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【原创深度】WISP为农村地区提供高速互联网接入

cathy 发布于:周四, 12/21/2017 - 10:19 ,关键词:

作者: Barry Manz

互联网为人们的生活提供了便利。在城市中,人们可以通过电缆或光纤接入互联网,轻松获得超百兆带宽的下载速度。然而,这轻而易举就能够得到的资源,在很多农村地区,是无论付出什么代价都是无法获得的,他们只能通过拨号和DSL来接入互联网。无线ISP(WISP)为农村地区的互联网接入提供了新的解决方案,它可能为近四百万人的互联网接入提供便利。

WISP是什么?

WISP为固定无线接入(FWA)或宽带无线接入(BWA)提供“最后一英里”服务,其服务对象是固定区域的网络接入而不是移动设备。WISP通常采用双向的单对多的方式进行数据传输,即网络接入方从多个分布在不同位置的节点接收和发送数据。除农村地区可以使用WISP接入互联网外,它也填补了城市中网络覆盖的空白。WISP的应用范围很广,适用于从拥有几百名用户的小公司到拥有几十万用户的大公司。

对于任何一个无线通信系统,工作频段都是影响其系统构成和性能的关键因素。例如,对于小于1GHz的低频段,可以使用更少的基础设施来覆盖更远的距离,但是由于该频段频谱密集,只有很窄的一段带宽可用。在稍微高些的频段处,可用的带宽大得多,但覆盖的距离短,这就需要更多的基础设施。

尽管WISP比大型电信和有线网络运营商的资源少很多,但他们都希望通过搭建更少的基础设施来服务更多的用户。另外,对于他们而言,通过采用先进的编码流以及MIMO和诸如LTE的无线接入方法,以最有效的方式使用频谱都是至关重要的。据报道,一些大规模的WISP已经在探索在所服务的区域内使用授权的频谱。使用授权的频谱具有唯一频率“所有权”和合法强制执行的优势,但其巨大的成本超出了所有大规模WISP所能承受的范围。

他们是如何工作的?

正如工业界的早年做法那样,WISP通过将光纤、电缆或其他高速有线介质,连接到所服务区域的数据中心,一般来说数据中心安置在铁塔或者其他高的建筑物上。为扩大覆盖区域,在完成这项工作之后,运营商将使用点对点的微波链路或光纤将数据中心与下一层次的基站进行连接,下一层次的基站也安置在铁塔或高的建筑物上。在用户端,用户设备(CPE)是一个小型高增益碟形天线,其尺寸与卫星电视天线相似,天线方向指向最近的基站(图1)。

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图1:典型的用户端天线 (来源:KP Performance Antennas)

WISP采用多种方法实现与用户的数据交互,其中最基础和最便宜方法的是在基站上部署360度覆盖范围的全向天线。针对仅要求对某特定区域进行信号覆盖的场景,可以使用扇形方法将360度区域分为三个或四个部分,并只针对某个部分进行信号覆盖。扇形方法需要部署更多的基础设施,并且需要租用塔楼或其他结构的空间(图2)。

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图2:扇形天线系统(来源:KP Performance Antennas)

但是,这种扇形方法可以为每一个用户提供更大的带宽。通过将更多数据打包成流以及使用MIMO,扇形架构还允许WISP随着用户数量的增加扩展其服务,而不会对性能产生负面影响。MIMO允许每个基站同时为多个用户服务,每个用户的性能与MIMO的水平成正比。目前大多数MIMO配置方案是2×2,即两个发射和两个接收天线,但业界正在向4×4,8×8和即将推出的16×16 方向发展。

要理解这一点,可以考虑这样一个系统,该系统在特定扇区内有100个客户,总可用信道带宽为30MHz。

4×4 MIMO将这些客户分成四组,每组25个。带宽决定了数据的吞吐量,由于每组都可以利用全部的30MHz带宽,因此,每组的数据速率可以更高。如果没有扇区方法和MIMO,所有100个用户将共享30MHz带宽,这样,每个用户的可用带宽都很少。

