移動的代價：無線通信有線化

摘要： 采用無線覆蓋的距離來定義用戶的移動性，并以香農信息論為基礎，提出了無線通信的移動性代價模型。移動性代價模型的主要意義在于：揭示了移動距離、通信容量和資源代價之間的轉換關系。按照這個模型，可以得出3個主要結論：無線資源的消耗與距離有關，應當建立合理的通信計費機制；系統容量與覆蓋距離可以相互轉化，從而改變系統容量對頻譜資源的依賴關系；以短覆蓋距離為特征的無線通信有線化將成為提高系統容量的主要方向。

關鍵詞： 移動性；頻率資源；信道容量；代價函數

目前，5G移動通信系統的研究已初見端倪，相應的頻譜需求預測研究也同時展開。這一輪新的頻譜訴求，主要是針對即將召開的世界無線電大會（WRC15）。設備制造商和系統運營商分別從各自不同的角度對未來頻譜需求進行研究判斷，希望能夠在WRC15上為未來的5G系統爭取更大的頻譜空間。比較集中的看法是：到2020年左右，移動通信系統需要新增帶寬1～2 GHz。

在19世紀末和20世紀初的馬可尼時代，無線電成為可用的遠距離通信技術，早期的頻譜使用并不是問題。實際上，對于頻譜資源的爭奪是近10多年來的事情，并且還伴隨著移動通信系統的廣泛使用而變得愈演愈烈。

作為移動通信系統的用戶，真正需要的是終端和系統所傳輸的信息容量，而并不直接關心所占用的頻譜帶寬。所以，對用戶和系統運營商而言，頻譜需求是現象，容量需求才是本質。

電子器件和終端設備的技術進步、功能提升和價格下降，參與無線通信的人群持續增加、無線網絡提供的業務更加豐富，都是頻譜需求愈演愈烈的推動因素。到目前為止，摩爾定律一直有效，半導體工藝水平何時進入發展的平坦區尚不得而知。即便摩爾定律不再有效，器件和設備的制造成本還會下降。所以，流量需求的持續增加應該是常態。

頻率的自然屬性，決定了適用于移動通信的頻譜供應不可避免地將要進入平坦區。需求持續增長，供應卻趨于飽和，其差距的增長就必然地不可避免。通過改進無線傳輸技術而提高頻譜的使用效率，在一定程度上可以彌補這一差距，但按照香農信息理論能夠提供的新增容量畢竟有限。所以，必須認識和揭示其中趨勢性的基本規律，以求改變依賴頻譜的容量增長方式。

無線通信與有線通信都是傳輸信息的有效方式。其最大的不同之處在于，用戶使用無線通信系統的地點沒有傳輸線纜的約束，而且可以移動，從而獲得最大程度的靈活性。然而，用戶在獲取無線通信靈活性便利的同時，需要為此付出相應的代價。因此，文章從無線通信與有線通信的特征分析入手，提出移動性代價模型，從代價的角度分析移動性與傳輸容量之間的轉換關系[1]。

1 無線信道與有線信道

無線信道與有線信道的共同屬性，都是提供信息的傳輸通道。信道特征的差異完全來自于傳輸介質。有線通信的傳輸介質是線纜，通常采用玻璃纖維、金屬材料等材質制作而成。無線信道的傳輸介質是自由空間，在非真空的環境下會受到大氣、水汽和塵埃等因素的影響。與傳輸距離相比，這些因素的影響比較微弱，在后續的討論中予以忽略。

有線信道傳輸容量大，信道狀態穩定，路徑損耗低。無線信道傳輸相對容量較低，信道狀態受環境的影響很大，路徑損耗低大。所以，信道的差異是無線通信與有線通信差異的根源，見表1。

