1 國內(nèi)外異構無線網(wǎng)絡融合研究和應用的現(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整合到統(tǒng)一的網(wǎng)絡環(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，國際標準化組織和學術界都對異構無線融合的技術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)絡實現(xiàn)對WLAN 的鑒權認證，并讓WLAN終端能使用移動網(wǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務。
IEEE 802.21工作組主要研究如何在異種接入技術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系列接入技術之間的切換以及IEEE系列和蜂窩網(wǎng)絡之間的切換。
異構無線網(wǎng)絡是指在傳統(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。異構網(wǎng)不同范圍小區(qū)相互重疊覆蓋，形成異構分層無線網(wǎng)絡。
目前以宏基站為主的網(wǎng)絡部署已經(jīng)很難滿足容量需求，運營商、設備及終端制造商一直在推動異構無線網(wǎng)絡融合的應用，接入網(wǎng)絡架構上引入小基站作為網(wǎng)絡部署的關鍵點，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、云構架的基帶池以及虛擬化的網(wǎng)絡控制器，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網(wǎng)絡(HetNet)的商用部署進展。
2 異構無線網(wǎng)絡融合的關鍵技術及方案進展
異構無線網(wǎng)絡融合基于新的架構設計思想，需要高效關鍵技術支撐，賦予網(wǎng)絡新的能力。對于共性的融合與個性的協(xié)同，是異構網(wǎng)絡發(fā)展的方向。如何使異構無線網(wǎng)絡融合體現(xiàn)出資源協(xié)同、業(yè)務統(tǒng)一、管理智能的特征，是異構網(wǎng)絡規(guī)模商用面臨的關鍵問題。
在異構無線網(wǎng)絡融合環(huán)境下，協(xié)同技術主要包括聯(lián)合無線資源管理，異構移動性管理，中繼節(jié)點功率分配等。聯(lián)合無線資源管理能保證異構網(wǎng)絡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)絡容量和站址密度的提高，小區(qū)變得越來越小，使得異構無線網(wǎng)絡間的垂直切換更加頻繁，垂直切換算法是保障業(yè)務連續(xù)性的前提。現(xiàn)有的移動性管理技術已經(jīng)無法滿足終端在異構網(wǎng)絡間的無縫切換、位置管理等需求，必須提供一個開放自適應，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。
異構無線網(wǎng)絡融合要求深刻把握數(shù)據(jù)業(yè)務發(fā)展規(guī)律，擴展數(shù)據(jù)業(yè)務特征表述維度，在網(wǎng)絡接入選擇機制設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)務類型、計費模式、單位價格等非技術因素。采用基于AHP層次設計思想的多目標算法，統(tǒng)籌考慮技術市場多個因素，能夠提高網(wǎng)絡選擇的準確性，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)議結構不能很好適配異構無線網(wǎng)絡融合，需要打破原有分層結構的協(xié)議設計，實現(xiàn)跨層設計，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。跨層設計的核心思想是形成協(xié)議棧對網(wǎng)絡條件進行觀察，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，進行自適應系統(tǒng)優(yōu)化。
異構無線網(wǎng)絡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)絡的協(xié)同工作，需要網(wǎng)絡管理的智能化。智能管理可以實現(xiàn)網(wǎng)絡參數(shù)的自動規(guī)劃和配置、多制式多層次網(wǎng)絡的移動性優(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)絡能通過主動地感知無線頻譜使用，認知無線環(huán)境，自適應地重配置網(wǎng)絡資源、工作模式與參數(shù)，進而實現(xiàn)與周邊無線網(wǎng)絡協(xié)同工作的目標。