移動的代價：無線通信有線化

摘要： 采用無線覆蓋的距離來定義用戶的移動性，并以香農(nóng)信息論為基礎(chǔ)，提出了無線通信的移動性代價模型。移動性代價模型的主要意義在于：揭示了移動距離、通信容量和資源代價之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。按照這個模型，可以得出3個主要結(jié)論：無線資源的消耗與距離有關(guān)，應(yīng)當建立合理的通信計費機制；系統(tǒng)容量與覆蓋距離可以相互轉(zhuǎn)化，從而改變系統(tǒng)容量對頻譜資源的依賴關(guān)系；以短覆蓋距離為特征的無線通信有線化將成為提高系統(tǒng)容量的主要方向。

關(guān)鍵詞： 移動性；頻率資源；信道容量；代價函數(shù)

目前，5G移動通信系統(tǒng)的研究已初見端倪，相應(yīng)的頻譜需求預(yù)測研究也同時展開。這一輪新的頻譜訴求，主要是針對即將召開的世界無線電大會（WRC15）。設(shè)備制造商和系統(tǒng)運營商分別從各自不同的角度對未來頻譜需求進行研究判斷，希望能夠在WRC15上為未來的5G系統(tǒng)爭取更大的頻譜空間。比較集中的看法是：到2020年左右，移動通信系統(tǒng)需要新增帶寬1～2 GHz。

在19世紀末和20世紀初的馬可尼時代，無線電成為可用的遠距離通信技術(shù)，早期的頻譜使用并不是問題。實際上，對于頻譜資源的爭奪是近10多年來的事情，并且還伴隨著移動通信系統(tǒng)的廣泛使用而變得愈演愈烈。

作為移動通信系統(tǒng)的用戶，真正需要的是終端和系統(tǒng)所傳輸?shù)男畔⑷萘?，而并不直接關(guān)心所占用的頻譜帶寬。所以，對用戶和系統(tǒng)運營商而言，頻譜需求是現(xiàn)象，容量需求才是本質(zhì)。

電子器件和終端設(shè)備的技術(shù)進步、功能提升和價格下降，參與無線通信的人群持續(xù)增加、無線網(wǎng)絡(luò)提供的業(yè)務(wù)更加豐富，都是頻譜需求愈演愈烈的推動因素。到目前為止，摩爾定律一直有效，半導體工藝水平何時進入發(fā)展的平坦區(qū)尚不得而知。即便摩爾定律不再有效，器件和設(shè)備的制造成本還會下降。所以，流量需求的持續(xù)增加應(yīng)該是常態(tài)。

頻率的自然屬性，決定了適用于移動通信的頻譜供應(yīng)不可避免地將要進入平坦區(qū)。需求持續(xù)增長，供應(yīng)卻趨于飽和，其差距的增長就必然地不可避免。通過改進無線傳輸技術(shù)而提高頻譜的使用效率，在一定程度上可以彌補這一差距，但按照香農(nóng)信息理論能夠提供的新增容量畢竟有限。所以，必須認識和揭示其中趨勢性的基本規(guī)律，以求改變依賴頻譜的容量增長方式。

無線通信與有線通信都是傳輸信息的有效方式。其最大的不同之處在于，用戶使用無線通信系統(tǒng)的地點沒有傳輸線纜的約束，而且可以移動，從而獲得最大程度的靈活性。然而，用戶在獲取無線通信靈活性便利的同時，需要為此付出相應(yīng)的代價。因此，文章從無線通信與有線通信的特征分析入手，提出移動性代價模型，從代價的角度分析移動性與傳輸容量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系[1]。

1 無線信道與有線信道

無線信道與有線信道的共同屬性，都是提供信息的傳輸通道。信道特征的差異完全來自于傳輸介質(zhì)。有線通信的傳輸介質(zhì)是線纜，通常采用玻璃纖維、金屬材料等材質(zhì)制作而成。無線信道的傳輸介質(zhì)是自由空間，在非真空的環(huán)境下會受到大氣、水汽和塵埃等因素的影響。與傳輸距離相比，這些因素的影響比較微弱，在后續(xù)的討論中予以忽略。