無線信道除了具有反射、散射、繞射、多經疊加和時變等特性外，與傳輸距離相關的路徑損耗是影響信道容量的主要因素。在自由空間的大尺度衰落下，傳播路徑損耗為

2 移動性代價模型

無線信道的核心價值在于提供通信的靈活性，以移動性表征。在獲取靈活性的同時，需要付出相應的代價。合理使用與設計通信系統，移動性代價是一個應當考慮的重要因素。這些代價體現在信道帶寬、通信容量、能量能耗、能量效率等一些因素中。

根據第1節中的分析，無線通信最基本的特點是其移動性以及為此必須付出的相應代價。香農第二定理給出了信道容量、信道帶寬、發送功率和通信距離之間的關系。作為系統資源，信道帶寬與發送功率終歸是有限的，所以香農公式實際上已經給出了信道容量與通信距離之間的互換關系。

如果把頻譜功率等系統資源概括抽象為代價，就得到了描述移動性、容量和代價三者之間的關系。這些分析就是移動性代價概念的來源和模型的基礎[2]。

如果把接收機信噪比用發送功率、傳輸距離等參數表示，香農第二定理可以表達為，

式中W為信道帶寬，Pt為發送功率，gout為天線增益，ηPA為功放效率，N0為噪聲譜密度，r為傳輸距離，α為路徑衰減因子。

3 無線資源的合理使用

移動通信運營商對移動用戶的數據通信計費，目前通常采用基于通信流量的計費制度。從圖3可以看出，流量計費制度對有線通信沒有問題，因為有線通信對傳輸距離不是很敏感。但是，這種計費方法對無線通信則很不合適。按照代價模型，同樣的傳輸速率下，不同傳輸距離下傳輸代價的差距非常大。

在移動通信廣泛使用的早期，頻譜資源供需矛盾還不是很突出的情況下，以流量為主導的計費方式因為簡單易行尚可以接受。但是，參與通信的人群越多，通信流量越大，通信資源稀缺的矛盾就越突出。在這種情況下，單純的流量計費機制就過于粗放。

因而，出于代價因素的頻譜資源精細化使用就必將成為趨勢。從移動距離的角度看，以公路鐵路為代表的交通運輸系統按照運輸距離收費，與無線通信的移動性代價是相同的原理。按通信的本來價值收費，更重要的意義在于引導正確消費，避免稀缺資源的濫用[3]。

表2給出了在不同覆蓋距離下，無線通信速率與發送功率之間的一些關系。

從表2中看出，大尺度覆蓋環境，高速率使用需要付出巨大的功率代價。大尺度覆蓋與小尺度覆蓋合理分工，在速率使用上相互補充。據此，一個典型的覆蓋原則是，在廣域的蜂窩覆蓋環境下主要應滿足語音及低速數據應用需求；而2 Mbit/s以上的高速數據業務主要應通過熱點覆蓋和局域無線接入來實現。根據系統代價制訂的計費機制，應當能夠反映出來對用戶使用無線資源的新導向。

4 無線通信有線化

無線流量需求將繼續保持持續增長，這是因為隨著器件和設備的進步、價格降低，參與通信活動的人群和通信量會持續增加。從系統側看，適用于移動通信的頻段是有限的，即便全部提供給運營商使用，頻譜供應的持續增加也不可能維持下去。如果不改變頻譜使用的思路，無線通信頻譜供應與需求之間的缺口將愈來愈大，如圖7所示。

受自然屬性的約束，可用頻段增量有限，頻譜供應最終將趨于常數。因此，頻譜帶寬必將成為一個穩定的常數，移動性代價模型同樣可以描述系統容量與頻譜的關系，可以看成是模型中的代價。按照移動性代價模型，影響系統容量的可變因素就轉化為通信距離。根據式（5），可以通過縮短通信距離來換取系統容量。

無線覆蓋半徑越小，移動用戶就越接近有線網絡。當可移動半徑趨于零時，無線通信退化為有線通信。無線覆蓋半徑縮小的這樣一種過程，我們稱之為無線通信有線化，如圖8所示。

無線通信縮小覆蓋半徑r來提高系統容量，實際上是利用了空間正交性的頻率復用概念。有線通信通過增加纜線數量來提高系統容量，也是利用線纜在空間上的正交性。兩者異曲同工，都可抽象為從正交空間獲取容量的倍增，如圖9所示。

