基于認知的重配置無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

無線通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展所帶來的網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)化的趨勢，在豐富了網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的多樣性的同時，也給網(wǎng)絡(luò)管理和技術(shù)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(luò)資源，異構(gòu)技術(shù)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(shù)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(luò)環(huán)境到未來的有認知能力的重配置異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的漸進演化，將是異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。

1 重配置技術(shù)概述

端到端重配置技術(shù)起源于軟件無線電(SDR)技術(shù)，利用終端和基站等可重配置實體為基礎(chǔ)定義網(wǎng)絡(luò)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(shù)，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(shù)是一種實現(xiàn)異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合的新興的技術(shù)，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(shè)備(終端、基站、接入點、網(wǎng)關(guān))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(luò)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(luò)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(wù)的快速引入

1.1 重配置技術(shù)的研究

對于重配置技術(shù)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(shù)(IST)計劃中，與認知無線網(wǎng)絡(luò)研究相關(guān)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(luò)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(luò)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(luò)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(shù);

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(luò)、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(luò)的共存、加速異構(gòu)無線系統(tǒng)的部署、提高資源利用效率�；�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(luò)體系結(jié)構(gòu)

重配置網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)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(wù)運作組成的不可知網(wǎng)絡(luò)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(luò)提供額外的控制、管理功能。

在E2R第二階段，為了給網(wǎng)絡(luò)單元(終端設(shè)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(wù)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(shè)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(wù)模塊：負責相關(guān)的容量控制和服務(wù)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(wù)模塊提供的容量控制及服務(wù)應用程序來滿足用戶的服務(wù)和容量需求;依據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)資源和網(wǎng)元的可能的調(diào)節(jié)來執(zhí)行設(shè)備的重配置。

在上述重配置網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上，為了提供泛在無縫的接入能力，E2R技術(shù)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(shè)計問題將成為未來端到端重配置技術(shù)研究的重點。