馮志勇　孫美玉　張奇勛

摘要：端到端重配置技術旨在解決異構(gòu)無線網(wǎng)絡融合和無線資源的最優(yōu)化利用，隨著重配置技術研究的發(fā)展和認知理論研究的不斷深入，使得未來具有認知能力的重配置無線網(wǎng)絡的實現(xiàn)成為可能。目前，對端到端重配置技術的研究包括重配置無線網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)向重配置無線網(wǎng)絡的演進過程中的關鍵技術。

關鍵詞：端到端重配置；體系結(jié)構(gòu)；認知理論

Abstract: The End-to-End Reconfigurability (E2R) technology aims at realizing the convergence of the heterogeneous radio networks and the optimal utilization of the radio resources. With the continuous development of E2R technology and cognitive theory, the evolution from existing radio networks to future reconfigurable radio networks with the cognitive ability becomes possible. Nowadays the research aspects of E2R include the system architecture of reconfigurable radio networks and some key technologies for their evolution.

Key words: end-to-end reconfigurability; system architecture; cognitive theory

無線通信技術的蓬勃發(fā)展所帶來的網(wǎng)絡異構(gòu)化的趨勢，在豐富了網(wǎng)絡業(yè)務的多樣性的同時，也給網(wǎng)絡管理和技術演進帶來了不少問題。為了滿足用戶全球漫游的要求并充分利用網(wǎng)絡資源，異構(gòu)技術間的互通和融合需求日漸強烈，從而促進了端到端重配置技術研究的發(fā)展。

隨著重配置理論研究的發(fā)展，以及重配置理論和認知理論越來越緊密的結(jié)合，實現(xiàn)現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡環(huán)境到未來的有認知能力的重配置異構(gòu)無線網(wǎng)絡的漸進演化，將是異構(gòu)無線網(wǎng)絡研究領域的重要研究內(nèi)容。

1 重配置技術概述

端到端重配置技術起源于軟件無線電(SDR)技術，利用終端和基站等可重配置實體為基礎定義網(wǎng)絡架構(gòu), 結(jié)合先進的資源管理機制和靈活的空中接口實現(xiàn)技術，實現(xiàn)了對異構(gòu)環(huán)境的靈活適應和對異構(gòu)無線資源的有效利用[1]。

重配置技術是一種實現(xiàn)異構(gòu)無線網(wǎng)絡融合的新興的技術，主要的特點是實現(xiàn)通信系統(tǒng)端到端的重配置。端到端重配置是指通信實體間完成所有通信的節(jié)點的適用性，包括設備(終端、基站、接入點、網(wǎng)關)的配置及重配置和對開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)各層所產(chǎn)生的潛在影響。端到端重配置工程提出了一系列概念及相應的解決方案來實現(xiàn)B3G異構(gòu)網(wǎng)絡環(huán)境下的端到端的組織、連接與控制，研究的主要目標如下：

●端到端用戶及運營商的無縫體驗

●增強復雜網(wǎng)絡體系架構(gòu)的適應性

●減少大型系統(tǒng)演化及調(diào)度維護的開銷成本

●實現(xiàn)新型業(yè)務的快速引入

1.1 重配置技術的研究

對于重配置技術的研究，國際上已經(jīng)取得了初步成果，歐盟發(fā)起的信息社會技術(IST)計劃中，與認知無線網(wǎng)絡研究相關的項目就包括CAST、TRUST、SCOUT、AN、E2R等20多個，其中E2R項目[2-3]研究最為成熟。E2R項目提出了一套較為完整的重配置無線網(wǎng)絡系統(tǒng)框架，定義了所涉及的一些必要功能模塊和流程，還研究了重配置功能對系統(tǒng)動態(tài)網(wǎng)絡規(guī)劃管理、靈活的頻譜管理以及聯(lián)合無線資源管理等各方面所帶來的影響，對整個世界在此方向上的研究起到了積極的推動作用。E2R的主要成就包括以下幾個方面：

●提出了端到端重配置體系架構(gòu)，包括與現(xiàn)存標準的映射；

●提出了經(jīng)過改進的自認知重配置管理平面；

●建立了能實現(xiàn)最優(yōu)化頻譜和無線資源的功能體系架構(gòu)；

●提出了動態(tài)網(wǎng)絡規(guī)劃及管理(DNPM)；

●提出了高級頻譜管理(ASM)；

●提出了獨立可操作的聯(lián)合無線資源管理(JRRM)技術；

●提出了感知導頻信道(CPC)。

此外，一些國際研究機構(gòu)和標準化組織也在積極參與和推廣端到端重配置方面的研究。2006年9月，IEEE成立了P1900.B工作組，專門研究可重配置異構(gòu)空中接口之間的共存支持問題。P1900.B工作組的主要工作是通過定義系統(tǒng)的總體功能架構(gòu)，并在網(wǎng)絡、無線接口、用戶終端分別引入相應的重配置管理模塊，來保證現(xiàn)存以及未來可能出現(xiàn)的異構(gòu)無線網(wǎng)絡的共存、加速異構(gòu)無線系統(tǒng)的部署、提高資源利用效率。基于認知的端到端重配置的標準化工作也相繼在ETSI和3GPP中展開。

