微波通信網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容的兩個(gè)策略

隨著需要大量帶寬的智能手機(jī)和無線平板電腦變得越來越普及，微波網(wǎng)路的擴(kuò)容就變得必不可少了。

進(jìn)一步說，運(yùn)營商必須考慮在無線層和在分組層的擴(kuò)容選擇。在現(xiàn)代微波網(wǎng)絡(luò)中基于每條鏈路的頻譜優(yōu)化方案已經(jīng)不現(xiàn)實(shí)，他們必須采用基于網(wǎng)絡(luò)的方案來擴(kuò)充容量。采用基于網(wǎng)絡(luò)的方案，運(yùn)營商能夠：

· 避免僅針對(duì)小規(guī)模的有效優(yōu)化。

· 減少頻譜使用的數(shù)量以幫助節(jié)省使用權(quán)成本。

擴(kuò)容原理

本文比較了在現(xiàn)代微波網(wǎng)絡(luò)中采用的兩種擴(kuò)容方法：

· 分層正交幅度調(diào)制(HQAM)法，即通過在微波通信信道中使用更高階的調(diào)制來達(dá)到頻譜效率最大化。

· 包壓縮原理，即通過在全分組的環(huán)境中減少由于幀或包結(jié)構(gòu)引入的開銷來提高頻譜效率。

HQAM 格式在傳輸星座圖中增加了調(diào)制符號(hào)的密度。例如，512態(tài)正交幅度調(diào)制(512QAM)和1024QAM格式相比，256QAM在可用的業(yè)務(wù)容量上提供了 約25%的連續(xù)組合增益。而2048QAM和4096QAM格式相比512QAM和1024QAM又帶來了15%的額外容量增益。

包壓縮是對(duì)IP包的協(xié)議開銷部分進(jìn)行處理。對(duì)屬于以太網(wǎng)、多協(xié)議標(biāo)簽交換(MPLS)、IP以及TCP/UDP部分的字段在傳輸前進(jìn)行壓縮，并在微波鏈路的接收端進(jìn)行重建。這將減少通過鏈路發(fā)送的比特?cái)?shù)，從而增加業(yè)務(wù)和應(yīng)用的容量。

包 壓縮的效果依賴于業(yè)務(wù)混合及條件，因而難以計(jì)算平均值。但是，如果基于IPv4的互聯(lián)網(wǎng)混合(IMIX)業(yè)務(wù)特征能將容量增加30%至40%的話，那么基 于IPv6的容量增加至少翻倍。那就是說，包壓縮得到的擴(kuò)容增益將在運(yùn)營商從IPv4轉(zhuǎn)向IPv6時(shí)效果變得更加明顯。

鏈路與網(wǎng)絡(luò)頻譜效率對(duì)比

頻譜效率常常基于孤立鏈路來衡量，也就是說這些鏈路沒有受到來自相鄰無線電沖突和干擾的損害，并且它們自己也不是干擾源。不幸的是，干擾是普遍存在的，因而這種方式僅能提供理想鏈路情況下而不是現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)條件下的信息。

優(yōu)化單個(gè)鏈路并不是實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)提供必需的網(wǎng)絡(luò)容量且頻譜占用最小，基于2個(gè)原因：

· 頻譜是有限的資源

· 頻譜有其相應(yīng)的使用價(jià)格

因此，使用盡可能少的頻譜將幫助運(yùn)營商減少近期的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作成本(OPEX)，并為未來容量增長保留頻譜。

基于網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容方案則將重點(diǎn)放在增加整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的容量而不是單個(gè)鏈路的容量。增加調(diào)制格式的決策來自于對(duì)端到端的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)以及由此導(dǎo)致干擾水平的規(guī)劃。對(duì)干擾水平的分析意味著：

· 運(yùn)營商應(yīng)當(dāng)仔細(xì)地評(píng)估，在高密度、短距離節(jié)點(diǎn)或匯聚點(diǎn)，以及在那些最容易受干擾損害的地方使用高階調(diào)制是否有意義。

· 最后一英里鏈路受到干擾損害的影響較少。

長途微波傳輸更適合于高階調(diào)制格式：組成網(wǎng)絡(luò)的鏈路數(shù)較少，并且網(wǎng)絡(luò)中也較少見到這些鏈路匯聚到一個(gè)地理點(diǎn)，因而干擾較少。

