面向未來的陸?？仗烊诤贤ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

李妍　范筱　黃曉明　夏明華

【摘? 要】為了實(shí)現(xiàn)全球化的無縫網(wǎng)絡(luò)覆蓋，陸、海、空、天四位一體化融合通信已成為未來6G通信的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)陸?？仗煲惑w化通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行綜合分析與設(shè)計(jì)，并進(jìn)行一項(xiàng)平流層通信試驗(yàn)案例分析。首先，簡(jiǎn)要回顧陸?？仗烊诤贤ㄐ诺牡陌l(fā)展背景;其次，詳細(xì)討論陸?？仗烊诤贤ㄐ畔到y(tǒng)的三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：3D網(wǎng)絡(luò)建模、頻率規(guī)劃以及移動(dòng)性管理，特別地，強(qiáng)調(diào)一種基于Binomial-Delaunay四面體的新型網(wǎng)絡(luò)模型;基于該模型，進(jìn)一步討論了頻率規(guī)劃方案和節(jié)點(diǎn)綜合移動(dòng)模型;然后，扼要討論3D網(wǎng)絡(luò)中的無人機(jī)信道建模、動(dòng)態(tài)頻譜資源共享、干擾管理和基于AI的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)等四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù);最后，作為空間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)中的一環(huán)，提出一種分層、異構(gòu)式融合通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并展示一個(gè)近期完成的平流層通信試驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】融合通信;3D網(wǎng)絡(luò)建模;頻率規(guī)劃;移動(dòng)性管理;平流層通信

0? ? 引言

自1980年代以來，移動(dòng)通信系統(tǒng)基本以十年為一個(gè)周期開始新一代的大規(guī)模商業(yè)部署，并為用戶提供更強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)連接/傳輸能力和新的應(yīng)用服務(wù)。如圖1所示，移動(dòng)通信從專注于滿足人與人之間的通信（1G～3G），發(fā)展到初步實(shí)現(xiàn)人與物之間的通信（4G），再進(jìn)一步發(fā)展到“萬物互聯(lián)”（5G），最后期待實(shí)現(xiàn)陸?？仗煲惑w化融合通信（6G）。從應(yīng)用和業(yè)務(wù)層面來看，4G之前的移動(dòng)通信主要面向以人為中心的個(gè)人消費(fèi)市場(chǎng)，而5G的消費(fèi)主體從個(gè)體消費(fèi)者向垂直行業(yè)和細(xì)分領(lǐng)域全面輻射。特別是在與人工智能（AI， Artificial Intelligence）、邊緣計(jì)算等新一代信息技術(shù)融合創(chuàng)新后，5G 通信能夠進(jìn)一步賦能工業(yè)、交通、醫(yī)療、能源、傳媒等垂直行業(yè)，更好地滿足物聯(lián)網(wǎng)的海量需求以及各行業(yè)之間深度融合的要求，從而實(shí)現(xiàn)從萬物互聯(lián)到萬物智聯(lián)的飛躍[1]。以2019年6月6日我國工業(yè)和信息化部發(fā)放5G牌照為標(biāo)志，2019年成為我國5G商用元年。

為了創(chuàng)新下一代通信技術(shù)，科研人員的研究重點(diǎn)已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向6G。目前，6G通信的主要特征可以概括為四個(gè)關(guān)鍵詞：智慧連接、深度連接、全息連接和泛在連接，它們共同構(gòu)成“一念天地，萬物隨心”的6G總體愿景[2]。為了滿足該愿景，必須將先進(jìn)的信息處理技術(shù)與高效的信息傳輸技術(shù)相結(jié)合。針對(duì)后者，尤其是要將陸地地面通信、低空空中通信、高空衛(wèi)星通信、海洋通信、水下通信等傳統(tǒng)意義上呈現(xiàn)相互物理分離的通信系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和高效融合，最終構(gòu)建一張滿足全球無縫覆蓋的陸?？仗烊诤贤ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)。如圖2所示，陸海空天融合通信網(wǎng)絡(luò)可以分解為兩個(gè)子網(wǎng)絡(luò)：一個(gè)由陸基（即陸地蜂窩、非蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)施等）、空基（無人機(jī)、飛艇、飛機(jī)等各類飛行器）及天基（各類衛(wèi)星、星鏈等）構(gòu)成的空天地一體化子網(wǎng)[3];另一個(gè)是由水下、?；êＣ婕吧詈Ｍㄐ旁O(shè)備等）、岸基，并結(jié)合空基與天基構(gòu)成的深海遠(yuǎn)洋通信子網(wǎng)[4]。

（1）空天地一體化通信子網(wǎng)

隨著無線系統(tǒng)的不斷升級(jí)換代，盡管地面基站部署愈來愈密集，但是，由于網(wǎng)絡(luò)容量和覆蓋范圍有限，并不是所有用戶都能在任何時(shí)候、任何地點(diǎn)享受到高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。例如，全球尚有大約10%的人口位于地廣人稀的邊遠(yuǎn)地區(qū)，至今無法享用互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù);同時(shí)，在體育場(chǎng)等人員密集的熱點(diǎn)區(qū)域，用戶也無法享受穩(wěn)定的高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。為了突破地面基礎(chǔ)設(shè)施的限制，早在2000年，美國國防部就提出要建設(shè)“天地一體化”信息網(wǎng)，即全球信息柵格（GIG， Global Information Grid）。其主要思路為：在統(tǒng)一的框架下，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)、傳感器網(wǎng)和武器平臺(tái)網(wǎng)的綜合集成，并遵循“按需定制”的原則，把一體化的信息網(wǎng)絡(luò)細(xì)分為若干個(gè)柵格，將信息共享劃分為若干層次，針對(duì)不同的用戶向他們提供所需的、經(jīng)過處理的信息[5]。考慮到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)在覆蓋范圍、帶寬、成本等方面的不同優(yōu)勢(shì)，將兩者融合組成一體化網(wǎng)絡(luò)，從而能夠綜合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信覆蓋范圍廣、不受環(huán)境限制的性能以及地面網(wǎng)絡(luò)容量大、速率高的特點(diǎn)，進(jìn)而為用戶提供更優(yōu)質(zhì)的通信服務(wù)。隨后，許多國家和組織都開始設(shè)計(jì)并部署天地一體化項(xiàng)目，如歐盟的SUITED（Multisegment System for Broadband Ubiquitous Access to Internet Services and Demonstrator）項(xiàng)目將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、地面蜂窩網(wǎng)和無線局域網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合，日本的STICS（Satellite/Terrestrial Integrated Mobile Communication System）項(xiàng)目也提出了共享頻譜帶寬的天地一體化移動(dòng)通信網(wǎng)。

