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  • 面向异日的陆海空天融相符通信网络架构
    时间:2020-09-09   作者:admin  点击数:

    原标题:面向异日的陆海空天融相符通信网络架构

    面向异日的陆海空天融相符通信网络架构*

    洱源县宿咖装饰设计公司

    李妍 1 ,范筱 1 ,黄晓明 2 ,夏明华 1,3**

    【摘 要】为了实现全球化的无缝网络隐瞒,陆、海、空、天四位一体化融相符通信已成为异日6G通信的发展趋势。对陆海空天一体化通信的网络架构及对答的关键技术进走综相符分析与设计,并进走一项平流层通信试验案例分析。最先,简要回顾陆海空天融相符通信的的发展背景;其次,详细商议陆海空天融相符通信体系的三项关键技术:3D网络建模、频率规划以及移动性管理,奇异域,强调一栽基于Binomial-Delaunay四面体的新式网络模型;基于该模型,进一步商议了频率规划方案和节点综相符移动模型;然后,不详商议3D网络中的无人机信道建模、动态频谱资源共享、作梗管理和基于AI的网络设计等四项关键技术;末了,行为空间网络架构演进中的一环,挑出一栽分层、异构式融相符通信网络架构,并展现一个近期完善的平流层通信试验。

    【关键词】融相符通信;3D网络建模;频率规划;移动性管理;平流层通信

    doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2020.06.016

    中图分类号:TP181 文献标志码:A

    文章编号:1006-1010(2020)06-0104-12

    引用格式:李妍,范筱,黄晓明,等. 面向异日的陆海空天融相符通信网络架构[J]. 移动通信, 2020,44(6): 104-115.

    自1980年代以来,移动通信体系基本以十年为一个周期最先新一代的大周围商业安放,并为用户挑供更兴旺的网络连接/传输能力和新的行使服务。 如图1所示,移动通信从凝神于已足人与人之间的通信(1G~3G),发展到初步实现人与物之间的通信(4G),再进一步发展到“万物互联”(5G),末了憧憬实现陆海空天一体化融相符通信(6G)。从行使和营业层面来看,4G之前的移动通信主要面向以人造中心的幼我虚耗市场,而5G的虚耗主体从个体虚耗者向垂直走业和细分周围周详辐射。稀奇是在与人造智能(AI, Artificial Intelligence)、边缘计算等新一代新闻技术融相符创新后,5G 通信能够进一步赋能工业、交通、医疗、能源、传媒等垂直走业,更好地已足物联网的海量需求以及各走业之间深度融相符的请求,从而实现从万物互联到万物智联的飞跃 [1] 。以2019年6月6日吾国工业和新闻化部发放5G牌照为标志,2019年成为吾国5G商用元年。

    为了创新下一代通信技术,科研人员的钻研重点已经最先转向6G。现在,6G通信的主要特征能够概括为四个关键词:灵巧连接、深度连接、全休连接和泛在连接,它们共同构成“一念天地,万物随心”的6G总体愿景 [2] 。为了已足该愿景,必须将先辈的新闻处理技术与高效的新闻传输技术相结相符。针对后者,尤其是要将陆地地面通信、矮空空中通信、高空卫星通信、海洋通信、水下通信等传统意义上表现相互物理别离的通信体系进走重新设计和高效融相符,最后构建一张已足全球无缝隐瞒的陆海空天融相符通信网络。 如图2所示,陆海空天融相符通信网络能够分解为两个子网络:一个由陆基(即陆地蜂窝、非蜂窝网络设施等)、空基(无人机、飞艇、飞机等各类飞走器)及天基(各类卫星、星链等)构成的空天地一体化子网 [3] ;另一个是由水下、海基(海面及深海通信设备等)、岸基,并结相符空基与天基构成的深海远洋通信子网 [4] 。

