關于移動通信終極形態的部分思考

唐友喜+李晨興+邵士海

中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：1009-6868 （2017） 03-0045-005

摘要：從網絡側及用戶側兩個方面，提出了未來移動通信的終極形態表現形式與功能。認為移動通信走向終極未來的過程也是一個不斷標準化的進程，結合當前第5代移動通信（5G）的發展，指出信息燈的基礎建設標準化是逼近移動通信終極形態的關鍵技術，需要重點發展及完善。

關鍵詞：移動通信；收斂；信息燈

Abstract：In this paper， the ultimate form and functions of the future mobile communications are proposed from the perspectives of network side and user side. It is believed that the development of the mobile communications is also a standardisation process. For fifth generation mobile communications（5G）， the infrastructure construction standardisation of information lamp is pointed out as the key technology to be developed. In this way， the future mobile communications should be enabled to approach its ultimate form.

Key words： mobile communications； convergence； information lamp

經過30余年的發展，移動通信從第1代移動通信（1G）發展到現在正在使用的第4代移動通信（4G）：

（1）1G解決了人類移動通信的有無問題。采用模擬電路技術，實現電磁信號的發射與接收；采用蜂窩網狀結構解決頻率資源緊缺的矛盾。

（2）第2代移動通信（2G）解決了人類移動通信基本業務的穩定性問題。采用信道編譯碼與數字調制解調等數字電路技術，解決了基本業務的電磁信號發射與接收的穩定性問題；采用時分多址方式，相對于1G進一步提高了頻譜的使用效率。

（3）第3代移動通信（3G）解決了人類移動通信的中速業務穩定性問題。采用Turbo信道編譯碼及擴頻調制解調等技術，解決了中速業務電磁信號發射與接收的穩定性問題；采用碼分多址方式，進一步提高了網絡的頻譜使用效率。

（4）4G解決了人類移動通信高速業務的穩定性問題。采用逼近仙農限的信道編譯碼技術，信道編譯碼的性能發展到接近極限；采用分布式多輸入多輸出（MIMO） 天線以及正交頻分復用（OFDM）調制解調技術，進一步逼近信道容量極限。

再經過X代的進化與完善，移動通信所表現出的外在形態以及功能將趨于收斂，移動通信進入其終極形態階段。移動通信終極階段所表現出的形態是什么？具有什么主要功能？現實的第5代移動通信（5G）進化過程中，逼近移動通信終極形態，目前應發展及完善的關鍵技術是什么？本文給出初步的思考結果。

1 未來移動通信網絡側的

終極表現

移動通信的應用，從地理位置上看包含有三大類：

（1）低活動概率區域。例如地球極地、海洋、荒漠、深山等很少有人活動的地理三維位置。

（2）中活動概率區域。例如農田、牧場、漁場等有人活動的地理三維位置。白天有13.0%的全球人口在這些區域活動[1]。

（3）高活動概率區域。例如城鎮、居宅、公路等人活動頻繁的地理三維位置。白天有86.9%、夜晚有99.0%的全球人口在這些區域活動[1]。

目前，低活動概率區域使用衛星移動通信進行覆蓋；中活動概率區域和高活動概率區域，使用基站進行移動通信覆蓋。

考慮到高活動概率區域的重要性，這里對其進行細分。高活動概率區域包括5種場景，如圖1所示：

（1）人員密集場景。主要包括電影院、禮堂、教室及購物中心等。

（2）辦公與住宅場景。主要包括住宅與辦公室等。

（3）地下車庫與電梯場景。主要包括地下車庫、電梯、過街地道等。

（4）街道與運動場場景。主要包括街道、運動場等。

（5）交通工具場景。主要包括小轎車、公交車、地鐵、火車及飛機等。

在圖1所示的這些場景中，移動通信用戶一般可以用眼睛直接看到照明燈。顯然，目前的移動基站，包括微基站、微微基站，沒有充分的利用好這一特征。

未來移動通信的終極形態，對應于高活動概率區域，在網絡側表現為采用信息燈的方式向用戶提供移動通信業務服務[2]。信息燈的要素及構成如圖2所示，提供照明及無線通信兩種功能，通過標準化的信息燈接頭與標準化線纜連接，分別接入移動通信的核心網、無線通信應急電源以及照明用市電[3-5]。

圖2中，根據使用場景的不同，標準化信息燈接頭后面的標準化線纜可以采用以下幾種方式：

（1）只有電力線。電力線同時完成信息燈的照明用電、通信電纜、應急供電3種功能。

（2）電力線和通信電纜。其中，通信電纜可以是同軸電纜、雙絞線、光纖3種纜線中的一種。不需要應急電源的場景，電力線僅提供照明用電。需要應急電源的場景，電力線可同時用作照明用電、通信用電這兩種功能。

