五四青年节来啦！《知识就是力量》特别策划“青年科学家趣谈科学”系列内容，我们将从航空航天、生命科学、化学、人工智能、动植物、物理天文等领域挑选青年科学家，一方面带领大家认识中国优秀的青年科学家群体，另一方面，这些青年科学家将带领大家读科学、知科学、爱科学。
对于互联网一代的我们来说，
“网络”无处不在，
但你是否思考过，
是什么在支撑我们随时随地上网？
今天，青年科学家赵中原
将为我们讲述
无线网络实现全覆盖背后的“弹性”智慧。
赵中原博士，北京邮电大学信息与通信工程学院副教授，硕士生导师，中国电子学会高级会员，中国通信学会高级会员，中国电子学会青年科学家俱乐部网络与通信技专委委员、副秘书长。主要研究方向为无线通信中的接入网络体系结构和先进信号处理技术，主持和参与国家和省部级项目10余项，发表高水平学术论文50余篇，获得授权专利10余项。现担任IEEE Communication Letters等多个国际学术期刊编委和客座编委，和多个国际学术会议技术委员会主席和委员。曾获2016教育部自然科学奖二等奖，2017北京市科学技术奖一等奖，国际学术会议最佳论文奖2次，并入选第四届中国科协青年人才托举工程。
有“弹性”的异构无线网络
2014年7月14日，巴西里约热内卢马拉卡纳球场八万人座无虚席，为参加世界杯决赛的两支队伍——德国队和阿根廷队加油助威，球迷们一边观看球赛，一边通过手机在社交网络上实时分享着决赛现场的点滴。终场哨响，德国队最终捧杯，本次世界杯在山呼海啸般的欢呼中落下帷幕。
与此同时，场外通信保障监控车内，工作人员也击掌相庆，庆祝本次世界杯赛场的通信服务保障工作的圆满完成。本次世界杯期间，现场的通信保障工作经历了重大考验。仅以决赛为例，现场观众在90分钟的比赛时间内产生了超过1.5TB的数据流量，约为网络平均忙时流量的5倍。而完成这一艰巨任务的“关键先生”则是由我国自主研发的可扩展异构基站和一体化异构协同自组网方案，在世界杯期间为12座比赛球场提供无线网络服务——中国也完成了在世界杯决赛的“首秀”。
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当热情的球迷散去，马拉卡纳球场没入黑夜的深沉，重新归于宁静。空旷的球场中是否还需要这么多基站维持网络的正常运行？如何让球场的网络在“空闲模式”和“忙碌模式”的切换中游刃有余？怎样才能避免网络过度建设带来的浪费……一切的一切，还要从无线网络的发展历程说起。
从蜂窝网络到异构网络
无线网络的大规模商用起源于GSM，组网采用“蜂窝式”覆盖，即将网络服务区域分割为多个规则的正六边形小区。这种方式非常适合对业务质量要求较低的语音和短信业务，以最为简单的方式实现了网络的无缝覆盖。
随着通信和信息技术的发展，高业务质量要求的新型多媒体数据业务已经代替语音和短信业务，成为无线网络最主要的业务，智能手机已经渗透到衣食住行的各个方面，已经成为了每个人的第二张“身份证”——随时随地享受到高速、稳定的无线网络服务不再是一种生活时尚，而是生活中的基本必需。
蜂窝网络小区中心用户与边缘用户传输容量差异明显，网络中的“木桶效应”开始显现。此外，WiFi、微基站和无线中继技术的日臻完善和普及，传统无线通信中蜂窝网络“一统天下”的局面已被打破，进入到了“群雄割据”的异构网络时代。在这个智能信息化浪潮兴起的今天，无线网络又一次站在了技术革新的风口浪尖上。
异构分层协同网络：以和为贵，兼容并济
“和”是中华文明的核心——小到为人“君子和而不同”，过日子“家和万事兴”，做生意“和气生财”，大到我国构建“和谐社会”的战略任务。无线网络同样需要“和”，需要具有包容精神——如何实现各种异构网络节点间的“和谐相处”，如何“容纳”用户超密集区域的数据业务和传输需求，是无线网络研究需要解决的核心问题。
流动性强是无线网络用户一大特色——早晚高峰的公交枢纽，大型购物中心和写字楼……据统计，北京地铁交通枢纽站早高峰出入站人流量超过3万人/小时，而平时人流量不足5千人/小时，形成了明显的“潮汐效应”，这给网络部署带来了极大的困难：为了满足高峰期的数据业务需求，需要加大基站部署密度。然而，在大部分时间，网络的业务负载远低于高峰时段，大规模部署宏基站会造成电力、网络传输能力等资源不必要的浪费。此外，由于宏基站的发射功率较大，密集部署将会造成严重干扰。可见，在上述地点的网络部署处于“进退两难”的困境。
尺有所长，寸有所短，相比宏基站，微基站、中继等网络中的小型异构节点也具备自身独特的优势。小型异构节点虽然覆盖范围小，但制造成本低，体积小，便于大规模部署和管理。因此，采用宏基站与微基站、中继等进行联合部署，形成分层异构网络覆盖，使得短时热点区域的网络覆盖问题迎刃而解，马拉卡纳球场的组网方案就是一个经典案例：在球场内布置一定数量的宏基站，提供基本覆盖，同时布置大量的微基站，所有异构基站由一体化协同控制器控制，通过对网络数据业务负载的感知，根据场地内的业务负载情况控制基站的开启和关闭。
在举行大型体育赛事时，将大量启用微基站，对用户数据业务进行分流。在赛事结束后，关闭不必要的异构基站，避免资源浪费，增强了网络对数据业务负载变化的“弹性”，实现网络的绿色环保和智能化，降低了组网成本和时间周期，基站配置的耗时由数天缩减至分钟级，成本降低一半。
此外，协同传输技术也是网络干扰问题的一大“法宝”。通过多个基站间的协作，将 “点对点”的传统通信方式化为“群组对群组”的协作通信方式，实现了时间和无线频谱资源的共享。根据在国家体育馆等无线业务热点区域的测试结果，采用异构协同传输技术可以将小区间的干扰消除80%，无线容量提升达到5倍。
人们常把无线通信的发展视为一场奥林匹克竞赛——永远走在追求“更高、更快、更强”的路上。其实不然，不同于激烈残酷的竞争，通信技术是温情而浪漫的。通信人一直致力于编织一张网，连接的是手机和电脑屏幕背后的每个人，是独在异乡倍思亲的游子，是千里共婵娟的恋人，是天涯若比邻的知己。
我们所追求的不仅仅是让网络更快，更有“弹性”，更智能，而是让下班的父亲在回家的路上就能收到家中孩子的期盼，让大山深处的人们领略外面世界的精彩，让朋友之间不会断了联系，让家人对离家的学子不再牵挂。让更多的人加入进来，分享更好的东西，这才是无线通信和网络技术创新的源动力所在。
今天，青年科学家赵中原为我们带来的“无线网络”的内容你都了解了吗？如果你有更多关于“通信”的思考，欢迎留言区互动哟！
