端到端重配置技術(shù)綜述

摘要：端到端重配置(E2R)技術(shù)起源于軟件無(wú)線(xiàn)電(SDR)技術(shù)，利用SDR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(wú)線(xiàn)資源的有效利用。E2R技術(shù)研究中有3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，包括E2R的體系結(jié)構(gòu)、E2R的資源管理和E2R的空中接口實(shí)現(xiàn)，已取得較大成果。E2R技術(shù)作為一種具有高適變能力的技術(shù)，是使異構(gòu)無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)從目前的隔離態(tài)走向互通與協(xié)同、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)融合的最具發(fā)展?jié)撡|(zhì)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。目前，E2R的研究已成為未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的關(guān)鍵課題之一。

關(guān)鍵詞：端到端重配置；軟件無(wú)線(xiàn)電；資源管理；空中接口

Abstract: Abstract: The End-to-End Reconfigurability (E2R) technology is derived from the Software Defined Radio (SDR) and establishes the network architecture composed of the SDR terminals and base stations as well as other network elements. It aims at realizing the flexible adaptability of the heterogeneous radio environment and the effective utilization of radio resources with the help of advanced radio resources management mechanisms and flexible air interfaces. There are three key research points of the E2R technology including its architecture， resource management and air interface， and the research has already gotten some results. As a highly suitable technology， E2R changes the heterogeneous wireless system from separated to connected and collaborated. It’s the wireless network technology that has the most potential in realizing network convergence. Nowadays， E2R has become the main focus of researches regarding the future wireless communications network.

Key words: end-to-end reconfigurability; software defined radio; resource management; air interfaces

當(dāng)前，為適應(yīng)不同的通信環(huán)境以及用戶(hù)需求，已經(jīng)開(kāi)發(fā)和形成了多種形式的無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)和通信系統(tǒng)，給網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了豐富的異構(gòu)性。為了使這些異構(gòu)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的互聯(lián)和兼容，20世紀(jì)90年代提出了一種新的無(wú)線(xiàn)通信理念——軟件無(wú)線(xiàn)電(SDR)技術(shù)[1]。其核心思想是模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換盡可能靠近天線(xiàn)，用軟件完成盡可能多的無(wú)線(xiàn)電功能。

SDR雖然提供了設(shè)備的可重配置能力，但是對(duì)于滿(mǎn)足實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的靈活互通、網(wǎng)絡(luò)之間的資源調(diào)度，并為用戶(hù)提供真正意義上的無(wú)縫業(yè)務(wù)體驗(yàn)的需求還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，于是人們開(kāi)始從系統(tǒng)級(jí)的視角關(guān)注SDR在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中的端到端應(yīng)用。此時(shí)，端到端的重配置(E2R)技術(shù)成為了SDR研究的新方向。

1 端到端重配置的概念

重配置技術(shù)針對(duì)無(wú)線(xiàn)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(hù)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，使網(wǎng)絡(luò)和終端支持多種接入技術(shù)，且可靈活適配。相比SDR技術(shù)僅限于終端的狹窄思路，E2R考慮的更為全面，涉及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的各個(gè)環(huán)節(jié)和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的所有層次，是一種具有前瞻性的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的解決方案。它以SDR為基礎(chǔ)，將網(wǎng)絡(luò)和終端的重配置納入整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理和控制框架，建立了一套完整的可重配置系統(tǒng)。

2 端到端重配置的主要研究?jī)?nèi)容

E2R研究的具體目標(biāo)是構(gòu)造由重配置設(shè)備和相關(guān)的發(fā)現(xiàn)、控制及管理機(jī)制共同構(gòu)成的完整重配置體系，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可重配置性。為了實(shí)現(xiàn)重配置能力的可管理、可配置等要求，定義完整的管理框架、完善的交互流程和接口以及聯(lián)合無(wú)線(xiàn)資源管理和頻譜管理機(jī)制是有必要的。E2R有以下3個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容。

2.1 端到端重配置的體系結(jié)構(gòu)

