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1、2009 0643“无线城市”关键技术分析及建议李应东 朱 垠 姜忠宝迈普通信技术股份有限公司北京100083摘 要 由于3G网络建设投资大、开展速度慢，无法实现快速无线宽带覆盖；因此，3G+WLAN的发展战略被提了出来。本文从无线城市的主要业务出发，对目前主要的无线组网方案进行分析，并提出宽带网络建设建议。关键词 3G；WLAN；WiFi；无线城市；无线宽带引言2009年是3G元年，各大运营商都确定了3G+WLAN的发展战略。随着3G的引入及大规模应用，移动宽带网络得到了快速发展，而WiFi(802.11协议体系)也因为技术成熟、普及度高等优势成为当前发展“无线城市”的主要技术1。另一方面，
2、WiMAX这一较新的技术在“无线城市”建设中也有少量应用，但由于其产品成熟度不高，芯片成本过高，缺少可支持的终端，一时还无法成为主流被广泛应用。与此同时，3G所带来的移动宽带快速发展，使得通信、互联网及媒体的融合在逐渐加快。在许多国家的无线城市网络中，大部分流量都来自无线宽带的各种应用。手机也逐渐从普通的通信工具发展成为综合的移动通信终端，并且逐渐成为个人工作、生活中不可或缺的一部分。在这样的背景下，如何为用户提供个性化、丰富多彩的无线宽带应用以及差异化的使用体验，成为运营商面临的最大挑战。1 业务对无线城市网络的要求2“无线城市”的核心是由提供无线接入与无线回传的无线设备(Mesh Rout
3、er、AP或无线交换机)所组建的网络。该网络必须可承载三种核心业务并具备对各种业务稳定运营的保证能力，如下：1.1 无线宽带接入业务据权威机构Gartner统计，目前有超过90便携式电脑(笔记本)都内置了WiFi模块，这是无线宽带接入业务的一个庞大的用户群体。随着社会的发展，人们要求随时随地的接入网络，传统的室内热点覆盖(即WLAN)显然不能满足这种日益增加的移动性和实时性需求。“无线城市”适应上述需求，将原有室内热点扩展为室外局部热区，继而将所有的热区连接组成“无线的”城市覆盖，即真正将WiFi的应用从“点与线”发展到“面”。通信带宽是无线宽带接入业务的第一要素。无线宽带网络要在现有技术标准
4、限定下，最大程度的优化、提升可利用的带宽资源。根据经验数据，1M带宽通常可满足一般用户上网需求。在带宽使用方面普遍使用的成熟技术有Super AG等，正在发展的有802.11n技术等。此外，在现有无线带宽条件下，针对不同用户级别提供QoS能力，也是发展无线上网业务的关键之一。图1 无线城市 北京 一期覆盖区域系统与方案 Systems & SolutionsSystems & Solutions信息通信技术441.2 视频监控业务在目前发展“和谐社会”的大方针下，各地政府都希望以可拓展、高效的方式，实现公共安全视频监控、公用事业收费、相关数据采集等，推进形成政务商务、城区治安、应急联动、环境保
5、护、教育医疗等方面的特色应用，不断提高城区信息化的综合服务和应用水平。这就要求无线承载网络在传统上网业务之外还要具备对包括“视频监控”数据在内的多种数据的传输能力，以应用到各地都在推动的“平安城市”、“公交监控”以及矿区工地监控等系统中。视频数据的传输关键点在于如何消除无线传输信道对视频数据造成的丢包、误码、包乱序等现象，避免对视频监控效果造成过大影响。无线网络对视频数据的处理，不能简单地和处理普通数据一样；应具备对视频数据转发进行优化的功能，使无线网络和有线网络一样，具备承载高质量的视频监控画质的能力。1.3 语音业务在“无线城市”的无线承载网络上提供VoWiFi的应用，因其可深度挖掘的市场
