對(duì)700 MHz超級(jí)WiFi農(nóng)村寬帶接入技術(shù)的探討

張存喜，張 恒

（1.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司 山東分公司，山東 濟(jì)南 250001；2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)山東有限公司 威海分公司，山東 威海 264200）

0 引 言

近年來(lái)，在全球信息化浪潮的推動(dòng)下，我國(guó)開(kāi)始將寬帶建設(shè)納入戰(zhàn)略發(fā)展層面，寬帶覆蓋率逐年攀升，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)也日益完善，用戶寬帶體驗(yàn)得到了質(zhì)的飛躍。但與此同時(shí)，城市與鄉(xiāng)村之間寬帶資源分布不均衡的矛盾也開(kāi)始逐漸凸顯出來(lái)，高昂的改造和維護(hù)成本成為了農(nóng)村寬帶建設(shè)的一大阻礙，再加上村落分布分散的現(xiàn)實(shí)環(huán)境制約，技術(shù)難題也有待攻克，亟需尋找新的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)模式。

1 農(nóng)村地區(qū)接入700 MHz超級(jí)WiFi的意義

信息是21世紀(jì)重要的無(wú)形資產(chǎn)。近年來(lái)，我國(guó)高度重視城鄉(xiāng)信息化建設(shè)，類似“信息惠民”和“寬帶中國(guó)”的戰(zhàn)略政策與號(hào)召不絕于耳，針對(duì)目前城鄉(xiāng)信息化發(fā)展嚴(yán)重不均衡的問(wèn)題，國(guó)家重點(diǎn)進(jìn)行了戰(zhàn)略目標(biāo)部署，要求鄉(xiāng)村網(wǎng)絡(luò)覆蓋率在2020年達(dá)到90%以上，鄉(xiāng)村中家庭網(wǎng)絡(luò)覆蓋率則應(yīng)超過(guò)50%。考慮到我國(guó)幅員遼闊，地形地勢(shì)多樣，農(nóng)村聚落分布又相對(duì)分散，建設(shè)LTE網(wǎng)絡(luò)耗費(fèi)巨大，投入和產(chǎn)出嚴(yán)重不成比例，因此初期多采用WLAN部署方式[1]。這種方案工程周期短，改造面積小，僅需在室外AP設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行天線假設(shè)即可，對(duì)室外環(huán)境并沒(méi)有過(guò)于苛刻的要求，網(wǎng)絡(luò)接入操作難度極低，受到了運(yùn)營(yíng)商和農(nóng)村農(nóng)戶的廣泛好評(píng)。但傳統(tǒng)2.4 GHz WiFi網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用過(guò)程中仍舊具有較大的局限性，它采用的是ISM頻段，不需經(jīng)過(guò)授權(quán)許可就能使用，與局域網(wǎng)和ZigBee等共用通道，很容易因?yàn)樾畔⑦^(guò)載造成堵塞或干擾，降低信號(hào)傳輸質(zhì)量，而應(yīng)用700 MHz超級(jí)WiFi則可以很好地規(guī)避上述問(wèn)題[2]。

首先，700 MHz網(wǎng)絡(luò)具有WLAN部署方式的所有優(yōu)點(diǎn)，能夠在很大程度上降低農(nóng)村建網(wǎng)與維護(hù)成本，減少前期投入。其次，在廣電規(guī)劃中，700 MHz頻段采用的是授權(quán)經(jīng)營(yíng)模式，這一點(diǎn)與當(dāng)前2.4 GHz或5GHz頻段有很大區(qū)別，能夠有效抵御干擾因素的影響，結(jié)合MIMO和FullMesh等技術(shù)還能在增加接入數(shù)量的同時(shí)防止不同站點(diǎn)的同頻干擾問(wèn)題。最后，470～790 MHz在我國(guó)仍處于電視白頻譜，信號(hào)通道也相對(duì)寬闊，信息傳播過(guò)程中不僅損耗低，覆蓋范圍廣，還具有較強(qiáng)的穿透力，非常適用于地形地貌復(fù)雜多變的農(nóng)村地區(qū)。據(jù)相關(guān)研究表明，應(yīng)用700 MHz超級(jí)WiFi的地區(qū)覆蓋半徑與2.6 GHz相比大致可以高出2～3倍，整個(gè)覆蓋面積可以達(dá)到10倍以上，正常室外環(huán)境下，二者信號(hào)強(qiáng)度差值也在20 dB以上，最大甚至可以達(dá)到30 dB，網(wǎng)絡(luò)性能良好[3]。

