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5G时代,高校网络如何建设(上篇)

  引言

  Wi-Fi 6和5G,将要给高校的无线网络建设带来什么变化?5G时代,高教的无线网络,该怎么来建设?

  本文主要阐述在3G、4G乃至即将到来的5G时代,针对高校网络建设,锐捷如何通过移动通信网和Wi-Fi网络实现“连接融合、联合部署”。本文将分上下两篇进行阐述。上篇从技术的角度,比较Wi-Fi 6和5G,剖析其技术背后的需求设计;下篇通过分析高校中典型的场景模型,给出网络建设的建议。

  今天为您呈现的是上篇。

  1、无线协议的三国江湖

  最成功的三种无线通信方式

  从1900年左右马可尼提出无线电,到今天已经超过120年,整个无线通信发展出非常多的技术。这个过程中有几十种无线通信技术,而最成功这三种,形成了一个无线通信的三国江湖。移动通信网(城市级网络)、无线局域网(楼宇级网络)和无线个域网(房间级网络)。  

  ▲ 无线协议的三国江湖

  移动通信

  移动通信,从90年代CSM开始到2G、3G、4G以及5G 发展下来,就是运营商在城市里,布了一个大家都可以共享的无线网。到2018年,移动通信网已经具有80亿以上的用户,而每年新增的终端有15亿以上,到5G时代这个数字会更多。

  Wi-Fi通信

  无线局域网最成功的技术就是Wi-Fi,第一代的Wi-Fi 1(11b),在1997年诞生。解释一下,Wi-Fi以前被称为11b、11a、11g、11n和11ac,都是用字母来代号。2018年,Wi-Fi联盟统一成用数字代号,也就是所谓的Wi-Fi 1直到Wi-Fi 6。Wi-Fi 6在2018年正式开始产品商用。截止到2018年,Wi-Fi类的终端存量有130亿以上,包括我们使用的每一部的手机、平板电脑、每部PC,还有更多智能设备。每年新增的Wi-Fi终端的数量超过40亿个,是地球上人类的2/3。

  蓝牙通信  ‍

  无线个域网最成功的技术叫蓝牙,蓝牙也是在90年代开始推出了第一代,持续更新到蓝牙5.0。截止2018年,蓝牙的设备终端已经超过150亿个,主要用在蓝牙耳机、蓝牙音箱、鼠标键盘等个人应用上,每年增长的终端超过50亿个。未来也会广泛存在的三国江湖基于这三种技术的终端,其存亡数量和新增数量基本上可以达到地球上的人类每人一个,这个数量决定了这三种技术不可能会消亡。未来很长的一段时间内,这些终端仍然会广泛存在于大众的生活和生产中。这些技术现在已经发展到五到六代,这也说明这些技术非常成功,也非常成熟。未来,无线技术在这三条路上一定依然以这三种协议和技术为主,不会出现谁替代谁的情况。

  2、5G的主要技术

  5G特性

  5G的特性非常多,这里提取几个关键特性。见上图,分别是eMBB(具备超大带宽的网络)、mMTC(超大连接的物联网)和uRLLC(高可靠低时延的网络)。5G 这两年非常热,现在也变成国家的一个战略。其实,5G并不是一个横空出世的技术,也不算是一个突破型的技术。实际上,5G就是大家非常熟悉的4G技术的一个延续性更新。它采用的一些关键技术,基本上是4G技术的提升。比如说频宽,4G频宽是20兆,而5G现在开放的频段是100兆;比如说天线,4G典型的是4发4收或者8发8收,到了5G是64发64收;另外,5G还有更高的调制解调技术。

  5G带来的想象力

  5G信号处理的技术使得它的整个带宽变得非常高,但5G真正革命性的地方并不在于它的带宽变高、上网更更快。真正的革命性的技术在于下面两个,这给我们的生活带来非常多的想象力:

  Mmtc,超大连接的物联网,它可以支持百万级的物联网终端连接,针对全球网、全国网、城市网络类的,比如水表、电表、燃气等的抄表,比如共享单车、智能井盖、智能路灯等都可以用到。uRLCC,高可靠低时延网络,主要面向生产类和自动驾驶类的应用。例如,无人驾驶汽车技术,未来就需要承载在这样的一个网络上,才能满足各种瞬息万变的路况和突发情况,并能作到实时响应;还包括,生产车间的实时控制以及港口会控制部分自动化的设备,例如塔吊、机器人等,这些都需要低时延的无线网络来承载。

  5G是国家战略

  所以,5G是一个国家战略,要一直推广,这并不仅仅是让老百姓更快上网;而是,超大连接的网络以及超低时延的网络,会给整个社会的自动化带来非常大的促进和变革。

  3、5G产业链现状和预测

  ▲ 5G产业链现状和预测

  从标准看

  5G的产业链的现状和预测如何?从标准的角度来看,2019年,大带宽接入的标准已经成熟了。而且2019年会做预商用,运营商已经在一些城市里陆续进行性能测试,为正式商用做准备。而后面的两个网络标准,则会在2020后完成。