支持E2R的體系結(jié)構(gòu)，其目標(biāo)是在物理結(jié)構(gòu)中為網(wǎng)絡(luò)部署定義相關(guān)的功能實(shí)體，同時(shí)和傳統(tǒng)控制、管理和用戶(hù)數(shù)據(jù)平面互通。圖1是E2R的體系結(jié)構(gòu)圖，描述了與協(xié)議模型分層原則相關(guān)的邏輯功能，將協(xié)議結(jié)構(gòu)分為3個(gè)分層子系統(tǒng)，分別是傳輸網(wǎng)絡(luò)層、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層[2]。有類(lèi)似功能的實(shí)體包括在同一層中，每一層的協(xié)議可在多個(gè)接口間操作，也可以根據(jù)它們提供的機(jī)制組合在一起并實(shí)現(xiàn)互通。這些邏輯實(shí)體被擴(kuò)展到多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中去，形成一系列協(xié)議機(jī)制，并對(duì)系統(tǒng)范圍內(nèi)公共功能的分布式執(zhí)行起到重要作用。

這里，最主要的兩類(lèi)邏輯功能實(shí)體是本地重配置管理器(LRM)和重配置支持功能(RSF)，二者均屬于重配置管理平面(RMP)。其中，位于移動(dòng)終端(MT)和基站(BS)中的LRM負(fù)責(zé)完成從應(yīng)用層、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層直到基帶調(diào)制解調(diào)器和硬件等各層協(xié)議和軟件的重配置管理，而分散在各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的RSF則負(fù)責(zé)處理終端和網(wǎng)絡(luò)之間的信息交互，協(xié)調(diào)整個(gè)E2R過(guò)程，并提供必要的資源[2-3]。RMP可以看作是為實(shí)現(xiàn)協(xié)議棧各層靈活重配置而設(shè)計(jì)的管理功能的抽象集合，它提供了對(duì)業(yè)務(wù)應(yīng)用以及終端和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的層抽象，并負(fù)責(zé)完成包括上下文管理、策略提供、業(yè)務(wù)管理、軟件下載等所有重配置相關(guān)的任務(wù)，是整個(gè)E2R體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。

2.2 端到端重配置的資源管理

異構(gòu)資源的最優(yōu)化使用是E2R技術(shù)的關(guān)鍵目標(biāo)之一。可重配置系統(tǒng)中的資源管理機(jī)制分為3種：動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和管理(DNPM)、先進(jìn)的頻譜管理(ASM)和先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)資源管理(ARRM)。它們構(gòu)成了可重配置系統(tǒng)中資源優(yōu)化框架的3大基本模塊。這3個(gè)資源優(yōu)化管理模塊彼此聯(lián)系，互為輸入和輸出，其基本關(guān)系如圖2所示。

DNPM主要負(fù)責(zé)一些網(wǎng)絡(luò)側(cè)設(shè)備的重配置管理，并包含“規(guī)劃”和“管理”兩個(gè)階段的任務(wù)。在初始規(guī)劃階段，DNPM完成有關(guān)無(wú)線(xiàn)接口可行性、基站位置、天線(xiàn)模式、子網(wǎng)耦合結(jié)構(gòu)等方面的分析和選擇；在管理階段，DNPM能夠自動(dòng)調(diào)整相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的參數(shù)配置(如改變天線(xiàn)傾角)，觸發(fā)重配置過(guò)程(如改變BS收發(fā)器所用的無(wú)線(xiàn)接入技術(shù))，以適應(yīng)業(yè)務(wù)環(huán)境的變化。

ASM實(shí)現(xiàn)的功能是根據(jù)業(yè)務(wù)量的變化，利用感知無(wú)線(xiàn)電和網(wǎng)元重配置能力，在運(yùn)營(yíng)商之間或者異構(gòu)無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)之間動(dòng)態(tài)、靈活地進(jìn)行頻譜資源的重新分配[2-4]。研究表明，目前頻譜資源并不是真正地“稀缺”，而是利用得不夠充分，特別是考慮到不同無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)的業(yè)務(wù)特性在時(shí)間變化上的差異性。因此，頻譜資源的二次分配和再利用對(duì)于提高頻譜效率以及運(yùn)營(yíng)商收益都顯得非常有意義。

ARRM由本地?zé)o線(xiàn)資源管理(LRRM)和聯(lián)合無(wú)線(xiàn)資源管理(JRRM)兩部分組成，主要負(fù)責(zé)在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和頻譜資源相對(duì)固定的情況下，完成可重配置系統(tǒng)中無(wú)線(xiàn)資源（包括接入權(quán)限、時(shí)隙、碼字、載波、帶寬、功率等）的動(dòng)態(tài)管理（分配，釋放）。其中，LRRM管理同一無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)內(nèi)部資源分配，與傳統(tǒng)的RRM方法類(lèi)似；而JRRM管理多個(gè)異構(gòu)無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)之間的無(wú)線(xiàn)資源分配[2-5]，是可重配置系統(tǒng)特有的功能，也是ARRM的主要研究?jī)?nèi)容。