有線信道傳輸容量大，信道狀態(tài)穩(wěn)定，路徑損耗低。無線信道傳輸相對容量較低，信道狀態(tài)受環(huán)境的影響很大，路徑損耗低大。所以，信道的差異是無線通信與有線通信差異的根源，見表1。

無線信道除了具有反射、散射、繞射、多經(jīng)疊加和時變等特性外，與傳輸距離相關(guān)的路徑損耗是影響信道容量的主要因素。在自由空間的大尺度衰落下，傳播路徑損耗為

2 移動性代價模型

無線信道的核心價值在于提供通信的靈活性，以移動性表征。在獲取靈活性的同時，需要付出相應(yīng)的代價。合理使用與設(shè)計通信系統(tǒng)，移動性代價是一個應(yīng)當考慮的重要因素。這些代價體現(xiàn)在信道帶寬、通信容量、能量能耗、能量效率等一些因素中。

根據(jù)第1節(jié)中的分析，無線通信最基本的特點是其移動性以及為此必須付出的相應(yīng)代價。香農(nóng)第二定理給出了信道容量、信道帶寬、發(fā)送功率和通信距離之間的關(guān)系。作為系統(tǒng)資源，信道帶寬與發(fā)送功率終歸是有限的，所以香農(nóng)公式實際上已經(jīng)給出了信道容量與通信距離之間的互換關(guān)系。

如果把頻譜功率等系統(tǒng)資源概括抽象為代價，就得到了描述移動性、容量和代價三者之間的關(guān)系。這些分析就是移動性代價概念的來源和模型的基礎(chǔ)[2]。

如果把接收機信噪比用發(fā)送功率、傳輸距離等參數(shù)表示，香農(nóng)第二定理可以表達為，

式中W為信道帶寬，Pt為發(fā)送功率，gout為天線增益，ηPA為功放效率，N0為噪聲譜密度，r為傳輸距離，α為路徑衰減因子。

3 無線資源的合理使用

移動通信運營商對移動用戶的數(shù)據(jù)通信計費，目前通常采用基于通信流量的計費制度。從圖3可以看出，流量計費制度對有線通信沒有問題，因為有線通信對傳輸距離不是很敏感。但是，這種計費方法對無線通信則很不合適。按照代價模型，同樣的傳輸速率下，不同傳輸距離下傳輸代價的差距非常大。

在移動通信廣泛使用的早期，頻譜資源供需矛盾還不是很突出的情況下，以流量為主導的計費方式因為簡單易行尚可以接受。但是，參與通信的人群越多，通信流量越大，通信資源稀缺的矛盾就越突出。在這種情況下，單純的流量計費機制就過于粗放。

因而，出于代價因素的頻譜資源精細化使用就必將成為趨勢。從移動距離的角度看，以公路鐵路為代表的交通運輸系統(tǒng)按照運輸距離收費，與無線通信的移動性代價是相同的原理。按通信的本來價值收費，更重要的意義在于引導正確消費，避免稀缺資源的濫用[3]。

表2給出了在不同覆蓋距離下，無線通信速率與發(fā)送功率之間的一些關(guān)系。

從表2中看出，大尺度覆蓋環(huán)境，高速率使用需要付出巨大的功率代價。大尺度覆蓋與小尺度覆蓋合理分工，在速率使用上相互補充。據(jù)此，一個典型的覆蓋原則是，在廣域的蜂窩覆蓋環(huán)境下主要應(yīng)滿足語音及低速數(shù)據(jù)應(yīng)用需求；而2 Mbit/s以上的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)主要應(yīng)通過熱點覆蓋和局域無線接入來實現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)代價制訂的計費機制，應(yīng)當能夠反映出來對用戶使用無線資源的新導向。