  从终端看

  预测到2020年,共用上网的5G网络会实现小规模的商用,而且2020年真正可量产的5G手机会上市。到2021年,基于5G网络的上网服务将会开始普及,5G的手机也会规模上市。当然,到2021年,5G手机可能只会占到差不多20%,主要在一些高端手机上,而2022年之后,5G手机会成为主流。

  运营商的节奏

  国内的三大运营商,目前都在响应国家的号召建设5G网络。2018年的时候,工信部就分配了5G频率给移动、电信、联通。2019年,三大运营商都会预商用,而且工信部会发布牌照,从而开启规模部署的商用节奏。

  2020年和2021年,5G的应用主要以室外的宏站为主,满足一些城市或者整个城市级的应用。运营商的部署,也会以先满足信号的覆盖、满足街道街区,包括一些机场、火车站等公共区域的覆盖为主。而真正要做到室内全方位覆盖,需要等到2022年以后,到时候会采用室内小基站,作为5G的室内覆盖方案。

  这就是整个5G产业链和5G网络部署的节奏,可以看出,5G网络的建设投入会非常巨大。4G整个基站的投入是数万亿级,而5G的频率更高,覆盖范围更小,部署基站的投入可能会达到4G的3-5倍。所以,运营商会分阶段分步骤来实施。

  4、Wi-Fi 6的5个关键新技术

  ▲ Wi-Fi 6技术特性

  Wi-Fi 6是新一代的Wi-Fi,引入了五个关键的新技术:

  1024QAM(更高速率的调制),它带来的改善是进一步提升极限带宽。上一代Wi-Fi 4,理论上能达到1.7G的连接速率,这里指的是极限带宽。到Wi-Fi 6之后,极限带宽可以达到4.8个G。OFDMA(正交频分多址),这是从4G技术引入Wi-Fi的一个技术,它解决了多用户传输的均衡性问题,使得多用户通信更有序,从而提升Wi-Fi的体验和效率。8*8的天线UL/DL MU-MiMO(多用户多进多出)技术,使AP同时可以和更多的终端用户进行通信,更大地提升并发带宽和系统容量。BSS-Color(空间复用技术),解决高密场景下多AP部署时,AP和AP之间如何减少干扰、达到最大信道空间复用率的问题,从而提升整个网络带宽。智能节电方案TWT(目标唤醒时间),这个技术用于各种物联网终端。很多物联网终需要依靠电池供电,面临能耗问题。让一块电池使用一年或两年甚至更长,就是这个技术的目标,这个技术可以使很多种物联网的设备用Wi-Fi(更高速)通信。

  5、Wi-Fi 6的产业链状况和预测

  ▲ Wi-Fi 6 产业链现状和预测

  从标准看

  2019年 Wi-Fi 6的AP出货量会占到20%,在中高端的客户场景,会变成主流选择。而高教也是Wi-Fi 6最主要的行业客户之一。到2020年,Wi-Fi 6会全面取代Wi-Fi 5, 成为整个企业网建设的主流,出货量会占到50%以上,而且会成为基础网络建设的标准。回顾一下从Wi-Fi 5(802.11ac)诞生,到它完全替代上一代Wi-Fi 4(802.11n),在三年的时间内,基本上在教育行业完成替代。Wi-Fi 6节奏跟Wi-Fi 5基本类似。

  从终端看

  一般对于新通信标准的应用,手机会最早发布。2019年2月,三星在全球首发了一款Wi-Fi 6手机。小米也在2月底发布了小米9,搭载了Wi-Fi 6的芯片。2019年9月,苹果发布的新iphone,一定会搭载Wi-Fi 6。2019年,主流的芯片厂商都会推出Wi-Fi 6的手机芯片组,而手机厂商也都会在旗舰手机上导入Wi-Fi 6。2020年,Wi-Fi 6基本变成主流。

  6、5G和Wi-Fi 6的特性对比

  ▲ 覆盖和性能的综合对比

  适用场景

  5G的场景以室外为主,考虑的是广覆盖、连续性和可移动性;Wi-Fi 6的场景以室内为主,考虑的是近距离、高密度覆盖、和高性能。

  从覆盖和性能上的综合对比

  1、信号和频宽

  从信号和频宽上看, 5G使用256QAM的调制方式,以及100兆赫兹的单载波频宽。相比较而言,Wi-Fi 6采用了1024QAM的调制方式以及最高160MHz的单载波频宽。可以看出,Wi-Fi 6采用的调制技术和频宽,都比5G高很多。这是因为它的距离近。5G考虑大范围的距离,Wi-Fi则主要考虑10m-20m的覆盖范围。因此,近距离下的传输带宽非常高。

