微波通信网络扩容的两个策略

随着需要大量带宽的智能手机和无线平板电脑变得越来越普及，微波网路的扩容就变得必不可少了。

进一步说，运营商必须考虑在无线层和在分组层的扩容选择。在现代微波网络中基于每条链路的频谱优化方案已经不现实，他们必须采用基于网络的方案来扩充容量。采用基于网络的方案，运营商能够：

· 避免仅针对小规模的有效优化。
· 减少频谱使用的数量以帮助节省使用权成本。

扩容原理

本文比较了在现代微波网络中采用的两种扩容方法：

· 分层正交幅度调制（HQAM）法，即通过在微波通信信道中使用更高阶的调制来达到频谱效率最大化。
· 包压缩原理，即通过在全分组的环境中减少由于帧或包结构引入的开销来提高频谱效率。

HQAM格式在传输星座图中增加了调制符号的密度。例如，512态正交幅度调制（512QAM）和1024QAM格式相比，256QAM在可用的业务容量上提供了约25%的连续组合增益。而2048QAM和4096QAM格式相比512QAM和1024QAM又带来了15%的额外容量增益。

包压缩是对IP包的协议开销部分进行处理。对属于以太网、多协议标签交换（MPLS）、IP以及TCP/UDP部分的字段在传输前进行压缩，并在微波链路的接收端进行重建。这将减少通过链路发送的比特数，从而增加业务和应用的容量。

包压缩的效果依赖于业务混合及条件，因而难以计算平均值。但是，如果基于IPv4的互联网混合（IMIX）业务特征能将容量增加30%至40%的话，那么基于IPv6的容量增加至少翻倍。那就是说，包压缩得到的扩容增益将在运营商从IPv4转向IPv6时效果变得更加明显。

链路与网络频谱效率对比

频谱效率常常基于孤立链路来衡量，也就是说这些链路没有受到来自相邻无线电冲突和干扰的损害，并且它们自己也不是干扰源。不幸的是，干扰是普遍存在的，因而这种方式仅能提供理想链路情况下而不是现实网络条件下的信息。

优化单个链路并不是实际的网络设计。优化网络设计应当提供必需的网络容量且频谱占用最小，基于2个原因：

· 频谱是有限的资源
· 频谱有其相应的使用价格

因此，使用尽可能少的频谱将帮助运营商减少近期的网络运作成本（OPEX），并为未来容量增长保留频谱。

基于网络的扩容方案则将重点放在增加整个网络的容量而不是单个链路的容量。增加调制格式的决策来自于对端到端的网络设计以及由此导致干扰水平的规划。对干扰水平的分析意味着：

· 运营商应当仔细地评估，在高密度、短距离节点或汇聚点，以及在那些最容易受干扰损害的地方使用高阶调制是否有意义。
· 最后一英里链路受到干扰损害的影响较少。

长途微波传输更适合于高阶调制格式：组成网络的链路数较少，并且网络中也较少见到这些链路汇聚到一个地理点，因而干扰较少。

真实世界的网络模型

为了更好地理解高阶调制和包压缩方法是如何影响无线网络扩容的，我们分析了一个有890个短程链路、已经运营的欧洲移动回程网络。其最大的链路群-含有146个链路-工作在38GHz频段，它包括最后一英里连接、或端接及节点链路。分析如下：

· 定义理论上网络可能的最大吞吐率。这将帮助确定网络支持的最大容量，而不必涉及任何网络单元。
· 在需要重新设计网络来支持HSPA+和LTE业务之前确定网络的限制。
· 为采取何种技术或技术组合来提高网络容量提供一个网络指南。

图1显示38GHz通信频段以及信道是如何在该部分频谱分布的。这是网络分析的开始。按照当前的频谱利用率，该微波网络的整体吞吐率大约是1.9Gb/s。所有的链路采用固定的调制来支持网络可用性达99.999%，或每年的失效时间不超过5分钟。

图1. 38GHz频段由146个最后一英里的连接和节点链路组成

从这点开始，来分析2个策略–HQAM和包压缩–是否能扩充容量而避免增加资本开支（CAPEX）和OPEX。

HQAM方案

为了给HQAM方案建模，将调制系数从参考调制水平增加到最大可能的水平以实现99.995% 的正常运营时间。每一种调制的升级引入更高的容量，但是因为链路长度和干扰的原因，并非所有链路都能达到最大调制方案。

