3G网络与WLAN协同规划之探讨

1 WLAN技术发展概况

WLAN是一种无线局域网技术，主要指IEEE 802.11标准系列。自1997年问世以来，WLAN技术在不断发展演进中，速率持续提高，从802.11b的11 Mbit/s到802.11a/g的54 Mbit/s，直至802.11n的300 Mbit/s。网络安全性能不断提高，除了WPA、802.11i安全标准外，我国也在无线局域网国家标准GB 15629.11-2003中提出了采用WAPI机制来实现无线局域网的安全。覆盖范围也从室内小范围视距内覆盖到室外大范围热区覆盖，以至于组建无线城市，如802.11s标准。无线网络的可管理性继续增强，设备配置管理、终端平滑切换等特性相继引入，网络性能也逐步具备了QoS、切换、漫游等移动性管理功能，如802.11e、802.11r、802.11f等标准。无线接入设备也从小规模组网的自主管理型FAT AP向大规模组网的集中管理型FIT AP+AC发展。近几年来，在国际巨头INTEL等的推动下，普通笔记本电脑也内置了Wi-Fi上网功能，WLAN技术得到了广泛应用，特别是企业、宾馆酒店等的无线宽带互联网接入。WLAN设备的价格也不断下降，1个AP只要1 000元左右，很多家庭也自购AP进行无线上网。

由于WLAN技术具有低成本、高速率、布设灵活的特点，WLAN组网逐步从热点、热区，向无线城市方面发展。自2004年7月美国费城首次提出了基于802.11b标准的“无线费城计划”，全球在建和规划中的无线城市已经超过1 000个，国内也有诸多无线城市的应用案例。例如杭州华数，和杭州市政府合作，利用WLAN技术组建了无线城市，除了市民无线上网应用外，主要服务于政府行业应用，如无线城管停车收费系统、公安交警无线应用(现场事故信息回传、视频监控回传)、公众交通应用等。运营商也越来越关注WLAN技术。国内早在2002年就由中国电信推出名为“天翼通”的Wi-Fi无线网络服务，原中国网通也推出了“无限伴旅”无线互联网接入服务，中国移动WLAN业务于2003年8月正式推出，业务品牌为“随e行”，提供GPRS+WLAN双模方式，面向商务人士和企业用户。2008年，中国移动在6大奥运城市进行了大规模的WLAN建设。

自2008年5月24日国内电信行业重组以来，特别是2009年1月7日，工业和信息化部批准了中国电信、中国移动和中国联通的3G业务经营许可，国内三大基础电信运营商正式进入了全业务运营时代。移动数据业务，特别是移动互联网业务，将是3G业务的主要内容之一。在3G时代， WLAN技术凭借其低成本、高速率的特点，将再次在3G网络建设和业务应用中发挥独特的作用。

2 国内3G网络建设的挑战

经过2009年1年时间的建设，三大运营商的3G网络将初具规模，具备在全国范围内提供3G业务的能力。随着3G网络的建成，三大运营商的3G业务竞争将进一步加剧，3G用户和3G业务将迅速提升，移动数据业务收入占比日益增大，并成为进一步发展的关键。与2G时代不同，除了语音业务外，3G更注重移动数据业务，移动互联网将成为移动通信发展的新趋势，数据业务流量迅速增长。例如，欧洲成熟的3G运营商中，移动数据业务已经占总流量的80%以上，语音业务则少于15%。随着3G数据业务的不断增长，国内3G网络建设将面临新的挑战。

2.1 用户需求无限性和无线资源有限性之间的矛盾

使用移动数据业务的用户，特别是一些下载类和视频类业务，总是希望速率越高越好，然而无线资源是有限的，特别是频谱资源和站址资源，并不能无限地满足用户的需求。频率资源是发展移动通信业务的重要资源，表1为国内三大电信运营商移动通信频率分配现状表。从表1可知，中国移动拥有243 MHz频率资源，扣除2 300～2 400 MHz频率，有143 MHz频率资源。扣除PHS频率资源，中国联通拥有62 MHz频率资源，中国电信拥有50 MHz频率资源。为了克服多径干扰，支持高速移动性，移动通信的编码调制效率远低于有线通信。依据现有3G技术，在广覆盖、快速移动和多径的环境下，小区下行平均吞吐量的频谱效率大致为1 bit/s/Hz。就中国联通而言，可用的WCDMA频率仅为15×2 MHz，即使全部利用，单小区下行平均吞吐量也就15 Mbit/s左右，而该小区的覆盖范围可以高达几平方公里，覆盖的用户成千上万。基于PON的FTTH家庭有线宽带，单个家庭普遍具备提供大于20 Mbit/s的下行带宽能力。因此，和有线宽带相比，移动宽带能力还是十分有限的。有限的频谱资源，不足以完全承担热点区域的高速数据业务，不足以满足用户的无限需求。

