一種空中智能移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究

邱東來

（廣東南方電信規(guī)劃咨詢設(shè)計院有限公司，惠州 516003）

1 前言

信息化浪潮正在全球范圍內(nèi)展開，實現(xiàn)隨時隨地隨心所欲通信，不斷提升寬帶通信質(zhì)量，是移動通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的追求。目前傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無線基站位置固定的建設(shè)思路越來越成為了移動通信網(wǎng)絡(luò)進一步演進的瓶頸。特別是對于農(nóng)村地區(qū)，為了滿足寬帶通信的需要，龐大的寬帶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本和低ARPU值之間的矛盾成為了日益凸顯的問題。本文對移動通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化進行了有益的探討，提出了一種未來可能的空中智能移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

2 一種新型的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

隨著人們對優(yōu)質(zhì)的生活環(huán)境要求越來越高，基站的建設(shè)選址越來越難，協(xié)調(diào)難、建設(shè)難、搬遷多越來越成為限制移動通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量提升的因素。為了解決5G時代可能產(chǎn)生的超高密度基站建設(shè)問題，設(shè)備廠商已經(jīng)積極研發(fā)，使得基站硬件往小型化、簡易安裝等方向發(fā)展，但是這仍然不能從根本上解決問題。

移動通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展困境產(chǎn)生的根本原因在于目前的蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，把基站布設(shè)在地面固定的位置當(dāng)作一個默認的前提。這導(dǎo)致當(dāng)用戶離開原基站一定距離后，由于原基站無法提供足夠的服務(wù)而需要切換到另一個基站。這導(dǎo)致隨著速率及網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量要求的提升，基站數(shù)量需要不斷增加。同時基站需要固定在地面一定高度的物體上，由于地表形態(tài)復(fù)雜，固定的基站與用戶之間往往不能實現(xiàn)直線的數(shù)據(jù)傳輸，由此帶來了額外的傳輸損耗，同時限制了速率的提升，進而要求越來越密集的基站分布。

本文提出一種新型的空中智能移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，基站不再布設(shè)在地面的固定物上，基站的位置不再是固定的。我們將無線通信技術(shù)和無人機技術(shù)、智能控制技術(shù)相結(jié)合，使得基站具備在空中智能飛行并提供通信的能力。由此，地面上不再需要密集的基站分布，基站將根據(jù)用戶的需求來進行空中布局。空中智能移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 空中智能移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

2.1 智能運動型基站

智能運動型基站由飛行子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、供電子系統(tǒng)以及中央智能控制系統(tǒng)四部分組成，圖2為智能運動型基站結(jié)構(gòu)框圖。其中飛行子系統(tǒng)利用小型無人機技術(shù)，實現(xiàn)飛行、懸停、精準(zhǔn)定位、智能避障等功能；通信子系統(tǒng)利用移動通信射頻拉遠技術(shù)，通信子系統(tǒng)主要實現(xiàn)基站的射頻拉遠單元功能，能夠?qū)⒒痉涑驳耐ㄐ艛?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給用戶，同時將用戶的通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給基站蜂巢；供電子系統(tǒng)為其他系統(tǒng)提供電源，并為基站提供長時間續(xù)航能力；中央智能控制系統(tǒng)是智能運動型基站的控制樞紐，在控制協(xié)調(diào)飛行、通信、供電等子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，可利用各項實時傳感數(shù)據(jù)實現(xiàn)智能飛行，同時和基站蜂巢進行相關(guān)控制指令交互。

圖2 智能運動型基站結(jié)構(gòu)框圖

智能運動型基站能夠在空中智能飛行抵達用戶上空，跟隨用戶運動而運動，和用戶進行持續(xù)的直線通信。空中分布的智能運動型基站之間可以進行通信，可以進行相互切換、話務(wù)分擔(dān)、忙閑互補等通信過程。

2.2 基站蜂巢

基站蜂巢由通信子系統(tǒng)、基站艙系統(tǒng)、供電子系統(tǒng)、中央智能控制系統(tǒng)等部分組成，圖3為基站蜂巢結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 基站蜂巢結(jié)構(gòu)框圖

基站蜂巢的通信子系統(tǒng)主要包含基帶單元、射頻單元以及傳輸單元?；鶐卧捎靡苿油ㄐ呕鶐С丶夹g(shù)，可以為基站蜂巢所管轄的所有基站提供基帶資源以及基帶處理能力；射頻單元能夠提供廣覆蓋信號，在基站蜂巢和用戶之間實現(xiàn)廣覆蓋低速率通信；傳輸單元實現(xiàn)基站蜂巢和智能云平臺之間通信。

基站蜂巢的基站艙系統(tǒng)具有收納、發(fā)射基站的能力，并能夠為基站提供續(xù)航維護服務(wù)；供電子系統(tǒng)將為基站蜂巢提供電源；中央智能控制統(tǒng)籌控制基站蜂巢的各個子系統(tǒng)，具備和智能云平臺進行控制指令交互的能力，能夠有效地管理基站蜂巢管轄范圍內(nèi)的所有基站。

設(shè)置基站蜂巢，固定在地面較高的桿塔上，能夠提供廣覆蓋信號以及為用戶提供低速率通信服務(wù)。用戶可以接收并響應(yīng)廣覆蓋信號，基站蜂巢利用用戶的響應(yīng)可以識別用戶需求并定位用戶?；痉涑餐瑫r還具有收納、發(fā)射基站的能力，并能夠為基站提供續(xù)航維護服務(wù)?；痉涑埠涂罩蟹植嫉闹悄苓\動型基站之間將保持高速率的直線通信。由于用戶和基站蜂巢通信采用廣覆蓋低速率的技術(shù)，同時基站蜂巢和基站之間采用高速率直線通信的技術(shù)，這可以極大增加基站蜂巢的覆蓋范圍。