WISP所采用的无线电设备虽然尺寸不大,但都非常复杂。一个很好的例子是Mimosa的A5c,该设备可以同时使用Wi-Fi和TDMA,可以动态地分配时隙,能够适应向上的缩放,并且可以通过GPS的同步化来优化频率实现重复利用。它可以为用户提供高达1.5Gb的数据速率,并且可以在5GHz频带内使用20到80MHz的信道带宽,为100多个用户提供服务。它结合了千兆以太网,多用户MIMO,网络处理功能和动态频谱管理等技术以减少干扰并优化信道复用。

研究前景

WISP传输所使用的是开放频段,这使得其与其他受监管的运营商相比,除对最大RF输出功率有所限制外,几乎没有任何限制。但是由于没有监管,如何充分利用可用频段,是决定其成败的关键。一旦较低的、更为理想的频段变得饱和,它们就只能使用更高的频段来为客户服务,这就需要搭建更多基础设施。

WISP的概念不只是美国或加拿大所特有的,在世界各地,这样的公司已成千上万,这些公司所提供的快速、经济且高效的互联网接入方式是非常宝贵的。例如,“每个儿童一台笔记本电脑”计划,它的目标是通过低成本计算机和互联网接入来促进世界儿童的教育,现在该计划几乎完全依靠WISP实现网络接入。

像无线运营商一样,WISP一直在寻找更多的频谱。由于新联邦通信委员会(FCC)拨款以及其他频谱的重新调整导致更多的可用频率,WISP争取纳入可运行的服务组合。例如,FCC创建的公民宽带无线电业务(CBRS)开辟了3550至3700MHz之间的频率以供商业服务使用,这些商业业务必须与军用雷达和固定卫星电台共享。然而,WISP行业并不是唯一一个倡导在该地区运营的实体,其相对较低的预算使其具有比竞争对手更好的影响力。

为了争取它们,WISP在美国设有无线互联网服务提供商协会(WISPA),在加拿大和其他国家也有类似的宣传组织。WISPA拥有800多名成员,其中包括WISP,提供互联网接入的电力和电话合作社以及设备制造商。该组织致力于鼓励国会制定支持该行业的法律,提供技术论坛,并促进WISP之间的交流与合作。

从技术角度看,WISP行业的持续增长将依赖于频谱的可用性,高效的编码方案,MIMO,信号处理硬件的进步以及成本的降低。业界已经开始采用多种技术,以扩大其覆盖范围,同时提高性能。最近广受欢迎的一项技术是使用小型基站,也就是业界所谓的“micro pops”,这种技术使得基站更贴近用户,缩短延迟(这一点对语音服务很重要)并且可以优化数据速率。这些小型基站并不需要依附于塔台之上,而是可以放置在任何足够高且没有障碍物的结构上。

典型的WISP可以提供至少10Mbs的数据速率和15英里的VOIP电话服务,,有些还包含卫星传送的娱乐频道包。。当然,后者在将来可能不是很有吸引力,因为随着WISP吞吐量的增加,用户完全可以依靠网络来访问Netflix,Hulu和Amazon等媒体服务。

结论

在当今竞争激烈的通讯行业中,即使没有补贴,没有专用网络频段的许可证,并且主要依赖于电话和有线电视公司,WISP依然能够存活下来。这是因为即使是在人口密度很小的地方,在传播宽带数据和语音服务方面,WISP仍然是最经济的方式。WISP在它们服务的农村社区也是重要的组成部分,它们可以提供紧急警报服务和致力于商业发展的服务。但是不管WISP发展到多大规模,他们都将处于劣势地位,因为其他的无线服务早已占据主导地位。

原文链接:https://www.mouser.com/applications/wisps-bring-high-speed-intenet-acces...

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