面向未來無線通信系統(tǒng)的小蜂窩網(wǎng)絡(luò)綜述*

葉先萬，游 凡，崔海霞

(華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院,廣州 510006)

0 引 言

近年來，世界上移動用戶數(shù)量激增，數(shù)據(jù)流量也隨之激增。一項研究發(fā)現(xiàn)，全球唯一移動用戶數(shù)量到2023年底將達(dá)到62億[1]。同時，移動互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展也促進(jìn)了移動通信的迅速普及。智能終端作為移動互聯(lián)網(wǎng)的重要入口，其普及率呈指數(shù)級增長，極大地刺激了移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，并加速了全球用戶對無線數(shù)據(jù)服務(wù)的需求。

面對無線數(shù)據(jù)服務(wù)不斷增長的需求，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已不能滿足爆炸性數(shù)據(jù)服務(wù)的增長。盡管傳統(tǒng)宏基站(Macro Base Station,MBS)在提供室外和室內(nèi)數(shù)據(jù)服務(wù)方面已經(jīng)很有效[2]，但是對于大容量熱點(diǎn)來說，它們還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。基于此，移動運(yùn)營商被迫探索新方法來改善覆蓋范圍，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)容量，降低資本和運(yùn)營支出，并最終開發(fā)新的收入來源。

蜂窩網(wǎng)絡(luò)的密集部署是目前最有效且成本低的可施行方案之一。于是，基于部署短距離無線網(wǎng)絡(luò)的想法，由低功率節(jié)點(diǎn)(例如微型、微微小區(qū)和毫微微小區(qū))混合組成的小型蜂窩網(wǎng)絡(luò)(Small Cell Networks,SCN)已被引入作為一種新穎的網(wǎng)絡(luò)類型。它們可以利用低傳輸功率、高階調(diào)制編碼傳輸和細(xì)粒度的空間頻譜重用，促進(jìn)頻譜的有效利用，為大容量區(qū)域帶來節(jié)能解決方案[3]。SCN由低成本、低功耗、自組織和密集基站組成，可以減輕宏蜂窩的容量并改善蜂窩邊緣用戶的感知，具有廣闊的發(fā)展前景。

1 小蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基本概念

蜂窩思想的提出可以追溯到20世紀(jì)60年代美國興起的電視業(yè)務(wù)頻帶混亂占用的時期。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，1984年底，蜂窩移動通信才正式進(jìn)入市場，并在通信系統(tǒng)中扮演越來越重要的角色。蜂窩通信基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)。蜂窩網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)覆蓋區(qū)域分為許多小區(qū)域，這些區(qū)域稱為六角形小區(qū)。每個小區(qū)都有一個位于其中心的固定基站(Base Station，BS)，每個基站都會連接到移動交換中心(Mobile Switching Center,MSC)，該中心同時與公共交換電話網(wǎng)(Public Switched Telephone Network,PSTN)相連。MSC是蜂窩系統(tǒng)的控制中心，它負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)基站的運(yùn)作和提供總體控制，并充當(dāng)?shù)焦秒娫捑W(wǎng)絡(luò)的交換和連接。如圖1所示，基站在每個小區(qū)的中心標(biāo)記有三角形，每個基站與MSC連接，而MSC與PSTN連接，共同組成了宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[4]。

圖1 蜂窩網(wǎng)絡(luò)布局

小蜂窩(Small Cell)的定義是相對于傳統(tǒng)宏蜂窩(Macro Cell)的一個概念，是對低功率無線接入點(diǎn)的一個統(tǒng)稱。小蜂窩具有幾米到幾十米覆蓋范圍的無線接入點(diǎn)，其部署相對于幾千米覆蓋范圍的宏基站而言更靠近用戶，在網(wǎng)絡(luò)的覆蓋、容量、強(qiáng)度和呼叫質(zhì)量方面具有很大程度的提升。小蜂窩組成的SCN則能夠允許大量覆蓋范圍小、功耗和成本低的基站共存，在增加系統(tǒng)容量、提高能量效率和頻譜利用率以及降低成本等方面擁有諸多優(yōu)勢，且具有自組織和自優(yōu)化能力，在下一代無線通信的發(fā)展中扮演著極其重要的角色。

根據(jù)發(fā)射功率大小，小蜂窩可以分為毫微微蜂窩(Femtocell)、微微蜂窩(Picocell)和微蜂窩(Microcell)，如表1所示。毫微微蜂窩通常應(yīng)用于室內(nèi)私人場所并經(jīng)常服務(wù)于封閉的用戶群，具有易安裝、易部署、易配置、易管理等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于家庭環(huán)境中，因此也被稱為“家庭基站”。微微蜂窩的部署場景大部分為室內(nèi)公共場所，可以同時容納幾十個用戶，能夠解決局部區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)容量問題，廣泛應(yīng)用于機(jī)場、車站、超市等公共區(qū)域。微蜂窩通常應(yīng)用于室外場所，可以同時容納上百個用戶，覆蓋范圍可以同時兼顧室內(nèi)和室外的場所，實(shí)現(xiàn)室外場景的補(bǔ)盲補(bǔ)熱，廣泛應(yīng)用于集市、農(nóng)村等區(qū)域。

表1 小蜂窩分類

另外，具有自組織、低功耗和低成本的小蜂窩基站(Small Cell Base Station,SCBS)可以在SCN的組織下隨機(jī)大量部署，通常可自行安裝，正好解決了當(dāng)前移動通信面臨的基建瓶頸。與MBS相比，SCBS具有較小的發(fā)射功率和較小的覆蓋半徑，并且擁有開放式、封閉式和混合式等多種接入模式，具有較強(qiáng)的自組織和自由化能力，被認(rèn)為是傳統(tǒng)MBS的替代方案[5]，可提高覆蓋范圍、服務(wù)質(zhì)量、容量和能效。在實(shí)際組網(wǎng)方面，SCBS可以減少人工在規(guī)劃、配置和監(jiān)督等方面的花費(fèi)開銷；在隨機(jī)部署方面，SCBS接口兼容性高，具有即插即用的熱插播特性，能夠接入互聯(lián)網(wǎng)作為回傳網(wǎng)絡(luò)，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源。

2 小蜂窩網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)相比，小蜂窩網(wǎng)絡(luò)在下一代移動通信系統(tǒng)中也將發(fā)揮重要的作用，其主要技術(shù)特點(diǎn)[6]可以從幾個角度進(jìn)行分析說明。

(1)系統(tǒng)容量角度

SCBS發(fā)射功率低、覆蓋半徑小，可以通過增加SCBS的數(shù)量獲得更大的系統(tǒng)容量。一方面，在宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的熱點(diǎn)地區(qū)引入SCBS能夠有效降低通信業(yè)務(wù)的流量壓力，提高了用戶的通信速率；另一方面，在宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)的偏遠(yuǎn)地區(qū)部署SCBS可以有效解決基站覆蓋盲區(qū)問題，增加了邊緣用戶的吞吐量。此外，SCBS通信距離較小，天線間的相關(guān)性低，可以在SCN中引入更多的大規(guī)模多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技術(shù)，使之能夠容納更多的天線數(shù)量[7]，進(jìn)一步增加系統(tǒng)容量。

