未來無線移動通信前瞻

屠子謙

摘 要：隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，世界正在變的越來越小，信息的交流也變的更為順暢，同時人們對無線移動通信的要求也越來越高。目前4G技術(shù)已逐步在世界范圍內(nèi)開始部署，這也激勵了科技工作者們繼續(xù)探索未來無線移動通信的技術(shù)。未來無線通信的發(fā)展必將面臨著非常高的移動終端密度和如何提高頻譜利用率等一系列問題，如何克服這些問題，將會是未來移動通信的重點。要解決上述問題，文章嘗試著從以下幾種相互關(guān)聯(lián)的技術(shù)中給出答案：小基站技術(shù)、設(shè)備與設(shè)備互聯(lián)技術(shù)、云端無線接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)接入技術(shù)。

關(guān)鍵詞：小基站技術(shù) 設(shè)備與設(shè)備互聯(lián)技術(shù) 云端無線接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 無線網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)接入技術(shù)

中圖分類號：TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（a）-0021-02

1 研究的背景及意義

在近20多年期間，移動網(wǎng)絡(luò)依托科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，取得了非常卓越的進(jìn)步，很難想象如果現(xiàn)在沒有無線通信，我們?nèi)缃竦纳顣兂墒裁礃?。無線通信大大的豐富了人們的生活，并對傳統(tǒng)的教育、醫(yī)療、經(jīng)濟(jì)等產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，大大提高了這些產(chǎn)業(yè)的運行效率。

第一代的移動通信主要使用的是模擬通信技術(shù)，僅僅能承載語音通信技術(shù)；第二代的移動通信依托的技術(shù)從模擬通信技術(shù)轉(zhuǎn)化成了數(shù)字通信技術(shù)，承載的業(yè)務(wù)范圍也開始拓展了起來；第三代的移動通信使用戶進(jìn)行全球漫游成為可能，同時也極大的提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率；如今第四代移動通信已經(jīng)嵌入了長期演進(jìn)技術(shù)（LTE）帶來比第三代移動通信更快的傳輸速率。人們不再僅僅滿足于用移動終端進(jìn)行語音通信和數(shù)據(jù)傳輸，而是渴望能用移動終端進(jìn)行實時的圖像和高分辨率視頻的傳輸，這就意味著需要有更快的傳輸速率，更高的帶寬。然而，目前的技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸速率這塊還是存在著瓶頸的，亟需面臨一個問題就是如何利用已剩余不多的頻譜來開發(fā)下一代的移動通信技術(shù)。所以，為了滿足人們?nèi)找嬖鲩L的對數(shù)據(jù)傳輸速率的追求，必須有新的技術(shù)來提高用戶的體驗。文章下面的章節(jié)將闡述未來移動通信網(wǎng)絡(luò)可能會采用的一些新型的理念和技術(shù)。

2 小基站技術(shù)

由貝爾實驗室兩位科研人員于1947年提出的蜂窩網(wǎng)系統(tǒng)的理念，是以蜂窩網(wǎng)小區(qū)為設(shè)計中心而構(gòu)建出的一套理論架構(gòu)。蜂窩網(wǎng)架構(gòu)從第一代移動網(wǎng)絡(luò)就開始投入實際運用，并一直沿用到如今的第四代移動網(wǎng)絡(luò)。但是隨著技術(shù)的發(fā)展，例如液體小區(qū)和幽靈小區(qū)這樣新的無線接入架構(gòu)的提出，未來的無線移動通信也許會有一個巨大的變革，從而采用一個與以往不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。這個架構(gòu)中移動終端和基站之間數(shù)據(jù)和信令的傳輸相互獨立。用戶終端將會同時與兩種類型的基站保持連接，一種是宏基站，另外一種是小基站。宏基站采用低頻波段為移動終端提供連接服務(wù)，而小基站則使用高頻波段與移動終端進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸[1]。

