WiMAX與3G LTE網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)與融合技術(shù)研究

摘要　本文首先分析了WiMax與3GPP長期演進(jìn)項(xiàng)目（LTE）兩種無線接入技術(shù)融合的可能性，基于通用鏈路層（GLL）和協(xié)同無線資源管理（CRRM）機(jī)制的引入，提出了兩種不同的協(xié)作程度的互聯(lián)融合技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。引入GLL的目的是為不同的無線接入機(jī)制提供統(tǒng)一的鏈路層數(shù)據(jù)處理，同時帶來兩個新的研究子課題：異構(gòu)發(fā)送分集與異構(gòu)多跳技術(shù)。CRRM完成網(wǎng)絡(luò)間無線資源的協(xié)調(diào)管理，以達(dá)到最優(yōu)化無線資源利用率和最大化系統(tǒng)容量的目的，幾種關(guān)鍵的協(xié)同無線資源管理機(jī)制包括：接入選擇、負(fù)載均衡、動態(tài)頻譜控制技術(shù)在文中進(jìn)行了詳細(xì)分析及討論。

1、引言

無線接入互聯(lián)網(wǎng)和無線多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的巨大需求推動了無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，不同的無線通信技術(shù)，如蜂窩通信3G/4G，寬帶無線接入IEEE802.16/20以及短距通信WLAN、Bluetooth、UWB等為用戶提供各種不同的服務(wù)。WiMax具有傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速率高、容量大、信道寬度靈活、安全性高等特點(diǎn)，并已推出最新的支持固定、移動接入的空中接口標(biāo)準(zhǔn)——IEEE 802.16e[1]。與此同時，3GPP組織也在積極開展3G的長期演進(jìn)項(xiàng)目（LTE）的研究，該技術(shù)也采用了以O(shè)FDM為核心的關(guān)鍵技術(shù)，并計(jì)劃在2007年推出正式標(biāo)準(zhǔn)。針對WiMax“低移動性寬帶IP接入”的定位，LTE提出了相對應(yīng)的需求，如相似的帶寬、數(shù)據(jù)率和頻譜效率指標(biāo)，對低移動性進(jìn)行優(yōu)化，只支持PS域，強(qiáng)調(diào)廣播/多播業(yè)務(wù)等。

由于用戶對信息通信和帶寬的需求不平衡且呈多樣化的特點(diǎn)，使得各種無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都有其生存和發(fā)展的空間，WiMax和LTE兩種無線技術(shù)的融合具有潛在的優(yōu)勢及可能性：

●從運(yùn)營的角度看，WiMax的目標(biāo)是要提供一種城域網(wǎng)區(qū)域點(diǎn)對多點(diǎn)的寬帶無線接入手段，3G及LTE是定位于無線廣域網(wǎng)范疇。WiMax可以作為3G及LTE網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充，在高速無線寬帶接入領(lǐng)域發(fā)揮作用。

●從技術(shù)的角度看。兩者物理層都采用了相似的先進(jìn)技術(shù)，如OFDM、MIMO、自適應(yīng)鏈路層技術(shù)以及分等級的多種QoS保證機(jī)制。兩者都設(shè)計(jì)為基于全I(xiàn)P核心網(wǎng)的蜂窩式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在無線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）的結(jié)構(gòu)方面都弱化基站控制器設(shè)備實(shí)體，采用公共無線資源管理控制基站等概念，這些都為網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)及融合機(jī)制的研究及設(shè)計(jì)提供了良好的條件，如負(fù)載均衡、動態(tài)頻譜分配、系統(tǒng)間無損切換等。

異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合要獲得多無線接入網(wǎng)絡(luò)增益，必須要求不同的接入技術(shù)在設(shè)計(jì)及應(yīng)用中能緊密地協(xié)作，具體技術(shù)包括：協(xié)作網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)；支持快速無縫漫游的MAC及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層設(shè)計(jì)；協(xié)同無線資源管理算法研究；網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)及組織理論；動態(tài)可重配置終端的設(shè)計(jì)。

2、WiMax與LTE網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)架構(gòu)