(2)頻譜利用率角度

SCBS具有更小傳輸距離和更低的發(fā)射功率，可以實(shí)現(xiàn)更好的頻譜資源復(fù)用。同時，加上自組織和自優(yōu)化的特點(diǎn)，可以動態(tài)地調(diào)整相關(guān)通信參數(shù)用來適應(yīng)周圍的通信環(huán)境，實(shí)現(xiàn)頻譜資源的再用率。此外，小蜂窩具有較低的發(fā)射功率和較小的尺寸，在小型小區(qū)中更容易使用認(rèn)知無線電(Cognitive Radio,CR)技術(shù)[8]，能夠?qū)崿F(xiàn)對空閑頻譜資源的有效感知并進(jìn)行及時利用，進(jìn)一步提高了頻譜資源的利用率[9-10]。

(3)綠色節(jié)能角度

SMART 2020報告[11]激發(fā)了人們對環(huán)保或綠色技術(shù)的興趣，該報告研究了信息和通信技術(shù)對全球碳排放的可能影響。盡管信息通信技術(shù)對全球排放的貢獻(xiàn)現(xiàn)在并將繼續(xù)保持在全球數(shù)字的很小比例(2002年為1.25%，2020年約為2.5%)，但與信息通信技術(shù)有關(guān)的碳排放每年以10%速度增長的總體趨勢令人震驚，這也對全球通信技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展提出了挑戰(zhàn)。SCBS部署更接近實(shí)際用戶，兩者之間具有較短的通信鏈路，可以克服路徑損耗、衰落和噪聲等現(xiàn)象，單位比特所消耗的能量降低。同時，SCBS發(fā)射功率較低，能夠以較低的發(fā)射功率獲得相同的信噪比，延長了通信設(shè)備的續(xù)航時間。此外，SCBS設(shè)備體積小、功耗低，無需像宏基站那樣配置相關(guān)的設(shè)備冷卻系統(tǒng)，進(jìn)一步降低了能量的消耗。通過增加有效的休眠算法[12]，可以使SCBS能夠根據(jù)負(fù)載動態(tài)選擇恰當(dāng)?shù)墓ぷ髂Ｊ剑沟貌还ぷ鞯腟CBS在大多數(shù)時間處于休眠狀態(tài)，從而避免不必要的干擾與損耗，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的能量效率。

(4)運(yùn)營成本角度

在設(shè)備成本方面，SCBS設(shè)備體積小、功率低，可采用更加廉價和集成度高的射頻設(shè)備，硬件成本較MBS大大降低。在網(wǎng)絡(luò)部署方面，SCN具有自組織特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)隨時隨地部署網(wǎng)絡(luò)，可以將SCBS安裝在路燈柱上方或建筑物側(cè)面等基礎(chǔ)設(shè)施上，消除了昂貴的蜂窩站點(diǎn)獲取；且不需要進(jìn)行繁瑣的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和定期維護(hù)[13]，大大降低了維護(hù)成本。而在網(wǎng)絡(luò)回傳方面，SCN能夠采用更高頻段進(jìn)行無線回傳，可以降低有線回傳光纜的鋪設(shè)成本。與MBS相比，SCBS在基礎(chǔ)設(shè)備建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)部署維護(hù)、回傳線路鋪設(shè)上都可以大大降低成本[14]。

3 未來無線通信系統(tǒng)與小蜂窩網(wǎng)絡(luò)的融合

物聯(lián)網(wǎng)時代已經(jīng)來臨，未來的無線通信系統(tǒng)有各種各樣的先進(jìn)技術(shù)，SCN與這些先進(jìn)技術(shù)之間的融合也成為技術(shù)能否發(fā)展的關(guān)鍵。接下來主要介紹SCN與目前比較熱門通信技術(shù)之間結(jié)合方案，分析其聯(lián)合系統(tǒng)的相關(guān)特點(diǎn)和面臨的問題。

3.1 SCN與大規(guī)模MIMO

MIMO通信在2006年左右就被引入WiFi系統(tǒng)，此后不久被引入3G蜂窩網(wǎng)絡(luò)。從本質(zhì)上講，MIMO體現(xiàn)了通信的空間維度，一旦基站和移動設(shè)備上有大量天線可用，MIMO就會出現(xiàn)，多個空間維度可用于發(fā)射信號，并且頻譜效率相應(yīng)地成倍增長。在單用戶MIMO中，設(shè)備的尺寸會受到設(shè)備上天線數(shù)量的限制，但是通過讓每個基站同時與幾個用戶通信，MIMO的多用戶版本MU-MIMO可以有效地拉動那些用戶處的天線，并克服這一瓶頸。通過在發(fā)射端/接收端部署多根天線，MIMO通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了通信域從開始的時域、頻域擴(kuò)展到了空間域，擴(kuò)展了通信域的范圍；從開始的點(diǎn)對點(diǎn)單用戶MIMO發(fā)展到多用戶MIMO，獲得了更多的復(fù)用增益，提高了系統(tǒng)總?cè)萘俊?/p>

隨著通信業(yè)務(wù)的爆炸式增長，引入了大規(guī)模MIMO技術(shù)。“大規(guī)模”表示每個站點(diǎn)使用的天線數(shù)量比先前多得多(通常為幾十倍)，這樣可以并行服務(wù)于更多的用戶，并且顯著提高波束形成的增益，系統(tǒng)性能也在各方面獲得了極大的提升。為了滿足未來無線通信更高的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)需求，可以在大規(guī)模MIMO通信系統(tǒng)中密集部署體積小、成本低、易部署的小型蜂窩，通過異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)使其協(xié)作通信[15]，以提高系統(tǒng)的整體的性能。

SCN與大規(guī)模MIMO技術(shù)融合，可以得到一種新型的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以結(jié)合兩種技術(shù)的優(yōu)勢[16]，使通信系統(tǒng)的各個方面得到更大程度的提升，主要包括：對于用戶，隨著天線數(shù)量的大量增加，用戶間的信道會趨向正交，干擾會得到有效抑制，顯著提高系統(tǒng)總?cè)萘浚粚τ诨荆炀€數(shù)量的大量增加使用，提高了天線陣列增益，降低了發(fā)射端的功耗，提高了系統(tǒng)總能效；對于系統(tǒng)，隨著天線數(shù)量的大量增加，通信系統(tǒng)的傳輸方式可以采用簡單的近似線性的處理方式，簡化了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。把SCN技術(shù)與大規(guī)模MIMO結(jié)合，可以使得整個通信系統(tǒng)在總體能效上提升多個數(shù)量級，這也應(yīng)該是未來移動通信研究的一個方向。然而，大規(guī)模MIMO相伴的是天線數(shù)的激增，這會對系統(tǒng)功耗產(chǎn)生較大影響，而SCN的部署需要維持較小體積，將大規(guī)模MIMO部署在SCBS上會對整個系統(tǒng)的功耗提出巨大挑戰(zhàn)，兩者正常運(yùn)行均需用到高效功率放大器(Power Amplifier,PA)，以降低系統(tǒng)功耗。但是，PA在高功率輸入時信號會嚴(yán)重失真，這對集成電路設(shè)計又提出了挑戰(zhàn)。

