農(nóng)村無(wú)線寬帶技術(shù)比較與選擇

王樂(lè)

（華信咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

1 引言

我國(guó)擁有為數(shù)眾多的鄉(xiāng)鎮(zhèn)與農(nóng)村、一半以上的農(nóng)業(yè)人口，但農(nóng)村的通信基礎(chǔ)設(shè)施卻一直較為薄弱。隨著信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)村地區(qū)的通信需求呈現(xiàn)出爆發(fā)性的增長(zhǎng)，多地農(nóng)村區(qū)域的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量在增速上已經(jīng)超過(guò)城市。國(guó)家和政府對(duì)于農(nóng)村信息化的重視程度也與日俱增，“寬帶中國(guó)”戰(zhàn)略中明確要求：到2015年行政村通寬帶比例達(dá)到95%、農(nóng)村寬帶速率達(dá)到4Mbps。

由于農(nóng)村地域廣闊、用戶(hù)分散，有線寬帶接入成本高，而農(nóng)村通信用戶(hù)的消費(fèi)能力相對(duì)偏弱，更需要低成本的解決手段。隨著各種無(wú)線寬帶技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)村區(qū)域通過(guò)無(wú)線技術(shù)進(jìn)行寬帶接入逐漸成為理想選擇。農(nóng)村無(wú)線寬帶建設(shè)建議以能夠提供4Mbps固定帶寬并可轉(zhuǎn)成有線寬帶接入為目標(biāo)，WLAN室外覆蓋、時(shí)分網(wǎng)橋型無(wú)線寬帶、GSM-Hi等無(wú)線寬帶技術(shù)都可滿(mǎn)足。但在它們之間運(yùn)營(yíng)商應(yīng)該如何選擇？本文將通過(guò)多方位的對(duì)比分析，展示其各自特點(diǎn)、適用場(chǎng)景以及建設(shè)方式方面的建議。

2 技術(shù)特點(diǎn)比較

WLAN室外覆蓋：WLAN利用802.11x協(xié)議構(gòu)建無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)，是較為成熟和應(yīng)用廣泛的技術(shù)；以家庭或中小企業(yè)自行搭建、室內(nèi)小范圍區(qū)域覆蓋為主；但運(yùn)營(yíng)商也可構(gòu)建WLAN室外覆蓋網(wǎng)絡(luò)，即通過(guò)室外無(wú)線接入點(diǎn)（AP）連接定向天線實(shí)行廣覆蓋，讓終端用戶(hù)直接接入。

時(shí)分網(wǎng)橋型無(wú)線寬帶：又稱(chēng)為“鄉(xiāng)鎮(zhèn)通”產(chǎn)品，其采用TDD技術(shù)將所有連接到無(wú)線接入設(shè)備的終端劃分到不同的時(shí)隙中進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，即在WLAN中引入時(shí)分技術(shù)，解決了各用戶(hù)間的公平帶寬分配問(wèn)題，并且提高了多用戶(hù)情況下的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性；近年來(lái)一些設(shè)備廠家推出成熟產(chǎn)品，已在一些省市的農(nóng)村進(jìn)行了應(yīng)用。

GSM-Hi：又稱(chēng)為GSM Refarming，它是對(duì)現(xiàn)有GSM900/1800MHz的頻率資源按不同制式進(jìn)行重組，在GSM頻段上引入OFDM技術(shù)，以提升頻譜效率、增強(qiáng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)承載能力；作為4G技術(shù)，GSM-Hi在2G頻段的應(yīng)用正處于試驗(yàn)推廣階段。

農(nóng)村無(wú)線寬帶技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比如表1所示：

表1 農(nóng)村無(wú)線寬帶技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

目前，WLAN與時(shí)分網(wǎng)橋都利用2.4GHz頻段進(jìn)行覆蓋，頻率相比GSM-Hi要高，因此覆蓋能力弱。設(shè)定邊緣速率為2Mbps，采用CPE且視距傳輸情況下，WLAN與時(shí)分網(wǎng)橋的最大覆蓋距離分別約為1公里和2 公里；而GSM-Hi 的覆蓋能力與GSM 基站相當(dāng)，900MHz與1 800MHz頻段最大分別在6公里和5公里范圍仍可接入。選取不同距離進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)試的結(jié)果也表明，深度覆蓋能力從優(yōu)到劣的順序?yàn)椋篏SM-Hi 900MHz、GSM-Hi 1800MHz、時(shí)分網(wǎng)橋、WLAN室外覆蓋。