一般來說，在研究WiMax和B3G/4G互聯(lián)結(jié)構(gòu)時，需要考慮如下問題：

●提供網(wǎng)絡(luò)間相互協(xié)作的同時，要折中考慮網(wǎng)絡(luò)之間的公平性。

●建立一種能提供費(fèi)用低廉、頻譜效率高的架構(gòu)方案，為移動用戶提供種類多樣的服務(wù)。

●合理定義結(jié)構(gòu)實(shí)體，使WiMax和B3G/4G之間以一種性能耗費(fèi)比更優(yōu)的方式通信。

●定義總的容量、指標(biāo)和每個網(wǎng)間架構(gòu)實(shí)體的功能。

●互聯(lián)架構(gòu)應(yīng)當(dāng)是靈活的，能夠在不引入太多新節(jié)點(diǎn)和接口的條件下支持其他新型網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作。

目前，3GPP在LTE項(xiàng)目的研究中也提出了網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)架構(gòu)和接入網(wǎng)的一些新的演化方向。在R4、R5版本中引入基于IP的骨干網(wǎng)后，3GPP TSG RAN工作組又針對UTRAN架構(gòu)演進(jìn)，主要對如何提高無線性能和傳輸層的協(xié)議機(jī)制進(jìn)行了研究[2，3]，并且此工作將在R7中繼續(xù)。在參考文獻(xiàn)[2]幾種增強(qiáng)的UTRAN架構(gòu)提議中，都體現(xiàn)了控制層面和用戶層面分離、UTRAN節(jié)點(diǎn)功能重定義、小區(qū)/多小區(qū)/用戶相關(guān)功能的功能實(shí)體分離等。此外，將原先RNC中的部分功能轉(zhuǎn)移到Node B中形成增強(qiáng)Node B（iNode B），這些功能包括：小區(qū)無線資源管理、軟切換管理、無線和用戶數(shù)據(jù)處理等。

本文基于對WiMax及LTE不同組網(wǎng)技術(shù)研究，提出了兩種WiMax和B3G/4G系統(tǒng)異構(gòu)互聯(lián)的架構(gòu)，分別針對不同協(xié)作層次。值得指出的是，這里互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的提出主要參考了Ambient Network項(xiàng)目中關(guān)于“多空中接口接入”的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[4]，并適當(dāng)加入必要的節(jié)點(diǎn)和接口。因此，同樣兩個重要的概念及功能體被引入來完成網(wǎng)絡(luò)間協(xié)作：通用鏈路層（GLL）、multi-radio資源管理。在此互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，WiMax與LTE接入網(wǎng)互為補(bǔ)充進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋，GLL被引入數(shù)據(jù)承載節(jié)點(diǎn)，如多模終端，承載網(wǎng)關(guān)等，以在原有鏈路層機(jī)制上增加協(xié)作功能，如分組隊(duì)列、高層數(shù)據(jù)頭壓縮、分割和重傳功能等。同時，協(xié)調(diào)無線資源管理功能體被引入原有的無線資源控制層（LTE）及MAC（WiMax）中，以保證網(wǎng)絡(luò)協(xié)作后整體的無線資源能更有效地利用。

下面對于兩種架構(gòu)中出現(xiàn)的一些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作一些說明：

●協(xié)同無線控制服務(wù)器（MRCS）：控制了包括承載網(wǎng)關(guān)在內(nèi)的整個異構(gòu)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，決定網(wǎng)間切換，實(shí)現(xiàn)多無線通信系統(tǒng)間的協(xié)同無線資源管理，從而提供優(yōu)質(zhì)高效的無縫覆蓋。

●異構(gòu)中繼節(jié)點(diǎn)（RN）：可以實(shí)現(xiàn)覆蓋的拓展，支持移動臺接入到其他系統(tǒng)。

●基站（BS）：WiMax的BS或者B3G的Node B。

●無線控制服務(wù)器（RCS）：根據(jù)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)自身特點(diǎn)實(shí)施控制，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)間切換，無線資源管理（RRM）等功能，且在前一種異構(gòu)互聯(lián)架構(gòu)中為MRCS提供一些有用的網(wǎng)絡(luò)信息。

●用戶終端（UT）：可以連接RN中多個BS/Node B，也可以相互間通信。GLL功能保證接入多個無線系統(tǒng)，并由RCS協(xié)調(diào)控制。

●承載網(wǎng)關(guān)（BG）：因?yàn)橐�處理來自不同網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包，它要包含GLL功能實(shí)體，同時將提供到IP核心網(wǎng)的統(tǒng)一接口。

