无线宽带接入技术及应用分析

标签:技术前沿

访客:17050  发表于:2012-06-21 14:12:57

 

1 、概述

  受限于2G、2.5G无线网络的能力,移动互联网业务发展受到了制约。最近,移动网络技术发展迅速,3G已得到普遍的应用,HSDPA技术也已逐步得到应用,移动宽带化成为移动通信发展趋势,通信运营商对移动互联网业务也越来越重视。

  随着PDA和笔记本电脑的发展普及,用户希望能够随时随地上网,一个新的市场一“宽带无线游牧/移动接入”正在兴起。

  宽带无线接入技术面向一个固定和移动通信融合的新市场,它可提供与宽带有线固定接入并行的宽带无线接入业务,支持游牧和移动应用。它与宽带固定接入使用共同的核心网、业务支持和AAA系统,其速率可达几百千比特每秒甚至几十兆比特每秒,终端主要是笔记本电脑和PDA。

  但是,一项新技术是否能够获得成功,除了自身的先进性之外,很大程度上还是要看是否有好的业务形式和好的商业模式,市场用户并不关心技术本身,而是要看推出的业务能否被用户接受,能否给企业带来盈利。而这恰恰是目前困扰包括无线宽带接人技术在内的诸多宽带无线接入技术的最大问题。

  2、无线宽带的业务需求

  无线宽带接入技术的初衷就是移动互联网业务,它在传输速率、灵活性,以及成本方面都非常适合移动互联网业务。移动互联网内容和服务也能够很好地发挥无线宽带接入的技术优势,是运营商无线宽带接入业务发展的战略方向。

  其他诸如VolP业务、互联网接入服务等等,都应被视作运营商为了获得近期利益而采取战术行动。

  当然,移动互联网业务并不会是固定互联网业务在移动网上的简单复制,移动终端的移动性、随身性以及个性化等特征赋予了移动互联网更多的内涵。

  实际上,人手一部的私有终端将更有利于互联网的发展,更有利于体现互联网人人参与发展、人人参与创新的理念,更加符合Web2.0的本质特征。

  因此,移动互联网的业务内容将会更加丰富,更加人性化,将会比现在的互联网更大地改变我们的生活方式。

  毋庸置疑,提供无线互联网接入服务的确是无线宽带接入技术的一个重要的业务形式。此外,随着新技术的发展,移动通信业务的重心正在从话音、互联网接入等通道类业务向内容和服务类业务转移。无线宽带接入技术将主要用于互联网应用。

  互联网的价值还是在于无边界的海量信息,同时具有开放性、对等性、透明性,因此核心网络、无线接入网络作为互联网基础设施的一部分也需要符合这一原则,从这几个原则可以看出未来互联网只有一个,WAP只是终端与网络能力不足时的过渡,不会为无线互联网复制一个系统,但在互联网中针对用户的无线特征,增加新的个性应用。

  同时也可以看出无线宽带接入技术和移动互联网有一个很好的匹配,将广泛在网络建设中充当重要角色。

  3、无线宽带技术的进展

  无线宽带接入技术主要有两类技术体系,一类是蜂窝移动通信技术,以3G、HSDPA、HSUPA、LTE、AIE、4G等方向发展;另一类无线技术是以MMDS、WiFi、WiBro、WiMAX、MCWill技术。

  适合游牧/移动宽带无线接入应用的系统基本采用OFDMA。OFD—MA结合了时分和频分多址技术,客户终端可以在上行链路中只使用几个子载频,所以将发射功率集中在这几个子载频内,能够提高信噪比十几分贝,满足笔记本电脑0dB天线室内接收需求。

  3.1 移动蜂窝宽带接入技术

  移动数据业务基本是一个专网,下载速率在lOOkbit/s以下。智能手机可以接入互联网,但是性能不理想没有形成主流应用。3GPP和3GPP2都已认识到他们目前的系统提供互联网接入业务的局限性,试图在原来的体系框架内,首先在下行链路中采用分组接入技术,大幅度提高IP数据下载和流媒体速率。

