移动的代价：无线通信有线化

摘要： 采用无线覆盖的距离来定义用户的移动性，并以香农信息论为基础，提出了无线通信的移动性代价模型。移动性代价模型的主要意义在于：揭示了移动距离、通信容量和资源代价之间的转换关系。按照这个模型，可以得出3个主要结论：无线资源的消耗与距离有关，应当建立合理的通信计费机制；系统容量与覆盖距离可以相互转化，从而改变系统容量对频谱资源的依赖关系；以短覆盖距离为特征的无线通信有线化将成为提高系统容量的主要方向。

关键词： 移动性；频率资源；信道容量；代价函数

目前，5G移动通信系统的研究已初见端倪，相应的频谱需求预测研究也同时展开。这一轮新的频谱诉求，主要是针对即将召开的世界无线电大会（WRC15）。设备制造商和系统运营商分别从各自不同的角度对未来频谱需求进行研究判断，希望能够在WRC15上为未来的5G系统争取更大的频谱空间。比较集中的看法是：到2020年左右，移动通信系统需要新增带宽1～2 GHz。

在19世纪末和20世纪初的马可尼时代，无线电成为可用的远距离通信技术，早期的频谱使用并不是问题。实际上，对于频谱资源的争夺是近10多年来的事情，并且还伴随着移动通信系统的广泛使用而变得愈演愈烈。

作为移动通信系统的用户，真正需要的是终端和系统所传输的信息容量，而并不直接关心所占用的频谱带宽。所以，对用户和系统运营商而言，频谱需求是现象，容量需求才是本质。

电子器件和终端设备的技术进步、功能提升和价格下降，参与无线通信的人群持续增加、无线网络提供的业务更加丰富，都是频谱需求愈演愈烈的推动因素。到目前为止，摩尔定律一直有效，半导体工艺水平何时进入发展的平坦区尚不得而知。即便摩尔定律不再有效，器件和设备的制造成本还会下降。所以，流量需求的持续增加应该是常态。

频率的自然属性，决定了适用于移动通信的频谱供应不可避免地将要进入平坦区。需求持续增长，供应却趋于饱和，其差距的增长就必然地不可避免。通过改进无线传输技术而提高频谱的使用效率，在一定程度上可以弥补这一差距，但按照香农信息理论能够提供的新增容量毕竟有限。所以，必须认识和揭示其中趋势性的基本规律，以求改变依赖频谱的容量增长方式。

无线通信与有线通信都是传输信息的有效方式。其最大的不同之处在于，用户使用无线通信系统的地点没有传输线缆的约束，而且可以移动，从而获得最大程度的灵活性。然而，用户在获取无线通信灵活性便利的同时，需要为此付出相应的代价。因此，文章从无线通信与有线通信的特征分析入手，提出移动性代价模型，从代价的角度分析移动性与传输容量之间的转换关系[1]。

1 无线信道与有线信道

无线信道与有线信道的共同属性，都是提供信息的传输通道。信道特征的差异完全来自于传输介质。有线通信的传输介质是线缆，通常采用玻璃纤维、金属材料等材质制作而成。无线信道的传输介质是自由空间，在非真空的环境下会受到大气、水汽和尘埃等因素的影响。与传输距离相比，这些因素的影响比较微弱，在后续的讨论中予以忽略。

有线信道传输容量大，信道状态稳定，路径损耗低。无线信道传输相对容量较低，信道状态受环境的影响很大，路径损耗低大。所以，信道的差异是无线通信与有线通信差异的根源，见表1。

无线信道除了具有反射、散射、绕射、多经叠加和时变等特性外，与传输距离相关的路径损耗是影响信道容量的主要因素。在自由空间的大尺度衰落下，传播路径损耗为

2 移动性代价模型

无线信道的核心价值在于提供通信的灵活性，以移动性表征。在获取灵活性的同时，需要付出相应的代价。合理使用与设计通信系统，移动性代价是一个应当考虑的重要因素。这些代价体现在信道带宽、通信容量、能量能耗、能量效率等一些因素中。

根据第1节中的分析，无线通信最基本的特点是其移动性以及为此必须付出的相应代价。香农第二定理给出了信道容量、信道带宽、发送功率和通信距离之间的关系。作为系统资源，信道带宽与发送功率终归是有限的，所以香农公式实际上已经给出了信道容量与通信距离之间的互换关系。