縮小無線覆蓋半徑來換取系統容量的增加，主要約束將不再是電波傳播的自然屬性，而是網絡架構、干擾控制等技術約束。從原則上講，只要技術上能夠做到，覆蓋半徑可以一直縮小下去，系統容量就可以一直提高。這就將自然屬性的約束轉換為技術約束了。技術進步是可以通過努力得到的，而自然屬性是不可人為改變的。無線通信有線化的核心，是改變依賴頻譜的容量增長方式。

5 結束語

無線信道特征決定了無線通信過程的靈活屬性，這是無線通信相對于有線通信的核心價值所在。但是，無線系統通信需求為其靈活性特征付出巨大的代價，主要來源于無線信道的衰減特性。在無線通信系統應用的早期，參與通信的人群和對通信容量的要求都十分有限，無線資源的矛盾不甚突出。但是，隨著各方面的技術進步，參與通信的人群和通信容量需求急劇增加，無線資源的供需矛盾變得十分突出，而且愈演愈烈。在這種情況下，對無線資源的精細化管理與使用已成為通信業界必然的發展趨勢。

文章采用無線覆蓋的距離來定義用戶的移動性，以香農信息論為基礎，提出了無線通信的移動性代價模型。移動性代價模型的主要意義在于，揭示了移動距離、通信容量和資源代價之間的轉換關系。按照這個模型，我們可以得出以下3個主要的結論：

（1）無線資源的消耗與距離有關，應當建立合理的通信計費機制以遵循無線通信的自然規律以及價值規律。

（2）系統容量與覆蓋距離可以相互轉化，從而改變系統容量對頻譜資源的依賴關系。

（3）在新頻譜資源增長進入平坦區的情況下，以短覆蓋距離為特征的無線通信有線化將成為提高系統容量的主要方向。

對于移動通信系統而言，可用的頻段有限，頻譜資源的約束是一種無法逾越的自然約束。根據移動性代價模型提出的無線通信有線化方向，將移動性轉換為系統容量，所面臨的主要是技術約束。技術約束是可以通過技術進步而獲得一些重大的突破，與頻譜資源的自然約束有著根本的不同。

當前，長期演進（LTE）已經全面進入商用階段，LTE-A以及未來的5G能夠提供更強的無線傳輸能力。但是必須指出的是，系統能夠提供的傳輸能力與能力的使用不應當劃等號。合理分配使用無線資源重要程度僅與資源使用者的人群數量有關，使用的人越多，合理性的就越重要。因此，盡管LTE及未來傳輸技術有能力為用戶在廣域的移動范圍提供更高的傳輸速率，但并不意味著在這樣的環境下使用高速的無線資源就是合理的。

所以，從無線通信技術的發展看，一方面可以繼續沿著提高速率的方向增強傳輸能力，另一方面在系統的使用上應著力解決不同區域覆蓋下的資源分配與網絡融合，以適應不同用戶的不同速率需求。

4 無線通信有線化

無線流量需求將繼續保持持續增長，這是因為隨著器件和設備的進步、價格降低，參與通信活動的人群和通信量會持續增加。從系統側看，適用于移動通信的頻段是有限的，即便全部提供給運營商使用，頻譜供應的持續增加也不可能維持下去。如果不改變頻譜使用的思路，無線通信頻譜供應與需求之間的缺口將愈來愈大，如圖7所示。

受自然屬性的約束，可用頻段增量有限，頻譜供應最終將趨于常數。因此，頻譜帶寬必將成為一個穩定的常數，移動性代價模型同樣可以描述系統容量與頻譜的關系，可以看成是模型中的代價。按照移動性代價模型，影響系統容量的可變因素就轉化為通信距離。根據式（5），可以通過縮短通信距離來換取系統容量。