2 700 MHz超級(jí)WiFi的實(shí)現(xiàn)原理

在700 MHz超級(jí)WiFi發(fā)展初期，用于發(fā)射基帶信號(hào)的芯片與RF射頻相互獨(dú)立，因此想要實(shí)現(xiàn)700 MHz頻段，只需要對(duì)原有2.4 GHz或5 GHz芯片進(jìn)行更換，并將頻率合成器等元件調(diào)整到適宜參數(shù)即可，操作十分便捷[4]。隨著時(shí)代的推移，SOC芯片所占的市場(chǎng)份額逐漸擴(kuò)大，基帶芯片與射頻功能的結(jié)合更加緊密，原有更換技術(shù)適用性下降，因此又衍生出了外接混頻電路的方式。通過(guò)頻率合稱器將2.4 GHz與5 GHz頻段轉(zhuǎn)化為700 MHz，進(jìn)一步提升其信號(hào)接收靈敏度，同時(shí)加大發(fā)送功率。據(jù)相關(guān)研究表明，經(jīng)過(guò)改良的網(wǎng)絡(luò)至少可以保障10～12 km以內(nèi)的信號(hào)傳輸[5]。2.4 GHz與700 MHz之間的頻率轉(zhuǎn)化方式見(jiàn)圖1。

圖1 頻率轉(zhuǎn)換原理

3 5/10 MHz頻率帶寬技術(shù)研究

帶寬描述了某個(gè)認(rèn)定信號(hào)通道所能容納信號(hào)的最大頻帶寬度，可以用位寬乘以工作頻率計(jì)算得出，是通信模式數(shù)據(jù)傳輸能力的集中體現(xiàn)。802.11n研發(fā)的目的主要是為了提升WLAN傳輸速率和吞吐量，這與當(dāng)前700 MHz超級(jí)WiFi優(yōu)化農(nóng)村網(wǎng)絡(luò)促進(jìn)信息化建設(shè)的目標(biāo)相同，因此對(duì)二者融合展開(kāi)研究十分有必要[6]。然而，現(xiàn)階段該技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)帶寬設(shè)置為20 MHz，給700 MHz的連續(xù)頻帶尋找?guī)?lái)了一定困難，比較之下，其對(duì)5/10 MHz頻率的尋找要容易的多。在現(xiàn)有白頻譜分散的背景下，要想實(shí)現(xiàn)802.11n與700 MHz超級(jí)WiFi的融合，就必須對(duì)其MAC層進(jìn)行協(xié)議修訂。以802.11n技術(shù)MCS15策略為基礎(chǔ)，假設(shè)QAM數(shù)值為64，MIMO為雙天線配置，計(jì)算20 MHz帶寬背景下的物理傳輸速率，可以得出144 Mb/s的結(jié)果。如果修訂協(xié)議之后實(shí)現(xiàn)10 MHz帶寬傳輸設(shè)計(jì)，則可以得出減半的傳輸速率，即72 Mb/s。按照現(xiàn)有技術(shù)水平，每個(gè)節(jié)點(diǎn)平均可以安裝4個(gè)扇區(qū)，這樣計(jì)算下來(lái)總計(jì)可以提供288 Mb/s的WLAN吞吐量，能夠滿足300個(gè)用戶的網(wǎng)絡(luò)接入需求[7]。相同場(chǎng)景下，如果采用5 MHz帶寬方案，提供的總吞吐量數(shù)值為144 Mb/s。

