基于5G移动通信网的家庭宽带接入方案

来源 :卫星电视与宽带多媒体 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lion20003
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  【摘要】随着网络技术的不断发展和应用,5G网络的成熟性逐渐提升,其应用范围也越来越广,且应用也越来越稳定,目前已可完承载家庭宽带基础上网业务。尤其是在移动互联网持续发展且高度发达的后4G以及5G时代下,移动宽带的能力基本将5G网络作为有线家庭宽带接入的补充方式,而不是单纯地为家庭宽带业务承载的实现而进行5G站点建设。因此,本文将针对基于5G移动通信网的家庭宽带接入方案进行全面探讨,并在此基础上通过相关测试研究该方案的可行性,提出合理的建议。
  【关键词】5G移动通信网;家庭宽带;IPTV;中国电信
  中图分类号:TN929                    文献标识码:A                     DOI:10.12246/j.issn.1673-0348.2021.13.018
  现阶段,我国家庭宽带所承载的业务主要由两个类型所组成,分别为基础上网业务以及IPTV(Internet protocol television,互联网电视)业务。前者所涵盖的项目较为基础,其中最为典型的是各种能够与宽带网络相连接的智能家用电器,如天猫精灵、小度等等;后者是将互联网、多媒体、通讯等不同技术结合在一起,为家庭用户提供包含却不仅限数字电视业务的多种交互式服务技术,即IPTV技术。IPTV技术和以往传统的有线电视技术相比较具有更多的优势,同时也在传统业务的基础上新增了一些服务性功能,这些服务性功能最主要体现在视频点播、视频直播以及视频回顾等功能上。
  在中国北方地区,中国电信集团有限公司的有线网络资源相比于南方地区而言呈现处明显的匮乏,和南方地区相比,北方地区的电信市场无论是在用户规模还是市场占有率等方面都具有显著的不足。由于网络资源上缺乏先天性优势,必然也会导致业务发展的顺畅度降低,而业务发展的落后以及收入水平的偏低又会进一步成为建设投资不足的重要导火线,久而久之与中国联通之间的差距越拉越远,并陷入以下这种死循环模式:网络资源严重匮乏-业务发展情况不佳-业务收入水平较低-建设投资力度下降-网络资源严重匮乏。尽管这几年,有关部门采用了民营资本引入的方式来缓解投资不足以及发展缓慢等若干问题,并且在工作积极地开展过程中也取得了一些成效,然而整体情况还是呈现持续不良的现象,尤其是在网络资源上略显动力不足。
  现阶段,5G已完全实现了GBPS峰值速率以及100MBPS用户体验速率,在使用体验上基本可以与普通200MBPS家庭宽带体验相提并论,在功能以及用户体验上没有太大的差异。基于这一现状,要想更好地在北方地区这种电信有线接入资源相对匮乏的地方实现5G移动通信网的家庭宽带接入,对5G移动在家庭宽带接入上的可行性进行研究是具有高度必要性的。笔者在这一研究目的的基础上,提出了一个以5G移动通信网为基础的移动通信网家庭宽带接入具体方案,使用户的使用体验得到更进一步提升。
  1. 可行性分析
  要想在家庭宽带接入中应用5G网络,首先需要确保以下两个问题得到解决,首先是网络宽带的速率必须满足家庭宽带的基本需求,至少不低于100Mbps,其次是网络时延必须满足IPTV业务的基本要求,只有同时满足上述两个要求才能够进一步落实这一方案。
  1.1 5G整体能力
  家庭宽带不仅需要涵盖一些基础的业务以及IPTV业务,与此同时也要满足个别用户在VR/AR(Virtual Reality/Augmented Reality,虚拟现实/增强现实)等方面的需求。对于基础上网业务来说,并不需要具备较高的时延能力,然而在宽带方面却具有更高的时延要求;尤其是在IPTV业务以及高清视频业务当中,对于时延能力具有较高的指标。笔者对各大厂商对外公示的5G网络实测数据进行参考分析后得出了以下结论:5G网络能够实现对基础上午业务以及IPTV业务的支持。在目前的所有业务当中,较难满足的部分只有IPTV的时延要求,因此我们需要进一步并更加详细地分析IPTV业务的承载能力。
  1.2 IPTV业务的承载能力
  笔者围绕宽带、时延以及容量三个方面针对5G网络对IPTV业务的承载可行性展开了具体的分析,并得出了以下结论。