如果把频谱功率等系统资源概括抽象为代价，就得到了描述移动性、容量和代价三者之间的关系。这些分析就是移动性代价概念的来源和模型的基础[2]。

如果把接收机信噪比用发送功率、传输距离等参数表示，香农第二定理可以表达为，

式中W为信道带宽，Pt为发送功率，gout为天线增益，ηPA为功放效率，N0为噪声谱密度，r为传输距离，α为路径衰减因子。

3 无线资源的合理使用

移动通信运营商对移动用户的数据通信计费，目前通常采用基于通信流量的计费制度。从图3可以看出，流量计费制度对有线通信没有问题，因为有线通信对传输距离不是很敏感。但是，这种计费方法对无线通信则很不合适。按照代价模型，同样的传输速率下，不同传输距离下传输代价的差距非常大。

在移动通信广泛使用的早期，频谱资源供需矛盾还不是很突出的情况下，以流量为主导的计费方式因为简单易行尚可以接受。但是，参与通信的人群越多，通信流量越大，通信资源稀缺的矛盾就越突出。在这种情况下，单纯的流量计费机制就过于粗放。

因而，出于代价因素的频谱资源精细化使用就必将成为趋势。从移动距离的角度看，以公路铁路为代表的交通运输系统按照运输距离收费，与无线通信的移动性代价是相同的原理。按通信的本来价值收费，更重要的意义在于引导正确消费，避免稀缺资源的滥用[3]。

表2给出了在不同覆盖距离下，无线通信速率与发送功率之间的一些关系。

从表2中看出，大尺度覆盖环境，高速率使用需要付出巨大的功率代价。大尺度覆盖与小尺度覆盖合理分工，在速率使用上相互补充。据此，一个典型的覆盖原则是，在广域的蜂窝覆盖环境下主要应满足语音及低速数据应用需求；而2 Mbit/s以上的高速数据业务主要应通过热点覆盖和局域无线接入来实现。根据系统代价制订的计费机制，应当能够反映出来对用户使用无线资源的新导向。

4 无线通信有线化

无线流量需求将继续保持持续增长，这是因为随着器件和设备的进步、价格降低，参与通信活动的人群和通信量会持续增加。从系统侧看，适用于移动通信的频段是有限的，即便全部提供给运营商使用，频谱供应的持续增加也不可能维持下去。如果不改变频谱使用的思路，无线通信频谱供应与需求之间的缺口将愈来愈大，如图7所示。

受自然属性的约束，可用频段增量有限，频谱供应最终将趋于常数。因此，频谱带宽必将成为一个稳定的常数，移动性代价模型同样可以描述系统容量与频谱的关系，可以看成是模型中的代价。按照移动性代价模型，影响系统容量的可变因素就转化为通信距离。根据式（5），可以通过缩短通信距离来换取系统容量。

无线覆盖半径越小，移动用户就越接近有线网络。当可移动半径趋于零时，无线通信退化为有线通信。无线覆盖半径缩小的这样一种过程，我们称之为无线通信有线化，如图8所示。

无线通信缩小覆盖半径r来提高系统容量，实际上是利用了空间正交性的频率复用概念。有线通信通过增加缆线数量来提高系统容量，也是利用线缆在空间上的正交性。两者异曲同工，都可抽象为从正交空间获取容量的倍增，如图9所示。

缩小无线覆盖半径来换取系统容量的增加，主要约束将不再是电波传播的自然属性，而是网络架构、干扰控制等技术约束。从原则上讲，只要技术上能够做到，覆盖半径可以一直缩小下去，系统容量就可以一直提高。这就将自然属性的约束转换为技术约束了。技术进步是可以通过努力得到的，而自然属性是不可人为改变的。无线通信有线化的核心，是改变依赖频谱的容量增长方式。

5 结束语

无线信道特征决定了无线通信过程的灵活属性，这是无线通信相对于有线通信的核心价值所在。但是，无线系统通信需求为其灵活性特征付出巨大的代价，主要来源于无线信道的衰减特性。在无线通信系统应用的早期，参与通信的人群和对通信容量的要求都十分有限，无线资源的矛盾不甚突出。但是，随着各方面的技术进步，参与通信的人群和通信容量需求急剧增加，无线资源的供需矛盾变得十分突出，而且愈演愈烈。在这种情况下，对无线资源的精细化管理与使用已成为通信业界必然的发展趋势。

文章采用无线覆盖的距离来定义用户的移动性，以香农信息论为基础，提出了无线通信的移动性代价模型。移动性代价模型的主要意义在于，揭示了移动距离、通信容量和资源代价之间的转换关系。按照这个模型，我们可以得出以下3个主要的结论：