4 無線通信有線化

無線流量需求將繼續(xù)保持持續(xù)增長，這是因為隨著器件和設(shè)備的進步、價格降低，參與通信活動的人群和通信量會持續(xù)增加。從系統(tǒng)側(cè)看，適用于移動通信的頻段是有限的，即便全部提供給運營商使用，頻譜供應(yīng)的持續(xù)增加也不可能維持下去。如果不改變頻譜使用的思路，無線通信頻譜供應(yīng)與需求之間的缺口將愈來愈大，如圖7所示。

受自然屬性的約束，可用頻段增量有限，頻譜供應(yīng)最終將趨于常數(shù)。因此，頻譜帶寬必將成為一個穩(wěn)定的常數(shù)，移動性代價模型同樣可以描述系統(tǒng)容量與頻譜的關(guān)系，可以看成是模型中的代價。按照移動性代價模型，影響系統(tǒng)容量的可變因素就轉(zhuǎn)化為通信距離。根據(jù)式（5），可以通過縮短通信距離來換取系統(tǒng)容量。

無線覆蓋半徑越小，移動用戶就越接近有線網(wǎng)絡(luò)。當可移動半徑趨于零時，無線通信退化為有線通信。無線覆蓋半徑縮小的這樣一種過程，我們稱之為無線通信有線化，如圖8所示。

無線通信縮小覆蓋半徑r來提高系統(tǒng)容量，實際上是利用了空間正交性的頻率復用概念。有線通信通過增加纜線數(shù)量來提高系統(tǒng)容量，也是利用線纜在空間上的正交性。兩者異曲同工，都可抽象為從正交空間獲取容量的倍增，如圖9所示。

縮小無線覆蓋半徑來換取系統(tǒng)容量的增加，主要約束將不再是電波傳播的自然屬性，而是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、干擾控制等技術(shù)約束。從原則上講，只要技術(shù)上能夠做到，覆蓋半徑可以一直縮小下去，系統(tǒng)容量就可以一直提高。這就將自然屬性的約束轉(zhuǎn)換為技術(shù)約束了。技術(shù)進步是可以通過努力得到的，而自然屬性是不可人為改變的。無線通信有線化的核心，是改變依賴頻譜的容量增長方式。

5 結(jié)束語

無線信道特征決定了無線通信過程的靈活屬性，這是無線通信相對于有線通信的核心價值所在。但是，無線系統(tǒng)通信需求為其靈活性特征付出巨大的代價，主要來源于無線信道的衰減特性。在無線通信系統(tǒng)應(yīng)用的早期，參與通信的人群和對通信容量的要求都十分有限，無線資源的矛盾不甚突出。但是，隨著各方面的技術(shù)進步，參與通信的人群和通信容量需求急劇增加，無線資源的供需矛盾變得十分突出，而且愈演愈烈。在這種情況下，對無線資源的精細化管理與使用已成為通信業(yè)界必然的發(fā)展趨勢。

文章采用無線覆蓋的距離來定義用戶的移動性，以香農(nóng)信息論為基礎(chǔ)，提出了無線通信的移動性代價模型。移動性代價模型的主要意義在于，揭示了移動距離、通信容量和資源代價之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。按照這個模型，我們可以得出以下3個主要的結(jié)論：

（1）無線資源的消耗與距離有關(guān)，應(yīng)當建立合理的通信計費機制以遵循無線通信的自然規(guī)律以及價值規(guī)律。

（2）系統(tǒng)容量與覆蓋距離可以相互轉(zhuǎn)化，從而改變系統(tǒng)容量對頻譜資源的依賴關(guān)系。

（3）在新頻譜資源增長進入平坦區(qū)的情況下，以短覆蓋距離為特征的無線通信有線化將成為提高系統(tǒng)容量的主要方向。

對于移動通信系統(tǒng)而言，可用的頻段有限，頻譜資源的約束是一種無法逾越的自然約束。根據(jù)移動性代價模型提出的無線通信有線化方向，將移動性轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)容量，所面臨的主要是技術(shù)約束。技術(shù)約束是可以通過技術(shù)進步而獲得一些重大的突破，與頻譜資源的自然約束有著根本的不同。