6、潜力以及对最终用户的粘合能力，成为目前中国电信力图大力发展的业务。在同一张无线网络上提供上网、视频监控、语音多业务的需求，更加体现出QoS保证的重要性。只有具备丰富的QoS保证机制才能有效管理平行业务的运营。另外，与视频类似，语音业务同样要求网络具有对丢包、误码、包乱序等问题的优化处理能力，同时还有对短时延的保证能力。虽然短期来看中国的国情不会大力发展VoWiFi业务，但随着技术的发展、演进，无线网络必将承载语音业务并提供保障。当然，除了上诉三个核心应用之外，很多增值业务也需要承载与无线网络之上，比如广告推送等。增值业务原理上都是数据业务的衍生应用，对网络资源的占用有限。2 无线城市宽带网络相
7、关技术分析2.1 天线的种类以及在无线网络中的应用天线用于在特定方向或角度上发送/接收无线信号，是无线通信的核心构件之一。按照水平波瓣的角度不同可分为全向天线和定向天线。考察天线性能的指标有多种，如增益等。此处仅对比全向天线和定向天线的特点并介绍新的技术。a)全向天线优点：全方位覆盖，规划与实施简单，对无线部署环境的勘测要求不高；缺点：增益小，覆盖/回传距离短，会吸收各个方向的干扰。b)定向天线优点：增益较全向天线大，定向覆盖/回传距离远，受同频干扰因素小；缺点：覆盖范围小，对于无线回传，规划中需要考虑视距等因素。其实，所谓定向天线、全向天线的优缺点，严格来讲都是相对于特定场景而言，并非绝对的
8、；实际中经常根据实际的、客观的环境因素，以组合方式应用定向与全向天线。例如在很多“无线城市”项目中的无线结点都是安装于楼顶或楼宇的侧立面上，在这种场景中，覆盖范围客观上就不可能是360度的，多使用一面或多面定向覆盖天线；对于可安装在灯杆上的结点，则可使用全向天线，但因全向天线覆盖半径限制，在该场景中需限制两点间距不能太远才能实现连续的覆盖。而对于应用于无线回传的天线则推荐使用定向天线，并结合多载频设备组建网络。c)分集接收分集接收是指一个射频模块(Radio)连接两面或多面天线，射频芯片根据特定算法判别以某一面天线为主用，另一面天线则将处于闲置状态。d)智能天线3智能天线是一种安装在基站现场的
9、双向天线，通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性，并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。智能天线的原理是将无线电信号导向具体方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向DOA(Direction ofArrial)，旁瓣或零陷对准干扰信系统与方案2009 0645提供无线接入与无线回传能力，摆脱了对有线资源的依赖；另外还支持多有线网关，很好地避免了单故障点存在带来的风险，如图2所示。从图2中可以看到：1)多个Mesh节点的流量会汇集到一个光纤落地点，汇聚后的大流量数据上传到光纤网络，有效地提高了光纤资源的利用率；2)Mesh组网方式组建的是真正的网状结构
10、的网络；大部分节点上都存在一条以上的无线回传链路，提供路径的备份；3)多网关设备同时工作，互为备份，并从而实现负载分担。目前，根据其无线回传链路的维护方式，WiFiMesh可分为两大类：1)三层Mesh：由Mesh Router组成，通过基于无线的动态路由协议，维护无线网状网中的无线回传的连接状态与结构。因为，此类设备以多载频技术同时提供无线覆盖(access)与回传(backhaul)。同二层的星状或者树状结构不同的是,三层Mesh生成的是一张真正的具备完整路由功能的无线网状网。在组网结构和网络特点上最适于组建大规模的城市无线网络；2)二层MESH：由工作于Layer 2(数据链路层)的AP
11、组成。AP可同时提供无线接入与无线桥接(无线回传)功能；也有部分厂商将无线接入与无线桥接功能分布到不同的设备之上。通常以STP或类似的二层链路算法实现路径计算、环路避免等功能。现实组网中，二层图2 MESH组网示意图号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。该天线技术最初用于军事领域，近些年逐步部分应用于移动通信领域。总体来说，定向、全向天线在“无线城市”的建设中应用广泛。而智能天线以及分集接收方式，由于成本过高、实际应用意义有限等原因，采用较少。2.2 胖AP、瘦AP+POE交换机+AC组网分析无论是胖AP还是瘦AP都属于传统意义上WiFi的应用范畴。胖AP由于缺乏
