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
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, 达到更优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, 三星在全球发布了一款 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.
来源: http://network.51cto.com/art/201907/598914.htm