異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合關(guān)鍵問題和發(fā)展趨勢探討

1 國內(nèi)外異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合研究和應(yīng)用的現(xiàn)狀

    “移動寬帶化，寬帶移動化”是當前移動通信的發(fā)展特征，多類型網(wǎng)絡(luò)共存和融合是寬帶無線通信的發(fā)展趨勢。為了將各種接入技術(shù)整合到統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，充分利用全網(wǎng)無線資源，為用戶提供無縫漫游服務(wù)，國際標準化組織和學術(shù)界都對異構(gòu)無線融合的技術(shù)和方案進行了積極研究。

    3GPP在TS22.934中建議了六種3G與WLAN融合的互操作情景模式，按照WLAN與3G結(jié)合的緊密程度，分為松耦合和緊耦合兩大類。3GPP2 重點研究CDMA2000與WLAN 之間的互聯(lián)互通方式，定義了三種場景。兩個標準化組織提出的方案有差異，但核心思想都是能利用移動網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對WLAN 的鑒權(quán)認證，并讓WLAN終端能使用移動網(wǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

    IEEE 802.21工作組主要研究如何在異種接入技術(shù)之間提供獨立于媒體的切換能力(MediaIndependent Handover,MIH)，其中定義的切換包括IEEE系列接入技術(shù)之間的切換以及IEEE系列和蜂窩網(wǎng)絡(luò)之間的切換。

    異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)是指在傳統(tǒng)的宏蜂窩移動基站覆蓋區(qū)域內(nèi)，再部署若干個小功率傳輸節(jié)點，形成同覆蓋的不同節(jié)點類型的異構(gòu)系統(tǒng)。按照小區(qū)覆蓋范圍的大小，可以將小區(qū)分成宏小區(qū)、微微蜂窩小區(qū)、毫微微蜂窩小區(qū)，以及用于信號中繼的中繼站。異構(gòu)網(wǎng)不同范圍小區(qū)相互重疊覆蓋，形成異構(gòu)分層無線網(wǎng)絡(luò)。

    目前以宏基站為主的網(wǎng)絡(luò)部署已經(jīng)很難滿足容量需求，運營商、設(shè)備及終端制造商一直在推動異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合的應(yīng)用，接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上引入小基站作為網(wǎng)絡(luò)部署的關(guān)鍵點，呈現(xiàn)“小功率，多天線”的特征。阿爾卡特朗訊發(fā)布了一項名為靈云無線LightRadio的新技集中化、云構(gòu)架的基帶池以及虛擬化的網(wǎng)絡(luò)控制器，支持多制式多功能融合。華為開發(fā)了高容量，小蜂窩，簡運維的SingleRAN系列產(chǎn)品，發(fā)布的SingleSON解決方案實現(xiàn)了多制式多層次網(wǎng)絡(luò)的自配置、自優(yōu)化和自維護。沃達豐在世界移動通信大會(MWC2012)上演示了LTE HetNet立體覆蓋解決方案，有力地推動了多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(HetNet)的商用部署進展。

2 異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合的關(guān)鍵技術(shù)及方案進展

    異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合基于新的架構(gòu)設(shè)計思想，需要高效關(guān)鍵技術(shù)支撐，賦予網(wǎng)絡(luò)新的能力。對于共性的融合與個性的協(xié)同，是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的方向。如何使異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合體現(xiàn)出資源協(xié)同、業(yè)務(wù)統(tǒng)一、管理智能的特征，是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模商用面臨的關(guān)鍵問題。

    在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合環(huán)境下，協(xié)同技術(shù)主要包括聯(lián)合無線資源管理，異構(gòu)移動性管理，中繼節(jié)點功率分配等。聯(lián)合無線資源管理能保證異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中無線資源的高效利用，是提高頻譜利用率和實現(xiàn)協(xié)同覆蓋的有效手段，涉及垂直切換，聯(lián)合接納控制等功能。隨著網(wǎng)絡(luò)容量和站址密度的提高，小區(qū)變得越來越小，使得異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)間的垂直切換更加頻繁，垂直切換算法是保障業(yè)務(wù)連續(xù)性的前提�，F(xiàn)有的移動性管理技術(shù)已經(jīng)無法滿足終端在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的無縫切換、位置管理等需求，必須提供一個開放自適應(yīng)，有高度通用性的移動性管理優(yōu)化方案，降低信令和功耗開銷，減少時延。

