智慧城市中支持多元業務傳輸的一體化空間網絡架構設計

黃東+楊涌

摘要：隨著IT技術的快速發展，國外已開始建設智慧城市，為使智慧城市中的多元業務高效傳輸，有必要設計一體化空間網絡架構。

關鍵詞：智慧城市；一體化空間網絡；網絡架構

1研究現狀

智慧城市是以智慧技術、智慧產業、智慧人文、智慧服務、智慧管理、智慧生活為特征的城市發展新模式，它是信息行業應用的綜合性集成，云計算的海量數據分布式存儲和并行處理能力為智慧城市提供了重要的途徑。而云計算的發展離不開高速可靠的網絡傳輸平臺，需組建快速可靠的通信系統是智慧城市拓撲結構。

面對上述需求，一體化空間通信網絡技術成為了最現實的系統架構可能。這種無線異構網絡融合了不同類型的無線網絡設備，適合我國地理環境的“無縫覆蓋”“大容量”“復雜應用”等通信網絡要求。

1.1無線異構網絡技術發展現狀

無線異構網絡融合強調從底層開始的網絡互操作性，從而實現資源優化和業務QoS保障。一些研究機構已開展了有關異構融合的關鍵性技術研究，如ETSI BRAN/3GPP，歐盟信息社會技術（IST）框架下的WINE GLASS，MOBYDICK，SUITED，BRAIN/MIND，DRIVE/OVERDRIVE，TRUST/SCOUT等項目。針對異構無線網絡融合模型的研究主要有以蜂窩移動網絡作為廣域覆蓋、WLAN作為熱點（HotSpots）嵌入的網絡互聯方案和以IEEE802系列無線網絡相互融合方案。前者研究的重點是在如何實現移動通信終端通過陸基移動通信網接入局域網、Internet網等網絡；后者重點研究以IEEE802.16城域網作為骨干網，而共享作為熱點覆蓋的IEEE802.11的工作頻段。Berlemann提出了采用IEEE802.16作為基站和基本幀結構控制IEEE802.11的工作站的協同工作方式；而Mohr和Mangold則以IEEE802.16中繼IEEE802.11業務為其研究重點；Wijaya、Mangold則在異構網絡的MAC控制方面進行了探討。

1.2網絡拓撲與拓撲控制技術

網絡拓撲研究從“點對多點”的組網發展到MESH組網。具備多跳路由功能的MESH網絡由于提供了組網的方便性、靈活性、多路徑的可靠性等特性，從而提升了網絡的無線覆蓋能力（避免陰影區）。MESH組網要求網絡有良好的拓撲控制能力，即：通過功率檢測和功率控制構成MESH物理連接。拓撲控制主要研究節點分配功率以獲得特定的網絡拓撲結構和優化網絡的目標函數，目前：拓撲控制已經形成節點功率控制、層次型拓撲控制以及網內節點協同啟發機制（休眠調度）等研究方向。

在異構網絡環境下，拓撲控制面臨諸多新的問題：首先由于每個節點所形成的發射范圍是各不相同的，所以必須考慮網絡的連通性和覆蓋性。其次由于節點具有不同的接收靈敏度和發射功率，必須考慮網絡的能量特性。此外，在空間拓撲結構方面國際上也僅僅展開了較為有限的研究：美國北卡羅萊納大學的Yu Wang，Lijuan Cao andTeresa A.Dahlberg提出網絡在三維空間容錯的拓撲控制算法，并證明了三維幾何拓撲3D k-RNG、3D k-GG和 3Dk-YG的連通性。因此在異構網絡拓撲與拓撲控制技術上還需進行大量的研究工作。

2一體化空間網絡架構

2.1“一體化空間網絡”通信體系應用場景

文章提出的智慧城市中信息傳輸平臺典型工作場景，天地空一體化三維空間的異構網絡，如圖1所示。因此，本課題研究的重點就在于組網模式即如何將低空轉信平臺與地面通信系統密集設備有機地聯系起來構成“空間異構網”的拓撲結構。地面中繼站與空間轉信平臺的切換、站點的入網方式、多址方式、雙工通信方式、組網方式、同步方式和調制解調方式等都將是“一體化空間網絡”無線通信體系中要研究和探索的內容，而本課題重點討論該組網環境所帶來的拓撲控制和無線資源分配的理論問題。