●統(tǒng)一接入點(diǎn)（RAT AP）：具有GLL功能，同時支持WiMax和B3G/4G網(wǎng)絡(luò)的通信，即至少具有雙模功能。

●接入路由器（AR）：主要功能是給接入網(wǎng)的各終端分配IP地址、它可以不具有GLL功能，因?yàn)樗�有RAT-AP能夠提供具有統(tǒng)一格式的IP數(shù)據(jù)包。

本文提出的兩種互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。圖1是基于松協(xié)作模式下場景。WiMax與LTE網(wǎng)絡(luò)分別進(jìn)行覆蓋，其中WiMax針對熱點(diǎn)地區(qū)，而LTE針對全網(wǎng)無縫服務(wù)。以上行為例，數(shù)據(jù)傳送分別經(jīng)過終端、基站、承載網(wǎng)關(guān)，承載網(wǎng)關(guān)通過引入GLL將來自不同網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并以統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)提供給骨干網(wǎng)。無線控制服務(wù)及協(xié)同無線控制服務(wù)節(jié)點(diǎn)被引入控制層面，前者來完成相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立無線資源管理，而后者在協(xié)同前者的基礎(chǔ)上完成網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)同資源管理。因此，這種互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也可看作基于RCS的集中式架構(gòu)。

圖2是基于緊協(xié)作模式下的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在這種場景中，兩個網(wǎng)絡(luò)的基站在物理上進(jìn)行合并為一個通用的基站節(jié)點(diǎn)，支持WiMax與LTE兩種空中接口的用戶接入。GLL直接引入在這樣的通用基站節(jié)點(diǎn)中，完成網(wǎng)絡(luò)的鏈路層協(xié)作功能�；�于此，另一個新增的通信功能實(shí)體BG作為獨(dú)立于接入技術(shù)的核心網(wǎng)接入路由器而存在；無線控制服務(wù)節(jié)點(diǎn)在此協(xié)作模式下，包含協(xié)同無線資源管理的功能，因此不再需要獨(dú)立的協(xié)同無線控制服務(wù)節(jié)點(diǎn)。

圖1　基于RCS的集中式架構(gòu)

圖2　基于無線接入點(diǎn)（RAP）的集中式架構(gòu)

比較這兩種互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)機(jī)構(gòu)可知，基于RCS的集中式架構(gòu)是在對原有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼皡f(xié)議修改不大的基礎(chǔ)上完成的，但在控制層面用于協(xié)作的控制信息比較復(fù)雜，而由于基站獨(dú)立設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)間的切換較難在鏈路層實(shí)現(xiàn)�；�于RAP的集中式架構(gòu)則代表未來發(fā)展的一種網(wǎng)絡(luò)融合觀點(diǎn)，簡化了協(xié)作控制信息，使網(wǎng)絡(luò)間協(xié)作在更低協(xié)議層完成，因而效率更高，但缺點(diǎn)是對目前的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)所做修改較大。

3、通用鏈路層技術(shù)

GLL可被看作在原有協(xié)議層上增加的一個新的通信層，用來為不同的無線接入機(jī)制提供統(tǒng)一的鏈路層數(shù)據(jù)處理功能。引入GLL主要是為用戶提供更好的服務(wù)質(zhì)量，并為在網(wǎng)絡(luò)間提高資源的有效利用。GLL的設(shè)計(jì)可與MAC層進(jìn)行不同程度的耦合，一般來說，耦合程度越高，系統(tǒng)互聯(lián)的復(fù)雜度越高，但能帶來更高的多接入增益，GLL的功能主要包括：

●作為不同接入技術(shù)的匯聚層，為上面的各種高層協(xié)議（如網(wǎng)絡(luò)層）提供統(tǒng)一的接口，達(dá)到屏蔽不同無線接入技術(shù)差異的目的。

●對不同接入技術(shù)的RLC（無線鏈路控制）/MAC功能進(jìn)行控制及補(bǔ)充，達(dá)到資源的有效利用以及最大化應(yīng)用層性能。

●保持網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層的模塊化結(jié)構(gòu)，以支持不同的接入技術(shù)的融合。