除了无线频谱外，站址获取也是个巨大挑战。3G网络普遍工作在2.1 GHz附近，频段高、覆盖能力弱、基站半径小。为了提升网络覆盖、改善网络质量、增加网络容量，除了利旧现有2G基站站址外，必然还需要更多的站址。然而在现实环境中，站址获取十分困难，特别是在居民住宅区内。

2.2 3G数据业务分布的非均衡性

相比于2G时代的语音业务和低速数据业务，3G数据业务的分布更不均衡。这既体现在地域分布上，也反映在用户之间。为什么更不均衡呢?这是业务特点和使用习惯所导致的。语音业务的特点是人与人之间的互动，人的时间是有限的，语音业务的传输速率也是有限的。3G数据业务，既可以人人互动，如视频会议，也可以人机互动，如视频游戏，还可以机机互动，如后台下载类业务、M2M业务，时间不受限制。数据速率既可以是低速的，也可以是网络能提供的最高速率(如BT下载类)。

表2是某市采用EV-DO数据业务的统计分析。从表2可知，载波流量分布符合2/8原理，即高流量的载波占了20%左右。这反映了3G数据业务地域分布的不均衡性。

表2 某市某日EV-DO载波流量分析

表3为某市某日用户流量分布的统计分析。从表3可知，55%的用户仅占了总流量的4%，而4.6%的用户却占了43%的流量，这也反映了3G业务在用户之间分布的不均衡性。

3G数据业务分布的非均衡性，将导致无线资源难以和业务分布相匹配，这必然影响网络质量，造成基站忙闲不均，无线网络利用率下降。2G时代，某些省(市)的GSM无线网络利用率已经达到70%以上。3G时代，数据业务比例越高，无线网络利用率将越低。

3 3G技术与WLAN技术对比

针对高速移动数据业务需求，3G技术显得力不从心，而LTE、4G技术的成熟和产业化，还需漫长时间。因此，在3G时代，利用WLAN技术来增强3G网络的高速数据业务能力，作为3G网络的有力补充，消除热点区域数据业务高峰，不失为一个有效的解决方案。

表4对3G技术和WLAN技术的性能和经济性进行了对比分析。表4中WLAN指802.11a/g标准，扩容成本不包含基础配套设施(如机房、铁塔、电源、传输等)，仅考虑了新增主设备的价格。用户实际体验速率和网络质量、业务分布直接相关(表4中数据仅供参考)。从表4可知，就局部热点而言，WLAN的扩容成本最低，不到3G成本的3%。因此，WLAN的优点是造价低，布设灵活，不需要机房、铁塔和空调等基础配套设施。然而，和3G技术相比，WLAN也存在诸多不足。

表4 3G技术和WLAN技术的比较

a) 由于使用免许可的ISM频段，运营商不能形成一方专用的频率，多方均可自由使用同一频率，因此不能通过频率的区分形成互不干扰的多方共存，有可能存在严重的频率干扰，网络质量不稳定，QoS难以保证。

b) ISM频段作为公共资源受到保护，WLAN设备必须受ISM规范的约束，不允许突破限制(如发射功率)来改善性能。因此WLAN覆盖范围小，不支持中高速移动，切换时延长。

c) 设备兼容性弱，设备的可管理性和稳定性还有待提高，网络安全也有待进一步提高。

尽管标准不断提升改善，也具备了一定的移动性，但WLAN本质上是一种无线局域网技术，只有针对特定的场合，WLAN才能发挥低成本、高速率的优势。就广覆盖可移动性而言，WLAN完全没有优势。利用WLAN进行大面积室外城市覆盖，需要投入数量巨大的AP，而AP的前端又是有线光纤传输网，布放大量AP不仅建设成本高，而且维护成本更高。研究数据表明，采用WLAN覆盖1 km2商业区的建设成本比采用3G技术的高3倍以上，运维费用则更高。

鉴于3G数据业务分布的非均衡性，以及无线网络资源的有限性，在3G网络建设和运营过程中，可利用WLAN低成本、高速率和布设灵活的优点，在公共热点区域建设WLAN，有效分流3G数据流量，消除3G数据流量的高峰。热点区域WLAN的建设既减轻了3G网络的负荷，也促进了3G业务分布的均衡性，有利于降低3G网络建设成本，提升3G网络质量和用户体验。因此，3G和WLAN应统筹兼顾，取长补短，协同规划建设。

