多無線電協作技術與異構網絡融合

摘要：異構網絡融合是未來網絡技術發展的必然趨勢。異構網絡的融合面臨著高延遲、高消耗、低速率等諸多方面的“瓶頸”。為克服這些“瓶頸”，滿足異構網絡融合的需求，多無線電協作技術應運而生。通過多無線電間的相互協作和對多無線電資源的有效管理及合理分配，能夠有效地提高網絡吞吐量，降低無線設備的能量消耗，減少異構網絡間切換的延遲，從而為實現真正的異構網絡無縫融合提供了可能。

關鍵詞：異構網絡；融合；多無線電；協作

隨著無線網絡技術高速發展，出現了許多新型的無線異構網絡，如蜂窩移動通信網絡、衛星網絡、GPRS、WLAN、移動自組織網絡(MANET)、Wi-Fi、無線傳感器網絡(WSN)等。身處這些新型異構網絡的用戶能否相互通信呢？特別是使用無線網絡的用戶能否連接上Internet呢？如果這些異構網絡之間無法互聯，那么在未來信息時代將產生許多大小不一的信息孤島，這是我們所不愿看見的。因此如何實現這些種類繁多的不同網絡的無縫連接，即異構網絡的融合是未來網絡發展的必然趨勢。具體來講，網絡融合是采用通用的、開放的技術實現不同網絡或網元的集成[1]，其中不同的網絡或網元涉及到接入網融合、核心網融合、終端融合、業務融合和運維融合等。

異構網絡的融合具有多方面的優勢：融合可以擴大網絡的覆蓋范圍，使得網絡具有更強的可擴展性；融合可以充分利用現有的網絡資源，降低運營成本，增強競爭力；融合可以向不同用戶提供各種不同服務，更好地滿足未來網絡用戶多樣性的需求；融合可以提高網絡的可靠性、抗攻擊能力等。

但是，這些異構網絡面向不同的應用場景、目標用戶，因此它們從底層的接入方式到高層的資源管理與控制等技術都不盡相同。面對種類繁多、技術各異(尤其是接入技術)的異構網絡的融合，傳統的單無線電技術有很大局限性，多無線電協作技術在這方面將大有可為。

多無線電指的是無線網絡中單一節點配備多個獨立的無線電系統，每個無線電系統可以使用不同的接入技術及不同的信道；即一個無線網絡節點可以同時與不同的接入系統建立連接，或者同一時刻與一個接入系統保持多個連接。隨著硬件技術的發展及成本的降低，多無線電系統的實現成為可能[2]。

多無線電協作技術指的是通過多無線電系統間的協作以及對多無線電接口的管理和資源分配來達到異構網絡間的協同工作，從而提高網絡容量，降低能量消耗，增強移動管理，擴大連通范圍，最終實現多種異構網絡的互聯互通。

1 異構網絡的融合技術發展現狀

近年來，人們已就異構網絡融合問題相繼提出了不同的解決方案：BRAIN提出了WLAN與通用移動通信系統(UMTS)融合的開放體系結構；DRiVE項目研究了蜂窩網和廣播網的融合問題；WINEGLASS則從用戶的角度研究了WLAN與UMTS的融合；MOBYDICK重點探討了在IPv6網絡體系下的移動網絡和WLAN的融合問題；MONASIDRE首次定義了用于異構網絡管理的模塊。雖然這些項目提出了不同網絡融合的思路和方法，但與多種異構網絡的融合的目標仍相距甚遠[3]。最近提出的環境感知網絡[4]和無線網狀網絡[5]，為多種異構網絡融合的實現提供了更為廣闊的研究空間。

1.1 環境感知網絡

環境感知網絡簡稱環境網絡(AN)，是一種基于異構網絡間的動態合成而提出的全新的網絡觀念。它不是以拼湊的方式對現有的體系進行擴充，而是通過制定即時的網間協議為用戶提供訪問任意網絡(包括移動個人網絡)的能力。

