對700 MHz超級WiFi農村寬帶接入技術的探討

張存喜，張 恒

（1.中國移動通信集團設計院有限公司 山東分公司，山東 濟南 250001；2.中國移動通信集團山東有限公司 威海分公司，山東 威海 264200）

0 引 言

近年來，在全球信息化浪潮的推動下，我國開始將寬帶建設納入戰略發展層面，寬帶覆蓋率逐年攀升，建設標準也日益完善，用戶寬帶體驗得到了質的飛躍。但與此同時，城市與鄉村之間寬帶資源分布不均衡的矛盾也開始逐漸凸顯出來，高昂的改造和維護成本成為了農村寬帶建設的一大阻礙，再加上村落分布分散的現實環境制約，技術難題也有待攻克，亟需尋找新的網絡建設模式。

1 農村地區接入700 MHz超級WiFi的意義

信息是21世紀重要的無形資產。近年來，我國高度重視城鄉信息化建設，類似“信息惠民”和“寬帶中國”的戰略政策與號召不絕于耳，針對目前城鄉信息化發展嚴重不均衡的問題，國家重點進行了戰略目標部署，要求鄉村網絡覆蓋率在2020年達到90%以上，鄉村中家庭網絡覆蓋率則應超過50%。考慮到我國幅員遼闊，地形地勢多樣，農村聚落分布又相對分散，建設LTE網絡耗費巨大，投入和產出嚴重不成比例，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設備的基礎上進行天線假設即可，對室外環境并沒有過于苛刻的要求，網絡接入操作難度極低，受到了運營商和農村農戶的廣泛好評。但傳統2.4 GHz WiFi網絡在應用過程中仍舊具有較大的局限性，它采用的是ISM頻段，不需經過授權許可就能使用，與局域網和ZigBee等共用通道，很容易因為信息過載造成堵塞或干擾，降低信號傳輸質量，而應用700 MHz超級WiFi則可以很好地規避上述問題[2]。

首先，700 MHz網絡具有WLAN部署方式的所有優點，能夠在很大程度上降低農村建網與維護成本，減少前期投入。其次，在廣電規劃中，700 MHz頻段采用的是授權經營模式，這一點與當前2.4 GHz或5GHz頻段有很大區別，能夠有效抵御干擾因素的影響，結合MIMO和FullMesh等技術還能在增加接入數量的同時防止不同站點的同頻干擾問題。最后，470～790 MHz在我國仍處于電視白頻譜，信號通道也相對寬闊，信息傳播過程中不僅損耗低，覆蓋范圍廣，還具有較強的穿透力，非常適用于地形地貌復雜多變的農村地區。據相關研究表明，應用700 MHz超級WiFi的地區覆蓋半徑與2.6 GHz相比大致可以高出2～3倍，整個覆蓋面積可以達到10倍以上，正常室外環境下，二者信號強度差值也在20 dB以上，最大甚至可以達到30 dB，網絡性能良好[3]。

2 700 MHz超級WiFi的實現原理

在700 MHz超級WiFi發展初期，用于發射基帶信號的芯片與RF射頻相互獨立，因此想要實現700 MHz頻段，只需要對原有2.4 GHz或5 GHz芯片進行更換，并將頻率合成器等元件調整到適宜參數即可，操作十分便捷[4]。隨著時代的推移，SOC芯片所占的市場份額逐漸擴大，基帶芯片與射頻功能的結合更加緊密，原有更換技術適用性下降，因此又衍生出了外接混頻電路的方式。通過頻率合稱器將2.4 GHz與5 GHz頻段轉化為700 MHz，進一步提升其信號接收靈敏度，同時加大發送功率。據相關研究表明，經過改良的網絡至少可以保障10～12 km以內的信號傳輸[5]。2.4 GHz與700 MHz之間的頻率轉化方式見圖1。

圖1 頻率轉換原理

3 5/10 MHz頻率帶寬技術研究

帶寬描述了某個認定信號通道所能容納信號的最大頻帶寬度，可以用位寬乘以工作頻率計算得出，是通信模式數據傳輸能力的集中體現。802.11n研發的目的主要是為了提升WLAN傳輸速率和吞吐量，這與當前700 MHz超級WiFi優化農村網絡促進信息化建設的目標相同，因此對二者融合展開研究十分有必要[6]。然而，現階段該技術的標準帶寬設置為20 MHz，給700 MHz的連續頻帶尋找帶來了一定困難，比較之下，其對5/10 MHz頻率的尋找要容易的多。在現有白頻譜分散的背景下，要想實現802.11n與700 MHz超級WiFi的融合，就必須對其MAC層進行協議修訂。以802.11n技術MCS15策略為基礎，假設QAM數值為64，MIMO為雙天線配置，計算20 MHz帶寬背景下的物理傳輸速率，可以得出144 Mb/s的結果。如果修訂協議之后實現10 MHz帶寬傳輸設計，則可以得出減半的傳輸速率，即72 Mb/s。按照現有技術水平，每個節點平均可以安裝4個扇區，這樣計算下來總計可以提供288 Mb/s的WLAN吞吐量，能夠滿足300個用戶的網絡接入需求[7]。相同場景下，如果采用5 MHz帶寬方案，提供的總吞吐量數值為144 Mb/s。