    (1)空天地一体化通信子网

    随着无线体系的一连升级换代,尽管地面基站安放愈来愈浓密,但是,由于网络容量和隐瞒周围有限,并不是一切用户都能在任何时候、任何地点享福到高质量的网络服务。例如,全球尚有大约10%的人口位于地广人稀的边远地区,至今无法享用互联网基础设施服务;同时,在体育场等人员浓密的炎点区域,用户也无法享福安详的高质量网络服务。为了突破地面基础设施的局限,早在2000年,美国国防部就挑出要建设“天地一体化”新闻网,即全球新闻栅格(GIG, Global Information Grid)。其主要思路为:在同一的框架下,实现计算机新闻网、传感器网和武器平台网的综相符集成,并遵命“按需定制”的原则,把一体化的新闻网络细分为若干个栅格,将新闻共享划分为若干层次,针对分歧的用户向他们挑供所需的、经过处理的新闻 [5] 。考虑到卫星网络与地面网络在隐瞒周围、带宽、成本等方面的分歧上风,将两者融相符构成一体化网络,从而能够综相符卫星网络通信隐瞒周围广、不受环境局限的性能以及地面网络容量大、速率高的特点,进而为用户挑供更优质的通钦佩务。随后,很多国家和结构都最先设计并安放天地一体化项现在,如欧盟的SUITED(Multisegment System for Broadband Ubiquitous Access to Internet Services and Demonstrator)项现在将卫星网络、地面蜂窝网和无线局域网等多栽网络进走融相符,日本的STICS(Satellite/Terrestrial Integrated Mobile Communication System)项现在也挑出了共享频谱带宽的天地一体化移动通信网。

    尽管“天地一体化”通信网络结相符了卫星网络和地面网络的上风,高额的设备成本使得其无法实现周详隐瞒。随着科技的发展,空中平台(如无人机)的成本降落使得科研人员挑出了“空天地一体化”网络的构想。所谓空天地一体化网络就是在天地一体化网络的基础上,结相符基于空中平台的空基通信网络构成的三层异构通信网络。例如,谷歌公司的Loon项现在和Facebook公司的Aquila项现在,别离议定漂浮在平流层的炎气球和高空太阳能无人机来为欠缺基础设施的拮据/边远地区挑供矮成本网络隐瞒,或者为用户浓密的城市炎点地区挑供高性能添强隐瞒。甚至,为了使网络十足脱离地面基础设施,美国SpaceX公司在2015年推出了“星链(Starlink)计划”,现在的是行使大约42 000颗卫星为地球任何地方挑供无所不在的无线网络服务。与卫星相比,空中平台与地面距离近,链路花费少、传播时延幼,且价格较矮,能够敏捷安放。欧盟的ABSOLUTE(Aerial Base Stations with Opportunistic Links for Unexpected and Temporary Events)计划议定挑供在任何天气都能够敏捷发射的移动空中平台来竖立空天地一体化网络,议定空中、地面和卫星通信链路的结相符以获得最大化的网络容量。吾国也将“天地一体化新闻网络”列入“科技创新2030—壮大项现在”,旨在推进天基新闻网、异日互联网、移动通信网的周详融相符,形成隐瞒全球的天地一体化新闻网络。

    (2)深海远洋通信子网

    海洋隐瞒了地球外貌70%以上的面积,拥有雄厚的生物资源、油气资源、矿产资源等,开发和珍惜海洋具有极其主要的战略意义。然而,到现在为止,高达95%的海洋尚未勘探或开发不及 [6] 。因此,沿海国家和有关结构挑出了一系列的海洋不都雅测计划,如全球海洋不都雅测体系(GOOS, The Global Ocean Observing System)和海底科学不都雅测网等。在竖立海洋不都雅测体系之外,很多国家和结构还致力于深海远洋通信体系的建设,旨在实现全海洋通信网络的无缝隐瞒。深海远洋通信体系包括海洋通信网络和水下通信(深海通信)网络。其中,海洋通信网络包括海上无线通信体系、海洋卫星通信体系和基于陆地蜂窝网络的岸基移动通信体系,它能够保障近海、远海和远洋的船舶-海岸、船舶-船舶的平时通信 [4] 。

    水下通信是深海远洋通信体系中的关键技术,也是其面临的最大挑衅。现在,实现水下无线通信的载体主要有三栽:声波、电磁波和光波。水声通信的特点是能以相对较矮的能量在几十公里的周围内远距离传输数据。但由于声速矮(水下约1 500 m/s)和可用带宽窄(数百kHz以内),水声通信具有传输延长大(秒量级)和传输数据速率相对较矮(Kbit/s量级)的题目。此外,水声信道是一个相等复杂的多径传输信道,存在主要的多径衰亡题目 [6] 。与声波相比,电磁波能够顺手地议定“水-气”界面,且水流的紊流和浊度对其影响幼,从而能够挑供更快的传播速度。但是,由于海水是良性导体,电磁波在海水中衰减主要。而且,随着距离和频率的增补,衰减急剧增补。因此,水下电磁波通信清淡做事在30—300 Hz的超矮频,这意味着必要大型天线以及较高发射功率才能实现高效通信。与上述两栽通信方式相比,水下光通信技术行使激光传输新闻,具有较高的传输数据速率和较矮的传输延长。然而,由于光子与水分子和水中微粒子之间的相互作用,光波遭受主要的吸取和多次散射,导致传输距离只有数十米 [7] 。由于水下通信方式各具利弊,将两栽甚至多栽通信方式结相符首来也是当下的钻研炎点。例如,文献 [8] 挑出一栽将水下声、光通信结相符首来的软件定义水下通信网络。随着无人化技术的发展,无人船也添入了海洋通信网络中,实现变通地与水下通信网络相连接 [9] 。