4 長(zhǎng)距離鏈路WiFi技術(shù)研究

長(zhǎng)距離傳輸是當(dāng)前WiFi技術(shù)較為明顯的弱勢(shì)之一，按照現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)射功率在100 mW時(shí)就可以滿足300 m以內(nèi)的信號(hào)傳送需求，但當(dāng)距離加長(zhǎng)至1 km以后，該功能明顯削弱，主要有以下兩個(gè)表現(xiàn)。一是信道衰落，在長(zhǎng)距離鏈路傳輸中，信號(hào)會(huì)以WiFi發(fā)送點(diǎn)為中心，呈現(xiàn)出逐漸衰弱的趨勢(shì)，其他路徑對(duì)特定通道的干擾也會(huì)逐漸增強(qiáng)[8]。在700 MHz超級(jí)WiFi設(shè)計(jì)中，可以在成本合理的范圍內(nèi)適當(dāng)提升發(fā)送功率，或者直接增設(shè)定向天線，以規(guī)避上述現(xiàn)象。二是延遲明顯加長(zhǎng)，由于響應(yīng)緩慢，終端很容易發(fā)生數(shù)據(jù)重復(fù)傳輸?shù)默F(xiàn)象，鏈路被多余資源占用，吞吐量也會(huì)明顯下降。這與當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中采用的ACK機(jī)制有很大關(guān)系，由于傳送鏈路較長(zhǎng)，終端在順利接收ACK之前往往需要經(jīng)歷較長(zhǎng)的等待時(shí)間，發(fā)送方在較長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間內(nèi)始終未接收到反饋信號(hào)，于是發(fā)出ACK超時(shí)警告，進(jìn)而得出數(shù)據(jù)丟失重傳的指令。針對(duì)該問(wèn)題，可以適當(dāng)借鑒CSMA/CA原理中的ARQ機(jī)制，降低重傳機(jī)率。

具體來(lái)講，該機(jī)制的應(yīng)用重點(diǎn)在于合理設(shè)定ACK Timeout的數(shù)值。在整個(gè)IEEE標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中，最小幀間隔SIF通常為固定參數(shù)，與之相比，MAC幀與ACK幀的傳輸時(shí)間對(duì)ACK Timeout合理性的影響要更為關(guān)鍵。以CSMA/CA理論為基礎(chǔ)，每個(gè)MAC幀傳播時(shí)間應(yīng)為1 μs，計(jì)算得出最大傳輸距離應(yīng)為300 m，據(jù)此推算，當(dāng)兩終端之間距離延長(zhǎng)至10～12 km時(shí)，1 μs的傳播時(shí)間也應(yīng)當(dāng)相應(yīng)增大，并控制在30～40 μs，對(duì)應(yīng)得出ACK Timeout至少要提高60 μs才能保障較好的數(shù)據(jù)傳輸體驗(yàn)。此外，協(xié)議物理層也應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)更改，具體要參照RSSI以及傳輸距離長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)丟失率等數(shù)值。

5 頻譜規(guī)劃設(shè)計(jì)

帶寬技術(shù)確定和優(yōu)化實(shí)施后，700 MHz超級(jí)WiFi的頻段就可以與電視廣播頻段實(shí)現(xiàn)初步隔離，但就實(shí)際運(yùn)用當(dāng)中的抗干擾因素考慮，這種隔離水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，在頻率傳輸和空間布局層面也應(yīng)適當(dāng)采取相應(yīng)的隔離措施。從頻率隔離角度看，可以采用蜂窩拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)站點(diǎn)容納3～4個(gè)扇區(qū)，相鄰扇區(qū)之間保護(hù)間隔應(yīng)為2 MHz，并成90°或120°夾角，不同扇區(qū)覆蓋的頻率應(yīng)當(dāng)單獨(dú)設(shè)置，3～4個(gè)獨(dú)立頻率為一個(gè)結(jié)構(gòu)單元。對(duì)于性能優(yōu)良的700～750 MHz頻段，如果選用10 MHz帶寬為單扇區(qū)基站頻段，則可以圍繞706、718、730以及742 MHz進(jìn)行組網(wǎng)設(shè)計(jì)，從而規(guī)避相鄰?fù)ǖ揽赡軐?dǎo)致信號(hào)干擾的問(wèn)題。從空間隔離角度來(lái)看，700 MHz超級(jí)WiFi站點(diǎn)實(shí)際應(yīng)用中接收到的電平數(shù)值非常小，通過(guò)合理的規(guī)劃布局，完全可以規(guī)避干擾，保障傳輸質(zhì)量，基于此本文建議站點(diǎn)布置時(shí)至少要保障25～30 km的間距，防止較近距離下產(chǎn)生的同頻信號(hào)擾亂現(xiàn)象，提升傳輸質(zhì)量[9]。

