一種高頻譜無線接入網的設計思想

張東

摘 要 隨著移動云計算的到來，無線接入網需要大幅度提高網絡容量來滿足不斷增長的數據流量需求。由于無線低頻譜資源緊張，使用高頻譜成為無線接入網提高網絡容量的一個方向。本文提出了一種可工作于毫米波以及亞毫米波等高頻譜之上的無線接入網的設計思想。

關鍵詞 移動云計算 高頻譜無線接入網

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2016.02.075

0 引言

隨著智能手機等移動設備的普及，移動云計算將逐漸成為大眾隨時隨地交流和獲取信息的重要方式。移動云計算論壇①將移動云計算定義為數據的存儲和處理均發生在移動設備之外的一種基礎設施。

移動云應用將計算能力和數據存儲從移動設備轉移到云中，這降低了對移動設備的性能要求，但給位于移動云管道②末端的無線接入網帶來流量壓力。愛立信預測移動數據流量到2017年底將增長15倍。③無線接入網需要大幅提高網絡容量。根據香農定律，使用更多的無線頻譜是增加無線傳輸能力的有效方式。由于目前可用的低頻譜資源已經非常緊張，④使用高頻譜成為提高無線接入網容量的一種可能途徑。

1 高頻譜無線接入網的設計思想

本文所指的高頻譜泛指5 GHz以上的無線頻譜，包括毫米波和亞毫米波等。無線信號頻率越高其傳播與光的傳播就越為相似。高頻譜無線信號傳輸的基本特點是信號主要依賴直線短距離傳輸?；谶@一特點，本文提出高頻譜無線接入網的以下三個設計思想：

第一，高頻譜無線接入網依靠“分段”來獲得所需的直線短距離傳輸路徑：它將用戶設備到小區網關的整條傳輸路徑分解為首尾相連的UA段（用戶設備到接入點）、AN段（接入點到網絡節點）、NN段（網絡節點到網絡節點）和NG段（網絡節點到網關）。其中，UA段的接入方式比較靈活且可以采用高頻譜以及低頻譜。AN段中的接入點與網絡節點通常以有線方式相連。在NG段中，網關以有線方式連接多個網絡節點并擁有小區唯一的寬帶出口。

第二，高頻譜無線接入網依靠“高架”來提高網絡骨干的無線傳輸性能：它將由網絡節點互聯構成的NN段建設成城市上空（距離地面5-50米左右的路燈和其它建筑上）的高速（例如每秒T比特級）高頻譜通信平臺。高架不但能避開人和車輛等地面物體對無線傳輸的干擾，也提供了更多高頻譜無線傳輸所需的直線短距離傳輸路徑。

第三，高頻譜無線接入網依靠“網格”來提高網絡可靠性：即通過網絡節點、無線鏈路、通信頻率和通信空間的多樣性和冗余度來保證高頻譜無線接入網具有網格結構。波束形成等技術可以實現網絡節點與附近任意角度網絡節點之間的全向通信。網絡節點之間進而通過多速率、多信道和多平面來提高網絡無線傳輸的可靠性。這里，多平面是指部署在不同高度的網絡節點構成互通互聯的若干通信平面，以減少空間障礙物造成的通信中斷。

高頻譜無線接入網的結構如圖1所示。圖1（a）顯示高頻譜無線接入網由小區構成，網管服務器負責管理網絡資源，業務服務器負責認證、漫游和計費等業務。圖1（b）分別顯示了高空中作為網絡傳輸骨干的高頻譜通信平臺和在低空負責用戶接入的無線接入平臺。

2 高頻譜無線接入網的用戶接入速率

下文將簡單討論高頻譜無線接入網的用戶接入速率（指用戶設備到網關之間的名義最大數據吞吐量）。假定網絡節點使用5公里10 Gbit/s速率的無線鏈路。⑤假定任一接入點所連網絡節點都存在到至少一個網關所連網絡節點的無線鏈路。假定UA段的無線傳輸速率不小于10 Gbit/s且AN段和NG段使用速率不小于10 Gbit/s的光纖連接。假定小區擁有多個互不干擾的信道且不受其它小區干擾。

先討論小區只有一個活躍用戶設備的情況。這時通過為UA段和NN段分配不同信道，用戶設備到網關的接入速率至少為10 Gbit/s。然后討論小區有U（U>1）個活躍用戶設備同時接入網關的情況。先考慮單信道情況，這時每個用戶設備到網關的數據傳輸都需要依次經過UA段和NN段2次無線傳輸才能完成，因此每個用戶設備理論上可得到10/（2U） = 5/U Gbit/s的接入速率。因此，當小區的信道數為C時，每個用戶設備最多可得到5C/U Gbit/s的接入速率。

3 總結

高頻譜無線接入網的設計思想可以概括為：通過分段、高架和網格的方法使無線接入網利用高頻譜和直線短距離傳輸路徑進行無線傳輸。形象地說，高頻譜無線接入網要在城市高空打造出“信息城市燈火”（這里把城市高空的高頻譜電磁波比作傳播特性相似的光波），然后再將用戶接口（接入點）以有線方式向下延伸到城市低空的各個角落，以便用戶設備就近實現無線接入。

由于毫米波和亞毫米波等無線高頻譜的頻段很寬，而高頻譜無線接入網又可以通過增加頻譜使用量的方式來提高網絡容量。因此，高頻譜無線接入網或可滿足未來移動云計算帶來的數據流量需求。

注釋

① Cloud Computing World Forum， http：//www.mobile cloud computing forum.com

② 劉越.云計算綜述與移動云計算的應用研究.信息通信技術，2010（2）：2010.

③ Ericsson. Traffic and Market Report （on the pulse of the networked society） June 2012， http：//www.ericsson.com/res/docs/2012/traffic_and_market_report_ june_2012.pdf.

④ 何廷潤.中國4G頻譜規劃的困難與挑戰.移動通信，2007.31（5）.

⑤ A. Hirata， T. Kosugi， H. Takahashi， et al. 5.8-km 10-Gbit/s data transmission over a 120-GHz-band wireless link. ICWITS 2010， 1-4， 2010.