異構網絡和Wi-Fi技術的發展將有效應對海量數據業務

徐 千，李 鋼

（1.中國普天信息產業集團公司 北京 100080；2.國家無線電監測和檢測中心 北京 100037）

1 引言

手機、平板電腦等聯網設備的日益普及正在迅速推高移動寬帶流量。隨著人們越來越依賴于移動應用、視頻內容、云服務以及隨時隨地的聯網服務，用戶對移動寬帶的期望不斷升高，希望能夠隨時隨地獲得一致、高質量、無縫的移動寬帶體驗。從另一方面來說，移動互聯網業務的快速發展，在給用戶帶來3G無線上網樂趣的同時，給運營商帶來了巨大的壓力。三大運營商2012年上半年報顯示:中國移動的移動數據流量為6.916×1011MB，同比增長59.3%；中國聯通的移動數據流量達3.7105×1011MB，同比增長489.1%；中國電信的3G手機上網流量復合環比增長約12%。目前對于應對移動網絡流量突增的方法、相關技術的發展、對移動終端所帶來的影響的研究比較少，本文將從這些角度討論相關問題。未來移動通信發展的趨勢已經不再是某一種無線通信技術一統天下，而是多種無線接入技術共存，相互補充，相互融合。不同類型無線網絡的“融合”成為未來寬帶無線通信發展的必然趨勢。

2 異構網絡有助于電信運營商解決網絡發展問題

對于無線網絡，網絡容量和頻率資源限制一直是其發展的關鍵所在，尤其是跨入無處不在的無線互聯時代，容量需求呈非線性高速增長，改變網絡結構，構建覆蓋分層、頻段分層、制式分層的立體異構網絡（heterogeneous network，HetNet），已成為主流運營商的必然之選。

在無線數據流量每年翻倍增長的趨勢下，僅靠新的無線信道技術發展和擴展有限的頻帶寬度是遠遠不夠的，類似IT產業著名的摩爾定律，無線通信領域用庫珀定律來描述技術手段對無線容量增長的貢獻:“1957年以來，無線容量增長了約100萬倍。每30個月增長一倍，其中25倍源于頻譜分配，5倍源于信道化，5倍源于調制解調方式的改進，1600倍源于半徑不斷縮小的小區覆蓋?！憋@而易見，小區分裂、改變網絡拓撲結構，將是應對未來數據流量陡增、滿足容量增長需求的主要方式。在宏站的連續覆蓋層下面，布放低功率小基站，形成高速率和大容量覆蓋層，滿足熱點地區對容量的需求。

2.1 異構網絡的定義

當前移動用戶的需求非常簡單，即隨時隨地進行需要的通信。運營商提供什么樣的網絡來滿足這一需求？一方面，這張網絡要能夠滿足不斷變化的用戶需求；另一方面，要足夠經濟，能夠盡量降低運營商的成本。簡而言之，新的網絡要把每比特的成本降到最低。

在這一趨勢下，下一代無線通信網絡的研究方向有兩個:一是研究異構網絡，研究終端需要什么樣的體系才能提供無處不在的業務；二是增強人類駕馭世界的能力，實現人人、時時、處處的通信，實現豐富多彩的業務。不同種異構網絡的并存必會引起競爭，在這種演進趨勢下，幸存者并不是最強壯、最智能的，而是最能適應環境變化的。

所謂異構網絡，由不同制式的網絡設備和系統組成，大部分情況下運行在不同的通信標準和協議上以支持不同的功能或應用。

實際上，異構網絡的應用無處不在。最常用的互聯網本身就是一個異構網絡，TCP/IP的成功之處就是利用一個簡單的分層協議，將異構的計算機網有效地連接在一起，人們可以通過不同的接入技術訪問這些網絡。目前同樣存在異構網絡問題，移動通信網本身由2G網絡、3G網絡和將要來臨的4G網絡構成。接下來根據用戶的需要，討論異構網絡在滿足用戶需求方面的優勢。

在未來的移動網絡發展中，多制式網絡的并存將會長期存在，2G網絡、3G網絡和4G網絡會在很長一段時間內共存，這就意味著在未來很長一段時間內，仍處于多制式異構網絡共存階段。

