３Ｇ网络演进策略研究

【摘要】文章分析了移动业务发展趋势及分布规律,比较了3G、WLAN及其演进技术的性能和产业链的成熟性,提出了3G网络应实施跨越式发展,引入WLAN网络以弥补3G技术在解决热点区域网络容量方面的不足,跳过3G演进技术(EV-DO Rev.B、TD-HSPA+、HSPA+)并尽快向产业链更为开放的LTE演进的发展策略。

【关键词】3G WLAN LTE 业务分布规律 演进策略

工业和信息化部、发改委以及财政部于2008年5月联合发布《关于深化电信体制改革的通告》以及工业和信息化部于2009年1月发放3张第三代移动通信(3G)牌照,标志着我国移动市场跨入3G时代。3G牌照分别为中国移动获得基于TD-SCDMA演进的3G牌照,中国电信为基于CDMA2000 1x的3G牌照,中国联通为基于WCDMA演进的3G牌照。由于各种3G演进技术、产业链成熟性以及市场占有率之间的差异,因此各运营商为了应对市场竞争,提高网络容量,疏导热点数据流量,改善用户体验,其3G无线网络在向LTE演进过程中有必要引入吞吐量更高、产业链更成熟的无线宽带技术。

1 移动业务发展趋势及分布规律

从移动业务开展最早的美国三大运营商(SPRINT、Verizon和AT&T)近年移动业务收入结构来看,移动数据业务收入持续保持两位数的增长,收入占比不断提高,移动语音业务已经饱和。欧洲移动数据业务从2007年初占比不足50%上升到2008年7月的80%以上,移动数据业务发展迅猛。对于国内电信市场,三大电信运营商2008年的年报透露出,我国移动业务市场也呈现出语音业务逐步饱和,移动数据业务却保持20%以上的高速增长,非话业务对收入贡献逐年增大的局面。据CNNIC报告,在2009年6月底,中国手机网民规模达1.55亿,占网民总数的45.9%,半年内增长32.1%,手机网民快速增长。上述数据均表明,移动数据业务是3G业务竞争的关键。

根据日本NTT DoCoMo统计,2G网络的室内话务量占比超过70%,香港SUNDAY统计的3G网络的室内话务量占比高于50%。由于移动数据业务主要发生在室内,3G数据业务在室内的占比将会更高。因此,3G网络将面临热点高数据业务流量的压力。

通过对东部沿海发达城市的3G网络及WLAN网络数据业务流量的分析表明,3G网络数据业务流量的分布具备以下规律:一是移动数据业务在时间分布上与语音业务的不同,其忙时一般在22:00;二是移动数据业务流量分布在地域、基站、扇区以及用户之间极不均衡。移动数据业务在地域上主要分布在密集市区、发达市区等区域,尤其是密集市区的CBD、商业中心、办公区域以及年轻人集中的校园等;移动数据业务主要分布于热点区域的部分基站和部分扇区,20%基站承担了70%以上的数据业务流量,少数基站的负荷超过60%;一个基站的某个扇区忙时数据流量可超过几百兆,而在另一个扇区的数据流量却为0;激活用户和连接的忙时平均数据流量都在100MB~500MB之间,高话务基站的流量大多来自少数几个用户。由于我国3G网络建设和业务发展都还处于初期,3G用户规模较小,统计的数据无法确切反映用户群的行为,3G业务规模发展之后,对热点网络容量的要求将会更高,包括吞吐量、并发用户处理能力以及网络对干扰的抑制能力等。

WLAN网络数据业务的分布规律与3G数据业务的分布规律相同。80%以上的数据业务集中在1%热点上;在地域上则分布于密集城区、城区,市郊流量少;高价值的热点以政企楼宇、连锁餐饮、宾馆酒店、校园以及高档楼盘为主,热点功能区域主要集中在会议室、校园宿舍、候机厅等客户停留时间较长的区域。

