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5G固定无线接入 如何替代光纤接入最后一公里?

2016-12-24 09:17
科技那回事
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美国运营商Verizon宣称2017年实现5G固定无线接入(FWA,fixed wireless access)商用,用于替代光纤接入最后一公里,这个FWA到底是个啥?如何组网?效果如何?

1 为什么需要FWA?

众所周知,在FTTH建设中,最后一公里接入是复杂的环节之一,也是最难啃的硬骨头,有物业阻挠,二次施工难度大,室内布线业主担心损坏装修等等问题,且后期维护成本也高。比如,Google Fiber早期由于经验不足,在敷设光纤时,破坏了人家的花园,经常被投诉。

FWA由于采用无线接入,建设成本和维护成本低、部署敏捷,尤其适用于光纤还未到户的家庭和中小型企业。同时,由于5G速率是4G的10倍到100倍,这也能满足了家庭宽带的需求。

另外,FWA并非只是替代光纤最后一公里接入,它实际上同时满足了两种5G用例:固定无线接入和增强型移动宽带。白天,它可以为附近的移动用户提供高速无线宽带;夜里,当人们下班回家,它可以通过改变波束方向,指向家庭中的FWA终端,为家庭提供高速上网。这使得这一技术具备扩展性和持续性。

事实上,在很多场景,FWA是唯一选项,比如农村地区和光纤无法到户的区域。在发展中国家,只有20%的家庭安装了固定宽带,FWA,尤其是工作于低频段(如3.5GHz)的FWA,是剩下的80%的家庭宽带连接的更好选择。

2 FWA无线组网

FWA工作频段也是目前主要考虑的5G频段,包括3.5GHz,28GHz,37GHz和39GHz,以及传统的蜂窝移动网络频段,并采用大规模波束赋形和MU-MIMO技术,提升覆盖能力,在终端侧(包括室内和室外)采用高增益天线。

无线侧网络结构如下...

室外部分用绿色表示,室内部分用橘色表示。FWA基站(RRU+天线)连接部署于客户屋顶、挂墙或室内的固定无线终端(FWT),FWT再连接客户终端设备CPE,FWT就相当于为CPE提供回传。

3 基于5G的FWA应用场景试验

这是爱立信在一个郊区场景下的试验结果。该郊区的人口密度为每平方公里1000户家庭左右,25%的家庭使用4K超高清视频服务,网速要求至少在15Mbps以上。

本次试验FWA基站(RRU+天线)固定在6米高的电杆上,FWT终端天线部署于屋顶或墙外,周围的建筑物约4-10米高,同时,周围有一些5-15米树子(易导致信号衰减)。

主要设备参数如下:

参数
基站发射功率35dBm
CPE发射功率30dBm
信道带宽200MHz
工作频段28GHz
双工模式TDD(下行分配比例:57%)

试验采用的5G NR技术,工作频段为28GHz,信道带宽200MHz,采用波束赋形和MU-MIMO技术,天线阵列为8x12交叉极化天线单元。

试验结果表明,在网络低负荷的情况下,区域内大部分用户的数据速率超过800Mbps,只有11%的用户数据速率低于400Mbps,应对需要15Mbps速率的4K超高清视频绰绰有余。


不过,随着网络负荷上升,由于干扰和排队等原因,用户数据速率会随之下降。

下图描述了随着网络负荷上升,用户速率分别为大于15Mbps和100Mbps的用户比例呈下降趋势。

在这一场景下,每月每用户的最大流量为5200GB。由上图可知,在网络高负荷情况下,可满足95%的用户数据速率大于15Mbps,69%的用户速率大于100Mbps。

进一步试验表明,FWT终端天线可以安装在屋顶,挂墙,也可以安装于室内。考虑无线信号穿墙损耗,离基站较近的地方可将FWT终端天线安装在室内或挂墙,离基站较远的地方安装在屋顶。

如上图所示,在站间距为350米区域内,78%的FWT终端天线可安装在室内(通常和CPE集成于一体),13%的家庭采用挂墙式安装,而仅有5%的家庭需要将天线安装在屋顶。

5G固定无线接入还可采用高低频段混合组网的方式,比如3.5GHz和28GHz频段。3.5GHz提供更好的无线覆盖,尽管3.5GHz带宽较小,但大规模波束赋形和MU-MIMO技术可提升频谱效率,可保证3.5GHz提供基本的家庭宽带连接。

对于28GHz,由于受限于高频段传播特性,覆盖范围较小,影响其覆盖的因素主要包括:

FWT终端天线的位置

周围建筑和树的高度和密度

基站天线的高度

通常,将FWT终端天线安装在屋顶,终端与基站之间具有更好的视距,效果较好。而如果FWT终端天线安装在室内或挂墙,其覆盖范围会大打折扣。基站天线的高度高于覆盖范围内的最高的树子,也将提升小区覆盖范围。

4 FWA前传架构

FWA的组网结构采用C-RAN构架,BBU池安装在中心机房(CO),RRU拉远和FWA天线集成。

FWA网络构架图

参考:C-RAN构架图

由于与传统宏基站规划相比,FWA要求基站更密集,其密集度是传统宏站的10倍以上。这样,网络前传面临容量的挑战。所以,需要重新定义BBU和RRU,将PHY、MAC、RLC层从BBU分离下层到RRU,以减小前传容量。

比如,一个站点服务25户家庭,每户家庭宽带的最低速率为1Gbps,峰值速率为5Gbps,那么采用4G CPRI接口,每站点需要的前传容量为40-100Gbps;而如果将PHY层下沉至RRU,每站点需要的前传容量为10-25Gbps;如果将MAC-PHY层下沉,每站点需要的前传容量为5-10Gbps。

随着网络结构的演讲,5G时代的移动网和固网正在交汇。BBU集中于CO(中心机房),为了减小时延,核心网用户面下沉至CO,为了减小回传负担,CO将部署内容缓存服务器,组成一个个分布的小型数据中心,这为5G FWA应用提供了更多想象空间。同时,5G FWA也可满足对时延和容量需求较高的未来家庭AR/VR应用。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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