（通信与信息系统专业论文）异构无线网络中的联合会话调度机制算法研究.pdf

独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：至立：丝 日期：型丝! ! a 丝里一 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围， 本人签名： ， 导师签名：彳么 钐中弋 适用本授权书。 日期：丝i 垒幽丝堡 日期：塑! 垒坦曰兰盟一 北京邮电人学硕士论文 摘要 异构无线网络中的联合会话调度机制算法研究 摘要 近年来，无线通信技术取得了巨大的进展，各种全新的无线通信 概念和技术层出不穷，形成了多种体制并存的异构无线网络。与此同 时，由于异构网络间相互独立，缺少必要的互通机制和有效的协调方 法，使得有限的无线网络资源无法得到有效的利用。如何将不同制式 的无线通信技术融合在一起，一方面为用户提供覆盖广、带宽高、移 动性高且业务丰富费用低廉的网络接入服务，另一方面优化无线网络 资源和简化网络运营管理，将是未来异构无线通信系统的发展方向。 异构无线网络的融合从无线接入技术的差异互补特点出发，目标 在于实现异构网络中的资源最优利用和用户业务的最优体验。作为其 中的一个重要研究领域，联合无线资源管理致力于解决在异构环境下 的会话接纳、负载均衡、网络切换和会话调度等方面问题，充分发挥 不同网络技术的优势，使得网络侧和用户侧均能取得性能的提升。本 文主要侧重联合无线资源管理中的联合会话调度进行研究，通过设计 合理有效的机制策略，使有限的网络资源得到优化利用，同时使用户 能够同时利用多个网络满足其业务需求，提升服务质量。概括来说， 本文具体做了以下工作： 首先，本文详细分析了目前异构无线通信网络发展的现状及其未 来的发展趋势。之后主要概述了异构无线网络融合中的关键技术和关 键问题，并对其中的资源优化问题和研究进行详细分析。通过进一步 对异构无线网络中的联合无线资源管理进行分析，确定本文的主要研 究点为联合会话调度的机制算法研究。 接下来，针对于单运营商多网络的网络系统性能优化问题，本文 提出了利用一种基于联合会话调度的网络选择机制，通过建立相应的 线性规划模型，综合考虑异构网络中的多种业务的速率和功率特性， 在满足用户业务所需的数据比特率和功率的前提下，最小化异构系统 的整体功率消耗，以实现系统功率资源的最大化利用。 针对实现联合会话调度对相应的数据分流机制和协议的需求，本 文通过分析几种不同分流机制的优劣，设计了一种基于传输层分流的 通用传输协议模型，以支持联合会话调度中同时进行的多网络连接。 北京邮电大学硕士论文摘要 针对多网络传输过程中的无线链路动态变化特性和对应的传输 同步保障，本文提出了联合会话调度中一种基于数据段的自适应数据 分配机制以支持多网传输的实现，并解决多网传输中的同步问题以保 证业务的服务质量。本机制通过基于数据接收端的反馈信息，结合对 各个子流传输链路的速率预测，调整数据在各个网络中的分配比例， 从而实现对网络环境动态变化的自适应。 论文最后对全文进行了总结，并展望了今后的研究方向。 关键词：异构无线网络联合会话调度功率优化数据分流传输同步 北京邮电大学硕士论文 j o i n ts e s s i o n s c h e d u l i n g m e c h - a n i s mi nt h e h e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e t w o r k i nr e c e n ty e a r s ，m o r ea n dm o r en e w t y p e so f r a d i oa c c e s st e c h n o l o g y ( r a t ) h a v ea p p e a r e d w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki nt h ew o r l d t h e s ed i v e r s et e c h n o l o g i e sm a k e t h e h e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e t w o r k i nt h e m e a nt i m e ，d u et ot h e i n d e p e n d e n c eo fe a c hr a t a n dt h el a c ko fn e c e s s a r yi n t e r c o m m u n i c a t i o n a n dc o o p e r a t i o nm e c h a n i s m s ，t h el i m i t e dr a d i or e s o u r c e sc a n n o tb e u t i l i z e d e f f i c i e n t l y t h e r e f o r e ，t h