  3G系统在支持IP数据业务时频谱效率低的原因是,其面向连接固定带宽的结构不适应突发式IP数据业务的需求。

  为此,3GPP在R5系统中增加了高速下行分组接入(HSDPA)(被称为3.5G),速率可以达到10Mbit/s以上,随后将进一步在R6中增加高速上行分组接入(HSUPA),核心网也在向全IP网演化。为了能够与WiMAX竞争,3GPP在2004年底发展了长期演化(LTE)计划(被称为3.9G)。

  3.2无线宽带接入技术

  宽带无线接入(Broadband Wireless ACCess,BWA)技术目前还没有通用的定义,一般是指把高效率的无线技术应用于宽带接入网络中,以无线方式向用户提供宽带接入的技术。IEEE 802标准组负责制定无限宽带接入BWA各种技术规范,根据覆盖范围将宽带无线接入划分为:无线个域网WPAN(Wireless Personal Area Network)、无线局域网WLAN、无线城域网WMAN、无线广域网WWAN。

  其中比较有代表性的是WiFi和WiMAX技术,虽然在商业上还不成功,WiFi已经有了大规模的应用,这里就不作介绍,其中相关技术有Wibro和WcWill技术。

  McWiLL(Multi—Carrier Wireless Internet LocalLoop)是信威公司的专有技术,目前正在开发属于SCDMA R4和R5版本的McWiLL,它是继SCDMA无线本地环路接入系统之后针对高速数据传输的需要而开发的一种无线宽带城域网接入系统。该标准在网络设备和用户设备都已经有比较成熟的应用,但是私有标准预计会阻碍发展,而WiBro就已经作为WiMAX的一个子集加入到了WiMAX阵营。

  3.3两类无线宽带技术的比较

  WiMAX面向的是宽带无线接入市场,3G移动通信面向的是以手机为主的蜂窝移动通信系统,一般来说它们之间是互补的关系。但是当3GPP面向宽带无线接入市场发展HSDPA,尤其是发展LTE之后就出现了竞争关系。

  从上面的分析中我们可以看到WiMAX和3GPP LTE面对的是同一市场,指标是相近的,采用技术也是类似的,可以说是殊途同归。

  3GPP决定发展LTE是一次有战略意义的决定,对于其未来的发展有深远影响。尽管目前LTE的发展能否摆脱原来体系结构的束缚还有疑问,但是其成员是目前3G的主流运营商,力量雄厚又拥有3G频率使用许可证,他们发展的LTE即使性能差一些,在宽带无线接入市场上仍然拥有很强的竞争力,而且他们一旦拥有LTE就不会再考虑使用WiMAX等竞争的技术。

  此外,LTE使用3G的频率,甚至可以使用2G的频率,有较好的穿透能力,保障系统有较高的性能价格比。

  WiMAX是由IT界发展的宽带无线接入技术,由于没有原体制的束缚,最符合宽带接入市场的需求。由于LTE的出现,可能采用WiMAX的运营商主要是固网运营商和新运营商。

  Intel等IT设备制造商是WiMAX坚定的、强有力的支持者,他们希望通过WiMAX进入宽带无线接入市场。Intel在未来笔记本电脑中捆绑WiMAX的承诺增强了WiMAX的竞争能力。

  4、无线宽带网络的网络部署

  WiMAX和LTE的核心技术基本一致,在网络能力和网络部署上也接近,前一段时间,WiMAX技术的发展情况比较占优一些,但目前LTE的前景又更看好。但未来具体会用什么样的技术,什么样的技术会成为主流,将取决于设备产商的力量和产业链的完善程度。本文以WiMAX技术为例来进行网络部署讨论。