    異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合要求深刻把握數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展規(guī)律，擴展數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)特征表述維度，在網(wǎng)絡(luò)接入選擇機制設(shè)計時充分考慮市場調(diào)節(jié)因素，切換和接入選擇判決條件不僅考慮帶寬、時延、抖動、安全等QoS參數(shù)，還要考慮業(yè)務(wù)類型、計費模式、單位價格等非技術(shù)因素。采用基于AHP層次設(shè)計思想的多目標算法，統(tǒng)籌考慮技術(shù)市場多個因素，能夠提高網(wǎng)絡(luò)選擇的準確性，保證用戶總是獲得基于約束條件的最優(yōu)連接。

    應(yīng)用對帶寬、時延、丟包率等參數(shù)的要求各不相同，如何提供可靠的端到端多級QoS保證成為一個難點。現(xiàn)有的OSI分層模型相對獨立靜態(tài)的協(xié)議結(jié)構(gòu)不能很好適配異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合，需要打破原有分層結(jié)構(gòu)的協(xié)議設(shè)計，實現(xiàn)跨層設(shè)計，如定義新的層間接口和邊界，聯(lián)合各層的參數(shù)調(diào)整等。跨層設(shè)計的核心思想是形成協(xié)議棧對網(wǎng)絡(luò)條件進行觀察，基于跨層的通用數(shù)據(jù)庫共享信息做出反饋的交互機制，進行自適應(yīng)系統(tǒng)優(yōu)化。

    異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)正面臨有限頻譜資源和爆發(fā)性流量的矛盾，如何提高頻譜的利用率和保證不同網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同工作，需要網(wǎng)絡(luò)管理的智能化。智能管理可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的自動規(guī)劃和配置、多制式多層次網(wǎng)絡(luò)的移動性優(yōu)化和流量優(yōu)化、自動化的小區(qū)故障管理。智能無線認知網(wǎng)絡(luò)能通過主動地感知無線頻譜使用，認知無線環(huán)境，自適應(yīng)地重配置網(wǎng)絡(luò)資源、工作模式與參數(shù)，進而實現(xiàn)與周邊無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作的目標。自組織網(wǎng)絡(luò)SON(Self-Organizing Networks)能夠通過自動化機制簡化運營任務(wù)來降低無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、優(yōu)化和管理的成本，同時提高運維效率和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。目前SON的進展還停留在方案階段，需推動多模終端對SON空口信令的支持。

    隨著通信用戶的快速成長和信息業(yè)務(wù)的普及，我國運營商的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模持續(xù)擴大，GSM網(wǎng)絡(luò)基站數(shù)已經(jīng)超過了100萬個，WLAN無線網(wǎng)AP設(shè)備超過300萬臺，WLAN功能成為智能終端上的標配模塊，多種接入技術(shù)共存將成為長期特征。面向LTE技術(shù)引入，在3GPP體系中網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進主要是演進分組系統(tǒng)EPS(包括E-UTRAN和EPC)，基于2G/3G/LTE與WLAN在SAE架構(gòu)下形成統(tǒng)一的核心網(wǎng)，SGSN與MME融合、GGSN與SAE GW融合、HLR與HSS融合，實現(xiàn)資源有效共享。結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)改造和技術(shù)演進，形成支持多種接入的分組融合目標網(wǎng)，進而構(gòu)筑寬帶、融合、開放、可運營可管理的核心網(wǎng)絡(luò)，提升網(wǎng)絡(luò)在全IP環(huán)境下多業(yè)務(wù)支持能力，降低投資和運維成本。分組融合目標網(wǎng)架構(gòu)具體見圖1。

圖1 融合多種接入方式的分組融合目標網(wǎng)架構(gòu)

    異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合方案不僅可以進行業(yè)務(wù)均衡，還解決了室內(nèi)、熱點地區(qū)的容量覆蓋問題，實現(xiàn)多網(wǎng)協(xié)同，達到立體全覆蓋效果。我國運營商在初期選擇異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合方案時，需要從業(yè)務(wù)需求、對現(xiàn)網(wǎng)影響、投資成本以及后續(xù)網(wǎng)絡(luò)演進等多方面考慮，積極探索無線網(wǎng)與移動網(wǎng)的深度融合解決方案，研究優(yōu)選策略，不斷擴大無線技術(shù)的應(yīng)用范圍。

3 異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展對現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃理念的影響