2.3 智能云平臺

設(shè)置智能云平臺取代傳統(tǒng)的無線核心網(wǎng)，基站蜂巢和智能云平臺相連，智能云平臺可以對基站蜂巢資源進行統(tǒng)一調(diào)配。智能運動型基站的分布由智能云平臺通過基站蜂巢進行統(tǒng)一控制，以網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的最優(yōu)化為布設(shè)前提，不再必須遵循蜂窩結(jié)構(gòu)分布的規(guī)律。

3 空中智能移動通信網(wǎng)絡(luò)通信流程

圖4為空中智能移動通信網(wǎng)絡(luò)通信流程示意圖。通信開始，用戶在基站蜂巢的覆蓋范圍內(nèi)待機，待用戶發(fā)起低速率通信申請時，基站蜂巢直接為用戶提供通信。當(dāng)用戶發(fā)起高速率通信申請時，基站蜂巢將對空中分布的智能運動型基站進行運算，為用戶指派基站。指派成功后，智能運動型基站將飛行抵達用戶上空，和用戶建立高速率通信。用戶通過智能運動型基站、基站蜂巢之間的連接，訪問智能云平臺，并獲取到需要的數(shù)據(jù)。

在業(yè)務(wù)流程上，對于低速率的通信業(yè)務(wù)，智能云平臺、基站蜂巢、用戶之間發(fā)生業(yè)務(wù)關(guān)系；對于高速率的通信業(yè)務(wù)，在用戶和智能運動型基站成功建立連接后，用戶通過智能運動型基站和基站蜂巢、智能云平臺發(fā)生業(yè)務(wù)關(guān)系。

圖4 空中智能移動通信網(wǎng)絡(luò)通信流程示意圖

4 空中智能移動通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 硬件制造

硬件制造包括智能運動型基站和基站蜂巢。智能運動型基站可以由傳統(tǒng)小型化無線基站和無人機平臺整合產(chǎn)生。隨著信息化技術(shù)、輕量化任務(wù)載荷技術(shù)、高效空氣動力技術(shù)、起降技術(shù)等的發(fā)展，無人機應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。此外在無線通信領(lǐng)域，基站小型化發(fā)展、基站與天線一體化發(fā)展，有利于基站和無人機平臺互相整合，進而發(fā)展成為智能運動型基站。對于基站蜂巢，類似一個智能運動型基站的智能工作間，需要具備傳統(tǒng)宏基站的通信能力外，更重要的是具備對基站進行智能維護的功能。

4.2 空中駐留技術(shù)

基站的空中駐留技術(shù)是空中智能移動通信網(wǎng)絡(luò)能否成功的一個關(guān)鍵，目前已經(jīng)有氣球、飛艇等飛行器搭載基站布設(shè)空中移動網(wǎng)絡(luò)的有益嘗試，但是小型智能化無人機無疑是當(dāng)前較為可行的一種方案。在2015年，F(xiàn)acebook推出了第一個大型無人機項目——無人機“天鷹”（Aquila），并表示“天鷹”在未來可能用以傳輸無線網(wǎng)絡(luò)。在空中駐留技術(shù)中，長時間續(xù)航問題的解決是關(guān)鍵，“天鷹”無人機采用機身披被太陽能電池的方法初步解決續(xù)航問題。隨著核動力、燃料電池、太陽能電池、新型鋰電池等電池技術(shù)的發(fā)展，小型化、低成本的后備電源方案將為無人機提供長時間續(xù)航的可能。

4.3 通信時延的解決

當(dāng)用戶發(fā)起高速率通信申請時，可以從以下思路初步解決通信時延的問題：在基站蜂巢收到用戶的高速率通信申請至智能運動型基站和用戶成功建立高速率連接的這一段時間內(nèi)，基站蜂巢將持續(xù)為用戶提供低速率通信服務(wù)，用以改善用戶的接入感知；進一步研究基站蜂巢對智能運動型基站的發(fā)射技術(shù)，以縮短智能運動型基站抵達用戶上空所需的時間；此外利用大數(shù)據(jù)分析，提前在用戶可能出現(xiàn)的區(qū)域上空進行智能運動型基站的布局將能有效解決通信時延問題。

4.4 智能技術(shù)的發(fā)展

智能運動型基站的空中智能飛行、對用戶的智能跟蹤服務(wù)、基站蜂巢對基站的智能維護、智能云平臺對整個網(wǎng)絡(luò)的智能化管理等都需要大數(shù)據(jù)分析、智能技術(shù)等的進一步發(fā)展。特別是當(dāng)空中布滿智能運動型基站的時候，如何有效管理，在避免碰撞的同時提升網(wǎng)絡(luò)性能，將面臨大量的運算以及實時智能控制。

5 結(jié)束語

本文提出的空中智能移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)改變了傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中無線基站固定布局的思路，能夠有效地解決下一代移動通信網(wǎng)絡(luò)高密度建設(shè)基站面臨的選址難、建設(shè)難等問題。特別在農(nóng)村場景下，地廣人稀，網(wǎng)絡(luò)利用率不高，空中智能移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠在滿足高速率通信需求的同時，實時按需布設(shè)智能運動型基站，有利于減小建設(shè)維護成本，提升網(wǎng)絡(luò)效益。

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