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(shì)，在豐富了網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的多樣性的同時(shí)，也給網(wǎng)絡(luò)管理和技術(shù)演進(jìn)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(qiáng)烈，從而促進(jìn)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(rèn)知理論越來越緊密的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境到未來的有認(rèn)知能力的重配置異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的漸進(jìn)演化，將是異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的重要研究?jī)?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(shí)體為基礎(chǔ)定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu), 結(jié)合先進(jìn)的資源管理機(jī)制和靈活的空中接口實(shí)現(xiàn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)異構(gòu)環(huán)境的靈活適應(yīng)和對(duì)異構(gòu)無線資源的有效利用[1]。
重配置技術(shù)是一種實(shí)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(diǎn)是實(shí)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(shí)體間完成所有通信的節(jié)點(diǎn)的適用性，包括設(shè)備(終端、基站、接入點(diǎn)、網(wǎng)關(guān))的配置及重配置和對(duì)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(yīng)的解決方案來實(shí)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(biāo)如下：
端到端用戶及運(yùn)營(yíng)商的無縫體驗(yàn)
增強(qiáng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的適應(yīng)性
減少大型系統(tǒng)演化及調(diào)度維護(hù)的開銷成本
實(shí)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(duì)于重配置技術(shù)的研究，國(guó)際上已經(jīng)取得了初步成果，歐盟發(fā)起的信息 社會(huì)技術(shù)(IST)計(jì)劃中，與認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)研究相關(guān)的項(xiàng)目就包括CAST、TRUST、SCOUT、AN、E2R等20多個(gè)，其中E2R項(xiàng)目[2-3]研究最為成熟。E2R項(xiàng)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(duì)系統(tǒng)動(dòng)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(duì)整個(gè)世界在此方向上的研究起到了積極的推動(dòng)作用。E2R的主要成就包括以下幾個(gè)方面：
提出了端到端重配置體系架構(gòu)，包括與現(xiàn)存標(biāo)準(zhǔn)的映射;
提出了經(jīng)過改進(jìn)的自認(rèn)知重配置管理平面;
建立了能實(shí)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(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及管理(DNPM);
提出了高級(jí)頻譜管理(ASM);
提出了獨(dú)立可操作的聯(lián)合無線資源管理(JRRM)技術(shù);
提出了感知導(dǎo)頻信道(CPC)。
此外，一些國(guó)際研究機(jī)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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。基于認(rèn)知的端到端重配置的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)體均具備自適應(yīng)、自配置能力，因此也對(duì)整個(gè)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(gè)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(dòng) 通信系統(tǒng)的范例，目前正致力于將自適應(yīng)重配置管理平面[4]規(guī)劃成一個(gè)統(tǒng)一的控制和管理系統(tǒng)框架來調(diào)整引入到實(shí)體間的端到端的交互，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模式下支持重配置功能的機(jī)制的策略與執(zhí)行。
自適應(yīng)重配置管理平面包含軟件定義的業(yè)務(wù)運(yùn)作組成的不可知網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立協(xié)議模型，它既可以作為現(xiàn)有的控制管理平面的擴(kuò)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(shí)現(xiàn)其動(dòng)態(tài)自主重配置的功能，自適應(yīng)重配置管理平面進(jìn)行了一些改進(jìn)[5]。改進(jìn)的模型稱為“自認(rèn)知重配置管理平面”，它把整個(gè)網(wǎng)元看作一個(gè)自主化實(shí)體，提供越層控制和重配置功能。
如圖1所示，自認(rèn)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(rèn)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(biāo)記、檢測(cè)當(dāng)?shù)乜捎觅Y源、執(zhí)行資源分配命令并形成行為報(bào)告，以實(shí)現(xiàn)全球資源的最優(yōu)化。