無線覆蓋半徑越小，移動用戶就越接近有線網絡。當可移動半徑趨于零時，無線通信退化為有線通信。無線覆蓋半徑縮小的這樣一種過程，我們稱之為無線通信有線化，如圖8所示。

無線通信縮小覆蓋半徑r來提高系統容量，實際上是利用了空間正交性的頻率復用概念。有線通信通過增加纜線數量來提高系統容量，也是利用線纜在空間上的正交性。兩者異曲同工，都可抽象為從正交空間獲取容量的倍增，如圖9所示。

縮小無線覆蓋半徑來換取系統容量的增加，主要約束將不再是電波傳播的自然屬性，而是網絡架構、干擾控制等技術約束。從原則上講，只要技術上能夠做到，覆蓋半徑可以一直縮小下去，系統容量就可以一直提高。這就將自然屬性的約束轉換為技術約束了。技術進步是可以通過努力得到的，而自然屬性是不可人為改變的。無線通信有線化的核心，是改變依賴頻譜的容量增長方式。

5 結束語

無線信道特征決定了無線通信過程的靈活屬性，這是無線通信相對于有線通信的核心價值所在。但是，無線系統通信需求為其靈活性特征付出巨大的代價，主要來源于無線信道的衰減特性。在無線通信系統應用的早期，參與通信的人群和對通信容量的要求都十分有限，無線資源的矛盾不甚突出。但是，隨著各方面的技術進步，參與通信的人群和通信容量需求急劇增加，無線資源的供需矛盾變得十分突出，而且愈演愈烈。在這種情況下，對無線資源的精細化管理與使用已成為通信業界必然的發展趨勢。

文章采用無線覆蓋的距離來定義用戶的移動性，以香農信息論為基礎，提出了無線通信的移動性代價模型。移動性代價模型的主要意義在于，揭示了移動距離、通信容量和資源代價之間的轉換關系。按照這個模型，我們可以得出以下3個主要的結論：

（1）無線資源的消耗與距離有關，應當建立合理的通信計費機制以遵循無線通信的自然規律以及價值規律。

（2）系統容量與覆蓋距離可以相互轉化，從而改變系統容量對頻譜資源的依賴關系。

（3）在新頻譜資源增長進入平坦區的情況下，以短覆蓋距離為特征的無線通信有線化將成為提高系統容量的主要方向。

對于移動通信系統而言，可用的頻段有限，頻譜資源的約束是一種無法逾越的自然約束。根據移動性代價模型提出的無線通信有線化方向，將移動性轉換為系統容量，所面臨的主要是技術約束。技術約束是可以通過技術進步而獲得一些重大的突破，與頻譜資源的自然約束有著根本的不同。

當前，長期演進（LTE）已經全面進入商用階段，LTE-A以及未來的5G能夠提供更強的無線傳輸能力。但是必須指出的是，系統能夠提供的傳輸能力與能力的使用不應當劃等號。合理分配使用無線資源重要程度僅與資源使用者的人群數量有關，使用的人越多，合理性的就越重要。因此，盡管LTE及未來傳輸技術有能力為用戶在廣域的移動范圍提供更高的傳輸速率，但并不意味著在這樣的環境下使用高速的無線資源就是合理的。

所以，從無線通信技術的發展看，一方面可以繼續沿著提高速率的方向增強傳輸能力，另一方面在系統的使用上應著力解決不同區域覆蓋下的資源分配與網絡融合，以適應不同用戶的不同速率需求。

4 無線通信有線化

無線流量需求將繼續保持持續增長，這是因為隨著器件和設備的進步、價格降低，參與通信活動的人群和通信量會持續增加。從系統側看，適用于移動通信的頻段是有限的，即便全部提供給運營商使用，頻譜供應的持續增加也不可能維持下去。如果不改變頻譜使用的思路，無線通信頻譜供應與需求之間的缺口將愈來愈大，如圖7所示。