盡管“天地一體化”通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，高額的設(shè)備成本使得其無法實(shí)現(xiàn)全面覆蓋。隨著科技的發(fā)展，空中平臺(tái)（如無人機(jī)）的成本下降使得科研人員提出了“空天地一體化”網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想。所謂空天地一體化網(wǎng)絡(luò)就是在天地一體化網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，結(jié)合基于空中平臺(tái)的空基通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的三層異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)。例如，谷歌公司的Loon項(xiàng)目和Facebook公司的Aquila項(xiàng)目，分別通過漂浮在平流層的熱氣球和高空太陽能無人機(jī)來為缺少基礎(chǔ)設(shè)施的貧困/邊遠(yuǎn)地區(qū)提供低成本網(wǎng)絡(luò)覆蓋，或者為用戶密集的城市熱點(diǎn)地區(qū)提供高性能增強(qiáng)覆蓋。甚至，為了使網(wǎng)絡(luò)完全脫離地面基礎(chǔ)設(shè)施，美國SpaceX公司在2015年推出了“星鏈（Starlink）計(jì)劃”，目標(biāo)是利用大約42 000顆衛(wèi)星為地球任何地方提供無所不在的無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。與衛(wèi)星相比，空中平臺(tái)與地面距離近，鏈路損耗少、傳播時(shí)延小，且價(jià)格較低，能夠迅速部署。歐盟的ABSOLUTE（Aerial Base Stations with Opportunistic Links for Unexpected and Temporary Events）計(jì)劃通過提供在任何天氣都能夠迅速發(fā)射的移動(dòng)空中平臺(tái)來建立空天地一體化網(wǎng)絡(luò)，通過空中、地面和衛(wèi)星通信鏈路的結(jié)合以獲得最大化的網(wǎng)絡(luò)容量。我國也將“天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)”列入“科技創(chuàng)新2030—重大項(xiàng)目”，旨在推進(jìn)天基信息網(wǎng)、未來互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)的全面融合，形成覆蓋全球的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)。

（2）深海遠(yuǎn)洋通信子網(wǎng)

海洋覆蓋了地球表面70%以上的面積，擁有豐富的生物資源、油氣資源、礦產(chǎn)資源等，開發(fā)和保護(hù)海洋具有極其重要的戰(zhàn)略意義。然而，到目前為止，高達(dá)95%的海洋尚未勘探或開發(fā)不足[6]。因此，沿海國家和相關(guān)組織提出了一系列的海洋觀測(cè)計(jì)劃，如全球海洋觀測(cè)系統(tǒng)（GOOS， The Global Ocean Observing System）和海底科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)等。在建立海洋觀測(cè)系統(tǒng)之外，許多國家和組織還致力于深海遠(yuǎn)洋通信系統(tǒng)的建設(shè)，旨在實(shí)現(xiàn)全海洋通信網(wǎng)絡(luò)的無縫覆蓋。深海遠(yuǎn)洋通信系統(tǒng)包括海洋通信網(wǎng)絡(luò)和水下通信（深海通信）網(wǎng)絡(luò)。其中，海洋通信網(wǎng)絡(luò)包括海上無線通信系統(tǒng)、海洋衛(wèi)星通信系統(tǒng)和基于陸地蜂窩網(wǎng)絡(luò)的岸基移動(dòng)通信系統(tǒng)，它能夠保障近海、遠(yuǎn)海和遠(yuǎn)洋的船舶-海岸、船舶-船舶的日常通信[4]。

水下通信是深海遠(yuǎn)洋通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，也是其面臨的最大挑戰(zhàn)。目前，實(shí)現(xiàn)水下無線通信的載體主要有三種：聲波、電磁波和光波。水聲通信的特點(diǎn)是能以相對(duì)較低的能量在幾十公里的范圍內(nèi)遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)。但由于聲速低（水下約1 500 m/s）和可用帶寬窄（數(shù)百kHz以內(nèi)），水聲通信具有傳輸延遲大（秒量級(jí)）和傳輸數(shù)據(jù)速率相對(duì)較低（Kbit/s量級(jí)）的問題。此外，水聲信道是一個(gè)十分復(fù)雜的多徑傳輸信道，存在嚴(yán)重的多徑衰落問題[6]。與聲波相比，電磁波可以順利地通過“水-氣”界面，且水流的紊流和濁度對(duì)其影響小，從而可以提供更快的傳播速度。但是，由于海水是良性導(dǎo)體，電磁波在海水中衰減嚴(yán)重。而且，隨著距離和頻率的增加，衰減急劇增加。因此，水下電磁波通信通常工作在30—300 Hz的超低頻，這意味著需要大型天線以及較高發(fā)射功率才能實(shí)現(xiàn)高效通信。與上述兩種通信方式相比，水下光通信技術(shù)利用激光傳輸信息，具有較高的傳輸數(shù)據(jù)速率和較低的傳輸延遲。然而，由于光子與水分子和水中微粒子之間的相互作用，光波遭受嚴(yán)重的吸收和多次散射，導(dǎo)致傳輸距離只有數(shù)十米[7]。由于水下通信方式各具利弊，將兩種甚至多種通信方式結(jié)合起來也是當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。例如，文獻(xiàn)[8]提出一種將水下聲、光通信結(jié)合起來的軟件定義水下通信網(wǎng)絡(luò)。隨著無人化技術(shù)的發(fā)展，無人船也加入了海洋通信網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)靈活地與水下通信網(wǎng)絡(luò)相連接[9]。

（3）本文研究?jī)?nèi)容

與陸地蜂窩通信的快速發(fā)展不同，目前對(duì)于陸?？仗煲惑w化融合通信系統(tǒng)的研究仍處于起步階段，尚面臨大量的技術(shù)挑戰(zhàn)，主要包括：空間信道建模、3D 網(wǎng)絡(luò)建模、頻率規(guī)劃、移動(dòng)性管理、干擾管理、動(dòng)態(tài)頻譜資源共享、AI技術(shù)應(yīng)用等。本文將著重討論3D網(wǎng)絡(luò)建模、頻率規(guī)劃以及移動(dòng)性管理等三項(xiàng)技術(shù)，并簡(jiǎn)要分析空間信道建模、動(dòng)態(tài)頻譜資源共享、干擾管理、AI應(yīng)用等相關(guān)技術(shù)。