當前，長期演進（LTE）已經(jīng)全面進入商用階段，LTE-A以及未來的5G能夠提供更強的無線傳輸能力。但是必須指出的是，系統(tǒng)能夠提供的傳輸能力與能力的使用不應(yīng)當劃等號。合理分配使用無線資源重要程度僅與資源使用者的人群數(shù)量有關(guān)，使用的人越多，合理性的就越重要。因此，盡管LTE及未來傳輸技術(shù)有能力為用戶在廣域的移動范圍提供更高的傳輸速率，但并不意味著在這樣的環(huán)境下使用高速的無線資源就是合理的。

所以，從無線通信技術(shù)的發(fā)展看，一方面可以繼續(xù)沿著提高速率的方向增強傳輸能力，另一方面在系統(tǒng)的使用上應(yīng)著力解決不同區(qū)域覆蓋下的資源分配與網(wǎng)絡(luò)融合，以適應(yīng)不同用戶的不同速率需求。

4 無線通信有線化

無線流量需求將繼續(xù)保持持續(xù)增長，這是因為隨著器件和設(shè)備的進步、價格降低，參與通信活動的人群和通信量會持續(xù)增加。從系統(tǒng)側(cè)看，適用于移動通信的頻段是有限的，即便全部提供給運營商使用，頻譜供應(yīng)的持續(xù)增加也不可能維持下去。如果不改變頻譜使用的思路，無線通信頻譜供應(yīng)與需求之間的缺口將愈來愈大，如圖7所示。

受自然屬性的約束，可用頻段增量有限，頻譜供應(yīng)最終將趨于常數(shù)。因此，頻譜帶寬必將成為一個穩(wěn)定的常數(shù)，移動性代價模型同樣可以描述系統(tǒng)容量與頻譜的關(guān)系，可以看成是模型中的代價。按照移動性代價模型，影響系統(tǒng)容量的可變因素就轉(zhuǎn)化為通信距離。根據(jù)式（5），可以通過縮短通信距離來換取系統(tǒng)容量。

無線覆蓋半徑越小，移動用戶就越接近有線網(wǎng)絡(luò)。當可移動半徑趨于零時，無線通信退化為有線通信。無線覆蓋半徑縮小的這樣一種過程，我們稱之為無線通信有線化，如圖8所示。

無線通信縮小覆蓋半徑r來提高系統(tǒng)容量，實際上是利用了空間正交性的頻率復用概念。有線通信通過增加纜線數(shù)量來提高系統(tǒng)容量，也是利用線纜在空間上的正交性。兩者異曲同工，都可抽象為從正交空間獲取容量的倍增，如圖9所示。

縮小無線覆蓋半徑來換取系統(tǒng)容量的增加，主要約束將不再是電波傳播的自然屬性，而是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、干擾控制等技術(shù)約束。從原則上講，只要技術(shù)上能夠做到，覆蓋半徑可以一直縮小下去，系統(tǒng)容量就可以一直提高。這就將自然屬性的約束轉(zhuǎn)換為技術(shù)約束了。技術(shù)進步是可以通過努力得到的，而自然屬性是不可人為改變的。無線通信有線化的核心，是改變依賴頻譜的容量增長方式。