當(dāng)移動終端要求的數(shù)據(jù)量較大，或者當(dāng)前連接的小基站負(fù)荷比較重的時候，移動終端還能立即連接上另外一個小基站，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省．?dāng)小基站與移動終端沒有數(shù)據(jù)進(jìn)行交互的時候，移動終端只需要和宏基站保持連接，小基站完全可以與用戶終端斷開連接，并進(jìn)入休眠狀態(tài)，節(jié)約能耗，從而避免了傳統(tǒng)基站無論基站和移動終端之間有無數(shù)據(jù)傳輸都必須保持連接的這一狀態(tài)，降低相鄰小區(qū)之間的干擾。另外，宏基站與移動終端之間信令的傳輸還可以根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的類別以及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率從現(xiàn)有的純面向連接的信令傳輸機(jī)制，改為動態(tài)的面向連接與無連接兩種類型并存的傳輸機(jī)制，減少開銷，降低宏基站負(fù)荷。

3 設(shè)備與設(shè)備互聯(lián)技術(shù)

隨著無線傳輸速率的提高，在未來，人們不得不面對無線通信系統(tǒng)資源匱乏這一現(xiàn)實。如何提高通信系統(tǒng)頻譜的利用率，這將會是一個很大的挑戰(zhàn)。在以往的傳統(tǒng)的蜂窩移動通信中，設(shè)備只能通過基站才與其他設(shè)備進(jìn)行通信，設(shè)備和設(shè)備之間是不允許直接進(jìn)行通信連接的，這樣就會導(dǎo)致一個區(qū)間內(nèi)的頻譜利用率降低。在未來，人們也許可以通過協(xié)同通信來提高一個區(qū)間內(nèi)的頻譜利用率。移動終端通過網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點相互中繼信息的技術(shù)，實現(xiàn)頻譜利用率的有效提高。設(shè)備與設(shè)備互聯(lián)技術(shù)是協(xié)調(diào)通信中最有前景的一個，此技術(shù)允許兩個臨近的設(shè)備不需要通過基站就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。這項通信技術(shù)的最大優(yōu)點就是可以復(fù)用頻譜，并通過減少傳輸時延和降低移動終端的耗電量來提高用戶的體驗質(zhì)量[2]。

設(shè)備與設(shè)備互聯(lián)技術(shù)大致可以分為以下三種類型。

第一種類型是設(shè)備與設(shè)備間的直接通信：當(dāng)兩個終端打算進(jìn)行通信，通過GPS定位得知兩個終端之間的距離較近，而且基站的負(fù)荷比較大，那么設(shè)備A就直接的或在基站的幫助下間接的與設(shè)備B建立連接，之后進(jìn)行兩個終端間數(shù)據(jù)的傳輸（圖1（a）所示）。

第二種類型是設(shè)備與設(shè)備間的中繼通信：當(dāng)設(shè)備A想要與設(shè)備B進(jìn)行通信，通過GPS定位得知設(shè)備B與設(shè)備A的距離比較遠(yuǎn)沒有辦法進(jìn)行設(shè)備與設(shè)備間的直接通信，在這種情況下，就可以直接或者在基站的幫助下把設(shè)備A與設(shè)備B之間的其他設(shè)備作為中繼節(jié)點，對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。在傳輸方式上可以根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的多少作出一定的判定，判斷是否向多個節(jié)點進(jìn)行中繼：如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不多，那么所有的數(shù)據(jù)可以從源終端中繼到下一個移動終端，再由下一個移動終端中繼到再下一個終端中繼，不斷中繼直到目的終端。而如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)較多，源終端則可以向多個移動終端同時中繼數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的傳輸效率（圖1（b）所示）。

第三種類型是設(shè)備與基站間的中繼通信：當(dāng)設(shè)備A想要與設(shè)備C進(jìn)行通信，通過GPS定位得知設(shè)備C與設(shè)備A相當(dāng)遙遠(yuǎn)，設(shè)備與設(shè)備間的中繼通信中繼通信滿足不了設(shè)備A與設(shè)備C進(jìn)行通信的需求，同時又由于設(shè)備A處的地理位置問題，不能直接與基站進(jìn)行連接，在此時設(shè)備A可以通過D2D連接，連接上其附近的設(shè)備，并由其附近的設(shè)備作為中繼，連接上基站，通過基站與設(shè)備C進(jìn)行連接并建立通信（圖1（c）所示）。

