密集立体覆盖：未来移动通信的机遇和挑战

宋良宏

摘 要：从移动通信的概念出世到目前移动通信的大范围普及，仅仅用了短短几十年的时间。如今的移动通信已经在很大程度上改变了人们的生活方式。在个人与信息网络的连接方面，移动通信已经成了一条重要的纽带。在经济快速发展的今天，通信用户的密集化，各个通信业务的多元化都大大增加了网络在单位面积上所支持的总容量的需求，光靠改良物理层的传输技术和改进平面蜂窝网络架构已经满足不了用户对移动通信的这种需求。而密集立体覆盖它是一种依托在未来城市的形态上所产生的新型的网络架构，它是在平面之外的第3个维度将频谱进行重复的利用的方式，而这种方式很可能就会被这种新型的网络架构所展现出来。本篇文章中讲述了密集立体覆盖：未来移动通信当中所存在的一些问题以及需要去面对的问题。

关键词：密集立体覆盖；未来移动通信；5G；机遇；挑战

1、前言

信息社会的发展与移动通信是分不开的。“统筹布局新一代移动通信网”和“引导建设宽带无线城市”的发展需求在我国十二五规划的纲要中就已经被明确地提出来了。目前，在移动通信的发展之下，人们真正的过上了随时随地与其他用户进行互相交流的生活。社会通信系统不断更新，各种各样的移动应用也相继地进入了人们的生活，再加上各类智能设备的普及，移动用户的业务越来越丰富多彩。根据调查，移动数据的业务量也一直呈现出了直线上升的趋势，虽然现在有了移动4G的系统，但是在不久的将来，这种4G系统也必然会赶不上移动业务的需求。所以也就对5G的移动通信频谱效率提出了更高的要求。

2、密集立体覆盖的机遇和挑战

传统的蜂窝状网络在部署形式上是依托于二维平面进行的，这也就导致了蜂窝网络单位面积上的频谱效率受到了严格的限制。同时，城市的发展越来越接近于立体化，楼层高度在增加，所以单位面积上的用户数量也就在增加。但是他们之间又存在着线性的矛盾，这种矛盾间接地导致了平面型的网络已经适应不了城市化发展的趋势。

2.1平面小区覆盖立体用户的方式

而我们在本篇文章中所讲到的移动通信，这种通信的理论也很好地支持了平面型的网络已经适应不了城市化发展的趋势的这个结论。十几年以前，有人站在信息论的角度上，提出了将无线网络的容量极限要继续渐进的分析方法。曾经也有相关报道指出，就算用性能最好的中继、路由等方法对无线网络的容量极限进行扩充，无线网络的单位用户容量也只能随着用户数量的日趋增加而向0靠近。在后续很多的工作中，虽然都在努力地减小这种靠近0的速度，但是又从电磁理论的角度说明无线网络极限容量是受制于物理学极限容量的控制的。例如，某城市核心区域的平均楼层总高度大于50 m，而每平方米的投影人数都在10人以上。当用图1所示的方式对区域内的用户进行覆盖时，单位投影面积里面的用户数量一下就会增加几倍，甚至十几倍，而这个立体城市中每个用户的容量将会随着区域覆盖范围的增大而在很短的时间内靠近0；但是如果将宽带的覆盖范围加宽，从而保证度用户的服务质量，那么宽带的增加是频谱资源和无线电技术所承受不了的。

立体化发展得城市对于移动通信来说，所得到的结果是两方面的，一方面因为使用户大量地聚集在一起，所以带来了用户平面密集的效应，从而使传统的平面覆盖方式保证不了移动通信对密集用户的服务质量；而另一方面它也为移动通信的吃醋发展提供了一个潜在的发展机遇，这个发展机遇就是要让移动通信依托在城市的形态之上，从而在真正意义上实现了对网络的立体化部署方式。而移动通信它本身就自带一种立体化，它这种自身所带的立体化，使移动通信可以在覆盖平面之外的第3个维度上进一步提高覆盖平面投影上的频谱效率。

