【摘要】文章分析了移動業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢及分布規(guī)律,比較了3G、WLAN及其演進技術(shù)的性能和產(chǎn)業(yè)鏈的成熟性,提出了3G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)實施跨越式發(fā)展,引入WLAN網(wǎng)絡(luò)以彌補3G技術(shù)在解決熱點區(qū)域網(wǎng)絡(luò)容量方面的不足,跳過3G演進技術(shù)(EV-DO Rev.B、TD-HSPA+、HSPA+)并盡快向產(chǎn)業(yè)鏈更為開放的LTE演進的發(fā)展策略。

【關(guān)鍵詞】3G WLAN LTE 業(yè)務(wù)分布規(guī)律 演進策略

工業(yè)和信息化部、發(fā)改委以及財政部于2008年5月聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于深化電信體制改革的通告》以及工業(yè)和信息化部于2009年1月發(fā)放3張第三代移動通信(3G)牌照,標志著我國移動市場跨入3G時代。3G牌照分別為中國移動獲得基于TD-SCDMA演進的3G牌照,中國電信為基于CDMA2000 1x的3G牌照,中國聯(lián)通為基于WCDMA演進的3G牌照。由于各種3G演進技術(shù)、產(chǎn)業(yè)鏈成熟性以及市場占有率之間的差異,因此各運營商為了應(yīng)對市場競爭,提高網(wǎng)絡(luò)容量,疏導(dǎo)熱點數(shù)據(jù)流量,改善用戶體驗,其3G無線網(wǎng)絡(luò)在向LTE演進過程中有必要引入吞吐量更高、產(chǎn)業(yè)鏈更成熟的無線寬帶技術(shù)。

1 移動業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢及分布規(guī)律

從移動業(yè)務(wù)開展最早的美國三大運營商(SPRINT、Verizon和AT&T)近年移動業(yè)務(wù)收入結(jié)構(gòu)來看,移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)收入持續(xù)保持兩位數(shù)的增長,收入占比不斷提高,移動語音業(yè)務(wù)已經(jīng)飽和。歐洲移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)從2007年初占比不足50%上升到2008年7月的80%以上,移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展迅猛。對于國內(nèi)電信市場,三大電信運營商2008年的年報透露出,我國移動業(yè)務(wù)市場也呈現(xiàn)出語音業(yè)務(wù)逐步飽和,移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)卻保持20%以上的高速增長,非話業(yè)務(wù)對收入貢獻逐年增大的局面。據(jù)CNNIC報告,在2009年6月底,中國手機網(wǎng)民規(guī)模達1.55億,占網(wǎng)民總數(shù)的45.9%,半年內(nèi)增長32.1%,手機網(wǎng)民快速增長。上述數(shù)據(jù)均表明,移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是3G業(yè)務(wù)競爭的關(guān)鍵。

根據(jù)日本NTT DoCoMo統(tǒng)計,2G網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)話務(wù)量占比超過70%,香港SUNDAY統(tǒng)計的3G網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)話務(wù)量占比高于50%。由于移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)主要發(fā)生在室內(nèi),3G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在室內(nèi)的占比將會更高。因此,3G網(wǎng)絡(luò)將面臨熱點高數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量的壓力。

通過對東部沿海發(fā)達城市的3G網(wǎng)絡(luò)及WLAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量的分析表明,3G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量的分布具備以下規(guī)律:一是移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在時間分布上與語音業(yè)務(wù)的不同,其忙時一般在22:00;二是移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量分布在地域、基站、扇區(qū)以及用戶之間極不均衡。移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在地域上主要分布在密集市區(qū)、發(fā)達市區(qū)等區(qū)域,尤其是密集市區(qū)的CBD、商業(yè)中心、辦公區(qū)域以及年輕人集中的校園等;移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)主要分布于熱點區(qū)域的部分基站和部分扇區(qū),20%基站承擔了70%以上的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量,少數(shù)基站的負荷超過60%;一個基站的某個扇區(qū)忙時數(shù)據(jù)流量可超過幾百兆,而在另一個扇區(qū)的數(shù)據(jù)流量卻為0;激活用戶和連接的忙時平均數(shù)據(jù)流量都在100MB~500MB之間,高話務(wù)基站的流量大多來自少數(shù)幾個用戶。由于我國3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和業(yè)務(wù)發(fā)展都還處于初期,3G用戶規(guī)模較小,統(tǒng)計的數(shù)據(jù)無法確切反映用戶群的行為,3G業(yè)務(wù)規(guī)模發(fā)展之后,對熱點網(wǎng)絡(luò)容量的要求將會更高,包括吞吐量、并發(fā)用戶處理能力以及網(wǎng)絡(luò)對干擾的抑制能力等。

WLAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的分布規(guī)律與3G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的分布規(guī)律相同。80%以上的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)集中在1%熱點上;在地域上則分布于密集城區(qū)、城區(qū),市郊流量少;高價值的熱點以政企樓宇、連鎖餐飲、賓館酒店、校園以及高檔樓盤為主,熱點功能區(qū)域主要集中在會議室、校園宿舍、候機廳等客戶停留時間較長的區(qū)域。

23G、WLAN及其演進技術(shù)的性能比較

目前,無線寬帶技術(shù)包括3G及其演進技術(shù)、WiMAX以及802.11g/n等。WiMAX包括固定WiMAX和移動WiMAX,我國僅開展了少量固定WiMAX應(yīng)用,移動WiMAX未分配頻率,因此,移動WiMAX在國內(nèi)未得到應(yīng)用。在3G及其演進技術(shù)中,TD-SCDMA演進路徑與HSPA基本一致,即HSDPA→HSPA→HSPA+,CDMA2000 1X的演進路徑則為EV-DO Rev.A(以下簡稱DOA)→EV-DO Rev.B(以下簡稱DOB),國內(nèi)運營商都已宣布3G網(wǎng)絡(luò)將向LTE演進。WLAN演進路徑為802.11g→802.11n。3G、WLAN及其演進技術(shù)的性能如圖1所示。

全球已大規(guī)模商用的3G技術(shù)包括TD-HSDPA、DOA、HSPA均為蜂窩移動通信技術(shù),在研發(fā)階段就對移動性(如切換、尋呼、漫游、注冊等)、覆蓋能力、接入安全性以及組網(wǎng)能力等進行了詳細研究。因此,在移動性、覆蓋能力、安全性、組網(wǎng)能力以及服務(wù)質(zhì)量(QoS)等方面,3G顯然優(yōu)于WLAN,如在密集市區(qū)、市區(qū),3G覆蓋范圍為500~1000米,WLAN僅為50~100米,一般不超過50米。WLAN使用頻段為2.4GHz和5.8GHz,其中,2.4GHz頻段為開放頻段,劃分為13個信道,為避免信道之間的相互干擾,一般僅使用CH1、CH6和CH11等三個信道;5.8GHz頻段有5個可用信道(20MHz)。單信道的吞吐量在20Mbps(802.11g),因此,每個AP忙時吞吐量約為70Gb。在實際商用環(huán)境中,忙時吞吐量約為30Gb~40Gb,仍然遠高于3G吞吐量(例如,一個S111的DOA基站忙時吞吐量約為13Gb~20Gb,每載波平均吞吐量取1.2Mbps~1.8Mbps)。在基站中心區(qū)域范圍內(nèi)(<50m)的數(shù)據(jù)吞吐量方面,WLAN也明顯優(yōu)于3G,并且隨著瘦AP技術(shù)出現(xiàn),利用AP控制器(AC,AP Controller)對AP控制,將改善WLAN網(wǎng)絡(luò)的切換性能和服務(wù)質(zhì)量。

3G演進技術(shù)的性能與系統(tǒng)所用的關(guān)鍵技術(shù)(包括高階調(diào)制、MIMO、多載波捆綁、干擾抑制等)密切相關(guān)。多碼傳送的HSPA峰值速率為14.4Mbps,使用高階調(diào)制和2×2 MIMO技術(shù)的HSPA+峰值速率分別為21Mbps和28Mbps,若同時采用高階調(diào)制和2×2 MIMO技術(shù),則峰值速率可達42Mbps。Phase I 3xDOB的峰值速率是DOA的3倍即9.3Mbps,Phase II 3xDOB(高階調(diào)制)的峰值速率則為14.7Mbps,最多支持捆綁15個DOA載波,而采用2×2 MIMO和高階調(diào)制技術(shù)的4xDO的峰值速率可達32Mbps。從頻譜效率來看,DOB的頻譜效率與DOA相比并無質(zhì)的提高,其單載波性能與DOA相同,但是3xDOB能帶來較大的多用戶增益,從而改善用戶對高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的體驗。采用OFDM、2×2 MIMO以及20MHz帶寬的LTE峰值速率可達300Mbps。802.11n采用了多載波綁定、OFDM、MIMO、短保護間隔、幀聚合等技術(shù),性能得到了大幅提高,如采用MIMO技術(shù)20MHz帶寬的802.11n峰值速率超過100Mbps,采用40MHz帶寬、2×2 MIMO和保護間隔為400ns的802.11n吞吐量可到600Mbps。因此,雖然WLAN在大規(guī)模組網(wǎng)能力、無線資源控制、安全性以及QoS控制等方面有待改善,但是從吞吐量及用戶對高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求來看,802.11g/n是解決熱點區(qū)域3G網(wǎng)絡(luò)容量不足的重要手段。