5 結(jié)束語

無線信道特征決定了無線通信過程的靈活屬性，這是無線通信相對于有線通信的核心價值所在。但是，無線系統(tǒng)通信需求為其靈活性特征付出巨大的代價，主要來源于無線信道的衰減特性。在無線通信系統(tǒng)應(yīng)用的早期，參與通信的人群和對通信容量的要求都十分有限，無線資源的矛盾不甚突出。但是，隨著各方面的技術(shù)進步，參與通信的人群和通信容量需求急劇增加，無線資源的供需矛盾變得十分突出，而且愈演愈烈。在這種情況下，對無線資源的精細化管理與使用已成為通信業(yè)界必然的發(fā)展趨勢。

文章采用無線覆蓋的距離來定義用戶的移動性，以香農(nóng)信息論為基礎(chǔ)，提出了無線通信的移動性代價模型。移動性代價模型的主要意義在于，揭示了移動距離、通信容量和資源代價之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。按照這個模型，我們可以得出以下3個主要的結(jié)論：

（1）無線資源的消耗與距離有關(guān)，應(yīng)當建立合理的通信計費機制以遵循無線通信的自然規(guī)律以及價值規(guī)律。

（2）系統(tǒng)容量與覆蓋距離可以相互轉(zhuǎn)化，從而改變系統(tǒng)容量對頻譜資源的依賴關(guān)系。

（3）在新頻譜資源增長進入平坦區(qū)的情況下，以短覆蓋距離為特征的無線通信有線化將成為提高系統(tǒng)容量的主要方向。

對于移動通信系統(tǒng)而言，可用的頻段有限，頻譜資源的約束是一種無法逾越的自然約束。根據(jù)移動性代價模型提出的無線通信有線化方向，將移動性轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)容量，所面臨的主要是技術(shù)約束。技術(shù)約束是可以通過技術(shù)進步而獲得一些重大的突破，與頻譜資源的自然約束有著根本的不同。

當前，長期演進（LTE）已經(jīng)全面進入商用階段，LTE-A以及未來的5G能夠提供更強的無線傳輸能力。但是必須指出的是，系統(tǒng)能夠提供的傳輸能力與能力的使用不應(yīng)當劃等號。合理分配使用無線資源重要程度僅與資源使用者的人群數(shù)量有關(guān)，使用的人越多，合理性的就越重要。因此，盡管LTE及未來傳輸技術(shù)有能力為用戶在廣域的移動范圍提供更高的傳輸速率，但并不意味著在這樣的環(huán)境下使用高速的無線資源就是合理的。

所以，從無線通信技術(shù)的發(fā)展看，一方面可以繼續(xù)沿著提高速率的方向增強傳輸能力，另一方面在系統(tǒng)的使用上應(yīng)著力解決不同區(qū)域覆蓋下的資源分配與網(wǎng)絡(luò)融合，以適應(yīng)不同用戶的不同速率需求。

4 無線通信有線化

無線流量需求將繼續(xù)保持持續(xù)增長，這是因為隨著器件和設(shè)備的進步、價格降低，參與通信活動的人群和通信量會持續(xù)增加。從系統(tǒng)側(cè)看，適用于移動通信的頻段是有限的，即便全部提供給運營商使用，頻譜供應(yīng)的持續(xù)增加也不可能維持下去。如果不改變頻譜使用的思路，無線通信頻譜供應(yīng)與需求之間的缺口將愈來愈大，如圖7所示。

受自然屬性的約束，可用頻段增量有限，頻譜供應(yīng)最終將趨于常數(shù)。因此，頻譜帶寬必將成為一個穩(wěn)定的常數(shù)，移動性代價模型同樣可以描述系統(tǒng)容量與頻譜的關(guān)系，可以看成是模型中的代價。按照移動性代價模型，影響系統(tǒng)容量的可變因素就轉(zhuǎn)化為通信距離。根據(jù)式（5），可以通過縮短通信距離來換取系統(tǒng)容量。

無線覆蓋半徑越小，移動用戶就越接近有線網(wǎng)絡(luò)。當可移動半徑趨于零時，無線通信退化為有線通信。無線覆蓋半徑縮小的這樣一種過程，我們稱之為無線通信有線化，如圖8所示。