4 長距離鏈路WiFi技術研究

長距離傳輸是當前WiFi技術較為明顯的弱勢之一，按照現有技術標準，發射功率在100 mW時就可以滿足300 m以內的信號傳送需求，但當距離加長至1 km以后，該功能明顯削弱，主要有以下兩個表現。一是信道衰落，在長距離鏈路傳輸中，信號會以WiFi發送點為中心，呈現出逐漸衰弱的趨勢，其他路徑對特定通道的干擾也會逐漸增強[8]。在700 MHz超級WiFi設計中，可以在成本合理的范圍內適當提升發送功率，或者直接增設定向天線，以規避上述現象。二是延遲明顯加長，由于響應緩慢，終端很容易發生數據重復傳輸的現象，鏈路被多余資源占用，吞吐量也會明顯下降。這與當前網絡運行中采用的ACK機制有很大關系，由于傳送鏈路較長，終端在順利接收ACK之前往往需要經歷較長的等待時間，發送方在較長的持續時間內始終未接收到反饋信號，于是發出ACK超時警告，進而得出數據丟失重傳的指令。針對該問題，可以適當借鑒CSMA/CA原理中的ARQ機制，降低重傳機率。

具體來講，該機制的應用重點在于合理設定ACK Timeout的數值。在整個IEEE標準協議中，最小幀間隔SIF通常為固定參數，與之相比，MAC幀與ACK幀的傳輸時間對ACK Timeout合理性的影響要更為關鍵。以CSMA/CA理論為基礎，每個MAC幀傳播時間應為1 μs，計算得出最大傳輸距離應為300 m，據此推算，當兩終端之間距離延長至10～12 km時，1 μs的傳播時間也應當相應增大，并控制在30～40 μs，對應得出ACK Timeout至少要提高60 μs才能保障較好的數據傳輸體驗。此外，協議物理層也應進行適當更改，具體要參照RSSI以及傳輸距離長度和數據丟失率等數值。

5 頻譜規劃設計

帶寬技術確定和優化實施后，700 MHz超級WiFi的頻段就可以與電視廣播頻段實現初步隔離，但就實際運用當中的抗干擾因素考慮，這種隔離水平遠遠不夠，在頻率傳輸和空間布局層面也應適當采取相應的隔離措施。從頻率隔離角度看，可以采用蜂窩拓撲結構，每個站點容納3～4個扇區，相鄰扇區之間保護間隔應為2 MHz，并成90°或120°夾角，不同扇區覆蓋的頻率應當單獨設置，3～4個獨立頻率為一個結構單元。對于性能優良的700～750 MHz頻段，如果選用10 MHz帶寬為單扇區基站頻段，則可以圍繞706、718、730以及742 MHz進行組網設計，從而規避相鄰通道可能導致信號干擾的問題。從空間隔離角度來看，700 MHz超級WiFi站點實際應用中接收到的電平數值非常小，通過合理的規劃布局，完全可以規避干擾，保障傳輸質量，基于此本文建議站點布置時至少要保障25～30 km的間距，防止較近距離下產生的同頻信號擾亂現象，提升傳輸質量[9]。

6 網絡組網部署

WLAN網絡具有受地形限制小和建設成本低等優點，現階段已經成為農村網絡建設的主要形式，能夠滿足農村較廣闊范圍內的網絡覆蓋需求。但值得注意的是，農村單位面積上用戶密度仍然處于較低水平。采用700 MHz超級WiFi時同樣要考慮投入產出問題，以鄉鎮骨干網絡建設為主要思路，網絡基站主要搭建在中心部位的村落或鄉鎮中。對光纖難以到達的偏遠鐵塔，可以通過架設700 MHz無線網橋來解決，從而延伸光纖網絡覆蓋距離，實現整個局部區域的網絡普及。網絡組網部署如圖2所示，對于具體的網絡組網部署問題，則可以從以下幾個方面進行分開探討。

圖2 網絡組網部署

6.1 有線部分

有線部分包含了超級網絡中應用的所有設備和實體線路，如POE交換機和BRAS等。在上行鏈路運作過程中，700 MHz基站主要是借助POE交換機與鐵塔建立聯系，在一些場景中還會使用PSE設備，同時滿足供電與信號交換需求。鐵塔機房內置ONU，憑借地下光纖與光電機房取得聯系，當客戶終端發出信號請求后，數據統一匯聚傳輸至700 MHz超級WiFi基站，由POE交換機轉化和處理后，通過光纖路徑完成傳輸，總機房接收到這些數據后，經過匯總和整理輸入至BRAS完成后續認證工作[10]。

6.2 無線部分

700 MHz超級WiFi中的無線部分主要包含無線基站以及用戶側CPE。無線基站選址和建設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CPE的安排則相對靈活，主要從村民網絡使用習慣的角度出發，用戶家庭是最基本也最常見的應用場景，此外還可以安裝在農場、林區以及廣播站等處，使用網線入戶連接后，在無線路由的放大下可以實現固定區域內的無線網絡覆蓋。注意安裝位置要盡可能利于信號傳送，并遠離釋放磁場較強的區域。

6.3 云AC

云AC在700 MHz超級WiFi中主要處于管理層級，負責對無線基站、用戶端以及網橋等有線和無線部分進行異地、遠程狀態監控，同樣具有強大的無線信號接收功能。通過認證機制進行管理員授權，可以實現網絡拓撲管理和故障監控維護等功能，解決了網絡AP分散管理困難的問題，在農村地區尤其適用，總傳輸進程統一遵守CWMP協議。

7 結 論

700 MHz超級WiFi具有架設成本低、覆蓋范圍寬廣以及信號質量好的傳輸特點，優越性較為突出，即使在運行環境較差的農村地區也能實現優質網絡覆蓋，對于我國信息惠民工程的推進有突出的戰略意義。因此技術部門務必要正視該技術的重要性，在充分掌握頻段轉換原理的基礎上，推進其與802.11n技術的融合，合理設計長距離鏈路問題，做好頻譜規劃，全面推進該技術在農村地區的應用。