2.4GHz頻段只有3個(gè)互不干擾的信道，每個(gè)信道帶寬為20MHz；支持802.11n的設(shè)備，WLAN雙流情況下的理論峰值速率為150Mbps，時(shí)分網(wǎng)橋系統(tǒng)的凈帶寬也可達(dá)百兆。而GSM-Hi可采用2*5MHz或2*1 0 MHz 帶寬（根據(jù)頻率分配現(xiàn)狀，運(yùn)營(yíng)商在900MHz和1 800MHz頻段最多也各只有一個(gè)2*10MHz的連續(xù)頻段可供GSM-Hi運(yùn)營(yíng)），2*10MHz頻率雙流方式下GSM-Hi 的上下行峰值速率為23Mbps 和74Mbps，2*5MHz頻率或單流方式時(shí)峰值速率減半。因此，GSM-Hi 在峰值速率方面相比前兩者略有劣勢(shì)。

WLAN系統(tǒng)單AP支持并發(fā)用戶(hù)數(shù)20至30個(gè)；時(shí)分網(wǎng)橋系統(tǒng)單扇區(qū)支持100個(gè)左右；而GSM-Hi不存在并發(fā)用戶(hù)數(shù)，但根據(jù)業(yè)務(wù)不同，同時(shí)可調(diào)度用戶(hù)數(shù)存在限制。3種技術(shù)都允許并發(fā)用戶(hù)之間共享帶寬，GSMHi與時(shí)分網(wǎng)橋系統(tǒng)因?yàn)槟軌蛉菁{更多的用戶(hù)，具有更好的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性，而WLAN系統(tǒng)有10個(gè)以上用戶(hù)接入時(shí)，發(fā)生資源分配沖突的概率較大。

另外，由于2.4GHz是公共頻段，使用此頻段的設(shè)備眾多，包括工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療甚至家用的各種無(wú)線設(shè)備，因此WLAN與時(shí)分網(wǎng)橋系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)易被干擾，存在影響用戶(hù)接入或降速的風(fēng)險(xiǎn)。而900MHz和1 800MHz是受保護(hù)的頻段，各運(yùn)營(yíng)商都分配有專(zhuān)用頻率帶寬，所以可靠性和安全性高，但GSM-Hi須與GSM基站采取頻率隔離（詳見(jiàn)下文）。

綜上所述，在性能方面，GSM-Hi（尤其在900MHz頻段）具有覆蓋能力優(yōu)勢(shì)，時(shí)分網(wǎng)橋型無(wú)線寬帶具有一定的速率容量?jī)?yōu)勢(shì)，而WLAN則無(wú)明顯性能優(yōu)勢(shì)。

3 建設(shè)方式比較

3種農(nóng)村無(wú)線寬帶技術(shù)在無(wú)線側(cè)，實(shí)現(xiàn)方式上大同小異：雖采用不同的信號(hào)發(fā)生設(shè)備，但都通過(guò)定向天線進(jìn)行針對(duì)性的覆蓋且保證覆蓋距離；用戶(hù)側(cè)加裝CPE設(shè)備將無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)成WLAN/LAN作為主要接收方式，GSM-Hi則還可采用數(shù)據(jù)卡和MiFi設(shè)備。

在整體網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方式上，WLAN為獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，需獨(dú)立的無(wú)線控制器（AC）與網(wǎng)管系統(tǒng)，在接入側(cè)要布置相應(yīng)的交換機(jī)、室外AP及相應(yīng)天線；共址現(xiàn)網(wǎng)基站且現(xiàn)網(wǎng)資源滿(mǎn)足條件時(shí)，可依托現(xiàn)網(wǎng)共用機(jī)房、鐵塔、電源、管道光纜、傳輸接入設(shè)備等配套資源（采用802.11n的WLAN需PTN或PON傳輸）。

時(shí)分網(wǎng)橋型無(wú)線寬帶的建設(shè)方式與WLAN類(lèi)似：獨(dú)立網(wǎng)管、獨(dú)立無(wú)線接入系統(tǒng)、共用現(xiàn)網(wǎng)配套資源，但其無(wú)線接入設(shè)備上聯(lián)現(xiàn)網(wǎng)BRAS。