    異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃目前指在2G、3G、LTE、WLAN等多種接入技術(shù)共存的背景下，立足于融合和協(xié)同，結(jié)合用戶行為和業(yè)務(wù)特征，引入先進的無線資源管理算法和規(guī)劃理念，做到無線資源的異構(gòu)協(xié)同和異構(gòu)融合，形成資源管理科學、運行機制高效的異構(gòu)網(wǎng)。

    鑒于我國通信產(chǎn)業(yè)的實際情況，異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合的發(fā)展過程，不會是產(chǎn)生全新的網(wǎng)絡(luò)，而是不斷融合新的接入網(wǎng)。在現(xiàn)有多制式共存的基礎(chǔ)上發(fā)展異構(gòu)無線融合網(wǎng)絡(luò)，主要存在的問題體現(xiàn)在接入網(wǎng)、核心網(wǎng)、規(guī)劃優(yōu)化、維護管理四個層面。結(jié)合異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展出現(xiàn)的問題，從四個層面分析問題對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和運營產(chǎn)生的影響，進而提出每個問題解決的思路建議，服務(wù)于異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合的實現(xiàn)。異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合發(fā)展對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃理念的影響具體見表1。

    智能終端和平板電腦的普及，加速了寬帶無線通信局域化趨勢。由于無線網(wǎng)和移動網(wǎng)在技術(shù)體制上差異較大，在融合初期可優(yōu)先考慮兩者的協(xié)同覆蓋，為全面融合做準備。協(xié)同覆蓋要求新型終端根據(jù)APN或業(yè)務(wù)分類表識別業(yè)務(wù)類型，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)特性，選擇不同的路由策略，將不同的業(yè)務(wù)承載到不同的網(wǎng)絡(luò)中去，從而達到資源優(yōu)化配置，提升用戶感知的目的。

4 異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)部署目前存在的問題和發(fā)展趨勢

    4.1 當前存在的主要困難及問題

表1 異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合發(fā)展對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃理念的影響

    1) 技術(shù)難度加大。無線網(wǎng)和移動網(wǎng)在寬帶化演進中不斷提出新的技術(shù)，但技術(shù)的實現(xiàn)日益復雜。IT業(yè)的摩爾定律面臨工藝水平和生產(chǎn)成本的嚴峻壓力，蜂窩無線設(shè)備研發(fā)面臨物理層基帶處理能力可挖掘空間受限，射頻技術(shù)要求大大提高的挑戰(zhàn)。

    2) 干擾協(xié)調(diào)復雜。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在原來的小區(qū)范圍之內(nèi)引入了新的發(fā)射節(jié)點，相當于引進了新的干擾源，分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的變化，不同類型小區(qū)基站發(fā)射功率差異以及小區(qū)間切換場景都會引入新的干擾。過多的網(wǎng)絡(luò)在頻率分配，小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)上存在巨大困難。

    3) 頻譜資源緊張。由于目前我國采用的靜態(tài)頻譜規(guī)劃與實際異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)動態(tài)頻譜需求之間的矛盾，導致面向異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)寬帶應(yīng)用的頻譜資源比較緊張，一方面已經(jīng)分配的頻譜利用率不高，另一方面優(yōu)質(zhì)的低端頻譜已經(jīng)被其它系統(tǒng)占用，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中難以獲得。

    4.2 未來異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合發(fā)展的實施策略及建議

    從我國運營商網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展現(xiàn)狀考慮，異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合可以大致分為三個階段：認證計費融合階段、網(wǎng)絡(luò)終端融合階段以及無縫業(yè)務(wù)體驗階段。融合的目標是實現(xiàn)業(yè)務(wù)連續(xù)性，達到無縫體驗，終端上的業(yè)務(wù)在無線網(wǎng)與蜂窩網(wǎng)間跨系統(tǒng)移動時能夠保持數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)連接不中斷。根據(jù)可使用的網(wǎng)絡(luò)資源，結(jié)合融合移動性管理，網(wǎng)絡(luò)或終端可為不同的業(yè)務(wù)選擇最優(yōu)的接入網(wǎng)絡(luò)。每個融合階段實現(xiàn)的功能和發(fā)展目標具體見圖2。

    業(yè)務(wù)創(chuàng)新推動著不同寬帶技術(shù)的演進，如何根據(jù)市場需求促進異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合，成為目前異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展關(guān)注的重點。我國異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)部署需要因地制宜，分步實施。

