一种空中智能移动通信网络架构的研究

邱东来

（广东南方电信规划咨询设计院有限公司，惠州 516003）

1 前言

信息化浪潮正在全球范围内展开，实现随时随地随心所欲通信，不断提升宽带通信质量，是移动通信网络发展的追求。目前传统的蜂窝网络结构无线基站位置固定的建设思路越来越成为了移动通信网络进一步演进的瓶颈。特别是对于农村地区，为了满足宽带通信的需要，庞大的宽带网络建设成本和低ARPU值之间的矛盾成为了日益凸显的问题。本文对移动通信基础网络结构优化进行了有益的探讨，提出了一种未来可能的空中智能移动通信网络架构。

2 一种新型的无线网络架构

随着人们对优质的生活环境要求越来越高，基站的建设选址越来越难，协调难、建设难、搬迁多越来越成为限制移动通信网络质量提升的因素。为了解决5G时代可能产生的超高密度基站建设问题，设备厂商已经积极研发，使得基站硬件往小型化、简易安装等方向发展，但是这仍然不能从根本上解决问题。

移动通信网络发展困境产生的根本原因在于目前的蜂窝移动通信网络架构中，把基站布设在地面固定的位置当作一个默认的前提。这导致当用户离开原基站一定距离后，由于原基站无法提供足够的服务而需要切换到另一个基站。这导致随着速率及网络质量要求的提升，基站数量需要不断增加。同时基站需要固定在地面一定高度的物体上，由于地表形态复杂，固定的基站与用户之间往往不能实现直线的数据传输，由此带来了额外的传输损耗，同时限制了速率的提升，进而要求越来越密集的基站分布。

本文提出一种新型的空中智能移动通信网络架构，在该网络架构中，基站不再布设在地面的固定物上，基站的位置不再是固定的。我们将无线通信技术和无人机技术、智能控制技术相结合，使得基站具备在空中智能飞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，基站将根据用户的需求来进行空中布局。空中智能移动通信网络架构示意图如图1所示。

图1 空中智能移动通信网络架构示意图

2.1 智能运动型基站

智能运动型基站由飞行子系统、通信子系统、供电子系统以及中央智能控制系统四部分组成，图2为智能运动型基站结构框图。其中飞行子系统利用小型无人机技术，实现飞行、悬停、精准定位、智能避障等功能；通信子系统利用移动通信射频拉远技术，通信子系统主要实现基站的射频拉远单元功能，能够将基站蜂巢的通信数据转发给用户，同时将用户的通信数据转发给基站蜂巢；供电子系统为其他系统提供电源，并为基站提供长时间续航能力；中央智能控制系统是智能运动型基站的控制枢纽，在控制协调飞行、通信、供电等子系统的基础上，可利用各项实时传感数据实现智能飞行，同时和基站蜂巢进行相关控制指令交互。

图2 智能运动型基站结构框图

智能运动型基站能够在空中智能飞行抵达用户上空，跟随用户运动而运动，和用户进行持续的直线通信。空中分布的智能运动型基站之间可以进行通信，可以进行相互切换、话务分担、忙闲互补等通信过程。

2.2 基站蜂巢

基站蜂巢由通信子系统、基站舱系统、供电子系统、中央智能控制系统等部分组成，图3为基站蜂巢结构框图。

图3 基站蜂巢结构框图

基站蜂巢的通信子系统主要包含基带单元、射频单元以及传输单元。基带单元采用移动通信基带池技术，可以为基站蜂巢所管辖的所有基站提供基带资源以及基带处理能力；射频单元能够提供广覆盖信号，在基站蜂巢和用户之间实现广覆盖低速率通信；传输单元实现基站蜂巢和智能云平台之间通信。

基站蜂巢的基站舱系统具有收纳、发射基站的能力，并能够为基站提供续航维护服务；供电子系统将为基站蜂巢提供电源；中央智能控制统筹控制基站蜂巢的各个子系统，具备和智能云平台进行控制指令交互的能力，能够有效地管理基站蜂巢管辖范围内的所有基站。

