异构网络融合的优化网络架构探究

目前，国内外都在探讨下一代网络架构，异构网络之间的协作与融合是一个重要的研究方向。本节对几种典型的网络系统架构进行简要的阐述与分析，分别代表了基于认知技术的智能网络架构、以蜂窝网络为主体的网络融合架构，以及面向互联网的网络融合架构。

1.复合可重构无线网络

复合可重构无线网络（Composite Reconfigurable Wireless Net-works）概念^{[2，20，21]}是由欧洲IST第6工作框架（Framework Program 6，FP6）^[22]于2003年提出的。“复合（Composite）”源于复合无线电（Composite Radio）概念^[23]，在这里是指异构网络之间的相互合作；“可重构（Reconfigurable）”源于软件定义无线电（Software Defined Radio，SDR）概念^[23]，在这里是指用户终端能够基于软件无线电技术，根据外界通信环境的变化进行重新配置。复合可重构无线网络的目标是在异构网络并存的无线环境中，建立一个灵活、有标准组件、可升级演进的自适应网络管理平台，使得各类网络充分发挥各自的特点，并且能够根据用户和业务的需要相互合作，对不同网络进行动态地规划和管理，达到最优化地综合利用各种通信资源，为用户提供基于全IP、多样化（包括多媒体业务、用户定位等）的无缝服务^[4]。在此之后，IST第7工作框架（FP7）在前期研究的基础上，提出了认知网络（Cognitive Networks）的概念。“认知（Cogni-tive）”源于认知无线电（Cognitive Radio，CR）概念，它将认知无线电技术应用于异构网络的协作通信，致力于构建一个智能化的无线通信网络^[3]。

复合可重构无线网络包括网络复合和终端可重构两个部分，图6-2所示为复合可重构网络的基本结构示意图^[24]。

图6-2 复合可重构网络的基本结构示意图

“终端可重构”是指用户终端能够根据周围无线环境和业务的需求，选择最佳的网络，使用SDR技术完成自身的重新配置，使其能够在任何时间、任何地点实现最佳的接入与通信，获得最广范围的透明化QoS服务^[2，25]。可重构终端（Reconfigurable Terminal，RT），不是现有多种终端的集成，而是要求其拥有一个基于SDR技术、可以重新配置的硬件平台，能够根据需求自适应地对硬件进行编程，实现不同的接入功能。在实现终端可重构的过程中，首先需要RT对周围的通信环境进行实时监测，发现周围存在的无线接入网络（RAN），以及每个RAN的基本特征参数，如RAN的网络类型、空中接口采用的RAT标准等；然后，RT根据自身的业务需求、终端的工作能力，以及用户的特殊偏爱等因素，通过优化选择机制的计算，选择出最适合当前业务的最佳RAN；最后，RT根据最佳RAN的工作特征参数，对本身的可编程硬件实体进行重新配置，使其满足与最佳RAN通信的要求。这样，RT就可以与最佳RAN进行无线通信，实现自身的业务需求^[4]。

“网络复合”是指异构网络之间能够相互支持、彼此配合、共享资源。通过灵活的管理，实现各种接入网络之间的复合工作。这不仅可以充分发挥各种网络的特点，而且能够取长补短，弥补不同标准的网络独立工作时的缺点和不足，达到资源的最优化配置，为用户提供最佳的服务。这里“复合（Composite）”的概念是指异构网络之间不但能够实现互连通信，而且可以密切合作，通过IP核心网络实现业务和资源的协调配置，如网络间分担用户流量，协调共享频谱资源等。然而，每个网络又相对独立，拥有各自的通信机制。网络复合的实现是在现有网络基础设施和空中接口基本不变的前提下，从核心网和无线接入网两个方面对各种异构网络进行管理模式上的改造，实现网络之间的密切配合。一方面，需要对每种网络中核心网络的管理模式进行修改和调整，建立统一的核心网络管理平台，制定统一的业务通信管理机制和资源分配原则，使得每个网络既能独立工作，又可以按照相关原则和机制实现彼此之间的协调配合。另一方面，需要在无线接入网部分增加新的管理功能，使得每个网络能够使用原有的空中接口标准，与RT建立通信链接，完成与RT之间的业务协商，为用户提供最佳的无线通信服务。与建立一个新型的4G系统相比，复合网络能够充分利用现有的通信资源；与简单的网络互连合作相比，它能够更好地满足用户需求，提高通信资源的利用率。所以，网络复合既符合当前通信发展的需求，又可以做到向后兼容，是下一代无线通信系统演进的方向之一^[4]。