真實(shí)世界的網(wǎng)絡(luò)模型

為了更好地理解高階調(diào)制和包壓縮方法是如何影響無線網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容的，我們分析了一個(gè)有890個(gè)短程鏈路、已經(jīng)運(yùn)營的歐洲移動(dòng)回程網(wǎng)絡(luò)。其最大的鏈路群-含有146個(gè)鏈路-工作在38GHz頻段，它包括最后一英里連接、或端接及節(jié)點(diǎn)鏈路。分析如下：

· 定義理論上網(wǎng)絡(luò)可能的最大吞吐率。這將幫助確定網(wǎng)絡(luò)支持的最大容量，而不必涉及任何網(wǎng)絡(luò)單元。

· 在需要重新設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)來支持HSPA+和LTE業(yè)務(wù)之前確定網(wǎng)絡(luò)的限制。

· 為采取何種技術(shù)或技術(shù)組合來提高網(wǎng)絡(luò)容量提供一個(gè)網(wǎng)絡(luò)指南。

圖1顯示38GHz通信頻段以及信道是如何在該部分頻譜分布的。這是網(wǎng)絡(luò)分析的開始。按照當(dāng)前的頻譜利用率，該微波網(wǎng)絡(luò)的整體吞吐率大約是1.9Gb/s。所有的鏈路采用固定的調(diào)制來支持網(wǎng)絡(luò)可用性達(dá)99.999%，或每年的失效時(shí)間不超過5分鐘。

圖1. 38GHz頻段由146個(gè)最后一英里的連接和節(jié)點(diǎn)鏈路組成

從這點(diǎn)開始，來分析2個(gè)策略–HQAM和包壓縮–是否能擴(kuò)充容量而避免增加資本開支(CAPEX)和OPEX。

HQAM方案

為了給HQAM方案建模，將調(diào)制系數(shù)從參考調(diào)制水平增加到最大可能的水平以實(shí)現(xiàn)99.995% 的正常運(yùn)營時(shí)間。每一種調(diào)制的升級(jí)引入更高的容量，但是因?yàn)殒溌烽L度和干擾的原因，并非所有鏈路都能達(dá)到最大調(diào)制方案。

這個(gè)方案是調(diào)制方案升級(jí)和網(wǎng)絡(luò)頻譜效率之間的一種折中。通過在整個(gè)試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施這種方法，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)容量增加到7Gb/s，即4倍提升。

圖2顯示了可實(shí)現(xiàn)的特定調(diào)制系數(shù)情況下的鏈路百分比–無論是最后一英里還是節(jié)點(diǎn)鏈路

圖2. 能支撐由于調(diào)制增加而導(dǎo)致的容量增加下降所需的鏈路數(shù)百分比[!--empirenews.page--]

圖2揭示了3個(gè)要點(diǎn)：

· 當(dāng)調(diào)制速率高于128QAM時(shí)，只有不到50%的鏈路能維持更高的增長。

· 在1024QAM時(shí)，鏈路的百分比降至25%。

· 當(dāng)速率高于1024QAM時(shí)，支持更高階調(diào)制的可能性開始下降，但下降幅度減小。

包壓縮方案

包壓縮增益與承載包的長度和類型直接相關(guān)。

一旦運(yùn)營商了解了包的業(yè)務(wù)特征，他們就能從包壓縮原理確定以容量增加百分比計(jì)算的增益。了解業(yè)務(wù)特征很關(guān)鍵，因?yàn)榘鼔嚎s得到的容量增益是包長度的函數(shù)，包越小則增益越高。這方面對(duì)移動(dòng)回程應(yīng)用特別重要，因?yàn)槠湓捯糁鹘袠I(yè)務(wù)的包非常小，介于64至128字節(jié)之間。

包壓縮分析是基于保守的假定：

· 業(yè)務(wù)分布接近于IMIX特征

· 業(yè)務(wù)通過IPv4承載

· 業(yè)務(wù)引導(dǎo)是基于虛擬局域網(wǎng)(VLAN)并采用雙VLAN標(biāo)記

基于這些假設(shè)，包壓縮實(shí)現(xiàn)約40%的增益，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)容量從1.9Gb/s提高到約2.7Gb/s。

