密集立體覆蓋：未來(lái)移動(dòng)通信的機(jī)遇和挑戰(zhàn)

宋良宏

摘 要：從移動(dòng)通信的概念出世到目前移動(dòng)通信的大范圍普及，僅僅用了短短幾十年的時(shí)間。如今的移動(dòng)通信已經(jīng)在很大程度上改變了人們的生活方式。在個(gè)人與信息網(wǎng)絡(luò)的連接方面，移動(dòng)通信已經(jīng)成了一條重要的紐帶。在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的今天，通信用戶的密集化，各個(gè)通信業(yè)務(wù)的多元化都大大增加了網(wǎng)絡(luò)在單位面積上所支持的總?cè)萘康男枨?，光靠改良物理層的傳輸技術(shù)和改進(jìn)平面蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已經(jīng)滿足不了用戶對(duì)移動(dòng)通信的這種需求。而密集立體覆蓋它是一種依托在未來(lái)城市的形態(tài)上所產(chǎn)生的新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，它是在平面之外的第3個(gè)維度將頻譜進(jìn)行重復(fù)的利用的方式，而這種方式很可能就會(huì)被這種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)所展現(xiàn)出來(lái)。本篇文章中講述了密集立體覆蓋：未來(lái)移動(dòng)通信當(dāng)中所存在的一些問(wèn)題以及需要去面對(duì)的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：密集立體覆蓋；未來(lái)移動(dòng)通信；5G；機(jī)遇；挑戰(zhàn)

1、前言

信息社會(huì)的發(fā)展與移動(dòng)通信是分不開的?！敖y(tǒng)籌布局新一代移動(dòng)通信網(wǎng)”和“引導(dǎo)建設(shè)寬帶無(wú)線城市”的發(fā)展需求在我國(guó)十二五規(guī)劃的綱要中就已經(jīng)被明確地提出來(lái)了。目前，在移動(dòng)通信的發(fā)展之下，人們真正的過(guò)上了隨時(shí)隨地與其他用戶進(jìn)行互相交流的生活。社會(huì)通信系統(tǒng)不斷更新，各種各樣的移動(dòng)應(yīng)用也相繼地進(jìn)入了人們的生活，再加上各類智能設(shè)備的普及，移動(dòng)用戶的業(yè)務(wù)越來(lái)越豐富多彩。根據(jù)調(diào)查，移動(dòng)數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)量也一直呈現(xiàn)出了直線上升的趨勢(shì)，雖然現(xiàn)在有了移動(dòng)4G的系統(tǒng)，但是在不久的將來(lái)，這種4G系統(tǒng)也必然會(huì)趕不上移動(dòng)業(yè)務(wù)的需求。所以也就對(duì)5G的移動(dòng)通信頻譜效率提出了更高的要求。

2、密集立體覆蓋的機(jī)遇和挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)在部署形式上是依托于二維平面進(jìn)行的，這也就導(dǎo)致了蜂窩網(wǎng)絡(luò)單位面積上的頻譜效率受到了嚴(yán)格的限制。同時(shí)，城市的發(fā)展越來(lái)越接近于立體化，樓層高度在增加，所以單位面積上的用戶數(shù)量也就在增加。但是他們之間又存在著線性的矛盾，這種矛盾間接地導(dǎo)致了平面型的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)適應(yīng)不了城市化發(fā)展的趨勢(shì)。

2.1平面小區(qū)覆蓋立體用戶的方式

而我們?cè)诒酒恼轮兴v到的移動(dòng)通信，這種通信的理論也很好地支持了平面型的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)適應(yīng)不了城市化發(fā)展的趨勢(shì)的這個(gè)結(jié)論。十幾年以前，有人站在信息論的角度上，提出了將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的容量極限要繼續(xù)漸進(jìn)的分析方法。曾經(jīng)也有相關(guān)報(bào)道指出，就算用性能最好的中繼、路由等方法對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的容量極限進(jìn)行擴(kuò)充，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的單位用戶容量也只能隨著用戶數(shù)量的日趨增加而向0靠近。在后續(xù)很多的工作中，雖然都在努力地減小這種靠近0的速度，但是又從電磁理論的角度說(shuō)明無(wú)線網(wǎng)絡(luò)極限容量是受制于物理學(xué)極限容量的控制的。例如，某城市核心區(qū)域的平均樓層總高度大于50 m，而每平方米的投影人數(shù)都在10人以上。當(dāng)用圖1所示的方式對(duì)區(qū)域內(nèi)的用戶進(jìn)行覆蓋時(shí)，單位投影面積里面的用戶數(shù)量一下就會(huì)增加幾倍，甚至十幾倍，而這個(gè)立體城市中每個(gè)用戶的容量將會(huì)隨著區(qū)域覆蓋范圍的增大而在很短的時(shí)間內(nèi)靠近0；但是如果將寬帶的覆蓋范圍加寬，從而保證度用戶的服務(wù)質(zhì)量，那么寬帶的增加是頻譜資源和無(wú)線電技術(shù)所承受不了的。

