張東

摘 要 隨著移動云計算的到來，無線接入網(wǎng)需要大幅度提高網(wǎng)絡容量來滿足不斷增長的數(shù)據(jù)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(wǎng)提高網(wǎng)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(wǎng)的設計思想。

關鍵詞 移動云計算 高頻譜無線接入網(wǎng)

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(shù)據(jù)的存儲和處理均發(fā)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(shù)據(jù)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(wǎng)帶來流量壓力。愛立信預測移動數(shù)據(jù)流量到2017年底將增長15倍。③無線接入網(wǎng)需要大幅提高網(wǎng)絡容量。根據(jù)香農(nóng)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(jīng)非常緊張，④使用高頻譜成為提高無線接入網(wǎng)容量的一種可能途徑。

1 高頻譜無線接入網(wǎng)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?shù)幕咎攸c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(wǎng)的以下三個設計思想：

第一，高頻譜無線接入網(wǎng)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(qū)網(wǎng)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(wǎng)絡節(jié)點）、NN段（網(wǎng)絡節(jié)點到網(wǎng)絡節(jié)點）和NG段（網(wǎng)絡節(jié)點到網(wǎng)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(wǎng)絡節(jié)點通常以有線方式相連。在NG段中，網(wǎng)關以有線方式連接多個網(wǎng)絡節(jié)點并擁有小區(qū)唯一的寬帶出口。

第二，高頻譜無線接入網(wǎng)依靠“高架”來提高網(wǎng)絡骨干的無線傳輸性能：它將由網(wǎng)絡節(jié)點互聯(lián)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?shù)母蓴_，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(wǎng)依靠“網(wǎng)格”來提高網(wǎng)絡可靠性：即通過網(wǎng)絡節(jié)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(wǎng)具有網(wǎng)格結構。波束形成等技術可以實現(xiàn)網(wǎng)絡節(jié)點與附近任意角度網(wǎng)絡節(jié)點之間的全向通信。網(wǎng)絡節(jié)點之間進而通過多速率、多信道和多平面來提高網(wǎng)絡無線傳輸?shù)目煽啃浴＿@里，多平面是指部署在不同高度的網(wǎng)絡節(jié)點構成互通互聯(lián)的若干通信平面，以減少空間障礙物造成的通信中斷。

高頻譜無線接入網(wǎng)的結構如圖1所示。圖1（a）顯示高頻譜無線接入網(wǎng)由小區(qū)構成，網(wǎng)管服務器負責管理網(wǎng)絡資源，業(yè)務服務器負責認證、漫游和計費等業(yè)務。圖1（b）分別顯示了高空中作為網(wǎng)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(wǎng)的用戶接入速率

下文將簡單討論高頻譜無線接入網(wǎng)的用戶接入速率（指用戶設備到網(wǎng)關之間的名義最大數(shù)據(jù)吞吐量）。假定網(wǎng)絡節(jié)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(wǎng)絡節(jié)點都存在到至少一個網(wǎng)關所連網(wǎng)絡節(jié)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(qū)擁有多個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(wǎng)關的接入速率至少為10 Gbit/s。然后討論小區(qū)有U（U>1）個活躍用戶設備同時接入網(wǎng)關的情況。先考慮單信道情況，這時每個用戶設備到網(wǎng)關的數(shù)據(jù)傳輸都需要依次經(jīng)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(qū)的信道數(shù)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(wǎng)的設計思想可以概括為：通過分段、高架和網(wǎng)格的方法使無線接入網(wǎng)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(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(xiàn)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(wǎng)又可以通過增加頻譜使用量的方式來提高網(wǎng)絡容量。因此，高頻譜無線接入網(wǎng)或可滿足未來移動云計算帶來的數(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(guī)劃的困難與挑戰(zhàn).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.