  首先,在宽带方面,IPTV业务当中的4K部分单用户如果需要实现稳定上网至少要得到40Mbps的稳定宽带,所匹配的上行速率至少为1Mbps。倘若5G和4G是按照一比一的配比来进行站址建设的,那么5G将只能够在室内的浅层范围内为用户提供1Mbps的边缘速率,如厚度较小的墙壁、窗户边缘等区域,这样将远远无法满足室内区域的深度覆盖。倘若再将25dB的外墙穿透损耗考虑在内,从理论上来看,所建设的5G站址在数量上需要达到4G站址的3.57倍,方可支持1Mbps的上行速率,这样一来,5G站址的建设将耗费巨大的成本,即便如此也仍然无法较好地满足室内网络的深度覆盖。
  其次,在时延方面,IPTV业务所需的时延要求为10ms,而5G网络基本上无法满足IPTV业务在时延上的这一需求。
  最后,在容量方面,IPTV業务的并发率达到百分之六十之多,往往会存在数个用户同时观看电视节目的情况。在这一情况下,通常来说一个能够覆盖20000平方米至2.5万平方米的正常5G小区所能够支撑的并发平均水平约为12路40M的并发,其流量密度与要求相差甚远。尽管从理论上来看,持续不断地增加站址建设密度,使其密度达到10Tbps/km2的程度后可以在一定程度上解决人口密度区域容量较大的问题,满足容量需求,然而这一方案的实施需要在原有基础上大幅提高投资力度,除此之外在住宅小区当中大规模建设5G基站也是不切实际的方案,因此从现实角度来看这一才做不具备可行性。   1.3 家庭宽带承载能力平涂
  通过上面的分析我们可以知道,通过5G网络来承载家庭宽带的基础上网业务是基本可以实现的,尤其是在如今这个互联网快速发展的4G和5G时代中,移动宽带基本上具备了支持大部分情况下基础上网业务的能力,使用5G网络全方位取代有线接入从而来实现IPTV业务,这一操作从技术角度来看虽然只需要突破时延指标这一问题即可解决,然而从操作性来看却是很难完成的,具有较大的难度。总结下来可以得出,在确保5G网络得到优先覆盖的前提条件下,可以使用5G网络来取代有限接入方式从而实现家庭宽带的基础上网业务,然而通过5G网络来完全实现IPTV业务的承载,只有在一些特定的场合与情景中才会加以考虑。
  在我国北方地区,存在严重的5G网络容量冗余的现象,除此之外北方地区的家庭用户数量以及规模较小,也不存在并发率较高的情况,基于北方地区的这些上网特征,有可能将会实现5G网络对IPTV业务的完全性承载,这一项目的具体性能以及可行性范围则需要通过后续的不断测试来进行进一步验证。
  2. 接入测试
  2.1 测试环境
  测试环境英文全称为Stand Alone,缩写为SA。测试终端选用的是华为CPE pro,英文全称为Customer Premise Equipmen,所使用的测试工具有华为IPTV机顶盒、车站12V电视机、Personal Digital Assistant以及掌上电脑、宽带装机测试终端、笔记本电脑、路测、后台分析软件、12V移动电源。
  2.2 测试项目及最终结论
  针对5G承载基础上网业务的测试:我们分别取近点、中点、远点作为三个不同测试点进行单独测试,在三个测试点当中通过天翼云登录来进行文件的上传及下载,都保持正常水平。此外,在三个测试点当中分别进行视频通话,也全程无异常出现,没有出现任何卡顿的现象。
  对三个不同测试点的上行速率以及下行速率进行比较可知,近点以及中点位置的下行速率均能够稳定地维持在500Mbps以上,上行速率也能稳定地维持在90Mbp以上;远点位置的下行速率呈现明显下降,为121.1Mbp,上行速率也明显下降到12.17Mbp。
  5G承载IPTV业务的基本功能测试:在三个不同测试点(近点、中点、远点)分别观看高清和标清直播、高清和4K点播以及节目回放,都没有出现任何花屏现象,卡顿也未出现,此外机顶盒的MOS值也未呈现明显的波动,测试结果显示通过5G网络承载的IPTV业务在质量上具有保障。
  在上文中出现的MOS值,英文全称为Mean Opinion Score,指的是平均意见值,这一指标主要用于描述IPTV业务的质量,MOS值的计算基础主要由以下几个项目构成,分别为丢包率、媒体丢包速率、延时、延迟要素、TCP乱序、IPTV重传、下载速率等,MOS阈值和满分依次为4.0、5.0,该次测试所得到的结果分布在4.6至4.7之间。
  5G承载IPTV业务的门限测试:针对5G网络实施速度限速,在此情况下分别观察标清状态下、高清状态下、4K状态下的直播及点播节目是否出现卡顿以及花屏现象,若出现上述现象,则需要记录当时5G网络的下行速率,此外还需依据上述方式分别观察央视和卫视的直播和点播节目。5G网络在对IPTV业务进行承载的过程中,4K点播业务的速率门限、高清直播业务的速率门限以及标清直播业务的速率门限依次为30Mbps、10Mbps、5Mbps。