3.2 SCN與毫米波通信

頻譜資源短缺只能通過尋求更多頻譜和提高頻譜利用率兩方面得到解決。由于天線物理尺寸與其波長的限制關(guān)系，地面的無線系統(tǒng)將所用的通信頻段大部分限制在微波范圍內(nèi)，微波頻率范圍為幾百M(fèi)Hz到幾GHz，對應(yīng)的波長為幾厘米到幾米。但是，到目前為止，該頻段幾乎被全部占用，尤其是在通信高峰時段，通信的質(zhì)量也會因此受到影響。為了得到更多的通信頻譜，研究學(xué)者在30～300 GHz的毫米波范圍內(nèi)找到了大量相對空閑的頻譜，對應(yīng)的波長為1～10 mm。

由于大量的路徑損耗、空氣和水分的吸收、障礙物的干擾，在實(shí)際傳播中受到非視距信道狀態(tài)的影響，使得毫米波的傳播質(zhì)量十分惡劣，因此毫米波通信更適合短距離的無線通信，SCN剛好符合要求。近年來研究學(xué)者在毫米波蜂窩通信方面提出了很多模型。文獻(xiàn)[17]首次提出了將毫米波通信與多運(yùn)營商混合進(jìn)行頻譜接入技術(shù)，通過仿真得出系統(tǒng)在頻譜共享時能夠得到較好的共享增益。文獻(xiàn)[18]則介紹了用于測量的新型毫米波蜂窩系統(tǒng)、方法和硬件的動機(jī)，并提供了各種測量結(jié)果，證明了其方案的有效性。隨著5G的開發(fā)和實(shí)施，在未來的毫米波頻段使用將得到更大的頻譜分配，在移動設(shè)備和基站使用高定向波束形成天線，實(shí)現(xiàn)較低的中斷概率、更高比特率，以及許可和未許可頻譜中許多同時用戶的更高總?cè)萘?例如WiFi和蜂窩的融合)。5G的骨干網(wǎng)絡(luò)將從銅纜和光纖轉(zhuǎn)移到毫米波無線連接，允許基站之間的協(xié)作快速部署和網(wǎng)狀連接。

SCN技術(shù)與毫米波通信相結(jié)合，可以使兩者優(yōu)勢得到更加充分的配合[19]，主要有包括以下幾點(diǎn)：一是在SCN通信體系下，基站與用戶間的距離會變得更小，為毫米波短距離通信提供了合適的通信環(huán)境。二是毫米波通信技術(shù)可以讓用戶在更多頻譜上進(jìn)行相互通信，從而避免了高峰期時候的通信阻塞，得到更佳的體驗效果。三是天線尺寸會變得更小，基站設(shè)備體積也會相應(yīng)變小，有利于更加密集化的實(shí)際部署。現(xiàn)階段毫米波的開發(fā)和應(yīng)用尚未到達(dá)期望狀態(tài)，面對信息技術(shù)的日益增新，未來通信世界的發(fā)展程度無法預(yù)料，但有一點(diǎn)可以肯定，毫米波通信在未來的應(yīng)用場景將會變得更加開闊。SCN和毫米波通信技術(shù)的結(jié)合，將是未來網(wǎng)絡(luò)部署的趨勢之一。

3.3 SCN與D2D

D2D(Device-to-Device)通信是指一種端到端、短距離的通信技術(shù)，即指兩個相近用戶設(shè)備終端可以無需通過基站中繼，彼此之間直接建立無線連接實(shí)現(xiàn)通信的功能。D2D基于典型的點(diǎn)對點(diǎn)實(shí)現(xiàn)用戶間直接通信，在通信方式和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上都具有很大的靈活性和很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，在提高系統(tǒng)的整體吞吐量方面擁有巨大的優(yōu)勢，因此被業(yè)界視為下一代無線通信中最有前景的技術(shù)之一。

D2D用戶可以復(fù)用SCN用戶資源，能夠有效地節(jié)約頻譜資源并提高頻譜資源的利用率。將SCN和D2D結(jié)合，混合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠發(fā)揮出更多的優(yōu)勢，主要包括以下幾點(diǎn)：一是D2D通信不需要基站中繼，可以降低小區(qū)基站負(fù)載；同時，D2D可以搭載SCN的工作頻段，實(shí)現(xiàn)空間頻率復(fù)用，提高系統(tǒng)整體頻譜利用效率。二是D2D通信技術(shù)相較于目前的基于基站的蜂窩通信，能夠更好的適應(yīng)本地通信業(yè)務(wù)，可以對頻譜資源進(jìn)行有效利用，提高整體系統(tǒng)容量。三是D2D通信距離較短，正好與SCN網(wǎng)絡(luò)布局相符，短距離的通信可以使終端獲得更大的數(shù)據(jù)傳送速率，同時也能降低數(shù)據(jù)傳輸延遲，提高系統(tǒng)整體通信質(zhì)量。

盡管SCN與D2D通信技術(shù)的聯(lián)合系統(tǒng)在增加系統(tǒng)容量、提高通信質(zhì)量、改善用戶體驗方面都能取得巨大的優(yōu)勢，但混合網(wǎng)絡(luò)在允許D2D用戶復(fù)用SCN用戶資源完成通信時，會對雙方用戶同時帶來干擾，影響數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，因此需要對蜂窩/D2D混合網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效的資源分配以保證系統(tǒng)的整體性能。目前國內(nèi)外學(xué)者提出了很多分配算法。文獻(xiàn)[20]提出了一種節(jié)能的資源共享方案來確定信道選擇和功率分配，蜂窩用戶設(shè)備借助C-RAN中的遠(yuǎn)程無線電頭分別優(yōu)化系統(tǒng)能量效率。文獻(xiàn)[21]提出了一種低復(fù)雜度的資源共享策略，設(shè)計了一種D2D與蜂窩用戶之間資源共享的方法，以提高D2D鏈路的吞吐量，同時保留了用戶的服務(wù)質(zhì)量。可以展望，蜂窩/D2D混合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的資源優(yōu)化配置在未來無線通信系統(tǒng)中會做出更加重要的貢獻(xiàn)。

3.4 SCN與認(rèn)知無線電

2002年美國聯(lián)邦通信委員會(Federal Communications Commission,FCC)對各類地區(qū)的頻譜利用率進(jìn)行調(diào)研[22]，結(jié)果表明通信中有些頻帶是被密集使用的，而某些頻帶在絕大部分時間段處于空閑狀態(tài)，因此出現(xiàn)了“頻譜空洞”(Spectrum Holes)。在頻譜資源利用極其不均勻的情況下，業(yè)界的大部分研究人員紛紛考慮如何在特定時間下充分分配利用空閑頻帶，提高頻譜資源的復(fù)用率。基于此，能夠自動感知周圍通信環(huán)境并獲取信息，通過改變自身相關(guān)參數(shù)以適應(yīng)環(huán)境變化的認(rèn)知無線電技術(shù)被提出。它可以通過采用動態(tài)頻譜訪問模式發(fā)現(xiàn)空閑資源，實(shí)現(xiàn)未經(jīng)許可的設(shè)備能夠暫時訪問未經(jīng)授權(quán)的頻段，從而提高頻譜的利用率。