ed e v e l o p m e n to f n e x t g e n e r a t i o n n e t w o r kr e q u i r e st h ec o n v e r g e n c eo fd i f f e r e n tn e t w o r k si no r d e rt on o t o n l y p r o v i d e rl a r g e rc o v e r a g e ，h i g h e rb a n d w i d t h ，b e t t e rm o b i l i t y , a n d h i g h q u a l i t yl o w - p r i c ea c c e s ss e r v i c e ，b u ta l s oo p t i m i z et h er e s o u r c e s u t i l i z a t i o na n ds i m p l i f yt h en e t w o r ko p e r a t i o n t h ec o n v e r g e n c eo fw i r e l e s sn e t w o r kw h i c hm a i n l yf o c u s e so nt h e h e t e r o g e n e o u sc h a r a c t e r i s t i c o fw i r e l e s sa c c e s se n v i r o n m e n ta i m sa t r e a l i z i n gt h eo p t i m i z a t i o no fr e s o u r c eu s a g ea n d u s e re x p e r i e n c e a so n e o ft h ek e yt o p i c s ，j o i n tr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ( j r r m ) a i m sa t s o l v i n gt h es e s s i o na c c e s sc o n t r o l ，l o a ds h a r i n ga n dh a n d o v e rw h i c hc a n i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eb o t hf r o mt h en e t w o r k a n du s e rs i d e sb yt a k i n g a d v a n t a g e o fd i v e r s et e c h n o l o g i e s t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ej o i n ts e s s i o n s c h e d u l i n g ，o n eo ft h ek e yf u n c t i o no fj r r m ，b ym e a n so fd e s i g n i n g p r o p e rm e c h a n i s m st oo p t i m i z et h eu t i l i z a t i o no fl i m i t e dr e s o u r c e sa n d s a t i s f y t h eu s e r s s e r v i c e r e q u i r e m e n ta p p l y i n gm u l t i p l e n e t w o r k c o n n e c t i o n ss i m u l t a n e o u s l y t os u m m a r y , t h ec o n t e n to ft h i st h e s i s i n c l u d e sf o l l o w i n g a s p e c t s ： 北京邮电大学硕士论文 f i r s t l y , t h i st h e s i sg i v e sad e t a i la n a l y s i so ft h ec u r r e n tc o n d i t i o no f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dt h er e l e v a n td e v e l o p m e n tt e n d e n c y t h e n ， t h e k e yt e c h n i q u e s a n d c h a l l e n g e s o fn e t w o r k c o n v e r g e n c e a r e s u m m a r i z e d ，a n dt h er e s o u r c eo p