2.2立体部署的移动通信网络

立体覆盖是依托于高层建筑上的，所以这种立体覆盖可以在不同的高度上对不同的蜂窝网络进行部署。如下图2，由于网络与建筑之间的距离与无线的通信信号呈反比，也就是说，网络与建筑物的距离越长，覆盖在建筑物上面的无心通信信号也就越弱，所以可以在建筑物的垂直维度上重复地利用频谱资源，这样一来，就达到了用一个频谱的接入点却覆盖了不同楼层的用户，有效地提升了单位面积内频谱的使用效率。而这个时候城市的立体化对于这何种密集式覆盖方式就带来了另一个机遇，就是可以在高层建筑上面架设一种天线，也就是俯视天线，用这个俯视天线把传统卫星通信中的立体点波束进行覆盖，这种覆盖方式和平面网络中所采用的分扇区覆盖的方式的覆盖原理是一样的，用这种覆盖方式也能够提高无线通信频谱的利用效率。

2.3逻辑立体的多层次、多制式覆盖方式

密集的立体覆盖方式除了需要面对物理层的机遇和挑战之外，还在根本上改变了网络层的架构。我们知道，新型的网络都是依托在城市的建筑之上的，从蜂窝网络天线的分布，到蜂窝网络覆盖的范围，再到蜂窝网络的最佳接入方式着一些都根这种新型的网络所要部署的环境有着不可分割的关系，所以这种新型的网络它的架构不能用相同的，而是要在同一个地理位置上进行叠层多个高度的架构的网。对多个层次进行异构架的覆盖，这种覆盖模式将会在物理立体的覆盖模式之外再产生一个虚拟的逻辑立体覆盖。如图3所示，立体分布式的天线系统和Wifi等多种网络用制式层叠的覆盖方式对相同的平面区域进行覆盖，在这当中，每一个系统都可以发挥自己的优势，为用户提供最优质的服务。

这种多个子网络的层叠分布，还会使各个网络之间的相互耦合和干扰程度加强，也就进一步增大了各个子网络的规模和使用范围，给未来的移动通信网络带来了全新的网络顶层设计和实时管理的优化机遇。

3、结束语

目前，我们所面临的趋势是城市更加立体化，用户在不断地密集化、移动数据业务不断地多样化，但是怎么样在点到点的传输逐渐到达极限的情况下，将单位面积的频谱效率有效地提升起来，这个问题也是目前无线电与移动通信方面要一起去解决的非常重要的问题。本篇文章重点分析了在目前这种严峻的环境趋势下，一种能够有效地提升单位面积的频谱效率的一种新型的网络模式，也就是密集立体覆盖，这种新型的覆盖模式的架构可以依托于城市建筑的结构进行物理式和逻辑式的组网，在进行组网的同时，也利用了平面之外的第三个维度对网络的频谱进行重复利用。

这种密集式立体覆盖方式为未来的移动通信往5G的发展方向提供了全新的方向。而关于5G的移动通信系统的研究目前还处在起步阶段，这中间，还需要大量的科学理论和创新实践。而对密集立体覆盖：未来移动通信的深入研究，一定会推动大容量的宽带移动通信网络的向前发展，这也就为未来移动通信无线电城市的建设提供了可靠的保障。

参考文献：

[1]陈巍，王东明，王家恒等密集立体覆盖：未来移动通信的机遇和挑战[J].电信科学，2013，29（26）：2-9.

[2]溫素清，潘勇.未来十年我国移动通信运营商面临的机遇和挑战[J].中国统计，2013，（05）：11-13.

[3]张平，崔琪楣，侯延昭等移动大数据时代：无线网络的挑战与机遇[J].科学通报，2015，60（21）：433-438.

[4]翟阳阳，杜菁，潘清等4G移动通信技术对医学院校计算机教学模式的机遇与挑战[J].中国医疗设备，2015，30（18）：70-72.

[5]崔秀国，刘翔，操时宜等光纤通信系统技术的发展、挑战与机遇[J].电信科学，2016，32（05）：34-43.endprint