在小蜂窩通信系統(tǒng)中引入CR技術(shù)組成認(rèn)知小蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以有效感知頻譜資源的使用情況，實(shí)現(xiàn)空閑頻譜資源的重復(fù)利用，提高網(wǎng)絡(luò)性能。SCN與CR技術(shù)的結(jié)合具有諸多優(yōu)勢，主要包括以下幾點(diǎn)：一是在SCN中引入CR可以進(jìn)一步提高頻譜資源利用率，實(shí)現(xiàn)對頻譜資源的智能管理；同時SCBS也為CR提供了低成本、易部署的基礎(chǔ)設(shè)施，能夠使其得到實(shí)際應(yīng)用。二是由于SCBS覆蓋范圍小，且具有自組織自優(yōu)化的功能特點(diǎn)，給CR提供很好的工作環(huán)境，可以更多的感知和使用空閑頻譜。三是SCN與CR結(jié)合能夠使整體系統(tǒng)的操作獨(dú)立進(jìn)行。即通過對頻譜的實(shí)時感知和動態(tài)接入，幾乎不需要對應(yīng)的宏蜂窩對其進(jìn)行信令控制和接入管理，保證了SCN和MCN(Macro Cell Networks)的向后兼容性。

面對未來復(fù)雜的通信環(huán)境和更高的通信性能需求，認(rèn)知異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)也將面臨很多挑戰(zhàn)。例如實(shí)現(xiàn)頻譜復(fù)用會帶來多層干擾，用戶的頻譜感知也會時常不準(zhǔn)，頻譜共享技術(shù)尚未成熟等等，都會對整個通信系統(tǒng)的性能帶來嚴(yán)重影響。因此在未來無線通信系統(tǒng)中，把SCN和認(rèn)知無線電技術(shù)的結(jié)合，具有很大的研究價值和應(yīng)用前景。

3.5 SCN與全頻譜接入技術(shù)

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，下一代無線通信系統(tǒng)的新業(yè)務(wù)和需求量會不斷增加，現(xiàn)有單一的頻譜資源已無法滿足其發(fā)展速率要求，這也是對目前頻譜資源利用的一個挑戰(zhàn)。為了滿足更高的5G頻譜要求，有效利用各種頻譜資源，包括低頻帶和高頻帶，許可和非許可的頻率頻帶以及連續(xù)和不連續(xù)的頻帶。與現(xiàn)有的有限頻譜共享相比，這是一種全頻譜接入技術(shù)，可以有效地提升系統(tǒng)容量。

在全頻譜接入技術(shù)的應(yīng)用下，會形成高低混頻組網(wǎng)系統(tǒng)：低頻頻段主要負(fù)責(zé)控制面的業(yè)務(wù)傳輸，能夠?qū)崿F(xiàn)較大覆蓋范圍；高頻頻段主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)面的業(yè)務(wù)傳輸，用于提升熱點(diǎn)地區(qū)傳輸速率。全頻譜接入技術(shù)的重點(diǎn)研究區(qū)域主要在6～100 GHz頻段，該頻段包含大量空閑頻譜資源，可以搭載小蜂窩高頻基站，支持更高的用戶傳輸速率。將SCN與全頻譜接入技術(shù)結(jié)合，可以獲得更多優(yōu)勢，主要優(yōu)點(diǎn)如下：一是增強(qiáng)移動寬帶。全頻譜接入技術(shù)可以將高頻段應(yīng)用于小蜂窩通信，利用相鄰小區(qū)間的干擾會自動消除的特點(diǎn)，解決其高頻信號在移動通信下所面臨的受阻衰減等問題，使其整體覆蓋區(qū)域更大，增加移動通信寬帶范圍。二是實(shí)現(xiàn)混合組網(wǎng)。全頻譜接入技術(shù)可以將高低頻段都覆蓋在小區(qū)范圍，有助于數(shù)據(jù)切換和傳輸。利用小區(qū)的自動識別功能，無論終端的工作頻段如何切換，融合系統(tǒng)都可以將數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸，從而保障了信號傳輸質(zhì)量。三是提高業(yè)務(wù)能力。全頻譜接入技術(shù)的引進(jìn)，使得在不同區(qū)域高低頻信號都可以隨意切換以滿足用戶需求，增強(qiáng)了通信系統(tǒng)的可靠性。將全頻譜高頻段應(yīng)用于SCN通信系統(tǒng)中，能夠提升系統(tǒng)覆蓋面積、熱點(diǎn)速率和系統(tǒng)容量。

目前，SCN與全頻譜接入技術(shù)的融合尚且處于起步階段，不同的頻段和多樣的應(yīng)用場景對實(shí)現(xiàn)全頻譜共享提出了一些挑戰(zhàn)，例如，使用常規(guī)頻譜感測算法可能無法準(zhǔn)確檢測到高頻信道中未被使用的頻譜孔；在考慮能耗下如何最大化頻譜效率以及如何分配低、高和連續(xù)、不連續(xù)頻段以滿足系統(tǒng)的需求等問題。

3.6 SCN與負(fù)載均衡技術(shù)

目前，通信業(yè)務(wù)不斷增加，業(yè)務(wù)請求在時間和空間上的不均衡導(dǎo)致小區(qū)的業(yè)務(wù)負(fù)載量會相應(yīng)不同，不能保證每個時間和地點(diǎn)用戶都能獲得高質(zhì)量體驗，同時也給網(wǎng)絡(luò)的配置和優(yōu)化帶來巨大挑戰(zhàn)。負(fù)載均衡技術(shù)，其工作機(jī)制是將每個用戶的業(yè)務(wù)請求均分到后臺的每個服務(wù)器上，使系統(tǒng)能夠保證穩(wěn)定的工作狀態(tài)，可以解決目前遇到的通信業(yè)務(wù)不穩(wěn)定問題。

規(guī)模較小的小型蜂窩網(wǎng)絡(luò)以及用戶設(shè)備(User Equipment,UE)的移動經(jīng)常會遭受不平衡的負(fù)載狀態(tài)，因此，在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，利用負(fù)載均衡用戶能夠在不同小區(qū)以及不同頻段進(jìn)行有效切換獲得更高的吞吐量。將SCN與負(fù)載均衡技術(shù)結(jié)合，可以提高通信系統(tǒng)的整體服務(wù)質(zhì)量，具有很多優(yōu)勢，主要包括以下幾點(diǎn)：一是提高小區(qū)信息傳輸速度。SCN具有自組織隨機(jī)大量部署特點(diǎn)，在熱點(diǎn)地區(qū)或高峰時間段，某些小區(qū)的用戶涌入量超載，導(dǎo)致信息傳輸有延遲。此時負(fù)載均衡技術(shù)可以將過載的流量轉(zhuǎn)移到附近較為空閑的小區(qū)頻帶上，平衡不同小區(qū)之間的負(fù)載，提高小區(qū)信息傳輸速率。二是充分利用服務(wù)器資源。SCN與負(fù)載均衡技術(shù)結(jié)合可以使每個后臺服務(wù)器的工作量得到均衡分配，避免后臺由于數(shù)據(jù)量激增導(dǎo)致的卡慢崩潰等情況。三是保證整體服務(wù)質(zhì)量。網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)隨著通信技術(shù)發(fā)展變得愈加復(fù)雜，負(fù)載均衡技術(shù)可以使基站提供的無線信息資源與其小區(qū)所覆蓋的通信業(yè)務(wù)負(fù)載保持動態(tài)平衡和對等匹配狀態(tài)，從而保證了系統(tǒng)的整體服務(wù)質(zhì)量。