t i m i z a t i o ni sd e t a i l e da n a l y z e d a f t e rt h e a n a l y s i so ft h ej o i n tr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ，t h i st h e s i ss e l e c t st h e j o i n ts e s s i o ns c h e d u l i n g ( j o s c r 0a st h em a i nr e s e a r c hp o i n t t h e n ，c o n s i d e r i n gt h ei m p r o v e m e n to fs y s t e mp e r f o r m a n c ei nt h e s i n g l e - o p e r a t o rm u l t i n e t w o r ks c e n a r i o ，t h i st h e s i sp r o p o s e san e t w o r ks e t s e l e c t i o nm e c h a n i s mb a s e dj o s c ht o o p t i m i z et h eo v e r a l lp o w e r u t i l i z a t i o n b ym e a n so fe s t a b l i s h i n gl i n e a ro p t i m i z a t i o nm o d e l ，t h i s m e c h a n i s ma i m st om i n i m i z et h e p o w e rc o n s u m p t i o n ，w i t h t h e c o n s i d e r a t i o no ft h er e q u i r e m e n t so nb a n d w i d t ha n dp o w e ro fd i f f e r e n t s e r v i c e s c o n s i d e r i n gt h er e q u i r e m e n t o nd a t a s t r i p i n g m e c h a n i s ma n d r e l e v a n tp r o t o c o ld e s i g nt os u p p o r tj o s c hi nt h er e a lw o r l d ，t h i st h e s i s a p p l i e s t h et r a n s p o r t l a y e r s t r i p p i n gb a s e do nt h e d e t a i l a n a l y s i s o f d i f f e r e n tt y p e so fd a t a s t r i p p i n gm e c h a n i s m f u r t h e r m o r e ，t h i st h e s i s d e s i g n sag e n e r i ct r a n s p o r tp r o t o c o lm o d e lb a s e do nt r a n s p o r t - l a y e r s t r i p p i n g ，t os u p p o r t t h em u l t i - n e t w o r kc o n n e c t i o n d u r i n g t h e i m p l e m e n t a t i o no fj o s c h m o v i n gf o r w a r das t e p ，t h i s t h e s i sa l s os o l v e st h et r a n s m i s s i o n s y n c h r o n i z a t i o np r o b l e md u et ot h ed y n a m i cc h a n g eo ft h er a d i ol i n k d u r i n gt h em u l t i n e t w o r kt r a n s m i s s i o n as e g m e n t - b a s e da d a p t i v et r a f f i c a l l o c a t i o nm e c h a n i s mi s d e s i g n e d t o g u a r a n t e e t h et r a n s m i s s i o n s y n c h r o n i z a t i o na n dq u a l i t y w i t ht h ec o m b i n a t i o no ff e e d