1? ?3D網(wǎng)絡(luò)理論建模

陸地蜂窩網(wǎng)絡(luò)建模方法通常有兩類：一類是經(jīng)典的確定性模型，最具代表性的基于正六邊形小區(qū)的七蜂窩復(fù)用結(jié)構(gòu)。這種模型具有規(guī)則結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)二維平面的無縫覆蓋，且易于數(shù)學(xué)分析，因此，它廣泛應(yīng)用于蜂窩網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。但是，在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署過程中，受基站可用站址的限制，最終確定的基站位置并不規(guī)則。全球電信運(yùn)營商的實(shí)際數(shù)據(jù)顯示，大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的基站站址更符合 Poisson 點(diǎn)過程（Poisson Point Process， PPP），因此，近年來興起的另一種網(wǎng)絡(luò)建模方法是隨機(jī)幾何模型[10]。如圖3紅色虛線所分割的區(qū)域所示，如果每個(gè)用戶采用最近距離接入準(zhǔn)則與目標(biāo)基站相關(guān)聯(lián)，那么，基站周圍的多邊形邊界則形成了幾何學(xué)上的 Poisson-Voronoi 鑲嵌。顯而易見，該模型的每個(gè)小區(qū)的形狀不規(guī)則，變化范圍從三角形到十四邊形。另一方面，由于小區(qū)邊緣的用戶離基站的距離較遠(yuǎn)，他們的性能通常較差;而且，隨著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的日趨復(fù)雜，例如在5G超密集組網(wǎng)的情況下，基站密度和小區(qū)的數(shù)目將極大增加，這會(huì)導(dǎo)致相鄰小區(qū)之間的干擾逐漸增強(qiáng)。為了提升用戶性能，協(xié)作多點(diǎn)（CoMP，Coordinated Multi-Point）傳輸技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。也就是說，除了某個(gè)用戶所在小區(qū)的基站之外，一個(gè)或者多個(gè)相鄰小區(qū)的基站也同時(shí)服務(wù)于該用戶。但是，確定服務(wù)于某個(gè)用戶的協(xié)作基站集合通常是靠在線搜索來實(shí)現(xiàn)的，這需要消耗大量的時(shí)間和回傳鏈路資源 [11];而且，因?yàn)閰f(xié)作集合是針對(duì)單個(gè)用戶動(dòng)態(tài)建立的，所以，很難對(duì)用戶性能進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)分析。

為了避免小區(qū)形狀不規(guī)則并高效利用CoMP傳輸技術(shù)，文獻(xiàn)[12]創(chuàng)造性地提出了一種確定性的協(xié)作模型，其基本原理是采用與Poisson-Voronoi鑲嵌相互對(duì)偶的Poisson-Delaunay三角剖分幾何結(jié)構(gòu)。直觀上，如圖3藍(lán)色實(shí)線所分割的區(qū)域所示，每個(gè)藍(lán)色三角形表示一個(gè)Poisson-Delaunay小區(qū)，小區(qū)內(nèi)任一用戶的協(xié)作基站集合就是由位于該小區(qū)的三個(gè)頂點(diǎn)位置上的基站所構(gòu)成。而且，根據(jù)基站的已知地理位置信息，Poisson-Delaunay三角剖分的幾何結(jié)構(gòu)是唯一確定的。因此，根據(jù)用戶和基站的地理位置信息，任意用戶的三個(gè)協(xié)作服務(wù)基站就可以離線且唯一確定，這完全避免了協(xié)作基站集合的搜索過程并節(jié)約了回傳鏈路開銷。而且，相對(duì)于傳統(tǒng)Poisson-Voronoi模型的不規(guī)則多邊形小區(qū)，Poisson-Delaunay 三角剖分的任意小區(qū)具有規(guī)則的三角形結(jié)構(gòu)，這種規(guī)律性使得更容易對(duì)用戶性能進(jìn)行精確數(shù)學(xué)分析，例如，覆蓋率和頻譜效率分析可見文獻(xiàn)[13]。

將上述平面網(wǎng)絡(luò)建模方法擴(kuò)展到3D網(wǎng)絡(luò)，對(duì)應(yīng)也有確定性模型和隨機(jī)幾何模型。典型的確定性3D網(wǎng)絡(luò)模型主要包含三種：一是將每個(gè)小區(qū)建模為菱形十二面體;二是將每個(gè)小區(qū)建模為六角形棱鏡;三是將小區(qū)建模為截?cái)喟嗣骟w[14]。在這些3D形狀中，截?cái)喟嗣骟w是最接近球體的，而且，采用截?cái)喟嗣骟w完全覆蓋一個(gè)3D空間所需的多面體數(shù)量最小。因此，在最近一篇討論3D網(wǎng)絡(luò)建模的重要文獻(xiàn)[15]當(dāng)中，就采用的是截?cái)喟嗣骟w模型。具體而言，如圖4所示[15]，無人機(jī)位于每個(gè)等體積大小的小區(qū)的中心，每個(gè)小區(qū)由一個(gè)截?cái)喟嗣骟w構(gòu)成，它包含14個(gè)面（其中8個(gè)正六邊形和6個(gè)正方形），24個(gè)頂點(diǎn)和36條邊。該結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵特征是它能夠完美鑲嵌三維歐幾里德空間，也就是說，整個(gè)3D空間可以完全被截?cái)喟嗣骟w的多個(gè)副本無縫覆蓋且沒有任何重疊。與二維網(wǎng)絡(luò)的正六邊形模型相似，這種基于截?cái)喟嗣骟w的3D網(wǎng)絡(luò)建模，其模型簡(jiǎn)單，但是由于空中節(jié)點(diǎn)（例如無人機(jī)）的運(yùn)動(dòng)特性，幾乎不能準(zhǔn)確反映實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

