Ａｍｂｉｅｎｔ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ項目及其關鍵技術

摘要：隨著無線通信技術的不斷發展，多接入技術、不同運營商和多樣化終端共存的局面使得傳統的無線通信格局面臨困境，異構網絡融合成為未來網絡發展的必然趨勢。歐盟項目Ambient Networks對異構網絡融合進行了深入的研究。Ambient Networks提出了Ambient控制平面(ACS)來支持動態的、分布式的、自管理和自維護的異構網絡管理；通過多無線接入結構(MRA)充分利用多種接入技術并存帶來的優勢，為用戶提供總是處于最佳連接的服務。

關鍵詞：異構網絡；AN項目；Ambient控制平面；多無線接入結構

目前，無線通信網絡種類多且相對獨立，每種網絡都有其特殊的架構、組網方式、空中接口和資源管理機制。隨著通信技術的不斷發展，未來的無線用戶終端也多種多樣。用戶期望不管使用任何接入方式都能夠享受到個性化、多樣化的服務。毫無疑問，這種多接入技術、不同運營商和多樣化終端共存的局面使得傳統的無線通信格局面臨困境，網絡融合勢在必行。

歐盟對于異構網絡融合的研究在世界上居于領先地位，其中以歐盟信息社會技術(IST)系列研究項目最具有代表性。MAGNET項目通過設計、研發和實現個人網絡(PN)來為移動用戶在異構網絡環境中提供資源利用率高、具有魯棒性、無處不在、安全的個人服務，其核心概念就是PN網及PN網融合。EuQoS項目側重于研究異構網絡的端到端QoS技術。E2R項目利用感知無線電技術，著重研究網絡的可重配置功能。它的創新在于對于可重配置技術是在端到端的情況下研究的。WINNER項目希望以一個無處不在的無線通信系統代替目前多種系統(蜂窩、WLAN和近距離無線接入等)共存的格局。歐盟期望WINNER網絡具有更高的靈活性和可擴展性，能夠在各種無線環境下自適應地提供各種業務和服務。這些項目研究范圍涵蓋接入、網絡和業務等方面，既相互競爭又相互合作，從多個層面和角度對異構網絡融合問題進行了有意義的研究。此外，Ambient Networks項目也對異構網絡融合進行了深入的研究。本文將著重介紹Ambient Networks項目。

1 Ambient Networks項目簡介

Ambient Networks項目始于2004年，簡稱AN項目，是歐盟第六框架計劃下的一個大型合作項目。它的目標是通過Ambient Networking網絡技術來促進未來異構無線移動網絡之間的有效互聯和協作，從而使得用戶無論使用何種網絡，都能夠享有豐富易用的服務。AN項目的這一目標是建立在不同技術的組合及網絡的動態協作之上，有效地利用現有的基礎網絡設施和接入手段，盡量避免增加新的網絡技術到現有的網絡體系中。

AN項目歷時4年，分為兩個階段。第一個階段(2004年—2005年)主要是確定整體方案，研發具有創新性的技術。第二階段(2006年—2007年)通過實現、測試和性能評估來驗證其可行性，并促成相應的標準化體系。

AN項目分為8個工作組(WP)。WP1進行技術協調和評估商業可行性；WP2負責研究移動性管理；WP3負責研究多無線接入方式；WP4研究網絡管理策略來支持動態的異構網絡融合和協作；WP5研究動態網絡連接和路由結構，并重點研究用戶平面的通信機制；WP6增強傳輸層功能，重點研究服務感知自適應傳輸覆蓋(SATO)技術；WP7研究異構網絡的統一動態融合，主要是在控制平面上研究融合策略，對于不同的網絡類型和技術實現相同的融合過程；WP8負責綜合實現。本文主要介紹AN項目的兩個關鍵技術，分別是WP4提出的ACS和WP3提出的MRA。

