關(guān)于移動(dòng)通信終極形態(tài)的部分思考

唐友喜+李晨興+邵士海

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1009-6868 （2017） 03-0045-005

摘要：從網(wǎng)絡(luò)側(cè)及用戶側(cè)兩個(gè)方面，提出了未來移動(dòng)通信的終極形態(tài)表現(xiàn)形式與功能。認(rèn)為移動(dòng)通信走向終極未來的過程也是一個(gè)不斷標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程，結(jié)合當(dāng)前第5代移動(dòng)通信（5G）的發(fā)展，指出信息燈的基礎(chǔ)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化是逼近移動(dòng)通信終極形態(tài)的關(guān)鍵技術(shù)，需要重點(diǎn)發(fā)展及完善。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)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(jīng)過30余年的發(fā)展，移動(dòng)通信從第1代移動(dòng)通信（1G）發(fā)展到現(xiàn)在正在使用的第4代移動(dòng)通信（4G）：

（1）1G解決了人類移動(dòng)通信的有無問題。采用模擬電路技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電磁信號(hào)的發(fā)射與接收；采用蜂窩網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)解決頻率資源緊缺的矛盾。

（2）第2代移動(dòng)通信（2G）解決了人類移動(dòng)通信基本業(yè)務(wù)的穩(wěn)定性問題。采用信道編譯碼與數(shù)字調(diào)制解調(diào)等數(shù)字電路技術(shù)，解決了基本業(yè)務(wù)的電磁信號(hào)發(fā)射與接收的穩(wěn)定性問題；采用時(shí)分多址方式，相對(duì)于1G進(jìn)一步提高了頻譜的使用效率。

（3）第3代移動(dòng)通信（3G）解決了人類移動(dòng)通信的中速業(yè)務(wù)穩(wěn)定性問題。采用Turbo信道編譯碼及擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)等技術(shù)，解決了中速業(yè)務(wù)電磁信號(hào)發(fā)射與接收的穩(wěn)定性問題；采用碼分多址方式，進(jìn)一步提高了網(wǎng)絡(luò)的頻譜使用效率。

（4）4G解決了人類移動(dòng)通信高速業(yè)務(wù)的穩(wěn)定性問題。采用逼近仙農(nóng)限的信道編譯碼技術(shù)，信道編譯碼的性能發(fā)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(fù)用（OFDM）調(diào)制解調(diào)技術(shù)，進(jìn)一步逼近信道容量極限。

再經(jīng)過X代的進(jìn)化與完善，移動(dòng)通信所表現(xiàn)出的外在形態(tài)以及功能將趨于收斂，移動(dòng)通信進(jìn)入其終極形態(tài)階段。移動(dòng)通信終極階段所表現(xiàn)出的形態(tài)是什么？具有什么主要功能？現(xiàn)實(shí)的第5代移動(dòng)通信（5G）進(jìn)化過程中，逼近移動(dòng)通信終極形態(tài)，目前應(yīng)發(fā)展及完善的關(guān)鍵技術(shù)是什么？本文給出初步的思考結(jié)果。

1 未來移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)側(cè)的

終極表現(xiàn)

移動(dòng)通信的應(yīng)用，從地理位置上看包含有三大類：

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

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

（3）高活動(dòng)概率區(qū)域。例如城鎮(zhèn)、居宅、公路等人活動(dòng)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(qū)域活動(dòng)[1]。

目前，低活動(dòng)概率區(qū)域使用衛(wèi)星移動(dòng)通信進(jìn)行覆蓋；中活動(dòng)概率區(qū)域和高活動(dòng)概率區(qū)域，使用基站進(jìn)行移動(dòng)通信覆蓋。

考慮到高活動(dòng)概率區(qū)域的重要性，這里對(duì)其進(jìn)行細(xì)分。高活動(dòng)概率區(qū)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(yùn)動(dòng)場場景。主要包括街道、運(yùn)動(dòng)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(jī)等。

在圖1所示的這些場景中，移動(dòng)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(dòng)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(dòng)通信的終極形態(tài)，對(duì)應(yīng)于高活動(dòng)概率區(qū)域，在網(wǎng)絡(luò)側(cè)表現(xiàn)為采用信息燈的方式向用戶提供移動(dòng)通信業(yè)務(wù)服務(wù)[2]。信息燈的要素及構(gòu)成如圖2所示，提供照明及無線通信兩種功能，通過標(biāo)準(zhǔn)化的信息燈接頭與標(biāo)準(zhǔn)化線纜連接，分別接入移動(dòng)通信的核心網(wǎng)、無線通信應(yīng)急電源以及照明用市電[3-5]。

圖2中，根據(jù)使用場景的不同，標(biāo)準(zhǔn)化信息燈接頭后面的標(biāo)準(zhǔn)化線纜可以采用以下幾種方式：

（1）只有電力線。電力線同時(shí)完成信息燈的照明用電、通信電纜、應(yīng)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(yīng)急電源的場景，電力線僅提供照明用電。需要應(yīng)急電源的場景，電力線可同時(shí)用作照明用電、通信用電這兩種功能。