12、中央控制，可管理性差，大多以离散的单点形态呈现，并没有真正的组成网络，已逐渐退出企业级和运营商级应用，目前多充当家庭用或SOHO网关。不建议在“无线城市”项目中选用。AP+POE交换机+AC架构属于传统技术，产品成熟度高。该方式最初是面向室内小型的WLAN应用，随着WiFi技术的普及，渐渐地也有被应用于多室外小范围的WLAN组网。但是该架构缺陷明显：1)需要为每个AP铺设线缆，对有线网络需求高;2)除对有线资源的依赖性之外，还体现在网络拓扑十分僵化，不具备可扩张性；3)所有的用户数据都汇集于AC一点，极大地增加因单点故障造成网络大面积瘫痪的风险；4)AC价格极其昂贵，因保证冗余性的投入就将极大
13、的提高设备采购成本；5)始终没有很好的解决跨子网漫游与网络侧漫游切换效率之间平衡的问题。另外，目前单台AP的最高吞吐量为20M左右，这样，单路以太网线缆利用率低，对有线资源的利用存在不合理性。2.3 MESH Router或无线桥接型设备组网分析Mesh组网技术，又称作无线网状网技术4。最早它起源于要求极其精密的战地军事通信，最强调网络的可靠性。近些年因与成熟度较高的WiFi结合，先后突破诸多技术难题而兴起，并因Mesh自身的组网优势而在全球兴建“无线城市”的热潮中备受推崇，曾被福布斯评价为“无线革命的下一个阶段”。Mesh的核心精神即是，每个Mesh节点都可同时Systems & Solut
14、ions信息通信技术46Mesh常呈现为星型或树型拓扑。很多ACAP厂商，都将这种二层Mesh做为一种补充，融入到ACAP构架中，一般适用于组建小规模网络。可见目前Mesh结合WiFi的方式，仅在带宽资源上稍差于有线，在更多的方面体现出来的是较其他无线城市组网方式的优势。这是因为Mesh最初的出现即是为了组建室内、室外大规模无线网络，与WiFi的结合更是很好地解决了WiFi技术本身的很多限制与缺陷。Mesh技术并不拘泥于仅以WiFi做为物理层标准，还会不断向前演进。Mesh演进趋势：1)802.11n标准的应用，将大大提升WiFi物理层发送速率；配合MIMO技术，多载频技术，以及无线路由对负载
15、均衡能力的支持，将使Mesh的吞吐能力提升至1Gbps甚至更高，超过现有部分光纤所能提供的带宽，能够发挥类似“无线光纤”的作用；2)802.11s标准的制定，也会在一定程度上对Mesh的发展起到推动作用；3)MeshWiFiWimax：Mesh的本质是一种组织和整合各种无线技术的良好系统平台，Mesh并不拘泥于WiFi。如果Wimax可以进一步的成熟，支持的终端可以进一步的丰富，Mesh结合WiFi与Wimax这种优势互补的组合将会成为未来“无线城市”建设进一步完善的重要一步。现在的MeshWiFi过渡到未来Mesh+WiFi+Wimax，技术上没有障碍，会是非常平滑的过渡。3 无线城市宽带网
16、络建设建议基于对国内外“无线城市”发展情况以及应用业务的分析，无线城市宽带网络建设标准主要应考虑以下两大因素：3.1 无线网络建设的可持续发展能力1)循序渐进：应有针对性、有计划地建设无线城市网络。因室内无线环境大部分相对复杂(家用WiFi设备、蓝牙设备、无绳电话、微波炉的干扰)，可优先考虑人流密集且开阔的户外环境，如：城市主要马路、商业街、校园、酒店大堂、露天广场、体育场馆等等；同时，优先考虑具有一定人口密度，但有线网络建设缺乏的乡镇；2)网络可拓展性：早期通盘规划设计阶段，即应该考虑“无线城市”建设最终要覆盖城域内绝大部分区域，为后续进一步加大覆盖范围预备可拓展的条件；3)一网多能性：能够承载多种应用，并且允许在其上开发新应用；包括视频监控等应用；并以此为切入点，向安防等政府部门提供服务，和政府建立良好的合作，以便在未来的竞争中获得好的政策环境和主动权；4)网络演进：尝试现有WiFi(Mesh)Wimax联合覆盖