●提供對用戶數(shù)據(jù)包在不同網(wǎng)絡(luò)間調(diào)度，以利于網(wǎng)絡(luò)分集增益。

●提供鏈路層狀態(tài)信息給上層，以支持有效的接入網(wǎng)絡(luò)間的移動性管理。

圖3給出采用GLL后的WiMax與LTE網(wǎng)絡(luò)融合參考協(xié)議架構(gòu)。其中：PDCP表示分組匯聚協(xié)議；BMC表示廣播、多播控制協(xié)議；CS表示匯聚子層；CPS表示通用部分子層；SS表示加密子層。該協(xié)議架構(gòu)是基于一種緊耦合的方式，GLL放在原有協(xié)議的層2之上，但在層3之下。按照LTE提出的控制與數(shù)據(jù)層面分離的演進(jìn)思路，GLL分別定義了控制平面（GLL-C）和用戶平面（GLL-U）。在用戶平面，基于不同網(wǎng)絡(luò)的不同格式MAC數(shù)據(jù)通過GLL-U層處理，提供給上層一個統(tǒng)一格式定義的數(shù)據(jù)流。在控制層面，GLL-C將各網(wǎng)絡(luò)的下層反饋信息收集，并傳遞到協(xié)同資源管理單元，以進(jìn)行動態(tài)的資源管理。

圖3　基于GLL的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)

GLL的引入帶來兩個重要的關(guān)鍵技術(shù)：異構(gòu)發(fā)送分集和異構(gòu)多跳技術(shù)。前者指的是業(yè)務(wù)流將通過多個接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行串行或并行的傳輸，以獲得多無線接入增益；后者則指多跳無線連接可以采用不同的無線接入技術(shù)。

3.1　異構(gòu)發(fā)送/接收分集

異構(gòu)發(fā)送/接收分集主要思想是在異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，將兩個通信實(shí)體間的數(shù)據(jù)包（IP或MAC PDU）分配在基于不同的無線接入技術(shù)的鏈路上。由于采用不同的接入技術(shù)以及收發(fā)端間經(jīng)歷不同的信道衰落，在發(fā)送端可以選擇一個或多個接入鏈路進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)，而在接收端進(jìn)行多鏈路的合并則可以獲取空間分集及多接入（異構(gòu)）分集增益，提高數(shù)據(jù)收發(fā)的可靠性，同時也提高了整個系統(tǒng)的資源利用率。圖4是基于GLL的異構(gòu)發(fā)送/接收分集在下行鏈路的實(shí)現(xiàn)，上層的多用戶分組數(shù)據(jù)IP包發(fā)送到GLL，GLL的多接入分組調(diào)度器會在綜合考慮信道質(zhì)量、可用資源反饋以及錯誤重傳狀態(tài)等信息后，動態(tài)選擇用戶和申請接入的傳輸鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)包發(fā)送。其中3個重要的組成模塊分別為：（1）接入選擇及分組調(diào)度器，功能是選擇不同用戶的數(shù)據(jù)在不同的接入鏈路上進(jìn)行發(fā)送；（2）網(wǎng)絡(luò)資源及承載狀態(tài)信息反饋，目的是提供必要的信息給接入選擇及分組調(diào)度器以進(jìn)行有效調(diào)度；（3）錯誤控制及反饋機(jī)制，功能是利用多無線接入特性進(jìn)行必要的重傳，以提高無線傳輸?shù)逆溌焚|(zhì)量。

圖4　異構(gòu)發(fā)送分集模型

在參考文獻(xiàn)[5]中，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)間融合GLL與原有協(xié)議層的耦合程度，異構(gòu)發(fā)送分集可分為：基于IP層的異構(gòu)發(fā)送分集和基于MAC層的異構(gòu)發(fā)送分集。前者接入選擇和分組調(diào)度基于IP包，而后者則基于MAC PDU（用戶數(shù)據(jù)單元）。從另外一個角度，根據(jù)選擇一個還是多個接入鏈路發(fā)送同一用戶數(shù)據(jù)，則可將異構(gòu)發(fā)送分集分為選擇式異構(gòu)發(fā)送分集和并行異構(gòu)發(fā)送分集。