    (3)本文钻研内容

    与陆地蜂窝通信的快速发展分歧,现在对于陆海空天一体化融相符通信体系的钻研仍处于首步阶段,尚面临大量的技术挑衅,主要包括:空间信道建模、3D 网络建模、频率规划、移动性管理、作梗管理、动态频谱资源共享、AI技术行使等。本文将偏重商议3D网络建模、频率规划以及移动性管理等三项技术,并简要分析空间信道建模、动态频谱资源共享、作梗管理、AI行使等有关技术。

    1 3D网络理论建模

    陆地蜂窝网络建模形式清淡有两类:一类是经典实在定性模型,最具代外性的基于正六边形幼区的七蜂窝复用结构。这栽模型具有规则结构,能够实现二维平面的无缝隐瞒,且易于数学分析,因此,它通俗行使于蜂窝网络规划。但是,在实际网络安放过程中,受基站可用站址的局限,最后确定的基站位置并不规则。全球电信运营商的实际数据表现,大周围网络的基站站址更相符 Poisson 点过程(Poisson Point Process, PPP),因此,近年来崛首的另一栽网络建模形式是随机几何模型 [10] 。 如图3红色虚线所分割的区域所示,倘若每个用户采用近来距离接入准则与现在的基站相有关,那么,基站周围的多边形边界则形成了几何学上的 Poisson-Voronoi 镶嵌。显而易见,该模型的每个幼区的形状不规则,转折周围从三角形到十四边形。另一方面,由于幼区边缘的用户离基站的距离较远,他们的性能清淡较差;而且,随着网络结构的日趋复杂,例如在5G超浓密组网的情况下,基站密度和幼区的数现在将极大增补,这会导致相邻幼区之间的作梗逐步添强。为了升迁用户性能,配相符多点(CoMP,Coordinated Multi-Point)传输技术答运而生。也就是说,除了某个用户所在幼区的基站之外,一个或者多个相邻幼区的基站也同时服务于该用户。但是,确定服务于某个用户的配相符基站荟萃清淡是靠在线搜索来实现的,这必要花费大量的时间和回传链路资源 [11] ;而且,由于配相符荟萃是针对单个用户动态竖立的,以是,很难对用户性能进走准确的数学分析。

    为了避免幼区形状不规则并高效行使CoMP传输技术,文献[12]创造性地挑出了一栽确定性的配相符模型,其基本原理是采用与Poisson-Voronoi镶嵌相互对偶的Poisson-Delaunay三角剖分几何结构。直不都雅上, 如图3蓝色实线所分割的区域所示,每个蓝色三角形外示一个Poisson-Delaunay幼区,幼区内任一用户的配相符基站荟萃就是由位于该幼区的三个顶点位置上的基站所构成。而且,根据基站的已知地理位相新闻,Poisson-Delaunay三角剖分的几何结构是唯一确定的。因此,根据用户和基站的地理位相新闻,肆意用户的三个配相符服务基站就能够离线且唯一确定,这十足避免了配相符基站荟萃的搜索过程并撙节了回传链路支付。而且,相对于传统Poisson-Voronoi模型的不规则多边形幼区,Poisson-Delaunay 三角剖分的肆意幼区具有规则的三角形结构,这栽规律性使得更容易对用户性能进走准确数学分析,例如,隐瞒率和频谱效果分析可见文献[13]。

    将上述平面网络建模形式扩展到3D网络,对答也有确定性模型和随机几何模型。典型实在定性3D网络模型主要包含三栽:一是将每个幼区建模为菱形十二面体;二是将每个幼区建模为六角形棱镜;三是将幼区建模为截断八面体 [14]。在这些3D形状中,截断八面体是最挨近球体的,而且,采用截断八面体十足隐瞒一个3D空间所需的多面体数目最幼。因此,在近来一篇商议3D网络建模的主要文献 [15] 当中,就采用的是截断八面体模型。详细而言, 如图4所示[15] ,无人机位于每个等体积大幼的幼区的中心,每个幼区由一个截断八面体构成,它包含14个面(其中8个正六边形和6个正方形),24个顶点和36条边。该结构的关键特征是它能够完善镶嵌三维欧几里德空间,也就是说,整个3D空间能够十足被截断八面体的多个副本无缝隐瞒且异国任何重叠。与二维网络的正六边形模型相通,这栽基于截断八面体的3D网络建模,其模型浅易,但是由于空中节点(例如无人机)的行动特性,几乎不及实在逆映实际的网络拓扑结构。

