分析：卫星与WiFi的集成应用

宝哥-9296

2007年07月12日 《卫星与网络》杂志
目录：本文概要地从技术上讨论了新天公司卫星WiFi的集成应用，分析了这种集成应用的可能性和适用范围，得出了存在进一步发展机会的结论。
王琦 刘玉安 金霞
WiFi通常被用来为用户提供最后一公里的IP链接。这一经由卫星的IP提供方式，目前已广泛地部署。卫星和WiFi这两种技术在“盒外”兼容，不需要特殊的操作或特殊的配置。因为建立了基本的兼容，两种技术的结合可使双方利益得到最大化。这样就能够实施这种经过仔细挑选的、非常适合卫星和WiFi长处的应用了。
卫星与WiFi集成的主要应用：宽带应用：为没有DSL或电缆业务的用户提供宽带因特网接入业务；远程“热点”(Hot-Spots)：为没有与地面因特网链接的移动用户和临时用户提供宽带因特网接入业务。
这两种应用分别代表了固定和移动市场。两种应用的基础设施相似：一套提供因特网链接的卫星VSAT终端和一套当地无线局域网。这些设施允许多个用户接入VSAT提供的业务。
任何寻求开发卫星与WiFi的集成应用的业务机会，需要考虑3个关键问题：使所服务的用户对象数量最大化；使服务于这些用户的设施成本最小化；保证这一机会具有产生收益的能力。
1 卫星与WiFi的集成应用
卫星与WiFi的集成应用能启动应用单个技术不能提供很好服务的新型市场。
(1)卫星允许WiFi“热点”配置在地面因特网链接因价格或根本就达不到的地方；
(2)WiFi能降低卫星方案每个用户的成本，进入更多的对价格敏感的市场，这些市场的传统卫星业务价格昂贵。
1.1 卫星因“热点”而获益
WiFi业务提供商配置的“热点”通常使用DSL、光缆或租借线路连接至因特网“热点”。卫星能允许“热点”在没有地面网络的地区提供业务。
(1)运动场所：位于山地的滑雪场等，通常没有DSL或光缆；
(2)渡假胜地：这是一个有吸引力的产业，通常位于远程地区，不能与地面网络链接。此外，光缆和电缆的安装影响环境。使用卫星链接能提供对环境更友好的方案；
(3)特别事件：用于短期事件，电缆的安装可能比事件的经历过程要长。临时应用的例子包括音乐会、体育事件或应急业务。
卫星在广阔的覆盖范围内提供了相同的业务。因为这一原因，卫星技术为海上舰船提供通信服务已有很长的时间了。VSAT能够在移动的舰船上建立“热点”。
(1)舰船：巡航的海员们可在甲板上进行移动通话；
(2)货车：在旅途上可用电子邮件进行联络；
(3)火车：这在技术上更困难，因为舰船不用过隧道。让旅客们不必忍受长途的折磨，这是一个诱人的市场。加拿大已经在某些铁路沿线配置了此业务。
货车和火车尤其有意思。条件优裕的商人们在路上非常愿意使用确实保证生意不被延误的业务，关键是这些管理设备的成本必须物有所值。
卫星的传统优势在于广播应用。没有数量限制的观众能够接收单一发射。卫星能够比地面设施更有效地交付广播内容至WiFi“热点”。
(1)音视频流媒体：新闻、体育或音乐会能流畅地传输至“热点”客户。WiFi用户能够在咖啡馆中一边喝着卡布奇诺，一边看着网球、足球、高尔夫球；
(2)“热点”定制内容：航空“热点”能提供飞行和天气信息给备有WiFi设备的旅客。
1.2 WiFi为卫星宽带带来益处
与每个用户都配置卫星终端相比较，卫星与WiFi的集成应用对于终端用户来说降低了交付业务的成本。这一更低成本方案能让卫星业务与WiFi的集成技术应用于传统卫星方式过于昂贵的领域。主要的应用是对农村地区提供宽带接入。