在選擇式異構(gòu)發(fā)送分集應(yīng)用中，用戶數(shù)據(jù)包根據(jù)一定策略選擇適合的接入鏈路進(jìn)行發(fā)送，以獲取空間及多接入分集增益。其主要功能可以分為：用戶調(diào)度和接入鏈路分配。用戶調(diào)度指在某個調(diào)度周期，在所有等待數(shù)據(jù)發(fā)送的用戶中選擇部分用戶進(jìn)行發(fā)送，目的是來滿足用戶的需求同時提高網(wǎng)絡(luò)整體吞吐性能。當(dāng)選擇某些用戶在此調(diào)度周期進(jìn)行發(fā)送時，接入鏈路分配則完成分配特定鏈路來傳送指定用戶的數(shù)據(jù)包。在實(shí)際系統(tǒng)中可以有多種資源分配及調(diào)度算法，但這些算法應(yīng)考慮如下參數(shù)的影響：用戶QoS、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀態(tài)、信道狀態(tài)等。

并行異構(gòu)發(fā)送分集是利用多個可用接入鏈路并行發(fā)送相同的數(shù)據(jù)包，在接收端這些數(shù)據(jù)包被分別接收并解出。它主要用來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃�，最簡單的�?shí)現(xiàn)方式是在多個接入鏈路上發(fā)送相同的數(shù)據(jù)包，在接收端分別收到這些數(shù)據(jù)包后，選擇最佳鏈路的數(shù)據(jù)包作為接收結(jié)果并發(fā)送到上層。但更佳的處理方法是，在分組數(shù)據(jù)包發(fā)送前對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的編碼，接收端對所有的接收結(jié)果進(jìn)行合并解碼處理，這樣可以獲得多接入分集增益及編碼增益，從而共同提供傳輸?shù)目煽啃浴?

3.2　異構(gòu)多跳技術(shù)

近幾年無線多跳技術(shù)成為移動通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，對系統(tǒng)性能的改進(jìn)以及潛在的經(jīng)濟(jì)效益使得該項(xiàng)技術(shù)在通信領(lǐng)域中的地位不斷提升。傳統(tǒng)意義上的多跳一般是在系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)或小區(qū)邊緣加入一定數(shù)量的中繼節(jié)點(diǎn)，用戶終端以多跳的形式通過中繼節(jié)點(diǎn)接入到AP點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)覆蓋范圍的擴(kuò)大和數(shù)據(jù)傳輸速率的提高，此種情況下，多條傳輸采用的是同種接入技術(shù)，即被稱為同構(gòu)多跳技術(shù)。但是，在網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和融合中，多跳技術(shù)的使用目的不僅僅局限于解決覆蓋和傳輸速率，更重要的是通過合理地配置中繼節(jié)點(diǎn)，使用戶無縫地接入到各種網(wǎng)絡(luò)，享受網(wǎng)絡(luò)融合所帶來的優(yōu)勢。由于中繼節(jié)點(diǎn)在與接入點(diǎn)之間的鏈路所采用的無線接入技術(shù)不同于與用戶之間所采用的技術(shù)，因此中繼節(jié)點(diǎn)被賦予了新的意義和功能，它的配置更著重于完成不同無線接入技術(shù)的轉(zhuǎn)化，使采用與接入點(diǎn)不同的無線接入技術(shù)的用戶能夠使用不同網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)，這種中繼節(jié)點(diǎn)也被稱為異構(gòu)中繼節(jié)點(diǎn)。異構(gòu)多跳技術(shù)的主要應(yīng)用場景如圖5所示。

圖5　異構(gòu)多跳技術(shù)應(yīng)用場景

目前，對于異構(gòu)多跳技術(shù)的研究主要是基于異構(gòu)中繼節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行，大致包括以下方面：

（1）不同接入技術(shù)間的轉(zhuǎn)化

由于中繼節(jié)點(diǎn)必須同時工作于不同的無線接入技術(shù)底層并采用完全不同的技術(shù)，無法通過將幀結(jié)構(gòu)劃分為上下行來實(shí)現(xiàn)中繼節(jié)點(diǎn)的上下行轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。而GLL的增加屏蔽了底層技術(shù)的差異，所有經(jīng)過中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包在此經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換、參數(shù)映射、分割和重組之后，按照客戶的不同要求，采用另一種接入技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，從而完成網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)和融合。

