密集立體覆蓋：未來移動通信的機遇和挑戰

宋良宏

摘 要：從移動通信的概念出世到目前移動通信的大范圍普及，僅僅用了短短幾十年的時間。如今的移動通信已經在很大程度上改變了人們的生活方式。在個人與信息網絡的連接方面，移動通信已經成了一條重要的紐帶。在經濟快速發展的今天，通信用戶的密集化，各個通信業務的多元化都大大增加了網絡在單位面積上所支持的總容量的需求，光靠改良物理層的傳輸技術和改進平面蜂窩網絡架構已經滿足不了用戶對移動通信的這種需求。而密集立體覆蓋它是一種依托在未來城市的形態上所產生的新型的網絡架構，它是在平面之外的第3個維度將頻譜進行重復的利用的方式，而這種方式很可能就會被這種新型的網絡架構所展現出來。本篇文章中講述了密集立體覆蓋：未來移動通信當中所存在的一些問題以及需要去面對的問題。

關鍵詞：密集立體覆蓋；未來移動通信；5G；機遇；挑戰

1、前言

信息社會的發展與移動通信是分不開的。“統籌布局新一代移動通信網”和“引導建設寬帶無線城市”的發展需求在我國十二五規劃的綱要中就已經被明確地提出來了。目前，在移動通信的發展之下，人們真正的過上了隨時隨地與其他用戶進行互相交流的生活。社會通信系統不斷更新，各種各樣的移動應用也相繼地進入了人們的生活，再加上各類智能設備的普及，移動用戶的業務越來越豐富多彩。根據調查，移動數據的業務量也一直呈現出了直線上升的趨勢，雖然現在有了移動4G的系統，但是在不久的將來，這種4G系統也必然會趕不上移動業務的需求。所以也就對5G的移動通信頻譜效率提出了更高的要求。

2、密集立體覆蓋的機遇和挑戰

傳統的蜂窩狀網絡在部署形式上是依托于二維平面進行的，這也就導致了蜂窩網絡單位面積上的頻譜效率受到了嚴格的限制。同時，城市的發展越來越接近于立體化，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，這種矛盾間接地導致了平面型的網絡已經適應不了城市化發展的趨勢。

2.1平面小區覆蓋立體用戶的方式

而我們在本篇文章中所講到的移動通信，這種通信的理論也很好地支持了平面型的網絡已經適應不了城市化發展的趨勢的這個結論。十幾年以前，有人站在信息論的角度上，提出了將無線網絡的容量極限要繼續漸進的分析方法。曾經也有相關報道指出，就算用性能最好的中繼、路由等方法對無線網絡的容量極限進行擴充，無線網絡的單位用戶容量也只能隨著用戶數量的日趨增加而向0靠近。在后續很多的工作中，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明無線網絡極限容量是受制于物理學極限容量的控制的。例如，某城市核心區域的平均樓層總高度大于50 m，而每平方米的投影人數都在10人以上。當用圖1所示的方式對區域內的用戶進行覆蓋時，單位投影面積里面的用戶數量一下就會增加幾倍，甚至十幾倍，而這個立體城市中每個用戶的容量將會隨著區域覆蓋范圍的增大而在很短的時間內靠近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質量，那么寬帶的增加是頻譜資源和無線電技術所承受不了的。

立體化發展得城市對于移動通信來說，所得到的結果是兩方面的，一方面因為使用戶大量地聚集在一起，所以帶來了用戶平面密集的效應，從而使傳統的平面覆蓋方式保證不了移動通信對密集用戶的服務質量；而另一方面它也為移動通信的吃醋發展提供了一個潛在的發展機遇，這個發展機遇就是要讓移動通信依托在城市的形態之上，從而在真正意義上實現了對網絡的立體化部署方式。而移動通信它本身就自帶一種立體化，它這種自身所帶的立體化，使移動通信可以在覆蓋平面之外的第3個維度上進一步提高覆蓋平面投影上的頻譜效率。

2.2立體部署的移動通信網絡

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不同的蜂窩網絡進行部署。如下圖2，由于網絡與建筑之間的距離與無線的通信信號呈反比，也就是說，網絡與建筑物的距離越長，覆蓋在建筑物上面的無心通信信號也就越弱，所以可以在建筑物的垂直維度上重復地利用頻譜資源，這樣一來，就達到了用一個頻譜的接入點卻覆蓋了不同樓層的用戶，有效地提升了單位面積內頻譜的使用效率。而這個時候城市的立體化對于這何種密集式覆蓋方式就帶來了另一個機遇，就是可以在高層建筑上面架設一種天線，也就是俯視天線，用這個俯視天線把傳統衛星通信中的立體點波束進行覆蓋，這種覆蓋方式和平面網絡中所采用的分扇區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物理層的機遇和挑戰之外，還在根本上改變了網絡層的架構。我們知道，新型的網絡都是依托在城市的建筑之上的，從蜂窩網絡天線的分布，到蜂窩網絡覆蓋的范圍，再到蜂窩網絡的最佳接入方式著一些都根這種新型的網絡所要部署的環境有著不可分割的關系，所以這種新型的網絡它的架構不能用相同的，而是要在同一個地理位置上進行疊層多個高度的架構的網。對多個層次進行異構架的覆蓋，這種覆蓋模式將會在物理立體的覆蓋模式之外再產生一個虛擬的邏輯立體覆蓋。如圖3所示，立體分布式的天線系統和Wifi等多種網絡用制式層疊的覆蓋方式對相同的平面區域進行覆蓋，在這當中，每一個系統都可以發揮自己的優勢，為用戶提供最優質的服務。

這種多個子網絡的層疊分布，還會使各個網絡之間的相互耦合和干擾程度加強，也就進一步增大了各個子網絡的規模和使用范圍，給未來的移動通信網絡帶來了全新的網絡頂層設計和實時管理的優化機遇。

3、結束語

目前，我們所面臨的趨勢是城市更加立體化，用戶在不斷地密集化、移動數據業務不斷地多樣化，但是怎么樣在點到點的傳輸逐漸到達極限的情況下，將單位面積的頻譜效率有效地提升起來，這個問題也是目前無線電與移動通信方面要一起去解決的非常重要的問題。本篇文章重點分析了在目前這種嚴峻的環境趨勢下，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絡模式，也就是密集立體覆蓋，這種新型的覆蓋模式的架構可以依托于城市建筑的結構進行物理式和邏輯式的組網，在進行組網的同時，也利用了平面之外的第三個維度對網絡的頻譜進行重復利用。

這種密集式立體覆蓋方式為未來的移動通信往5G的發展方向提供了全新的方向。而關于5G的移動通信系統的研究目前還處在起步階段，這中間，還需要大量的科學理論和創新實踐。而對密集立體覆蓋：未來移動通信的深入研究，一定會推動大容量的寬帶移動通信網絡的向前發展，這也就為未來移動通信無線電城市的建設提供了可靠的保障。

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