除了多制式異構移動網并存外，在同一制式中，不同形態的蜂窩系統也構成了同一制式的異構網絡，如圖1所示，包含宏蜂窩（macrocell）、微蜂窩（microcell）、微微蜂窩（picocell）、家庭基站（femtocell）以及中繼站（relay）等，利用這些多形態的基站，根據覆蓋和容量情況進行同頻或異頻組網。

移動通信中還存在同構異頻分層覆蓋技術，可以解決移動網絡的容量問題，如GSM系統中的900 MHz、1800 MHz和1900 MHz分層組網。中國移動通信集團公司提出的四網協同融合組網（2G/3G/4G/Wi-Fi，其特點是將Wi-Fi技術融合進移動網絡）更是異構網絡組網的典型代表。

2.2 異構網絡的組網優勢

2.2.1 單一網絡架構對突發業務的承載能力不足

用戶越來越注重連接速率、數據速率、網絡覆蓋以及移動寬帶服務的可用性。為了保證用戶的滿意度，運營商必須提供一致、高質量、無縫的移動寬帶體驗，以滿足甚至超出用戶的期望。單一網絡的網絡性能具備一致性，組網時具有很大的便利，但在滿足用戶個性要求方面有很多不足，圖2展示了用戶需求與運營商能力提供之間的矛盾。

從圖2中可以看出，基站信號強度一般是均勻覆蓋，用戶的需求卻很不均勻，即在單一網絡架構下，網絡的承載能力是均衡的，但用戶的需求是不均衡的，在高負荷區域，用戶的體驗可能會不好。在區域2和區域3中，用戶的需求流量低于網絡的承載能力，用戶體驗很好；而在區域1中，用戶的需求流量大于網絡的承載能力，用戶在這一區域的體驗會很差。實際中，移動網絡的覆蓋不是很均勻，離基站近的區域覆蓋信號強，網絡承載能力相對較高，基站的邊緣區域信號略弱，承載能力較弱，可以通過網絡優化盡量減少這一差異。但是，對于用戶需求的不均勻性問題，單一的移動網絡系統是無法解決的，必須利用小型小區補充宏小區的異構網絡來解決。

圖1 移動通信網的多形態基站組網

圖2 用戶需求與運營商網絡能力提供之間的矛盾

2.2.2 異構網絡能有效解決上述問題

通過異構網絡的建設（主要包括改進和增加移動寬帶基礎設施），并提高其密度，可以有效解決對突發業務承載能力不足的問題，主要措施如下。

（1）改進現有宏小區站點

HSPA、HSPA+和LTE技術持續發展，將通過高階調制、高級扇區劃分、多載頻和多天線技術等專用特性以及基于混合射頻解決方案的頻譜重整技術提升宏小區網絡的效率。通過這種方式提升容量和數據速率不需要增加新站點。

（2）提高宏小區網絡的密度

提高網絡密度的一種簡單方法是分割小區，可以將一個三扇區站點分割為一個六扇區站點。這些具有戰略意義的小區可以使用宏小區設備，甚至微小區設備。

（3）增加小型小區

利用小型小區和基于3GPP標準的專用室內解決方案補充宏小區。該方法包括使用微小區、微微小區或低功率的射頻拉遠單元（RRUS）以及Wi-Fi技術，可以在某些小型小區覆蓋的區域提供較高的單位用戶容量和數據速率，也能通過分流熱點區域流量的方法提高宏小區網絡的性能，異構網絡中的整合程度決定了網絡的總體性能。

異構網絡的改進建設如圖3所示，在原有網絡的基礎上，通過引入其他類型的基站（如用于室內環境的蜂窩系統），可以滿足不同區域的用戶需求。這一組網方案的關鍵是找出正確的組合，換句話說，改進宏小區、提高宏小區網絡的密度和增加小型小區，以滿足未來的容量和覆蓋需求。如何使用這些方法取決于現有網絡（宏小區站點的密度）、回傳解決方案的可用性（自有或租賃）、頻譜的可用性（有牌照或無牌照）、所估算的流量、所要求的數據速率以及每種方法的技術和經濟可行性。

通過增加室內覆蓋，在用戶高密度分布的區域通過設立新的基站（引入小基站、Wi-Fi覆蓋）等手段，使得信號的覆蓋強度變成圖3中的不均勻網絡，從而有效地滿足了用戶需求的不均勻性要求。

