基于5G移動(dòng)通信網(wǎng)的家庭寬帶接入方案

馬天保 于海波

【摘要】隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，5G網(wǎng)絡(luò)的成熟性逐漸提升，其應(yīng)用范圍也越來越廣，且應(yīng)用也越來越穩(wěn)定，目前已可完承載家庭寬帶基礎(chǔ)上網(wǎng)業(yè)務(wù)。尤其是在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)持續(xù)發(fā)展且高度發(fā)達(dá)的后4G以及5G時(shí)代下，移動(dòng)寬帶的能力基本將5G網(wǎng)絡(luò)作為有線家庭寬帶接入的補(bǔ)充方式，而不是單純地為家庭寬帶業(yè)務(wù)承載的實(shí)現(xiàn)而進(jìn)行5G站點(diǎn)建設(shè)。因此，本文將針對(duì)基于5G移動(dòng)通信網(wǎng)的家庭寬帶接入方案進(jìn)行全面探討，并在此基礎(chǔ)上通過相關(guān)測(cè)試研究該方案的可行性，提出合理的建議。

【關(guān)鍵詞】5G移動(dòng)通信網(wǎng);家庭寬帶;IPTV;中國(guó)電信

中圖分類號(hào)：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.13.018

現(xiàn)階段，我國(guó)家庭寬帶所承載的業(yè)務(wù)主要由兩個(gè)類型所組成，分別為基礎(chǔ)上網(wǎng)業(yè)務(wù)以及IPTV（Internet protocol television，互聯(lián)網(wǎng)電視）業(yè)務(wù)。前者所涵蓋的項(xiàng)目較為基礎(chǔ)，其中最為典型的是各種能夠與寬帶網(wǎng)絡(luò)相連接的智能家用電器，如天貓精靈、小度等等;后者是將互聯(lián)網(wǎng)、多媒體、通訊等不同技術(shù)結(jié)合在一起，為家庭用戶提供包含卻不僅限數(shù)字電視業(yè)務(wù)的多種交互式服務(wù)技術(shù)，即IPTV技術(shù)。IPTV技術(shù)和以往傳統(tǒng)的有線電視技術(shù)相比較具有更多的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也在傳統(tǒng)業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上新增了一些服務(wù)性功能，這些服務(wù)性功能最主要體現(xiàn)在視頻點(diǎn)播、視頻直播以及視頻回顧等功能上。

在中國(guó)北方地區(qū)，中國(guó)電信集團(tuán)有限公司的有線網(wǎng)絡(luò)資源相比于南方地區(qū)而言呈現(xiàn)處明顯的匱乏，和南方地區(qū)相比，北方地區(qū)的電信市場(chǎng)無論是在用戶規(guī)模還是市場(chǎng)占有率等方面都具有顯著的不足。由于網(wǎng)絡(luò)資源上缺乏先天性優(yōu)勢(shì)，必然也會(huì)導(dǎo)致業(yè)務(wù)發(fā)展的順暢度降低，而業(yè)務(wù)發(fā)展的落后以及收入水平的偏低又會(huì)進(jìn)一步成為建設(shè)投資不足的重要導(dǎo)火線，久而久之與中國(guó)聯(lián)通之間的差距越拉越遠(yuǎn)，并陷入以下這種死循環(huán)模式：網(wǎng)絡(luò)資源嚴(yán)重匱乏-業(yè)務(wù)發(fā)展情況不佳-業(yè)務(wù)收入水平較低-建設(shè)投資力度下降-網(wǎng)絡(luò)資源嚴(yán)重匱乏。盡管這幾年，有關(guān)部門采用了民營(yíng)資本引入的方式來緩解投資不足以及發(fā)展緩慢等若干問題，并且在工作積極地開展過程中也取得了一些成效，然而整體情況還是呈現(xiàn)持續(xù)不良的現(xiàn)象，尤其是在網(wǎng)絡(luò)資源上略顯動(dòng)力不足。

現(xiàn)階段，5G已完全實(shí)現(xiàn)了GBPS峰值速率以及100MBPS用戶體驗(yàn)速率，在使用體驗(yàn)上基本可以與普通200MBPS家庭寬帶體驗(yàn)相提并論，在功能以及用戶體驗(yàn)上沒有太大的差異?；谶@一現(xiàn)狀，要想更好地在北方地區(qū)這種電信有線接入資源相對(duì)匱乏的地方實(shí)現(xiàn)5G移動(dòng)通信網(wǎng)的家庭寬帶接入，對(duì)5G移動(dòng)在家庭寬帶接入上的可行性進(jìn)行研究是具有高度必要性的。筆者在這一研究目的的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)以5G移動(dòng)通信網(wǎng)為基礎(chǔ)的移動(dòng)通信網(wǎng)家庭寬帶接入具體方案，使用戶的使用體驗(yàn)得到更進(jìn)一步提升。