b a c ka p p r o a c h a n dt r a n s m i tr a t ep r e d i c t i o n ，t h i sm e c h a n i s me n a b l e st h et r a f f i ca l l o c a t i o n a d a p tt ot h ed y n a m i cc h a n g eo fn e t w o r kc o n d i t i o n i nt h ee n do ft h i st h e s i s ，as u m m a r i z a t i o ni s p r e s e n t e da n dt h e p o t e n t i a lw o r ki nt h i sr e s e a r c ha r e ai sp o i n t e do u t k e y w o r d s ：h e t e r o g e n e o u s w i r e l e s sn e t w o r k ，j o i n ts e s s i o ns c h e d u l i n g ， p o w e ro p t i m i z a t i o n ，d a t as t r i p p i n g ，t r a n s m i s s i o ns y n c h r o n i z a t i o n 北京邮电大学硕士论文 目 第6 章联合会话调度中的数据分配和同步保障 6 1 6 2 6 3 6 3 1 6 3 2 ：1 9 数据收发端的功能模块设计。3 9 基于数据分段的数据分配机制4 0 仿真验证 仿真场景设置 仿真结果分析 北京邮电大学硕士论文目录 6 4 本章小结4 6 6 5 参考文献。4 7 第7 章总结和展望4 8 7 1 论文总结。4 8 7 2未来研究展望4 9 致谢! ；( 1 硕士期间发表论文情况5 1 北京邮电大学硕士论文 第1 章绪言 第1 章绪言 移动通信技术的迅猛发展使得异构化成为未来无线通信环境的发展趋势。在 异构网络环境中，以无线个域网( 如b l u e t o o t h ) 、无线局域网( 如w i f i ) 、无线城域 网( 如w i m a x ) 、公众移动通信网( 如2 g 、3 g 、4 0 ) 、卫星网络，以及a d h o c 网 络、无线传感器网络等为代表的无线通信系统将为用户提供多种多样的通信方 式、风格各异的接入手段和无处不在的接入服务。然而，从资源的有限性、运营 的有效性以及用户多样的业务需求等多方面角度考虑，需要充分利用不同网络间 的互补特性，实现异构无线网络技术的有机融合和协作共享，以提供更为优化的 网络性能和更加灵活可靠的业务，从而实现无线通信网络真正意义的自组织、自 适应，并且实现网络间的互联互通。 作为异构无线网络互通和融合的研究热点和有效手段之一，联合的无线资源 管理在近年来受到了广泛的关注与研究。与传统的无线资源管理只针对某一个网 络进行单独管理和优化，且优化目标单一不同，联合无线资源管理同时应用于多 种接入技术，并需要多模技术或可重配置技术的支持，另外，其优化目标不仅仅 针对传统的频谱资源，还包括无线网络中如会话接入权限、传输速率、发射功率 等其他资源。归纳来说，异构无线网络系统中的联合无线资源管理是一组针对多 个共存网络的控制机制的集合，能够支持智能的会话接纳控制，业务类型和传输 速率的自适应管理，以及系统功率的优化分配和控制等，从而实现无线资源的有 效利用并达到系统性能最优化的目标。 在过去的对联合无线资源管理的研究主要侧重于在提供业务时对具体网络 的选择，从而发挥单一网络的技术优势，然而，尽管也考虑了异构网络环境中其 他网络的情况，但作为联合无线资源管理基础之一的多模或可重配置技术并没有 得到充分的利用，从技术上来说，在多模技术或可重配置技术的支持下，拥有多 套天线的终端具有同时接入多个无线接入网络的能力，由此出现了一种无线资源 管理的新概念：即将单一的业务数据流进行分流，并将子数据流交由多个网络进 行传输。这样就可以充分发挥多种网络的优势，使异构网络之间相互合作为用户 提供更好的服务。这种方式又被称为联合会话调度。 本文的工作主要围绕联合会话调度这种无线资源管理方式展开，针对当前在 该领域研究中有待进一步解决的问题，如功率优化、数据分配、协议支持等方面 进行研究。本文的具体结构如下： 第2 章主要概述了异构无线通信系统的发展趋势及其资源优化方法，特别是 联合无线资源管理方面。在既有的如联合会话接纳控制、联合负载控制和垂直切 北京邮电大学硕士论文 第1 章绪言 换等方式和功能上引入联合会话调度，能够更好地协调和管理异构网络间的资源 利用。通过对该领域相关研究成果的归纳总结，以及对未来无线网络发展趋势的 分析讨论，确立本文的研究重点在于联合会话调度的机制算法和协议设计。 第3 章主要概述了联合会话调度的研究现状及其关键的技术点。