關(guān)于WISP為農(nóng)村地區(qū)提供高速互聯(lián)網(wǎng)的方案設(shè)計(jì)分析

互聯(lián)網(wǎng)為人們的生活提供了便利。在城市中，人們可以通過(guò)電纜或光纖接入互聯(lián)網(wǎng)，輕松獲得超百兆帶寬的下載速度。然而，這輕而易舉就能夠得到的資源，在很多農(nóng)村地區(qū)，是無(wú)論付出什么代價(jià)都是無(wú)法獲得的，他們只能通過(guò)撥號(hào)和DSL來(lái)接入互聯(lián)網(wǎng)。無(wú)線ISP（WISP）為農(nóng)村地區(qū)的互聯(lián)網(wǎng)接入提供了新的解決方案，它可能為近四百萬(wàn)人的互聯(lián)網(wǎng)接入提供便利。

WISP是什么？

WISP為固定無(wú)線接入（FWA）或?qū)拵o(wú)線接入（BWA）提供“最后一英里”服務(wù)，其服務(wù)對(duì)象是固定區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)接入而不是移動(dòng)設(shè)備。WISP通常采用雙向的單對(duì)多的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，即網(wǎng)絡(luò)接入方從多個(gè)分布在不同位置的節(jié)點(diǎn)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。除農(nóng)村地區(qū)可以使用WISP接入互聯(lián)網(wǎng)外，它也填補(bǔ)了城市中網(wǎng)絡(luò)覆蓋的空白。WISP的應(yīng)用范圍很廣，適用于從擁有幾百名用戶的小公司到擁有幾十萬(wàn)用戶的大公司。

對(duì)于任何一個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)，工作頻段都是影響其系統(tǒng)構(gòu)成和性能的關(guān)鍵因素。例如，對(duì)于小于1GHz的低頻段，可以使用更少的基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)覆蓋更遠(yuǎn)的距離，但是由于該頻段頻譜密集，只有很窄的一段帶寬可用。在稍微高些的頻段處，可用的帶寬大得多，但覆蓋的距離短，這就需要更多的基礎(chǔ)設(shè)施。

盡管WISP比大型電信和有線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的資源少很多，但他們都希望通過(guò)搭建更少的基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)服務(wù)更多的用戶。另外，對(duì)于他們而言，通過(guò)采用先進(jìn)的編碼流以及MIMO和諸如LTE的無(wú)線接入方法，以最有效的方式使用頻譜都是至關(guān)重要的。據(jù)報(bào)道，一些大規(guī)模的WISP已經(jīng)在探索在所服務(wù)的區(qū)域內(nèi)使用授權(quán)的頻譜。使用授權(quán)的頻譜具有唯一頻率“所有權(quán)”和合法強(qiáng)制執(zhí)行的優(yōu)勢(shì)，但其巨大的成本超出了所有大規(guī)模WISP所能承受的范圍。

他們是如何工作的？

正如工業(yè)界的早年做法那樣，WISP通過(guò)將光纖、電纜或其他高速有線介質(zhì)，連接到所服務(wù)區(qū)域的數(shù)據(jù)中心，一般來(lái)說(shuō)數(shù)據(jù)中心安置在鐵塔或者其他高的建筑物上。為擴(kuò)大覆蓋區(qū)域，在完成這項(xiàng)工作之后，運(yùn)營(yíng)商將使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的微波鏈路或光纖將數(shù)據(jù)中心與下一層次的基站進(jìn)行連接，下一層次的基站也安置在鐵塔或高的建筑物上。在用戶端，用戶設(shè)備（CPE）是一個(gè)小型高增益碟形天線，其尺寸與衛(wèi)星電視天線相似，天線方向指向最近的基站（圖1）。

圖1：典型的用戶端天線 （來(lái)源：KP Performance Antennas）

WISP采用多種方法實(shí)現(xiàn)與用戶的數(shù)據(jù)交互，其中最基礎(chǔ)和最便宜方法的是在基站上部署360度覆蓋范圍的全向天線。針對(duì)僅要求對(duì)某特定區(qū)域進(jìn)行信號(hào)覆蓋的場(chǎng)景，可以使用扇形方法將360度區(qū)域分為三個(gè)或四個(gè)部分，并只針對(duì)某個(gè)部分進(jìn)行信號(hào)覆蓋。扇形方法需要部署更多的基礎(chǔ)設(shè)施，并且需要租用塔樓或其他結(jié)構(gòu)的空間（圖2）。

圖2：扇形天線系統(tǒng)（來(lái)源：KP Performance Antennas）

但是，這種扇形方法可以為每一個(gè)用戶提供更大的帶寬。通過(guò)將更多數(shù)據(jù)打包成流以及使用MIMO，扇形架構(gòu)還允許WISP隨著用戶數(shù)量的增加擴(kuò)展其服務(wù)，而不會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。MIMO允許每個(gè)基站同時(shí)為多個(gè)用戶服務(wù)，每個(gè)用戶的性能與MIMO的水平成正比。目前大多數(shù)MIMO配置方案是2×2，即兩個(gè)發(fā)射和兩個(gè)接收天線，但業(yè)界正在向4×4，8×8和即將推出的16×16 方向發(fā)展。

要理解這一點(diǎn)，可以考慮這樣一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在特定扇區(qū)內(nèi)有100個(gè)客戶，總可用信道帶寬為30MHz。

4×4 MIMO將這些客戶分成四組，每組25個(gè)。帶寬決定了數(shù)據(jù)的吞吐量，由于每組都可以利用全部的30MHz帶寬，因此，每組的數(shù)據(jù)速率可以更高。如果沒(méi)有扇區(qū)方法和MIMO，所有100個(gè)用戶將共享30MHz帶寬，這樣，每個(gè)用戶的可用帶寬都很少。