  4.1 网络能力

  目前WiMAX带宽灵活性强和频段尚不确定,假定一种参数配置来分析IEEE 802.1 6e的网络覆盖能力,以2.5GHz频段、10MHz带宽为例。链路预算时考虑以下几方面因素:由于存在阴影衰落的影响,为了保证一定的覆盖概率,必须保留一定的阴影衰落裕量,取阴影衰落储备6dB;快衰落储备是为功率控制预留的功率裕量,功率控制可以在一定程度上抵抗快衰落,因此需要给功控预留功率裕量。

  在802.16e网络中,由于终端可以移动接入,而移动会带来一定的衰落,通过功控可以弥补这个衰落,因此需要给功控留一定的裕量,但是由于802.16e网络功控的频率比较低,所以不需要预留太多的快衰落储备,这里取2dB;

  WiMAX网络存在小区间的邻频和同频干扰,干扰的大小与站距的大小、频率的规划、天线的朝向等因素有关,为了使小区内干扰严重的区域能正常通信,就要留一部分裕量。如果频率复用模式为1/3/1,上行预留干扰储备3dB,下行2dB;

  如果频率复用模式为1/3/3,干扰储备可以减小为0.2dB,但是这样会带来频谱效率降低的后果。链路预算中采用COST-231 Hata模型。

  802.16e下行链路的总增益(QPSKl/2)为148.67dB,如果不考虑储备视距传输的情况下,假设终端天线高度为1.5m,基站天线高度32m,用COST-231模型预测韵小区半径为1.70km,如果考虑了9.6dB的储备,计算出来的小区半径为0.90km。对于非视距环境,考虑10dB的穿透损耗,系统允许的最大路径损耗为129.1ldB,预测小区半径为0.47km。

  上行链路的总增益(QPSKI/2,1/16子信道化)为148.41dB,如果不考虑储备和视距传输的情况,假设终端天线高度为1.5m,基站天线高度32m,用COST-231模型预测的小区半径为1.67km,如果考虑了9.6dB的储备,计算出来的小区半径为0.83km;对于非视距环境,考虑10dB的穿透损耗,系统允许的最大路径损耗为126.8dB,预测小区半径为0.43km。

  考虑非视距因素下,在大都市的城区环境里覆盖距离约为500m左右,这实际上是能够满足实用要求的。无线网络设计时,不能单纯考虑覆盖距离,还要考虑网络容量、网络带宽,在为宽带接入的目的下,后者通常比前者重要。如果3G以及B3G在密集城区提供宽带的数据业务时,其站间距也不会小于500m。

  4.2网络成本

  因为WiMAX技术比蜂窝网络系统更加简洁,WiMAX的全IP技术架构是其获得成本优势的一个重要因素。

  目前,WiMAX成本较其他3G系统要低的主要因素有以下分析:

  1.统一的国际标准

  WiMAX具有统一的国际标准,在全球市场的条件下,既促进了技术的发展,又保证了市场规模,同时降低了产业链各级产品的成本。同时又具有成本低、易实施的优势,从而使新兴运营商有机会快速切人市场,可带给运营商一个能降低网络部署和运营成本并加速性价比提升的公共平台。

  2.不同的发展思路

  WiMAX不必为保持与以前系统的兼容而付出不菲的成本。在系统网络结构方面,不必拘泥旧的业务限制,可以采用完全适应未来通信系统的网络架构。这种架构将极大地提高系统设备和终端的软硬件规模经济性,同时也降低运营商的投资风险和运营成本。

  3.专利使用费用

  目前WiMAX还没有完全明确其IPR政策,但WiMAX专利分散,不会出现一家或少数几家掌控核心技术,漫天要价的局面。

  4.3政策频率因素

  就频率资源配置而言,WiMAX与3G、3G扩充及演进频段和Wi-Fi等已规划的使用频段及即将规划的4G频段都存在冲突,从而必然会面临严峻的频率规划与协调问题。战略定位是WiMAX频率配置的前提,任何战略定位一定与本国的产业发展及竞争格局紧密相连。如果将WiMAX定位为3G的补充,则表明WiMAX进入了梦寐以求的中国主流市场,但是却给WiMAX的频率配置和监管带来新的难题。