本章将对联 合会话调度中需要考虑的网络集选择机制、数据分配和多网络的传输保障、以及 实现该功能所需要的协议支持进行归纳和分析，并在当前已有的研究基础上提出 问题，并在接下来的章节提出针对性的解决方法。 第4 章主要从异构无线网络运营的角度提出一种联合会话调度中实现系统 发射功率优化的网络选择机制。本机制利用线性优化理论，对联合会话调度中新 会话到达进行针对下行发射功率的优化分配，并结合h s d p a o f d m a 共存的异 构无线网络系统对本机制的性能进行了分析和验证。 第5 章主要对实现联合会话调度多网络传输所需的分流机制和协议支持进 行分析和研究。本章通过对多种分流机制的特点进行分析，并基于当前涉及多网 络多连接的协议设计研究，提出了一种基于传输层数据分流机制的分层的通用传 输层协议模型，以支持联合会话调度实施中的多网络传输。 第6 章则针对数据在多个网络连接传输中的同步问题，提出了一种基于数据 分段的自适应联合调度数据分配机制，该机制通过利用传输中的接收端反馈信 息，动态调整业务数据在各个网络中的分配比例，以实现数据的合理分割和分配， 从而到达多网间的传输同步。 第7 章对本文进行了总结，并对相关研究领域的新课题和新挑战进行了分析 和展望。 2 北京邮电大学硕士论文 第2 章异构无 本章从未来无线通信网络的异构和融合趋势出发，分析了异构网络融合的关 键技术和关键问题，并进一步对其中的资源优化关键问题进行详细描述。 2 1 未来移动通信网络的异构与融合 近二十年来，无线通信技术取得了巨大的进展，各种全新的无线通信概念和 技术层出不穷，相继出现了多种无线通信系统，如以g s m 为代表的第2 代( 2 g ) 蜂窝移动通信系统，以c d m a 技术为核心的第3 代( 3 g ) 蜂窝移动通信系统， 以数字视频广播数字音频广播( d v b d a b ) 为标志的数字广播系统，基于i e e e 8 0 2 1 1 标准的的无线局域网( w u 蝌) ，基于i e e e8 0 2 1 6 标准的无线城域网 ( w i m a x ) ，以及基于超宽带( u w b ) 技术的无线个域网等等，形成了多种体 制并存的无线通信网络。 同时，尽管取得了巨大的进展，但现存的通信系统所提供的服务仍然无法满 足用户日益增长的业务需求。针对这种情况，各国、各公司和组织已经纷纷开展 对下一代无线网络的研究，并取得了一定的成果，如3 g p p 长期演进( l t e ) 及其 后续发展( l t e a d v a n c e d ) 等。目前，下一代网络尚处于研究和实验阶段，离现 实中的商用仍需要较长的时间，尽管世界各国、各公司和组织给出了多种不同的 未来网络愿景，但普遍认为其应具有以下关键特点【2 。1 l 2 - 3 1 ： 高速数据传输：下一代网络的数据传输速率要远高于当前的网络，如在高速 移动下，数据传输速率达到1 0 0 m b p s ，在慢速移动或静止状态下，数据传输 速率达到1 g b p s 。 高度的智能化：下一代网络将是一个采用智能技术的高度自治、自适应的网 络，具有良好的重构性、自组织等。可自动管理、动态改变自己的结构以满 足系统变化和发展的要求。采用智能信号处理技术对信道条件不同的各种复 杂环境进行信号的正常收发，有很强的智能性、适应性和灵活性。 良好的兼容性：下一代网络应当具备全球漫游、开放接口等特点，并能够支 持现有通信设备( 如2 g 、3 g ) 的平稳过渡。 高速移动中的无缝切换：用户在高速移动情况中也能随时接入到系统，并可 以在不同的通信系统间进行无缝切换，进行高速率的多媒体业务。 丰富多样的业务体验：未来通信中所需的个人通信、多媒体通信、信息系统、 广播和交互式娱乐等将结合成一个整体。下一代网络能提供各种标准的通信 3 北京邮电大学硕士论文第2 章异构无线通信系统概述 业务，满足宽带和综合多种业务需求。 全i p 的核心网：下一代网络是基于i p v 6 的全i p 网络，在i p 网络上实现语 音和多媒体业务。采用i p 技术使得核心网能够支持不同的接入方式，如i e e e 8 0 2 1 1 ，2 g 3 g ，b l u e t o o t h ，w i m a x 等，同时也使得核心网可以与接入网独 立发展。 泛在的移动接入：下一代网络中利用先进的无线接入技术，提供语音、高速 信息业务、广播以及娱乐等多媒体业务接入方式，让用户可在任何时间、任 何地点接入到系统中。 为了实现这一愿景，一方面，多种无线接入技术通过采用o f d m ( 正交频分 复用) 、m i m o ( 多入多出) 、a m c ( 自适应调制编码) 等先进技术，实现高传输 速率和高频谱效率。另一方面，各种无线接入网络逐渐融合，通过融合各种现存 的和新出现的无线接入技术，实现异构技术的有效融合与协同工作，实现异构资 源的优势互补和协调管理。异构无线接入网络根据区域内特定的用户需求进行系 统优化、互相配合，为移动用户提供泛在的“始终最佳的连接 1 2 - 4 1 ，从而为用 户提供高质量服务。异构网络融合是实现下一代无线网络的一种有效方法，下一 代网络将是一个融合了多种无线接入网络的异构网络。 