（2）異構(gòu)多跳網(wǎng)絡(luò)的路由機(jī)制

在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，對于每個用戶存在多個可見的中繼節(jié)點(diǎn)，選擇不同的中繼節(jié)點(diǎn)和相應(yīng)的協(xié)作節(jié)點(diǎn)，所達(dá)到的性能不同、對用戶而言，希望選擇能為其提供最優(yōu)服務(wù)的中繼節(jié)點(diǎn)，但對整個系統(tǒng)而言，用戶的選擇并不一定是最好的選擇，如何選擇相應(yīng)的中繼節(jié)點(diǎn)和協(xié)作節(jié)點(diǎn)，使用戶和系統(tǒng)的性能部能夠得到最大化的滿足，將是一個不可避免的問題。

（3）異構(gòu)多跳網(wǎng)絡(luò)中QoS保障機(jī)制研究

由于中繼節(jié)點(diǎn)的加入，來自同一用戶的數(shù)據(jù)可能會通過不同節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，端到端的時延等QoS性能無法預(yù)知。此外，由于使用不同的接入技術(shù)，對QoS參數(shù)的定義和保障手段存在差別。采用何種保障機(jī)制來消除中繼節(jié)點(diǎn)加入以及多種接入技術(shù)共存帶來的對用戶端到端QoS的影響，是不得不面對的問題。

隨著研究的深入，新的研究熱點(diǎn)將會被發(fā)掘，如異構(gòu)多跳網(wǎng)絡(luò)的資源調(diào)度，異構(gòu)節(jié)點(diǎn)部署等，將會推動異構(gòu)多跳技術(shù)的不斷發(fā)展。

4、協(xié)同無線資源管理

CRRM主要完成網(wǎng)絡(luò)間無線資源的協(xié)調(diào)管理。它的功能目標(biāo)是擴(kuò)展容量和業(yè)務(wù)覆蓋范圍，最優(yōu)化無線資源的利用率和最大化系統(tǒng)容量，能夠支持智能的聯(lián)合會話、接入控制以及不同無線接入技術(shù)間的切換和同步，從而完成異構(gòu)系統(tǒng)中的無線資源分配。協(xié)同無線資源管理有兩種實(shí)現(xiàn)方式：集中式或分布式。集中式的協(xié)同無線資源管理能對資源進(jìn)行統(tǒng)一的管理，這種模式很容易達(dá)到全局資源最優(yōu)使用和最大化系統(tǒng)收益的目標(biāo)，但這種方式的靈活性較差�；�于分布式控制的協(xié)同無線資源管理可以很好地解決覆蓋范圍可擴(kuò)展等問題，使得布網(wǎng)非常便捷簡單，但缺點(diǎn)是很難達(dá)到資源的最優(yōu)使用。為進(jìn)行有效的資源管理，需考慮的參數(shù)有：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)�、網(wǎng)絡(luò)容量、鏈路條件、業(yè)務(wù)QoS、用戶要求、運(yùn)營策略等。

CRRM的主要作用集中在系統(tǒng)層、會話層以及數(shù)據(jù)流層。在系統(tǒng)層，協(xié)同無線資源管理主要表現(xiàn)在多個無線接入資源之間進(jìn)行控制（如頻譜、負(fù)載和擁塞等）。在會話層，協(xié)同無線資源管理模塊用于在相關(guān)的數(shù)據(jù)流之間進(jìn)行匹配，它的功能是由一些通信事件（如會話到達(dá)或用戶移動等）觸發(fā)的。在數(shù)據(jù)流層，協(xié)同無線資源管理的功能主要是為了建立或維持無線接入，需要注意的是協(xié)同無線資源管理可能會造成持續(xù)并行的多跳路由。它的一些關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)，如無線接入的選擇、負(fù)載均衡以及動態(tài)頻譜分配，使得在多個可用無線網(wǎng)絡(luò)之間能夠以一種協(xié)調(diào)的方式自適應(yīng)分配資源。

4.1　接入選擇

在WiMax和LTE互聯(lián)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中，用戶的接入將有更多的選擇，享受更優(yōu)的服務(wù)，但是對于一個多模終端用戶來說，在處于兩個網(wǎng)絡(luò)同時可以接入的條件下，在綜合考慮各種因素的條件下（如用戶業(yè)務(wù)要求、網(wǎng)絡(luò)資源的有效利用等），如何自動選擇一個更適合的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。是協(xié)同無線資源管理中一項(xiàng)重要的研究內(nèi)容。

