5G固定無線接入 如何替代光纖接入最后一公里？

　　美國(guó)運(yùn)營(yíng)商Verizon宣稱2017年實(shí)現(xiàn)5G固定無線接入(FWA，fixed wireless access)商用，用于替代光纖接入最后一公里，這個(gè)FWA到底是個(gè)啥?如何組網(wǎng)?效果如何?

　　1 為什么需要FWA?

　　眾所周知，在FTTH建設(shè)中，最后一公里接入是復(fù)雜的環(huán)節(jié)之一，也是最難啃的硬骨頭，有物業(yè)阻撓，二次施工難度大，室內(nèi)布線業(yè)主擔(dān)心損壞裝修等等問題，且后期維護(hù)成本也高。比如，Google Fiber早期由于經(jīng)驗(yàn)不足，在敷設(shè)光纖時(shí)，破壞了人家的花園，經(jīng)常被投訴。

　　FWA由于采用無線接入，建設(shè)成本和維護(hù)成本低、部署敏捷，尤其適用于光纖還未到戶的家庭和中小型企業(yè)。同時(shí)，由于5G速率是4G的10倍到100倍，這也能滿足了家庭寬帶的需求。

　　另外，F(xiàn)WA并非只是替代光纖最后一公里接入，它實(shí)際上同時(shí)滿足了兩種5G用例：固定無線接入和增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶。白天，它可以為附近的移動(dòng)用戶提供高速無線寬帶;夜里，當(dāng)人們下班回家，它可以通過改變波束方向，指向家庭中的FWA終端，為家庭提供高速上網(wǎng)。這使得這一技術(shù)具備擴(kuò)展性和持續(xù)性。

　　事實(shí)上，在很多場(chǎng)景，F(xiàn)WA是唯一選項(xiàng)，比如農(nóng)村地區(qū)和光纖無法到戶的區(qū)域。在發(fā)展中國(guó)家，只有20%的家庭安裝了固定寬帶，F(xiàn)WA，尤其是工作于低頻段(如3.5GHz)的FWA，是剩下的80%的家庭寬帶連接的更好選擇。

　　2 FWA無線組網(wǎng)

　　FWA工作頻段也是目前主要考慮的5G頻段，包括3.5GHz，28GHz，37GHz和39GHz，以及傳統(tǒng)的蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)頻段，并采用大規(guī)模波束賦形和MU-MIMO技術(shù)，提升覆蓋能力，在終端側(cè)(包括室內(nèi)和室外)采用高增益天線。

　　無線側(cè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下...

　　室外部分用綠色表示，室內(nèi)部分用橘色表示。FWA基站(RRU+天線)連接部署于客戶屋頂、掛墻或室內(nèi)的固定無線終端(FWT)，F(xiàn)WT再連接客戶終端設(shè)備CPE，F(xiàn)WT就相當(dāng)于為CPE提供回傳。

　　3 基于5G的FWA應(yīng)用場(chǎng)景試驗(yàn)

　　這是愛立信在一個(gè)郊區(qū)場(chǎng)景下的試驗(yàn)結(jié)果。該郊區(qū)的人口密度為每平方公里1000戶家庭左右，25%的家庭使用4K超高清視頻服務(wù)，網(wǎng)速要求至少在15Mbps以上。

　　本次試驗(yàn)FWA基站(RRU+天線)固定在6米高的電桿上，F(xiàn)WT終端天線部署于屋頂或墻外，周圍的建筑物約4-10米高，同時(shí)，周圍有一些5-15米樹子(易導(dǎo)致信號(hào)衰減)。

　　主要設(shè)備參數(shù)如下：

　　參數(shù)值

　　基站發(fā)射功率35dBm

　　CPE發(fā)射功率30dBm

　　信道帶寬200MHz

　　工作頻段28GHz

　　雙工模式TDD(下行分配比例：57%)

　　試驗(yàn)采用的5G NR技術(shù)，工作頻段為28GHz，信道帶寬200MHz，采用波束賦形和MU-MIMO技術(shù)，天線陣列為8x12交叉極化天線單元。