    基于随机几何的3D网络模型主要包含两栽:一是基于Poisson-Voronoi镶嵌的3D网络模型;二是近来文献[16]挑出的3D Binomial-Delaunay四面体镶嵌模型。 如图5所示,倘若基站在3D空间当入耳命PPP分布,倘若用户遵命最幼距离准则接入近来的基站,那么,基站周围的多边形边界就形成了3D Poisson-Voronoi镶嵌。隐晦,该模型是二维Poisson-Voronoi镶嵌在3D空间中的直不都雅扩展,同时存在着与上述二维模型同样的弱点:每个幼区的结构特意不规则。而且,由于每个幼区体积的概率密度函数至今未知,因此很难对用户性能进走准确的数学分析 [12] 。近来,文献[16]基于上述平面Poisson-Delaunay三角剖分模型,挑出了一栽新的Binomial-Delaunay四面体镶嵌模型。奇异域,为了适宜有限高度的3D空间建模,作者对空中基站的建模异国采用PPP模型,而是采用了二项点过程(BPP, Binomial Point Process)模型。 如图6所示,一个Delaunay四面体就对答一个3D幼区。原形上,图6是图5的对偶图。直不都雅上,议定连接图5中一切具有公共邻边的多边形幼区中的基站即可得到图6。3D Binomial-Delaunay模型的一个主要特点是具有规则的四面体幼区结构,而且,能够对肆意3D空间实现异国重叠的无缝隐瞒。对比3D Poisson-Voronoi镶嵌模型中边缘数从4到36不等的不规则多面体幼区,这栽规则的四面体模型在数学上更易于处理 [12] 。该模型的另外一个主要特点是,位于四面体顶点位置的四个基站能够行使CoMP传输技术同时为幼区内的肆意用户挑供服务,而且,只要基站的地理位置固定,对答四面体镶嵌的结构也是唯一的,因此,对于肆意用户的四个配相符基站荟萃也能够离线地唯一确定。

    值得仔细的是,随着多输入多输出(MIMO, Multiple Input Multiple-Output)天线在4G网络中的遍及行使,CoMP传输技术一向受到工业界的通俗偏重,响答的标准化过程最初出现在3GPP Release 11[17] ,在Release 12中被扩展到非理想回传链路场景[18] ,然后在Release 14当中进走了性能添强[19] 。在5G时代,CoMP传输也被认为是添兴旺周围MIMO性能的关键技术之一[20] 。而且,除了容量添强之外,CoMP技术也能够用于挑高传输的郑重性或者添强频谱共享能力,尤其适用于工业物联网等行使场景。为此,美国高通公司特意开发了一个5G CoMP原型测试体系[21] 。随着大周围MIMO和CoMP技术的融相符发展,上述基于Poisson-Delaunay三角剖分或者Binomial-Delaunay四面体镶嵌的网络建模形式,由于其结构规则、天然声援CoMP传输技术,并易于数学分析,因此有看在异日6G体系建模中得到通俗行使。

    2 3D网络的频率规划

    由于频谱资源的稀缺性和不走新生性,如何变通高效地行使和共享频谱资源是实现异日陆海空天融相符通信的关键技术之一。基本的频率规划形式主要包括幼区扇形划分(cell sectoring)、幼区破碎(cell splitting)和复用分区(reuse partitioning) [22] 。幼区破碎还能够与复用分区一首行使。现在,大量考虑频率规划题目的文献都荟萃在具有分歧的现在的函数和收敛条件的有限二维平面网络 [23-25] ,这些网络都是采用确定的正六边形宏幼区或者是一个宏幼区隐瞒多个幼幼区,然而,蜂窝网络中一连增补的异构性和基站密度使得传统的六边形模型的效用极其有限,这引发了另一栽基于随机几何的频率规划钻研。奇异域,分歧点过程模型能够实在捕获网络节点的分歧空间特征。基于随机几何的频率规划最早采用PPP模型,例如,文献[10]中采用的随机复用距离的规划方案将同频基站的安放等效为一个稀释后的PPP。由于同频幼区能够的荟萃导致更大的同频作梗,因此随机复用距离规划方案不及很好逆答实际地面蜂窝网络中的频率规划。同理,它也不及很好地逆答3D融相符通信网络的频率规划。