1. 可行性分析

要想在家庭寬帶接入中應(yīng)用5G網(wǎng)絡(luò)，首先需要確保以下兩個(gè)問題得到解決，首先是網(wǎng)絡(luò)寬帶的速率必須滿足家庭寬帶的基本需求，至少不低于100Mbps，其次是網(wǎng)絡(luò)時(shí)延必須滿足IPTV業(yè)務(wù)的基本要求，只有同時(shí)滿足上述兩個(gè)要求才能夠進(jìn)一步落實(shí)這一方案。

1.1 5G整體能力

家庭寬帶不僅需要涵蓋一些基礎(chǔ)的業(yè)務(wù)以及IPTV業(yè)務(wù)，與此同時(shí)也要滿足個(gè)別用戶在VR/AR（Virtual Reality/Augmented Reality，虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）等方面的需求。對(duì)于基礎(chǔ)上網(wǎng)業(yè)務(wù)來說，并不需要具備較高的時(shí)延能力，然而在寬帶方面卻具有更高的時(shí)延要求;尤其是在IPTV業(yè)務(wù)以及高清視頻業(yè)務(wù)當(dāng)中，對(duì)于時(shí)延能力具有較高的指標(biāo)。筆者對(duì)各大廠商對(duì)外公示的5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行參考分析后得出了以下結(jié)論：5G網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)上午業(yè)務(wù)以及IPTV業(yè)務(wù)的支持。在目前的所有業(yè)務(wù)當(dāng)中，較難滿足的部分只有IPTV的時(shí)延要求，因此我們需要進(jìn)一步并更加詳細(xì)地分析IPTV業(yè)務(wù)的承載能力。

1.2 IPTV業(yè)務(wù)的承載能力

筆者圍繞寬帶、時(shí)延以及容量三個(gè)方面針對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)IPTV業(yè)務(wù)的承載可行性展開了具體的分析，并得出了以下結(jié)論。

首先，在寬帶方面，IPTV業(yè)務(wù)當(dāng)中的4K部分單用戶如果需要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定上網(wǎng)至少要得到40Mbps的穩(wěn)定寬帶，所匹配的上行速率至少為1Mbps。倘若5G和4G是按照一比一的配比來進(jìn)行站址建設(shè)的，那么5G將只能夠在室內(nèi)的淺層范圍內(nèi)為用戶提供1Mbps的邊緣速率，如厚度較小的墻壁、窗戶邊緣等區(qū)域，這樣將遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足室內(nèi)區(qū)域的深度覆蓋。倘若再將25dB的外墻穿透損耗考慮在內(nèi)，從理論上來看，所建設(shè)的5G站址在數(shù)量上需要達(dá)到4G站址的3.57倍，方可支持1Mbps的上行速率，這樣一來，5G站址的建設(shè)將耗費(fèi)巨大的成本，即便如此也仍然無法較好地滿足室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的深度覆蓋。

其次，在時(shí)延方面，IPTV業(yè)務(wù)所需的時(shí)延要求為10ms，而5G網(wǎng)絡(luò)基本上無法滿足IPTV業(yè)務(wù)在時(shí)延上的這一需求。

最后，在容量方面，IPTV業(yè)務(wù)的并發(fā)率達(dá)到百分之六十之多，往往會(huì)存在數(shù)個(gè)用戶同時(shí)觀看電視節(jié)目的情況。在這一情況下，通常來說一個(gè)能夠覆蓋20000平方米至2.5萬平方米的正常5G小區(qū)所能夠支撐的并發(fā)平均水平約為12路40M的并發(fā)，其流量密度與要求相差甚遠(yuǎn)。盡管從理論上來看，持續(xù)不斷地增加站址建設(shè)密度，使其密度達(dá)到10Tbps/km2的程度后可以在一定程度上解決人口密度區(qū)域容量較大的問題，滿足容量需求，然而這一方案的實(shí)施需要在原有基礎(chǔ)上大幅提高投資力度，除此之外在住宅小區(qū)當(dāng)中大規(guī)模建設(shè)5G基站也是不切實(shí)際的方案，因此從現(xiàn)實(shí)角度來看這一才做不具備可行性。

