微波通信網(wǎng)絡擴容的兩個策略

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

進一步說，運營商必須考慮在無線層和在分組層的擴容選擇。在現(xiàn)代微波網(wǎng)絡中基于每條鏈路的頻譜優(yōu)化方案已經(jīng)不現(xiàn)實，他們必須采用基于網(wǎng)絡的方案來擴充容量。采用基于網(wǎng)絡的方案，運營商能夠：

· 避免僅針對小規(guī)模的有效優(yōu)化。

· 減少頻譜使用的數(shù)量以幫助節(jié)省使用權成本。

擴容原理

本文比較了在現(xiàn)代微波網(wǎng)絡中采用的兩種擴容方法：

· 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IP包的協(xié)議開銷部分進行處理。對屬于以太網(wǎng)、多協(xié)議標簽交換(MPLS)、IP以及TCP/UDP部分的字段在傳輸前進行壓縮，并在微波鏈路的接收端進行重建。這將減少通過鏈路發(fā)送的比特數(shù)，從而增加業(yè)務和應用的容量。

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

鏈路與網(wǎng)絡頻譜效率對比

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)實網(wǎng)絡條件下的信息。

優(yōu)化單個鏈路并不是實際的網(wǎng)絡設計。優(yōu)化網(wǎng)絡設計應當提供必需的網(wǎng)絡容量且頻譜占用最小，基于2個原因：

· 頻譜是有限的資源

· 頻譜有其相應的使用價格

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

基于網(wǎng)絡的擴容方案則將重點放在增加整個網(wǎng)絡的容量而不是單個鏈路的容量。增加調(diào)制格式的決策來自于對端到端的網(wǎng)絡設計以及由此導致干擾水平的規(guī)劃。對干擾水平的分析意味著：

· 運營商應當仔細地評估，在高密度、短距離節(jié)點或匯聚點，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)絡的鏈路數(shù)較少，并且網(wǎng)絡中也較少見到這些鏈路匯聚到一個地理點，因而干擾較少。

真實世界的網(wǎng)絡模型

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)絡擴容的，我們分析了一個有890個短程鏈路、已經(jīng)運營的歐洲移動回程網(wǎng)絡。其最大的鏈路群-含有146個鏈路-工作在38GHz頻段，它包括最后一英里連接、或端接及節(jié)點鏈路。分析如下：

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

· 在需要重新設計網(wǎng)絡來支持HSPA+和LTE業(yè)務之前確定網(wǎng)絡的限制。

· 為采取何種技術或技術組合來提高網(wǎng)絡容量提供一個網(wǎng)絡指南。

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)絡分析的開始。按照當前的頻譜利用率，該微波網(wǎng)絡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)絡可用性達99.999%，或每年的失效時間不超過5分鐘。

圖1. 38GHz頻段由146個最后一英里的連接和節(jié)點鏈路組成

從這點開始，來分析2個策略–HQAM和包壓縮–是否能擴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現(xiàn)99.995% 的正常運營時間。每一種調(diào)制的升級引入更高的容量，但是因為鏈路長度和干擾的原因，并非所有鏈路都能達到最大調(diào)制方案。

這個方案是調(diào)制方案升級和網(wǎng)絡頻譜效率之間的一種折中。通過在整個試驗網(wǎng)絡實施這種方法，整個網(wǎng)絡容量增加到7Gb/s，即4倍提升。

圖2顯示了可實現(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)點鏈路

圖2. 能支撐由于調(diào)制增加而導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個要點：

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

· 在1024QAM時，鏈路的百分比降至25%。

· 當速率高于1024QAM時，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。

一旦運營商了解了包的業(yè)務特征，他們就能從包壓縮原理確定以容量增加百分比計算的增益。了解業(yè)務特征很關鍵，因為包壓縮得到的容量增益是包長度的函數(shù)，包越小則增益越高。這方面對移動回程應用特別重要，因為其話音主叫業(yè)務的包非常小，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)務分布接近于IMIX特征

· 業(yè)務通過IPv4承載

· 業(yè)務引導是基于虛擬局域網(wǎng)(VLAN)并采用雙VLAN標記

基于這些假設，包壓縮實現(xiàn)約40%的增益，從而實現(xiàn)整個網(wǎng)絡容量從1.9Gb/s提高到約2.7Gb/s。

圖3對比了包壓縮與在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. 當凈吞吐量和包壓縮增加時系統(tǒng)容量增益減少

圖3揭示了2個主要觀點：

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

· 低調(diào)制方案意味著較低的發(fā)射功率。在這個例子中，功率低5個dB，以兩個黃點線之間的差來表示。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網(wǎng)絡的干擾。

分析得出的決定

這個分析為微波網(wǎng)絡設計總結(jié)了關鍵的考慮：

· 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應用可能性不大。即使在網(wǎng)絡末端，采用1024QAM以及更高階調(diào)制格式都必須仔細考慮，除非業(yè)務的可用性不是基本關注因素。這可能導致可用性從99.995%降低到99.99%。

對于已經(jīng)運行在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。這些鏈路通常被設計的運行值在99.999%，因為它們在網(wǎng)絡中間起業(yè)務傳遞的作用。

· 當短程應用中增加調(diào)制系數(shù)為擴容的基本方式時，具有一定的不確定性。比如，網(wǎng)絡狀況可能導致某一鏈路達不到期望的容量水平。

注：自適應調(diào)制是一個增加信道帶寬的有效選擇;但是這在本文中沒有討論，因為它是一項已經(jīng)確定可應用于全網(wǎng)的技術。

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

· 除非網(wǎng)絡特殊的限制使得運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的混合。比如，在干擾比較嚴重的網(wǎng)絡匯聚點，組合XPIC和包壓縮可以為運營商增加3倍容量并可用于網(wǎng)絡的任何地方。

HQAM和包壓縮是互相獨立的技術，可以同時應用來擴充微波鏈路和網(wǎng)絡的容量。展望未來，基于包的擴容技術將在微波傳輸中擔當越來越重要的角色。這些技術支持在現(xiàn)有的射頻(RF)上增加容量而不會影響微波中與無線相關的CAPEX或OPEX投資。

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