3 3G、WLAN及其演進技術(shù)的成熟性

雖然各種3G及演進技術(shù)的性能相近,但是各種技術(shù)的研發(fā)進程和商用部署之間存在較大的差異。下面從終端供應(yīng)商、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商、運營商、應(yīng)用開發(fā)商等的數(shù)量和實力以及用戶在市場所占份額等等來考察各種無線寬帶技術(shù)的成熟性。

3G、WLAN及其演進技術(shù)的發(fā)展情況如表1所示。根據(jù)GSA和CDG發(fā)布的數(shù)據(jù),WCDMA/HSPA在全球120個國家中有近300個運營商,200多家制造商,用戶2.84億,占3G市場72%;DOA在全球有65個商用網(wǎng)絡(luò),37個在建網(wǎng)絡(luò),共計102個網(wǎng)絡(luò),由于DOA專利技術(shù)都掌握在高通公司,業(yè)者進入門檻極高,使得DOA產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展步履維艱,含EV/DO Rev.0的市場占有率低于30%,并且主要集中在亞太和北美地區(qū);TD-HSPA則得到了中國最有實力運營商中國移動的支持,由于起步較晚,中移動公布的2009年中報顯示,3G用戶不足100萬。WLAN進入門檻低,產(chǎn)業(yè)鏈最為成熟。近幾年,WLAN不僅成為中小企業(yè)、家庭等作為有線寬帶解決最后50米接入的重要手段,被各大運營商廣泛應(yīng)用于解決熱點區(qū)域網(wǎng)絡(luò)容量瓶頸,而且還廣泛應(yīng)用于電子消費產(chǎn)品,包括數(shù)字電視、機頂盒、數(shù)碼相機、筆記本電腦、移動上網(wǎng)設(shè)備、游戲機以及移動手機等,WLAN已成為中高端手機的標準配置,在2008年帶WLAN的移動手機數(shù)量達到5600萬部,增長52%;筆記本、移動上網(wǎng)設(shè)備等達到1.44億部,增長23%;相機、音樂播放器等便攜消費電子產(chǎn)品達到7100萬部,增長33%。據(jù)ABI公司預(yù)測,配置WiFi的移動終端在2009年將達1.41億部,2014年可達5.2億部。

在3G演進技術(shù)中,性能相近的DOB版本的研發(fā)及商用進度都遠落后于HSPA,這與CDMA專利僅掌握在一家公司中并據(jù)此收取高額專利費提高業(yè)者進入門檻不無關(guān)系。支持DOB的芯片CSM6800和CSM6850則未量產(chǎn),其中CSM6800僅支持2載波捆綁,CSM6850支持4載波捆綁。DOB制造商(主要是終端廠家)更少,商用終端款式更是鳳毛麟角,全球CDMA運營商中僅中國電信計劃開展DOB試驗,KDDI僅表達了意向;意大利TIM宣布于2009年下半年部署峰值速率達28Mbps的HSDPA+;從產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷史來看,一個運營商的力量無法推動一個產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,更何況3G業(yè)務(wù)還處于起步階段。

WLAN從802.11g演進到802.11n,雖然802.11n規(guī)范還處于草案階段(預(yù)計2009年下半年完成規(guī)范制定),并且正式版本兼容草案規(guī)范。市場有大量款式的終端支持(629款),英特爾芯片也已支持802.11n,商用部署遠快于DOB,產(chǎn)業(yè)鏈也更為成熟。