4 云端無線接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

在目前，“垂直解決方案”被大多數(shù)基站廣泛采?。浩湓硎遣捎脤ｉT一套基站對某一特定的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行部署，不同的網(wǎng)絡(luò)需要部署不同類型的基站，而就目前移動通信的發(fā)展趨勢來看，各種新型的通信技術(shù)層出不窮，與此對應(yīng)也就有了很多不同類型的網(wǎng)絡(luò)，如果未來還是以目前使用的方式對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行部署，那么所需建設(shè)的基站的數(shù)目將會變的十分龐大，由此帶來的建設(shè)運營和維護(hù)成本也是十分巨大的。同時，也為了提高無線移動網(wǎng)絡(luò)的效率，降低潮汐效應(yīng)所帶來的影響，一種新的技術(shù)應(yīng)運而生，這就是云端無線接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[3]。endprint

云端無線接入網(wǎng)絡(luò)由支持多種無線接入網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的遠(yuǎn)端射頻單元、光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)和中央基帶處理池構(gòu)成。遠(yuǎn)端射頻單元在其所在的地理區(qū)域內(nèi)與移動終端建立連接，當(dāng)移動終端需要與其他終端建立通信時，由中央基帶處理池將帶寬經(jīng)過光纖網(wǎng)絡(luò)分配給遠(yuǎn)端射頻單元，并由遠(yuǎn)端射頻單元根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀況動態(tài)的分配給移動終端，這樣一來就大大提升了資源的利用率，降低了成本。

5 無線網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)接入技術(shù)

未來的無線通信除了無線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的革新，同時也應(yīng)該變的更加智能，能夠根據(jù)用戶的一些相關(guān)信息為用戶提供最合適的接入網(wǎng)絡(luò)。接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計應(yīng)該考慮以下幾方面內(nèi)容。

（1）用戶終端的信息：移動終端的操縱系統(tǒng)，電池容量，設(shè)備實時耗能情況等信息。

（2）應(yīng)用程序的信息：用戶當(dāng)前正在使用哪種應(yīng)用程序，是在網(wǎng)絡(luò)上玩游戲，還是進(jìn)行語音通話，或是在進(jìn)行視頻通信，抑或是瀏覽網(wǎng)頁、播放視頻。不同的應(yīng)用對QoS有不同的需求，有的應(yīng)用對帶寬比較敏感，而有些應(yīng)用則需要相當(dāng)?shù)偷臅r延。

（3）用戶的信息：由于用戶個體間存在著文化、教育以及社會地位的差異性，所以不同的用戶之間對無線網(wǎng)絡(luò)接入的偏好也會有所不同。

（4）環(huán)境的信息：移動終端在何種情況下進(jìn)行使用，用戶在使用終端的時候是處于靜止?fàn)顟B(tài)還是移動狀態(tài)，周邊是否存在其他設(shè)備。

（5）網(wǎng)絡(luò)的信息：例如網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載率，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，以及是否有可供選擇的其它網(wǎng)絡(luò)和其他網(wǎng)絡(luò)的一些信息。

未來的網(wǎng)絡(luò)必須能綜合上述的信息，智能的為用戶選擇最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)，讓移動終端用戶得到最優(yōu)的用戶體驗[4]。

6 結(jié)語

該文對未來移動通信將會采用的一些新型的理念和技術(shù)進(jìn)行了描述，雖然到目前為止對未來的移動通信網(wǎng)絡(luò)和架構(gòu)的發(fā)展方向還不是特別明朗，但是有理由相信，隨著移動通信產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展和新技術(shù)前沿的不斷推進(jìn)，社會產(chǎn)業(yè)鏈將會被不斷完善，并帶來很多新的就業(yè)機(jī)會，多種無線通信技術(shù)的融合所構(gòu)成的未來移動通信網(wǎng)絡(luò)必將把人類社會推上一個新的高度。

參考文獻(xiàn)

[1] Nakamura，T.，Nagata，S.，Benjebbour， A.，et al.Trends in small cell enhancements in LTE advanced[J].Communications Magazine，IEEE，2013，51（2）：98-105.

[2] Fodor，G.，Dahlman，E.，Mildh，G.，et al.Design aspects of network assisted device-to-device communications[J].Communications Magazine，IEEE，2012，50（3）：170-177.

[3] Chih-Lin I，Jinri Huang，Ran Duan， et al.Recent Progress on C-RAN Centralization and Cloudification[J].Access，IEEE，2014（2）：1030-1039.

[4] Gustafsson，E.，Jonsson，A.Always best connected[J].Wireless Communicat ions，IEEE，2003，10（1）：49-55.endprint