一种高频谱无线接入网的设计思想

张东

摘 要 随着移动云计算的到来，无线接入网需要大幅度提高网络容量来满足不断增长的数据流量需求。由于无线低频谱资源紧张，使用高频谱成为无线接入网提高网络容量的一个方向。本文提出了一种可工作于毫米波以及亚毫米波等高频谱之上的无线接入网的设计思想。

关键词 移动云计算 高频谱无线接入网

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2016.02.075

0 引言

随着智能手机等移动设备的普及，移动云计算将逐渐成为大众随时随地交流和获取信息的重要方式。移动云计算论坛①将移动云计算定义为数据的存储和处理均发生在移动设备之外的一种基础设施。

移动云应用将计算能力和数据存储从移动设备转移到云中，这降低了对移动设备的性能要求，但给位于移动云管道②末端的无线接入网带来流量压力。爱立信预测移动数据流量到2017年底将增长15倍。③无线接入网需要大幅提高网络容量。根据香农定律，使用更多的无线频谱是增加无线传输能力的有效方式。由于目前可用的低频谱资源已经非常紧张，④使用高频谱成为提高无线接入网容量的一种可能途径。

1 高频谱无线接入网的设计思想

本文所指的高频谱泛指5 GHz以上的无线频谱，包括毫米波和亚毫米波等。无线信号频率越高其传播与光的传播就越为相似。高频谱无线信号传输的基本特点是信号主要依赖直线短距离传输。基于这一特点，本文提出高频谱无线接入网的以下三个设计思想：

第一，高频谱无线接入网依靠“分段”来获得所需的直线短距离传输路径：它将用户设备到小区网关的整条传输路径分解为首尾相连的UA段（用户设备到接入点）、AN段（接入点到网络节点）、NN段（网络节点到网络节点）和NG段（网络节点到网关）。其中，UA段的接入方式比较灵活且可以采用高频谱以及低频谱。AN段中的接入点与网络节点通常以有线方式相连。在NG段中，网关以有线方式连接多个网络节点并拥有小区唯一的宽带出口。

第二，高频谱无线接入网依靠“高架”来提高网络骨干的无线传输性能：它将由网络节点互联构成的NN段建设成城市上空（距离地面5-50米左右的路灯和其它建筑上）的高速（例如每秒T比特级）高频谱通信平台。高架不但能避开人和车辆等地面物体对无线传输的干扰，也提供了更多高频谱无线传输所需的直线短距离传输路径。

第三，高频谱无线接入网依靠“网格”来提高网络可靠性：即通过网络节点、无线链路、通信频率和通信空间的多样性和冗余度来保证高频谱无线接入网具有网格结构。波束形成等技术可以实现网络节点与附近任意角度网络节点之间的全向通信。网络节点之间进而通过多速率、多信道和多平面来提高网络无线传输的可靠性。这里，多平面是指部署在不同高度的网络节点构成互通互联的若干通信平面，以减少空间障碍物造成的通信中断。

高频谱无线接入网的结构如图1所示。图1（a）显示高频谱无线接入网由小区构成，网管服务器负责管理网络资源，业务服务器负责认证、漫游和计费等业务。图1（b）分别显示了高空中作为网络传输骨干的高频谱通信平台和在低空负责用户接入的无线接入平台。

2 高频谱无线接入网的用户接入速率

下文将简单讨论高频谱无线接入网的用户接入速率（指用户设备到网关之间的名义最大数据吞吐量）。假定网络节点使用5公里10 Gbit/s速率的无线链路。⑤假定任一接入点所连网络节点都存在到至少一个网关所连网络节点的无线链路。假定UA段的无线传输速率不小于10 Gbit/s且AN段和NG段使用速率不小于10 Gbit/s的光纤连接。假定小区拥有多个互不干扰的信道且不受其它小区干扰。

先讨论小区只有一个活跃用户设备的情况。这时通过为UA段和NN段分配不同信道，用户设备到网关的接入速率至少为10 Gbit/s。然后讨论小区有U（U>1）个活跃用户设备同时接入网关的情况。先考虑单信道情况，这时每个用户设备到网关的数据传输都需要依次经过UA段和NN段2次无线传输才能完成，因此每个用户设备理论上可得到10/（2U） = 5/U Gbit/s的接入速率。因此，当小区的信道数为C时，每个用户设备最多可得到5C/U Gbit/s的接入速率。

3 总结

高频谱无线接入网的设计思想可以概括为：通过分段、高架和网格的方法使无线接入网利用高频谱和直线短距离传输路径进行无线传输。形象地说，高频谱无线接入网要在城市高空打造出“信息城市灯火”（这里把城市高空的高频谱电磁波比作传播特性相似的光波），然后再将用户接口（接入点）以有线方式向下延伸到城市低空的各个角落，以便用户设备就近实现无线接入。

由于毫米波和亚毫米波等无线高频谱的频段很宽，而高频谱无线接入网又可以通过增加频谱使用量的方式来提高网络容量。因此，高频谱无线接入网或可满足未来移动云计算带来的数据流量需求。

注释

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

② 刘越.云计算综述与移动云计算的应用研究.信息通信技术，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 何廷润.中国4G频谱规划的困难与挑战.移动通信，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.