一個AN單元主要由AN控制空間(ACS)和AN連通性構成，如圖1所示。ACS由一系列的控制功能實體組成，包括支持多無線電接入(MRA)，網絡連通性、移動性、安全性和網絡管理等的實體。不同AN的ACS通過環境網絡接口(ANI)通信，并且通過環境服務接口(ASI)來面對各種應用和服務。在具體實現上，ACS由多無線電資源管理模塊(MRRM)和通用鏈路層(GLL)構成，如圖2所示。

AN最大的特點就是采用了MRA技術。圖3給出MRA技術在異構網絡融合中應用場景。

圖3表明，MRA技術可使終端具有同時與一個接入系統保持多個獨立連接的能力；通過MRA技術，可以實現終端在不同AN間的無縫連接；通過MRA技術，可以實現不同終端在不同AN間的多跳數據傳輸，以擴大AN的覆蓋范圍。

由此可見，在AN的核心組件ACS中，多無線電接入及其資源分配和管理尤顯其重要性。因為它作為AN實現異構網絡互聯的第一步，是其他一切提供面向用戶的異構網絡服務的基礎。而多無線電協作技術是MRA技術的延伸和擴展，其主要功能是實現多無線電間資源共享和不同AN間的動態協同。其他功能還包括有效的信息廣播，發現和選擇無線電接入，允許用戶利用多無線電接口同時發送和接收數據以及支持多無線電多跳通信等。

1.2 無線網狀網絡

近年來，無線網狀網絡技術的提出也為異構網絡融合的實現提供了新的途徑。WMN是一種采用網狀組網方式的無線多跳網絡。網絡中每個節點均有自動選路的功能，每個節點只和鄰近節點進行通信，因此又是一種自組織、自管理、自動修復、自我平衡的智能網絡。圖4為通過WMN實現異構網絡融合的示意圖，通過一個無線網狀骨干網(WMB)可將各種無線異構網絡連接起來，并實現無線與有線的相互通信。

從圖4可看出WMN架構中包括由多個WMR互連組成融合不同異構網絡的WMB和由各種異構網絡或終端設備構成的用戶部分。由此可見，作為WMN的核心設備WMR必須具備同時連接不同結構網絡設備的能力，并且具有協調管理和控制這種多連接的功能。而多無線電協作技術正是由于具有這種同時和協同的能力成為WMN領域研究的熱點。

2 基于異構網絡融合的多無線電協作技術

從異構網絡融合技術的角度看，無論在AN還是WMN架構中，多無線電協作技術都扮演著極其重要的角色。這是因為通過多無線電協作，可使終端具有同時與一個接入系統保持多個連接或同時連接不同接入系統的能力，從而在網絡容量、能量控制和移動管理等方面均優于傳統技術。下面分別從這3方面闡述多無線電協作技術在異構網絡融合的重要作用。

2.1 網絡容量

在無線網絡環境中，由于用戶接入時會發生傳輸干擾、多用戶沖突、丟包錯誤等情況，因此真正的可達帶寬幾乎只有理論值的一半[6]。此外，收發雙方通信距離、多跳環境中節點沖突的可能性、隱終端和暴露終端等問題也大大影響了網絡吞吐量。而未來異構融合網絡對容量有極大需求，如何提高網絡容量則是其迫切需要解決的問題。

