3g网络与wlan协同规划之探讨

3G 网络与 WLAN 协同规划之探讨1 WLAN 技术发展概况WLAN 是一种无线局域网技术，主要指 IEEE 802.11 标准系列。自 1997 年问世以来，WLAN 技术在不断发展演进中，速率持续提高，从 802.11b 的 11 Mbit/s 到802.11a/g 的 54 Mbit/s，直至 802.11n 的 300 Mbit/s。网络安全性能不断提高，除了 WPA、802.11i 安全标准外，我国也在无线局域网国家标准 GB 15629.11-2003 中提出了采用 WAPI 机制来实现无线局域网的安全。覆盖范围也从室内小范围视距内覆盖到室外大范围热区覆盖，以至于组建无线城市，如 802.11s 标准。无线网络的可管理性继续增强，设备配置管理、终端平滑切换等特性相继引入，网络性能也逐步具备了 QoS、切换、漫游等移动性管理功能，如 802.11e、802.11r、802.11f 等标准。无线接入设备也从小规模组网的自主管理型 FAT AP 向大规模组网的集中管理型 FIT AP+AC 发展。近几年来，在国际巨头 INTEL 等的推动下，普通笔记本电脑也内置了 Wi-Fi 上网功能，WLAN技术得到了广泛应用，特别是企业、宾馆酒店等的无线宽带互联网接入。WLAN 设备的价格也不断下降，1 个 AP 只要 1 000 元左右，很多家庭也自购 AP 进行无线上网。由于 WLAN 技术具有低成本、高速率、布设灵活的特点，WLAN 组网逐步从热点、热区，向无线城市方面发展。自 2004 年 7 月美国费城首次提出了基于 802.11b 标准的“无线费城计划”，全球在建和规划中的无线城市已经超过 1 000 个，国内也有诸多无线城市的应用案例。例如杭州华数，和杭州市政府合作，利用 WLAN 技术组建了无线城市，除了市民无线上网应用外，主要服务于政府行业应用，如无线城管停车收费系统、公安交警无线应用（现场事故信息回传、视频监控回传）、公众交通应用等。运营商也越来越关注WLAN 技术。国内早在 2002 年就由中国电信推出名为“ 天翼通”的 Wi-Fi 无线网络服务，原中国网通也推出了“无限伴旅”无线互联网接入服务，中国移动 WLAN 业务于 2003 年8 月正式推出，业务品牌为“随 e 行”，提供 GPRS+WLAN 双模方式，面向商务人士和企业用户。2008 年，中国移动在 6 大奥运城市进行了大规模的 WLAN 建设。自 2008 年 5 月 24 日国内电信 行业重组以来，特别是 2009 年 1 月 7 日，工业和信息化部批准了中国电信、中国移动和中国联通的 3G 业务经营许可，国内三大基础电信运营商正式进入了全业务运营时代。移动数据业务，特别是移动互联网业务，将是 3G 业务的主要内容之一。在 3G 时代， WLAN 技术凭借其低成本、高速率的特点，将再次在 3G网络建设和业务应用中发挥独特的作用。2 国内 3G 网络建设的挑战经过 2009 年 1 年时间的建设，三大运营商的 3G 网络将初具规模，具备在全国范围内提供 3G 业务的能力。随着 3G 网络的建成，三大运营商的 3G 业务竞争将进一步加剧，3G 用户和 3G 业务将迅速提升，移动数据业务收入占比日益增大，并成为进一步发展的关键。与 2G 时代不同，除了语音业务外，3G 更注重移动数据业务，移动互联网将成为移动通信发展的新趋势，数据业务流量迅速增长。例如，欧洲成熟的 3G 运营商中，移动数据业务已经占总流量的 80%以上，语音业务则少于 15%。随着 3G 数据业务的不断增长，国内 3G 网络建设将面临新的挑战。2.1 用户需求无限性和无线资源有限性之间的矛盾使用移动数据业务的用户，特别是一些下载类和视频类业务，总是希望速率越高越好，然而无线资源是有限的，特别是频谱资源和站址资源，并不能无限地满足用户的需求。频率资源是发展移动通信业务的重要资源，表 1 为国内三大电信运营商移动通信频率分配现状表。从表 1 可知，中国移动拥有 243 MHz 频率资源，扣除 2 3002 400 MHz 频率，有 143 MHz 频率资源。扣除 PHS 频率资源，中国联通拥有 62 MHz 频率资源，中国电信拥有 50 MHz 频率资源。为了克服多径干扰，支持高速移动性，移动通信的编码调制效率远低于有线通信。