c q - n 一_ d r _ c 一h - o o r l 悖d - 一 _ t r z a - u b r a - n 咐- a r a r a t i 镌 e e t a t h h c h _ 声，亨 羹、 o 、o 叫jl o 吖 ： 。 。7 。；。 ： ： ； o ，- - - - - - - - 图2 1 互通和融合的异构无线n 堂$ 1 2 - 9 1 2 1 1异构网络融合研究现状 总的说来，未来无线网络的异构性主要体现在如下几个方面1 2 5 】【2 叫： 物理层技术不同：物理层技术的差异性很大程度上取决于技术本身的定 位和设计要求，具体表现在带宽、双工方式、调制与编码技术、复用机制等诸多 方面，是导致各种无线接入技术无法兼容的主要原因； 频谱资源不同：由于各种无线接入技术所占用频段各不同，并且不同频 段物理特性迥异，各个区域频谱规划方式也有显著区别； 4 萝般 北京邮电大学硕士论文第2 章异构无线通信系统概述 通信协议栈及管理控制机制不同：为了保证通信各层之间的有效交互， 需要根据所使用的无线资源以及所针对的业务特点设计合理的协议栈，相应地， 需要针对不同组网方式采用不同的网络管理机制； 呈现的业务特性不同：由于上述技术特征及管理方式的差异性，使得异 构无线网络所支持的业务特性在带宽、时延、移动性、覆盖、交互性等诸多方面 都存在着明显差异。 异构无线网络融合是移动通信系统发展的重要趋势。当前，各种异构网络独 立建设，相互之间没有融合和协作，每个网络独立为用户提供服务，使得系统资 源没有被充分利用。通过实现异构网络技术的融合，实现异构网络的有效协同工 作，能有效的实现异构网络的优势互补，从而为用户提供更优的服务，网络运营 者获得更高回报。无论从技术角度还是从用户需求的角度，异构网络的融合都是 必要的，正是基于此，世界各国、各地很多组织都积极地参与到对异构网络融合 的研究。3 g p p 于2 0 0 3 年开始“3 g p p 网络同w l a n 互联”的标准化工作，并 在3 g p p t r 2 2 9 3 4 中定义了3 g p p 网络和w l a n 互通的6 种场景。i e e e 于2 0 0 4 年成立了8 0 2 2 1 研究组，进行w p a n 、w m a n 以及w l a n 相互融合的研究工 作。i e e e 于2 0 0 6 年9 月成立了p 1 9 0 0 b 工作组，研究可重配置异构空中接口如 何实现共存支持【2 用。欧盟的a m b i e n tn e t w o r k ( a 聊项目研究不同接入网络在 q o s 、移动性、安全、多播等能力方面的融合，研究通用无线资源管理算法，以 及跨越不同的空中接口设计通用链路层。同时，欧盟在进行基于软件无线电的实 现多种异构网络融合的端到端重配置技术的研究，在与重配置研究相关的 w i n d f l e x 、m u m o r 、c a s t 、t r u s t 、a n 、e 2 r 、e 3 等二十多个项刚2 】- 2 - 1 6 1 中，研究了涉及终端体系架构、协议栈、中间件平台、重配置管理结构以及应用 层适配等各个方面。其中的e 2 r 和e 3 项目更是成为欧盟关于未来异构无线通信 系统和平台的重点发展目标【2 捌1 2 9 1 。在e 2 r 的研究中，提出了较为完整的异构网 络端到端重配置系统框架，定义了重配置所涉及的各种功能模块和流程，并探讨 了如何在端到端重配置系统中实现资源优化。而在e 3 的研究中，则将认知无线 电与认知网络技术与端到端重配置技术相结合，详细设计了以此为基础的网络通 信系统架构设计和相应的功能架构映射，并开展的演示系统的研究和开发。与此 同时，美国、日本也在异构网络融合的研究上加大力度。美国国家自然科学基金 设立了多个项目研究异构网络融合特性1 2 1 7 1 1 2 棚l 。日本的m i t f 论坛也对异构网络 融合技术进行了深入的讨论【m 9 1 。i e e ep 1 9 0 0 1 2 - 7 1 对异构融合技术如认知无线电展 开了系统的研究，内容涵盖了体系架构、频谱管理、频谱检查等方面。在对异构 网络融合的广泛研究中，还包括异构网络融合架构的设计 2 - 2 0 1 1 2 - 2 1 h 2 - 2 4 1 、资源优 化管理【2 - 2 5 2 2 6 1 等方面。 5 北京邮电大学硕士论文 第2 章异构无线通信系统概述 2 1 2 异构网络融合研究中的关键技术 2 1 2 1软件无线电技术和端到端可重配置技术 软件无线电技术是下一代异构网络融合研究中的关键技术，是实现异构网络 融合的基础。软件无线电【二2 8 1 是m i t o l a 于1 9 9 2 年明确提出来的。根据m i t o l a 的定义， 理想的软件无线电电台是一个有能力支持多重空中接口和协议的多波段无线电 台，它的所有方面都由软件在通用的处理器上定义。软件无线电是理想软件无线 电的一个折衷方案：它是在现有的技术条件下用专用集成电路、现场可编程门阵 列、数字信号处理器和通用处理器适当混合来实现的。 