邱東來

（廣東南方電信規(guī)劃咨詢?cè)O(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地隨心所欲通信，不斷提升寬帶通信質(zhì)量，是移動(dòng)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(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步演進(jìn)的瓶頸。特別是對(duì)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(duì)移動(dòng)通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了有益的探討，提出了一種未來可能的空中智能移動(dòng)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(duì)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(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量提升的因素。為了解決5G時(shí)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(jiǎn)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(dòng)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(dòng)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(gè)默認(rèn)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)限制了速率的提升，進(jìn)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(dòng)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(jī)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(jìn)行空中布局?？罩兄悄芤苿?dòng)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(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

2.1 智能運(yùn)動(dòng)型基站

智能運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)型基站結(jié)構(gòu)框圖。其中飛行子系統(tǒng)利用小型無人機(jī)技術(shù)，實(shí)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(dòng)通信射頻拉遠(yuǎn)技術(shù)，通信子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)基站的射頻拉遠(yuǎn)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(shí)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(zhǎng)時(shí)間續(xù)航能力；中央智能控制系統(tǒng)是智能運(yùn)動(dòng)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(xiàng)實(shí)時(shí)傳感數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)智能飛行，同時(shí)和基站蜂巢進(jìn)行相關(guān)控制指令交互。

圖2 智能運(yùn)動(dòng)型基站結(jié)構(gòu)框圖

智能運(yùn)動(dòng)型基站能夠在空中智能飛行抵達(dá)用戶上空，跟隨用戶運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，和用戶進(jìn)行持續(xù)的直線通信。空中分布的智能運(yùn)動(dòng)型基站之間可以進(jìn)行通信，可以進(jìn)行相互切換、話務(wù)分擔(dān)、忙閑互補(bǔ)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?dòng)通信基帶池技術(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(hào)，在基站蜂巢和用戶之間實(shí)現(xiàn)廣覆蓋低速率通信；傳輸單元實(shí)現(xiàn)基站蜂巢和智能云平臺(tái)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?yàn)榛咎峁├m(xù)航維護(hù)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(gè)子系統(tǒng)，具備和智能云平臺(tái)進(jìn)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(hào)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(hào)，基站蜂巢利用用戶的響應(yīng)可以識(shí)別用戶需求并定位用戶?；痉涑餐瑫r(shí)還具有收納、發(fā)射基站的能力，并能夠?yàn)榛咎峁├m(xù)航維護(hù)服務(wù)?；痉涑埠涂罩蟹植嫉闹悄苓\(yùn)動(dòng)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(shí)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(tái)

設(shè)置智能云平臺(tái)取代傳統(tǒng)的無線核心網(wǎng)，基站蜂巢和智能云平臺(tái)相連，智能云平臺(tái)可以對(duì)基站蜂巢資源進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配。智能運(yùn)動(dòng)型基站的分布由智能云平臺(tái)通過基站蜂巢進(jìn)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(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)通信流程

圖4為空中智能移動(dòng)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(jī)，待用戶發(fā)起低速率通信申請(qǐng)時(shí)，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(qǐng)時(shí)，基站蜂巢將對(duì)空中分布的智能運(yùn)動(dòng)型基站進(jìn)行運(yùn)算，為用戶指派基站。指派成功后，智能運(yùn)動(dòng)型基站將飛行抵達(dá)用戶上空，和用戶建立高速率通信。用戶通過智能運(yùn)動(dòng)型基站、基站蜂巢之間的連接，訪問智能云平臺(tái)，并獲取到需要的數(shù)據(jù)。

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

圖4 空中智能移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)通信流程示意圖

4 空中智能移動(dòng)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(yùn)動(dòng)型基站和基站蜂巢。智能運(yùn)動(dòng)型基站可以由傳統(tǒng)小型化無線基站和無人機(jī)平臺(tái)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(dòng)力技術(shù)、起降技術(shù)等的發(fā)展，無人機(jī)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(jī)平臺(tái)互相整合，進(jìn)而發(fā)展成為智能運(yùn)動(dòng)型基站。對(duì)于基站蜂巢，類似一個(gè)智能運(yùn)動(dòng)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(duì)基站進(jìn)行智能維護(hù)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(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)能否成功的一個(gè)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)的有益嘗試，但是小型智能化無人機(jī)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(gè)大型無人機(jī)項(xiàng)目——無人機(jī)“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(zhǎng)時(shí)間續(xù)航問題的解決是關(guān)鍵，“天鷹”無人機(jī)采用機(jī)身披被太陽能電池的方法初步解決續(xù)航問題。隨著核動(dòng)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(jī)提供長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航的可能。

4.3 通信時(shí)延的解決

當(dāng)用戶發(fā)起高速率通信申請(qǐng)時(shí)，可以從以下思路初步解決通信時(shí)延的問題：在基站蜂巢收到用戶的高速率通信申請(qǐng)至智能運(yùn)動(dòng)型基站和用戶成功建立高速率連接的這一段時(shí)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(jìn)一步研究基站蜂巢對(duì)智能運(yùn)動(dòng)型基站的發(fā)射技術(shù)，以縮短智能運(yùn)動(dòng)型基站抵達(dá)用戶上空所需的時(shí)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(jìn)行智能運(yùn)動(dòng)型基站的布局將能有效解決通信時(shí)延問題。

4.4 智能技術(shù)的發(fā)展

智能運(yùn)動(dòng)型基站的空中智能飛行、對(duì)用戶的智能跟蹤服務(wù)、基站蜂巢對(duì)基站的智能維護(hù)、智能云平臺(tái)對(duì)整個(gè)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(jìn)一步發(fā)展。特別是當(dāng)空中布滿智能運(yùn)動(dòng)型基站的時(shí)候，如何有效管理，在避免碰撞的同時(shí)提升網(wǎng)絡(luò)性能，將面臨大量的運(yùn)算以及實(shí)時(shí)智能控制。

5 結(jié)束語

本文提出的空中智能移動(dòng)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(dòng)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(chǎng)景下，地廣人稀，網(wǎng)絡(luò)利用率不高，空中智能移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠在滿足高速率通信需求的同時(shí)，實(shí)時(shí)按需布設(shè)智能運(yùn)動(dòng)型基站，有利于減小建設(shè)維護(hù)成本，提升網(wǎng)絡(luò)效益。

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