2 Ambient控制平面

為了實現AN項目的目標，支持異構網絡的融合和協作，AN的網絡管理必須是動態的、分布式的、自管理和自維護的，并能自動響應網絡及周邊環境。為此，WP4提出了ACS。

ACS是一個分布式的通用控制平面，它不僅能持續地感知底層網絡的特性、資源、故障和性能，還能支持AN的自我管理和重配置。ACS的創新點在于：它將3種不同研究領域(網絡環境管理、網絡管理和基于策略的系統管理)組合起來，研究出一個適合AN項目網絡管理要求的解決方案。ACS包含兩個要素：功能模塊和接口。具體結構見圖1。

ACS包含一些功能模塊，例如多種無線資源管理(MRRM)、流量工程、移動性管理(MM)等。這些功能模塊嵌入到ACS結構中，相互協作實現整體控制功能。3種接口分別是Ambient服務接口(ASI)、Ambient資源接口(ARI)和Ambient網絡接口(ANI)。高層應用和服務通過ASI向ACS發出關于端到端連接的建立、維持和終結的請求，ASI還能夠向上層告知其管理能力和底層網絡信息。ARI位于ACS和連接層之間，ACS可以通過ARI控制和管理連接資源，這些資源可以是路由器、交換機等。ANI可以幫助實現不同網絡的ACS之間的通信，它可以創造一個共享的通用的控制平面來獲得AN所追求的網絡互聯能力，通過ANI，不同網絡之間可以進行協定和商議，并可以相互交換控制信息[1]。

3 多無線接入結構

雖然多種接入方式并存的局面對于實現異構網絡的有效互聯帶來了挑戰，但是也提供了一個潛在的機會，就是同時利用多種接入技術，聯合相互競爭的網絡運營商來為用戶提供一種總是處于最佳連接狀態的服務。AN多接入的理念是通過即時確立網絡間的協議和網絡融合方式使用戶接入到任意網絡，甚至可以接入非授權網絡。

為了實現這個理念，AN提出了MRA結構。MRA包含兩個組件：多無線資源管理(MRRM)和通用鏈路層(GLL)[2]，具體結構見圖2。

3.1 多無線資源管理

MRRM負責在不同接入技術間進行聯合的無線資源管理。MRRM的目標在于通過融合多種無線接入技術進一步提高整個系統的容量和覆蓋范圍；同時，通過選擇最有效的某個或某些無線接入技術，做到資源使用率(頻譜、功率等)、系統開銷、終端用戶性能和服務質量(QoS)要求等因素之間的良好協調。

3.1.1 MRRM的邏輯結構

MRRM在邏輯上可分為兩部分：協調功能塊和補充RRM功能塊。這兩個模塊都建立在網絡本身具有的RRM功能塊之上，見圖3。

協調功能塊的職責范圍橫跨多種可用的無線接入技術，其主要功能包括：動態發現可用接入技術、不同網絡的MRRM之間的通信、接入方式選擇、不同接入技術間的切換、擁塞控制、負載均衡、自適應協調多種無線接入網絡的資源分配等。

補充RRM功能塊是特別為某個無線接入技術設計的模塊，它并沒有取代各種無線接入技術現有的RRM功能塊，而是作為一種補充。補充RRM功能塊可以為現有的無線接入技術提供其缺少或改善其不適用的RRM功能，例如可以為基于IEEE 802.11的WLAN提供接納控制、擁塞控制、無線接入技術內部切換等其所不具備的功能。

一些現有網絡的RRM可能已經具有協調功能，例如3GPP里的負載均衡和接入方式選擇，雖然不是特別地在AN環境下開發的，但這些功能也可以被協調功能塊使用。協調功能塊和補充RRM功能塊之間可通過建立標準化統一接口而分開。