1.2 重配置網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)

重配置網(wǎng)絡要求所有實體均具備自適應、自配置能力，因此也對整個異構(gòu)網(wǎng)絡的體系架構(gòu)提出了巨大的挑戰(zhàn)。E2R的一個最主要的成就就是提出了未來重配置無線網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)。

E2R將自主通信作為下一代移動通信系統(tǒng)的范例，目前正致力于將自適應重配置管理平面[4]規(guī)劃成一個統(tǒng)一的控制和管理系統(tǒng)框架來調(diào)整引入到實體間的端到端的交互，從而實現(xiàn)動態(tài)模式下支持重配置功能的機制的策略與執(zhí)行。

自適應重配置管理平面包含軟件定義的業(yè)務運作組成的不可知網(wǎng)絡獨立協(xié)議模型，它既可以作為現(xiàn)有的控制管理平面的擴充，又可以作為已有的控制管理平面的新的中間平面，為重配置環(huán)境下的網(wǎng)絡提供額外的控制、管理功能。

在E2R第二階段，為了給網(wǎng)絡單元(終端設備、基站、路由)提供必需的控制管理功能以實現(xiàn)其動態(tài)自主重配置的功能，自適應重配置管理平面進行了一些改進[5]。改進的模型稱為“自認知重配置管理平面”，它把整個網(wǎng)元看作一個自主化實體，提供越層控制和重配置功能。

如圖1所示，自認知重配置管理平面包括上下文信息管理模塊、決策重配置管理模塊、自配置管理模塊和認知服務模塊。

●上下文信息管理模塊：用來處理加工體系輪廓信息和具有可重配置功能的類標記、檢測當?shù)乜捎觅Y源、執(zhí)行資源分配命令并形成行為報告，以實現(xiàn)全球資源的最優(yōu)化。

●決策重配置管理模塊：提出并評估動態(tài)策略規(guī)則。在定義系統(tǒng)行為時，這些規(guī)則在用戶和應用需求資源可用性和商業(yè)化方面在高層做了限制。此外，此模塊還可以形成自我認知學習的上下文信息，使重配置設備的自主行為規(guī)范化以形成公正的重配置決策。

●自配置管理模塊：進行協(xié)議層和越層重配置方式的轉(zhuǎn)換，負責當?shù)刭Y源的自我最優(yōu)化調(diào)整并具有自我修復功能；另外，它還可以提供接入及安全控制機制，負責記錄重配置結(jié)果信息。

●認知服務模塊：負責相關的容量控制和服務自適應程序。

●感知導頻信道[6]：通過“帶外”物理信道和“帶內(nèi)”邏輯信道實現(xiàn)多運營商場景下的無線接入，提供上下文感知信息。

最后，經(jīng)過如下步驟實現(xiàn)整個重配置過程：CPC感知周圍環(huán)境，獲取上下文信息和內(nèi)部數(shù)據(jù)；協(xié)商確定合適的重配置行為；系統(tǒng)根據(jù)認知服務模塊提供的容量控制及服務應用程序來滿足用戶的服務和容量需求；依據(jù)無線網(wǎng)絡資源和網(wǎng)元的可能的調(diào)節(jié)來執(zhí)行設備的重配置。

在上述重配置網(wǎng)絡架構(gòu)基礎上，為了提供泛在無縫的接入能力，E2R技術必須能夠在單一的可適應性系統(tǒng)上提供高效的多空中接口支持能力，以適應各種場景。其中一些具體流程及相應的設計問題將成為未來端到端重配置技術研究的重點。

1.3 頻譜管理和無線資源管理

E2R研究有效利用頻譜和無線資源的主要目標是最大程度提高無線資源利用率，為移動用戶提供一種“無縫體驗”。為了實現(xiàn)這個目標，必須減少不同無線接入技術、與接入技術對應的無線頻譜資源分配機制和由不同接入技術所運營的無線網(wǎng)絡環(huán)境的特殊性三者之間的差異。在此假設支撐下，為實現(xiàn)頻譜分配的更加動態(tài)化，定義了不同資源最優(yōu)化技術并通過評估將它們綜合到統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)中。