下一代通信系统技术需要适应不同种类的产品要求，而软件无线电技术则是 适应产品多样性的基础。它可用不同软件实现不同无线电设备的各种功能，可任 意改变信道接入方式或调制方式，利用不同软件即可适应不同标准，构成可重配 置手机和基站，具有高度的灵活性；它可以降低开发风险，且更易于开发系列产 品。此外，它还减少了硬件的需求，降低了运算器件的价格，同时其开放的结构 也允许多方运营的介入。 为了在不同的异构网络间切换，目前终端向多模化发展，但这种多模终端技 术受到终端体积、成本等因素的限制，不可能无限制的多下去。随着软件无线电 技术的成熟，终端必然是向着可重配置的方向发展( 即能根据需要重配置为所需 的工作模式) ，这样终端才能更加灵活，适应不同场景的需要。除了终端向“变” 的方向发展，基站也在向此方向发展。软件无线电基站是一种多频段、多模式、 多功能、可扩展的“软 基站或叫“智能 基站。它根据不同时间、不同环境、 不同的用户，选择最佳的工作频段，工作模式和与用户相适配的功能与用户进行 信息交换，以期极大地提高通信质量和服务质量。这种智能基站将成为未来移动 通信发展地主流是不容置疑的【2 。2 9 j 。基站、终端的可重配置化，为异构网络融合、 动态网络自主管理的研究提供了基础。 虽然软件无线电提供了设备的可重配置能力，但是对于实现异构网络间的灵 活互通和资源优化调度，并为用户提供真正意义上的业务无缝体验的需求还远远 不够。到了2 0 世纪9 0 年代末期，对软件无线电的研究内容开始出现重要的变化。 1 9 9 9 年，a c t s 计划的成功促成了欧盟第一届主题为“可重配置无线系统和网络 ( r r s n ) 的研讨会的召开。这次研讨会的意义在于，人们渐渐抛开把软件无线 电看作一种有关无线终端基带射频技术的主流思想，而开始从系统级的视角关 注软件无线电在整个网络体系架构中的端到端应用。因此，端到端的重配置技术 成为了软件无线电研究的新方向。 重配置技术是指针对无线接入环境的异构性特点，以异构资源的最优化使用 和用户对业务的最优化体验为目标，综合可编程、可配置、可抽象的硬件环境以 6 北京邮电大学硕士论文第2 章异构无线通信系统概述 及模块化的软件设计思想，使网络和终端具备支持多种接入技术，且可灵活适配 能力的技术。无线通信技术的异构性主要体现在空中接口上，重配置技术利用各 种异构技术在物理层、媒体接入层、链路控制层上功能的相似性特点，通过模块 化的、可重配置的协议栈实现了不同接入技术协议栈的构造，并通过软件代码资 源的重用性提高了设计效率。目前重配置技术的研究已不仅仅局限于终端的重配 置能力，而是扩展到对重配置系统的研究。这种可重配置系统影响了从空中接口、 网络控制实体直到业务平台的整个网络架构，不仅为网络元素提供可重配置能 力，还能提供一体化的重配置管理架构，实现联合的无线资源管理和网络规划。 以面向系统的视角展开端到端可重配置技术的研究，其起点应该是2 0 0 0 年初 欧盟信息i s t 研发计划的第一次建议征集。此后欧盟在端到端重配置方面的研究 不断涌现，先后发起了2 0 多个相关项目，研究成果为盯uw p 8 f 等标准化组织所 采用，并为推动重配置研究做了很多卓有成效的工作。欧盟因此成为端到端重配 置研究的中心。继欧盟e 2 r 、e 2 ri i 瑚j 项目之后，e 3 项目( e n d t o e n de f f i c i e n c y ) 1 2 - 9 1 于2 0 0 8 年1 月启动，继续从事重配置方面的研究，与以往项目不同的是，该项 目将重点放到了认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ) 方向。认知无线电与重配置基础 联系紧密，可以认为，重配置是实现认知无线电的关键要素。 2 1 2 2认知无线电技术和认知无线网络技术 认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 是建立在软件无线电平台上的一种内容认知 型的智能无线电，通过在无线域建模来扩展软件无线电的功能，通过无线知识描 述语言( r k r l ) 来加强个人服务的灵活性。它能通过学习实现自我重配置，动态 自适应通信环境的变化。 自1 9 9 9 年m i t o l a 博士首次提出认知无线电的概念【2 铷l 并系统地阐述了认知无 线电的基本原理以来，不同的机构和学者从不同的角度给出了认知无线电的定义 1 2 - 3 0 1 - ( 2 3 4 j ，其中比较有代表性的包括联邦通信委员会( f c c ) 和著名学者h a y k i n 教授给出的定义。根据文献1 2 铷】的定义，认知无线电技术将连续不断地认知外部 环境的各种信息( 如授权用户终端和认知无线电终端的工作频率、调制方式、接 收端的信噪比、网络的流量分布，甚至可以是认知用户的行为和说话内容等) ， 对这些信息进行分析、学习和判断，然后通过无线电知识描述语言与其它认知无 线电终端进行智能交流，以选择合适的工作频率、调制方式、发射功率、介质访 问协议和路由等，保证整个网络能够始终提供可靠的通信，并达到最佳的频谱利 用率。