2.2.3 小區協調

在一個異構網絡中，宏小區與小型小區之間的協調可提升無線網絡的性能，進而增強用戶體驗。協調嵌入式小型小區可通過頻譜復用提升網絡性能，從而增加網絡的數據容量和吞吐量，而且不需要分割可用頻譜。

圖3 異構網絡的改進建設

實現這一形式的技術有很多，如微蜂窩技術和微微蜂窩技術。目前，正進一步探討利用家庭基站模式解決重點區域通信容量不足的問題。

2.3 異構網絡的實際應用

異構網絡的實際應用主要考慮兩個方面:一是節約頻率資源，二是應對海量數據流量。

2.3.1 構建分層網絡，深挖頻譜資源

美國聯邦通信委員會（FCC）主席朱利亞斯·格納考斯基（Julius Genachowski）表示，釋放新的頻譜已成為一個巨大的挑戰。即使獲得頻譜，運營商也需要花費幾年的時間來部署。因此，運營商將更加依賴新技術來滿足用戶需求。

顯而易見，小區分裂、網絡拓撲結構變化，將是應對未來數據流量陡增、滿足容量增長需求的主要途徑。在宏站的連續覆蓋層下面，布放低功率小基站，形成高速率和大容量覆蓋層，滿足熱點地區對容量的需求。

首先，需要有多種產品解決方案，滿足立體分層網絡的建設需求，針對話務熱點和深度覆蓋盲區，通過建設室內覆蓋、室外微蜂窩基站以及在數據話務熱點應用移動網絡+Wi-Fi的集成解決方案、移動網絡+小基站Pico方案等，吸收話務并進行深度覆蓋。新的產品形態可以幫助解決立體分層網絡的建設問題，比如小基站Pico等。

其次，需要對低功率小基站進行精確部署。由于微蜂窩的覆蓋面積相對較小，因此針對熱點和盲區的精確布放尤為重要，否則將大大降低小基站的覆蓋效率和分流效果。通過收集和分析宏覆蓋層話務分布，精確定位低功率小基站的部署位置，有針對性地構建立體分層網絡。

再次，需要完善的網絡規劃和優化做保證。和傳統宏蜂窩網絡相比，分層網絡在覆蓋和干擾形式上更復雜，在頻率規劃、小區選擇與切換機制等方面給系統帶來了挑戰。

2.3.2 借助同頻異構網絡，應對海量業務需求

目前，同頻異構分布式網絡得到業界廣泛重視，類似蜂窩和家庭基站，是傳統宏基站覆蓋范圍內引入的若干個節點。這些節點可以顯著降低能源能耗，它們所在的10個小區能耗僅僅相當于1個宏蜂窩基站小區能耗的1/3左右，因此可以有效降低基站能耗。同頻異構網絡因在各個宏基站和節點之間組網，可充分提高頻譜資源利用率，并改善小區邊緣覆蓋性能。移動網絡可在不同層之間進行組網，利用多基站、多天線資源，共同抑制和消除小區之間的干擾，從而提高小區吞吐量。

盡管同頻異構網絡有諸多好處，但仍不是萬能的技術，如無法完全通過縮小宏基站間距，解決站址難的問題。

因此，移動網絡提供的新基站要按需靈活使用，基本覆蓋以宏基站為主；在重點樓宇等重點區域，用分布式系統實現全面覆蓋，同時進行多網融合建設；商業區可以采用分布式基站，主要用來吸納容量；家庭主要用家庭基站。有人提出在LTE時代，由于宏基站選址難、成本較高、覆蓋范圍有限，因此只能提供基礎覆蓋；而解決吞吐量問題的有效方法是采用小基站，未來小基站將占整個LTE基站市場近80%的份額。

在上面的討論中一直提到一個問題，就是Wi-Fi技術的應用問題，目前全球的電信運營商已經達成一個共識，利用Wi-Fi構成異構網絡解決部分場景的大數據流量問題。在最新的一項市場調查中，研究人員預計:到2015年，每年將有超過10億臺IEEE 802.11ac無線通信設備投入使用。