（3）電力線、應急電源線纜，以及同軸電纜、雙絞線、光纖3種纜線中的1種。

圖2中所示的信息燈具備的優點包括：

（1）節約能源。信息燈與用戶端的通信，大多數時候是直射路徑，不需要網絡側及用戶側發射機發射太大的功率。每1個信息燈的最大發射功率只有幾十mW，比現有的基站小3個量級。在信息燈的服務下，每1個通信終端的最大發射功率也只有幾十mW量級，比現有的手機小2個量級。

（2）用戶端待機時間長。信息燈的無線信道，平均的傳播損耗比現有的移動通信基站小幾個量級，這會讓用戶端的待機時間獲得顯著延長。例如，某些頻繁使用的移動終端待機時間會提高幾個量級，從1天提高到百天。

（3）綠色的電磁輻射。更小的用戶端及基站發射功率，所產生的電磁輻射更綠色化。

（4）頻譜效率高。在單位空間內，信息燈的頻率復用率更高。1個用戶一般可以同時直視多個信息燈，具有更高的空分復用效率。

（5）網絡安裝快速且簡單。不存在基站選址困難的問題，安裝簡單，如目前的白熾燈泡一樣，能安裝白熾燈的人就可以安裝信息燈基站。

（6）網絡使用與維護簡單。信息燈是由半導體材料及銅等生產的芯片組成，大批量的生產后，信息燈的單個成本極低，信息燈發生故障，可以直接更換，無需維修。

在移動通信發展逼近信息燈的過程中，目前商用市場已有WiFi燈及燈基站兩種產品。

（1）WiFi燈。

WiFi燈的工作方式如圖3[6-8]，手機通過WiFi控制WiFi燈照明功能的開關，以及燈的發光顏色、亮度。

WiFi燈的發展趨勢是：用戶通過WiFi燈直接連接到互聯網上，其工作方式如圖4所示，特別適合居家或面積大辦公室等場景的WiFi布網，優點是：

· 安全。目前已有的WiFi接入設備，需要市電電源，大多數是24 h供電。在某些極端環境中，例如高溫、高濕度條件下，且周圍有易燃物，WiFi接入設備電源存在失火、觸電等供電安全問題。

· 美觀。目前已有的WiFi接入設備，需要放置場地，不便于隱藏，不方便設計、集成為美觀環境中的一部分。WiFi燈的工作方式，用戶看不到專用的WiFi接入設備。

· 無線覆蓋建網速度快。不同的房間擰上幾個WiFi燈，再連接上電力貓，WiFi無線網就建好了。

· 無線覆蓋效果好。可以在不同的房間，例如在客廳、餐廳、臥室、衛生間、廚房、陽臺等場所各裝上1個WiFi燈，在居家配電箱內裝上電力貓與互連網相連，則整個家居環境具有最優的WiFi覆蓋效果。

（2）燈基站。

目前，全球主要移動通信設備制造商均在提供燈基站產品[9-10]。例如華為的燈基站已在上海、武漢、東莞等城市開始部署[11]。燈基站的主要特點包括：

· 設備建設速度快。利用路燈桿資源，燈基站體積小、重量輕，可快速安裝。

· 無線通信覆蓋性能好。目前的文明城市，找不到沒有路燈覆蓋的馬路，這也意味著與路燈相伴的移動通信基站覆蓋性能好。

· 美觀。燈基站融入了環境，具有隱蔽性，市政環境美觀。

· 基站站址選擇方便。基站站址選擇只涉及市政路燈部門一家單位，協調方便。解決了目前基站建設選址特別困難的問題。

但是，目前的燈基站產品離信息燈的主要功能要求還有巨大的差距，主要表現在：

· 基站與照明燈還沒有融合為一體。

· 安裝工程仍顯得過于復雜。

· 從市政環境上看仍不美觀。

· 操作與維護仍顯得過于復雜。

根據《2015年城鄉建設統計年鑒》[12]，全國城市道路總里程超過35萬km，按每20 m建設一個路燈計算，那路燈數超過1 750萬個；換一種算法，考慮每一個家庭有數支市電照明燈，若按全國每個人對應2支信息燈，則總量是26億支：這說明信息燈具有廣闊的應用前景。

2 未來移動通信用戶側的

終極表現

限于篇幅，這里不討論機器終端與機器終端間的無線通信，只討論人直接使用的終端。考慮高活動概率區域，未來移動通信用戶側的終極表現如圖5所示：

（1）個人隨身移動服務器。未來移動通信需要超低時延、隨身、可信計算的內容，放在個人隨身移動服務器中執行。具有無線通信功能，可與網絡側的信息燈、宏基站進行無線通信。一般情況下，任一時刻個人隨身移動服務器離其主人的最大空間距離不超過100 m。