23G、WLAN及其演进技术的性能比较

目前,无线宽带技术包括3G及其演进技术、WiMAX以及802.11g/n等。WiMAX包括固定WiMAX和移动WiMAX,我国仅开展了少量固定WiMAX应用,移动WiMAX未分配频率,因此,移动WiMAX在国内未得到应用。在3G及其演进技术中,TD-SCDMA演进路径与HSPA基本一致,即HSDPA→HSPA→HSPA+,CDMA2000 1X的演进路径则为EV-DO Rev.A(以下简称DOA)→EV-DO Rev.B(以下简称DOB),国内运营商都已宣布3G网络将向LTE演进。WLAN演进路径为802.11g→802.11n。3G、WLAN及其演进技术的性能如图1所示。

全球已大规模商用的3G技术包括TD-HSDPA、DOA、HSPA均为蜂窝移动通信技术,在研发阶段就对移动性(如切换、寻呼、漫游、注册等)、覆盖能力、接入安全性以及组网能力等进行了详细研究。因此,在移动性、覆盖能力、安全性、组网能力以及服务质量(QoS)等方面,3G显然优于WLAN,如在密集市区、市区,3G覆盖范围为500~1000米,WLAN仅为50~100米,一般不超过50米。WLAN使用频段为2.4GHz和5.8GHz,其中,2.4GHz频段为开放频段,划分为13个信道,为避免信道之间的相互干扰,一般仅使用CH1、CH6和CH11等三个信道;5.8GHz频段有5个可用信道(20MHz)。单信道的吞吐量在20Mbps(802.11g),因此,每个AP忙时吞吐量约为70Gb。在实际商用环境中,忙时吞吐量约为30Gb~40Gb,仍然远高于3G吞吐量(例如,一个S111的DOA基站忙时吞吐量约为13Gb~20Gb,每载波平均吞吐量取1.2Mbps~1.8Mbps)。在基站中心区域范围内(<50m)的数据吞吐量方面,WLAN也明显优于3G,并且随着瘦AP技术出现,利用AP控制器(AC,AP Controller)对AP控制,将改善WLAN网络的切换性能和服务质量。

3G演进技术的性能与系统所用的关键技术(包括高阶调制、MIMO、多载波捆绑、干扰抑制等)密切相关。多码传送的HSPA峰值速率为14.4Mbps,使用高阶调制和2×2 MIMO技术的HSPA+峰值速率分别为21Mbps和28Mbps,若同时采用高阶调制和2×2 MIMO技术,则峰值速率可达42Mbps。Phase I 3xDOB的峰值速率是DOA的3倍即9.3Mbps,Phase II 3xDOB(高阶调制)的峰值速率则为14.7Mbps,最多支持捆绑15个DOA载波,而采用2×2 MIMO和高阶调制技术的4xDO的峰值速率可达32Mbps。从频谱效率来看,DOB的频谱效率与DOA相比并无质的提高,其单载波性能与DOA相同,但是3xDOB能带来较大的多用户增益,从而改善用户对高速数据业务的体验。采用OFDM、2×2 MIMO以及20MHz带宽的LTE峰值速率可达300Mbps。802.11n采用了多载波绑定、OFDM、MIMO、短保护间隔、帧聚合等技术,性能得到了大幅提高,如采用MIMO技术20MHz带宽的802.11n峰值速率超过100Mbps,采用40MHz带宽、2×2 MIMO和保护间隔为400ns的802.11n吞吐量可到600Mbps。因此,虽然WLAN在大规模组网能力、无线资源控制、安全性以及QoS控制等方面有待改善,但是从吞吐量及用户对高速数据业务的需求来看,802.11g/n是解决热点区域3G网络容量不足的重要手段。

3 3G、WLAN及其演进技术的成熟性

虽然各种3G及演进技术的性能相近,但是各种技术的研发进程和商用部署之间存在较大的差异。下面从终端供应商、网络设备供应商、运营商、应用开发商等的数量和实力以及用户在市场所占份额等等来考察各种无线宽带技术的成熟性。