3 Wi-Fi技術發展綜述

3.1 全新第5代Wi-Fi IEEE 802.11ac無線標準概述

IEEE 802.11x是無線局域網（WLAN）通用的標準，由IEEE定義的無線網絡通信工業系列標準組成。

無線局域網的第一個版本發表于1997年 （即IEEE 802.11a），其中定義了介質訪問接入控制（MAC）層和物理層。物理層定義了工作在2.4 GHz的ISM頻段上的兩種無線調頻方式和一種紅外傳輸方式，總數據傳輸速率設計為2 Mbit/s。兩個設備之間的通信以自由直接（Ad Hoc）的方式進行，也可以在基站（base station，BS）或接入點（access point，AP）的協調下進行。1999年全球工業界成立了Wi-Fi聯盟，致力于解決符合IEEE 802.11標準的產品生產和設備兼容性問題。目前，Wi-Fi聯盟在全球有超過500家會員單位，我國有總部的企業也有近50家加入Wi-Fi聯盟。

在隨后幾年中IEEE陸續推出了若干個Wi-Fi標準，即大家所熟知的IEEE 802.11 a/b/g/n標準，近期又推出了IEEE 802.11ac標準，Wi-Fi技術的發展階段介紹如下。

最早的是1997年的開山鼻祖IEEE 802.11a，工作頻率被限制為2.4 GHz，速度僅有2 Mbit/s，只相當于一條羊腸小道。1999年出現了IEEE 802.11b，速度達到11 Mbit/s，并走進了著名的英特爾迅馳筆記本平臺。2002年迎來了第三代IEEE 802.11g，傳輸速度提升到54 Mbit/s，足以提供可靠的富數據Web體驗，再加上支持的廠商和設備豐富，Wi-Fi第一次迎來了自己的盛世。2007年，IEEE 802.11n姍姍來遲，利用多入多出（MIMO）技術帶來了標準300 Mbit/s、最高600 Mbit/s的高傳輸帶寬，覆蓋范圍也大大增加，配合筆記本、智能手機、平板電腦等移動設備的大浪，徹底融入人們日常生活的方方面面。目前IEEE 802.11ac已經進入草案制定階段，有望在2012年底或2013年初正式公布，而很多廠商已經迫不及待地開始開發相關芯片組、控制器等產品。按照設計，IEEE 802.11ac標準只工作在5 GHz高頻段，即使是入門級產品速度也會有450 Mbit/s，高端則會在1 Gbit/s之上（首批產品不高于1.8 Gbit/s），理論上最高可達 3.6 Gbit/s，相當于 IEEE 802.11n的6倍。

IEEE 802.11x也經歷了5個發展階段，到2012年進入第5個階段，也稱為5GWi-Fi。5GWi-Fi正式向數字內容和無線設備發起挑戰，革新性的新標準能夠讓用戶得到更可靠、更全方位的無線網絡覆蓋。5GWi-Fi允許家庭或企業的無線網絡連接更多的無線設備，全新的5GWi-Fi耗電量更低，同時能保護電池電力。

在5 GHz的頻段上，IEEE 802.11ac的數據吞吐量目標為:在單通道鏈路上的最低速率為500 Mbit/s，最高可達到1 Gbit/s，跟現在的有線網絡速率相當。

5GWi-Fi在信號的穩定性、范圍和覆蓋率上都有明顯的提升。家庭和公寓的無線“死點”將會得到巨大的改善。由于IEEE 802.11ac傳輸的起始速度就比前幾代無線網絡快，在距離IEEE 802.11ac無線接入點30英尺遠處就能獲得和距離IEEE 802.11n發射點10英尺處一樣的傳輸速度。同時，5GWi-Fi采用了波束成形與其他革新技術，在穿透金屬、混凝土等建筑材料方面比前幾代Wi-Fi有更好的表現。由于IEEE 802.11ac在文件傳輸方面速度更快，因此傳輸等量的數據時，移動電話用戶的手機再次充電時間會延長。

3.2 5GWi-Fi的幾大創新點

無線Wi-Fi從1997年誕生就不斷進行改進，每一代新的無線技術都帶來了引人注目的用戶體驗。隨著Wi-Fi速度和范圍的增加，其實用性和應用成倍增長，使其成為世界上一個非常有用的無線技術。5GWi-Fi具有如下特點。

（1）頻譜的變換

IEEE 802.11ac在不太擁擠、“干凈”的5 GHz頻段，與來自其他設備的電波競爭少，傳輸速度迅速上升，5GWi-Fi的通信信道要比IEEE 802.11n寬4～6倍。