2.3端到端重配置的空中接口實(shí)現(xiàn)

融合的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)為用戶(hù)提供了各種空中接口技術(shù)。為了提供泛在無(wú)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。這需要E2R采用基于通用協(xié)議棧理念的多模協(xié)議棧設(shè)計(jì)，靈活、動(dòng)態(tài)地配置空中接口。

多模協(xié)議棧統(tǒng)一建模流程如圖3所示。目前異構(gòu)接入技術(shù)的通用協(xié)議棧執(zhí)行著很多相似的功能，抽取這些通用功能，并結(jié)合與技術(shù)相關(guān)的特殊功能構(gòu)造出系統(tǒng)專(zhuān)用協(xié)議棧，通過(guò)增加跨棧管理與重配置管理功能形成重配置多模協(xié)議棧。這一流程的關(guān)鍵是將每層功能劃分為通用和特殊部分，不同協(xié)議層在協(xié)議功能、協(xié)議架構(gòu)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、協(xié)議框架及協(xié)議管理方面都能提取相應(yīng)的通用功能。

從軟件工程的角度看，有兩種構(gòu)建通用部分的方法：可參數(shù)化的功能模塊方法和抽取特定協(xié)議棧通用部分的繼承方法，這兩種方法的結(jié)合是構(gòu)造多模協(xié)議棧的最理想方法。 特殊部分主要是與技術(shù)相關(guān)的功能，這部分功能是不同無(wú)線(xiàn)空中接口技術(shù)所特有的，其他類(lèi)型的無(wú)線(xiàn)空中接口技術(shù)或同一類(lèi)型的無(wú)線(xiàn)空中接口技術(shù)的其它模式中不具備的功能，例如與某一通信環(huán)境相關(guān)模式中的物理資源和參數(shù)分配功能。多模協(xié)議棧通過(guò)對(duì)通用功能和特殊功能的逐層分解，實(shí)現(xiàn)了靈活的多模式支持能力。

3 端到端重配置的展望

E2R技術(shù)作為一種具有高適變能力的技術(shù)，是使異構(gòu)無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)從目前的隔離態(tài)走向互通與協(xié)同、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)融合的最具發(fā)展?jié)撡|(zhì)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。目前，E2R的研究已成為未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的關(guān)鍵課題之一。

以后的研究有以下目標(biāo)：通過(guò)對(duì)商業(yè)模型的完善及商業(yè)模型參數(shù)的確定來(lái)保證重配置系統(tǒng)商業(yè)發(fā)展的可持續(xù)性；在已經(jīng)提出的系統(tǒng)性能、架構(gòu)和RMP的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)重配置管理和控制架構(gòu)進(jìn)一步完善，并加強(qiáng)終端、運(yùn)營(yíng)商、服務(wù)提供商和新加入者之間的合作，使得感知網(wǎng)絡(luò)和可配置終端之間的智能和功能分配達(dá)到最優(yōu)，從而實(shí)現(xiàn)兩者之間的協(xié)調(diào)工作。此外，通過(guò)研究相關(guān)的無(wú)線(xiàn)資源理論和建模思想提高無(wú)線(xiàn)資源的利用率，加強(qiáng)在動(dòng)態(tài)重配置機(jī)制、公開(kāi)接口，確認(rèn)和原型機(jī)制方面的研究，進(jìn)一步增強(qiáng)重配置連接性，最終實(shí)現(xiàn)未來(lái)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的泛在接入、多樣的業(yè)務(wù)類(lèi)型、動(dòng)態(tài)資源管理和用戶(hù)靈活、無(wú)縫和高質(zhì)量的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

未來(lái)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的異構(gòu)性，為了使異構(gòu)資源的使用和用戶(hù)對(duì)業(yè)務(wù)的體驗(yàn)最優(yōu)化，提出了基于SDR的E2R技術(shù)。目前E2R技術(shù)在體系結(jié)構(gòu)、資源管理、管理機(jī)制和空中接口實(shí)現(xiàn)等方面取得了很大的研究成果，但在商業(yè)模型、管理和控制架構(gòu)、無(wú)線(xiàn)資源的有效使用及動(dòng)態(tài)重配置和原型機(jī)制等方面仍需要大量的研究工作。

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收稿日期：2007-03-23