对700 MHz超级WiFi农村宽带接入技术的探讨

张存喜，张 恒

（1.中国移动通信集团设计院有限公司 山东分公司，山东 济南 250001；2.中国移动通信集团山东有限公司 威海分公司，山东 威海 264200）

0 引 言

近年来，在全球信息化浪潮的推动下，我国开始将宽带建设纳入战略发展层面，宽带覆盖率逐年攀升，建设标准也日益完善，用户宽带体验得到了质的飞跃。但与此同时，城市与乡村之间宽带资源分布不均衡的矛盾也开始逐渐凸显出来，高昂的改造和维护成本成为了农村宽带建设的一大阻碍，再加上村落分布分散的现实环境制约，技术难题也有待攻克，亟需寻找新的网络建设模式。

1 农村地区接入700 MHz超级WiFi的意义

信息是21世纪重要的无形资产。近年来，我国高度重视城乡信息化建设，类似“信息惠民”和“宽带中国”的战略政策与号召不绝于耳，针对目前城乡信息化发展严重不均衡的问题，国家重点进行了战略目标部署，要求乡村网络覆盖率在2020年达到90%以上，乡村中家庭网络覆盖率则应超过50%。考虑到我国幅员辽阔，地形地势多样，农村聚落分布又相对分散，建设LTE网络耗费巨大，投入和产出严重不成比例，因此初期多采用WLAN部署方式[1]。这种方案工程周期短，改造面积小，仅需在室外AP设备的基础上进行天线假设即可，对室外环境并没有过于苛刻的要求，网络接入操作难度极低，受到了运营商和农村农户的广泛好评。但传统2.4 GHz WiFi网络在应用过程中仍旧具有较大的局限性，它采用的是ISM频段，不需经过授权许可就能使用，与局域网和ZigBee等共用通道，很容易因为信息过载造成堵塞或干扰，降低信号传输质量，而应用700 MHz超级WiFi则可以很好地规避上述问题[2]。

首先，700 MHz网络具有WLAN部署方式的所有优点，能够在很大程度上降低农村建网与维护成本，减少前期投入。其次，在广电规划中，700 MHz频段采用的是授权经营模式，这一点与当前2.4 GHz或5GHz频段有很大区别，能够有效抵御干扰因素的影响，结合MIMO和FullMesh等技术还能在增加接入数量的同时防止不同站点的同频干扰问题。最后，470～790 MHz在我国仍处于电视白频谱，信号通道也相对宽阔，信息传播过程中不仅损耗低，覆盖范围广，还具有较强的穿透力，非常适用于地形地貌复杂多变的农村地区。据相关研究表明，应用700 MHz超级WiFi的地区覆盖半径与2.6 GHz相比大致可以高出2～3倍，整个覆盖面积可以达到10倍以上，正常室外环境下，二者信号强度差值也在20 dB以上，最大甚至可以达到30 dB，网络性能良好[3]。

2 700 MHz超级WiFi的实现原理

在700 MHz超级WiFi发展初期，用于发射基带信号的芯片与RF射频相互独立，因此想要实现700 MHz频段，只需要对原有2.4 GHz或5 GHz芯片进行更换，并将频率合成器等元件调整到适宜参数即可，操作十分便捷[4]。随着时代的推移，SOC芯片所占的市场份额逐渐扩大，基带芯片与射频功能的结合更加紧密，原有更换技术适用性下降，因此又衍生出了外接混频电路的方式。通过频率合称器将2.4 GHz与5 GHz频段转化为700 MHz，进一步提升其信号接收灵敏度，同时加大发送功率。据相关研究表明，经过改良的网络至少可以保障10～12 km以内的信号传输[5]。2.4 GHz与700 MHz之间的频率转化方式见图1。

图1 频率转换原理

3 5/10 MHz频率带宽技术研究

带宽描述了某个认定信号通道所能容纳信号的最大频带宽度，可以用位宽乘以工作频率计算得出，是通信模式数据传输能力的集中体现。802.11n研发的目的主要是为了提升WLAN传输速率和吞吐量，这与当前700 MHz超级WiFi优化农村网络促进信息化建设的目标相同，因此对二者融合展开研究十分有必要[6]。然而，现阶段该技术的标准带宽设置为20 MHz，给700 MHz的连续频带寻找带来了一定困难，比较之下，其对5/10 MHz频率的寻找要容易的多。在现有白频谱分散的背景下，要想实现802.11n与700 MHz超级WiFi的融合，就必须对其MAC层进行协议修订。以802.11n技术MCS15策略为基础，假设QAM数值为64，MIMO为双天线配置，计算20 MHz带宽背景下的物理传输速率，可以得出144 Mb/s的结果。如果修订协议之后实现10 MHz带宽传输设计，则可以得出减半的传输速率，即72 Mb/s。按照现有技术水平，每个节点平均可以安装4个扇区，这样计算下来总计可以提供288 Mb/s的WLAN吞吐量，能够满足300个用户的网络接入需求[7]。相同场景下，如果采用5 MHz带宽方案，提供的总吞吐量数值为144 Mb/s。