自組織網(wǎng)絡SON(Self-Organizing Networks)能夠通過自動化機制簡化運營任務來降低無線網(wǎng)絡規(guī)劃、優(yōu)化和管理的成本，同時提高運維效率和網(wǎng)絡質(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)務的普及，我國運營商的網(wǎng)絡規(guī)模持續(xù)擴大，GSM網(wǎng)絡基站數(shù)已經(jīng)超過了100萬個，WLAN無線網(wǎng)AP設備超過300萬臺，WLAN功能成為智能終端上的標配模塊，多種接入技術共存將成為長期特征。面向LTE技術引入，在3GPP體系中網(wǎng)絡架構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。結合現(xiàn)網(wǎng)改造和技術演進，形成支持多種接入的分組融合目標網(wǎng)，進而構筑寬帶、融合、開放、可運營可管理的核心網(wǎng)絡，提升網(wǎng)絡在全IP環(huán)境下多業(yè)務支持能力，降低投資和運維成本。分組融合目標網(wǎng)架構具體見圖1。
圖1 融合多種接入方式的分組融合目標網(wǎng)架構
異構無線網(wǎng)絡融合方案不僅可以進行業(yè)務均衡，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無線網(wǎng)絡融合方案時，需要從業(yè)務需求、對現(xiàn)網(wǎng)影響、投資成本以及后續(xù)網(wǎng)絡演進等多方面考慮，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，不斷擴大無線技術的應用范圍。
3 異構無線網(wǎng)絡發(fā)展對現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡規(guī)劃理念的影響
異構無線網(wǎng)絡規(guī)劃目前指在2G、3G、LTE、WLAN等多種接入技術共存的背景下，立足于融合和協(xié)同，結合用戶行為和業(yè)務特征，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協(xié)同和異構融合，形成資源管理科學、運行機制高效的異構網(wǎng)。
鑒于我國通信產(chǎn)業(yè)的實際情況，異構無線網(wǎng)絡融合的發(fā)展過程，不會是產(chǎn)生全新的網(wǎng)絡，而是不斷融合新的接入網(wǎng)。在現(xiàn)有多制式共存的基礎上發(fā)展異構無線融合網(wǎng)絡，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。結合異構無線網(wǎng)絡發(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，服務于異構無線網(wǎng)絡融合的實現(xiàn)。異構無線網(wǎng)絡融合發(fā)展對現(xiàn)有網(wǎng)絡規(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)務分類表識別業(yè)務類型，結合網(wǎng)絡特性，選擇不同的路由策略，將不同的業(yè)務承載到不同的網(wǎng)絡中去，從而達到資源優(yōu)化配置，提升用戶感知的目的。
4 異構無線網(wǎng)絡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 異構無線網(wǎng)絡融合發(fā)展對現(xiàn)有網(wǎng)絡規(guī)劃理念的影響
1) 技術難度加大。無線網(wǎng)和移動網(wǎng)在寬帶化演進中不斷提出新的技術，但技術的實現(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，射頻技術要求大大提高的挑戰(zhàn)。
2) 干擾協(xié)調(diào)復雜。異構網(wǎng)絡在原來的小區(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，分層異構網(wǎng)絡拓撲結構的變化，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)劃與實際異構無線網(wǎng)絡動態(tài)頻譜需求之間的矛盾，導致面向異構無線網(wǎng)絡寬帶應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，異構網(wǎng)絡系統(tǒng)中難以獲得。
4.2 未來異構無線網(wǎng)絡融合發(fā)展的實施策略及建議
從我國運營商網(wǎng)絡基礎設施的發(fā)展現(xiàn)狀考慮，異構無線網(wǎng)絡融合可以大致分為三個階段：認證計費融合階段、網(wǎng)絡終端融合階段以及無縫業(yè)務體驗階段。融合的目標是實現(xiàn)業(yè)務連續(xù)性，達到無縫體驗，終端上的業(yè)務在無線網(wǎng)與蜂窩網(wǎng)間跨系統(tǒng)移動時能夠保持數(shù)據(jù)業(yè)務連接不中斷。根據(jù)可使用的網(wǎng)絡資源，結合融合移動性管理，網(wǎng)絡或終端可為不同的業(yè)務選擇最優(yōu)的接入網(wǎng)絡。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)務創(chuàng)新推動著不同寬帶技術的演進，如何根據(jù)市場需求促進異構無線網(wǎng)絡融合，成為目前異構網(wǎng)絡發(fā)展關注的重點。我國異構無線網(wǎng)絡部署需要因地制宜，分步實施。