设置基站蜂巢，固定在地面较高的杆塔上，能够提供广覆盖信号以及为用户提供低速率通信服务。用户可以接收并响应广覆盖信号，基站蜂巢利用用户的响应可以识别用户需求并定位用户。基站蜂巢同时还具有收纳、发射基站的能力，并能够为基站提供续航维护服务。基站蜂巢和空中分布的智能运动型基站之间将保持高速率的直线通信。由于用户和基站蜂巢通信采用广覆盖低速率的技术，同时基站蜂巢和基站之间采用高速率直线通信的技术，这可以极大增加基站蜂巢的覆盖范围。

2.3 智能云平台

设置智能云平台取代传统的无线核心网，基站蜂巢和智能云平台相连，智能云平台可以对基站蜂巢资源进行统一调配。智能运动型基站的分布由智能云平台通过基站蜂巢进行统一控制，以网络质量的最优化为布设前提，不再必须遵循蜂窝结构分布的规律。

3 空中智能移动通信网络通信流程

图4为空中智能移动通信网络通信流程示意图。通信开始，用户在基站蜂巢的覆盖范围内待机，待用户发起低速率通信申请时，基站蜂巢直接为用户提供通信。当用户发起高速率通信申请时，基站蜂巢将对空中分布的智能运动型基站进行运算，为用户指派基站。指派成功后，智能运动型基站将飞行抵达用户上空，和用户建立高速率通信。用户通过智能运动型基站、基站蜂巢之间的连接，访问智能云平台，并获取到需要的数据。

在业务流程上，对于低速率的通信业务，智能云平台、基站蜂巢、用户之间发生业务关系；对于高速率的通信业务，在用户和智能运动型基站成功建立连接后，用户通过智能运动型基站和基站蜂巢、智能云平台发生业务关系。

图4 空中智能移动通信网络通信流程示意图

4 空中智能移动通信网络关键技术

4.1 硬件制造

硬件制造包括智能运动型基站和基站蜂巢。智能运动型基站可以由传统小型化无线基站和无人机平台整合产生。随着信息化技术、轻量化任务载荷技术、高效空气动力技术、起降技术等的发展，无人机应用领域越来越广泛。此外在无线通信领域，基站小型化发展、基站与天线一体化发展，有利于基站和无人机平台互相整合，进而发展成为智能运动型基站。对于基站蜂巢，类似一个智能运动型基站的智能工作间，需要具备传统宏基站的通信能力外，更重要的是具备对基站进行智能维护的功能。

4.2 空中驻留技术

基站的空中驻留技术是空中智能移动通信网络能否成功的一个关键，目前已经有气球、飞艇等飞行器搭载基站布设空中移动网络的有益尝试，但是小型智能化无人机无疑是当前较为可行的一种方案。在2015年，Facebook推出了第一个大型无人机项目——无人机“天鹰”（Aquila），并表示“天鹰”在未来可能用以传输无线网络。在空中驻留技术中，长时间续航问题的解决是关键，“天鹰”无人机采用机身披被太阳能电池的方法初步解决续航问题。随着核动力、燃料电池、太阳能电池、新型锂电池等电池技术的发展，小型化、低成本的后备电源方案将为无人机提供长时间续航的可能。

4.3 通信时延的解决

当用户发起高速率通信申请时，可以从以下思路初步解决通信时延的问题：在基站蜂巢收到用户的高速率通信申请至智能运动型基站和用户成功建立高速率连接的这一段时间内，基站蜂巢将持续为用户提供低速率通信服务，用以改善用户的接入感知；进一步研究基站蜂巢对智能运动型基站的发射技术，以缩短智能运动型基站抵达用户上空所需的时间；此外利用大数据分析，提前在用户可能出现的区域上空进行智能运动型基站的布局将能有效解决通信时延问题。

4.4 智能技术的发展

智能运动型基站的空中智能飞行、对用户的智能跟踪服务、基站蜂巢对基站的智能维护、智能云平台对整个网络的智能化管理等都需要大数据分析、智能技术等的进一步发展。特别是当空中布满智能运动型基站的时候，如何有效管理，在避免碰撞的同时提升网络性能，将面临大量的运算以及实时智能控制。

5 结束语

本文提出的空中智能移动通信网络架构改变了传统蜂窝网络架构中无线基站固定布局的思路，能够有效地解决下一代移动通信网络高密度建设基站面临的选址难、建设难等问题。特别在农村场景下，地广人稀，网络利用率不高，空中智能移动通信网络架构能够在满足高速率通信需求的同时，实时按需布设智能运动型基站，有利于减小建设维护成本，提升网络效益。

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