WISP所采用的無(wú)線電設(shè)備雖然尺寸不大，但都非常復(fù)雜。一個(gè)很好的例子是Mimosa的A5c，該設(shè)備可以同時(shí)使用Wi-Fi和TDMA，可以動(dòng)態(tài)地分配時(shí)隙，能夠適應(yīng)向上的縮放，并且可以通過(guò)GPS的同步化來(lái)優(yōu)化頻率實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用。它可以為用戶提供高達(dá)1.5Gb的數(shù)據(jù)速率，并且可以在5GHz頻帶內(nèi)使用20到80MHz的信道帶寬，為100多個(gè)用戶提供服務(wù)。它結(jié)合了千兆以太網(wǎng)，多用戶MIMO，網(wǎng)絡(luò)處理功能和動(dòng)態(tài)頻譜管理等技術(shù)以減少干擾并優(yōu)化信道復(fù)用。

研究前景

WISP傳輸所使用的是開(kāi)放頻段，這使得其與其他受監(jiān)管的運(yùn)營(yíng)商相比，除對(duì)最大RF輸出功率有所限制外，幾乎沒(méi)有任何限制。但是由于沒(méi)有監(jiān)管，如何充分利用可用頻段，是決定其成敗的關(guān)鍵。一旦較低的、更為理想的頻段變得飽和，它們就只能使用更高的頻段來(lái)為客戶服務(wù)，這就需要搭建更多基礎(chǔ)設(shè)施。

WISP的概念不只是美國(guó)或加拿大所特有的，在世界各地，這樣的公司已成千上萬(wàn)，這些公司所提供的快速、經(jīng)濟(jì)且高效的互聯(lián)網(wǎng)接入方式是非常寶貴的。例如，“每個(gè)兒童一臺(tái)筆記本電腦”計(jì)劃，它的目標(biāo)是通過(guò)低成本計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)接入來(lái)促進(jìn)世界兒童的教育，現(xiàn)在該計(jì)劃幾乎完全依靠WISP實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入。

像無(wú)線運(yùn)營(yíng)商一樣，WISP一直在尋找更多的頻譜。由于新聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）撥款以及其他頻譜的重新調(diào)整導(dǎo)致更多的可用頻率，WISP爭(zhēng)取納入可運(yùn)行的服務(wù)組合。例如，F(xiàn)CC創(chuàng)建的公民寬帶無(wú)線電業(yè)務(wù)（CBRS）開(kāi)辟了3550至3700MHz之間的頻率以供商業(yè)服務(wù)使用，這些商業(yè)業(yè)務(wù)必須與軍用雷達(dá)和固定衛(wèi)星電臺(tái)共享。然而，WISP行業(yè)并不是唯一一個(gè)倡導(dǎo)在該地區(qū)運(yùn)營(yíng)的實(shí)體，其相對(duì)較低的預(yù)算使其具有比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手更好的影響力。

為了爭(zhēng)取它們，WISP在美國(guó)設(shè)有無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商協(xié)會(huì)（WISPA），在加拿大和其他國(guó)家也有類似的宣傳組織。WISPA擁有800多名成員，其中包括WISP，提供互聯(lián)網(wǎng)接入的電力和電話合作社以及設(shè)備制造商。該組織致力于鼓勵(lì)國(guó)會(huì)制定支持該行業(yè)的法律，提供技術(shù)論壇，并促進(jìn)WISP之間的交流與合作。

從技術(shù)角度看，WISP行業(yè)的持續(xù)增長(zhǎng)將依賴于頻譜的可用性，高效的編碼方案，MIMO，信號(hào)處理硬件的進(jìn)步以及成本的降低。業(yè)界已經(jīng)開(kāi)始采用多種技術(shù)，以擴(kuò)大其覆蓋范圍，同時(shí)提高性能。最近廣受歡迎的一項(xiàng)技術(shù)是使用小型基站，也就是業(yè)界所謂的“micro pops”，這種技術(shù)使得基站更貼近用戶，縮短延遲（這一點(diǎn)對(duì)語(yǔ)音服務(wù)很重要）并且可以優(yōu)化數(shù)據(jù)速率。這些小型基站并不需要依附于塔臺(tái)之上，而是可以放置在任何足夠高且沒(méi)有障礙物的結(jié)構(gòu)上。

典型的WISP可以提供至少10Mbs的數(shù)據(jù)速率和15英里的VOIP電話服務(wù)，，有些還包含衛(wèi)星傳送的娛樂(lè)頻道包。。當(dāng)然，后者在將來(lái)可能不是很有吸引力，因?yàn)殡S著WISP吞吐量的增加，用戶完全可以依靠網(wǎng)絡(luò)來(lái)訪問(wèn)Netflix，Hulu和Amazon等媒體服務(wù)。

結(jié)論

在當(dāng)今競(jìng)爭(zhēng)激烈的通訊行業(yè)中，即使沒(méi)有補(bǔ)貼，沒(méi)有專用網(wǎng)絡(luò)頻段的許可證，并且主要依賴于電話和有線電視公司，WISP依然能夠存活下來(lái)。這是因?yàn)榧词故窃谌丝诿芏群苄〉牡胤?，在傳播寬帶?shù)據(jù)和語(yǔ)音服務(wù)方面，WISP仍然是最經(jīng)濟(jì)的方式。WISP在它們服務(wù)的農(nóng)村社區(qū)也是重要的組成部分，它們可以提供緊急警報(bào)服務(wù)和致力于商業(yè)發(fā)展的服務(wù)。但是不管WISP發(fā)展到多大規(guī)模，他們都將處于劣勢(shì)地位，因?yàn)槠渌臒o(wú)線服務(wù)早已占據(jù)主導(dǎo)地位。