立體化發(fā)展得城市對(duì)于移動(dòng)通信來(lái)說(shuō)，所得到的結(jié)果是兩方面的，一方面因?yàn)槭褂脩舸罅康鼐奂谝黄穑詭?lái)了用戶平面密集的效應(yīng)，從而使傳統(tǒng)的平面覆蓋方式保證不了移動(dòng)通信對(duì)密集用戶的服務(wù)質(zhì)量；而另一方面它也為移動(dòng)通信的吃醋發(fā)展提供了一個(gè)潛在的發(fā)展機(jī)遇，這個(gè)發(fā)展機(jī)遇就是要讓移動(dòng)通信依托在城市的形態(tài)之上，從而在真正意義上實(shí)現(xiàn)了對(duì)網(wǎng)絡(luò)的立體化部署方式。而移動(dòng)通信它本身就自帶一種立體化，它這種自身所帶的立體化，使移動(dòng)通信可以在覆蓋平面之外的第3個(gè)維度上進(jìn)一步提高覆蓋平面投影上的頻譜效率。

2.2立體部署的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)

立體覆蓋是依托于高層建筑上的，所以這種立體覆蓋可以在不同的高度上對(duì)不同的蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行部署。如下圖2，由于網(wǎng)絡(luò)與建筑之間的距離與無(wú)線的通信信號(hào)呈反比，也就是說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)與建筑物的距離越長(zhǎng)，覆蓋在建筑物上面的無(wú)心通信信號(hào)也就越弱，所以可以在建筑物的垂直維度上重復(fù)地利用頻譜資源，這樣一來(lái)，就達(dá)到了用一個(gè)頻譜的接入點(diǎn)卻覆蓋了不同樓層的用戶，有效地提升了單位面積內(nèi)頻譜的使用效率。而這個(gè)時(shí)候城市的立體化對(duì)于這何種密集式覆蓋方式就帶來(lái)了另一個(gè)機(jī)遇，就是可以在高層建筑上面架設(shè)一種天線，也就是俯視天線，用這個(gè)俯視天線把傳統(tǒng)衛(wèi)星通信中的立體點(diǎn)波束進(jìn)行覆蓋，這種覆蓋方式和平面網(wǎng)絡(luò)中所采用的分扇區(qū)覆蓋的方式的覆蓋原理是一樣的，用這種覆蓋方式也能夠提高無(wú)線通信頻譜的利用效率。

2.3邏輯立體的多層次、多制式覆蓋方式

密集的立體覆蓋方式除了需要面對(duì)物理層的機(jī)遇和挑戰(zhàn)之外，還在根本上改變了網(wǎng)絡(luò)層的架構(gòu)。我們知道，新型的網(wǎng)絡(luò)都是依托在城市的建筑之上的，從蜂窩網(wǎng)絡(luò)天線的分布，到蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍，再到蜂窩網(wǎng)絡(luò)的最佳接入方式著一些都根這種新型的網(wǎng)絡(luò)所要部署的環(huán)境有著不可分割的關(guān)系，所以這種新型的網(wǎng)絡(luò)它的架構(gòu)不能用相同的，而是要在同一個(gè)地理位置上進(jìn)行疊層多個(gè)高度的架構(gòu)的網(wǎng)。對(duì)多個(gè)層次進(jìn)行異構(gòu)架的覆蓋，這種覆蓋模式將會(huì)在物理立體的覆蓋模式之外再產(chǎn)生一個(gè)虛擬的邏輯立體覆蓋。如圖3所示，立體分布式的天線系統(tǒng)和Wifi等多種網(wǎng)絡(luò)用制式層疊的覆蓋方式對(duì)相同的平面區(qū)域進(jìn)行覆蓋，在這當(dāng)中，每一個(gè)系統(tǒng)都可以發(fā)揮自己的優(yōu)勢(shì)，為用戶提供最優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

這種多個(gè)子網(wǎng)絡(luò)的層疊分布，還會(huì)使各個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間的相互耦合和干擾程度加強(qiáng)，也就進(jìn)一步增大了各個(gè)子網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和使用范圍，給未來(lái)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了全新的網(wǎng)絡(luò)頂層設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)管理的優(yōu)化機(jī)遇。

3、結(jié)束語(yǔ)

目前，我們所面臨的趨勢(shì)是城市更加立體化，用戶在不斷地密集化、移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)不斷地多樣化，但是怎么樣在點(diǎn)到點(diǎn)的傳輸逐漸到達(dá)極限的情況下，將單位面積的頻譜效率有效地提升起來(lái)，這個(gè)問(wèn)題也是目前無(wú)線電與移動(dòng)通信方面要一起去解決的非常重要的問(wèn)題。本篇文章重點(diǎn)分析了在目前這種嚴(yán)峻的環(huán)境趨勢(shì)下，一種能夠有效地提升單位面積的頻譜效率的一種新型的網(wǎng)絡(luò)模式，也就是密集立體覆蓋，這種新型的覆蓋模式的架構(gòu)可以依托于城市建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行物理式和邏輯式的組網(wǎng)，在進(jìn)行組網(wǎng)的同時(shí)，也利用了平面之外的第三個(gè)維度對(duì)網(wǎng)絡(luò)的頻譜進(jìn)行重復(fù)利用。

這種密集式立體覆蓋方式為未來(lái)的移動(dòng)通信往5G的發(fā)展方向提供了全新的方向。而關(guān)于5G的移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究目前還處在起步階段，這中間，還需要大量的科學(xué)理論和創(chuàng)新實(shí)踐。而對(duì)密集立體覆蓋：未來(lái)移動(dòng)通信的深入研究，一定會(huì)推動(dòng)大容量的寬帶移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的向前發(fā)展，這也就為未來(lái)移動(dòng)通信無(wú)線電城市的建設(shè)提供了可靠的保障。

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