4 3G网络与WLAN协同规划

尽管WLAN具有低成本、高速率和灵活布设的优点，但如上所述，WLAN也有诸多致命弱点，不足以组建一个独立的、连续的移动网络。因此，WLAN应作为移动蜂窝网络的有效补充，和3G网络的室内分布系统结合起来，在公共热点区域布设，把WLAN的低成本、高速率、灵活布设的优势与移动网的广覆盖规模优势结合(见图1)。

移动网络和WLAN分工定位如下：

a) 2G网络：以承载语音为主，并承载部分低速数据，全覆盖。

b) 3G网络：以承载中高速数据为主，重点在密集市区、普通市区以及重要的交通干道，广覆盖。

c) WLAN：以承载高速数据为主，覆盖重要公共热点区域，分流3G网络的热点数据流量，降低网络建设成本，改善用户体验。

3G网络的建设目标是建成广覆盖、无缝切换的移动网络，为用户(特别是手机终端用户)提供大范围连续的高、中、低速移动业务。WLAN以公共热点覆盖为主，既作为固网宽带的延伸，也作为3G网络的有力补充，为用户(特别是笔记本电脑用户)提供热点区域的高速数据接入业务，分流3G网络的热点数据流量，降低网络建设成本，改善用户体验。

在3G网络建设过程中，运营商应建立WLAN与3G协同规划机制，结合网管系统流量分析数据，在3G数据流量集中的热点区域进行有针对性的WLAN布设。

a) 3G已覆盖区域：WLAN规划时应利用网管统计数据，对于数据流量大的热点，优先建设WLAN。

b) 3G未覆盖区域：若存在WLAN热点，应及时规划3G网络建设。

c) 3G与WLAN均未覆盖区域：利用2G移动网管统计数据，对于在线用户较多、业务流量较低的区域，优先考虑进行3G覆盖;若笔记本电脑用户较多，或业务流量较高时，则应同时建设3G网络和WLAN提升用户体验。

d) 新建或升级改造现有室内分布系统时，统筹考虑2G、3G以及WLAN的接入需求。

e) WLAN应作为运营商现有城域数据网的延伸扩展部分，不应单独组网，不应改变现有城域网的拓扑结构。

WLAN建设的关键是获取物业业主的支持和配合。由于WLAN工作在ISM频段，只有取得业主的支持和配合，才能控制频率干扰，确保网络质量。WLAN建设模式可以多种多样，除了自主建设外，还可以和业主合作建设利益分成，甚至租赁业主已经建成的WLAN。除了取得业主支持和配合外，在一些公共热点区域，如机场候机楼，三大运营商应相互协作，避免WLAN相互干扰。

目前从WLAN技术演进本身以及行业应用而言，WLAN技术有一种从室内热点覆盖向室外大范围连续覆盖，甚至组建无线城市方面发展的趋势。尽管近几年来兴起了建设无线城市的热潮，然而WLAN技术本身并不适合多径、非视距及移动性的室外传播环境。从全世界范围来看，利用WLAN建设和运营无线城市，投资大、运维成本高、缺乏赢利模式，鲜有成功案例。国内三大电信运营商应利用3G+WLAN技术来建设无线城市，如中国移动在厦门建设无线城市的技术模式，3G网络广覆盖，WLAN重点覆盖公共热点区域，并作为3G网络的有效补充，对运营商而言，不建议部署大范围的成片连续室外WLAN，更不应当采用WLAN技术来组建无线城市。

5 充分发挥WLAN的作用

尽管国内三大电信运营商都已建设了很多WLAN覆盖热点，WLAN热点数量超过15万个，然而使用效果并不理想，WLAN覆盖热点的数据流量不大，还无法有效地分流3G数据流量。因此，除了大力建设WLAN覆盖热点外，还需要多方面努力，充分发挥WLAN的作用，作为3G网络的有力补充。

首先，应在市场宣传和资费政策上引导用户多使用WLAN。WLAN无线宽带业务的资费应大大低于3G无线宽带业务的资费，引导用户优先选择WLAN;同时，加大市场宣传力度，提升WLAN业务在公众的认知程度。

其次，优化客户端登录界面，实现无线宽带上网自动登录，简化登录步骤，WLAN热点覆盖区域内优选WLAN信号，具备在WLAN异常中断后能够自动重新建立连接的功能，向用户提供无缝切换的体验。

最后，大力支持国家WAPI标准，推动产业链建设，积极发展包含WLAN功能的多模终端，包括上网卡。只有更多的终端具备了WLAN接入功能，才能更充分地发挥WLAN的作用，更有效地分流3G网络热点区域的数据流量。