時(shí)分網(wǎng)橋型無(wú)線寬帶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

圖1 時(shí)分網(wǎng)橋型無(wú)線寬帶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

GSM-Hi 可最大程度地依托現(xiàn)網(wǎng)資源建設(shè)，其與4G共用EPC核心網(wǎng)，與GSM共用網(wǎng)管系統(tǒng)、PTN網(wǎng)絡(luò)與基站（包括支持GSM-Hi的基站主設(shè)備與天饋線），需新增的內(nèi)容少。在共GSM站址（須為PTN傳輸）情況下，建設(shè)SISO方式的GSM-Hi只需在BBU設(shè)備中增加相應(yīng)的基帶板與主控板、CPRI口光纖，而增加MIMO方式的GSM-Hi則還需每扇區(qū)增加1個(gè)射頻模塊（RRU）。因此，GSM-Hi的工程改造量最小。

GSM-Hi網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

圖2 GSM-Hi網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

農(nóng)村無(wú)線寬帶建設(shè)方式對(duì)比如表2所示：

表2 農(nóng)村無(wú)線寬帶建設(shè)方式對(duì)比

共址建設(shè)農(nóng)村無(wú)線寬帶的改造工作量對(duì)比如表3所示：

表3 共址建設(shè)農(nóng)村無(wú)線寬帶的改造工作量對(duì)比

由于900MHz在覆蓋能力上存在優(yōu)勢(shì)，且農(nóng)村地區(qū)G SM900MHz現(xiàn)網(wǎng)存在大量可利用的站點(diǎn)資源，因此GSM-Hi主要利用900MHz頻段進(jìn)行農(nóng)村無(wú)線寬帶建設(shè)。由于農(nóng)村GSM網(wǎng)絡(luò)載頻配置低于城市，空余頻段可供GSM-Hi使用：如果農(nóng)村基站平均載頻配置小于S6/6/6，則GSM-Hi可采用5MHz帶寬；如果小于S4/4/4，則GSM-Hi可采用10MHz帶寬。但GSM-Hi覆蓋區(qū)域要求與現(xiàn)有GSM900MHz基站間設(shè)置2至3層小區(qū)進(jìn)行隔離，以避免干擾，這也是GSM-Hi相比于其它兩者來(lái)說(shuō)額外的網(wǎng)絡(luò)改造要求。

GSM-Hi頻率隔離示意圖如圖3所示：

圖3 GSM-Hi頻率隔離示意圖

4 成本造價(jià)比較

假設(shè)無(wú)線寬帶建設(shè)規(guī)模不大，核心側(cè)無(wú)需擴(kuò)容，僅比較無(wú)線接入側(cè)的成本造價(jià)；并假設(shè)用戶(hù)自行采購(gòu)CPE，無(wú)需運(yùn)營(yíng)商投資。

比較場(chǎng)景：5公里范圍內(nèi)同時(shí)3個(gè)離散分布村莊接入；GSM-Hi單站即可覆蓋，而WLAN室外覆蓋與時(shí)分網(wǎng)橋型無(wú)線寬帶需臨近每個(gè)村莊單獨(dú)建設(shè)。

如果每個(gè)村莊附近都有現(xiàn)網(wǎng)基站可供無(wú)線寬帶共址建設(shè)，且鐵塔、電源、管道、接入光纜、傳輸設(shè)備等配套無(wú)需改造，則總建設(shè)成本較小，且WLAN室外覆蓋的造價(jià)最有優(yōu)勢(shì)。

農(nóng)村無(wú)線寬帶建設(shè)成本對(duì)比（共址PTN基站）如表4所示。

如果共址站點(diǎn)傳輸類(lèi)型非PTN或PTN需改造情況下，傳輸設(shè)備的成本將導(dǎo)致無(wú)線寬帶總建設(shè)成本提高一倍左右。此種情況下，由于GSM-Hi所需站址少，因此綜合造價(jià)最低。

農(nóng)村無(wú)線寬帶建設(shè)成本對(duì)比（共址非PTN基站）如表5所示。

表4 農(nóng)村無(wú)線寬帶建設(shè)成本對(duì)比（共址PTN基站）

表5 農(nóng)村無(wú)線寬帶建設(shè)成本對(duì)比（共址非PTN基站）

現(xiàn)實(shí)情況并非每個(gè)村附近都有基站可供無(wú)線寬帶共址，如果無(wú)線寬帶需要新建全部配套，造價(jià)還將翻倍。綜合而言，無(wú)論何種無(wú)線寬帶，都建議挑選傳輸、電源、鐵塔等方面都無(wú)需改造的現(xiàn)網(wǎng)站點(diǎn)進(jìn)行共址建設(shè)，其中覆蓋能力更強(qiáng)的GSM-Hi因?yàn)樗枵军c(diǎn)數(shù)少而在建設(shè)成本方面更為經(jīng)濟(jì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