基于卫星的技术在农村宽带市场中没能成功的主要原因是成本太高。农村地区宽带市场的每个用户，要求明显降低安装和运营费用。链接到因特网的卫星VSAT，加上当地接入的多个WiFi用户，能够降低市场所要求的每个用户的费用。
在这种配置中，作为因特网网关的VSAT通过卫星提供了从当地网到因特网的链接功能。一个当地无线局域网允许一组用户共享这一卫星网关。
降低成本的关键因素是：
(1)使用低成本设备：开放标准的制式设备，产生了大量的产品。相比于传统的WiFi应用，使用802.11b设备极大地降低了设备成本；
(2)每个网关的用户数量最大化：更大的用户存储区降低了每个用户的设备成本。用户基本面的扩大也比单个链接时更加有效。关键问题是拓展WiFi设备的标准，以便单个VSAT服务所有的村庄。
农村电话的发展是上个世纪90年代卫星产业的重点，所得出的结论是VSAT+无绳电话是最好的农村应用。农村人口一般分布在村庄及周边，在1~5km的范围内。一个使用无线当地环网方案用于最后一公里链接的VSAT能为整个村庄提供业务。无绳电话在河流附近等电缆架设有困难的地方具有优势，可提供更稳定的链接。这一产业方案发展到了一套VSAT、一套无线当地环网基站、一套完全安装在一根10m柱子上的太阳能系统的集成方案。此方案容易安装，克服了建筑物的障碍，也很安全。农村宽带提供商能够容易地使用VSAT和802.11b接入点这一方式。
2 技术问题
2.1 扩大覆盖范围
标准的802.11b使用制式设备可提供室外200~400m的范围。这一范围可通过提高发射机的功率和换一个高增益天线而得到扩大。
最大的范围受发射功率(EIRP)的限制。各类管理机构限制了2.3GHz波段使用802.11b进行发射的功率水平。这些限制显示在表1中。

地区或国家	EIRP限制
美国	4W(36dBm)
EMEA(欧洲、中东和非洲)	100mW(20dBm)
中国	10mW(10dBm)

表1 发射功率限制

制式设备的典型的功率如下。
超过100mW的放大器并不实用，这是因为低产量而导致折价格增高。需要扩大覆盖范围时，建议使用更高增益的天线，以保证成本不致太高。好的同向天线、八木天线和碟型天线只有100美元或更低。
2.1.1 更高功率的发射机
大多数802.11b卡和接入点使用的是输出功率为40mW的设备。这一功率可推广到接入点的所有范围。值得注意的是，一个节点更高功率放射机可提高节点的发射能力，却并不有助于接收能力。在这种情况下，接收机的灵敏度成为限制因素。
高功率发射机的要点如下。
(1)安装：高功卡或接入点不比低功率方案需要更多的安装。更高增益的发射机也能放大标准发射机输出；
(2)成本：高功率WiFi设备一般是标准WiFi设备价格的2~3倍；
(3)功耗：在太阳能应用等低功率的条件下，更高功率发射机要求更多的直流功率输入；
(4)使用更高功率发射机的优点是容易安装和搬动，但需要增加开销和功耗。
2.1.2 外部天线
外部天线可以用来提高WiFi节点发射功率。不同类型的天线能提供不同的特性。
(1)各向同性天线(Isotropic)：在三维上的幅射功率均相等。同向天线没有增益，常用于其它类型天线的比较参考。没外接天线的笔记本卡使用的就是同向天线；
(2)全向天线(Omni Directional)：幅射功率在二维度上形成两个圈。这是最普通的外接天线类型，大多数的接入点和PCI卡使用就是小型全向天线。全向天线通常用于中心网关节点，让用户能在任何角度接入网络；
(3)定向天线(Directional antenna)：以非常窄的电波提供高增益。此类天线必须仔细地对准目标，应用在点对点或点对多点网络的远端节点处。碟型天线(Dish)和八木天线是两种常用的定向天线，很容易获得高达24dB的增益。