依据现有 3G 技术，在广覆盖、快速移动和多径的环境下，小区下行平均吞吐量的频谱效率大致为 1 bit/s/Hz。就中国联通而言，可用的 WCDMA 频率仅为152 MHz，即使全部利用，单小区下行平均吞吐量也就 15 Mbit/s 左右，而该小区的覆盖范围可以高达几平方公里，覆盖的用户成千上万。基于 PON 的 FTTH 家庭有线宽带，单个家庭普遍具备提供大于 20 Mbit/s 的下行带宽能力。因此，和有线宽带相比，移动宽带能力还是十分有限的。有限的频谱资源，不足以完全承担热点区域的高速数据业务，不足以满足用户的无限需求。表一：我国移动通信频率分配现状除了无线频谱外，站址获取也是个巨大挑战。3G 网络普遍工作在 2.1 GHz 附近，频段高、覆盖能力弱、基站半径小。为了提升网络覆盖、改善网络质量、增加网络容量，除了利旧现有 2G 基站站址外，必然还需要更多的站址。然而在现实环境中，站址获取十分困难，特别是在居民住宅区内。2.2 3G 数据业务分布的非均衡性相比于 2G 时代的语音业务和低速数据业务，3G 数据业务的分布更不均衡。这既体现在地域分布上，也反映在用户之间。为什么更不均衡呢？这是业务特点和使用习惯所导致的。语音业务的特点是人与人之间的互动，人的时间是有限的，语音业务的传输速率也是有限的。3G 数据业务，既可以人人互动，如视频会议，也可以人机互动，如视频游戏，还可以机机互动，如后台下载类业务、M2M 业务，时间不受限制。数据速率既可以是低速的，也可以是网络能提供的最高速率（如 BT 下载类）。表 2 是某市采用 EV-DO 数据业务的统计分析。从表 2 可知，载波流量分布符合 2/8原理，即高流量的载波占了 20%左右。这反映了 3G 数据业务地域分布的不均衡性。表 2 某市某日 EV-DO 载波流量分析表 3 为某市某日用户流量分布的统计分析。从表 3 可知，55%的用户仅占了总流量的4%，而 4.6%的用户却占了 43%的流量，这也反映了 3G 业务在用户之间分布的不均衡性。表 3 某市某日 EV-DO 用户流量统计3G 数据业务分布的非均衡性，将导致无线资源难以和业务分布相匹配，这必然影响网络质量，造成基站忙闲不均，无线网络利用率下降。2G 时代，某些省（市）的 GSM 无线网络利用率已经达到 70%以上。3G 时代，数据业务比例越高，无线网络利用率将越低。3 3G 技术与 WLAN 技术对比针对高速移动数据业务需求，3G 技术显得力不从心，而 LTE、4G 技术的成熟和产业化，还需漫长时间。因此，在 3G 时代，利用 WLAN 技术来增强 3G 网络的高速数据业务能力，作为 3G 网络的有力补充，消除热点区域数据业务高峰，不失为一个有效的解决方案。表 4 对 3G 技术和 WLAN 技术的性能和经济性进行了对比分析。表 4 中 WLAN 指802.11a/g 标准，扩容成本不包含基础配套设施（如机房、铁塔、电源、传输等），仅考虑了新增主设备的价格。用户实际体验速率和网络质量、业务分布直接相关（表 4 中数据仅供参考）。从表 4 可知，就局部热点而言，WLAN 的扩容成本最低，不到 3G 成本的 3%。因此，WLAN 的优点是造价低，布设灵活，不需要机房、铁塔和空调等基础配套设施。然而，和 3G 技术相比，WLAN 也存在诸多不足。表 4 3G 技术和 WLAN 技术的比较a） 由于使用免许可的 ISM 频段，运营商不能形成一方专用的频率，多方均可自由使用同一频率，因此不能通过频率的区分形成互不干扰的多方共存，有可能存在严重的频率干扰，网络质量不稳定，QoS 难以保证。b） ISM 频段作为公共资源受到保护，WLAN 设备必须受 ISM 规范的约束，不允许突破限制（如发射功率）来改善性能。因此 WLAN 覆盖范围小，不支持中高速移动，切换时延长。c） 设备兼容性弱，设备的可管理性和稳定性还有待提高，网络安全也有待进一步提高。尽管标准不断提升改善，也具备了一定的移动性，但 WLAN 本质上是一种无线局域网技术，只有针对特定的场合，WLAN 才能发挥低成本、高速率的优势。就广覆盖可移动性而言，WLAN 完全没有优势。利用 WLAN 进行大面积室外城市覆盖，需要投入数量巨大的 AP，而 AP 的前端又是有线 光纤传输网，布放大量 AP 不仅建设成本高，而且维护成本更高。