1) 依托通信新技術新組網(wǎng)實現(xiàn)異構無線網(wǎng)絡融合的目標。3GPP和IEEE組織在網(wǎng)絡升級演進中形成的通信新技術在提升系統(tǒng)容量和頻譜效率中的關鍵作用奠定了異構無線網(wǎng)絡融合的基礎。認知無線電技術可以應用在頻譜感知檢測、自適應傳輸、動態(tài)頻譜管理方面。多無線電協(xié)作技術在網(wǎng)絡容量提升，移動性管理增強上具有領先優(yōu)勢。
針對異構無線網(wǎng)絡融合問題，歐盟的信息社會技術(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)絡融合架構、資源管理、終端設計和QoS業(yè)務等方面，但與為用戶提供無處不在的系統(tǒng)和業(yè)務的異構網(wǎng)絡融合目標還有很大差距。環(huán)境感知網(wǎng)絡(Ambient Networks,AN)和無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(Wireless Mesh Network,WMN)，可以為異構無線網(wǎng)絡融合理論和實現(xiàn)提供新的研究空間。
2) 面向異構無線網(wǎng)絡融合特征推進網(wǎng)絡維護和管理手段轉型。異構無線融合提高了網(wǎng)絡整體運維復雜度，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，進行合理的數(shù)據(jù)組織和建立相應的網(wǎng)管支撐體系，確保數(shù)據(jù)的一致性。結合數(shù)據(jù)挖掘，對不同網(wǎng)絡間的問題進行有效關聯(lián)，形成統(tǒng)一的運營平臺。
在推進異構無線網(wǎng)絡融合中，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)絡維護和管理的轉型。
3) 研發(fā)面向異構無線網(wǎng)絡規(guī)劃測試優(yōu)化的先進工具平臺。基于對異構網(wǎng)絡無線鏈路的動態(tài)性、用戶的移動性和業(yè)務的多變性進行統(tǒng)計和建模，通過開發(fā)相應的異構無線網(wǎng)絡端到端測試分析和優(yōu)化系統(tǒng)平臺來支撐融合業(yè)務開展。系統(tǒng)平臺架構設計必須支持靈活的組網(wǎng)方式，適應復雜的網(wǎng)絡結構，具有開放性和可擴展性。
鑒于異構無線網(wǎng)絡關鍵技術和接入選擇機制的復雜性、新型終端形態(tài)的多樣性，關鍵技術的實際效果越來越依賴于高性能計算，異構無線融合網(wǎng)絡規(guī)劃和優(yōu)化必須依賴于可以仿真其關鍵技術性能的工具平臺做指導。工具平臺可引入動態(tài)仿真技術應用于小范圍的熱點多層網(wǎng)絡分析，做到網(wǎng)絡資源的高效調(diào)度和科學規(guī)劃。
4) 立足全程全網(wǎng)提升異構無線網(wǎng)絡融合的安全保障水平。終端智能化、網(wǎng)絡IP化、業(yè)務多元化的趨勢使異構無線網(wǎng)絡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，構建高柔性免受攻擊的異構無線網(wǎng)絡融合安全防護模型。
異構網(wǎng)絡環(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)境的相關技術，構建主動安全體系。針對異構無線融合網(wǎng)絡結構，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)提升異構無線網(wǎng)絡的安全保障能力。
5 結束語
異構無線網(wǎng)絡融合是下一代網(wǎng)絡發(fā)展的必然趨勢，無線傳感器網(wǎng)絡、短距離無線通信網(wǎng)也是異構網(wǎng)絡研究的范疇。目前國內(nèi)外的各種研究基本上都是關注兩三種制式異構網(wǎng)絡的互聯(lián)互通，關于多制式異構網(wǎng)絡研究的比較少。多制式的異構網(wǎng)絡能提供更大的系統(tǒng)容量，能適應更復雜的應用環(huán)境，隨著廣播系統(tǒng)、衛(wèi)星通信等其它接入技術與現(xiàn)有通信網(wǎng)的深度融合，異構無線網(wǎng)絡最終會實現(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”的服務目標。
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本文標題：異構無線網(wǎng)絡融合關鍵問題和發(fā)展趨勢探討
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