    3D网络的频率规划面临两个主要的挑衅:一是欠缺正当的3D网络模型;二是针对分歧的3D网络模型,如何确定频率复用因子或复用距离。与第1节的分类形式相通,频率规划技术也分为两大类,即确定性网络结构的频率规划和随机性网络结构的频率规划。在一个3D网络中,倘若整个空间由多个等体积的频率复用簇十足隐瞒,那么,与平面蜂窝网络相通,联系我们频率复用因子就定义为簇中互不作梗的幼区的数现在。基于该定义,文献[15]挑出了一栽针对确定性网络结构的频率规划方案。详细而言, 如图4所示,倘若整个空间由多个等体积的截断八面体簇十足隐瞒,其频率复用因子定义为一个簇内所包含的截断八面体幼区的数现在。理论上该频率规划方案浅易实在,但实际行使中不及较好地逆答无人机基站的动态安放情况。因此,为了更好地已足实际工程的需求, 文献[26]挑出了基于UMHC(Union Matern Hard-core)点过程的随机性网络频率规划:它将密度为ρ的UMHC点过程等效为N个密度为ρ/N的PPP点过程的叠添(内心上,N就外示同频基站的数现在),响答地,随机复用距离为

    。尽管该方案是基于平面蜂窝网络,其定义的复用距离可直接拓展到3D随机性网络结构。此外,随着凸优化理论的发展,无清晰频率复用距离的动态随机性网络频率规划方案一连展现。例如,文献[27]是基于PPP的动态频率规划方案,在该方案中,体系总带宽被划分为K个片面,第k层网络被分配到总带宽的ηk 比例

    ,然后,议定最大化网络效用函数来获得最优的带宽分配权值ηk 。文献[28]挑出一栽基于PPP的近似信噪比分析形式,即基于面积频谱效果和网络能量效果这两个关键性能指标收敛下的频率规划形式。行使该形式,能够将基于PPP的动态频率规划方案进一步推广到非PPP场景。

    基于 图6所示的Binomial-Delaunay四面体规则3D网络模型,文献 [16] 挑出了一栽基于填色理论的贪婪频率规划方案。其基本原理是采用球形填充理论对网络隐瞒区域进走等体积划分,然后,每个圆球所包含的多个四面体构成一个频率资源分配簇,球体内部的分歧四面体被分配分歧的频段。而相邻的球体重复行使相通的频率资源。 如图7所示,中心的圆球外示包含多个四个体所构成的一个频率分配簇,黄色填充的四面体别离属于分歧的簇,但被分配相通的频段。在算法实走过程中,最先统计每一个填充圆球内涉及的四面体幼区数现在,然后选出包含幼区数现在最多的球体,接着,行使快速贪婪填色算法 [29] 自该球体最先挨次对填充球体内的幼区进走着色,而且,每个球体内均采用与首个球体相通的颜色模型进走随机填充从而保证每个球体区域内一切幼区均被分布各不相通且唯一的颜色。隐晦,该频率规划形式能够十足避免球体内部的同频作梗。同时,为了按捺球体之间的作梗泄露,再次对填充球体边缘处的幼区颜色分配进走二次修整,确保每个填充球体边缘处的一切四面体幼区平分配分歧的颜色。该频率规划形式的益处是能够有效地按捺同频作梗,而且,每个幼区被分配十足相通的带宽。但是,由于每个填充球体包含的幼区数目分歧,每个簇行使的频率资源各不相通,这会导致较矮的频谱行使效果。为了挑高频谱效果,能够对文献 [16] 的频率规划方案稍作改进,以保证每个填充球体行使相通的体系频率资源。其基本思维是,根据每个圆球内的实际幼区数目,将体系频率资源均匀地分配给各个幼区。隐晦,每个幼区将会获得宽窄分歧的频率资源,而且,倘若一个圆球包含的幼区数目越少,表明幼区的平均体积越大(也就是说,幼区的平均隐瞒周围越大),每个幼区将会获得更多的频率资源。这栽频率资源分配形式十足相符工程行使的实际需求。

    3 移动性管理

    由于3D网络将包含大量的空中移动节点(例如无人机、平流层飞艇等),移动性管理对3D网络性能至关主要。清淡,节点移动模型能够分为两类:一是基于跟踪的移动模型(TBMM, Trace-Based Mobility Models);二是随机综相符模型(RSM, Random Synthetic Models) [30] 。由于跟踪获取形式、跟踪数据大幼和数据过滤技术的分歧,TBMM的网络数据集能够不适用于其他网络场景。更主要的是,大无数跟踪数据能够并不会公开,而可用的跟踪数据却不及以分析网络性能。因此,TBMM模型清淡只适用于特定行使场景。相逆,RSM模型易于数学分析,且适用于分歧行使场景,以是本节主要商议RSM模型。