（2）穿戴式終端。攜帶方便，具有低精度的特定人體生理指標監測功能等。具有無線通信功能，可與網絡側的信息燈進行無線通信。

（3）植入式終端。埋入人體內部，人體外面不可見，根據需要，具有高精度的選定人體生理指標監測功能；具有與神經對接等功能；具有無線通信功能，可與個人穿戴式終端及個人移動服務器進行無線通信；某些特定的植入式終端可與網絡側信息燈進行無線通信。

移動通信用戶側終端的終極形態，涉及的關鍵技術包括：

（1）無線通信空中接口技術。解決人體內植入電子設備與外界的無線通信問題[13]。

（2）人體天線。解決人體作為人體內植入的電子設備收發天線所涉及的關鍵問題[14]。

（3）供電技術。解決人體內植入電子設備的供電問題[15]。

（4）安全技術。解決人體內植入電子設備的安全操作維護問題[16]。

（5）環境適應性技術。包括兩層技術內容：一是植入人體內的電子設備如何適應人體內部的環境，不影響人體的正常運行[17]；二是一個人的植入式終端與距離很近另一個人的植入式終端如何達到相互間的干擾最小化。

（6）操作維護技術。解決人體內植入電子設備運行狀態管理問題[16]。

（7）傳感技術。解決人體內植入電子設備如何有效采集人體生命特征信號的問題[18]。

（8）植入技術。解決電子設備安裝入人體涉及的問題[19]。

3 標準化

移動通信走向終極未來的過程，也是一個不斷標準化的過程，需要系列化的國家標準及國際標準。

目前正處于5G標準化的過程中，重點發展及完善的關鍵技術是信息燈的基礎建設標準化。1棟樓蓋好可以使用70年，但是當前移動通信相鄰兩代之間平均只有8年，這需要建筑物的建設要有預判性、超前性，并標準化。

（1）信息燈。

如圖2所示的信息燈組成要素，需要的國家標準化內容包括：

· 外觀。根據不同的應用需要，采用吊燈、吸頂燈、落地燈、壁燈、臺燈等形式，滿足居家、辦公室需求。

· 照明燈功能。根據不同的應用需要，適應白熾燈、熒光燈、LED節能燈、鹵素燈等光源的需要。

· 無線通信空中接口標準。適應信息燈的空中無線通信接口需要。

· 信息燈的操作維護標準。適應一座城市上億個信息燈的高效、及時操作維護需要。

· 信息燈的安全標準。適應回避各種天災人禍的安全需要。

（2）信息燈線纜。

信息燈可能使用的幾種線纜，如圖6所示，需要實現標準化的主要內容包括：

· 信息燈使用線纜標準化，根據不同的應用需要，標準化系列線纜的規范。

· 信息燈線纜布線標準。

· 信息燈線纜施工標準。

（3）信息燈燈座。

為使信息燈的拆卸與安裝與普通燈泡一樣方便，需要信息燈燈座標準化。幾種信息燈的燈座要素如圖7所示。

信息燈燈座的標準化需要：

· 與通信信號線及應急電源線匹配，滿足光纖、同軸電纜、雙絞線等信號線以及應急電源線的不同需要。

· 口徑規格。

· 與照明燈具匹配。滿足不同信息燈擰入、插入等的使用需要。

（4）信息燈應急電源。

信息燈同時具有照明與無線通信功能，當遇到市電停電時，大多數情況下，無線通信功能是不能停用的，與現有的無線通信系統一樣，信息燈系統也需要應急電源，除非使用電源的停電概率等級達到了電信級要求。

一般1棟樓或1個居民小區，設置1個信息燈的應急電源中心，這需要相應的國家標準進行規范。

（5）植入式終端。

在移動通信網的用戶側，植入式終端必須標準化，以保證人體生命的安全：

· 植入式終端外形的標準化。

· 電磁安全，制定植入式終端的電磁輻射劑量國家標準。

· 生物安全，制定植入式終端的生物安全國家標準。

· 植入過程標準化。

· 植入設備標準化。

（6）建筑物。

信息燈依托的住宅、辦公樓、街道等建筑物，需要進行標準化的內容包括：

· 已有住宅、辦公樓、街道等建筑物，安裝信息燈時的改造工程，需要國家強制規范標準。

· 新建住宅、辦公樓、街道等建筑物，為適應信息燈使用需要的國家強制規范標準。

· 新建住宅、辦公樓、街道等建筑物，為適應信息燈所需應急電源需要的國家強制規范標準。

4 結束語

本文給出了移動通信終極未來的部分思考，有些想法還很不成熟，歡迎批評指正，并真誠期待聯系討論交流。

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