（3）電力線、應(yīng)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(yōu)點(diǎn)包括：

（1）節(jié)約能源。信息燈與用戶端的通信，大多數(shù)時(shí)候是直射路徑，不需要網(wǎng)絡(luò)側(cè)及用戶側(cè)發(fā)射機(jī)發(fā)射太大的功率。每1個(gè)信息燈的最大發(fā)射功率只有幾十mW，比現(xiàn)有的基站小3個(gè)量級(jí)。在信息燈的服務(wù)下，每1個(gè)通信終端的最大發(fā)射功率也只有幾十mW量級(jí)，比現(xiàn)有的手機(jī)小2個(gè)量級(jí)。

（2）用戶端待機(jī)時(shí)間長。信息燈的無線信道，平均的傳播損耗比現(xiàn)有的移動(dòng)通信基站小幾個(gè)量級(jí)，這會(huì)讓用戶端的待機(jī)時(shí)間獲得顯著延長。例如，某些頻繁使用的移動(dòng)終端待機(jī)時(shí)間會(huì)提高幾個(gè)量級(jí)，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(fā)射功率，所產(chǎn)生的電磁輻射更綠色化。

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

（5）網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)使用與維護(hù)簡單。信息燈是由半導(dǎo)體材料及銅等生產(chǎn)的芯片組成，大批量的生產(chǎn)后，信息燈的單個(gè)成本極低，信息燈發(fā)生故障，可以直接更換，無需維修。

在移動(dòng)通信發(fā)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(chǎn)品。

（1）WiFi燈。

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

WiFi燈的發(fā)展趨勢(shì)是：用戶通過WiFi燈直接連接到互聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)，優(yōu)點(diǎn)是：

· 安全。目前已有的WiFi接入設(shè)備，需要市電電源，大多數(shù)是24 h供電。在某些極端環(huán)境中，例如高溫、高濕度條件下，且周圍有易燃物，WiFi接入設(shè)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(shè)備，需要放置場地，不便于隱藏，不方便設(shè)計(jì)、集成為美觀環(huán)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(shè)備。

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

· 無線覆蓋效果好?？梢栽诓煌姆块g，例如在客廳、餐廳、臥室、衛(wèi)生間、廚房、陽臺(tái)等場所各裝上1個(gè)WiFi燈，在居家配電箱內(nèi)裝上電力貓與互連網(wǎng)相連，則整個(gè)家居環(huán)境具有最優(yōu)的WiFi覆蓋效果。

（2）燈基站。

目前，全球主要移動(dòng)通信設(shè)備制造商均在提供燈基站產(chǎn)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(diǎn)包括：

· 設(shè)備建設(shè)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?jīng)]有路燈覆蓋的馬路，這也意味著與路燈相伴的移動(dòng)通信基站覆蓋性能好。

· 美觀。燈基站融入了環(huán)境，具有隱蔽性，市政環(huán)境美觀。

· 基站站址選擇方便?；菊局愤x擇只涉及市政路燈部門一家單位，協(xié)調(diào)方便。解決了目前基站建設(shè)選址特別困難的問題。

但是，目前的燈基站產(chǎn)品離信息燈的主要功能要求還有巨大的差距，主要表現(xiàn)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(fù)雜。

· 從市政環(huán)境上看仍不美觀。

· 操作與維護(hù)仍顯得過于復(fù)雜。

根據(jù)《2015年城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》[12]，全國城市道路總里程超過35萬km，按每20 m建設(shè)一個(gè)路燈計(jì)算，那路燈數(shù)超過1 750萬個(gè)；換一種算法，考慮每一個(gè)家庭有數(shù)支市電照明燈，若按全國每個(gè)人對(duì)應(yīng)2支信息燈，則總量是26億支：這說明信息燈具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 未來移動(dòng)通信用戶側(cè)的

終極表現(xiàn)

限于篇幅，這里不討論機(jī)器終端與機(jī)器終端間的無線通信，只討論人直接使用的終端?？紤]高活動(dòng)概率區(qū)域，未來移動(dòng)通信用戶側(cè)的終極表現(xiàn)如圖5所示：

（1）個(gè)人隨身移動(dòng)服務(wù)器。未來移動(dòng)通信需要超低時(shí)延、隨身、可信計(jì)算的內(nèi)容，放在個(gè)人隨身移動(dòng)服務(wù)器中執(zhí)行。具有無線通信功能，可與網(wǎng)絡(luò)側(cè)的信息燈、宏基站進(jìn)行無線通信。一般情況下，任一時(shí)刻個(gè)人隨身移動(dòng)服務(wù)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(biāo)監(jiān)測(cè)功能等。具有無線通信功能，可與網(wǎng)絡(luò)側(cè)的信息燈進(jìn)行無線通信。