決策重配置管理模塊：提出并評(píng)估動(dòng)態(tài)策略規(guī)則。在定義系統(tǒng)行為時(shí)，這些規(guī)則在用戶和應(yīng)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(rèn)知學(xué)習(xí)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(jìn)行協(xié)議層和越層重配置方式的轉(zhuǎn)換，負(fù)責(zé)當(dāng)?shù)刭Y源的自我最優(yōu)化調(diào)整并具有自我修復(fù)功能;另外，它還可以提供接入及安全控制機(jī)制，負(fù)責(zé)記錄重配置結(jié)果信息 。
認(rèn)知服務(wù)模塊：負(fù)責(zé)相關(guān)的容量控制和服務(wù)自適應(yīng)程序。
感知導(dǎo)頻信道[6]：通過“帶外”物理信道和“帶內(nèi)”邏輯信道實(shí)現(xiàn)多運(yùn)營(yíng)商場(chǎng)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(shí)現(xiàn)整個(gè)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(rèn)知服務(wù)模塊提供的容量控制及服務(wù)應(yīng)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(yīng)性系統(tǒng)上提供高效的多空中接口支持能力，以適應(yīng)各種場(chǎng)景。其中一些具體流程及相應(yīng)的設(shè)計(jì)問題將成為未來端到端重配置技術(shù)研究的重點(diǎn)。
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(biāo)是最大程度提高無線資源利用率，為移動(dòng) 用戶提供一種“無縫體驗(yàn)”。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，必須減少不同無線接入技術(shù)、與接入技術(shù)對(duì)應(yīng)的無線頻譜資源分配機(jī)制和由不同接入技術(shù)所運(yùn)營(yíng)的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的特殊性三者之間的差異。在此假設(shè)支撐下，為實(shí)現(xiàn)頻譜分配的更加動(dòng)態(tài)化，定義了不同資源最優(yōu)化技術(shù)并通過評(píng)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(shù)從不同管理域短期無線資源分配，延伸到單運(yùn)營(yíng)商異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下頻譜資源的中期動(dòng)態(tài)分配，及不同運(yùn)營(yíng)商條件下接入網(wǎng)絡(luò)的無線資源的復(fù)雜分配及管理。后面的技術(shù)范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大，包括能夠?qū)τ趯?shí)時(shí)變化的可操作條件及需求作出反應(yīng)的動(dòng)態(tài)無線規(guī)劃技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)某地理區(qū)域資源的長(zhǎng)期分配。
E2R中研究了一系列獨(dú)立可操作的動(dòng)態(tài)無線資源分配策略及技術(shù)，包括DNPM、ASM和JRRM。E2R提出了一種適應(yīng)于所有級(jí)別案例的體系框架，包括不同的系統(tǒng)構(gòu)想及時(shí)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(biāo)是在運(yùn)用任意分配技術(shù)的時(shí)、空域條件下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)機(jī)制功能最優(yōu)化。
DNPM、ASM、JRRM功能如圖2所示。3項(xiàng)功能互相作用、互相聯(lián)系，可以看作互鎖循環(huán)，每個(gè)循環(huán)都依據(jù)相鄰循環(huán)的輸出參數(shù)做出相應(yīng)的反應(yīng)。一個(gè)循環(huán)距離系統(tǒng)中心越近，需要的反應(yīng)時(shí)間就越短，相應(yīng)的再分配時(shí)間也會(huì)變短。從一個(gè)整體系統(tǒng)的觀點(diǎn)來看，為了實(shí)時(shí)有效的運(yùn)作，JRRM、DNPM、ASM需要交互信息 ，如基站參數(shù)、空/時(shí)域通信流量測(cè)量、無線接入技術(shù)規(guī)范、用戶參數(shù)選擇等。圖2中，白色箭頭指網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部接口，棕色箭頭指對(duì)外的接口。
功能體系結(jié)構(gòu)的主要機(jī)制推動(dòng)了不同時(shí)空域、不同負(fù)載及需求下的無線資源的動(dòng)態(tài)分配。在時(shí)域，ASM、JRRM技術(shù)用來處理資源極短、短期分配，DNPM技術(shù)主要用來處理多接入技術(shù)、服務(wù)下的中長(zhǎng)期資源的動(dòng)態(tài)分配。
設(shè)計(jì)JRRM是用來實(shí)現(xiàn)在異構(gòu)條件下通信流量的最優(yōu)化，側(cè)重點(diǎn)是不同接入技術(shù)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(shí)現(xiàn)保護(hù)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(shù)和收發(fā)器頻譜分配、用戶需求QoS水平和無線接入技術(shù)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(yīng)用無線接入技術(shù)的傳輸邏輯信道。同時(shí)提出了從網(wǎng)絡(luò)到移動(dòng) 終端(MT)單向信息供應(yīng)方法和雙向交換機(jī)制(用來進(jìn)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(cè)條件、鏈接服務(wù)質(zhì)量及資源選擇策略報(bào)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(luò)
如何對(duì)重配置技術(shù)理論繼續(xù)深化和創(chuàng)新，并在現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)予以應(yīng)用，并最終實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境到未來的具有認(rèn)知能力的重配置異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的漸進(jìn)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(luò)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，仍有不少問題需要解決，主要包括網(wǎng)絡(luò)的自主認(rèn)知能力實(shí)現(xiàn)和重配置技術(shù)在現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用等內(nèi)容[7-9]。