    对RSM模型的钻研,最早出现在移动自组网(MANETs, Mobile Ad Hoc Networks)当中。例如,文献[31]-[33]钻研了多栽适用于平面或者3D移动自组网(MANETs, Mobile Ad Hoc Networks)的综相符移动模型,主要包括随机倾向(RD, Random Direction)模型和随机路径点迁移(RWPM, Random Waypoint Mobility)模型。他们的核心差别在于,在平面网络中,RD模型得到的节点空间分布是均匀的,而RWPM模型的节点空间分布是非均匀的。在3D网络中,RWPM模型的空间分布仅限于球面几何 [33] 。而在实际行使中,空中移动节点(例如无人机)的空间行动轨迹具有圆柱几何特征,而非球面几何特征。更主要的是,无人机在垂直倾向和程度倾向的行动走为纷歧定是相通的均匀或不均匀分布,例如,无人机行动过程具有高度收敛和空间漂移特征。由于无人机能够会在平均位置而不是在极端位置附近中止最长时间,因此,高度控制机制必须是一个非均匀过程。然而,无人机的程度行动过程更能够是均匀的。因此,一个能够同时捕捉上述两栽机制的3D无人机移动模型是一个特意主要的盛开题目。此外,具有3D移动模型的无人机位置的稳态分布必须具有有余的数学易跟踪特性,以便对网络中的用户进走性能分析。近来,文献[34]挑出的3D同化移动模型能够较好已足上述特征,其中,无人机在垂直倾向上的行动特征由RWPM模型外征,其在程度倾向上的移动性则由均匀移动性(uniform mobility)模型外征。但是,文献[34]中的移动性性能分析是基于授与用户与无人机之间的距离恒定的场景,无视了无人机分布的随机性特点。

    基于前述3D Binomial-Delaunay网络模型并结相符无人机群随机分布的特点,本文挑出一栽适用于3D网络的综相符移动模型。 如图8所示,用户在地面遵命均匀分布,无人机群在距地面高度为H、半径为R的圆柱形三维空间中,其移动方式可分解为程度倾向和垂直倾向。在肆意时刻,无人机群的程度位置坐标分布采用BPP模型外征,而在垂直倾向上的位置坐标分布则由一维的RWPM模型外征。然后,一切的无人机遵命前述Binomial-Delaunay结构进走网络建模,每三架无人机形成一个配相符机群共同服务地面用户。采用平均授与功率最强的接入准则,地面用户选择距离其近来的三角形配相符机群进走接入。由于该移动模型固有的CoMP传输机制,一方面能够给地面用户挑供郑重高效的连接,另一方面也能够议定实走前述频率规划策略有效地按捺同频作梗,从而极大地升迁地面用户的性能。

    4 其他关键技术

    除了前线商议的3D网络建模,频率规划和移动性管理之外,面向6G的陆海空天融相符通信网络还有多多待钻研的技术难题,由于篇幅局限,挑选四项不详介绍如下。

    4.1 无人机信道建模

    无人机通信是陆海空天融相符通信网中主要的一环,在空天地一体化子体系中首着“承上启下”的作用。无人机通信是第一栽足够行使3D传播空间的通信技术,它既能够行为飞走终端又能够行为空中通信基站。当无人机与地面基站进走通信或者行为空中基站与地面设备进走通信的时候,必要准确的空-地/地-空信道模型 [35] 。另一方面,随着无人机机群的行使,无人机之间的通信必要准确的空-空信道模型 [36] 。此外,与传统地面通信相比,无人机信道具有更强的视距传播,且转折速率清晰高于地面通信信道。正是由于这些特征,使得无人机信道建模更具挑衅性。在针对各栽典型环境进走周详测量的基础上,还必要结相符考虑无人机的自己特点,包括自己阴影、自己电子设备的噪声等。其次,还要考虑由无人机的机动性引首的通道时间转折和多普勒效答。

    末了,无人机的分歧飞走高度对答的大气环境对信道建模也有很大的影响。有关的最新钻研挺进可参考文献 [37-38] ,标准化进程参考文献 [39] 。

    4.2 动态频谱资源共享

    频谱共享是解决传统排他式频率规划导致的频谱行使率矮,并缓解频谱资源欠缺与日好添长的通信营业之间的矛盾的关键技术。基于频谱资源授权方式,频谱共享清淡能够分为非授权频谱(例如ISM频段)和动态共享频谱两栽类型。对于非授权频谱,用户之间享有一致的频段选择与行使权利但均不受到珍惜,必要议定技术办法避免相互产生作梗。动态频谱共享是在保证主用户不受作梗的前挑下,议定设计权限允诺规则,授予次用户响答的频谱行使权利。结相符6G陆海空天多场景需求,基于授权和非授权频段赓续优化频谱感知,认知无线电、频谱池等技术愈发主要 [40] 。从sub-6GHz到毫米波跨频段共享技术是异日频谱资源共享的发展趋势 [41] 。另外,采用区块链技术来进走频谱资源管理,也是实现6G分布式、智能化频谱共享过程中的钻研炎点 [42] 。