在文獻[7]中，每個中繼節點配備多無線電設備，通過這些中繼節點間多無線電的協調配合，以實現節點同時收發數據，從而降低了傳輸延遲。其仿真結果表明，在理想狀態下采用多無線電協作技術能獲得兩倍于單無線電情況下的網絡容量，而且多無線電數目的變化對網絡容量也有明顯的影響。文獻[8]探討了無線電與信道數目之間關系及其對網絡容量的影響，并推導出靜態多無線電多信道網絡在任意網絡模式和隨機網絡模式下網絡容量的上下界。文獻[9]提出了采用多無線電分集技術來減少分組丟失率和降低比特誤碼率，以提高網絡可靠性，進而提高全網吞吐量的方法。其實質是采用多無線電多徑協作分集技術來接收和發送數據，并輔以幀合并、低開銷重傳機制(LORFA)來提高網絡可靠性和吞吐量。該技術的基本工作原理是：網絡中每個接入節點(AP)和用戶終端節點都配備多無線電系統，當某個無線網絡中的AP收到有差錯的數據幀時，該AP利用多無線電多徑協作分集技術將收到的多個數據幀的副本傳送給具有多個獨立無線電設備的多無線電分集合并系統(MRDC)。由MRDC通過幀合成技術來恢復幀，并采用LORFA機制重發給AP，再由AP發送給終端用戶。其仿真結果表明，在80%的傳輸過程中，多無線電系統的吞吐量可保持在15 Mb/s~20 Mb/s，而在單無線電條件下，吞吐量只有5 Mb/s~15 Mb/s左右。

2.2 能量控制

在未來的異構網絡中，能量問題不可避免地成為許多新技術發展的瓶頸，主要表現在以下方面：要求更高的數據傳輸速率；具有更多的功能，提供更多的服務，并且需要同時運行；硬件具有更強的處理能力和更高容量存儲能力。這些無一不是大量消耗能量的主要因素。

目前已提出了許多節能的方法和技術，主要分為3類：改善信道接入機制、最大化無線接口的睡眠時間技術、使用最低能量級別來發送和接收數據的技術。大多數研究仍然是在單無線電環境下進行的。文獻[2]提出一種具有喚醒功能的多無線電協作技術來達到節能的目的。在該技術中，每個移動設備包括兩個無線電收發設備：一個是用來發送和接收控制信息的低功耗無線電設備(LPR)，另一個是用來傳送和接收數據的高功耗的無線電設備(HPR)。當該設備不傳送和接收數據時，HPR關閉而LPR處于開啟狀態，以監控突發消息。如果有數據需要發送，由高層傳送信息給LPR，并通過LPR上的喚醒機制喚醒HPR，則HPR接收上層數據分組然后發送；如果有數據接收，LPR將接收到的請求信息進行處理，接著將處理后的信息傳遞給HPR，并喚醒HPR。這樣HPR就不需要一直處于等待信息的狀態而消耗大量的能量，從而達到節能的目的。研究結果表明這種多無線電協作技術的節能效果明顯優于其他技術。文獻[2]中還將帶有喚醒功能的多無線電協作技術擴展為具有控制功能和帶寬判決功能的技術。前者進一步降低了喚醒機制帶來的延遲；后者由于具有帶寬判決機制，故當遇到低帶寬數據傳輸時，由LPR負責傳輸數據，而不用開啟HPR，從而達到節能。

2.3 移動管理

移動管理包括位置管理和切換機制兩方面[10]。目前切換技術主要有水平切換和垂直切換。水平切換是指在同一網絡中移動臺從一個基站切換到另一個基站。不同于水平切換，當用戶從一種網絡切換到另一種網絡時，這種切換稱作垂直切換。垂直切換技術是異構無線網絡實現無縫連接的基礎。但是具有不同無線電接入技術的各種異構網絡，在數據速率、頻譜、QoS、安全性、成本及服務支持等各個方面都存在著很大差異。面對這些異構網絡，要實現精確的位置偵測和快速的切換機制更加復雜。因此目前針對垂直切換的研究還很少。

同時，在異構網絡中設計合理的切換機制還必須保證：用戶在異構網絡之間漫游時能夠實現快速的切換，從而保證服務的連續性；如果用戶處在多個不同的接入系統的覆蓋范圍時，能夠總是選擇最好的連接，從而保證服務的高質量。傳統的單接入方式，即使單無線電設備具有可重配置或多模能力，但由于每個網絡節點只配備一個無線電，因此在實行切換過程中，往往產生較大的延遲以及較高的丟包率，這對終端用戶無線接入和連通都會造成很大的影響。因此傳統技術都已不能滿足發展的需要。