為了實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡網(wǎng)絡(luò)，需要通過根據(jù)小區(qū)的負(fù)載情況來調(diào)整UE的切換參數(shù)來執(zhí)行該傳送，但是，參數(shù)調(diào)整不正確可能會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源使用效率低下或降低服務(wù)質(zhì)量。再者，為了維持網(wǎng)絡(luò)性能，還需要考慮聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)的頻譜分配和功率控制，如何實(shí)現(xiàn)有效的負(fù)載均衡網(wǎng)絡(luò)將成為未來無線通信領(lǐng)域內(nèi)一個重要的研究方向。

3.7 SCN與超密集組網(wǎng)技術(shù)

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，人們對演唱會、體育館、車站等超密集場景也期待擁有比較順暢的業(yè)務(wù)體驗，超密集組網(wǎng)技術(shù)可以通過增加基站的部署密度、提升頻率的復(fù)用效率來應(yīng)對這一需求。通過整合網(wǎng)絡(luò)資源、改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋可對業(yè)務(wù)進(jìn)行分流并提升系統(tǒng)總?cè)萘浚芗M網(wǎng)技術(shù)將是滿足未來無線通信數(shù)據(jù)流量需求的關(guān)鍵技術(shù)。

超密集網(wǎng)絡(luò)一般是通過密集部署SCBS來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的密集化，將SCN與超密集組網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，兩者相輔相成，有以下諸多優(yōu)勢：一是SCN的工作依賴于小蜂窩基站，而超密集組網(wǎng)技術(shù)的對象也是SCBS，通過更加密集部署，SCN的功能也會隨之增加。二是引入超密集組網(wǎng)技術(shù)，可以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的信號強(qiáng)度，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍并逐步消除網(wǎng)絡(luò)的盲點(diǎn)，提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量。三是通過更加密集部署小型基站，SCN可以實(shí)現(xiàn)采用對無線高頻段的使用，提高頻譜利用率。在網(wǎng)絡(luò)部署方面，SCN與超密集組網(wǎng)技術(shù)兩者協(xié)同合作具有很好的發(fā)展前景。

超密集組網(wǎng)技術(shù)是下一代無線通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，能夠滿足未來無線通信的通信需求，目前已被逐漸應(yīng)用到蜂窩組網(wǎng)中。然而，在SCN中引入超密集組網(wǎng)技術(shù)后，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架將會變得復(fù)雜，業(yè)務(wù)需求將會激增，隨之而來的網(wǎng)絡(luò)干擾問題極其突出，這也給未來無線通信網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)控制和干擾管理帶來了嚴(yán)重挑戰(zhàn)。

3.8 SCN與新型多址接入技術(shù)

在無線通信網(wǎng)絡(luò)中，用戶的總數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于某個時刻線上用戶的數(shù)量，因此多址接入技術(shù)可以將無線通信信道按照時域、頻域、空間域進(jìn)行分割，將有限的通信資源整合分配給線上的多個通信用戶，保證每個用戶的通信質(zhì)量。每一代無線通信系統(tǒng)都有對應(yīng)的多址接入技術(shù)的更新[23]。為了滿足未來無線通信網(wǎng)絡(luò)的高速率要求，提升系統(tǒng)頻譜效率，非正交多址接入技術(shù)(Non-orthogonal Multiple Access,NOMA)作為一種新型多址接入技術(shù)將作為未來5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

將SCN與NOMA結(jié)合，可以進(jìn)一步提高通信系統(tǒng)效率，主要優(yōu)勢如下：一是非正交接入技術(shù)可以緩解用戶與基站間通信距離問題，解決蜂窩邊緣用戶的通信速率問題，實(shí)現(xiàn)每個用戶之間通信的公平性，進(jìn)而提升系統(tǒng)容量。二是非正交接入技術(shù)可以與大規(guī)模天線技術(shù)結(jié)合，在高速通信環(huán)境中獲得更佳的通信性能，有助于組組建回程網(wǎng)絡(luò)。三是非正交接入技術(shù)可以降低信令開銷，支持大量數(shù)據(jù)包的發(fā)送請求，可以滿足未來日益增長的多業(yè)務(wù)需求。

近年來學(xué)術(shù)界已經(jīng)開始大量研究非正交多址技術(shù)，但仍處于起步階段。首先，與NOMA系統(tǒng)相關(guān)的功率復(fù)用技術(shù)尚處于研究階段，實(shí)際應(yīng)用有待規(guī)劃；其次，數(shù)據(jù)功率分配方案對NOMA系統(tǒng)的公平性影響的相關(guān)研究也處于理論研究階段，找到最優(yōu)方案還有待驗證；最后，系統(tǒng)所需要的接收機(jī)計算度復(fù)雜，這對硬件芯片的性能提出了很大的挑戰(zhàn)。

4 小蜂窩網(wǎng)絡(luò)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

雖然SCN具有很多優(yōu)勢，但是面對未來更加復(fù)雜化和多樣化的通信環(huán)境，小蜂窩的超密集部署也會使得SCN面臨很多技術(shù)上的挑戰(zhàn)。

4.1 干擾問題

SCBS部署密集，更接近用戶，隨著數(shù)量的增多，缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃，會導(dǎo)致不同情況的干擾[24]。一方面，由于MBS發(fā)射功率大，會對其覆蓋區(qū)域內(nèi)的SCBS帶來一定程度的干擾，即跨層干擾；另一方面，由于SCBS相互間距離近，也無法避免它們之間所存在的相互干擾，即同層干擾。目前的干擾管理主要通過網(wǎng)絡(luò)側(cè)和終端側(cè)兩種途徑來降低干擾，提高網(wǎng)絡(luò)性能：網(wǎng)絡(luò)側(cè)主要是通過時域、頻域、碼域和功率域等角度進(jìn)行的規(guī)避干擾；終端側(cè)主要進(jìn)行的是干擾對齊技術(shù)的研究，通過對干擾信息的處理設(shè)計出對應(yīng)的編碼與譯碼矩陣，從而可以在接收端把干擾信號進(jìn)行最大程度上的抑制。