4 长距离链路WiFi技术研究

长距离传输是当前WiFi技术较为明显的弱势之一，按照现有技术标准，发射功率在100 mW时就可以满足300 m以内的信号传送需求，但当距离加长至1 km以后，该功能明显削弱，主要有以下两个表现。一是信道衰落，在长距离链路传输中，信号会以WiFi发送点为中心，呈现出逐渐衰弱的趋势，其他路径对特定通道的干扰也会逐渐增强[8]。在700 MHz超级WiFi设计中，可以在成本合理的范围内适当提升发送功率，或者直接增设定向天线，以规避上述现象。二是延迟明显加长，由于响应缓慢，终端很容易发生数据重复传输的现象，链路被多余资源占用，吞吐量也会明显下降。这与当前网络运行中采用的ACK机制有很大关系，由于传送链路较长，终端在顺利接收ACK之前往往需要经历较长的等待时间，发送方在较长的持续时间内始终未接收到反馈信号，于是发出ACK超时警告，进而得出数据丢失重传的指令。针对该问题，可以适当借鉴CSMA/CA原理中的ARQ机制，降低重传机率。

具体来讲，该机制的应用重点在于合理设定ACK Timeout的数值。在整个IEEE标准协议中，最小帧间隔SIF通常为固定参数，与之相比，MAC帧与ACK帧的传输时间对ACK Timeout合理性的影响要更为关键。以CSMA/CA理论为基础，每个MAC帧传播时间应为1 μs，计算得出最大传输距离应为300 m，据此推算，当两终端之间距离延长至10～12 km时，1 μs的传播时间也应当相应增大，并控制在30～40 μs，对应得出ACK Timeout至少要提高60 μs才能保障较好的数据传输体验。此外，协议物理层也应进行适当更改，具体要参照RSSI以及传输距离长度和数据丢失率等数值。

5 频谱规划设计

带宽技术确定和优化实施后，700 MHz超级WiFi的频段就可以与电视广播频段实现初步隔离，但就实际运用当中的抗干扰因素考虑，这种隔离水平远远不够，在频率传输和空间布局层面也应适当采取相应的隔离措施。从频率隔离角度看，可以采用蜂窝拓扑结构，每个站点容纳3～4个扇区，相邻扇区之间保护间隔应为2 MHz，并成90°或120°夹角，不同扇区覆盖的频率应当单独设置，3～4个独立频率为一个结构单元。对于性能优良的700～750 MHz频段，如果选用10 MHz带宽为单扇区基站频段，则可以围绕706、718、730以及742 MHz进行组网设计，从而规避相邻通道可能导致信号干扰的问题。从空间隔离角度来看，700 MHz超级WiFi站点实际应用中接收到的电平数值非常小，通过合理的规划布局，完全可以规避干扰，保障传输质量，基于此本文建议站点布置时至少要保障25～30 km的间距，防止较近距离下产生的同频信号扰乱现象，提升传输质量[9]。

6 网络组网部署

WLAN网络具有受地形限制小和建设成本低等优点，现阶段已经成为农村网络建设的主要形式，能够满足农村较广阔范围内的网络覆盖需求。但值得注意的是，农村单位面积上用户密度仍然处于较低水平。采用700 MHz超级WiFi时同样要考虑投入产出问题，以乡镇骨干网络建设为主要思路，网络基站主要搭建在中心部位的村落或乡镇中。对光纤难以到达的偏远铁塔，可以通过架设700 MHz无线网桥来解决，从而延伸光纤网络覆盖距离，实现整个局部区域的网络普及。网络组网部署如图2所示，对于具体的网络组网部署问题，则可以从以下几个方面进行分开探讨。

图2 网络组网部署

6.1 有线部分

有线部分包含了超级网络中应用的所有设备和实体线路，如POE交换机和BRAS等。在上行链路运作过程中，700 MHz基站主要是借助POE交换机与铁塔建立联系，在一些场景中还会使用PSE设备，同时满足供电与信号交换需求。铁塔机房内置ONU，凭借地下光纤与光电机房取得联系，当客户终端发出信号请求后，数据统一汇聚传输至700 MHz超级WiFi基站，由POE交换机转化和处理后，通过光纤路径完成传输，总机房接收到这些数据后，经过汇总和整理输入至BRAS完成后续认证工作[10]。

6.2 无线部分

700 MHz超级WiFi中的无线部分主要包含无线基站以及用户侧CPE。无线基站选址和建设主要建立在提升覆盖率及抗干扰性能的考量上，并借助高增益定向天线延伸传输距离。用户侧CPE的安排则相对灵活，主要从村民网络使用习惯的角度出发，用户家庭是最基本也最常见的应用场景，此外还可以安装在农场、林区以及广播站等处，使用网线入户连接后，在无线路由的放大下可以实现固定区域内的无线网络覆盖。注意安装位置要尽可能利于信号传送，并远离释放磁场较强的区域。

6.3 云AC

云AC在700 MHz超级WiFi中主要处于管理层级，负责对无线基站、用户端以及网桥等有线和无线部分进行异地、远程状态监控，同样具有强大的无线信号接收功能。通过认证机制进行管理员授权，可以实现网络拓扑管理和故障监控维护等功能，解决了网络AP分散管理困难的问题，在农村地区尤其适用，总传输进程统一遵守CWMP协议。

7 结 论

700 MHz超级WiFi具有架设成本低、覆盖范围宽广以及信号质量好的传输特点，优越性较为突出，即使在运行环境较差的农村地区也能实现优质网络覆盖，对于我国信息惠民工程的推进有突出的战略意义。因此技术部门务必要正视该技术的重要性，在充分掌握频段转换原理的基础上，推进其与802.11n技术的融合，合理设计长距离链路问题，做好频谱规划，全面推进该技术在农村地区的应用。