網(wǎng)絡(luò)的自主認(rèn)知能力：隨著無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的多樣化和異構(gòu)化，傳統(tǒng)的管理方式將不再適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的越來越多變的特性。為能夠及時(shí)應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的最優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)的自主能力成為異構(gòu)重配置無線網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容，這里的自主包括網(wǎng)絡(luò)和終端的自認(rèn)知、自管理、自配置、自學(xué)習(xí)等方面能力，認(rèn)知理論[10]是網(wǎng)絡(luò)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(luò)的通信實(shí)體，包括終端都有認(rèn)知功能，都能在通信過程中實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)、自配置的認(rèn)知過程。重配置無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通過執(zhí)行認(rèn)知循環(huán)來實(shí)現(xiàn)信息 交互，實(shí)現(xiàn)資源最優(yōu)化的目的。
重配置技術(shù)在現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用：為充分利用各種無線接入技術(shù)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的最優(yōu)化利用，未來重配置無線網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)組成元素，包括終端、基站、接入點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)等，都應(yīng)該具有重配置能力。重配置技術(shù)針對(duì)無線接入環(huán)境的異構(gòu)性特點(diǎn)，以異構(gòu)資源的最優(yōu)化使用和用戶對(duì)業(yè)務(wù)的最優(yōu)化體驗(yàn)為目標(biāo)，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(shè)計(jì)思想，通過軟件和通信協(xié)議下載和配置，使網(wǎng)絡(luò)和終端支持多種接入技術(shù)，并且可靈活適配。
為此，除了新型商業(yè)運(yùn)營(yíng)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(shù)體系相關(guān)的問題包括體系結(jié)構(gòu)與功能模塊設(shè)計(jì)、設(shè)備管理機(jī)制與流程、優(yōu)化的資源管理。隨著重配置無線網(wǎng)絡(luò)研究的不斷發(fā)展，對(duì)這幾個(gè)方面的研究有了新的要求：
(1)體系結(jié)構(gòu)與功能模塊設(shè)計(jì)
重配置理論強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的概念，在已有的重配置體系框架研究的基礎(chǔ)上，為了全面的支持對(duì)認(rèn)知技術(shù)和網(wǎng)元的管理，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不得不重新細(xì)致地考慮。這里需要研究網(wǎng)絡(luò)功能的構(gòu)成、網(wǎng)絡(luò)實(shí)體的部署拓?fù)湟约肮δ芘c實(shí)體間的耦合關(guān)系，設(shè)計(jì)適應(yīng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的具有前瞻性的重配置認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)。
(2)設(shè)備管理機(jī)制與流程
端到端重配置不僅指無線接入技術(shù)(即制式)的改變，還包括更多、更具體的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置模式和功能變化;隨著技術(shù)演進(jìn)，終端和基站等設(shè)備將不僅具有重配置能力，還將擁有對(duì)網(wǎng)絡(luò)和外部環(huán)境的認(rèn)知能力。為此，需要研究網(wǎng)元功能的細(xì)粒度分解和重組的規(guī)則，設(shè)備對(duì)外部環(huán)境狀況的認(rèn)知，多種網(wǎng)絡(luò)實(shí)體間的信息 交互和協(xié)商機(jī)制，上下文的收集和管理機(jī)制，以及相應(yīng)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(luò)之間的技術(shù)互補(bǔ)性引發(fā)了網(wǎng)絡(luò)融合的趨勢(shì)，而目標(biāo)就是要獲得網(wǎng)絡(luò)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(shù)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(fù)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(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)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(shí)現(xiàn)，同時(shí)需要設(shè)計(jì)先進(jìn)有效的優(yōu)化算法和機(jī)制。
3 結(jié)束語(yǔ)
重配置技術(shù)在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框架及相應(yīng)模塊和流程、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)認(rèn)知功能的實(shí)現(xiàn)和具體技術(shù)實(shí)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(luò)中通信實(shí)體的自主、自適應(yīng)、智能 化的實(shí)現(xiàn)，形成新一代的具有自主認(rèn)知功能的重配置網(wǎng)絡(luò)體系。