3.1.2 MRRM的功能

MRRM是一個運作在系統層、會話層和數據流層的控制平面功能實體。在系統層，MRRM橫跨兩個或多個無線接入技術，執行頻譜、負載和擁塞控制。在會話層，MRRM用于在相關的數據流之間進行匹配，它的功能可以被系統層操作觸發，也可直接被會話層/數據流層事件觸發，例如會話到來和用戶移動等。在數據流層，MRRM建立和維持無線連接，這種無線連接可能是由并行多跳路由構成的。

(1) 會話層/數據流層功能

會話層/數據流層功能主要包括3個方面：無線接入通告、無線接入發現和無線接入選擇。對于一個動態的網絡，適時地通告帶寬等網絡資源信息是非常重要的。無線接入通告應該向MRRM提供適當及充足的信息，它可作為網絡組合過程中協商開始的依據。無線接入通告的信息包括網絡的存在及網絡提供服務的能力，可能還包括費用信息等。無線接入發現利用通告信息來識別和監控可選的無線接入方式。無線接入選擇在無線接入發現所確定的接入方式中為不同的數據流選出合適的接入方式[3]。

(2) 系統層功能

系統層功能主要是觀察、監測、管理網絡負載和資源利用率，它橫跨多個網絡的MRRM，保持對整體資源的控制，執行擁塞控制、負載均衡和頻譜控制。軟擁塞控制和負載均衡的目的在于探測即將來臨的擁塞，并采取措施來預防真正擁塞的發生。如果軟擁塞控制未能阻止硬擁塞的發生，硬擁塞控制開始強制丟棄某些數據流。在AN中，所有的節點和終端都可以互相協商來共享資源，在擁塞內或附近的節點可以與其相鄰節點溝通來共同解決擁塞問題。此外，引入網絡間的一些互動，包括網絡間的負載均衡(定向切換)或頻譜控制(信道借用)等，將會提高系統預防和解決擁塞的潛在能力。這樣，網絡間可以通過協作來解決擁塞問題，并通過出售空閑頻譜提供一個更有效和靈活的資源使用方式，這是AN所具備而現有系統沒有的新性能，需要進一步的研究。

3.2 通用鏈路層

面對包含各種各樣無線接入技術的未來通信系統，一個巨大的挑戰就是提供一個多無線接入結構來實現異構無線接入網絡的互聯并有效支持豐富多彩的服務。為了保證這種互聯在用戶和服務平面是透明的，需要在原有的鏈路層上進行擴展，為此，AN項目提出了一個通用鏈路層GLL的概念。

GLL位于具體無線接入技術的二層之上或部分取代二層。GLL的設計可與MAC層進行不同程度的耦合，一般來說，耦合程度越高，系統互聯的復雜度越高，但能帶來更多的多接入增益。GLL的統一鏈路層工具箱可以在用戶平面為上層(IP層及IP層以上)提供一個統一接口并自適應于下層(仍保留的具體無線接入技術)鏈路層。GLL所具備的功能一般都運作于用戶平面的數據流，例如在無線接入選擇階段，GLL在精確時間范圍內動態地將數據流以串行或并行的方式映射到MRRM選擇的任意無線接入方式上。

3.2.1 GLL的邏輯結構

AN中的GLL被分為4個功能塊，如圖4，分別是：GLL-控制(Control)、GLL-數據(Data)、GLL-無線鏈路控制(RLC)、GLL-媒體接入控制(MAC)。GLL-Control負責鏈路層配置和與MRRM的交互，包括接入選擇控制、資源監測和性能監測等功能。GLL通過GLL-Data進行移動性管理、緩沖器管理和傳輸環境信息，通過GLL-Data、GLL-RLC進行安全性管理，通過GLL-Data、GLL-MAC進行接入調度。GLL通過GLL-RLC支持差錯和流量控制以及數據分割和重組。