6 網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)部署

WLAN網(wǎng)絡(luò)具有受地形限制小和建設(shè)成本低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)階段已經(jīng)成為農(nóng)村網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的主要形式，能夠滿足農(nóng)村較廣闊范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋需求。但值得注意的是，農(nóng)村單位面積上用戶密度仍然處于較低水平。采用700 MHz超級(jí)WiFi時(shí)同樣要考慮投入產(chǎn)出問(wèn)題，以鄉(xiāng)鎮(zhèn)骨干網(wǎng)絡(luò)建設(shè)為主要思路，網(wǎng)絡(luò)基站主要搭建在中心部位的村落或鄉(xiāng)鎮(zhèn)中。對(duì)光纖難以到達(dá)的偏遠(yuǎn)鐵塔，可以通過(guò)架設(shè)700 MHz無(wú)線網(wǎng)橋來(lái)解決，從而延伸光纖網(wǎng)絡(luò)覆蓋距離，實(shí)現(xiàn)整個(gè)局部區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)普及。網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)部署如圖2所示，對(duì)于具體的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)部署問(wèn)題，則可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分開(kāi)探討。

圖2 網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)部署

6.1 有線部分

有線部分包含了超級(jí)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的所有設(shè)備和實(shí)體線路，如POE交換機(jī)和BRAS等。在上行鏈路運(yùn)作過(guò)程中，700 MHz基站主要是借助POE交換機(jī)與鐵塔建立聯(lián)系，在一些場(chǎng)景中還會(huì)使用PSE設(shè)備，同時(shí)滿足供電與信號(hào)交換需求。鐵塔機(jī)房?jī)?nèi)置ONU，憑借地下光纖與光電機(jī)房取得聯(lián)系，當(dāng)客戶終端發(fā)出信號(hào)請(qǐng)求后，數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯聚傳輸至700 MHz超級(jí)WiFi基站，由POE交換機(jī)轉(zhuǎn)化和處理后，通過(guò)光纖路徑完成傳輸，總機(jī)房接收到這些數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)匯總和整理輸入至BRAS完成后續(xù)認(rèn)證工作[10]。

6.2 無(wú)線部分

700 MHz超級(jí)WiFi中的無(wú)線部分主要包含無(wú)線基站以及用戶側(cè)CPE。無(wú)線基站選址和建設(shè)主要建立在提升覆蓋率及抗干擾性能的考量上，并借助高增益定向天線延伸傳輸距離。用戶側(cè)CPE的安排則相對(duì)靈活，主要從村民網(wǎng)絡(luò)使用習(xí)慣的角度出發(fā)，用戶家庭是最基本也最常見(jiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景，此外還可以安裝在農(nóng)場(chǎng)、林區(qū)以及廣播站等處，使用網(wǎng)線入戶連接后，在無(wú)線路由的放大下可以實(shí)現(xiàn)固定區(qū)域內(nèi)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。注意安裝位置要盡可能利于信號(hào)傳送，并遠(yuǎn)離釋放磁場(chǎng)較強(qiáng)的區(qū)域。

6.3 云AC

云AC在700 MHz超級(jí)WiFi中主要處于管理層級(jí)，負(fù)責(zé)對(duì)無(wú)線基站、用戶端以及網(wǎng)橋等有線和無(wú)線部分進(jìn)行異地、遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控，同樣具有強(qiáng)大的無(wú)線信號(hào)接收功能。通過(guò)認(rèn)證機(jī)制進(jìn)行管理員授權(quán)，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾砗凸收媳O(jiān)控維護(hù)等功能，解決了網(wǎng)絡(luò)AP分散管理困難的問(wèn)題，在農(nóng)村地區(qū)尤其適用，總傳輸進(jìn)程統(tǒng)一遵守CWMP協(xié)議。

7 結(jié) 論

700 MHz超級(jí)WiFi具有架設(shè)成本低、覆蓋范圍寬廣以及信號(hào)質(zhì)量好的傳輸特點(diǎn)，優(yōu)越性較為突出，即使在運(yùn)行環(huán)境較差的農(nóng)村地區(qū)也能實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，對(duì)于我國(guó)信息惠民工程的推進(jìn)有突出的戰(zhàn)略意義。因此技術(shù)部門(mén)務(wù)必要正視該技術(shù)的重要性，在充分掌握頻段轉(zhuǎn)換原理的基礎(chǔ)上，推進(jìn)其與802.11n技術(shù)的融合，合理設(shè)計(jì)長(zhǎng)距離鏈路問(wèn)題，做好頻譜規(guī)劃，全面推進(jìn)該技術(shù)在農(nóng)村地區(qū)的應(yīng)用。