2.2適應“一體化空間網綹”的拓撲控制技術

拓撲控制通常考慮網絡節點設備擁有相同收發器的“同構”網絡，而本課題將要研究的“一體化空間網絡”的拓撲控制算法不僅要考慮發射功率對網絡拓撲的影響，也要考慮不同設備的接收靈敏度，相關計算如下：

其中，RX_min.表示信號能被正確譯碼的最低門限，β表示節點的接收敏感度，N₀表示噪聲，I_j表示接收節點j收到的干擾。從目前研究資料的結果表明，在三維空間試圖尋找拓撲控制問題的最優解是NP-Hard的，所以本課題在研究的過程中應該尋求三維空間拓撲控制的實用解。研究異構網絡三維拓撲結構的可靠性和可重構能力。找到一種保證網絡性能又能提升網絡可靠性的一種拓撲結構，并對網絡可靠性進行評價。

3具體實施

3.1一體化空間網絡新架構，支持智慧城市中的多業務網絡在協議棧底層的互操作性

目前的無線通信系統是通過順從頻率管理要求，按照預先制訂的頻譜規劃方案以及設備所遵守的控制規程來避免不同無線通信網絡（同構或異構網絡）之間的無線干擾。這種靜態規劃方法不能適應無線快速部署需求。課題探索一種網絡架構體系，解決不同無線通信系統的無線共存性問題。研究出發點是：動態資源控制（管理）與底層協議互通。

3.2以各種通信系統一維時間序列的靜態幀結構為基礎探索構建“空間異構”無線網絡新的幀結構

針對“空間異構”無線網絡的體系架構進行新的幀結構設計時，將在各種通信系統一維時間序列的靜態幀結構的基礎上，從時間域，頻率域，地理位置域和能量域、空間域等方面進行綜合考慮，然后進行合理拓展，同時融合隨機接入和受控接入兩種接入機制來適應非同步和同步系統的不同需求，并且也將考慮從確定性資源分配到不確定性資源分配的合理演進，這樣既可滿足異種網絡的融合，也方便移動子網的融合。因此，完成新的幀結構的設計具備相應的條件，具有實現的可能性。

IEEE802系列無線通信網絡這種共存方式僅考慮到局部區域的共存性，并未涉及頻率域，地理位置域和能量域、空間域等，本研究將通過資源控制和異構網絡的幀融合，統一對多維度的資源進行控制，保障不同通信系統工作在至少一維不重疊的資源塊內，避免相互干擾，子容器的結構能為站點提供足夠的且必要的控制信息，將局部區域共存推向立體空間的全局共存，因此實現無線資源統一控制亦具有可行性。

3.3 MESH拓撲控制是實體異構網絡向虛擬異構融合的合理發展手段

“虛擬異構網”是在實體異構網絡的基礎之上，實現拓撲控制算法從“低維”到“高維”、從“靜態”到“動態”、從“物理”到“虛擬”的轉變，如圖2所示。在異構環境中結合鄰近圖DRNG（Directed Relative NeighborhoodGraph）和DLSS（Directed Local Spanning Subgraph）等來解決網絡的連通性和導向性問題；在三維空間中利用3D-DRNG等鄰近圖理論來解決空間異構環境下的拓撲控制機制和策略。因此，在拓撲控制算法上有相應可行的算法基礎支撐。

4結語

文章緊密結合我國智慧城市建設需求，對智慧城市中的通信組網開展理論研究。提出了一種新的多維幀結構設計方法，新的幀設計可有效地利用信道資源，并支持異構網絡的融合、移動子網融合；并提出了對異構拓撲控制與異構無線資源分配算法研究思路，適應多任務體制下的通信系統需要。