LTE則在未來演進中受到了主流運營商、制造商的熱烈追捧,投入了大量的研發(fā)資源并且進展迅速,Verizon宣布于2009年8月14日在LTE試驗網(wǎng)上成功進行了基于分組的語音呼叫。因此,雖然LTE達到商用水平還需要完成大量工作,但是如果各大運營商、設(shè)備及終端提供商能夠潛心研發(fā),LTE大規(guī)模商用部署時間仍可能于2012年進行大規(guī)模商用部署。

4 3G網(wǎng)絡(luò)的演進策略

根據(jù)上述分析,移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在時間、地域、不同用途建筑以及在建筑物內(nèi)的功能區(qū)上的分布是極不均衡的。時間上主要分布于晚上,在地域上主要分布在密集市區(qū)、市區(qū)等地域的校園、辦公樓宇、賓館酒店以及連鎖餐飲等建筑內(nèi),并且業(yè)務(wù)流量大多集中在會議室、候機廳和學(xué)生宿舍等范圍較小的區(qū)域。高吞吐量、小覆蓋范圍的WLAN技術(shù)非常適合解決這些熱點網(wǎng)絡(luò)容量不足的問題。

目前,已商用的3G及其演進技術(shù)無法滿足熱點的業(yè)務(wù)發(fā)展需求。3G及其演進技術(shù)通過多載波捆綁、高階調(diào)制以及MIMO等技術(shù)提高吞吐量,性能的提升需要更多的頻率資源,但是3G頻率資源非常有限,如CDMA網(wǎng)絡(luò)可用于EV-DO網(wǎng)絡(luò)的載波不超過3個。從多年移動網(wǎng)絡(luò)運營情況來看,通常高語音業(yè)務(wù)的區(qū)域也是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)熱點,因此,在熱點區(qū)域,頻率資源更為緊張。若啟用多個頻段,則影響終端的研發(fā)(多頻、多模),網(wǎng)絡(luò)部署更加困難(不同頻段覆蓋能力不同、異頻切換等),從而影響業(yè)務(wù)的發(fā)展和推廣。3G基站吞吐量不足以應(yīng)對移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求,如一個S111基站(DOA)的忙時吞吐量僅為13Gb~20Gb,目前商用網(wǎng)絡(luò)中某些基站忙時負荷已經(jīng)超過60%。3G演進技術(shù)由于研發(fā)進度的影響,短期內(nèi)無法滿足熱點容量需求。如DOB無論在性能上還是研發(fā)進度上都無法滿足市場的需求。3x DoB基站(S111)吞吐量和覆蓋能力與9x DOA基站(S333)相當,雖然其多用戶增益可以改善用戶體驗,但是DOB并未提高每個載波的頻譜效率,物理吞吐量沒有提升,更加致命的是DOB在市場上應(yīng)用者寥寥,高門檻使得終端研發(fā)者望而卻步。因此,從DOA到DOB的演進既分散了運營商有限的可以投入DOA運營的資源,也縮窄了產(chǎn)業(yè)空間,把運營商從產(chǎn)業(yè)鏈的“一級公路”引向了“鄉(xiāng)間小路”,非常不利于移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展。綜上,引入DOB缺乏技術(shù)和市場的雙重驅(qū)動力。

TD-SCDMA雖然演進路線與HSPA基本相同,但是由于目前所占市場份額較小,產(chǎn)業(yè)鏈還在培育之中,研發(fā)進程也落后于HSPA。所以,對于獲得基于TD-SCDMA和CDMA2000技術(shù)的3G牌照的運營商,如果不引入其他技術(shù)手段,僅僅依靠DOA、TD-HSPA顯然無法與WCDMA/HSPA競爭,而DOB、HSPA+等3G演進技術(shù)提升性能的主要手段是高階調(diào)制、多載波捆綁和MIMO,其成熟性還有待檢驗,商用網(wǎng)絡(luò)部署也將面臨很大的挑戰(zhàn)。此外,我國3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)處于剛剛起步,覆蓋廣度、深度以及網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量都有待投入大量的資源進行完善和優(yōu)化,3G業(yè)務(wù)發(fā)展還處于起步階段,因此,短期內(nèi)引入3G演進技術(shù)(DOB、TD-HSPA+、HSPA+)缺乏技術(shù)和市場雙重驅(qū)動力,低成本的成熟的WLAN技術(shù)成為運營商的必然選擇。