一個典型的垂直切換過程主要分為3個步驟：第一步，掃描(或發現)過程，通過這個階段，終端通過探測發現不同AP發送的Beacon分組來判斷選擇鏈接性能最好的AP；第二步，認證過程，在這個過程中，用戶必須與AP交換認證信息，以保證接入的安全性；第三步，結合過程，此過程主要負責用戶在新AP中的登記注冊，并發送通知給用戶原有AP及獲得原有AP中的此用戶的緩存信息。文獻[11]表明切換過程90%的延遲時間都是消耗在掃描過程。因此降低掃描過程延遲是切換方案關鍵的一步。文獻[12]改進了現有的切換機制，提出一種基于多無線電協作的多掃描技術來降低掃描延遲。其基本原理是通過兩個無線電之間的輪替交互來實現無縫切換。其試驗床仿真結果表明采用多掃描技術的切換過程幾乎沒有延遲，而傳統的單無線電條件下的切換過程出現了640 ms的延遲時間。可見采用多無線電協作技術為異構網絡真正實現無縫連接提供了可能。

3 多無線電協作技術展望

目前，基于異構網絡的多無線電協作技術正處于起步階段，相關研究文獻還較少。這也為進一步的研究提供了廣闊的空間。

除了上述的網絡容量、能量控制和移動管理3個方面外，從層次的角度來看，其未來主要的研究內容還包括：在物理層，面對不同標準的接入系統，如何設計和協調多無線電設備依然是研究的難點和重點，同時利用多無線電與頻譜感知技術、動態頻譜接入技術的結合以有效地提高頻譜利用率也是一個研究的新領域；在MAC層，如何設計適合多無線電技術的媒體接入控制(MAC)協議是其重中之重，其中多無線電多信道的信道分配算法和信道資源管理策略設計的是否合理成為能否最大限度發揮多無線電技術優勢的關鍵；在網絡層，如何結合多信道分配設計出適合多無線電的路由算法是此層的核心問題，其中最重要的就是多無線電多信道選擇參數的設計；再則，結合多路徑思路的多無線電多徑選路算法也和多無線電網絡的拓撲控制以及網絡連通性等一系列問題都是極具挑戰性的研究內容。

此外，多無線電技術的硬件和協議標準都還不夠成熟，而且現有的仿真工具及試驗床大都不直接支持多無線電，這都對多無線電的研究和發展造成了很大的障礙。因此，在今后的研究中，多無線電的仿真技術也是一個具有相當挑戰性的課題。

4 結束語

異構網絡的融合是未來網絡發展的必然趨勢，但多種不同異構網絡從體系架構到底層接入技術的不同為異構網絡的融合帶來了很大的困難。隨著硬件成本的降低，一個網絡節點上配備多個無線電系統成為可能。由此出現的多無線電協作技術為異構網絡的無縫融合提供了一種有效方法。文中從網絡容量、能量控制和移動管理3個方面闡明了多無線電協作技術在異構網絡融合中的重要作用，并展望了多無線電協作技術未來的發展趨勢。從目前的研究來看，基于多無線電協作技術的異構網絡融合才剛剛開始，國內外的研究還不多，因此具有廣闊的研究空間。

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收稿日期：2008-03-25

黃川，南京郵電大學信號與信息處理專業在讀博士研究生。研究方向為無線通信與網絡信號處理。

鄭寶玉，南京郵電大學教授、博導、校學術委員會副主任，中國通信學會理事及通信理論與信號處理專業委員會主任委員，中國電子學會信號處理分會副主任委員。主要研究方向為無線網絡與通信信號處理、智能信號處理、量子信息處理。主持完成了多個國家自然科學基金和省部級科研項目，曾獲國家科技進步二等獎1項，省部級科技進步獎3項，出版學術著(譯)作7部，發表論文150余篇。享受國務院政府特殊津貼，曾經獲得國家有突出貢獻中青年專家等多項榮譽稱號。