E2R所考慮的技術從不同管理域短期無線資源分配，延伸到單運營商異構(gòu)網(wǎng)絡下頻譜資源的中期動態(tài)分配，及不同運營商條件下接入網(wǎng)絡的無線資源的復雜分配及管理。后面的技術范圍將進一步擴大，包括能夠?qū)τ趯崟r變化的可操作條件及需求作出反應的動態(tài)無線規(guī)劃技術，以實現(xiàn)某地理區(qū)域資源的長期分配。

E2R中研究了一系列獨立可操作的動態(tài)無線資源分配策略及技術，包括DNPM、ASM和JRRM。E2R提出了一種適應于所有級別案例的體系框架，包括不同的系統(tǒng)構(gòu)想及時域、空域中無線資源需求分配。提出功能體系結(jié)構(gòu)的目標是在運用任意分配技術的時、空域條件下，實現(xiàn)系統(tǒng)機制功能最優(yōu)化。

DNPM、ASM、JRRM功能如圖2所示。3項功能互相作用、互相聯(lián)系，可以看作互鎖循環(huán)，每個循環(huán)都依據(jù)相鄰循環(huán)的輸出參數(shù)做出相應的反應。一個循環(huán)距離系統(tǒng)中心越近，需要的反應時間就越短，相應的再分配時間也會變短。從一個整體系統(tǒng)的觀點來看，為了實時有效的運作，JRRM、DNPM、ASM需要交互信息，如基站參數(shù)、空/時域通信流量測量、無線接入技術規(guī)范、用戶參數(shù)選擇等。圖2中，白色箭頭指網(wǎng)絡內(nèi)部接口，棕色箭頭指對外的接口。

功能體系結(jié)構(gòu)的主要機制推動了不同時空域、不同負載及需求下的無線資源的動態(tài)分配。在時域，ASM、JRRM技術用來處理資源極短、短期分配，DNPM技術主要用來處理多接入技術、服務下的中長期資源的動態(tài)分配。

設計JRRM是用來實現(xiàn)在異構(gòu)條件下通信流量的最優(yōu)化，側(cè)重點是不同接入技術之間的垂直切換。ASM的主要目的是使頻譜分配最優(yōu)化，包括異構(gòu)條件下實現(xiàn)保護帶寬分配的最佳化。DNPM算法是在考慮上下文信息、策略信息的前提下，處理無線接入技術和收發(fā)器頻譜分配、用戶需求QoS水平和無線接入技術需求分配策略信息。因此，DNPM增加了越層重配置功能。

E2R還提出了CPC的調(diào)度方案，CPC可以作為專門的物理信道，也可以作為一種應用無線接入技術的傳輸邏輯信道。同時提出了從網(wǎng)絡到移動終端(MT)單向信息供應方法和雙向交換機制(用來進行軟件和策略的下載)。后面一種情況下，MT可以用CPC傳輸重配置參數(shù)、信道的檢測條件、鏈接服務質(zhì)量及資源選擇策略報告。此外，為了使分布式?jīng)Q策的精確度最佳化，CPC還用來傳輸策略反饋信息。

2 未來重配置無線網(wǎng)絡

如何對重配置技術理論繼續(xù)深化和創(chuàng)新，并在現(xiàn)實網(wǎng)絡予以應用，并最終實現(xiàn)現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡環(huán)境到未來的具有認知能力的重配置異構(gòu)無線網(wǎng)絡的漸進演化，將是未來端到端重配置研究的重要內(nèi)容。異構(gòu)重配置無線網(wǎng)絡的應用實現(xiàn)，仍有不少問題需要解決，主要包括網(wǎng)絡的自主認知能力實現(xiàn)和重配置技術在現(xiàn)實網(wǎng)絡中的應用等內(nèi)容[7-9]。

●網(wǎng)絡的自主認知能力：隨著無線通信網(wǎng)絡技術的多樣化和異構(gòu)化，傳統(tǒng)的管理方式將不再適應網(wǎng)絡環(huán)境的越來越多變的特性。為能夠及時應對網(wǎng)絡環(huán)境的變化，實現(xiàn)網(wǎng)絡資源的最優(yōu)化，網(wǎng)絡的自主能力成為異構(gòu)重配置無線網(wǎng)絡的一個重要研究內(nèi)容，這里的自主包括網(wǎng)絡和終端的自認知、自管理、自配置、自學習等方面能力，認知理論[10]是網(wǎng)絡自主能力研究必不可少的重要組成部分。重配置無線網(wǎng)絡的通信實體，包括終端都有認知功能，都能在通信過程中實現(xiàn)自適應、自配置的認知過程。重配置無線網(wǎng)絡中的節(jié)點通過執(zhí)行認知循環(huán)來實現(xiàn)信息交互，實現(xiàn)資源最優(yōu)化的目的。

