无线城市宽带网络相关技术分析

【中心议题】

•     *介绍了几种无线城市宽带网络相关技术
•     *对这几种技术进行了详细的分析

【解决方案】

•     *天线的种类
•     *胖AP、瘦AP+POE交换机+AC组网
•     *MESH Router或无线桥接型设备组网

1天线的种类以及在无线网络中的应用

天线用于在特定方向或角度上发送/接收无线信号，是无线通信的核心构件之一。按照水平波瓣的角度不同可分为全向天线和定向天线。考察天线性能的指标有多种，如增益等。此处仅对比全向天线和定向天线的特点并介绍新的技术。

a)    全向天线

优点：全方位覆盖，规划与实施简单，对无线部署环境的勘测要求不高；

缺点：增益小，覆盖/回传距离短，会吸收各个方向的干扰。

b)    定向天线

优点：增益较全向天线大，定向覆盖/回传距离远，受同频干扰因素小；

缺点：覆盖范围小，对于无线回传，规划中需要考虑视距等因素。

其实，所谓定向天线、全向天线的优缺点，严格来讲都是相对于特定场景而言，并非绝对的；实际中经常根据实际的、客观的环境因素，以组合方式应用定向与全向天线。例如在很多“无线城市”项目中的无线结点都是安装于楼顶或楼宇的侧立面上，在这种场景中，覆盖范围客观上就不可能是360度的，多使用一面或多面定向覆盖天线；对于可安装在灯杆上的结点，则可使用全向天线，但因全向天线覆盖半径限制，在该场景中需限制两点间距不能太远才能实现连续的覆盖。

而对于应用于无线回传的天线则推荐使用定向天线，并结合多载频设备组建网络。

c)    分集接收

分集接收是指一个射频模块(Radio)连接两面或多面天线，射频芯片根据特定算法判别以某一面天线为主用，另一面天线则将处于闲置状态。

d)    智能天线

智能天线是一种安装在基站现场的双向天线，通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性，并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。智能天线的原理是将无线电信号导向具体方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向DOA ( Direction of Arrial ) ，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。该天线技术最初用于军事领域，近些年逐步部分应用于移动通信领域。

总体来说，定向、全向天线在“无线城市”的建设中应用广泛。而智能天线以及分集接收方式，由于成本过高、实际应用意义有限等原因，采用较少。

2胖AP、瘦AP+POE交换机+AC组网分析

无论是胖AP还是瘦AP都属于传统意义上WiFi的应用范畴。胖AP由于缺乏中央控制，可管理性差，大多以离散的单点形态呈现，并没有真正的组成网络，已逐渐退出企业级和运营商级应用，目前多充当家庭用或SOHO网关。不建议在“无线城市”项目中选用。

AP+POE交换机+AC架构属于传统技术，产品成熟度高。该方式最初是面向室内小型的WLAN应用，随着WiFi技术的普及，渐渐地也有被应用于多室外小范围的WLAN组网。但是该架构缺陷明显：

1)    需要为每个AP铺设线缆，对有线网络需求高;

2)    除对有线资源的依赖性之外，还体现在网络拓扑十分僵化，不具备可扩张性；

3)    所有的用户数据都汇集于AC一点，极大地增加因单点故障造成网络大面积瘫痪的风险；

4)    AC价格极其昂贵，因保证冗余性的投入就将极大的提高设备采购成本；

5)    始终没有很好的解决跨子网漫游与网络侧漫游切换效率之间平衡的问题。

另外，目前单台AP的最高吞吐量为20M左右，这样，单路以太网线缆利用率低，对有线资源的利用存在不合理性。

3 MESH Router或无线桥接型设备组网分析

Mesh组网技术，又称作无线网状网技术。最早它起源于要求极其精密的战地军事通信，最强调网络的可靠性。近些年因与成熟度较高的WiFi结合，先后突破诸多技术难题而兴起，并因Mesh自身的组网优势而在全球兴建“无线城市”的热潮中备受推崇，曾被《福布斯》评价为“无线革命的下一个阶段”。   

Mesh的核心精神即是，每个Mesh节点都可同时提供无线接入与无线回传能力，摆脱了对有线资源的依赖；另外还支持多有线网关，很好地避免了单故障点存

在带来的风险，如图所示。

从图中可以看到：

1)    多个Mesh节点的流量会汇集到一个光纤落地点，汇聚后的大流量数据上传到光纤网络，有效地提高了光纤资源的利用率；

2)    Mesh组网方式组建的是真正的网状结构的网络；大部分节点上都存在一条以上的无线回传链路，提供路径的备份；

3)    多网关设备同时工作，互为备份，并从而实现负载分担。

目前，根据其无线回传链路的维护方式，WiFi Mesh可分为两大类：

1)    三层Mesh：由Mesh   Router组成，通过基于无线的动态路由协议，维护无线网状网中的无线回传的连接状态与结构。因为，此类设备以多载频技术同时提供无线覆盖(access)与回传(backhaul)。同二层的星状或者树状结构不同的是,三层Mesh生成的是一张真正的具备完整路由功能的无线网状网。在组网结构和网络特点上最适于组建大规模的城市无线网络；

2)    二层MESH：由工作于Layer 2(数据链路层)的AP组成。AP可同时提供无线接入与无线桥接(无线回传)功能；也有部分厂商将无线接入与无线桥接功能分布到不同的设备之上。通常以STP或类似的二层链路算法实现路径计算、环路避免等功能。现实组网中，二层Mesh常呈现为星型或树型拓扑。很多AC＋AP厂商，都将这种二层Mesh做为一种补充，融入到AC＋AP构架中，一般适用于组建小规模网络。

可见目前Mesh结合WiFi的方式，仅在带宽资源上稍差于有线，在更多的方面体现出来的是较其他无线城市组网方式的优势。这是因为Mesh最初的出现即是为了组建室内、室外大规模无线网络，与WiFi的结合更是很好地解决了WiFi技术本身的很多限制与缺陷。

Mesh技术并不拘泥于仅以WiFi做为物理层标准，还会不断向前演进。

Mesh 演进趋势：

1)    802.11n标准的应用，将大大提升WiFi物理层发送速率；配合MIMO技术，多载频技术，以及无线路由对负载均衡能力的支持，将使Mesh的吞吐能力提升至1Gbps甚至更高，超过现有部分光纤所能提供的带宽，能够发挥类似“无线光纤”的作用；

2)    802.11s标准的制定，也会在一定程度上对Mesh的发展起到推动作用；

3)    Mesh＋WiFi＋Wimax：Mesh的本质是一种组织和整合各种无线技术的良好系统平台，Mesh并不拘泥于WiFi。如果Wimax可以进一步的成熟，支持的终端可以进一步的丰富，Mesh结合WiFi与Wimax这种优势互补的组合将会成为未来“无线城市”建设进一步完善的重要一步。现在的Mesh＋WiFi过渡到未来Mesh+WiFi+Wimax，技术上没有障碍，会是非常平滑的过渡。