無線通信縮小覆蓋半徑r來提高系統(tǒng)容量，實際上是利用了空間正交性的頻率復用概念。有線通信通過增加纜線數(shù)量來提高系統(tǒng)容量，也是利用線纜在空間上的正交性。兩者異曲同工，都可抽象為從正交空間獲取容量的倍增，如圖9所示。

縮小無線覆蓋半徑來換取系統(tǒng)容量的增加，主要約束將不再是電波傳播的自然屬性，而是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、干擾控制等技術(shù)約束。從原則上講，只要技術(shù)上能夠做到，覆蓋半徑可以一直縮小下去，系統(tǒng)容量就可以一直提高。這就將自然屬性的約束轉(zhuǎn)換為技術(shù)約束了。技術(shù)進步是可以通過努力得到的，而自然屬性是不可人為改變的。無線通信有線化的核心，是改變依賴頻譜的容量增長方式。

5 結(jié)束語

無線信道特征決定了無線通信過程的靈活屬性，這是無線通信相對于有線通信的核心價值所在。但是，無線系統(tǒng)通信需求為其靈活性特征付出巨大的代價，主要來源于無線信道的衰減特性。在無線通信系統(tǒng)應(yīng)用的早期，參與通信的人群和對通信容量的要求都十分有限，無線資源的矛盾不甚突出。但是，隨著各方面的技術(shù)進步，參與通信的人群和通信容量需求急劇增加，無線資源的供需矛盾變得十分突出，而且愈演愈烈。在這種情況下，對無線資源的精細化管理與使用已成為通信業(yè)界必然的發(fā)展趨勢。

文章采用無線覆蓋的距離來定義用戶的移動性，以香農(nóng)信息論為基礎(chǔ)，提出了無線通信的移動性代價模型。移動性代價模型的主要意義在于，揭示了移動距離、通信容量和資源代價之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。按照這個模型，我們可以得出以下3個主要的結(jié)論：

（1）無線資源的消耗與距離有關(guān)，應(yīng)當建立合理的通信計費機制以遵循無線通信的自然規(guī)律以及價值規(guī)律。

（2）系統(tǒng)容量與覆蓋距離可以相互轉(zhuǎn)化，從而改變系統(tǒng)容量對頻譜資源的依賴關(guān)系。

（3）在新頻譜資源增長進入平坦區(qū)的情況下，以短覆蓋距離為特征的無線通信有線化將成為提高系統(tǒng)容量的主要方向。

對于移動通信系統(tǒng)而言，可用的頻段有限，頻譜資源的約束是一種無法逾越的自然約束。根據(jù)移動性代價模型提出的無線通信有線化方向，將移動性轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)容量，所面臨的主要是技術(shù)約束。技術(shù)約束是可以通過技術(shù)進步而獲得一些重大的突破，與頻譜資源的自然約束有著根本的不同。

當前，長期演進（LTE）已經(jīng)全面進入商用階段，LTE-A以及未來的5G能夠提供更強的無線傳輸能力。但是必須指出的是，系統(tǒng)能夠提供的傳輸能力與能力的使用不應(yīng)當劃等號。合理分配使用無線資源重要程度僅與資源使用者的人群數(shù)量有關(guān)，使用的人越多，合理性的就越重要。因此，盡管LTE及未來傳輸技術(shù)有能力為用戶在廣域的移動范圍提供更高的傳輸速率，但并不意味著在這樣的環(huán)境下使用高速的無線資源就是合理的。

所以，從無線通信技術(shù)的發(fā)展看，一方面可以繼續(xù)沿著提高速率的方向增強傳輸能力，另一方面在系統(tǒng)的使用上應(yīng)著力解決不同區(qū)域覆蓋下的資源分配與網(wǎng)絡(luò)融合，以適應(yīng)不同用戶的不同速率需求。