（3）植入式終端。埋入人體內(nèi)部，人體外面不可見，根據(jù)需要，具有高精度的選定人體生理指標(biāo)監(jiān)測(cè)功能；具有與神經(jīng)對(duì)接等功能；具有無線通信功能，可與個(gè)人穿戴式終端及個(gè)人移動(dòng)服務(wù)器進(jìn)行無線通信；某些特定的植入式終端可與網(wǎng)絡(luò)側(cè)信息燈進(jìn)行無線通信。

移動(dòng)通信用戶側(cè)終端的終極形態(tài)，涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括：

（1）無線通信空中接口技術(shù)。解決人體內(nèi)植入電子設(shè)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(nèi)植入的電子設(shè)備收發(fā)天線所涉及的關(guān)鍵問題[14]。

（3）供電技術(shù)。解決人體內(nèi)植入電子設(shè)備的供電問題[15]。

（4）安全技術(shù)。解決人體內(nèi)植入電子設(shè)備的安全操作維護(hù)問題[16]。

（5）環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)。包括兩層技術(shù)內(nèi)容：一是植入人體內(nèi)的電子設(shè)備如何適應(yīng)人體內(nèi)部的環(huán)境，不影響人體的正常運(yùn)行[17]；二是一個(gè)人的植入式終端與距離很近另一個(gè)人的植入式終端如何達(dá)到相互間的干擾最小化。

（6）操作維護(hù)技術(shù)。解決人體內(nèi)植入電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)管理問題[16]。

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

（8）植入技術(shù)。解決電子設(shè)備安裝入人體涉及的問題[19]。

3 標(biāo)準(zhǔn)化

移動(dòng)通信走向終極未來的過程，也是一個(gè)不斷標(biāo)準(zhǔn)化的過程，需要系列化的國家標(biāo)準(zhǔn)及國際標(biāo)準(zhǔn)。

目前正處于5G標(biāo)準(zhǔn)化的過程中，重點(diǎn)發(fā)展及完善的關(guān)鍵技術(shù)是信息燈的基礎(chǔ)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化。1棟樓蓋好可以使用70年，但是當(dāng)前移動(dòng)通信相鄰兩代之間平均只有8年，這需要建筑物的建設(shè)要有預(yù)判性、超前性，并標(biāo)準(zhǔn)化。

（1）信息燈。

如圖2所示的信息燈組成要素，需要的國家標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)容包括：

· 外觀。根據(jù)不同的應(yīng)用需要，采用吊燈、吸頂燈、落地?zé)?、壁燈、臺(tái)燈等形式，滿足居家、辦公室需求。

· 照明燈功能。根據(jù)不同的應(yīng)用需要，適應(yīng)白熾燈、熒光燈、LED節(jié)能燈、鹵素?zé)舻裙庠吹男枰?/p>

· 無線通信空中接口標(biāo)準(zhǔn)。適應(yīng)信息燈的空中無線通信接口需要。

· 信息燈的操作維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。適應(yīng)一座城市上億個(gè)信息燈的高效、及時(shí)操作維護(hù)需要。

· 信息燈的安全標(biāo)準(zhǔn)。適應(yīng)回避各種天災(zāi)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(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的主要內(nèi)容包括：

· 信息燈使用線纜標(biāo)準(zhǔn)化，根據(jù)不同的應(yīng)用需要，標(biāo)準(zhǔn)化系列線纜的規(guī)范。

· 信息燈線纜布線標(biāo)準(zhǔn)。

· 信息燈線纜施工標(biāo)準(zhǔn)。

（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(biāo)準(zhǔn)化。幾種信息燈的燈座要素如圖7所示。

信息燈燈座的標(biāo)準(zhǔn)化需要：

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

· 口徑規(guī)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(yīng)急電源。

信息燈同時(shí)具有照明與無線通信功能，當(dāng)遇到市電停電時(shí)，大多數(shù)情況下，無線通信功能是不能停用的，與現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)一樣，信息燈系統(tǒng)也需要應(yīng)急電源，除非使用電源的停電概率等級(jí)達(dá)到了電信級(jí)要求。

一般1棟樓或1個(gè)居民小區(qū)，設(shè)置1個(gè)信息燈的應(yīng)急電源中心，這需要相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范。

（5）植入式終端。

在移動(dòng)通信網(wǎng)的用戶側(cè)，植入式終端必須標(biāo)準(zhǔn)化，以保證人體生命的安全：

· 植入式終端外形的標(biāo)準(zhǔn)化。

· 電磁安全，制定植入式終端的電磁輻射劑量國家標(biāo)準(zhǔn)。

· 生物安全，制定植入式終端的生物安全國家標(biāo)準(zhǔn)。

· 植入過程標(biāo)準(zhǔn)化。

· 植入設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的內(nèi)容包括：

· 已有住宅、辦公樓、街道等建筑物，安裝信息燈時(shí)的改造工程，需要國家強(qiáng)制規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

· 新建住宅、辦公樓、街道等建筑物，為適應(yīng)信息燈使用需要的國家強(qiáng)制規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

· 新建住宅、辦公樓、街道等建筑物，為適應(yīng)信息燈所需應(yīng)急電源需要的國家強(qiáng)制規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語

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

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