3G、WLAN及其演进技术的发展情况如表1所示。根据GSA和CDG发布的数据,WCDMA/HSPA在全球120个国家中有近300个运营商,200多家制造商,用户2.84亿,占3G市场72%;DOA在全球有65个商用网络,37个在建网络,共计102个网络,由于DOA专利技术都掌握在高通公司,业者进入门槛极高,使得DOA产业链的发展步履维艰,含EV/DO Rev.0的市场占有率低于30%,并且主要集中在亚太和北美地区;TD-HSPA则得到了中国最有实力运营商中国移动的支持,由于起步较晚,中移动公布的2009年中报显示,3G用户不足100万。WLAN进入门槛低,产业链最为成熟。近几年,WLAN不仅成为中小企业、家庭等作为有线宽带解决最后50米接入的重要手段,被各大运营商广泛应用于解决热点区域网络容量瓶颈,而且还广泛应用于电子消费产品,包括数字电视、机顶盒、数码相机、笔记本电脑、移动上网设备、游戏机以及移动手机等,WLAN已成为中高端手机的标准配置,在2008年带WLAN的移动手机数量达到5600万部,增长52%;笔记本、移动上网设备等达到1.44亿部,增长23%;相机、音乐播放器等便携消费电子产品达到7100万部,增长33%。据ABI公司预测,配置WiFi的移动终端在2009年将达1.41亿部,2014年可达5.2亿部。

在3G演进技术中,性能相近的DOB版本的研发及商用进度都远落后于HSPA,这与CDMA专利仅掌握在一家公司中并据此收取高额专利费提高业者进入门槛不无关系。支持DOB的芯片CSM6800和CSM6850则未量产,其中CSM6800仅支持2载波捆绑,CSM6850支持4载波捆绑。DOB制造商(主要是终端厂家)更少,商用终端款式更是凤毛麟角,全球CDMA运营商中仅中国电信计划开展DOB试验,KDDI仅表达了意向;意大利TIM宣布于2009年下半年部署峰值速率达28Mbps的HSDPA+;从产业发展历史来看,一个运营商的力量无法推动一个产业的快速发展,更何况3G业务还处于起步阶段。

WLAN从802.11g演进到802.11n,虽然802.11n规范还处于草案阶段(预计2009年下半年完成规范制定),并且正式版本兼容草案规范。市场有大量款式的终端支持(629款),英特尔芯片也已支持802.11n,商用部署远快于DOB,产业链也更为成熟。

LTE则在未来演进中受到了主流运营商、制造商的热烈追捧,投入了大量的研发资源并且进展迅速,Verizon宣布于2009年8月14日在LTE试验网上成功进行了基于分组的语音呼叫。因此,虽然LTE达到商用水平还需要完成大量工作,但是如果各大运营商、设备及终端提供商能够潜心研发,LTE大规模商用部署时间仍可能于2012年进行大规模商用部署。

4 3G网络的演进策略

根据上述分析,移动数据业务在时间、地域、不同用途建筑以及在建筑物内的功能区上的分布是极不均衡的。时间上主要分布于晚上,在地域上主要分布在密集市区、市区等地域的校园、办公楼宇、宾馆酒店以及连锁餐饮等建筑内,并且业务流量大多集中在会议室、候机厅和学生宿舍等范围较小的区域。高吞吐量、小覆盖范围的WLAN技术非常适合解决这些热点网络容量不足的问题。

目前,已商用的3G及其演进技术无法满足热点的业务发展需求。3G及其演进技术通过多载波捆绑、高阶调制以及MIMO等技术提高吞吐量,性能的提升需要更多的频率资源,但是3G频率资源非常有限,如CDMA网络可用于EV-DO网络的载波不超过3个。从多年移动网络运营情况来看,通常高语音业务的区域也是数据业务热点,因此,在热点区域,频率资源更为紧张。若启用多个频段,则影响终端的研发(多频、多模),网络部署更加困难(不同频段覆盖能力不同、异频切换等),从而影响业务的发展和推广。3G基站吞吐量不足以应对移动数据业务需求,如一个S111基站(DOA)的忙时吞吐量仅为13Gb~20Gb,目前商用网络中某些基站忙时负荷已经超过60%。3G演进技术由于研发进度的影响,短期内无法满足热点容量需求。如DOB无论在性能上还是研发进度上都无法满足市场的需求。3x DoB基站(S111)吞吐量和覆盖能力与9x DOA基站(S333)相当,虽然其多用户增益可以改善用户体验,但是DOB并未提高每个载波的频谱效率,物理吞吐量没有提升,更加致命的是DOB在市场上应用者寥寥,高门槛使得终端研发者望而却步。因此,从DOA到DOB的演进既分散了运营商有限的可以投入DOA运营的资源,也缩窄了产业空间,把运营商从产业链的“一级公路”引向了“乡间小路”,非常不利于移动数据业务的发展。综上,引入DOB缺乏技术和市场的双重驱动力。