在复合可重构无线网络中，网络复合和终端可重构是密不可分的。网络之间的复合需要满足可重构终端的业务需求，考虑到终端的可重构能力，能够对终端用户通信进行有效的管理^[4]；可重构终端必须适应复合网络环境，服从复合网络的管理和资源分配，能够接入异构网络并且实现网络间的业务切换[即垂直切换（Vertical Handover）]^[26]。

为了实现复合可重构功能，需要在现有网络和设备的各个部分加入新的功能管理模块，与原有的操作管理系统相互配合，建立起一套新型全面的管理体系。图6-3以蜂窝网络、WMAN（WiMAX）、WLAN和WPAN等4种具有不同特点的网络类型为例，给出了复合可重构网络的结构及相应功能管理模块示意图^[4]。

图6-3 复合可重构网络结构及其功能管理模块

如图6-3所示，可重构终端需要基于SDR技术的终端重构管理，包括监测无线环境、与无线接入网络协商通信参数、执行重构等^[24]。网络的连接管理方面负责终端接入、业务流量分配、切换等工作，包括对单个终端、多组终端的网络接入管理和网络间流量的协调；网络的资源管理方面包括灵活的频谱管理（Flexible Spectrum Management，FSM）和异构网络之间的联合无线资源管理（Joint Ra-dio Resource Management，JRRM）^[27，28]。FSM是指频谱资源分配原则不再是固定分配，取而代之的是灵活的动态频谱分配机制，实现不同网络之间的频谱共享，从而提高频谱利用率。JRRM是指不同网络之间对通信资源进行联合管理，实现资源的优化分配，它与连接管理关系密切，负责实现异构网络之间的通信资源协调配置。安全管理方面需要保证用户数据安全、网络通信安全等。另外，业务应用提供方也需要根据业务需求加入新的业务应用管理模块。通过对上述功能模块的研究与设计，以及各个模块之间的相互配合，可以实现复合可重构网络的目标，即为用户提供最优的无线通信服务，与此同时，能够实现系统整体资源的优化利用^[4]。

2.无线蜂窝网络的协作通信

无线蜂窝网络是移动通信系统的重要组成部分，下面分别从核心网与无线接入网两个方面，分析无线蜂窝网络中不同类型站点之间的协作模式。

近年来，LTE（Long Term Evolution，长期演进）也一直致力于网络协作通信的研究。在3GPP R6（Release 6）中就提出网络协作通信的相关规范，在后续的R7～R11中不断对异构网络协作展开更加深入的研究，并且制定了相关标准^[29]。上述标准中不仅包括3GPP系列网络之间的协作通信，还包括3GPP网络与非3GPP网络，如cd-ma2000 EVDO、WLAN、WiMAX等，相互协作的通信规范^[30]。3GPP系列网络中的基站类型及其覆盖如图6-4所示^[31]。

图6-4 3GPP系列网络的基站类型及其覆盖部署示意图

在核心网部分，传统蜂窝网络是基于电路交换，它与IP网络之间的协作通信受到一定限制。随着3GPP中核心网部分关于IP多媒体子系统（IP Multimedia Subsystem，IMS）研究的深入，进一步规范了LTE网络与传统蜂窝网络之间的协作通信模式。IMS符合未来网络全IP通信的发展趋势，采用SIP（Session Initiation Protocol，会话初始协议）进行端到端的呼叫控制。它借鉴软交换技术，通过网关实现不同网络之间的互连^[32]。IMS的主要特点是既可以实现与IP网络的兼容，又能够保证数据业务的QoS。图6-5所示为IMS网络基本架构。不同类型终端通过各自的无线接入网实现业务接入，IMS网络解析每种网络的通信控制信息，负责对通信信令与业务数据进行格式转换，从而实现异构网络的协作通信。图6-6以3GPP系列网络为例，给出了LTE网络与传统蜂窝网络通过IMS实现协作通信的系统架构^[33]。IMS为异构网络提供了一个更为完善的协作通信平台，能够满足不同类型终端之间的通信，以及实现同一业务在不同终端之间的转换。