  根据中国的频率分配现状,WiMAX的频率规划将集中在3.5GHz频段上。在此频段中,有3300。3399.5MHz和3531~3600MHz共168.5MHz尚未分配的通信频率,如果考虑到已招标分配的3399.5。3531MHz地面固定接入频率,从3300~3600MHz共300MHz频率,成为业界注目的WiMAX的目标频率。

  5、商业模式分析

  并不是所有受到用户欢迎的业务都能够给企业带来盈利。固定互联网上的很多业务,如即时通信、P2P业务虽然发展很好,但是因为缺乏有效的商业模式,迄今为止固网运营商没有获得应有的收益。WLAN在全球爆炸式的增长,受到了公众广泛的欢迎,但是曾大张旗鼓建设WLAN热点覆盖的运营商也没有从中直接获利。

  为此,无线宽带接入业务的设计也必须要有合理有效的商业模式的保障,否则也将面临类似互联网和WLAN进退维谷的尴尬境地。

  我们以北京为例介绍网络建设、业务开展分析,假设在北京部署2.5GHz的WiMAX网络,覆盖四环以内(暂不包括西南角)的中心城区、机场以及机场高速路。为个人和企业用户提供高速、廉价的数据业务,包括互联网接入,数据传输和多媒体服务。同时为政府提供一些公共安全应用的支持。

  该网络由25个基站构成,每个基站覆盖半径为2.0km,面积10.8千平方米的区域。四环内部署21个基站,机场1个,每基站3个扇区。从四元桥到机场共16kin的公路上部署3个基站,每基站2个扇区。整个网络共需要72个扇区。每个扇区通过E1线路与核心网联接。

  根据不同城区业务需求的不同,30%的扇区配5条E1线路,40%的扇区配3条E1线路,其余30%配一条E1线路,共计216条E1线。核心网部分在利用原有系统的基础上,进行升级和改造,以适应WiMAX网络的需求。假定基站设备及天线、馈线,以平均每扇区78 000元计算,共72个扇区;设计、施工、监理及基础建设费用按照基站等设备的15%计算。传输线租金包括租用216根E1线路租金(每年年初支付),则总费用为1500万左右。

  网络投入使用后,每年的现金流包括流人用户的使用费和流出运营维护费用。其中设备维护费用按照基站设备成本的1%计算;加上传输线路等一年约900万左右。

  网络部署后,主要提供接入服务。整个WiMAX网络的业务分为个人数据业务和企业数据业务。就个人数据业务来说,第一年假设13700个人用户。参考ADSL及随E行的交费,推出如下五种套餐:5元/月、10元/月、50元/月、100元/月、180元/月;预计用户分别为5 000、5 000、2 000、1 000、700。

  另一方面考虑企业数据业务,估计企业用户数为个人用户的1/200,而企业用户使用数据业务的资费高于个人用户,收入占比为2比3。第一年共计收入约为900万左右。

  假设每年通过发展更多的用户,收入每年增加,之后四年增长率为10%、12%、15%和15%。网络的运营维护成本保持不变。假设资本的年投资回报率为12%,截至第五年净现值总和超过本项目部署投资。

  6、结束语

  在20,世纪90年代末的时候,固定通信服务还是通信运营商收入的主要支撑,也是主要的通信方式,但是移动通信取代固网已经露出了端倪,未来的十年迎来了移动通信的大发展,虽然移动话音业务一直是移动运营商的支撑,移动数据业务更有取代之势,但是移动数据业务始终难以逃出实质性赢利少的宿命,以前看足球比赛久攻不下时,常招挫败,但愿移动数据业务不会如此。

  今天我们看到互联网的内容和应用成为了我们生活工作中不可缺少的一部分。或许随身多媒体服务、信息服务才是最终的需求,追求随时随地的信息服务和快乐体验是人类的本能,而通信的永远在线并非必需。这为随时随地提供互联网接入的无线宽带接入技术赢得了发展机会。

 

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