張東

摘 要 隨著移動(dòng)云計(jì)算的到來(lái)，無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)需要大幅度提高網(wǎng)絡(luò)容量來(lái)滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流量需求。由于無(wú)線(xiàn)低頻譜資源緊張，使用高頻譜成為無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)提高網(wǎng)絡(luò)容量的一個(gè)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(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的設(shè)計(jì)思想。

關(guān)鍵詞 移動(dòng)云計(jì)算 高頻譜無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2016.02.075

0 引言

隨著智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備的普及，移動(dòng)云計(jì)算將逐漸成為大眾隨時(shí)隨地交流和獲取信息的重要方式。移動(dòng)云計(jì)算論壇①將移動(dòng)云計(jì)算定義為數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理均發(fā)生在移動(dòng)設(shè)備之外的一種基礎(chǔ)設(shè)施。

移動(dòng)云應(yīng)用將計(jì)算能力和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)從移動(dòng)設(shè)備轉(zhuǎn)移到云中，這降低了對(duì)移動(dòng)設(shè)備的性能要求，但給位于移動(dòng)云管道②末端的無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)帶來(lái)流量壓力。愛(ài)立信預(yù)測(cè)移動(dòng)數(shù)據(jù)流量到2017年底將增長(zhǎng)15倍。③無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)需要大幅提高網(wǎng)絡(luò)容量。根據(jù)香農(nóng)定律，使用更多的無(wú)線(xiàn)頻譜是增加無(wú)線(xiàn)傳輸能力的有效方式。由于目前可用的低頻譜資源已經(jīng)非常緊張，④使用高頻譜成為提高無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)容量的一種可能途徑。

1 高頻譜無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的設(shè)計(jì)思想

本文所指的高頻譜泛指5 GHz以上的無(wú)線(xiàn)頻譜，包括毫米波和亞毫米波等。無(wú)線(xiàn)信號(hào)頻率越高其傳播與光的傳播就越為相似。高頻譜無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)幕咎攸c(diǎn)是信號(hào)主要依賴(lài)直線(xiàn)短距離傳輸。基于這一特點(diǎn)，本文提出高頻譜無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的以下三個(gè)設(shè)計(jì)思想：

第一，高頻譜無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)依靠“分段”來(lái)獲得所需的直線(xiàn)短距離傳輸路徑：它將用戶(hù)設(shè)備到小區(qū)網(wǎng)關(guān)的整條傳輸路徑分解為首尾相連的UA段（用戶(hù)設(shè)備到接入點(diǎn)）、AN段（接入點(diǎn)到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)）、NN段（網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)）和NG段（網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)）。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(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常以有線(xiàn)方式相連。在NG段中，網(wǎng)關(guān)以有線(xiàn)方式連接多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)并擁有小區(qū)唯一的寬帶出口。

第二，高頻譜無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)依靠“高架”來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)骨干的無(wú)線(xiàn)傳輸性能：它將由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)互聯(lián)構(gòu)成的NN段建設(shè)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(jí)）高頻譜通信平臺(tái)。高架不但能避開(kāi)人和車(chē)輛等地面物體對(duì)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)母蓴_，也提供了更多高頻譜無(wú)線(xiàn)傳輸所需的直線(xiàn)短距離傳輸路徑。

第三，高頻譜無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)依靠“網(wǎng)格”來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)可靠性：即通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)鏈路、通信頻率和通信空間的多樣性和冗余度來(lái)保證高頻譜無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)具有網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。波束形成等技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與附近任意角度網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的全向通信。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)而通過(guò)多速率、多信道和多平面來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)目煽啃?。這里，多平面是指部署在不同高度的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成互通互聯(lián)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(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1（a）顯示高頻譜無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)由小區(qū)構(gòu)成，網(wǎng)管服務(wù)器負(fù)責(zé)管理網(wǎng)絡(luò)資源，業(yè)務(wù)服務(wù)器負(fù)責(zé)認(rèn)證、漫游和計(jì)費(fèi)等業(yè)務(wù)。圖1（b）分別顯示了高空中作為網(wǎng)絡(luò)傳輸骨干的高頻譜通信平臺(tái)和在低空負(fù)責(zé)用戶(hù)接入的無(wú)線(xiàn)接入平臺(tái)。

2 高頻譜無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的用戶(hù)接入速率

下文將簡(jiǎn)單討論高頻譜無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的用戶(hù)接入速率（指用戶(hù)設(shè)備到網(wǎng)關(guān)之間的名義最大數(shù)據(jù)吞吐量）。假定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用5公里10 Gbit/s速率的無(wú)線(xiàn)鏈路。⑤假定任一接入點(diǎn)所連網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都存在到至少一個(gè)網(wǎng)關(guān)所連網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)鏈路。假定UA段的無(wú)線(xiàn)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(qū)擁有多個(gè)互不干擾的信道且不受其它小區(qū)干擾。

先討論小區(qū)只有一個(gè)活躍用戶(hù)設(shè)備的情況。這時(shí)通過(guò)為UA段和NN段分配不同信道，用戶(hù)設(shè)備到網(wǎng)關(guān)的接入速率至少為10 Gbit/s。然后討論小區(qū)有U（U>1）個(gè)活躍用戶(hù)設(shè)備同時(shí)接入網(wǎng)關(guān)的情況。先考慮單信道情況，這時(shí)每個(gè)用戶(hù)設(shè)備到網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸都需要依次經(jīng)過(guò)UA段和NN段2次無(wú)線(xiàn)傳輸才能完成，因此每個(gè)用戶(hù)設(shè)備理論上可得到10/（2U） = 5/U Gbit/s的接入速率。因此，當(dāng)小區(qū)的信道數(shù)為C時(shí)，每個(gè)用戶(hù)設(shè)備最多可得到5C/U Gbit/s的接入速率。

3 總結(jié)

高頻譜無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的設(shè)計(jì)思想可以概括為：通過(guò)分段、高架和網(wǎng)格的方法使無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)利用高頻譜和直線(xiàn)短距離傳輸路徑進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸。形象地說(shuō)，高頻譜無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)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(hù)接口（接入點(diǎn)）以有線(xiàn)方式向下延伸到城市低空的各個(gè)角落，以便用戶(hù)設(shè)備就近實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)接入。

由于毫米波和亞毫米波等無(wú)線(xiàn)高頻譜的頻段很寬，而高頻譜無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)又可以通過(guò)增加頻譜使用量的方式來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)容量。因此，高頻譜無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)或可滿(mǎn)足未來(lái)移動(dòng)云計(jì)算帶來(lái)的數(shù)據(jù)流量需求。

注釋

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

② 劉越.云計(jì)算綜述與移動(dòng)云計(jì)算的應(yīng)用研究.信息通信技術(shù)，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(rùn).中國(guó)4G頻譜規(guī)劃的困難與挑戰(zhàn).移動(dòng)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.