在網(wǎng)絡(luò)選擇方案的發(fā)展過程中主要提出以下幾種網(wǎng)絡(luò)選擇方法。在同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換中，一般只考慮無線信號強(qiáng)度的閾值和滯后值，并且基于模糊邏輯算法進(jìn)行選擇。然而，隨著多種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境以及通用的接入，傳統(tǒng)方法已經(jīng)不足以做出切換和選擇，因?yàn)樗鼪]有充分考慮當(dāng)前的背景環(huán)境和用戶的參數(shù)選擇。于是，更多的決定因素加入考慮，也就產(chǎn)生并發(fā)展了一種二維的cost function的選擇方法。其中一維條件反映了用戶所要求的業(yè)務(wù)類型，而在另一維中，則代表著對應(yīng)具體參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)開銷。

而集中式異構(gòu)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架下，網(wǎng)絡(luò)選擇算法應(yīng)以最大化異構(gòu)系統(tǒng)資源利用率為目標(biāo)，同時考慮所有用戶的接入方式。其中存在多種因素影響異構(gòu)系統(tǒng)的資源利用率，算法需要考慮這些因素的以下特點(diǎn)：種類多（包括信號強(qiáng)度、覆蓋范圍、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、業(yè)務(wù)帶寬等）；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中無線資源具有差異性，不同無線接入網(wǎng)絡(luò)中影響資源分配的因素不易統(tǒng)一量化表示，難以進(jìn)行比較。因此需要用數(shù)學(xué)方法及模型進(jìn)行定量分析，基于多種因素進(jìn)行分配決策的過程可以看作是針對難以定量分析、較為模糊的問題作出決策的處理過程，可以參考層次分析法（analytic hierarchy process）[6]對接入選擇算法進(jìn)行建模、分析和設(shè)計(jì)。

4.2　負(fù)載均衡

在協(xié)同無線資源管理中，負(fù)載均衡是其中一項(xiàng)重要的內(nèi)容。所謂負(fù)載均衡是指兩個網(wǎng)絡(luò)或者兩個系統(tǒng)中負(fù)載較重的一方將部分負(fù)載轉(zhuǎn)移到另一方中去，達(dá)到一種負(fù)載均勻分布的狀態(tài)。負(fù)載均衡可以提高整體網(wǎng)絡(luò)無線資源的利用率、擴(kuò)大系統(tǒng)容量、為用戶提供多樣化的服務(wù)及更好的服務(wù)質(zhì)量。在研究WiMax與3G LTE兩個系統(tǒng)相互融合時必然要考慮到系統(tǒng)間的負(fù)載均衡。

負(fù)載均衡有兩種方法：信道借用和負(fù)載轉(zhuǎn)移。信道借用主要用于有著固定信道分配的蜂窩系統(tǒng)中，重載小區(qū)只能向輕載小區(qū)借用信道，而輕載小區(qū)只能向重載小區(qū)借出信道�；�于負(fù)載轉(zhuǎn)移的負(fù)載均衡是超載的小區(qū)迫使一部分終端切換到鄰近小區(qū)中，以實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)內(nèi)負(fù)載的均勻分布。負(fù)載均衡機(jī)制可以分為集中式和分散式。在集中式的負(fù)載均衡系統(tǒng)內(nèi)，全部網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)的負(fù)載信息被集中于一個中央節(jié)點(diǎn)。其余節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將負(fù)載信息傳遞到中央節(jié)點(diǎn)，所有的負(fù)載均衡方案都是由中央節(jié)點(diǎn)根據(jù)收集的信息制定的。集中式負(fù)載均衡方案的主要缺點(diǎn)是相對較小的可靠性，中央節(jié)點(diǎn)的癱瘓將導(dǎo)致負(fù)載均衡策略無法執(zhí)行。在分散式負(fù)載均衡方案中，每一個節(jié)點(diǎn)都有能力執(zhí)行負(fù)載均衡的算法，但是，由于節(jié)點(diǎn)間需要交換大量的負(fù)載信息，這便要花費(fèi)更多的開銷。