目前，在研究解決SCN抗干擾方面，存在著很多技術(shù)方法。如文獻(xiàn)[25]采用的是干擾消除(Interference Cancellation,IC)技術(shù)，通過編碼方法重新生成干擾信號，然后基于特殊機(jī)制從所需信號中減去它們，實(shí)現(xiàn)對干擾信號的消除。然而此項技術(shù)需要和其他技術(shù)結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高，且通常應(yīng)用于傳統(tǒng)的2G/3G系統(tǒng)中，具有一定的局限性。文獻(xiàn)[26]采用的是干擾協(xié)調(diào)(Inter Cell Interference Coordination,ICIC)技術(shù)，通過控制基站的發(fā)射功率，抑制小區(qū)邊緣用戶的通信干擾，為用戶的通信體驗提供有效保障。該項技術(shù)可以在頻率和功率上執(zhí)行自適應(yīng)資源劃分以消除小區(qū)之間的干擾，應(yīng)用范圍僅限于業(yè)務(wù)信道間的干擾，具有一定的局限性。文獻(xiàn)[27]采用的是對齊干擾(Interference Alignment,IA)技術(shù)，在高信噪比條件下，通過壓縮干擾所占的信號維度，在每個接收器的降維子空間內(nèi)對齊多個干擾信號來管理干擾，使系統(tǒng)獲得最大自由度。在理想情況下，這個方法簡易可行且十分有效，但在實(shí)際信號傳輸中很難掌握到信道狀態(tài)信息，可行性較低。文獻(xiàn)[28]采用的是協(xié)作多點(diǎn)傳輸(Coordinated Multiple Points,CoMP)技術(shù)，通過多個小區(qū)之間共享數(shù)據(jù)、信道信息，使得共享小區(qū)能夠協(xié)同合作為小區(qū)邊緣用戶提供有效服務(wù)，從而增加邊緣用戶的吞吐量。然而，CoMP技術(shù)想達(dá)到預(yù)期的效果必須依賴?yán)硐氲幕爻替溌罚趯?shí)際通信鏈路中，高時延的回程鏈路會使得該技術(shù)的通信信息嚴(yán)重缺失，達(dá)不到預(yù)期的通信效果。目前，在干擾問題上出現(xiàn)了很多解決方案，但相關(guān)算法復(fù)雜度較高很難達(dá)到理想的效果。且隨著SCBS部署越密集化，干擾的情況也愈發(fā)嚴(yán)重，通信系統(tǒng)鏈路將會受到更加嚴(yán)重?fù)p害。因此，在未來需要尋找更加實(shí)用有效的智能干擾管理方案。

4.2 資源重配置問題

在MCN中引入SCN會使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，在兩者之間通過合理有效的資源重分配來減少彼此影響產(chǎn)生的資源損失就顯得格外重要，目前的相關(guān)策略和設(shè)計研究如火如荼。在文獻(xiàn)[29]中，作者提出了一種基于拉格朗日雙重分解方法的異構(gòu)宏小區(qū)和毫微微小區(qū)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合子信道和功率分配方案，最大化受延遲敏感用戶的服務(wù)質(zhì)量和其容量。文獻(xiàn)[30]考慮到頻譜感知的不完善，公平地在認(rèn)知毫微微小區(qū)中預(yù)先提出了一種干擾受限的資源優(yōu)化算法，解決了小區(qū)上的緩解干擾、頻譜接入、資源分配和服務(wù)質(zhì)量等關(guān)鍵問題。文獻(xiàn)[31]通過移動邊緣計算技術(shù)，提出了一種基于乘數(shù)算法的交替方向方法來解決網(wǎng)絡(luò)中資源分配和內(nèi)存緩存的優(yōu)化問題。文獻(xiàn)[32]提出通過對在接收機(jī)端測量的頻譜的比較優(yōu)勢進(jìn)行排名來分配頻率資源，可以實(shí)現(xiàn)以較低的復(fù)雜度并提高了接入系統(tǒng)的整體頻譜效率。

目前，國內(nèi)外研究學(xué)者對小蜂窩資源分配的相關(guān)問題進(jìn)行了大量的研究，提出了大量算法和模型，取得了一些階段性成果，但依舊存在很多亟需解決的難題，諸如如何在滿足資源利用最大的前提下保證SCBS間資源分配的公平性、如何在資源分配最大化的前提下保證干擾損失最少等問題。在面對越來越復(fù)雜的通信環(huán)境，資源重分配問題也將面臨更多的挑戰(zhàn)[33]。

4.3 動態(tài)移動性問題

由于SCBS覆蓋范圍小且隨機(jī)部署，因此無法保證無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的全覆蓋，在網(wǎng)絡(luò)移動性管理上提出了新要求。一方面，當(dāng)用戶移動速度較高時，可能需要進(jìn)行頻繁的跨區(qū)切換，因此需要采用有效的用戶切換方案來滿足不同用戶的需求和應(yīng)對不同系統(tǒng)性能的限制；另一方面，SCBS部署隨機(jī)、密度高，不同小蜂窩的接入方式可能不同，對用戶的請求處理方式也可能不同，因此更需要設(shè)計有效的移動性管理方案。

隨著無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，我們進(jìn)入了物聯(lián)網(wǎng)的時代，在網(wǎng)絡(luò)動態(tài)移動性方面，學(xué)者進(jìn)行了大量研究和探討。文獻(xiàn)[34]提出了一種具有單跳群集的新移動網(wǎng)關(guān)選擇方案，可以有效地將流量從相鄰車輛中繼到蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，并減少核心網(wǎng)絡(luò)的信令負(fù)載。文獻(xiàn)[35]提出了一種小型蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計，可以為公共交通用戶提供無縫的高數(shù)據(jù)速率服務(wù)；并提出了一種時變頻率分配解決方案，以滿足動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜妥兓挠脩袅髁啃枨蟆Ｎ墨I(xiàn)[36]提出了一種分布式算法來計算最佳的空中基站移動方向以減輕網(wǎng)絡(luò)干擾；此外，還研究了最大流量和最短路徑軌跡之間的權(quán)衡，并開發(fā)了一種節(jié)能方法，以減少基站的能量開銷。文獻(xiàn)[37]介紹了一種基于實(shí)用程序的移動負(fù)載平衡算法，考慮到切換過程中運(yùn)營商實(shí)用程序和用戶實(shí)用程序，使負(fù)載平衡算法操作可以正確地對過載的信元進(jìn)行排序，實(shí)現(xiàn)了良好的平衡網(wǎng)絡(luò)。雖然移動性管理技術(shù)在不斷更新，但在如何實(shí)現(xiàn)無縫連接、如何使能效最大化、如何實(shí)現(xiàn)最低信令開銷等方面仍沒有得到比較理想的解決方案，同時也在移動性管理上提出了一個重要的挑戰(zhàn)。

4.4 自適應(yīng)問題

在未來移動通信中，SCBS部署的自組織和自由化性能也有更加嚴(yán)格的要求。一方面，部署了更多的小蜂窩后，SCN需要更強(qiáng)的自組織功能，能夠在更精細(xì)的級別上調(diào)整流量需求分配和無線電資源分配，以適應(yīng)其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞娜我庾兓涣硪环矫妫S著SCBS部署更加復(fù)雜，對小蜂窩的集中控制已不太可能，需要其具備更強(qiáng)的自優(yōu)化能力，以實(shí)現(xiàn)在更加復(fù)雜的小區(qū)列表中自動更新，在發(fā)現(xiàn)錯誤節(jié)點(diǎn)時能夠自我修復(fù)等。