研究数据表明，采用 WLAN 覆盖 1 km2 商业区的建设成本比采用 3G 技术的高 3倍以上，运维费用则更高。鉴于 3G 数据业务分布的非均衡性，以及无线网络资源的有限性，在 3G 网络建设和运营过程中，可利用 WLAN 低成本、高速率和布设灵活的优点，在公共热点区域建设WLAN，有效分流 3G 数据流量，消除 3G 数据流量的高峰。热点区域 WLAN 的建设既减轻了 3G 网络的负荷，也促进了 3G 业务分布的均衡性，有利于降低 3G 网络建设成本，提升 3G 网络质量和用户体验。因此，3G 和 WLAN 应统筹兼顾，取长补短，协同规划建设。4 3G 网络与 WLAN 协同规划尽管 WLAN 具有低成本、高速率和灵活布设的优点，但如上所述，WLAN 也有诸多致命弱点，不足以组建一个独立的、连续的移动网络。因此，WLAN 应作为移动蜂窝网络的有效补充，和 3G 网络的室内分布系统结合起来，在公共热点区域布设，把 WLAN 的低成本、高速率、灵活布设的优势与移动网的广覆盖规模优势结合（见图 1）。图一 WLAN、3G 和 2G 网络统筹兼顾移动网络和 WLAN 分工定位如下：a） 2G 网络：以承载语音为主，并承载部分低速数据，全覆盖。b） 3G 网络：以承载中高速数据为主，重点在密集市区、普通市区以及重要的交通干道，广覆盖。c） WLAN：以承载高速数据为主，覆盖重要公共热点区域，分流 3G 网络的热点数据流量，降低网络建设成本，改善用户体验。3G 网络的建设目标是建成广覆盖、无缝切换的移动网络，为用户（特别是手机终端用户）提供大范围连续的高、中、低速移动业务。WLAN 以公共热点覆盖为主，既作为固网宽带的延伸，也作为 3G 网络的有力补充，为用户（特别是笔记本电脑用户）提供热点区域的高速数据接入业务，分流 3G 网络的热点数据流量，降低网络建设成本，改善用户体验。在 3G 网络建设过程中，运营商应建立 WLAN 与 3G 协同规划机制，结合网管系统流量分析数据，在 3G 数据流量集中的热点区域进行有针对性的 WLAN 布设。a） 3G 已覆盖区域：WLAN 规划时应利用网管统计数据，对于数据流量大的热点，优先建设 WLAN。b） 3G 未覆盖区域：若存在 WLAN 热点，应及时规划 3G 网络建设。c） 3G 与 WLAN 均未覆盖区域：利用 2G 移动网管统计数据，对于在线用户较多、业务流量较低的区域，优先考虑进行 3G 覆盖；若笔记本电脑用户较多，或业务流量较高时，则应同时建设 3G 网络和 WLAN 提升用户体验。d） 新建或升级改造现有室内分布系统时，统筹考虑 2G、3G 以及 WLAN 的接入需求。e） WLAN 应作为运营商现有城域数据网的延伸扩展部分，不应单独组网，不应改变现有城域网的拓扑结构。WLAN 建设的关键是获取物业业主的支持和配合。由于 WLAN 工作在 ISM 频段，只有取得业主的支持和配合，才能控制频率干扰，确保网络质量。WLAN 建设模式可以多种多样，除了自主建设外，还可以和业主合作建设利益分成，甚至租赁业主已经建成的WLAN。除了取得业主支持和配合外，在一些公共热点区域，如机场候机楼，三大运营商应相互协作，避免 WLAN 相互干扰。目前从 WLAN 技术演进本身以及行业应用而言，WLAN 技术有一种从室内热点覆盖向室外大范围连续覆盖，甚至组建无线城市方面发展的趋势。尽管近几年来兴起了建设无线城市的热潮，然而 WLAN 技术本身并不适合多径、非视距及移动性的室外传播环境。从全世界范围来看，利用 WLAN 建设和运营无线城市，投资大、运维成本高、缺乏赢利模式，鲜有成功案例。国内三大电信运营商应利用 3G+WLAN 技术来建设无线城市，如中国移动在厦门建设无线城市的技术模式，3G 网络广覆盖，WLAN 重点覆盖公共热点区域，并作为 3G 网络的有效补充，对运营商而言，不建议部署大范围的成片连续室外 WLAN，更不应当采用 WLAN 技术来组建无线城市。5 充分发挥 WLAN 的作用尽管国内三大电信运营商都已建设了很多 WLAN 覆盖热点，WLAN 热点数量超过 15万个，然而使用效果并不理想，WLAN 覆盖热点的数据流量不大，还无法有效地分流 3G数据流量。因此，除了大力建设 WLAN 覆盖热点外，还需要多方面努力，充分发挥WLAN 的作用，作为 3G 网络的有力补充。首先，应在市场宣传和资费政策上引导用户多使用 WLA