    1) 依托通信新技術(shù)新組網(wǎng)實現(xiàn)異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合的目標。3GPP和IEEE組織在網(wǎng)絡(luò)升級演進中形成的通信新技術(shù)在提升系統(tǒng)容量和頻譜效率中的關(guān)鍵作用奠定了異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合的基礎(chǔ)。認知無線電技術(shù)可以應(yīng)用在頻譜感知檢測、自適應(yīng)傳輸、動態(tài)頻譜管理方面。多無線電協(xié)作技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)容量提升，移動性管理增強上具有領(lǐng)先優(yōu)勢。

    針對異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合問題，歐盟的信息社會技術(shù)(Information Society Technologies,IST)系列項目相繼提出了不同的解決方案，涵蓋了網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)、資源管理、終端設(shè)計和QoS業(yè)務(wù)等方面，但與為用戶提供無處不在的系統(tǒng)和業(yè)務(wù)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合目標還有很大差距。環(huán)境感知網(wǎng)絡(luò)(Ambient Networks,AN)和無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(Wireless Mesh Network,WMN)，可以為異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合理論和實現(xiàn)提供新的研究空間。

    2) 面向異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合特征推進網(wǎng)絡(luò)維護和管理手段轉(zhuǎn)型。異構(gòu)無線融合提高了網(wǎng)絡(luò)整體運維復雜度，并生成海量數(shù)據(jù)，因此，急需引入先進的數(shù)據(jù)管理技術(shù)，進行合理的數(shù)據(jù)組織和建立相應(yīng)的網(wǎng)管支撐體系，確保數(shù)據(jù)的一致性。結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘，對不同網(wǎng)絡(luò)間的問題進行有效關(guān)聯(lián)，形成統(tǒng)一的運營平臺。

    在推進異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合中，需要積極利用現(xiàn)代化的IT手段進行低成本、高效率的集中化運作，進行全程全網(wǎng)的科學調(diào)度和精確管理。同時平衡好自維護和外包維護，合理配置運維資源，降低綜合成本，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)維護和管理的轉(zhuǎn)型。

    3) 研發(fā)面向異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃測試優(yōu)化的先進工具平臺。基于對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)無線鏈路的動態(tài)性、用戶的移動性和業(yè)務(wù)的多變性進行統(tǒng)計和建模，通過開發(fā)相應(yīng)的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)端到端測試分析和優(yōu)化系統(tǒng)平臺來支撐融合業(yè)務(wù)開展。系統(tǒng)平臺架構(gòu)設(shè)計必須支持靈活的組網(wǎng)方式，適應(yīng)復雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有開放性和可擴展性。

    鑒于異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)和接入選擇機制的復雜性、新型終端形態(tài)的多樣性，關(guān)鍵技術(shù)的實際效果越來越依賴于高性能計算，異構(gòu)無線融合網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化必須依賴于可以仿真其關(guān)鍵技術(shù)性能的工具平臺做指導。工具平臺可引入動態(tài)仿真技術(shù)應(yīng)用于小范圍的熱點多層網(wǎng)絡(luò)分析，做到網(wǎng)絡(luò)資源的高效調(diào)度和科學規(guī)劃。

    4) 立足全程全網(wǎng)提升異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合的安全保障水平。終端智能化、網(wǎng)絡(luò)IP化、業(yè)務(wù)多元化的趨勢使異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合面臨一系列非傳統(tǒng)安全問題，需要基于安全脆弱點分布研究新的安全技術(shù)，構(gòu)建高柔性免受攻擊的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合安全防護模型。

    異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的終端形態(tài)多樣，探索新型終端實現(xiàn)安全可信計算環(huán)境的相關(guān)技術(shù)，構(gòu)建主動安全體系。針對異構(gòu)無線融合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，要進一步規(guī)范安全域劃分與邊界整合，實施風險防范，從全程全網(wǎng)提升異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的安全保障能力。

5 結(jié)束語

    異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合是下一代網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、短距離無線通信網(wǎng)也是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)研究的范疇。目前國內(nèi)外的各種研究基本上都是關(guān)注兩三種制式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，關(guān)于多制式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)研究的比較少。多制式的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能提供更大的系統(tǒng)容量，能適應(yīng)更復雜的應(yīng)用環(huán)境，隨著廣播系統(tǒng)、衛(wèi)星通信等其它接入技術(shù)與現(xiàn)有通信網(wǎng)的深度融合，異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)最終會實現(xiàn)“任何人在任何時間任何地點與任何人進行任何種類的信息交換”的服務(wù)目標。

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