  2、调度方式

  从调度方式看,5G采用的是基站来总负责协调,用基站的核心网络,去指挥大量的终端。而Wi-Fi 6则采用了协调+竞争的方式,Wi-Fi 5以前完全是竞争,AP和终端经常会出现不均衡,终端一多整个带宽就不足。这就是大家经常在万人大会上看到信号很强但是无法通信的原因,就因为Wi-Fi 5是完全竞争,大量的竞争冲突使得传输效率急速降低。Wi-Fi 6则引入了OFDMA,AP可以协调终端的收发行为,让整网的传输更有序,最大可能的减少冲突。

  3、吞吐性能

  理论速率,5G可以到20G,Wi-Fi 6可以到10G,这中间的差别主要是因为5G最高可以支持64个天线,而64发64收的天线会非常非常大,这使得它主要用在室外。典型的室内单台设备类型,5G的吞吐会在1.5G到2G,不可能都使用那么大的天线。大部分室内部署小基站,一般是4*4,它的带宽是1.5G-2G。Wi-Fi是4T4R,典型的性能也在1.5G-2G。所以,单设备的性能差不多。

  4、覆盖范围

  再看单设备的覆盖范围,5G 的一个室外基站的覆盖是公里级,在室内一般会采用小基站或者室分系统。为了降低覆盖成本,5G单个容量小区的覆盖范围在五千到一万平米,差不多一层到两层楼的范围。Wi-Fi 的1个AP可以覆盖一个大会议室,或者一个大办公室的几个房间,每个AP提供单独容量,它的覆盖范围差不多是500-1000平米。在室内,Wi-Fi和5G的单小区覆盖范围差不多差十倍。这样部署的结果是,虽然单小区的性能差不多,但是平均到每个平米和平均到每个人头上,5G的性能可能只有Wi-Fi性能的五分之一到十分之一。所以,5G首先满足的是广覆盖而非高带宽。

  5、个人体验

  5G的体验相比4G,肯定覆盖更广,移动性会非常好,个人体验将再也感觉不到漫游。而劣势就如刚才的分析,当人员密集的时候,5G分配到每个人身上的带宽并不多,一万平米一个基站,一个点几个G ,如果人多到上千的情况下,使用体验就明显下降了。

  而Wi-Fi的优劣势,刚好和5G相反互补,其优点在于高密度下的高带宽。Wi-Fi的另外一个优势是省电。用4G访问网络,时间稍长,手机就会很烫,电池刷刷往下掉,用Wi-Fi则会省电很多。Wi-Fi的劣势在于需要认证,而且是私有网,覆盖不连续的。就像学校的Wi-Fi,一出学校就没有了,不会像5G那么连续。

  从建设和管理上的综合对比

  ▲ 建设和管理的综合对比

  1、网络管控

  从网络建设的管理权来看,5G的建设和管理权都是运营商负责和主导,业主(高校)只能有使用权。而Wi-Fi则是私有网络,业主完全具备建设权、管理权和使用权。

  2、建网标准

  从建网标准来看,运营商在建网时首先考虑的是其收益导向,不保证业主的投资收益比。而Wi-Fi网络是业主的业务导向,有什么业务,由自己来制定建网的标准。

  3、部署方式

  从部署方式来看,如果使用5G,学校的业务基本上都要部署在公网或者云端,即使部署在内网也必须要有一个公网的地址从外面访问进来,所有的数据都要通过公共网来过一遍。部署Wi-Fi的话,整个业务都可以部署在内网、局域网里。从经验来看,业主一定会有大量的私有网络资源需要访问和被访问。

  4、部署时间

  5G的部署时间遵循运营商的部署计划,运营商首先考虑的是室外的部署,学校是不是在整个建设的计划范围内,其实并不能掌握;而Wi-Fi则完全自主,业主能自行掌握计划。

  5、部署地点

  部署的地点,运营商从收益角度考虑,一般是部署在人流密集的地方;还有有一些比较偏僻的场所,比如说实验室、科研基地等,人不多但是很重要,运营商就不见得会部署。学校里也有这样的地方,4G的信号覆盖不到。Wi-Fi 6完全可以去自己按照需要来部署。

  6、终端支持

  从终端的支持来看,手机应用4G已经完全普及。5G预计判断到2020至2024年才会慢慢普及。而PC和Pad对运营商的支持要慢更多。比如,现在内置4G功能的笔记本电脑仍然不超过20%;而智能办公,比如智能投屏的大屏、一些语音智能办公设备,目前也看不到支持4G或者5G。Wi-Fi在这几类产品上才是标配。未来两到三年,Wi-Fi 6一定会变成这类设备的主流。

  以上是从技术的角度比较Wi-Fi 6和5G的需求和应用,至于具体如何基于5G与Wi-Fi 6技术在校园场景中建设网络,且听下回分解。

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