  5G和有线接入承载IPTV业务的比较测试:对5G网络实施100Mbp的速度限制,将其与速率相同的家庭宽带放在一起共同负责IPTV业务的承载,并将两者对应的机顶盒MOS值分别记录下来。在相同时间段中对同一个节目源进行播放,对5G网络进行速度限制并将其降低到100Mbp,在此条件下承载IPTV业务,此时记录下机顶盒上的MOS值,为4.6;随后将家庭宽带的速率也调整至100Mbp,在此条件下承载IPTV业务,记录下机顶盒上的MOS值,为4.5。该测试得出以下结论:当5G网络和家庭宽带的速率保持相同水平时,两者在承载IPTV业务时所表现的质量是没有太大差异的。
  3. 测试结论
  3.1 承载能力
  通过上面的测试可以发现,当5G网络处于空载状态时,通过5G网络来承载家庭宽带接入业务基本上能够满足需求,具有较高的可行性,其单用户体验速率以及MOS值都可以支撑家庭宽带用户的基础上网需求以及IPTV需求。
  将我国北方地区某省中国电信网现网家庭宽带用户忙碌状态下的数据进行提取后可以得到上网业务忙碌状态下在线用户的速率平均值是2.35Mbps,试听业务忙碌状态下每个并发用户的速率平均值是6.18Mbps,由以上两组数据可以继续得到该省家庭宽带忙碌状态下用户速率的平均值是4.6Mbps。
  在市区场景中,暂时规定分配小区25%的能力来支持家庭宽带业务的承载,具体可承载108户家庭宽带用户;在农村场景中,则分配小区50%的能力支持家庭宽带业务的承载,可承载216户家庭宽带用户。
  综上所知,为了进一步确保由5G承载家庭宽带业务用户的使用体验,用户发展尽量不要高密度开展。在5G用户的日益增加趋势下,当前的网络承载能力已经越来越难以达到高密度用户的发展要求,需要通过其它手段来缓解各种问题,目前可行性较高的方案有FWA,即千兆固定无线接入。
  3.2 建议应用范围
  在無电信宽带资源的地区:这种地区通常位于一般城区或是一些城郊区域,除此之外还也包含了一些处于城市周边的城中村区域以及街边店铺和办公场所。规模小是以上场景具有的共同特征,需要满足用户在较低成本下的快速接入需求,这些用户的需求主要体现为基础上网业务,很少涉及IPTV业务。因此针对这一对象,可以对附近已设置完成的5G站点进行充分利用,从而来完成100Mbp的接入。在5G手机用户数量还未达到较大规模,即5G建设初期阶段中,这一方案较容易实现,且实施可行性较高。尽管如此,在5G建设初期阶段中,CPE费用相对昂贵,导致投资回收期需要经过较为漫长的过程。   在存在资源却不能进场的地区:这一场景的共同特点是电信资源进入了小区红线外,然而却由于业主、物业以及相关运营商之间的竞争行为导致其不能到达的区域。在一些已被运营商进入的大规模小区中,很难较好地协调业主和物业之间的矛盾,因此这样的小区具有较高的进入难度。针对这一情况,可以尝试将5G网络作为个别用户宽带接入的替代方式,而在此场景中,笔者仍然建议高端用户继续保持传统有线宽带接入模式。
  相比于有线传播方式来说,无线传播方式存在更多的不可控制因素,其传播环境较为复杂。因此,笔者仅从理论层面论述了上述两种场景对5G网络的应用,而具体落地之前需要经过一系列测试和验证,并在此基础上不断优化改进方案,笔者建议通过“一户一议”的方式对这一业务进行推广应用。
  4. 应用展望
  通过5G网络来实現家庭宽带业务的承载是一项长期而复杂的工作,必须在5G网络得到大规模发展部署后才能正式应用,并在大范围内推广。没有必要仅仅以家庭宽带业务承载为目的来新建5G站点,5G网络无法在高密度区域无法完全替代家庭宽带接入方式承载IPTV业务,只能在一定程度上补充有线家庭宽带接入方式的不足,其适用区域主要包含以下两种场景,一种是位于市区当中无法接入有线家庭宽带的小区(如一些由其它运营商单独承保接入的小区)、第二种是拥有较长光纤敷设距离且投资力度相对较高的农村地区。
  待今后5G向毫米波阶段发展时,将会实现R16版本的发布,WRC-19即019年世界无线电通信大会将毫米波的频段确立下来后,uRLLC即超高程度可靠性以及超低程度时延通信和eMBB增强版本条件下的5G速率将能够达到数十Gbp,除此之外其时延也能够达到毫秒级的超低程度,这些技术上的改进都为5G网络对VR/AR业务的承载创造了良好的条件,而5G网络对这些方式的完全性取代也将成为现实。与此同时,在网络技术日新月异的创新与发展下,各种网络技术的应用成本也将得到大幅度降低,相应的网络设备以及VR/AR应用设备在价格上也会得到较大程度的降低,使用户使用成本得到有效控制。由此可见,基于5G移动通信网的家庭宽带接入方案在不久的将来必然可以实现。
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