圖3對(duì)比了包壓縮與在14MHz信道上通過改變調(diào)制系數(shù)而獲得的凈吞吐量。為了簡化，僅顯示1024QAM為最大調(diào)制。實(shí)紅線代表通過包壓縮獲得的容量增益與凈無線容量之比。

圖3. 當(dāng)凈吞吐量和包壓縮增加時(shí)系統(tǒng)容量增益減少

圖3揭示了2個(gè)主要觀點(diǎn)：

· 在給定的容量值情況下- 比如100Mb/s，以虛的藍(lán)黑線表示，可以使用低的調(diào)制系數(shù)來實(shí)現(xiàn)容量。在這個(gè)例子中，當(dāng)使用包壓縮時(shí)，采用128QAM而不是512QAM。

· 低調(diào)制方案意味著較低的發(fā)射功率。在這個(gè)例子中，功率低5個(gè)dB，以兩個(gè)黃點(diǎn)線之間的差來表示。使用低功率可以節(jié)省能源成本，也能減少無線頻率(RF)的污染危害并降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的干擾。

分析得出的決定

這個(gè)分析為微波網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)總結(jié)了關(guān)鍵的考慮：

· 發(fā)現(xiàn)提高調(diào)制方式最潛在的地方是無線網(wǎng)絡(luò)的末端，在這些地方HQAM能充分發(fā)揮作用;或者用于長途傳輸，這些地方的潛在干擾較少。

在短程傳輸，調(diào)制系數(shù)超過128QAM的HQAM應(yīng)用可能性不大。即使在網(wǎng)絡(luò)末端，采用1024QAM以及更高階調(diào)制格式都必須仔細(xì)考慮，除非業(yè)務(wù)的可用性不是基本關(guān)注因素。這可能導(dǎo)致可用性從99.995%降低到99.99%。

對(duì)于已經(jīng)運(yùn)行在64QAM至128QAM的匯聚鏈路，提升到更高階調(diào)制格式可能沒有意義。這些鏈路通常被設(shè)計(jì)的運(yùn)行值在99.999%，因?yàn)樗鼈冊(cè)诰W(wǎng)絡(luò)中間起業(yè)務(wù)傳遞的作用。

· 當(dāng)短程應(yīng)用中增加調(diào)制系數(shù)為擴(kuò)容的基本方式時(shí)，具有一定的不確定性。比如，網(wǎng)絡(luò)狀況可能導(dǎo)致某一鏈路達(dá)不到期望的容量水平。

注：自適應(yīng)調(diào)制是一個(gè)增加信道帶寬的有效選擇;但是這在本文中沒有討論，因?yàn)樗且豁?xiàng)已經(jīng)確定可應(yīng)用于全網(wǎng)的技術(shù)。

交叉極化干擾消除(XPIC)是相對(duì)于HQAM更為可行的選擇。XPIC不是當(dāng)前分析的一部分，但它可帶來2 倍的容量增加。XPIC在網(wǎng)絡(luò)中比HQAM更適用，但會(huì)帶來新的設(shè)備成本。相反，包壓縮僅提供1.4倍增益，但能在任何地方應(yīng)用而不會(huì)改變無線環(huán)境。

· 除非網(wǎng)絡(luò)特殊的限制使得運(yùn)營商只能采用一種方案，否則最好的方案一般是采用多種技術(shù)的混合。比如，在干擾比較嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)匯聚點(diǎn)，組合XPIC和包壓縮可以為運(yùn)營商增加3倍容量并可用于網(wǎng)絡(luò)的任何地方。

HQAM和包壓縮是互相獨(dú)立的技術(shù)，可以同時(shí)應(yīng)用來擴(kuò)充微波鏈路和網(wǎng)絡(luò)的容量。展望未來，基于包的擴(kuò)容技術(shù)將在微波傳輸中擔(dān)當(dāng)越來越重要的角色。這些技術(shù)支持在現(xiàn)有的射頻(RF)上增加容量而不會(huì)影響微波中與無線相關(guān)的CAPEX或OPEX投資。

隨著LTE、小蜂窩以及LTE-Advanced (LTE-A)更廣泛的應(yīng)用，微波網(wǎng)絡(luò)需要更多的優(yōu)化技術(shù)來滿足回程傳輸?shù)囊蟆?/p>