基于隨機(jī)幾何的3D網(wǎng)絡(luò)模型主要包含兩種：一是基于Poisson-Voronoi鑲嵌的3D網(wǎng)絡(luò)模型;二是最近文獻(xiàn)[16]提出的3D Binomial-Delaunay四面體鑲嵌模型。如圖5所示，假設(shè)基站在3D空間當(dāng)中服從PPP分布，如果用戶按照最小距離準(zhǔn)則接入最近的基站，那么，基站周圍的多邊形邊界就形成了3D Poisson-Voronoi鑲嵌。顯然，該模型是二維Poisson-Voronoi鑲嵌在3D空間中的直觀擴(kuò)展，同時(shí)存在著與上述二維模型同樣的缺點(diǎn)：每個(gè)小區(qū)的結(jié)構(gòu)非常不規(guī)則。而且，由于每個(gè)小區(qū)體積的概率密度函數(shù)至今未知，因此很難對(duì)用戶性能進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)分析[12]。最近，文獻(xiàn)[16]基于上述平面Poisson-Delaunay三角剖分模型，提出了一種新的Binomial-Delaunay四面體鑲嵌模型。特別地，為了適應(yīng)有限高度的3D空間建模，作者對(duì)空中基站的建模沒有采用PPP模型，而是采用了二項(xiàng)點(diǎn)過程（BPP， Binomial Point Process）模型。如圖6所示，一個(gè)Delaunay四面體就對(duì)應(yīng)一個(gè)3D小區(qū)。事實(shí)上，圖6是圖5的對(duì)偶圖。直觀上，通過連接圖5中所有具有公共鄰邊的多邊形小區(qū)中的基站即可得到圖6。3D Binomial-Delaunay模型的一個(gè)主要特點(diǎn)是具有規(guī)則的四面體小區(qū)結(jié)構(gòu)，而且，可以對(duì)任意3D空間實(shí)現(xiàn)沒有重疊的無縫覆蓋。對(duì)比3D Poisson-Voronoi鑲嵌模型中邊緣數(shù)從4到36不等的不規(guī)則多面體小區(qū)，這種規(guī)則的四面體模型在數(shù)學(xué)上更易于處理[12]。該模型的另外一個(gè)主要特點(diǎn)是，位于四面體頂點(diǎn)位置的四個(gè)基站可以利用CoMP傳輸技術(shù)同時(shí)為小區(qū)內(nèi)的任意用戶提供服務(wù)，而且，只要基站的地理位置固定，對(duì)應(yīng)四面體鑲嵌的結(jié)構(gòu)也是唯一的，因此，對(duì)于任意用戶的四個(gè)協(xié)作基站集合也可以離線地唯一確定。

值得注意的是，隨著多輸入多輸出（MIMO， MultipleInput Multiple-Output）天線在4G網(wǎng)絡(luò)中的普及應(yīng)用，CoMP傳輸技術(shù)一直受到工業(yè)界的廣泛重視，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化過程最初出現(xiàn)在3GPP Release 11[17]，在Release 12中被擴(kuò)展到非理想回傳鏈路場(chǎng)景[18]，然后在Release 14當(dāng)中進(jìn)行了性能增強(qiáng)[19]。在5G時(shí)代，CoMP傳輸也被認(rèn)為是增強(qiáng)大規(guī)模MIMO性能的關(guān)鍵技術(shù)之一[20]。而且，除了容量增強(qiáng)之外，CoMP技術(shù)也可以用于提高傳輸?shù)目煽啃曰蛘咴鰪?qiáng)頻譜共享能力，尤其適用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用場(chǎng)景。為此，美國高通公司專門開發(fā)了一個(gè)5G CoMP原型測(cè)試系統(tǒng)[21]。隨著大規(guī)模MIMO和CoMP技術(shù)的融合發(fā)展，上述基于Poisson-Delaunay三角剖分或者Binomial-Delaunay四面體鑲嵌的網(wǎng)絡(luò)建模方法，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)規(guī)則、天然支持CoMP傳輸技術(shù)，并易于數(shù)學(xué)分析，因此有望在未來6G系統(tǒng)建模中得到廣泛應(yīng)用。

2? ?3D網(wǎng)絡(luò)的頻率規(guī)劃

由于頻譜資源的稀缺性和不可再生性，如何靈活高效地利用和共享頻譜資源是實(shí)現(xiàn)未來陸?？仗烊诤贤ㄐ诺年P(guān)鍵技術(shù)之一?；镜念l率規(guī)劃方法主要包括小區(qū)扇形劃分（cell sectoring）、小區(qū)分裂（cell splitting）和復(fù)用分區(qū)（reuse partitioning）[22]。小區(qū)分裂還可以與復(fù)用分區(qū)一起使用。目前，大量考慮頻率規(guī)劃問題的文獻(xiàn)都集中在具有不同的目標(biāo)函數(shù)和約束條件的有限二維平面網(wǎng)絡(luò)[23-25]，這些網(wǎng)絡(luò)都是采用確定的正六邊形宏小區(qū)或者是一個(gè)宏小區(qū)覆蓋多個(gè)小小區(qū)，然而，蜂窩網(wǎng)絡(luò)中不斷增加的異構(gòu)性和基站密度使得傳統(tǒng)的六邊形模型的效用極其有限，這引發(fā)了另一種基于隨機(jī)幾何的頻率規(guī)劃研究。特別地，不同點(diǎn)過程模型可以準(zhǔn)確捕獲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的不同空間特征。基于隨機(jī)幾何的頻率規(guī)劃最早采用PPP模型，例如，文獻(xiàn)[10]中采用的隨機(jī)復(fù)用距離的規(guī)劃方案將同頻基站的部署等效為一個(gè)稀釋后的PPP。由于同頻小區(qū)可能的聚集導(dǎo)致更大的同頻干擾，因此隨機(jī)復(fù)用距離規(guī)劃方案不能很好反應(yīng)實(shí)際地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的頻率規(guī)劃。同理，它也不能很好地反應(yīng)3D融合通信網(wǎng)絡(luò)的頻率規(guī)劃。