    4.3 作梗管理

    传统的作梗管理技术主要分为三类:作梗随机化、作梗清除和作梗调解/避免。作梗随机化是将幼区间的作梗信号在时频域进走随机化,使得终端在授与有效信号时能够将其近似成白噪声,主要形式有添扰技术和交织多址技术。作梗随机化不会增补终端处理新闻的复杂度,但对体系性能的升迁受体系自己的局限。作梗清除是对作梗幼区的信号进走某栽程度的解调或解码,行使授与机从批准信号中清除作梗分量,这会增补终端处理新闻的复杂度。当作梗信号强度远远高于有效信号强度时,行使作梗清除技术能够清晰升迁用户性能。作梗调解/避免是议定对多个幼区的资源进走协同分配和管理,进而对作梗实现调解/避免,例如OFDM频谱分配和CoMP传输技术等。随着用户的添多和网络安放的浓密化,作梗对齐技术得到通俗钻研。该技术议定协同发送端预编码和授与端译码,能够在较高的信噪比下达到作梗网络的容量。但作梗对齐的实现必要全局信道状态新闻,并且随着用户数目和类型的增补而变得难以实现 [43] 。相对于陆地蜂窝网络,陆海空天融相符通信的网络周围更大、层次化更强、通信环境更复杂,因此,开发新式分布式作梗管理策略至关主要 [44] 。

    4.4 基于AI的通信网络设计

    随着软件定义网络和网络功能虚拟化等软件技术在通信体系中的通俗行使,异日的无线通信体系有看在一套同一的硬件基础设施上,议定软件定义来为分歧行使场景、分歧用户需求挑供迥异化的智能通钦佩务。换句话说,异日通信网络的硬件基础设施将更添集成化、模块化和白盒化,而体系性能优化与服务升级将主要议定扩大云/边缘/终端存储资源和响答的软件更新来实现。在如许的一个架构同一的软性网络环境中,人造智能技术能够议定对采集、传输、存储的海量数据进走高效的分析和处理,从而实现动态的、零接触的网络编排、优化和管理,推动现有网络向自立化网络演进:在物理层,议定对大量设计参数的说相符控制和优化,实现端到端的主动调制/编译码配置,信道推想与展望,符号检测,动态频谱检测与随机接入等;在数据链路层,议定选择正当的坦然算法,降矮数据传输的坦然支付以实现坦然添强;在网络层,议定闭环优化和主动式网络监测,实现智能化的资源管理与调度、能量优化、故障分析、处理与恢复等;在体系层面上,人造智能技术能够根据一连转折的网络进走动态学习,将有助于实现网络的自立规划、自适宜配置、主动运走、优化、维护和愈相符等。有关的最新钻研挺进可参考文献 [45-46] 。

    5 演进中的融相符通信网络架议和案例分析

    5.1 演进中的融相符通信网络架构

    在第1节中,吾们挑出了一栽基于四面体镶嵌且能有效融相符CoMP传输技术的3D网络建模形式。尽管该形式能够无缝隐瞒整个3D空间,但是,从无线通信的发展历史来看,地面蜂窝网络不会立即过渡到已足空间齐次性的融相符通信网络。也就是说,在垂直倾向上,不会直接表现均匀隐瞒,而是表现一栽分层、异构式空间隐瞒。因此,行为网络架构演进中的主要一环,本节挑出一栽多层、异构的空天地海网络架构。

    如图9所示,除了地面蜂窝通信网络和海面通信基础竖立之外,异日融相符通信网络在垂直倾向上将会展现三个新的隐瞒层:(1)距离地面高度约为150 m的无人机通信网络;(2)高度约为20 km的平流层通信网络(清淡以飞艇为载体);(3)高度约为500~2 000 km的矮轨卫星通信网络。