（2）更高的調制

IEEE 802.11ac標準利用先進的調制技術，使其可容納更多的數據位進行傳輸，其數字調制算法最高可達到256QAM，其調制效率比目前3G最高調制64QAM高30%。

（3）波束的成形

波束的成形技術是無線發射中自動“學習”的能力，可以避免裝置之間發射低效的頻率。波束成形與5GWi-Fi已被標準化，支持它的所有產品將可互操作，從而提供最大射程無線網絡的覆蓋范圍。

IEEE 802.11ac規范的初衷是滿足更高數據吞吐量的要求，見表1。

如表1所示，發展至IEEE 802.11ac后，可實現的最大空間流可達8×8 MIMO，可選160 MHz信道帶寬，并引入了256QAM調制機制。

（4）采用了變信道帶寬和OFDM技術

同樣，在IEEE 802.11ac技術中，多址方式采用了目前的4G技術OFDM。在IEEE 802.11ac規范中，可以很清楚地看到信道帶寬與數據子載波數量之間的關系。不同帶寬下的子載波狀況見表2，在所有帶寬模型中，子載波的間距是不變的，增加子載波的數量就可增加帶寬。

3.3 Passpoint助力運營商Wi-Fi戰略

易觀國際最新發布的數據顯示，2011年第1季度我國移動互聯網用戶總數達3.43億戶，環比增長19%，同比增長66.5%。預計2012年下半年，移動互聯網用戶仍將保持較高增速，或將突破6億戶，超過互聯網用戶數。2011年全球移動數據流量為7.2 Ebit/s（1 Ebit/s=1000 Tbit/s=1000000 Mbit/s），預計 2015 年將增長到 82 Ebit/s，電信運營商正感受到前所未有的網絡流量壓力。我國運營商迫切希望借助Wi-Fi技術疏導不斷增長的數據流量對移動網絡的沖擊。我國運營商Wi-Fi熱點的數量也將從2011年的130萬個增長到2015年的580萬個。如何將這些熱點有效地串起來，讓用戶隨時隨地在線？這是人們普遍關心的問題。

表1 IEEE 802.11x基本的物理層規范變化

表2 不同帶寬下的子載波狀況

2012年Wi-Fi聯盟推出了Passpoint規范設備進行認證，Passpoint規范也稱為“熱點2.0”技術標準。Passpoint可以將網絡服務供應商的數據流量分流至Wi-Fi，能夠自動發現并選擇網絡，提供連貫的自動連接過程。終端用戶接入移動互聯網時將更加簡便，能在不同的移動運營商之間漫游，同時擁有企業級WPA2安全防護。目標是讓Wi-Fi變成網絡服務商的擴展功能，Wi-Fi設備能從一個熱點漫游到另一個熱點，無需手動輸入密碼，一切都是無縫切換，這一點原理上和手機所使用的蜂窩網絡一樣。

目前使用的Wi-Fi最大的不方便就是，從移動網絡漫游到Wi-Fi需要進行二次手動認證。“熱點2.0”技術則能有效解決這一問題，使得移動網絡與Wi-Fi能真正實現無縫融合。

“Wi-Fi聯盟的Passpoint認證計劃創建了一個真正的全球無線網絡，是整個電信行業向前邁進的關鍵一步，讓世界各地的消費者得以自動連接當地的Wi-Fi熱點”，美滿 （Marvell）半導體公司無線營銷總監巴特·喬達諾（Bart Giordano）表示，“通過消除輸入個人網絡憑據和付款信息時的繁瑣過程，該認證計劃簡化了用戶訪問服務提供商熱點時的體驗，并可提供類似蜂窩網絡的順暢漫游體驗，美滿已將Passpoint貫徹到無線解決方案中，充分利用遍布世界各地的Wi-Fi，為廣大的終端用戶帶來永不關閉、永不斷線的無線體驗”。

4 技術的發展將進一步有效應對海量數據業務

通過對上述問題的分析，可以從網絡發展維度分析異構網絡的作用，它可以很有效地應對海量數據業務，在不同的場景下將用戶的體驗與網絡能力的發揮完美地結合在一起，下面舉例說明。