1.3 家庭寬帶承載能力平涂

通過上面的分析我們可以知道，通過5G網(wǎng)絡(luò)來承載家庭寬帶的基礎(chǔ)上網(wǎng)業(yè)務(wù)是基本可以實(shí)現(xiàn)的，尤其是在如今這個(gè)互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的4G和5G時(shí)代中，移動(dòng)寬帶基本上具備了支持大部分情況下基礎(chǔ)上網(wǎng)業(yè)務(wù)的能力，使用5G網(wǎng)絡(luò)全方位取代有線接入從而來實(shí)現(xiàn)IPTV業(yè)務(wù)，這一操作從技術(shù)角度來看雖然只需要突破時(shí)延指標(biāo)這一問題即可解決，然而從操作性來看卻是很難完成的，具有較大的難度。總結(jié)下來可以得出，在確保5G網(wǎng)絡(luò)得到優(yōu)先覆蓋的前提條件下，可以使用5G網(wǎng)絡(luò)來取代有限接入方式從而實(shí)現(xiàn)家庭寬帶的基礎(chǔ)上網(wǎng)業(yè)務(wù)，然而通過5G網(wǎng)絡(luò)來完全實(shí)現(xiàn)IPTV業(yè)務(wù)的承載，只有在一些特定的場(chǎng)合與情景中才會(huì)加以考慮。

在我國(guó)北方地區(qū)，存在嚴(yán)重的5G網(wǎng)絡(luò)容量冗余的現(xiàn)象，除此之外北方地區(qū)的家庭用戶數(shù)量以及規(guī)模較小，也不存在并發(fā)率較高的情況，基于北方地區(qū)的這些上網(wǎng)特征，有可能將會(huì)實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)IPTV業(yè)務(wù)的完全性承載，這一項(xiàng)目的具體性能以及可行性范圍則需要通過后續(xù)的不斷測(cè)試來進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

2. 接入測(cè)試

2.1 測(cè)試環(huán)境

測(cè)試環(huán)境英文全稱為Stand Alone，縮寫為SA。測(cè)試終端選用的是華為CPE pro，英文全稱為Customer Premise Equipmen，所使用的測(cè)試工具有華為IPTV機(jī)頂盒、車站12V電視機(jī)、Personal Digital Assistant以及掌上電腦、寬帶裝機(jī)測(cè)試終端、筆記本電腦、路測(cè)、后臺(tái)分析軟件、12V移動(dòng)電源。

2.2 測(cè)試項(xiàng)目及最終結(jié)論

針對(duì)5G承載基礎(chǔ)上網(wǎng)業(yè)務(wù)的測(cè)試：我們分別取近點(diǎn)、中點(diǎn)、遠(yuǎn)點(diǎn)作為三個(gè)不同測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試，在三個(gè)測(cè)試點(diǎn)當(dāng)中通過天翼云登錄來進(jìn)行文件的上傳及下載，都保持正常水平。此外，在三個(gè)測(cè)試點(diǎn)當(dāng)中分別進(jìn)行視頻通話，也全程無異常出現(xiàn)，沒有出現(xiàn)任何卡頓的現(xiàn)象。

對(duì)三個(gè)不同測(cè)試點(diǎn)的上行速率以及下行速率進(jìn)行比較可知，近點(diǎn)以及中點(diǎn)位置的下行速率均能夠穩(wěn)定地維持在500Mbps以上，上行速率也能穩(wěn)定地維持在90Mbp以上;遠(yuǎn)點(diǎn)位置的下行速率呈現(xiàn)明顯下降，為121.1Mbp，上行速率也明顯下降到12.17Mbp。

5G承載IPTV業(yè)務(wù)的基本功能測(cè)試：在三個(gè)不同測(cè)試點(diǎn)（近點(diǎn)、中點(diǎn)、遠(yuǎn)點(diǎn)）分別觀看高清和標(biāo)清直播、高清和4K點(diǎn)播以及節(jié)目回放，都沒有出現(xiàn)任何花屏現(xiàn)象，卡頓也未出現(xiàn)，此外機(jī)頂盒的MOS值也未呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)，測(cè)試結(jié)果顯示通過5G網(wǎng)絡(luò)承載的IPTV業(yè)務(wù)在質(zhì)量上具有保障。

在上文中出現(xiàn)的MOS值，英文全稱為Mean Opinion Score，指的是平均意見值，這一指標(biāo)主要用于描述IPTV業(yè)務(wù)的質(zhì)量，MOS值的計(jì)算基礎(chǔ)主要由以下幾個(gè)項(xiàng)目構(gòu)成，分別為丟包率、媒體丟包速率、延時(shí)、延遲要素、TCP亂序、IPTV重傳、下載速率等，MOS閾值和滿分依次為4.0、5.0，該次測(cè)試所得到的結(jié)果分布在4.6至4.7之間。