    最先,空中无人机将为地面蜂窝网络挑供添强隐瞒,例如用户浓密的城市炎点区域(包括中心商务区、举办球赛的体育场上空等)或者地面基础设施欠缺的海岛。其次,20 km高度的平流层通信网络将为巡航高度约为10 km的民航飞机挑供大周围隐瞒。由于民航飞机有清晰的航线,特意有利于确定飞艇的最优位置。而且,空中飞艇还能够行为核心城市与周边卫星城市之间的中继节点,也能够行为近岸幼岛与岸基基站之间的中继节点。第三,高度约为500~2 000 km的矮轨卫星通信网络将为越洋飞机,海洋、森林、沙漠等偏远地区挑供挑供无时不在的全球无缝隐瞒。近年来,随着美国SpaceX公司“星链”计划的逐步实走,卫星互联网已经成为全球互联网产业的新炎点;2020年4月20日,吾国也首次把“卫星互联网”列入“新式基础设施”建设战略。

    另一方面,地面蜂窝网络与空中三层通信网络之间议定SDN控制器相有关,SDN控制器能够安放在功能兴旺的服务器或云平台上,从而动态地调节网络走为并进走网络资源管理。基于SDN控制器,这四层网络既能自力实现层内通信,又能实现层间的互联互通,包括相邻层之间的向下隐瞒和向上回传链路。而且,各层内的用户密度与各层的海拔高度成逆比。在每一层通信网络内,能够采用图3所示的三角剖分网络架构,以实现高效的配相符通信。当与表层网络有关的时候,能够采用图6所示的四面体模型,例如,三架无人机与一个飞艇构成一个层间3D幼区,如许能够隐晦添强空中网络的鲁棒性。

    在 图9所示的网络架构中,平流层通信网络的地位至关主要。与高度超过500 km的矮轨卫星通信网络相比,位于20 km旁边高度的平流层通信网络具有成本矮、容量大、时延短、机动性强、安放变通等益处。与无人机通信网络相比,平流层通信网络的隐瞒周围更广,能够缩短切换频率。尤其是与无人机的航走时间主要受限于电池容量相比,飞艇在驻留过程中基本不必要能源花费,可永远驻留于平流层中保证有效通信。接下来,吾们挑供一个近期完善的平流层通信试验的案例分析。

    5.2 案例分析:平流层通信试验

    鹏城实验室“海洋立体通信网络示范验证平台”项现在就是钻研和追求平流层通信网络的实例。该项现在钻研与中国联通配相符,行使平流层飞艇等为基础平台,在约 20 km高度的临近空间,构建空间网络,拓展5G/B5G,高效矮成本实现偏远稀奇场景宽带无线隐瞒,突破大隐瞒、大连接、大带宽、高郑重和超矮时延新闻通信发展瓶颈,解决海洋疆域、地空高速交通物流以及答急救灾稀奇场景新闻通信题目。为钻研和追求空间组网理论和关键技术,2019岁暮,项现在团队在湖北荆门睁开外场试验,以中国联通地面网络为依托,议定系留艇和试验车搭载5G基站,采用2.5 Gbit/s激光传输动态连接,成功搭建了业界首例5G SA空间组网示范验证平台,实现了5G宽带大周围隐瞒( 如图10所示)。试验效果外明,空中5G基站在300 m高度有效服务距离达6 km、信号有效隐瞒超过10 km,单终端最高下走速率达1.2 Gbit/s、上走速率达220 Mbit/s,与地面5G基站基本一致。同时,验证了激光传输动态组网的可走性,为平流层空间通信网络技术钻研迈出了关键的第一步。

    6 终结语

    本文详细商议了从平面蜂窝网络到异日空天地海一体化融相符通信的网络建模形式,尤其是强调了一栽能够有效结相符配相符多点传输的平面三角形或者空中四面体网络架构,该架构的蜂窝单元结构浅易且易于理论分析。行为网络架构演进中的一环,本文挑出了一栽分层、异构式3D网络架构,并商议了一项行为异日空间通信核心要素的平流层通信试验。本文的新式网络架构有看成为异日陆海空天融相符通信的关键参考模型,并促进异日6G技术的成熟。

    doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2020.06.016

    中图分类号:TP181 文献标志码:A

    文章编号:1006-1010(2020)06-0104-12

    引用格式:李妍,范筱,黄晓明,等. 面向异日的陆海空天融相符通信网络架构[J]. 移动通信, 2020,44(6): 104-115.

    作者简介

    范筱:中山大学电子与新闻工程学院在读博士钻研生,钻研倾向为无线蜂窝网络中的资源分配。

    黄晓明:电子技术教授级高级工程师,鹏域实验室双聘行家,现任职于中国说相符网络通信有限公司广东省分公司,主要钻研倾向为无线网络架构、移动通信天线、电磁辐射与作梗等。

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      来源:原理

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