3D網(wǎng)絡(luò)的頻率規(guī)劃面臨兩個(gè)主要的挑戰(zhàn)：一是缺乏合適的3D網(wǎng)絡(luò)模型;二是針對(duì)不同的3D網(wǎng)絡(luò)模型，如何確定頻率復(fù)用因子或復(fù)用距離。與第1節(jié)的分類方法類似，頻率規(guī)劃技術(shù)也分為兩大類，即確定性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的頻率規(guī)劃和隨機(jī)性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的頻率規(guī)劃。在一個(gè)3D網(wǎng)絡(luò)中，假設(shè)整個(gè)空間由多個(gè)等體積的頻率復(fù)用簇完全覆蓋，那么，與平面蜂窩網(wǎng)絡(luò)相似，頻率復(fù)用因子就定義為簇中互不干擾的小區(qū)的數(shù)目?；谠摱x，文獻(xiàn)[15]提出了一種針對(duì)確定性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的頻率規(guī)劃方案。具體而言，如圖4所示，假設(shè)整個(gè)空間由多個(gè)等體積的截?cái)喟嗣骟w簇完全覆蓋，其頻率復(fù)用因子定義為一個(gè)簇內(nèi)所包含的截?cái)喟嗣骟w小區(qū)的數(shù)目。理論上該頻率規(guī)劃方案簡(jiǎn)單準(zhǔn)確，但實(shí)際應(yīng)用中不能較好地反應(yīng)無人機(jī)基站的動(dòng)態(tài)部署情況。因此，為了更好地滿足實(shí)際工程的需求，文獻(xiàn)[26]提出了基于UMHC（Union Matern Hard-core）點(diǎn)過程的隨機(jī)性網(wǎng)絡(luò)頻率規(guī)劃：它將密度為ρ的UMHC點(diǎn)過程等效為N個(gè)密度為ρ/N的PPP點(diǎn)過程的疊加（實(shí)質(zhì)上，N就表示同頻基站的數(shù)目），相應(yīng)地，隨機(jī)復(fù)用距離為。盡管該方案是基于平面蜂窩網(wǎng)絡(luò)，其定義的復(fù)用距離可直接拓展到3D隨機(jī)性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。此外，隨著凸優(yōu)化理論的發(fā)展，無明確頻率復(fù)用距離的動(dòng)態(tài)隨機(jī)性網(wǎng)絡(luò)頻率規(guī)劃方案不斷出現(xiàn)。例如，文獻(xiàn)[27]是基于PPP的動(dòng)態(tài)頻率規(guī)劃方案，在該方案中，系統(tǒng)總帶寬被劃分為K個(gè)部分，第k層網(wǎng)絡(luò)被分配到總帶寬的ηk比例（∑Kk=1ηk=1），然后，通過最大化網(wǎng)絡(luò)效用函數(shù)來獲得最優(yōu)的帶寬分配權(quán)值ηk。文獻(xiàn)[28]提出一種基于PPP的近似信噪比分析方法，即基于面積頻譜效率和網(wǎng)絡(luò)能量效率這兩個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)約束下的頻率規(guī)劃方法。應(yīng)用該方法，可以將基于PPP的動(dòng)態(tài)頻率規(guī)劃方案進(jìn)一步推廣到非PPP場(chǎng)景。

基于圖6所示的Binomial-Delaunay四面體規(guī)則3D網(wǎng)絡(luò)模型，文獻(xiàn)[16]提出了一種基于填色理論的貪婪頻率規(guī)劃方案。其基本原理是采用球形填充理論對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域進(jìn)行等體積劃分，然后，每個(gè)圓球所包含的多個(gè)四面體構(gòu)成一個(gè)頻率資源分配簇，球體內(nèi)部的不同四面體被分配不同的頻段。而相鄰的球體重復(fù)使用相同的頻率資源。如圖7所示，中間的圓球表示包含多個(gè)四個(gè)體所構(gòu)成的一個(gè)頻率分配簇，黃色填充的四面體分別屬于不同的簇，但被分配相同的頻段。在算法實(shí)施過程中，首先統(tǒng)計(jì)每一個(gè)填充圓球內(nèi)涉及的四面體小區(qū)數(shù)目，然后選出包含小區(qū)數(shù)目最多的球體，接著，應(yīng)用快速貪婪填色算法[29]自該球體開始依次對(duì)填充球體內(nèi)的小區(qū)進(jìn)行著色，而且，每個(gè)球體內(nèi)均采用與首個(gè)球體相同的顏色模型進(jìn)行隨機(jī)填充從而保證每個(gè)球體區(qū)域內(nèi)所有小區(qū)均被分布各不相同且唯一的顏色。顯然，該頻率規(guī)劃方法可以完全避免球體內(nèi)部的同頻干擾。同時(shí)，為了抑制球體之間的干擾泄漏，再次對(duì)填充球體邊緣處的小區(qū)顏色分配進(jìn)行二次修正，確保每個(gè)填充球體邊緣處的所有四面體小區(qū)均分配不同的顏色。該頻率規(guī)劃方法的優(yōu)點(diǎn)是可以有效地抑制同頻干擾，而且，每個(gè)小區(qū)被分配完全相同的帶寬。但是，由于每個(gè)填充球體包含的小區(qū)數(shù)量不同，每個(gè)簇使用的頻率資源各不相同，這會(huì)導(dǎo)致較低的頻譜利用效率。為了提高頻譜效率，可以對(duì)文獻(xiàn)[16]的頻率規(guī)劃方案稍作改進(jìn)，以保證每個(gè)填充球體使用相同的系統(tǒng)頻率資源。其基本思想是，根據(jù)每個(gè)圓球內(nèi)的實(shí)際小區(qū)數(shù)量，將系統(tǒng)頻率資源均勻地分配給各個(gè)小區(qū)。顯然，每個(gè)小區(qū)將會(huì)獲得寬窄不同的頻率資源，而且，如果一個(gè)圓球包含的小區(qū)數(shù)量越少，說明小區(qū)的平均體積越大（也就是說，小區(qū)的平均覆蓋范圍越大），每個(gè)小區(qū)將會(huì)獲得更多的頻率資源。這種頻率資源分配方法完全符合工程應(yīng)用的實(shí)際需求。

3? ? 移動(dòng)性管理

由于3D網(wǎng)絡(luò)將包含大量的空中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（例如無人機(jī)、平流層飛艇等），移動(dòng)性管理對(duì)3D網(wǎng)絡(luò)性能至關(guān)重要。通常，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型可以分為兩類：一是基于跟蹤的移動(dòng)模型（TBMM， Trace-Based Mobility Models）;二是隨機(jī)綜合模型（RSM， Random Synthetic Models）[30]。由于跟蹤獲取方法、跟蹤數(shù)據(jù)大小和數(shù)據(jù)過濾技術(shù)的不同，TBMM的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集可能不適用于其他網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景。更重要的是，大多數(shù)跟蹤數(shù)據(jù)可能并不會(huì)公開，而可用的跟蹤數(shù)據(jù)卻不足以分析網(wǎng)絡(luò)性能。因此，TBMM模型通常只適用于特定應(yīng)用場(chǎng)景。相反，RSM模型易于數(shù)學(xué)分析，且適用于不同應(yīng)用場(chǎng)景，所以本節(jié)主要討論RSM模型。