總結(jié)3種無(wú)線寬帶的特點(diǎn)如下：

（1）WLAN室外覆蓋：覆蓋能力最弱，支持的并發(fā)用戶(hù)數(shù)也最少，因此只適合覆蓋一個(gè)聚居的中小型村莊；但速率較高，且終端普遍，沒(méi)有CPE也可接收（在更小范圍內(nèi)）；可共址現(xiàn)網(wǎng)基站且傳輸無(wú)需改造情況下建設(shè)成本最低；頻率易受干擾，信號(hào)存在風(fēng)險(xiǎn)。

（2）時(shí)分網(wǎng)橋型無(wú)線寬帶：覆蓋能力一般，大型行政村或一般鄉(xiāng)鎮(zhèn)都可覆蓋，但需無(wú)山體或大型建筑阻擋；速率及支持的用戶(hù)數(shù)都較為理想，但2.4GHz頻率易受干擾的問(wèn)題同樣存在；需自建網(wǎng)管系統(tǒng)；此外，其無(wú)線接入側(cè)造價(jià)也是3種方式中最高昂的。

（3）GSM-Hi：覆蓋能力最強(qiáng)，覆蓋能力與同頻段GSM網(wǎng)絡(luò)相同，不僅節(jié)省了站點(diǎn)和投資，同時(shí)也保證了深度覆蓋效果；專(zhuān)用頻段、不易受干擾，電信級(jí)設(shè)備、可靠性高；可共用現(xiàn)網(wǎng)的核心網(wǎng)、網(wǎng)管系統(tǒng)以及傳輸、電源甚至天線等配套資源，工程改造量??；支持的用戶(hù)數(shù)多，但速率方面略有不足；900MHz頻率資源有限，采用GSM-Hi的區(qū)域需有空余頻率且與GSM900MHz現(xiàn)網(wǎng)之間要做頻率隔離。

適用場(chǎng)景總結(jié)如下：

（1）WLAN室外覆蓋適合小范圍、非連續(xù)的零星農(nóng)村業(yè)務(wù)熱點(diǎn)采用，并且用戶(hù)對(duì)寬帶網(wǎng)絡(luò)的QoS質(zhì)量要求不高。

（2）時(shí)分網(wǎng)橋型無(wú)線寬帶適合一般鄉(xiāng)鎮(zhèn)、大型行政村等中等場(chǎng)景采用，單位場(chǎng)景內(nèi)需地形平坦、無(wú)阻隔，且要求運(yùn)營(yíng)商有相對(duì)充裕的建設(shè)資金。

（3）GSM-Hi可作為廣域室外環(huán)境一般業(yè)務(wù)強(qiáng)度的無(wú)線寬帶接入首選，大到小型縣城、小至偏遠(yuǎn)零散農(nóng)村居民點(diǎn)或偏遠(yuǎn)自然景點(diǎn)等都可采用，特別是運(yùn)營(yíng)商要求快速布局前提下，但只能選擇900MHz頻率資源有富余的區(qū)域。

[1] 仝愛(ài)軍. UMTS900系統(tǒng)分析及解決方案探討[J]. 移動(dòng)通信, 2013(13): 16-19.

[2] 陳玲,石磊. WLAN（802.11n）組網(wǎng)技術(shù)研究[J]. 郵電設(shè)計(jì)技術(shù), 2012(7): 71-75.

[3] 梁童,陳偉輝,張冬晨. 頻率重用技術(shù)干擾問(wèn)題研究[J]. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化, 2013(5): 83-88.

[4] 楊柳,郭永宏. 基于TDD技術(shù)的無(wú)線寬帶接入系統(tǒng)在農(nóng)村地區(qū)的應(yīng)用研究[J]. 郵電設(shè)計(jì)技術(shù), 2013(4): 54-56.

[5] 張軍,蔡邦壽. 寬帶業(yè)務(wù)兩種接入模式在農(nóng)村場(chǎng)景下的綜合成本分析[J]. 互聯(lián)網(wǎng)天地, 2013(9): 64-68.★