大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法的可用性不斷提高，這進(jìn)一步激勵人們進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動的自組織方面的研究，希望能夠引入一些智能算法滿足移動通信所需的性能要求，研究學(xué)者為此也做了大量工作。文獻(xiàn)[38]提出了自適應(yīng)功率分配問題，采用了利用一階逼近的迭代算法，確保了收斂性，使小型基站上的全雙工回傳網(wǎng)絡(luò)可以自適應(yīng)功率分配，提高了組網(wǎng)的靈活性。文獻(xiàn)[39]在有限的回程容量和中斷概率的約束下提出了一種新的基于拉氏松弛法和禁忌搜索的自適應(yīng)算法，可以優(yōu)化小型小區(qū)基站和無線回程鏈路的聯(lián)合部署，提高SCN規(guī)劃部署能力。文獻(xiàn)[40]提出了以用戶為中心的自適應(yīng)聚類算法，能夠根據(jù)用戶信噪比動態(tài)調(diào)整小區(qū)簇的數(shù)量和大小，有效降低了聚類過程的計算復(fù)雜度。文獻(xiàn)[41]通過適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀態(tài)并考慮負(fù)載估計，提出了一種用于小型蜂窩網(wǎng)絡(luò)的移動性負(fù)載平衡算法，根據(jù)過載小區(qū)和相鄰小區(qū)來調(diào)整切換參數(shù)，以獲得更高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。面對未來更加復(fù)雜的通信環(huán)境，還需要更優(yōu)的算法來提高SCN的自組織和自優(yōu)化等自適應(yīng)能力，這也是未來需要解決的一個問題。

4.5 安全問題

信息安全問題已經(jīng)成為21世紀(jì)信息化社會所面臨的一個熱點(diǎn)話題，也越來越引起人們的重視。由于小蜂窩部署的隨機(jī)性，可以不完全集中控制，與傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)相比，SCN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更加開放，因此容易竊聽正在交換的信息，網(wǎng)絡(luò)用戶的信息安全將受到威脅。一方面，由于SCN具有分層式扁平化結(jié)構(gòu)，可能會出現(xiàn)容易被網(wǎng)絡(luò)攻擊的薄弱點(diǎn)，這在傳統(tǒng)的蜂窩系統(tǒng)中是未知的；另一方面，由于大多數(shù)流量會通過基于IP的回傳網(wǎng)絡(luò)傳遞[42]，而該網(wǎng)絡(luò)可能不受運(yùn)營商的完全控制，容易遭到網(wǎng)絡(luò)攻擊，因此用戶隱私受到威脅。同時，SCBS還必須要具有防篡改功能，以防止黑客訪問BS并創(chuàng)建偽造的BS來獲取私有用戶數(shù)據(jù)的訪問權(quán)限。

近年來，在移動通信信息安全方面的研究已經(jīng)引起了很多學(xué)者的注意。文獻(xiàn)[43]提出了一種具有用戶匿名性和SCN快速撤銷的基于安全區(qū)域的切換方案，保護(hù)了用戶的移動軌跡，同時采用了基于對稱的密碼運(yùn)算，能夠降低通信延遲并降低了計算成本。文獻(xiàn)[44]基于混合緩存放置策略提出了有關(guān)緩存放置和物理層傳輸?shù)穆?lián)合設(shè)計，以提高安全內(nèi)容交付概率，有助于解決在存在隨機(jī)分布的竊聽者的情況下，具有協(xié)作式啟用緩存的小型基站的小型蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的物理層安全性問題。文獻(xiàn)[45]制定了一個優(yōu)化模型，可以在滿足一定程度的服務(wù)質(zhì)量和物理層安全性的同時，將網(wǎng)絡(luò)的總功耗降至最低，通過利用其物理層特性以改善SCN整體安全性。文獻(xiàn)[46]基于移動邊緣計算的輔助，對虛擬SCN無線網(wǎng)絡(luò)中快速移動用戶的體驗質(zhì)量進(jìn)行了全面的安全建模，通過針對5G的代表性場景進(jìn)行了演示，確定了需要保護(hù)的關(guān)鍵資源以及潛在的安全威脅，找到了適當(dāng)?shù)陌踩s束和適當(dāng)?shù)陌踩珯C(jī)制，以應(yīng)對5G網(wǎng)絡(luò)中新興的安全威脅。在未來不斷發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，需要引入先進(jìn)科學(xué)的安全機(jī)制來提高SCN的系統(tǒng)安全，且應(yīng)對不同環(huán)境，安全機(jī)制也需要不斷更新，這對SCN的發(fā)展提出了巨大的挑戰(zhàn)。

5 小蜂窩網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展前景

5.1 未來無線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的發(fā)展趨勢

5.1.1 控制業(yè)務(wù)分離

日益激增的無線通信業(yè)務(wù)流量需求給未來無線通信系統(tǒng)帶來了很大的挑戰(zhàn)，從第3節(jié)分析可知，未來通信網(wǎng)絡(luò)將會演變?yōu)楦鞣N異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，融合各種先進(jìn)通信技術(shù)，以應(yīng)對更加復(fù)雜的通信環(huán)境。然而，傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)被設(shè)計為確保無限信道的普遍覆蓋，而與服務(wù)的空間和時間需求無關(guān)，這會給網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)和密集部署帶來阻礙，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架將不再適用于未來通信的發(fā)展。通過在覆蓋層的保護(hù)下提供數(shù)據(jù)服務(wù)，控制平面和數(shù)據(jù)平面之間的邏輯分離被認(rèn)為是可以替代傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的有前途的解決方案。

控制業(yè)務(wù)分離，即在控制平面和數(shù)據(jù)平面之間進(jìn)行邏輯分離，將完全覆蓋所需的信號與支持高數(shù)據(jù)速率傳輸所需的信號分開。通過MBS提供廣闊的覆蓋范圍并支持有效的無線電資源控制程序，而專用的SCBS利用其可以自由部署的優(yōu)勢，提供MBS占用空間內(nèi)的高速率數(shù)據(jù)傳輸。基于此架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)信令開銷將會減少，資源利用率將會增加，系統(tǒng)性能將會大大改善，同時也為網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)化、聚簇化發(fā)展提供了可能。但是，要具體評估該架構(gòu)相對于傳統(tǒng)架構(gòu)的可行性和優(yōu)越性，還需要解決一些研究挑戰(zhàn)和問題。這些問題包括服務(wù)節(jié)點(diǎn)選擇、控制消息設(shè)計、回程機(jī)制計劃、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署、信道傳輸技術(shù)的管理等[47]，這也對未來無線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的規(guī)劃提出了挑戰(zhàn)。