5G承載IPTV業(yè)務(wù)的門限測(cè)試：針對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)施速度限速，在此情況下分別觀察標(biāo)清狀態(tài)下、高清狀態(tài)下、4K狀態(tài)下的直播及點(diǎn)播節(jié)目是否出現(xiàn)卡頓以及花屏現(xiàn)象，若出現(xiàn)上述現(xiàn)象，則需要記錄當(dāng)時(shí)5G網(wǎng)絡(luò)的下行速率，此外還需依據(jù)上述方式分別觀察央視和衛(wèi)視的直播和點(diǎn)播節(jié)目。5G網(wǎng)絡(luò)在對(duì)IPTV業(yè)務(wù)進(jìn)行承載的過程中，4K點(diǎn)播業(yè)務(wù)的速率門限、高清直播業(yè)務(wù)的速率門限以及標(biāo)清直播業(yè)務(wù)的速率門限依次為30Mbps、10Mbps、5Mbps。

5G和有線接入承載IPTV業(yè)務(wù)的比較測(cè)試：對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)施100Mbp的速度限制，將其與速率相同的家庭寬帶放在一起共同負(fù)責(zé)IPTV業(yè)務(wù)的承載，并將兩者對(duì)應(yīng)的機(jī)頂盒MOS值分別記錄下來。在相同時(shí)間段中對(duì)同一個(gè)節(jié)目源進(jìn)行播放，對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行速度限制并將其降低到100Mbp，在此條件下承載IPTV業(yè)務(wù)，此時(shí)記錄下機(jī)頂盒上的MOS值，為4.6;隨后將家庭寬帶的速率也調(diào)整至100Mbp，在此條件下承載IPTV業(yè)務(wù)，記錄下機(jī)頂盒上的MOS值，為4.5。該測(cè)試得出以下結(jié)論：當(dāng)5G網(wǎng)絡(luò)和家庭寬帶的速率保持相同水平時(shí)，兩者在承載IPTV業(yè)務(wù)時(shí)所表現(xiàn)的質(zhì)量是沒有太大差異的。

3. 測(cè)試結(jié)論

3.1 承載能力

通過上面的測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)5G網(wǎng)絡(luò)處于空載狀態(tài)時(shí)，通過5G網(wǎng)絡(luò)來承載家庭寬帶接入業(yè)務(wù)基本上能夠滿足需求，具有較高的可行性，其單用戶體驗(yàn)速率以及MOS值都可以支撐家庭寬帶用戶的基礎(chǔ)上網(wǎng)需求以及IPTV需求。

將我國(guó)北方地區(qū)某省中國(guó)電信網(wǎng)現(xiàn)網(wǎng)家庭寬帶用戶忙碌狀態(tài)下的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取后可以得到上網(wǎng)業(yè)務(wù)忙碌狀態(tài)下在線用戶的速率平均值是2.35Mbps，試聽業(yè)務(wù)忙碌狀態(tài)下每個(gè)并發(fā)用戶的速率平均值是6.18Mbps，由以上兩組數(shù)據(jù)可以繼續(xù)得到該省家庭寬帶忙碌狀態(tài)下用戶速率的平均值是4.6Mbps。

在市區(qū)場(chǎng)景中，暫時(shí)規(guī)定分配小區(qū)25%的能力來支持家庭寬帶業(yè)務(wù)的承載，具體可承載108戶家庭寬帶用戶;在農(nóng)村場(chǎng)景中，則分配小區(qū)50%的能力支持家庭寬帶業(yè)務(wù)的承載，可承載216戶家庭寬帶用戶。

綜上所知，為了進(jìn)一步確保由5G承載家庭寬帶業(yè)務(wù)用戶的使用體驗(yàn)，用戶發(fā)展盡量不要高密度開展。在5G用戶的日益增加趨勢(shì)下，當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)承載能力已經(jīng)越來越難以達(dá)到高密度用戶的發(fā)展要求，需要通過其它手段來緩解各種問題，目前可行性較高的方案有FWA，即千兆固定無線接入。