3.2.2 GLL支持的新技術

GLL支持兩種新技術，分別是異構發送分集(MRTD)和異構多跳(MRMH)[4]。

(1) 異構發送分集

MRTD定義為串行或并行的選擇多種接入技術來傳輸數據流。MRTD假設接入網和移動終端都能在多種無線接入技術上發射和接收數據，即都是多模的。MRTD包括串行和并行兩種方式。其中串行MRTD是指在不同無線接入技術間的動態切換，假設用戶最初使用一種接入方式，如果在數據流發送過程中，因為用戶位置的變化或使用的接入方式不能滿足用戶QoS要求，則用戶可以切換到另一種無線接入技術上繼續進行數據傳輸。并行MRTD是指兩個通信實體間的數據流分離在不同的接入技術上進行傳送。由于數據流經過每種接入技術所經歷的衰落是不相關的，因此并行MRTD可得到分集增益，從而提高整個系統可靠性和魯棒性。此外，還可考慮在分組數據包發送前對原始數據進行一定的編碼，接收端對所有的接收結果進行合并解碼處理，從而獲得編碼增益。圖5為下行并行MRTD的原理圖。

(2) 異構多跳

MRMH定義為兩個通信實體之間通過中繼節點，利用多種無線技術來實現多跳通信。MRMH主要通過中繼節點來完成兩個實體間的異構多跳，因此MRMH賦予了中繼新的功能。傳統的中繼主要是為了提高小區的覆蓋范圍和提高小區邊緣用戶的通信質量，即同構多跳技術。而在異構網絡融合的環境中，中繼不但具有數據轉發的功能，還必須能夠完成不同無線接入技術的轉化，使得使用某一特定接入技術的用戶能夠通過異構中繼接入到不同的或非授權的網絡中，這種技術就是異構多跳技術，也是MRMH的主要內容。AN項目通過在中繼上增加GLL技術來使傳統的中繼轉變成為異構中繼。MRMH的具體實現過程見圖6。

隨著研究的深入，將會有更多的研究熱點值得關注，例如：異構中繼的部署，異構多跳網絡的資源調度，異構中繼之間的協作等等，這些將推動著異構多跳技術的不斷發展。

4 結束語

異構網絡融合是下一代網絡在近期內的表現形式，是當前網絡在市場和技術的雙重驅動下的發展趨勢。歐盟第六框架計劃下的AN項目對于網絡的動態組合提出了一個全新的概念，它避免對現有網絡體系較大的改變，通過即時的網絡協定來為用戶提供訪問任意網絡的能力。雖然歐盟的研究在整個世界上居于領先地位，但是由于異構網絡融合是一個長期演進、復雜而龐大的問題，歐盟的研究也處于初始階段，一些其他關鍵問題還亟待解決，例如，融合系統體系結構的資源效能問題、可擴展性問題、系統的自組織與他組織的共性矛盾問題等還需要我們進一步深入持續的研究。

5 參考文獻

[1] NIEBERT N， PRYTZ M. Ambient networks: a framework for future wireless Internetworking[J]. IEEE Vehicular Technology Conference， 2005(5): 2969-2973.

[2]BERGGREN F， BRIA A， et al. Multi-radio resource management for ambient networks[J]. Personal， Indoor and Mobile Radio Communications， 2005(2): 942- 946.

[3]JOHNSSON M， SACHS J， et al. Ambient networks-a framework for multi-access control in heterogeneous networks[J]. IEEE Vehicular Technology Conference， 2005(3): 1672-1676

[4] Dimou K， Aguero R， et al. Generic link layer: a solution for multi-radio transmission diversity in communication networks beyond 3G[J]. IEEE Vehicular Technology Conference， 2005(3):1672-1676.

收稿日期：2008-03-07

程婕，北京郵電大學通信與信息系統專業在讀研究生。主要研究方向為MIMO-

OFDM系統無線資源管理，中繼網絡無線資源管理，異構網絡無線資源管理。

馮春燕，北京郵電大學教授、博士研究生導師、北京郵電大學繼續教育學院副院長、通信網絡綜合技術研究所副所長。主要研究方向為移動通信、寬帶網絡與無線傳感器網絡。發表論文20余篇，出版著作4本。