●重配置技術在現(xiàn)實網(wǎng)絡中的應用：為充分利用各種無線接入技術的特點，實現(xiàn)網(wǎng)絡資源的最優(yōu)化利用，未來重配置無線網(wǎng)絡中的各個組成元素，包括終端、基站、接入點、網(wǎng)關等，都應該具有重配置能力。重配置技術針對無線接入環(huán)境的異構(gòu)性特點，以異構(gòu)資源的最優(yōu)化使用和用戶對業(yè)務的最優(yōu)化體驗為目標，綜合可編程、可配置、可抽象的硬件環(huán)境以及模塊化的軟件設計思想，通過軟件和通信協(xié)議下載和配置，使網(wǎng)絡和終端支持多種接入技術，并且可靈活適配。

為此，除了新型商業(yè)運營模式的開發(fā)以及政策監(jiān)管方面的開放和支持以外，技術體系相關的問題包括體系結(jié)構(gòu)與功能模塊設計、設備管理機制與流程、優(yōu)化的資源管理。隨著重配置無線網(wǎng)絡研究的不斷發(fā)展，對這幾個方面的研究有了新的要求：

(1)體系結(jié)構(gòu)與功能模塊設計

重配置理論強調(diào)系統(tǒng)的概念，在已有的重配置體系框架研究的基礎上，為了全面的支持對認知技術和網(wǎng)元的管理，對于網(wǎng)絡架構(gòu)不得不重新細致地考慮。這里需要研究網(wǎng)絡功能的構(gòu)成、網(wǎng)絡實體的部署拓撲以及功能與實體間的耦合關系，設計適應異構(gòu)網(wǎng)絡演進的具有前瞻性的重配置認知網(wǎng)絡體系架構(gòu)。

(2)設備管理機制與流程

端到端重配置不僅指無線接入技術(即制式)的改變，還包括更多、更具體的網(wǎng)絡設備配置模式和功能變化；隨著技術演進，終端和基站等設備將不僅具有重配置能力，還將擁有對網(wǎng)絡和外部環(huán)境的認知能力。為此，需要研究網(wǎng)元功能的細粒度分解和重組的規(guī)則，設備對外部環(huán)境狀況的認知，多種網(wǎng)絡實體間的信息交互和協(xié)商機制，上下文的收集和管理機制，以及相應的自主管理流程等。

(3)優(yōu)化的資源管理

異構(gòu)無線網(wǎng)絡之間的技術互補性引發(fā)了網(wǎng)絡融合的趨勢，而目標就是要獲得網(wǎng)絡資源的優(yōu)化利用，以提高系統(tǒng)性能和用戶滿意度。重配置技術為異構(gòu)無線資源的管理和優(yōu)化帶來了更大的可行性和靈活性，然而系統(tǒng)復雜度的提升也帶來了更多的挑戰(zhàn)。作為重配置無線網(wǎng)絡系統(tǒng)的設計目標之一，優(yōu)化的資源配置和利用將通過不同層面和控制粒度的管理手段來實現(xiàn)，同時需要設計先進有效的優(yōu)化算法和機制。

3 結(jié)束語

重配置技術在認知無線網(wǎng)絡系統(tǒng)框架及相應模塊和流程、系統(tǒng)動態(tài)網(wǎng)絡規(guī)劃管理、靈活的頻譜管理、聯(lián)合無線資源管理等方面已經(jīng)取得了很大的成就，但在其智能化、自適應認知功能的實現(xiàn)和具體技術實現(xiàn)的研究上仍然有很大的發(fā)展空間。未來的研究將側(cè)重于網(wǎng)絡中通信實體的自主、自適應、智能化的實現(xiàn)，形成新一代的具有自主認知功能的重配置網(wǎng)絡體系。

4 參考文獻

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[7] Project Overview [EB/OL]. https://www.ict-e3.eu/project/overview/overview.html.

[8] Key Challenges [EB/OL]. https://www.ict-e3.eu/project/challenges/key_challenges.html.

[9] Approach[EB/OL]. https://www.ict-e3.eu/project/approach/approach.html.

[10] MITOLA J III, MAGUIRE G Q JR. Cognitive radio: making software radios more personal[J]. IEEE Personal Communications, 1999, 6(4): 13-18.

收稿日期：2009-01-21

馮志勇，北京郵電大學副教授、碩士生導師，無線新技術研究所泛網(wǎng)研究室主任。研究方向為異構(gòu)網(wǎng)絡和認知無線網(wǎng)絡。

孫美玉，北京郵電大學無線新技術研究所在讀碩士研究生。目前研究方向為認知無線網(wǎng)絡，曾參與中國移動認知無線電項目、歐盟E3合作項目等。

張奇勛，北京郵電大學無線新技術研究所在讀博士研究生。目前研究方向為異構(gòu)網(wǎng)絡融合、CPC感知導頻、認知無線網(wǎng)絡等，曾參與國家“863”項目，歐盟E3合作項目等，已發(fā)表論文3篇。