3.2 建議應(yīng)用范圍

在無電信寬帶資源的地區(qū)：這種地區(qū)通常位于一般城區(qū)或是一些城郊區(qū)域，除此之外還也包含了一些處于城市周邊的城中村區(qū)域以及街邊店鋪和辦公場(chǎng)所。規(guī)模小是以上場(chǎng)景具有的共同特征，需要滿足用戶在較低成本下的快速接入需求，這些用戶的需求主要體現(xiàn)為基礎(chǔ)上網(wǎng)業(yè)務(wù)，很少涉及IPTV業(yè)務(wù)。因此針對(duì)這一對(duì)象，可以對(duì)附近已設(shè)置完成的5G站點(diǎn)進(jìn)行充分利用，從而來完成100Mbp的接入。在5G手機(jī)用戶數(shù)量還未達(dá)到較大規(guī)模，即5G建設(shè)初期階段中，這一方案較容易實(shí)現(xiàn)，且實(shí)施可行性較高。盡管如此，在5G建設(shè)初期階段中，CPE費(fèi)用相對(duì)昂貴，導(dǎo)致投資回收期需要經(jīng)過較為漫長(zhǎng)的過程。

在存在資源卻不能進(jìn)場(chǎng)的地區(qū)：這一場(chǎng)景的共同特點(diǎn)是電信資源進(jìn)入了小區(qū)紅線外，然而卻由于業(yè)主、物業(yè)以及相關(guān)運(yùn)營(yíng)商之間的競(jìng)爭(zhēng)行為導(dǎo)致其不能到達(dá)的區(qū)域。在一些已被運(yùn)營(yíng)商進(jìn)入的大規(guī)模小區(qū)中，很難較好地協(xié)調(diào)業(yè)主和物業(yè)之間的矛盾，因此這樣的小區(qū)具有較高的進(jìn)入難度。針對(duì)這一情況，可以嘗試將5G網(wǎng)絡(luò)作為個(gè)別用戶寬帶接入的替代方式，而在此場(chǎng)景中，筆者仍然建議高端用戶繼續(xù)保持傳統(tǒng)有線寬帶接入模式。

相比于有線傳播方式來說，無線傳播方式存在更多的不可控制因素，其傳播環(huán)境較為復(fù)雜。因此，筆者僅從理論層面論述了上述兩種場(chǎng)景對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，而具體落地之前需要經(jīng)過一系列測(cè)試和驗(yàn)證，并在此基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化改進(jìn)方案，筆者建議通過“一戶一議”的方式對(duì)這一業(yè)務(wù)進(jìn)行推廣應(yīng)用。

4. 應(yīng)用展望

通過5G網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)家庭寬帶業(yè)務(wù)的承載是一項(xiàng)長(zhǎng)期而復(fù)雜的工作，必須在5G網(wǎng)絡(luò)得到大規(guī)模發(fā)展部署后才能正式應(yīng)用，并在大范圍內(nèi)推廣。沒有必要僅僅以家庭寬帶業(yè)務(wù)承載為目的來新建5G站點(diǎn)，5G網(wǎng)絡(luò)無法在高密度區(qū)域無法完全替代家庭寬帶接入方式承載IPTV業(yè)務(wù)，只能在一定程度上補(bǔ)充有線家庭寬帶接入方式的不足，其適用區(qū)域主要包含以下兩種場(chǎng)景，一種是位于市區(qū)當(dāng)中無法接入有線家庭寬帶的小區(qū)（如一些由其它運(yùn)營(yíng)商單獨(dú)承保接入的小區(qū)）、第二種是擁有較長(zhǎng)光纖敷設(shè)距離且投資力度相對(duì)較高的農(nóng)村地區(qū)。

待今后5G向毫米波階段發(fā)展時(shí)，將會(huì)實(shí)現(xiàn)R16版本的發(fā)布，WRC-19即019年世界無線電通信大會(huì)將毫米波的頻段確立下來后，uRLLC即超高程度可靠性以及超低程度時(shí)延通信和eMBB增強(qiáng)版本條件下的5G速率將能夠達(dá)到數(shù)十Gbp，除此之外其時(shí)延也能夠達(dá)到毫秒級(jí)的超低程度，這些技術(shù)上的改進(jìn)都為5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)VR/AR業(yè)務(wù)的承載創(chuàng)造了良好的條件，而5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)這些方式的完全性取代也將成為現(xiàn)實(shí)。與此同時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日新月異的創(chuàng)新與發(fā)展下，各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用成本也將得到大幅度降低，相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及VR/AR應(yīng)用設(shè)備在價(jià)格上也會(huì)得到較大程度的降低，使用戶使用成本得到有效控制。由此可見，基于5G移動(dòng)通信網(wǎng)的家庭寬帶接入方案在不久的將來必然可以實(shí)現(xiàn)。

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