　　試驗(yàn)結(jié)果表明，在網(wǎng)絡(luò)低負(fù)荷的情況下，區(qū)域內(nèi)大部分用戶的數(shù)據(jù)速率超過800Mbps，只有11%的用戶數(shù)據(jù)速率低于400Mbps，應(yīng)對(duì)需要15Mbps速率的4K超高清視頻綽綽有余。

　　不過，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷上升，由于干擾和排隊(duì)等原因，用戶數(shù)據(jù)速率會(huì)隨之下降。

　　下圖描述了隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷上升，用戶速率分別為大于15Mbps和100Mbps的用戶比例呈下降趨勢(shì)。

　　在這一場(chǎng)景下，每月每用戶的最大流量為5200GB。由上圖可知，在網(wǎng)絡(luò)高負(fù)荷情況下，可滿足95%的用戶數(shù)據(jù)速率大于15Mbps，69%的用戶速率大于100Mbps。

　　進(jìn)一步試驗(yàn)表明，F(xiàn)WT終端天線可以安裝在屋頂，掛墻，也可以安裝于室內(nèi)?？紤]無線信號(hào)穿墻損耗，離基站較近的地方可將FWT終端天線安裝在室內(nèi)或掛墻，離基站較遠(yuǎn)的地方安裝在屋頂。

　　如上圖所示，在站間距為350米區(qū)域內(nèi)，78%的FWT終端天線可安裝在室內(nèi)(通常和CPE集成于一體)，13%的家庭采用掛墻式安裝，而僅有5%的家庭需要將天線安裝在屋頂。

　　5G固定無線接入還可采用高低頻段混合組網(wǎng)的方式，比如3.5GHz和28GHz頻段。3.5GHz提供更好的無線覆蓋，盡管3.5GHz帶寬較小，但大規(guī)模波束賦形和MU-MIMO技術(shù)可提升頻譜效率，可保證3.5GHz提供基本的家庭寬帶連接。

　　對(duì)于28GHz，由于受限于高頻段傳播特性，覆蓋范圍較小，影響其覆蓋的因素主要包括：

　　FWT終端天線的位置

　　周圍建筑和樹的高度和密度

　　基站天線的高度

　　通常，將FWT終端天線安裝在屋頂，終端與基站之間具有更好的視距，效果較好。而如果FWT終端天線安裝在室內(nèi)或掛墻，其覆蓋范圍會(huì)大打折扣。基站天線的高度高于覆蓋范圍內(nèi)的最高的樹子，也將提升小區(qū)覆蓋范圍。

　　4 FWA前傳架構(gòu)

　　FWA的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用C-RAN構(gòu)架，BBU池安裝在中心機(jī)房(CO)，RRU拉遠(yuǎn)和FWA天線集成。

　　FWA網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架圖

　　參考：C-RAN構(gòu)架圖

　　由于與傳統(tǒng)宏基站規(guī)劃相比，F(xiàn)WA要求基站更密集，其密集度是傳統(tǒng)宏站的10倍以上。這樣，網(wǎng)絡(luò)前傳面臨容量的挑戰(zhàn)。所以，需要重新定義BBU和RRU，將PHY、MAC、RLC層從BBU分離下層到RRU，以減小前傳容量。

　　比如，一個(gè)站點(diǎn)服務(wù)25戶家庭，每戶家庭寬帶的最低速率為1Gbps，峰值速率為5Gbps，那么采用4G CPRI接口，每站點(diǎn)需要的前傳容量為40-100Gbps;而如果將PHY層下沉至RRU，每站點(diǎn)需要的前傳容量為10-25Gbps;如果將MAC-PHY層下沉，每站點(diǎn)需要的前傳容量為5-10Gbps。

　　隨著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的演講，5G時(shí)代的移動(dòng)網(wǎng)和固網(wǎng)正在交匯。BBU集中于CO(中心機(jī)房)，為了減小時(shí)延，核心網(wǎng)用戶面下沉至CO，為了減小回傳負(fù)擔(dān)，CO將部署內(nèi)容緩存服務(wù)器，組成一個(gè)個(gè)分布的小型數(shù)據(jù)中心，這為5G FWA應(yīng)用提供了更多想象空間。同時(shí)，5G FWA也可滿足對(duì)時(shí)延和容量需求較高的未來家庭AR/VR應(yīng)用。