（1）城市街道

在城市街道場景中，可以通過3G/4G網絡進行宏蜂窩覆蓋，滿足用戶移動中的話音、數據等方面的需求。但在這樣一個街道上也有一些相對固定的場所，如公交車站、咖啡館等。一般情況下，這樣的場景需要更好的移動寬帶覆蓋和更高的容量，尤其是在高峰時段，通過設置室外熱點（如一個公交車站）和一個室內熱點（如一家咖啡館）來解決，從而通過設置Wi-Fi熱點的模式，有效解決流量需求問題，節省3G/4G網絡的數據流量，而Wi-Fi熱點可以利用已有的固定寬帶進行疏通。

（2）購物商場、火車站

在購物商場、火車站等大型、開闊的室內熱點區域，用戶通常通過移動寬帶使用通信服務。這些區域一般都有很高的容量需求，而且人流量和干擾也很大。目前，采用分布式天線系統（DAS）和Wi-Fi可以有效解決這些公共環境的流量問題。雖然DAS能夠為大型熱點提供有效的移動寬帶覆蓋，但經常會出現過載，而且很難通過升級增加容量。從此類解決方案遷移至較小的基站（如微微蜂窩和家庭基站）和較小（分割）的DAS是一個明顯的發展趨勢。

（3）高層建筑

高層建筑等大型、孤立的熱點需要低功率、無太多協調的無線網絡覆蓋，因為地板和墻面能夠降低干擾。為此類環境提供網絡覆蓋和容量時，運營商可以安裝一個無線基站主單元，在地下室安裝一個微微型網關，并使用光纖和銅線連接多個RRU和微微型無線基站，后者又向本地DAS饋電，可根據需要擴展覆蓋范圍補充RRU的覆蓋，可以部署微微型無線基站和Wi-Fi，用以覆蓋所選熱點。

（4）小型辦公室

與很多本地室內熱點的情況相同，在小型辦公室環境中部署DAS解決方案并不具備成本效益。一個支持WCDMA、LTE和Wi-Fi、與宏小區無線接入網完美整合的多標準無線基站是一個理想的室內解決方案。該方案只需一個基站就能為區域內大量高度活躍的智能手機用戶提供無縫的網絡接入服務。這種方式可以讓用戶在本地享受優質服務，而且運營商也能通過大幅度減輕室外宏小區網絡的負擔，提升網絡的總體性能。

從上面幾種典型場景中可以看出，異構網絡在應對網絡流量增長方面起著巨大的作用，進入2012年，網絡架構的創新進入了新的階段。為了達到卸載數據流量的目的，運營商紛紛引入Wi-Fi、微基站等來補充傳統網絡的覆蓋。在這種情況下，融合Wi-Fi的異構網絡變得越來越熱。在MWC 2012上，各設備商在原有網絡架構的基礎上，紛紛推出了支持異構網絡的解決方案。異構網絡成為創新網絡架構中的新特征。

以應用推動技術創新是科技發展不變的主旋律，在信息通信領域，基于對網絡容量與業務承載的需求，技術的創新與網絡架構的變革似乎來得更快，尤其在無線領域，以Wi-Fi為主導的新一輪技術變革正在適時發生。

1 愛立信.異構網絡:以最高效率滿足用戶對移動寬帶的期望.愛立信白皮書,2012

2 張宇晨.構建立體分層網 構建無處不在無線網.通信產業報，2012-04-09

3 張平.未來寬帶無線網:從異構融合走向泛在.中國電子報,2009-10-27

4 曹天鵬.LTE有望借助同頻異構網絡 應對海量業務需求.C114中國通信網,2012-06-12

5 李魯湘.移動寬帶業務發展模式分析和研究.北京:人民郵電出版社,2010

6 全新第5代Wi-Fi IEEE 802.11ac無線標準概述.http://www.beareyes.com.cn/2/lib/201203/21/20120321405_0.htm

7 David A Hall,National Instruments.深入探究IEEE 802.11ac技術.電子產品世界,2012(5)

8 楊鵬飛.Passpoint無縫Wi-Fi漫游接入最終解決方案.http://www.sootoo.com/content/303002.shtml,2012-06-28

9 Wi-Fi也能漫游 Passpoint助力運營商Wi-Fi戰略.http://news.southcn.com/,2012