这个方案是调制方案升级和网络频谱效率之间的一种折中。通过在整个试验网络实施这种方法，整个网络容量增加到7Gb/s，即4倍提升。

图2显示了可实现的特定调制系数情况下的链路百分比–无论是最后一英里还是节点链路

图2. 能支撑由于调制增加而导致的容量增加下降所需的链路数百分比

图2揭示了3个要点：

· 当调制速率高于128QAM时，只有不到50%的链路能维持更高的增长。
· 在1024QAM时，链路的百分比降至25%。
· 当速率高于1024QAM时，支持更高阶调制的可能性开始下降，但下降幅度减小。

包压缩方案

包压缩增益与承载包的长度和类型直接相关。

一旦运营商了解了包的业务特征，他们就能从包压缩原理确定以容量增加百分比计算的增益。了解业务特征很关键，因为包压缩得到的容量增益是包长度的函数，包越小则增益越高。这方面对移动回程应用特别重要，因为其话音主叫业务的包非常小，介于64至128字节之间。

包压缩分析是基于保守的假定：

· 业务分布接近于IMIX特征
· 业务通过IPv4承载
· 业务引导是基于虚拟局域网（VLAN）并采用双VLAN标记

基于这些假设，包压缩实现约40%的增益，从而实现整个网络容量从1.9Gb/s提高到约2.7Gb/s。

图3对比了包压缩与在14MHz信道上通过改变调制系数而获得的净吞吐量。为了简化，仅显示1024QAM为最大调制。实红线代表通过包压缩获得的容量增益与净无线容量之比。

图3. 当净吞吐量和包压缩增加时系统容量增益减少

图3揭示了2个主要观点：

· 在给定的容量值情况下- 比如100Mb/s，以虚的蓝黑线表示，可以使用低的调制系数来实现容量。在这个例子中，当使用包压缩时，采用128QAM而不是512QAM。
· 低调制方案意味着较低的发射功率。在这个例子中，功率低5个dB，以两个黄点线之间的差来表示。使用低功率可以节省能源成本，也能减少无线频率（RF）的污染危害并降低整个网络的干扰。

分析得出的决定

这个分析为微波网络设计总结了关键的考虑：

· 发现提高调制方式最潜在的地方是无线网络的末端，在这些地方HQAM能充分发挥作用；或者用于长途传输，这些地方的潜在干扰较少。

在短程传输，调制系数超过128QAM的HQAM应用可能性不大。即使在网络末端，采用1024QAM以及更高阶调制格式都必须仔细考虑，除非业务的可用性不是基本关注因素。这可能导致可用性从99.995%降低到99.99%。

对于已经运行在64QAM至128QAM的汇聚链路，提升到更高阶调制格式可能没有意义。这些链路通常被设计的运行值在99.999%，因为它们在网络中间起业务传递的作用。

· 当短程应用中增加调制系数为扩容的基本方式时，具有一定的不确定性。比如，网络状况可能导致某一链路达不到期望的容量水平。

注：自适应调制是一个增加信道带宽的有效选择；但是这在本文中没有讨论，因为它是一项已经确定可应用于全网的技术。

交叉极化干扰消除（XPIC）是相对于HQAM更为可行的选择。XPIC不是当前分析的一部分，但它可带来2 倍的容量增加。XPIC在网络中比HQAM更适用，但会带来新的设备成本。相反，包压缩仅提供1.4倍增益，但能在任何地方应用而不会改变无线环境。

· 除非网络特殊的限制使得运营商只能采用一种方案，否则最好的方案一般是采用多种技术的混合。比如，在干扰比较严重的网络汇聚点，组合XPIC和包压缩可以为运营商增加3倍容量并可用于网络的任何地方。

HQAM和包压缩是互相独立的技术，可以同时应用来扩充微波链路和网络的容量。展望未来，基于包的扩容技术将在微波传输中担当越来越重要的角色。这些技术支持在现有的射频（RF）上增加容量而不会影响微波中与无线相关的CAPEX或OPEX投资。

随着LTE、小蜂窝以及LTE-Advanced (LTE-A)更广泛的应用，微波网络需要更多的优化技术来满足回程传输的要求。