對(duì)RSM模型的研究，最早出現(xiàn)在移動(dòng)自組網(wǎng)（MANETs， Mobile Ad Hoc Networks）當(dāng)中。例如，文獻(xiàn)[31]-[33]研究了多種適用于平面或者3D移動(dòng)自組網(wǎng)（MANETs， Mobile Ad Hoc Networks）的綜合移動(dòng)模型，主要包括隨機(jī)方向（RD， Random Direction）模型和隨機(jī)路徑點(diǎn)遷移（RWPM， Random Waypoint Mobility）模型。他們的核心差別在于，在平面網(wǎng)絡(luò)中，RD模型得到的節(jié)點(diǎn)空間分布是均勻的，而RWPM模型的節(jié)點(diǎn)空間分布是非均勻的。在3D網(wǎng)絡(luò)中，RWPM模型的空間分布僅限于球面幾何[33]。而在實(shí)際應(yīng)用中，空中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（例如無人機(jī)）的空間運(yùn)動(dòng)軌跡具有圓柱幾何特征，而非球面幾何特征。更重要的是，無人機(jī)在垂直方向和水平方向的運(yùn)動(dòng)行為不一定是相同的均勻或不均勻分布，例如，無人機(jī)運(yùn)動(dòng)過程具有高度約束和空間漂移特征。由于無人機(jī)可能會(huì)在平均位置而不是在極端位置附近停留最長(zhǎng)時(shí)間，因此，高度控制機(jī)制必須是一個(gè)非均勻過程。然而，無人機(jī)的水平運(yùn)動(dòng)過程更可能是均勻的。因此，一個(gè)能夠同時(shí)捕捉上述兩種機(jī)制的3D無人機(jī)移動(dòng)模型是一個(gè)非常重要的開放問題。此外，具有3D移動(dòng)模型的無人機(jī)位置的穩(wěn)態(tài)分布必須具有足夠的數(shù)學(xué)易跟蹤特性，以便對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的用戶進(jìn)行性能分析。最近，文獻(xiàn)[34]提出的3D混合移動(dòng)模型能夠較好滿足上述特征，其中，無人機(jī)在垂直方向上的運(yùn)動(dòng)特征由RWPM模型表征，其在水平方向上的移動(dòng)性則由均勻移動(dòng)性（uniform mobility）模型表征。但是，文獻(xiàn)[34]中的移動(dòng)性性能分析是基于接收用戶與無人機(jī)之間的距離恒定的場(chǎng)景，忽略了無人機(jī)分布的隨機(jī)性特點(diǎn)。

基于前述3D Binomial-Delaunay網(wǎng)絡(luò)模型并結(jié)合無人機(jī)群隨機(jī)分布的特點(diǎn)，本文提出一種適用于3D網(wǎng)絡(luò)的綜合移動(dòng)模型。如圖8所示，用戶在地面服從均勻分布，無人機(jī)群在距地面高度為H、半徑為R的圓柱形三維空間中，其移動(dòng)方式可分解為水平方向和垂直方向。在任意時(shí)刻，無人機(jī)群的水平位置坐標(biāo)分布采用BPP模型表征，而在垂直方向上的位置坐標(biāo)分布則由一維的RWPM模型表征。然后，所有的無人機(jī)按照前述Binomial-Delaunay結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建模，每三架無人機(jī)形成一個(gè)協(xié)作機(jī)群共同服務(wù)地面用戶。采用平均接收功率最強(qiáng)的接入準(zhǔn)則，地面用戶選擇距離其最近的三角形協(xié)作機(jī)群進(jìn)行接入。由于該移動(dòng)模型固有的CoMP傳輸機(jī)制，一方面可以給地面用戶提供可靠高效的連接，另一方面也可以通過實(shí)施前述頻率規(guī)劃策略有效地抑制同頻干擾，從而極大地提升地面用戶的性能。

4? ? 其他關(guān)鍵技術(shù)

除了前面討論的3D網(wǎng)絡(luò)建模，頻率規(guī)劃和移動(dòng)性管理之外，面向6G的陸?？仗烊诤贤ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)還有眾多待研究的技術(shù)難題，由于篇幅限制，挑選四項(xiàng)扼要介紹如下。

4.1? 無人機(jī)信道建模

無人機(jī)通信是陸海空天融合通信網(wǎng)中重要的一環(huán)，在空天地一體化子系統(tǒng)中起著“承上啟下”的作用。無人機(jī)通信是第一種充分利用3D傳播空間的通信技術(shù)，它既可以作為飛行終端又可以作為空中通信基站。當(dāng)無人機(jī)與地面基站進(jìn)行通信或者作為空中基站與地面設(shè)備進(jìn)行通信的時(shí)候，需要精確的空-地/地-空信道模型[35]。另一方面，隨著無人機(jī)機(jī)群的應(yīng)用，無人機(jī)之間的通信需要精確的空-空信道模型[36]。此外，與傳統(tǒng)地面通信相比，無人機(jī)信道具有更強(qiáng)的視距傳播，且變化速率明顯高于地面通信信道。正是由于這些特征，使得無人機(jī)信道建模更具挑戰(zhàn)性。在針對(duì)各種典型環(huán)境進(jìn)行全面測(cè)量的基礎(chǔ)上，還需要結(jié)合考慮無人機(jī)的自身特點(diǎn)，包括自身陰影、自身電子設(shè)備的噪聲等。其次，還要考慮由無人機(jī)的機(jī)動(dòng)性引起的通道時(shí)間變化和多普勒效應(yīng)。

最后，無人機(jī)的不同飛行高度對(duì)應(yīng)的大氣環(huán)境對(duì)信道建模也有很大的影響。相關(guān)的最新研究進(jìn)展可參考文獻(xiàn)[37-38]，標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程參考文獻(xiàn)[39]。