TD-SCDMA虽然演进路线与HSPA基本相同,但是由于目前所占市场份额较小,产业链还在培育之中,研发进程也落后于HSPA。所以,对于获得基于TD-SCDMA和CDMA2000技术的3G牌照的运营商,如果不引入其他技术手段,仅仅依靠DOA、TD-HSPA显然无法与WCDMA/HSPA竞争,而DOB、HSPA+等3G演进技术提升性能的主要手段是高阶调制、多载波捆绑和MIMO,其成熟性还有待检验,商用网络部署也将面临很大的挑战。此外,我国3G网络建设处于刚刚起步,覆盖广度、深度以及网络质量都有待投入大量的资源进行完善和优化,3G业务发展还处于起步阶段,因此,短期内引入3G演进技术(DOB、TD-HSPA+、HSPA+)缺乏技术和市场双重驱动力,低成本的成熟的WLAN技术成为运营商的必然选择。

中国移动宣布在2010年开展TD-LTE试验,Verizon宣布于2009年8月14日在LTE试验网上成功进行了基于分组的语音呼叫等,无不预示着LTE商用部署进程的不断加速,因此,无论是性能、技术成熟性、市场需求、产业链开放性以及保护投资等方面看,中国三大电信运营商应把有限的资源投入到3G精品网络的建设及业务发展上,引入高吞吐量、小覆盖范围、低成本和产业链成熟的WLAN网络作为3G网络补充,实施跨越式发展,跳过3G演进技术(如DOB、TD-HSPA+和HSPA+)阶段,全力推动LTE商用进程,尽快向产业链更为开放的LTE演进,是运营商保持市场竞争优势的重要手段。对于HSPA网络,引入高阶调制的峰值速率达21Mbps的HSPA+也是一种值得考虑的选择,此时则不一定引入WLAN网络。国内运营商3G网络演进策略建议如图2所示,其中,3G网络用于支持广泛而连续的中高速数据业务的广覆盖,WLAN网络作为3G网络的补充,重点解决热点的网络容量瓶颈,以提供热点高速数据业务的深度覆盖。

无论是现在还是将来,虽然技术处于不断演进发展之中,但是在相当长的一段时间内,各种无线宽带技术处于共存状态,多种接入方式将成为未来的主流接入方式,终端则以多模方式接入的网络。如CDMA2000 1X、DOA、WLAN(802.11g/n)将同时存在,在未来向LTE演进时,2G/3G技术将与LTE共存。4G是否能在无线宽带技术方面一统天下,取决于4G商用时市场需求和市场参与各方的利益博弈,但可以预见的是,即使4G技术成熟,多种接入方式仍将共存相当长的时间。

5 结论

移动数据业务的分布在时间、地域、基站以及用户之间的分布都是极不均衡的。由于技术成熟性、产业空间等原因,TD-HSPA、DOB无论在研发进程、商用化进程、性能等方面都远落后HSPA,在市场竞争中处于劣势,并且由于3G频率有限,每载波的吞吐量有限,使得3G网络无法满足在密集市区、发达市区、校园以及大型公共场所等数据热点区域的容量需求,因此,运营商当前最重要的任务是进一步完善优化3G网络(DOA、TD-HSPA和HSPA),在向LTE演进过程中引入WLAN网络作为3G网络的补充,以3G+WLAN混合组网解决热点3G网络容量不足和高速数据业务体验的问题,从而促进移动数据业务的发展。运营商应把有限的资源投入到完善3G网络和发展3G业务上,实施3G网络的跨越式发展,跳过TD-HSPA+、DOB和HSPA+等3G演进技术阶段,以WLAN网络作为补充,直接向产业链更为开放的LTE/TD-LTE演进,并合力推动LTE商用进程。

参考文献

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【作者简介】

叶银法:毕业于中山大学,获工学硕士学位,现任中国电信广州研究院网络发展研究部技术总监,长期从事移动通信技术培训、GSM网络工程及优化、3G移动通信技术研究和3G网络规划,目前主要从事LTE研究及WLAN与3G混合部署策略的研究。著作3本,译著2本,发表论文多篇,获得电信业务专利2项。