參考文獻(xiàn)[7]中給出了一種實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡簡單、可行的思路：首先定性規(guī)定各小區(qū)（或網(wǎng)絡(luò)）的負(fù)載大小，負(fù)載由4個參數(shù)確定：load force表示某一個目標(biāo)小區(qū)在完成一次切換后的剩余可用容量；QoS force表示源小區(qū)與某一目標(biāo)小區(qū)間的QoS差值，包括差錯率與吞吐量等；migration attenuation force表示上一次系統(tǒng)間切換到現(xiàn)在所經(jīng)歷的時間，用以避免系統(tǒng)間切換過于頻繁和乒乓效應(yīng)；handover cost force表示系統(tǒng)間切換所花費(fèi)的信令開銷。將這4個參數(shù)分別乘以某個權(quán)值后相加便得到這一目標(biāo)小區(qū)的負(fù)載值，CRRM將會把負(fù)載小于特定門限值的目標(biāo)小區(qū)添加到一個列表中，并且隨時更新此列表，當(dāng)某小區(qū)的負(fù)載超出門限值時，此小區(qū)內(nèi)用戶呼叫建立或小區(qū)（或系統(tǒng)）間的切換便由CRRM調(diào)度到列表中負(fù)載最小的目標(biāo)小區(qū)中。

在WiMax與3G LTE中，服務(wù)種類多種多樣，速率及QoS要求不盡相同，僅僅沿用參考文獻(xiàn)[7]中所提出的方案是不可行的，可以采用不同參數(shù)計(jì)算總負(fù)載值的方法。

如圖6所示，對各個小區(qū)進(jìn)行周期性負(fù)載確定，可以借鑒參考文獻(xiàn)[7]中Gross Load的計(jì)算方法，且要考慮到用戶的不同速率，若某小區(qū)超載，系統(tǒng)給出其中用戶（包括已經(jīng)接入的和新的用戶）與其可接入網(wǎng)絡(luò)間的F值（F值的定義包括負(fù)載大小、信噪比、QoS參數(shù)等），將這些F值從大到小排列成一個表，按照順序逐個選擇用戶和對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，直到網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載低于特定的門限值。重復(fù)執(zhí)行這些操作，可以使兩個網(wǎng)絡(luò)或小區(qū)間的負(fù)載趨于一種平衡狀態(tài)。

圖6　負(fù)載均衡算法流程

4.3　動態(tài)頻譜分配

無線通信發(fā)展中面臨的最大一個瓶頸就是頻譜資源的缺乏。實(shí)際上，幾乎所有的無線通信網(wǎng)絡(luò)都面臨負(fù)載的時間變化和區(qū)域性變化特性，也就是說，由于業(yè)務(wù)模式不同，帶寬需求的峰值出現(xiàn)在不同時刻或地區(qū)，如果采用固定的頻譜分配方法，為滿足峰值時間或地區(qū)通信質(zhì)量的需求，傳統(tǒng)的方法就是預(yù)留相應(yīng)滿足峰值流量的頻譜，而這部分分配出去的頻譜在大多數(shù)業(yè)務(wù)需求少的時間段或地區(qū)將處于空閑，造成閑時頻譜的嚴(yán)重浪費(fèi)。

但是，在存在網(wǎng)絡(luò)相互協(xié)作的基礎(chǔ)上，動態(tài)頻譜分配方案（dynamic spectrum allocation，DSA）[8]應(yīng)用將解決這個問題。對于兩個相互協(xié)作的網(wǎng)絡(luò)，可隨時隨地將業(yè)務(wù)較少網(wǎng)絡(luò)的剩余頻譜分配到業(yè)務(wù)稠密的網(wǎng)絡(luò)中，可以有效地減少固定分配帶來的閑時頻譜浪費(fèi)，更好地利用有限的頻譜資源。一般來說，動態(tài)頻譜分配可以分為基于時間和基于空間的動態(tài)分配方案，采用動態(tài)頻譜分配后，將會產(chǎn)生較大的頻譜增益。另外，WiMax與LTE屬于OFDM多載波系統(tǒng)，基于子載波的網(wǎng)絡(luò)間動態(tài)分配值得進(jìn)一步深入研究。

參考文獻(xiàn)

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8　Dynamic spectrum allocation algorithm including results of dsa performance simulations，http：//www.ist-drive.org