认知无线电最大的特点在于智能性，也是它与普通软件无线电最大的不同。 而f c c 认为：“认知无线电是能够基于对其工作环境的交互改变发射机参数的无 线电 1 2 - 3 3 1 。另外，h a v k j n 教授则从信号处理的角度出发i 冽，认为认知无线电 是可以认知外界通信环境的智能通信系统。认知无线电系统通过学习，不断地认 7 北京邮电大学硕士论文 第2 章异构无线通信系统概述 知外界的环境变化，并通过自适应地调整其自身内部的通信机理来达到对环境变 化的适应，以达到改进系统的稳定性和提高频谱资源的利用率的目的1 2 - 3 5 。 认知无线网络是认知无线电发展和研究的产物，它一种具有认知过程的网 络，它能分辨当前网络状态，然后根据这些状态进行规划、决策和响应。网络能 在这些自适应过程中学习，并可以将它们用于以后的决策。并且这一切的目标都 是为了实现端到端的性能。 认知无线网络在认知方面上与描述认知无线电的表述相似，都广泛地包含了 许多认知和学习的简易模型。而其定义更关键的是在于网络的层面和端到端的部 分。在这里，端到端指的是网络所有元素都参与了同一个数据流的传播。比如一 个单播传输中，这可能包括如下的元素：子网、路由器、交换机、虚链接、加密 方式、媒介、接口和波形等。而端到端的目标使得认知无线网络有一个全网范围 的要求，使其与只在本地或者单元素范围内自适应的方法区别开来。 认知无线网络应该将对网络性能的观察( 或者代理观察) 作为决策处理过程 的输入，然后将可作用于网络中可调元素的一系列行为作为输出。理想的情况是， 一个认知无线网络应该具有前瞻性而不仅仅是反应式的处理，它应该在问题出现 之前就尝试矫正修整。另外，认知无线网络的体系架构应该具有扩展性和灵活性， 以支持未来的改善、网络元素和目标。 目前，关于认知无线网络的研究可以分为两类： 第一类的网络中大部分的认知决策仍然是由单个的无线电来完成，但是它们 会采用一些合作的手段。这一类的工作起步于m i t o l a 在认知无线电方面的研究， 他在他最初的一些论文罩提到了认知无线电如何与系统级的认知无线网络相互 作用【2 。6 1 。n e e l 2 。7 】和h a y l 【i n 【2 - 3 4 】继续发展了这个思路。他们分别研究了认知无线 电网络的建模方法，都将网络看着一个大型的多用户博弈过程，并由此在收敛的 情况下作出决策。 另外一类采用跨多元素的集中的认知过程或者并行处理过程，这使得更加自 治化，行为空间更广泛，不止局限于m a c 层和物理层。根据c l a r k 等人对这种网 络的描述1 2 - 3 8 1 ，它可以根据高层的指示完成自我组织和重组织，并且自动发现和 解决问题，或者对无法解决的问题给出解释。在m i i h 6 n e n 的论文中1 2 - 3 9 1 ，他提出 了使用网络知识表示语言( n 】熙u 来表达和交流高层目标和策略的想法。同时， 他还提出了协作认知资源管理( c r m ) 的体系架构。这类研究大多关注于提供 解决各类难题的认知体系结构，而不拘泥于具体的网络操作问题上。 2 1 3异构网络融合研究中的关键问题 异构无线网络作为未来无线网络发展的趋势，目前仍存在许多有待解决和研 究的问题。从目前国内外在相关领域研究的关注点和现状来看，这些问题主要包 8 北京邮电大学硕士论文第2 章异构无线通信系统概述 括： 网络体系结构设计：异构无线网络强调系统的概念，为了全面的支持对 软件无线电、可重配置等技术和可重配置网元的管理，需要重新对网络架构进行 详细的考虑。这里需要研究网络功能的构成、网络管理实体的部署拓扑以及功能 与实体间的耦合关系，设计适应异构网络演进的具有前瞻性的可重配置和认知的 网络体系架构。 设备管理机制与流程：异构无线网络系统不仅指无线接入技术的协作和 融合，还包括更多、更具体的网络和设备的配置模式和功能变化；将来，支持重 配置的设备也不仅仅局限于终端，还可能包括多模多带基站。为此，需要研究 网元功能的细粒度分解和重组的规则，多种可重配置网络实体间的信息交互和协 商机制，上下文的收集和管理机制，以及相应的重配置流程等。 灵活的网络信息交互：在异构网络中，由于无线接入技术的多样性，以 及用户的移动性，使得终端选择合适的接入网络变得更为复杂。因此为满足用户 的业务需求，同时优化系统的性能和提高资源的使用效率，需要灵活的网络信息 交互机制以实现网络设备能够根据实时的网络状况进行相应配置。如利用独立于 各个网络的公共信道进行异构网络信息广播或导频等等。 网络自管理和自配置：随着对异构网络融合技术的深入研究，相关工作 不再仅局限于终端可重配置下网络优化管理的研究，而是更进一步地深入到包括 基站、终端等各种网络元素均可重配置的情况下有效地实现接入网络智能化和自 主化，即基站等网络接入设备能够根据网络环境实现自配置，并能够根据用户业 务需求、无线环境的动态变化实现自主管理，从而达到降低运营成本、优化网络 资源利用的目的。 优化的资源管理：异构无线网络技术之间的互补性