中國移動宣布在2010年開展TD-LTE試驗,Verizon宣布于2009年8月14日在LTE試驗網(wǎng)上成功進行了基于分組的語音呼叫等,無不預(yù)示著LTE商用部署進程的不斷加速,因此,無論是性能、技術(shù)成熟性、市場需求、產(chǎn)業(yè)鏈開放性以及保護投資等方面看,中國三大電信運營商應(yīng)把有限的資源投入到3G精品網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)及業(yè)務(wù)發(fā)展上,引入高吞吐量、小覆蓋范圍、低成本和產(chǎn)業(yè)鏈成熟的WLAN網(wǎng)絡(luò)作為3G網(wǎng)絡(luò)補充,實施跨越式發(fā)展,跳過3G演進技術(shù)(如DOB、TD-HSPA+和HSPA+)階段,全力推動LTE商用進程,盡快向產(chǎn)業(yè)鏈更為開放的LTE演進,是運營商保持市場競爭優(yōu)勢的重要手段。對于HSPA網(wǎng)絡(luò),引入高階調(diào)制的峰值速率達21Mbps的HSPA+也是一種值得考慮的選擇,此時則不一定引入WLAN網(wǎng)絡(luò)。國內(nèi)運營商3G網(wǎng)絡(luò)演進策略建議如圖2所示,其中,3G網(wǎng)絡(luò)用于支持廣泛而連續(xù)的中高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的廣覆蓋,WLAN網(wǎng)絡(luò)作為3G網(wǎng)絡(luò)的補充,重點解決熱點的網(wǎng)絡(luò)容量瓶頸,以提供熱點高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的深度覆蓋。

無論是現(xiàn)在還是將來,雖然技術(shù)處于不斷演進發(fā)展之中,但是在相當長的一段時間內(nèi),各種無線寬帶技術(shù)處于共存狀態(tài),多種接入方式將成為未來的主流接入方式,終端則以多模方式接入的網(wǎng)絡(luò)。如CDMA2000 1X、DOA、WLAN(802.11g/n)將同時存在,在未來向LTE演進時,2G/3G技術(shù)將與LTE共存。4G是否能在無線寬帶技術(shù)方面一統(tǒng)天下,取決于4G商用時市場需求和市場參與各方的利益博弈,但可以預(yù)見的是,即使4G技術(shù)成熟,多種接入方式仍將共存相當長的時間。

5 結(jié)論

移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的分布在時間、地域、基站以及用戶之間的分布都是極不均衡的。由于技術(shù)成熟性、產(chǎn)業(yè)空間等原因,TD-HSPA、DOB無論在研發(fā)進程、商用化進程、性能等方面都遠落后HSPA,在市場競爭中處于劣勢,并且由于3G頻率有限,每載波的吞吐量有限,使得3G網(wǎng)絡(luò)無法滿足在密集市區(qū)、發(fā)達市區(qū)、校園以及大型公共場所等數(shù)據(jù)熱點區(qū)域的容量需求,因此,運營商當前最重要的任務(wù)是進一步完善優(yōu)化3G網(wǎng)絡(luò)(DOA、TD-HSPA和HSPA),在向LTE演進過程中引入WLAN網(wǎng)絡(luò)作為3G網(wǎng)絡(luò)的補充,以3G+WLAN混合組網(wǎng)解決熱點3G網(wǎng)絡(luò)容量不足和高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)體驗的問題,從而促進移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展。運營商應(yīng)把有限的資源投入到完善3G網(wǎng)絡(luò)和發(fā)展3G業(yè)務(wù)上,實施3G網(wǎng)絡(luò)的跨越式發(fā)展,跳過TD-HSPA+、DOB和HSPA+等3G演進技術(shù)階段,以WLAN網(wǎng)絡(luò)作為補充,直接向產(chǎn)業(yè)鏈更為開放的LTE/TD-LTE演進,并合力推動LTE商用進程。

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【作者簡介】

葉銀法:畢業(yè)于中山大學(xué),獲工學(xué)碩士學(xué)位,現(xiàn)任中國電信廣州研究院網(wǎng)絡(luò)發(fā)展研究部技術(shù)總監(jiān),長期從事移動通信技術(shù)培訓(xùn)、GSM網(wǎng)絡(luò)工程及優(yōu)化、3G移動通信技術(shù)研究和3G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃,目前主要從事LTE研究及WLAN與3G混合部署策略的研究。著作3本,譯著2本,發(fā)表論文多篇,獲得電信業(yè)務(wù)專利2項。