使用外部天线时，让WiFi设备与天线的电缆损耗降至最小很重要。使用质量较差的电缆时，损耗3dB的情况非常容易出现。应该使用低损耗电缆，然而高质量电缆的价格又高。降低损耗的另一种方法是尽可能地将电缆长度限制在1m之内，这样需要将接入点安装在塔顶。长电缆尽可能地使用在以太网或USB电缆等对损耗不敏感的情况下。
2.1.3 覆盖范围的性能
根据数据速率和功率发射的限制条件，很容易就能够将点对多点网络的覆盖范围拓展1~5km。配备了外部天线的标准WiFi设备很容易就实现这些距离。
典型的最大化的性能：
(1)在11Mbit/s时，EMEA的限制范围是800~1200m；
(2)在2Mbit/s时，EMEA的限制范围高达2.5km；
(3)在11Mbit/s时，US的限制范围是7~10km。
实际所达到的覆盖范围取决于几个不定因素，包括干扰、链路边际、阻塞、天线精确定位，以及接收机的灵敏度。
考虑覆盖范围大的天线而不是功率强大的天线，这种出发点是对的。更广覆盖范围要求天线安装位置高，以防止来自建筑物、山、树的阻塞和干扰。而高塔比WiFi设备自身要昂贵许多。
2.1.4 网状技术
在网状网络中，每个用户能与接入点进行通信，也能直接与其他用户进行通信。如果用户出了覆盖区，还可通过中间用户链接至接入点。
这种不需要借助更高功率或外接天线就能拓展网络的方式具有优势。其限制条件是在形成传递链的不同用户间必须是直线视距，如果一个中间终端出现了故障，那么所有通过这个终端的其它用户都将断线。实际上，从任何用户或接入点“跳”的数量应该保持在三“跳”。
网状产品尚未普遍地提供，但可“免费”进行覆盖范围的扩展。
2.2 用户管理
为了保证用户对服务付费，无线网络运营商必须有控制用户接入网络的办法。这一任务通常通过用户管理系统来完成，该系统能够提供AAA功能。
2.2.1 基于社区的方案
社区网络的特点是用户长期按月付费。这一方案的目的主要是为了防止非当地无线社区成员用户的接入，而不是实现复杂的计费方式。在农村地区，地理环境和远程特性都能有效地保护没有得到认证的用户。使用许多接入点已有的WEP或WPA加密或者MAC地址限制等安全特征功能，能够实施简单的接入控制。也相对容易就可以看见未经认证的用户是否在系统上。这些并不是最安全的方式，只是成本要求低或根本就没有，而且不需要特殊的技术技能就能实施。
基于更大社区的网络，通常实施的是入网门户方案。入网门户方案改发了用户至登录页面的内容。一旦用户登录并得到认证，就可接入至因特网。这一方案的优势在于依赖更高层次来接供接入控制，WEP/WPA的功能就可放弃了，并简化了用户和接入点的兼容性和配置。
为了保证可用的通流量，单一信道的用户的最大数量应该不超过20~30个。如果接入点的可用覆盖范围为2.5km，就相当于每公里1~1.5的用户密度。
2.2.2 微型ISP或“热点”
“热点”的特点是能够更好地控制因许多用户同时使用而形成的信号不稳定，以及严格的控制接入。通常用户会为了使用数个小时而临时付费，系统必须能够迅速地认证新用户。像D-Link的“热点”网关这样的简单系统，为临时“热点”用户产生用户名和口令提供了简单方案。这种模式特别适合机场、旅馆、度假胜地和特别事件等临时应用，以及并不经常应用“热点”的人们。
2.2.3 多站点服务提供商
多站点的“热点”应用要求更复杂的方式，这种方式的用户经常访问“热点”。需要建立一个中心用户数据库，以使能让远程“热点”的认证得到接入。由于支持更广泛的服务器和用户，RADIU系统时常应用于这种通信方式。一旦用户接入“热点”，他们的链接就直接出现在登录屏上。当地接入点与中央RADIUS服务器进行联系认证。如果登录成功，用户就被认定已接入网络。
