移动通信实现了100Mbit/s的移动接入速率，比拨号上网快2000倍，上传速率能达到20Mbit/s。第五代移动网络时代，其标准超出了目前的4G/IMT-Advanced标准。根据目前各国研究，5G通信网络性能比4G通信有较大的进步和提升。根据通信技术联盟对5G通信制定的2020年部署规划，光接入网需要支持的数据传输速率分别如下：用户终端达到1～10Gbit/s，回程链路达到100Gbit/s，铁路交通达到1Tbit/s，城市核心交通区域达到1Pbit/s。5G通信的峰值速率将增长数十倍，从4G的100Mbit/s提高到20Gbit/s，相当于1秒钟可以下载 10 余部高清电影；以数十兆比特每秒（Mbit/s）的数据传输速率支持数万用户，每平方千米可支持的用户连接数增长到 100 万个；可以以1Gbit/s的数据传输速率同时提供给在同一栋楼办公的许多人员；支持数十万的并发连接及大规模传感器网络的部署，从而可以更好地满足物联网这样的海量接入场景。

5G通信技术旨在改善设备间的通信。同时，端到端通信延时将从4G的十几毫秒减少到5G的几毫秒。正因为有了强大的通信能力和带宽，5G网络一旦应用，将使车联网、物联网、智慧城市、无人机网络等概念变为现实。此外，5G还将进一步应用到工业、医疗、安全等领域，能够极大地促进这些领域的生产效率，并且能够创造出新的生产方式。目前，美国、日本、法国、德国和中国等国家都在争分夺秒地夺取5G的标准话语权。

图1.1 无线通信技术及应用服务的发展历程

目前，无线通信的载波频率大多数集中在 2.6GHz 以下，这部分频谱资源几乎已经被占用，而 2.6GHz 以上的无线通信信道容量大、频率资源丰富，很多频率还未开发利用。无线载波信号根据频率由低到高划分，可依次分为米波（30MHz到300MHz，波长1m到10m）、微波（300MHz到30GHz，波长1mm至1m）、毫米波（30GHz到300GHz，波长 1mm至10mm）和太赫兹波（300GHz到 10THz）。不同频率的电磁波信号在大气中传输衰减的情况不同，低于微波频率的电磁波在大气中传输的衰减可忽略不计，毫米波在大气中的传输衰减却很大，不同频率的电磁波在大气中的传输衰减如图1.2所示。

因此，毫米波不适合远距离传输。然而，毫米波通信有容量大、频带宽、频率重用率高、相互干扰小、波长短等优势。尤其在短距离宽带无线接入网络中，毫米波因波长短（天线距离大于1/2波长）、穿透力强、保密性强等特点，非常适合小型化的通信设备。同时，毫米波通信已被写进标准，用于室内的多媒体高速通信。

图1.2 不同频率的电磁波受大气影响的衰减情况

5G通信将为人们提供无处不在的灵活接入方式，但同时也面临着无线带宽资源紧张的难题。面对人们对通信容量和接入灵活性的急切需求，光载毫米波无线通信技术应运而生。它结合了光纤通信与无线通信的优点，具有光纤传输的大带宽与低损耗的特点，还同时具有无线通信的移动接入和方便的特点。光载毫米波无线通信系统对于信息的传输有很强的透明性，可适用于不同的调制方式和不同频率的载波信号，为用户提供更加灵活与多元的传输服务。除此之外，在无线接入技术中，光载毫米波无线通信系统能把信号处理的功能主要集中于中心站，因此节约了大量的成本以增强微小区的覆盖，这样便能够有效地降低大气中高频段信号的损耗，提高信号的质量。光载毫米波无线通信系统已经成为5G通信的一个关键技术，可提供比现有4G移动通信系统更宽的信道带宽和更高的信号传输速率。基本的5G光载毫米波无线通信系统如图1.3所示。

光载毫米波无线通信系统通常主要包含中心站、基站、光纤链路和用户四部分。我们称中心站至基站传输方向为光纤下行链路，反之为光纤上行链路，与无线信号的下行链路与上行链路分别相对应。对于下行链路，由中心站产生光载毫米波信号并经过光纤链路传输到基站，经过光电检测后光载毫米波信号被转换为电毫米波信号，电毫米波信号经放大后通过天线发送到空中，再由用户单元通过毫米波天线接收电毫米波信号并解调；而对于上行链路，用户单元将调制后的射频信号经无线链路传输到基站，基站将无线信号调制到光载波上经光纤传送回中心站完成信号的检测。在整个系统中，为了简化基站结构，几乎所有的信号处理工作都在中心站内完成，包括编码、复用、无线信号产生和光调制等。基站只有简单的电光与光电转换器件和天线，有的基站还有放大器。因此，光载毫米波无线通信系统大大简化了设备要求，简化了系统结构并降低了组网成本。其中，高质量光载毫米波信号的生成技术是实现光载毫米波通信的一项关键技术。

图1.3 基本的5G光载毫米波无线通信系统