4.2? 動(dòng)態(tài)頻譜資源共享

頻譜共享是解決傳統(tǒng)排他式頻率規(guī)劃導(dǎo)致的頻譜利用率低，并緩解頻譜資源匱乏與日益增長(zhǎng)的通信業(yè)務(wù)之間的矛盾的關(guān)鍵技術(shù)?；陬l譜資源授權(quán)方式，頻譜共享通常可以分為非授權(quán)頻譜（例如ISM頻段）和動(dòng)態(tài)共享頻譜兩種類型。對(duì)于非授權(quán)頻譜，用戶之間享有同等的頻段選擇與使用權(quán)利但均不受到保護(hù)，需要通過技術(shù)手段避免相互產(chǎn)生干擾。動(dòng)態(tài)頻譜共享是在保證主用戶不受干擾的前提下，通過設(shè)計(jì)權(quán)限許可規(guī)則，賦予次用戶相應(yīng)的頻譜使用權(quán)利。結(jié)合6G陸?？仗於鄨?chǎng)景需求，基于授權(quán)和非授權(quán)頻段持續(xù)優(yōu)化頻譜感知，認(rèn)知無線電、頻譜池等技術(shù)愈發(fā)重要[40]。從sub-6GHz到毫米波跨頻段共享技術(shù)是未來頻譜資源共享的發(fā)展趨勢(shì)[41]。另外，采用區(qū)塊鏈技術(shù)來進(jìn)行頻譜資源管理，也是實(shí)現(xiàn)6G分布式、智能化頻譜共享過程中的研究熱點(diǎn)[42]。

4.3? 干擾管理

傳統(tǒng)的干擾管理技術(shù)主要分為三類：干擾隨機(jī)化、干擾消除和干擾協(xié)調(diào)/避免。干擾隨機(jī)化是將小區(qū)間的干擾信號(hào)在時(shí)頻域進(jìn)行隨機(jī)化，使得終端在接收有效信號(hào)時(shí)可以將其近似成白噪聲，主要方法有加擾技術(shù)和交織多址技術(shù)。干擾隨機(jī)化不會(huì)增加終端處理信息的復(fù)雜度，但對(duì)系統(tǒng)性能的提升受系統(tǒng)自身的限制。干擾消除是對(duì)干擾小區(qū)的信號(hào)進(jìn)行某種程度的解調(diào)或解碼，利用接收機(jī)從接受信號(hào)中消除干擾分量，這會(huì)增加終端處理信息的復(fù)雜度。當(dāng)干擾信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于有用信號(hào)強(qiáng)度時(shí)，使用干擾消除技術(shù)能夠明顯提升用戶性能。干擾協(xié)調(diào)/避免是通過對(duì)多個(gè)小區(qū)的資源進(jìn)行協(xié)同分配和管理，進(jìn)而對(duì)干擾實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)/避免，例如OFDM頻譜分配和CoMP傳輸技術(shù)等。隨著用戶的增多和網(wǎng)絡(luò)部署的密集化，干擾對(duì)齊技術(shù)得到廣泛研究。該技術(shù)通過協(xié)同發(fā)送端預(yù)編碼和接收端譯碼，可以在較高的信噪比下達(dá)到干擾網(wǎng)絡(luò)的容量。但干擾對(duì)齊的實(shí)現(xiàn)需要全局信道狀態(tài)信息，并且隨著用戶數(shù)量和類型的增加而變得難以實(shí)現(xiàn)[43]。相對(duì)于陸地蜂窩網(wǎng)絡(luò)，陸?？仗烊诤贤ㄐ诺木W(wǎng)絡(luò)規(guī)模更大、層次化更強(qiáng)、通信環(huán)境更復(fù)雜，因此，開發(fā)新型分布式干擾管理策略至關(guān)重要[44]。

4.4? 基于AI的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

隨著軟件定義網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化等軟件技術(shù)在通信系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，未來的無線通信系統(tǒng)有望在一套統(tǒng)一的硬件基礎(chǔ)設(shè)施上，通過軟件定義來為不同應(yīng)用場(chǎng)景、不同用戶需求提供差異化的智能通信服務(wù)。換句話說，未來通信網(wǎng)絡(luò)的硬件基礎(chǔ)設(shè)施將更加集成化、模塊化和白盒化，而系統(tǒng)性能優(yōu)化與服務(wù)升級(jí)將主要通過擴(kuò)大云/邊緣/終端存儲(chǔ)資源和相應(yīng)的軟件更新來實(shí)現(xiàn)。在這樣的一個(gè)架構(gòu)統(tǒng)一的柔性網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，人工智能技術(shù)可以通過對(duì)采集、傳輸、存儲(chǔ)的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的分析和處理，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的、零接觸的網(wǎng)絡(luò)編排、優(yōu)化和管理，推動(dòng)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)向自主化網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)：在物理層，通過對(duì)大量設(shè)計(jì)參數(shù)的聯(lián)合控制和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)端到端的自動(dòng)調(diào)制/編譯碼配置，信道估計(jì)與預(yù)測(cè)，符號(hào)檢測(cè)，動(dòng)態(tài)頻譜檢測(cè)與隨機(jī)接入等;在數(shù)據(jù)鏈路層，通過選擇合適的安全算法，降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩_銷以實(shí)現(xiàn)安全增強(qiáng);在網(wǎng)絡(luò)層，通過閉環(huán)優(yōu)化和主動(dòng)式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)智能化的資源管理與調(diào)度、能量?jī)?yōu)化、故障分析、處理與恢復(fù)等;在系統(tǒng)層面上，人工智能技術(shù)能夠根據(jù)不斷變化的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)，將有助于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自主規(guī)劃、自適應(yīng)配置、自動(dòng)運(yùn)行、優(yōu)化、維護(hù)和愈合等。相關(guān)的最新研究進(jìn)展可參考文獻(xiàn)[45-46]。

5? ?演進(jìn)中的融合通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和案例分析

5.1? 演進(jìn)中的融合通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在第1節(jié)中，我們提出了一種基于四面體鑲嵌且能有效融合CoMP傳輸技術(shù)的3D網(wǎng)絡(luò)建模方法。盡管該方法能夠無縫覆蓋整個(gè)3D空間，但是，從無線通信的發(fā)展歷史來看，地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)不會(huì)立即過渡到滿足空間齊次性的融合通信網(wǎng)絡(luò)。也就是說，在垂直方向上，不會(huì)直接呈現(xiàn)均勻覆蓋，而是呈現(xiàn)一種分層、異構(gòu)式空間覆蓋。因此，作為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)中的重要一環(huán)，本節(jié)提出一種多層、異構(gòu)的空天地海網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

如圖9所示，除了地面蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)和海面通信基礎(chǔ)設(shè)置之外，未來融合通信網(wǎng)絡(luò)在垂直方向上將會(huì)出現(xiàn)三個(gè)新的覆蓋層：（1）距離地面高度約為150 m的無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò);（2）高度約為20 km的平流層通信網(wǎng)絡(luò)（通常以飛艇為載體）;（3）高度約為500～2 000 km的低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。