5.1.2 無線網(wǎng)絡(luò)虛擬化

如今，對移動服務(wù)的爆炸性增長需求給無線網(wǎng)絡(luò)帶來了挑戰(zhàn)和機(jī)遇，催生了第五代(5G)移動網(wǎng)絡(luò)。與3G或4G不同，5G面臨著不同的挑戰(zhàn)，不僅是數(shù)據(jù)的爆炸性增長，還包括流量的不均勻性、無縫覆蓋和低延遲通信。為了解決這些問題，頻譜資源共享將是未來發(fā)展趨勢。然而，當(dāng)前的無線網(wǎng)絡(luò)是封閉且僵化的，從而引起兩個主要問題[48]:一個是頻譜利用率低，會出現(xiàn)一些網(wǎng)絡(luò)過載，而某些資源則空閑的情況；另一個是網(wǎng)絡(luò)控制僵化，會使得網(wǎng)絡(luò)更新昂貴且費(fèi)時。為了解決這些問題，基于無線網(wǎng)絡(luò)虛擬化的新型架構(gòu)被提出。

國際電信聯(lián)盟無線電通信部門(International Tecommunication Union-Radiocommunication Sector,ITU-R)在文獻(xiàn)[49]中定義的網(wǎng)絡(luò)虛擬化概念涵蓋兩個關(guān)鍵技術(shù)特征：一是提取和集成無線資源的能力，例如分割和集中網(wǎng)絡(luò)資源；二是靈活控制網(wǎng)絡(luò)的能力，例如異構(gòu)無線接入網(wǎng)的靈活接入和快速重新配置。因此，當(dāng)其應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò)時，無線網(wǎng)絡(luò)虛擬化可以通過整個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作和共享來優(yōu)化資源分配。它可以超越網(wǎng)絡(luò)的物理邊界，實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡和無縫覆蓋。基于此架構(gòu)，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用程序和用戶需求之間的管理和協(xié)調(diào)將會更加靈活，在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源高效分配的同時也簡化了控制程序。此外，網(wǎng)絡(luò)的可重新配置性使網(wǎng)絡(luò)更新更加方便和廉價，因此可以大大減少運(yùn)營商的資本支出和運(yùn)營支出。但是，無線網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)仍然面臨很多挑戰(zhàn)，比如無線虛擬網(wǎng)絡(luò)之間如何實(shí)現(xiàn)相互隔離而不產(chǎn)生干擾、應(yīng)對不同服務(wù)類型應(yīng)該如何保證資源分配的公平性、面對不同用戶應(yīng)該如何保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行袚Q和實(shí)時控制等。因此，未來無線通信系統(tǒng)需要進(jìn)一步研究無線網(wǎng)絡(luò)虛擬化網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的應(yīng)用挑戰(zhàn)。

5.2 小蜂窩網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，SCN已經(jīng)開始出現(xiàn)在大眾視野，政府和通信行業(yè)相關(guān)公司均在大力部署SCBS。2015年，中國電信在4G運(yùn)營部署中已經(jīng)將SCBS作為其首要的采集基站；同年，中國移動和中國聯(lián)通也相繼將SCBS產(chǎn)品列入了集團(tuán)內(nèi)部設(shè)備并進(jìn)行大量采購。華為也在很早就推出了小基站產(chǎn)品，并提出了“眾包Small Cell”的理念。根據(jù)相關(guān)市場報告和行業(yè)預(yù)測，我們可以看到SCN技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。在部署方面，SCN在住宅區(qū)域已經(jīng)陸續(xù)得到廣泛布置，在辦公場所和公共區(qū)域的應(yīng)用保持持續(xù)增長的趨勢；在應(yīng)用方面，SCN已經(jīng)由開始的實(shí)驗性試用到目前的大面積5G應(yīng)用；在發(fā)展方面，SCN從最初的部署為目的，轉(zhuǎn)變到現(xiàn)在的追求系統(tǒng)更大容量的改進(jìn)。隨著無線通信系統(tǒng)的發(fā)展和更新，SCN的應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷擴(kuò)展。面對未來更加龐大的通信體系，獨(dú)立的小型小區(qū)已經(jīng)無法繼續(xù)擴(kuò)大規(guī)模，運(yùn)營商也更加愿意把精力轉(zhuǎn)向集密部署的小型小區(qū)上，與之相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也正在快速發(fā)展。縱觀整個通信設(shè)備市場，一個以小基站為核心的商業(yè)圈已經(jīng)形成，把電信運(yùn)維商、設(shè)備商、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)到產(chǎn)品開發(fā)者都聯(lián)系在一起，共同助力運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)向更快更好推進(jìn)。

5.3 小蜂窩網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展前景

未來，SCN的發(fā)展將更加全面高效。隨著智能手機(jī)、平板電腦以及具有多媒體功能的可穿戴設(shè)備的出現(xiàn)，人們對移動數(shù)據(jù)的需求持續(xù)以超乎預(yù)期的速度增長。文獻(xiàn)[50]中的報告顯示，未來的無線通信系統(tǒng)將擁有可以容納大約1 000億個互聯(lián)設(shè)備，其中包括人機(jī)通信設(shè)備和機(jī)器通信設(shè)備。其次，移動數(shù)據(jù)流量的空前增長將導(dǎo)致移動通信行業(yè)的碳排放量和能耗不斷增加，這會間接導(dǎo)致二氧化碳排放量上升[51]，會對環(huán)境造成很大危害。同時，這也可以歸因于無線通信網(wǎng)絡(luò)的巨大能耗，損失了大量資源。基于此，未來無線通信系統(tǒng)對SCN的性能提出了新要求，需要更加有效部署，更加科學(xué)規(guī)劃，以滿足未來復(fù)雜的通信環(huán)境。

為了滿足未來無線通信系統(tǒng)提出的要求，需要對SCN未來發(fā)展方向進(jìn)行更加深入的研究。目前主要的研究方向包括以下幾個方面：

(1)無線接入技術(shù)再更新。如大規(guī)模MIMO技術(shù)、超密集組網(wǎng)技術(shù)、全頻譜接入技術(shù)和新型多址接入技術(shù)等，這些先進(jìn)的接入技術(shù)在未來無線通信系統(tǒng)中需要不斷更新以發(fā)揮其更大的潛力。

(2)無線頻譜資源再部署。需要著重于頻段整合技術(shù)[52]、頻譜共享技術(shù)[53]、載波聚合技術(shù)[54]和更高頻段探索技術(shù)[55]等技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)對有限的頻譜資源進(jìn)行充分利用和挖掘，以應(yīng)對頻譜資源短缺問題。

(3)無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)再優(yōu)化。如通過無線網(wǎng)絡(luò)虛擬化[48]、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合[64]、控制業(yè)務(wù)分離[65]等手段，針對不同通信環(huán)境，設(shè)計出更加合理有效的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互通，降低性能損失。

6 結(jié)束語

SCN以其自身的諸多優(yōu)勢在如今的物聯(lián)網(wǎng)時代得到了快速的應(yīng)用和發(fā)展，并發(fā)揮著越來越重要的作用。本文主要介紹了其基本的概念及相關(guān)的技術(shù)問題，分析了其所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，并總結(jié)了其目前的發(fā)展現(xiàn)狀。相信SCN技術(shù)將不斷更新進(jìn)步，對無線通信的發(fā)展做出更多的貢獻(xiàn)。