（1）无线资源的消耗与距离有关，应当建立合理的通信计费机制以遵循无线通信的自然规律以及价值规律。

（2）系统容量与覆盖距离可以相互转化，从而改变系统容量对频谱资源的依赖关系。

（3）在新频谱资源增长进入平坦区的情况下，以短覆盖距离为特征的无线通信有线化将成为提高系统容量的主要方向。

对于移动通信系统而言，可用的频段有限，频谱资源的约束是一种无法逾越的自然约束。根据移动性代价模型提出的无线通信有线化方向，将移动性转换为系统容量，所面临的主要是技术约束。技术约束是可以通过技术进步而获得一些重大的突破，与频谱资源的自然约束有着根本的不同。

当前，长期演进（LTE）已经全面进入商用阶段，LTE-A以及未来的5G能够提供更强的无线传输能力。但是必须指出的是，系统能够提供的传输能力与能力的使用不应当划等号。合理分配使用无线资源重要程度仅与资源使用者的人群数量有关，使用的人越多，合理性的就越重要。因此，尽管LTE及未来传输技术有能力为用户在广域的移动范围提供更高的传输速率，但并不意味着在这样的环境下使用高速的无线资源就是合理的。

所以，从无线通信技术的发展看，一方面可以继续沿着提高速率的方向增强传输能力，另一方面在系统的使用上应着力解决不同区域覆盖下的资源分配与网络融合，以适应不同用户的不同速率需求。

4 无线通信有线化

无线流量需求将继续保持持续增长，这是因为随着器件和设备的进步、价格降低，参与通信活动的人群和通信量会持续增加。从系统侧看，适用于移动通信的频段是有限的，即便全部提供给运营商使用，频谱供应的持续增加也不可能维持下去。如果不改变频谱使用的思路，无线通信频谱供应与需求之间的缺口将愈来愈大，如图7所示。

受自然属性的约束，可用频段增量有限，频谱供应最终将趋于常数。因此，频谱带宽必将成为一个稳定的常数，移动性代价模型同样可以描述系统容量与频谱的关系，可以看成是模型中的代价。按照移动性代价模型，影响系统容量的可变因素就转化为通信距离。根据式（5），可以通过缩短通信距离来换取系统容量。

无线覆盖半径越小，移动用户就越接近有线网络。当可移动半径趋于零时，无线通信退化为有线通信。无线覆盖半径缩小的这样一种过程，我们称之为无线通信有线化，如图8所示。

无线通信缩小覆盖半径r来提高系统容量，实际上是利用了空间正交性的频率复用概念。有线通信通过增加缆线数量来提高系统容量，也是利用线缆在空间上的正交性。两者异曲同工，都可抽象为从正交空间获取容量的倍增，如图9所示。

缩小无线覆盖半径来换取系统容量的增加，主要约束将不再是电波传播的自然属性，而是网络架构、干扰控制等技术约束。从原则上讲，只要技术上能够做到，覆盖半径可以一直缩小下去，系统容量就可以一直提高。这就将自然属性的约束转换为技术约束了。技术进步是可以通过努力得到的，而自然属性是不可人为改变的。无线通信有线化的核心，是改变依赖频谱的容量增长方式。

5 结束语

无线信道特征决定了无线通信过程的灵活属性，这是无线通信相对于有线通信的核心价值所在。但是，无线系统通信需求为其灵活性特征付出巨大的代价，主要来源于无线信道的衰减特性。在无线通信系统应用的早期，参与通信的人群和对通信容量的要求都十分有限，无线资源的矛盾不甚突出。但是，随着各方面的技术进步，参与通信的人群和通信容量需求急剧增加，无线资源的供需矛盾变得十分突出，而且愈演愈烈。在这种情况下，对无线资源的精细化管理与使用已成为通信业界必然的发展趋势。

文章采用无线覆盖的距离来定义用户的移动性，以香农信息论为基础，提出了无线通信的移动性代价模型。移动性代价模型的主要意义在于，揭示了移动距离、通信容量和资源代价之间的转换关系。按照这个模型，我们可以得出以下3个主要的结论：

（1）无线资源的消耗与距离有关，应当建立合理的通信计费机制以遵循无线通信的自然规律以及价值规律。

（2）系统容量与覆盖距离可以相互转化，从而改变系统容量对频谱资源的依赖关系。

（3）在新频谱资源增长进入平坦区的情况下，以短覆盖距离为特征的无线通信有线化将成为提高系统容量的主要方向。

对于移动通信系统而言，可用的频段有限，频谱资源的约束是一种无法逾越的自然约束。根据移动性代价模型提出的无线通信有线化方向，将移动性转换为系统容量，所面临的主要是技术约束。技术约束是可以通过技术进步而获得一些重大的突破，与频谱资源的自然约束有着根本的不同。