首先，空中無人機(jī)將為地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)提供增強(qiáng)覆蓋，例如用戶密集的城市熱點(diǎn)區(qū)域（包括中央商務(wù)區(qū)、舉辦球賽的體育場(chǎng)上空等）或者地面基礎(chǔ)設(shè)施匱乏的海島。其次，20 km高度的平流層通信網(wǎng)絡(luò)將為巡航高度約為10 km的民航飛機(jī)提供大范圍覆蓋。由于民航飛機(jī)有明確的航線，非常有利于確定飛艇的最優(yōu)位置。而且，空中飛艇還可以作為核心城市與周邊衛(wèi)星城市之間的中繼節(jié)點(diǎn)，也可以作為近岸小島與岸基基站之間的中繼節(jié)點(diǎn)。第三，高度約為500～2 000 km的低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)將為越洋飛機(jī)，海洋、森林、沙漠等偏遠(yuǎn)地區(qū)提供提供無時(shí)不在的全球無縫覆蓋。近年來，隨著美國SpaceX公司“星鏈”計(jì)劃的逐步實(shí)施，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為全球互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的新熱點(diǎn);2020年4月20日，我國也首次把“衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)”列入“新型基礎(chǔ)設(shè)施”建設(shè)戰(zhàn)略。

另一方面，地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)與空中三層通信網(wǎng)絡(luò)之間通過SDN控制器相關(guān)聯(lián)，SDN控制器可以部署在功能強(qiáng)大的服務(wù)器或云平臺(tái)上，從而動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)行為并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源管理?；赟DN控制器，這四層網(wǎng)絡(luò)既能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)層內(nèi)通信，又能實(shí)現(xiàn)層間的互聯(lián)互通，包括相鄰層之間的向下覆蓋和向上回傳鏈路。而且，各層內(nèi)的用戶密度與各層的海拔高度成反比。在每一層通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，可以采用圖3所示的三角剖分網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)高效的協(xié)作通信。當(dāng)與上層網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系的時(shí)候，可以采用圖6所示的四面體模型，例如，三架無人機(jī)與一個(gè)飛艇構(gòu)成一個(gè)層間3D小區(qū)，這樣可以顯著增強(qiáng)空中網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。

在圖9所示的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，平流層通信網(wǎng)絡(luò)的地位至關(guān)重要。與高度超過500 km的低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)相比，位于20 km左右高度的平流層通信網(wǎng)絡(luò)具有成本低、容量大、時(shí)延短、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、部署靈活等優(yōu)點(diǎn)。與無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)相比，平流層通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍更廣，可以減少切換頻率。尤其是與無人機(jī)的航行時(shí)間嚴(yán)重受限于電池容量相比，飛艇在駐留過程中基本不需要能源消耗，可長(zhǎng)期駐留于平流層中保證有效通信。接下來，我們提供一個(gè)近期完成的平流層通信試驗(yàn)的案例分析。

5.2? 案例分析：平流層通信試驗(yàn)

鵬城實(shí)驗(yàn)室“海洋立體通信網(wǎng)絡(luò)示范驗(yàn)證平臺(tái)”項(xiàng)目就是研究和探索平流層通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)例。該項(xiàng)目研究與中國聯(lián)通合作，利用平流層飛艇等為基礎(chǔ)平臺(tái)，在約 20 km高度的臨近空間，構(gòu)建空間網(wǎng)絡(luò)，拓展5G/B5G，高效低成本實(shí)現(xiàn)偏遠(yuǎn)稀疏場(chǎng)景寬帶無線覆蓋，突破大覆蓋、大連接、大帶寬、高可靠和超低時(shí)延信息通信發(fā)展瓶頸，解決海洋疆域、地空高速交通物流以及應(yīng)急救災(zāi)特殊場(chǎng)景信息通信問題。為研究和探索空間組網(wǎng)理論和關(guān)鍵技術(shù)，2019年底，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在湖北荊門展開外場(chǎng)試驗(yàn)，以中國聯(lián)通地面網(wǎng)絡(luò)為依托，通過系留艇和試驗(yàn)車搭載5G基站，采用2.5 Gbit/s激光傳輸動(dòng)態(tài)連接，成功搭建了業(yè)界首例5G SA空間組網(wǎng)示范驗(yàn)證平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了5G寬帶大范圍覆蓋（如圖10所示）。試驗(yàn)結(jié)果表明，空中5G基站在300 m高度有效服務(wù)距離達(dá)6 km、信號(hào)有效覆蓋超過10 km，單終端最高下行速率達(dá)1.2 Gbit/s、上行速率達(dá)220 Mbit/s，與地面5G基站基本一致。同時(shí)，驗(yàn)證了激光傳輸動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的可行性，為平流層空間通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究邁出了關(guān)鍵的第一步。

6? ? 結(jié)束語

本文詳細(xì)討論了從平面蜂窩網(wǎng)絡(luò)到未來空天地海一體化融合通信的網(wǎng)絡(luò)建模方法，尤其是強(qiáng)調(diào)了一種能夠有效結(jié)合協(xié)作多點(diǎn)傳輸?shù)钠矫嫒切位蛘呖罩兴拿骟w網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該架構(gòu)的蜂窩單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于理論分析。作為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)中的一環(huán)，本文提出了一種分層、異構(gòu)式3D網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并討論了一項(xiàng)作為未來空間通信核心要素的平流層通信試驗(yàn)。本文的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有望成為未來陸?？仗烊诤贤ㄐ诺年P(guān)鍵參考模型，并促進(jìn)未來6G技術(shù)的成熟。

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作者簡(jiǎn)介

李妍（orcid.org/0000-0001-7452-9677）：

中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院在讀博士研究生，研究方向?yàn)闊o線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的建模與分析及協(xié)作通信。

范筱：中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院在讀博士研究生，研究方向?yàn)闊o線蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的資源分配。

黃曉明：電子技術(shù)教授級(jí)高級(jí)工程師，鵬域?qū)嶒?yàn)室雙聘專家，現(xiàn)任職于中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司廣東省分公司，主要研究方向?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、移動(dòng)通信天線、電磁輻射與干擾等。

夏明華（orcid.org/0000-0002-0820-2227）：教授、博士生導(dǎo)師，博士畢業(yè)于中山大學(xué)，現(xiàn)任職于中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，擔(dān)任移動(dòng)通信國家工程研究中心中山大學(xué)分中心主任及南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（珠海）兼職教授，研究方向?yàn)闊o線通信及信號(hào)處理。