受自然屬性的約束，可用頻段增量有限，頻譜供應最終將趨于常數。因此，頻譜帶寬必將成為一個穩定的常數，移動性代價模型同樣可以描述系統容量與頻譜的關系，可以看成是模型中的代價。按照移動性代價模型，影響系統容量的可變因素就轉化為通信距離。根據式（5），可以通過縮短通信距離來換取系統容量。

無線覆蓋半徑越小，移動用戶就越接近有線網絡。當可移動半徑趨于零時，無線通信退化為有線通信。無線覆蓋半徑縮小的這樣一種過程，我們稱之為無線通信有線化，如圖8所示。

無線通信縮小覆蓋半徑r來提高系統容量，實際上是利用了空間正交性的頻率復用概念。有線通信通過增加纜線數量來提高系統容量，也是利用線纜在空間上的正交性。兩者異曲同工，都可抽象為從正交空間獲取容量的倍增，如圖9所示。

縮小無線覆蓋半徑來換取系統容量的增加，主要約束將不再是電波傳播的自然屬性，而是網絡架構、干擾控制等技術約束。從原則上講，只要技術上能夠做到，覆蓋半徑可以一直縮小下去，系統容量就可以一直提高。這就將自然屬性的約束轉換為技術約束了。技術進步是可以通過努力得到的，而自然屬性是不可人為改變的。無線通信有線化的核心，是改變依賴頻譜的容量增長方式。

5 結束語

無線信道特征決定了無線通信過程的靈活屬性，這是無線通信相對于有線通信的核心價值所在。但是，無線系統通信需求為其靈活性特征付出巨大的代價，主要來源于無線信道的衰減特性。在無線通信系統應用的早期，參與通信的人群和對通信容量的要求都十分有限，無線資源的矛盾不甚突出。但是，隨著各方面的技術進步，參與通信的人群和通信容量需求急劇增加，無線資源的供需矛盾變得十分突出，而且愈演愈烈。在這種情況下，對無線資源的精細化管理與使用已成為通信業界必然的發展趨勢。

文章采用無線覆蓋的距離來定義用戶的移動性，以香農信息論為基礎，提出了無線通信的移動性代價模型。移動性代價模型的主要意義在于，揭示了移動距離、通信容量和資源代價之間的轉換關系。按照這個模型，我們可以得出以下3個主要的結論：

（1）無線資源的消耗與距離有關，應當建立合理的通信計費機制以遵循無線通信的自然規律以及價值規律。

（2）系統容量與覆蓋距離可以相互轉化，從而改變系統容量對頻譜資源的依賴關系。

（3）在新頻譜資源增長進入平坦區的情況下，以短覆蓋距離為特征的無線通信有線化將成為提高系統容量的主要方向。

對于移動通信系統而言，可用的頻段有限，頻譜資源的約束是一種無法逾越的自然約束。根據移動性代價模型提出的無線通信有線化方向，將移動性轉換為系統容量，所面臨的主要是技術約束。技術約束是可以通過技術進步而獲得一些重大的突破，與頻譜資源的自然約束有著根本的不同。

當前，長期演進（LTE）已經全面進入商用階段，LTE-A以及未來的5G能夠提供更強的無線傳輸能力。但是必須指出的是，系統能夠提供的傳輸能力與能力的使用不應當劃等號。合理分配使用無線資源重要程度僅與資源使用者的人群數量有關，使用的人越多，合理性的就越重要。因此，盡管LTE及未來傳輸技術有能力為用戶在廣域的移動范圍提供更高的傳輸速率，但并不意味著在這樣的環境下使用高速的無線資源就是合理的。

所以，從無線通信技術的發展看，一方面可以繼續沿著提高速率的方向增強傳輸能力，另一方面在系統的使用上應著力解決不同區域覆蓋下的資源分配與網絡融合，以適應不同用戶的不同速率需求。