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新一代通信网络设计与规划
信息产业曾被誉为“工业化的牵引”，
近期通信爆发式的发展也被认为是第四次工业革
< p>命的一个潜在突破点。
“建立一个万物互联的世界”——是指将每家每户都通过通信 技术联
接起来，共享通信技术发展给我们带来的革新。通信网络可以大体分为四个层次：
接入网、
汇聚网
、核心网和骨干网。本题主要关注骨干网和接入网的设计 问题。
骨干网，
作为连接多个地区和区域的高速网络，
承担了各城市对外网络交互的出入口功
能，
是信息网络的 主动脉。
新通信技术的部署离不开新一代骨干网的配合，
只有拥有更大信
息容量、
更广覆盖度的骨干传送网，
才能确保用户对新技术的完美 体验。
以光纤为介质的光
传送网的规划与建设是运营商、
设备商以及政府必须考虑的课题。
图
1
为我国四大骨干网之
一的中国教育科研网
（
CERNET
）
的连接示意图。
网络规划者通常需要在有限资源的条件下，
完成网
络部署的顶层设计和规划。如何在复杂的设计因素约束下，通过科学的规划和设计，
让网
络的价值最大化，部署成本最低，是一个极有探讨价值的问题。
图
1
中国教育科研网（
CERNET< /p>
）的连接示意图（图片来源于网络）
接入网起到连接终端
用户与网络的任务，
是信息网络的毛细血管。
这“最后一公里”的
解决方案决定了用户对通信技术直接体验。
图
2
为一个小 区接入链路的实现示意图，
个人用
户通过接入链路建立与基站的连接，<
/p>
将数据逐级上传至核心网关，
从而进入骨干网进行数据
高速
传输。
接入网主要有固网接入和移动接入两种实现方式，
其中固网接入主要用于家 庭宽
带等无便携性要求的接入场景。固网接入根据传输介质又分为实体线路和非实体线路
两种。
实体线路如光纤接入、铜线接入等，
拥 有高稳定性、大容量等特点，广泛使用于我们家庭宽
带接入中。非实体线路如微波接入方
式，拥有部署简单、灵活性高的特点。
图
2
小区接入链路示意图（图片来源于网络）
目前在全世界
大多数家庭宽带市场中，
实体线路部署占比较高。
然而在少数市场中，
< p>实
体线路也存在局限性。例如：在欧美等一些老旧住宅区，
基础设施 落后、土地权益与地面改
造成本等因素导致布线成本过高。此时，非实体（微波）接入便
展现了其独特的优势：由于
微波接入部署基站不需要在小区内进行埋设光纤、
规避了施工成本高和土
地权益问题，因此成为实体
线路有效的替代方案。微波接入示意图见图
3
：基站微波发射机
< br>与用户侧接收机对准后，
微波传输成为空气中一条“无形的光纤”，
形成传 输回路，
建立用
户与基站的联系。
但是微波接入又引入了 一个新的问题
——
天线设计。
建立微波天线的物理
模型，为天线阵列设计选择最优参数，这是微波接入部署的第一步。
图
3
微波接入示意图（图片来源于网络）
相控阵天线具有大
空域内的波束扫描、
可控波束方向、
较大增益等优势，
成为现在微 波
发射机研究的焦点。
部署相控天线于微波接入中，
能精 准地控制基站发出微波的方向，
建立
接收机与发射机的最佳路径，
确保最优通信质量。
天线单元可以是单个的波导喇叭天线、
偶
< p>极子天线、
贴片天线等。
在每个天线单元后端都设置有移相器，
用来改变单元之间信号的相
位关系，信号的幅度变化则通过功率分配或者衰减
器来实现。
相控阵列框图参见图
4
。< /p>
输入信号经分路器分成多路，
每路有独立的移相设置；
经放大，
由天线辐射到空间中。不同天线单元辐射的信号在空间矢量叠加，合成不同指向的波束。
分路器
移相器放大器
天线
< br>合成波束
输入
图
4
相控阵列框图
< br>微波发射机与接收机校准直接关系到链路的通信质量，
而天线本身的设计与天线覆盖程
度是校准关系的一个举足轻重的指标。
一般设计相控天线时，需要保证：
?
主瓣：辐射能量最集中的方向，也称为“主波束”； 主瓣（波束）的宽度定义为辐射功
率下降一半（
3dB
） 时对应的夹角，俗称“半功率角”（见图
5
左）
；
?
旁瓣：除了主瓣，天线在 其他方向也有辐射，一般比主瓣功率低（见图
5
右）
；
< p>
?
零点：主瓣和旁瓣之间有许多零陷，是天线的零点；该角度方向没有能量辐射。
图
5
左：相控阵列主瓣旁瓣解释图与右：波束旁瓣示意图（红圈内）
天线覆盖是指设计一系列的波束，
覆盖特定角度的区域。
相控天线在不同 时刻，
合成不
同指向的波束，对整个区域进行“扫描”式覆盖。在一定的
扫描区域内要求：
?
天线的辐射功率 尽可能均匀，功率最大值与最小值的偏差（俗称“凹坑”）尽可能小；
否则会出现“凹坑
”内的接收机信号差的情况；
?
天线波束数量尽可能少；数量越少，扫描的周期越短，实现成本越低。
以图
6
中
64
个波束构成的相控天线为例，
此
64
个波束的相控 天线实现了水平
±
30°
，
垂
直
±
15°
的覆盖。
然而由于波束与波束之间 存在缝隙，
在覆盖区域内存在“凹坑”，
不够均匀，
覆盖
效果并不好。