当前，长期演进（LTE）已经全面进入商用阶段，LTE-A以及未来的5G能够提供更强的无线传输能力。但是必须指出的是，系统能够提供的传输能力与能力的使用不应当划等号。合理分配使用无线资源重要程度仅与资源使用者的人群数量有关，使用的人越多，合理性的就越重要。因此，尽管LTE及未来传输技术有能力为用户在广域的移动范围提供更高的传输速率，但并不意味着在这样的环境下使用高速的无线资源就是合理的。

所以，从无线通信技术的发展看，一方面可以继续沿着提高速率的方向增强传输能力，另一方面在系统的使用上应着力解决不同区域覆盖下的资源分配与网络融合，以适应不同用户的不同速率需求。

4 无线通信有线化

无线流量需求将继续保持持续增长，这是因为随着器件和设备的进步、价格降低，参与通信活动的人群和通信量会持续增加。从系统侧看，适用于移动通信的频段是有限的，即便全部提供给运营商使用，频谱供应的持续增加也不可能维持下去。如果不改变频谱使用的思路，无线通信频谱供应与需求之间的缺口将愈来愈大，如图7所示。

受自然属性的约束，可用频段增量有限，频谱供应最终将趋于常数。因此，频谱带宽必将成为一个稳定的常数，移动性代价模型同样可以描述系统容量与频谱的关系，可以看成是模型中的代价。按照移动性代价模型，影响系统容量的可变因素就转化为通信距离。根据式（5），可以通过缩短通信距离来换取系统容量。

无线覆盖半径越小，移动用户就越接近有线网络。当可移动半径趋于零时，无线通信退化为有线通信。无线覆盖半径缩小的这样一种过程，我们称之为无线通信有线化，如图8所示。

无线通信缩小覆盖半径r来提高系统容量，实际上是利用了空间正交性的频率复用概念。有线通信通过增加缆线数量来提高系统容量，也是利用线缆在空间上的正交性。两者异曲同工，都可抽象为从正交空间获取容量的倍增，如图9所示。

缩小无线覆盖半径来换取系统容量的增加，主要约束将不再是电波传播的自然属性，而是网络架构、干扰控制等技术约束。从原则上讲，只要技术上能够做到，覆盖半径可以一直缩小下去，系统容量就可以一直提高。这就将自然属性的约束转换为技术约束了。技术进步是可以通过努力得到的，而自然属性是不可人为改变的。无线通信有线化的核心，是改变依赖频谱的容量增长方式。

5 结束语

无线信道特征决定了无线通信过程的灵活属性，这是无线通信相对于有线通信的核心价值所在。但是，无线系统通信需求为其灵活性特征付出巨大的代价，主要来源于无线信道的衰减特性。在无线通信系统应用的早期，参与通信的人群和对通信容量的要求都十分有限，无线资源的矛盾不甚突出。但是，随着各方面的技术进步，参与通信的人群和通信容量需求急剧增加，无线资源的供需矛盾变得十分突出，而且愈演愈烈。在这种情况下，对无线资源的精细化管理与使用已成为通信业界必然的发展趋势。

文章采用无线覆盖的距离来定义用户的移动性，以香农信息论为基础，提出了无线通信的移动性代价模型。移动性代价模型的主要意义在于，揭示了移动距离、通信容量和资源代价之间的转换关系。按照这个模型，我们可以得出以下3个主要的结论：

（1）无线资源的消耗与距离有关，应当建立合理的通信计费机制以遵循无线通信的自然规律以及价值规律。

（2）系统容量与覆盖距离可以相互转化，从而改变系统容量对频谱资源的依赖关系。

（3）在新频谱资源增长进入平坦区的情况下，以短覆盖距离为特征的无线通信有线化将成为提高系统容量的主要方向。

对于移动通信系统而言，可用的频段有限，频谱资源的约束是一种无法逾越的自然约束。根据移动性代价模型提出的无线通信有线化方向，将移动性转换为系统容量，所面临的主要是技术约束。技术约束是可以通过技术进步而获得一些重大的突破，与频谱资源的自然约束有着根本的不同。

当前，长期演进（LTE）已经全面进入商用阶段，LTE-A以及未来的5G能够提供更强的无线传输能力。但是必须指出的是，系统能够提供的传输能力与能力的使用不应当划等号。合理分配使用无线资源重要程度仅与资源使用者的人群数量有关，使用的人越多，合理性的就越重要。因此，尽管LTE及未来传输技术有能力为用户在广域的移动范围提供更高的传输速率，但并不意味着在这样的环境下使用高速的无线资源就是合理的。

所以，从无线通信技术的发展看，一方面可以继续沿着提高速率的方向增强传输能力，另一方面在系统的使用上应着力解决不同区域覆盖下的资源分配与网络融合，以适应不同用户的不同速率需求。