3 特殊应用
可以预见，许多卫星与WiFi的集成应用的应用被人们用于特殊市场。也许其中每个市场很小，但整体上看它们却代表了收益和增长的真正机会。
3.1 捆绑业务
固定业务能从捆绑因特网的其它业务中获利。单独的因特网接入的提供，能产生丰厚的收益来补偿设施的成本。在某些与因特网接入的捆绑业务中，可以提供足够多的额外收益来证明方案的正确性。
与因特网接入捆绑的最显而易见的例子是话音业务。IP电话能让一个单独的基于IP的WiFi网络既能提供因特网业务，又能提供话音业务。因为WiFi设备比传统的WLL的成本要低，也就有使用VoIP+WiFi的纯农村电话的案例。
此网络也能用来交付视频和音频的流媒体内容。这些内容包括国际新闻、地区内容、天气预报，或者针对合适用户群的农讯、渔讯报告。
3.2 网吧+宽带接入
许多发展中国家的网吧使用VSAT来提供经由卫星的因特网链接。这种网吧能通过使用WiFi网络提供因特网接入至当地业务而获取额外的收益。因为不需要在建筑物间架设电缆，因此无线接入比有线接入具有优越性。而架设电缆有可能得不到批准，甚至在架设完成后，仍会遭到盗窃或毁坏。在这些情况下，无线较传统的有线方式更具安全性。
WiFi分发网络也能通过无线链接至VSAT中心站，而让网吧拓展至临近的村镇。
预计无线用户的数量不大，不会经常地变动，因此简单的安全和管理方式是合适的。
3.3 特别事件
卫星新闻采集(SNG)时常用来提供特别事件的电视覆盖，包括体育、音乐会或突发新闻事件，为卫星提供视频上行，因为为临时使用而安装地面设施并不现实。在特别事件中，时常还需要因特网链接。配有WiFi的已有卫星链接，能为因特网接入提供临时“热点”。
因为用户的临时性，WiFi是此类应用的最佳选择。备有WiFi功能PDA的临时用户能在休息时检查电子邮件。配有笔记本电脑的记者们能近似实时地记录新闻。这些用户代表着更高一些的收益，他们也非常愿意为其网络的接入付费。
必须建立用户管理系统来接收信息卡和其它付费方式。一个集成的热点网关就很理想，这是因为并不需要更多的操作。
3.4 加入已有网络
WiFi能用来为已有的VSAT网络提供更多的功能。这一方式通过利用已有设施，使得方案的实施成本最小化。
加油站就是一个好例子，可以使用已有的VSAT网络来提供基于WiFi的电子邮件到车辆。加油站时常使用VSAT来支持信用卡交易。这一链接可用来提供因特网接入。增加WiFi接入点，能让备有笔记本或PDA的车辆在加油时观看电子邮件。加油站是非常有竞争力的行业，提供无线业务能提供竞争优势，并保证能带来更大利润的顾客。
4 结论
通过以上分析可以看出，卫星和WiFi的集成应用在今后具有很大的机会：一是VSAT能帮助WiFi拓展至地面网络达不到的市场；二是WiFi的本地接入通过提高每个VSAT的更多的用户，能提高卫星宽带的应用；三是特殊应用能开发出移动和快速配置等技术能力；四是WiFi能为已有的卫星应用提供新的收入资源。
在卫星和WiFi存在基本兼容的今天，必须认真地针对特殊应用度身订制出覆盖的范围和用户管理功能。提供卫星与WiFi的集成应用的集成方案，使得系统集成和不断改进的硬件和软件应用存在着机会。随着更多的无线接入设备的配备，不久的将来，这些应用的需求将会进一步提高。另外，特殊应用价格将降低，WiFi将获得更广泛的认可。

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