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图6-5 IMS网络基本架构

在无线接入网部分，产业界提出了C-RAN（Centralized，Coopera-tive，Cloud RAN，C-RAN）概念^[34]。它基于集中式基带处理池，通过远端无线射频单元（Radio Remote Unite，RRU）和天线组成的协作式无线网络，使用开放平台的实时云型基础设施，构建了一个新型的无线接入网络架构。如图6-7所示，C-RAN架构主要包括3个组成部分：由远端无线射频单元和天线组成的分布式无线网络；由高带宽低延迟的光传输网络连接远端无线射频单元；由高性能通用处理器和实时虚拟技术组成的集中式基带处理池^[34]。分布式的远端无线射频单元提供了一个高容量广覆盖的无线网络。由于这些单元灵巧轻便，便于安装维护，系统的成本开销很低，因此可以大范围高密度地使用。高带宽低延迟的光传输网络需要将所有的基带处理单元和远端射频单元之间连接起来。基带池由通用高性能处理器构成，通过实时虚拟技术连接在一起，集合成异常强大的处理能力来为每个虚拟基站的工作提供支撑。集中式的基带处理大大减少了对于基站站址与机房设备的需求，并使资源聚合和大范围协作式无线收发技术成为可能<superscript>[34]</superscript>。中国联通针对基带集中处理问题给出了室内基带单元（Building Baseband Unit，BBU）集中化的示意图，如图6-8所示。当然，C-RAN的可行性与有效性还有待于进一步研究。

图6-6 基于IMS的3GPP系列网络协作通信

图6-7 C-RAN网络架构

图6-8 基带集中化RAN架构示意图

3.基于标识映射的一体化网络

国内学术界针对网络融合领域也展开了广泛的研究，其中具有代表性的“一体化可信网络与普适服务体系基础研究”，提出了一种基于标识聚合映射理论的一体化网络^[35]。该网络结合考虑电信网与互联网的通信特点，建立了两层网络体系结构模型，即“网通层”和“服务层”^[35]。它通过用户身份标识与位置标识相分离的标识规范，实现了核心网络与边缘无线接入网络的相对分离，为异构网络的协作通信提供了良好的平台。

在图6-9中，“网通层”包括虚拟接入子层和虚拟骨干子层，为数据、语音等业务提供可信的一体化网络通信平台^[36]。各种业务在网通层中以统一的“特定”分组方式进行传输。网通层采用“间接通信”模式：虚拟接入子层采用接入标识转发数据，而在虚拟骨干子层采用内部的交换路由标识替代接入标识转发，到达通信对端的广义交换路由器后，数据包的交换路由标识被置换回原来的接入标识；虚拟接入子层负责通信终端的接入，虚拟骨干子层解决位置管理和交换路由理论，用户的隐私性、网络的安全性、可控可管性和移动性在网通层得以很好地实现。

图6-9 一体化标识网络的体系结构模型

“服务层”负责各种业务的会话、控制和管理，这些业务包括由运营商或第三方增值服务商提供的各种网络业务，主要是语音、数据、流媒体等，不同的业务用同一个服务层承载。各种业务、网络资源和用户都采用惟一标识符识别，各个应用都要绑定于服务标识符，并且进行从服务标识符到连接标识符的解析、从连接标识符到交换路由标识符的解析，从而建立普适服务的服务标识和连接标识解析映射理论。运营商或第三方增值服务商将通过一体化网络个性化服务模型向用户提供有保障的个性化服务。服务层还包括多种服务功能组件，其中有媒体转换、媒体分发、计费和位置服务、虚拟归属环境等服务组件和会话管理、资源管理、移动性管理、可信性管理、服务质量管理等管理组件。

图6-10 一体化标识网络原型系统

在一体化可信网络和普适服务两层模型总体设计思想下，根据一体化网络层和普适服务层原理，遵循上述原型系统设计流程，建立的一体化可信网络和普适服务原型系统如图6-10所示^[35]。该系统包括核心网、接入网和终端三部分。核心网由“一体化广义交换路由器”构建，是一体化网络的主体部分。一体化广义交换路由器必须支持网通层的设计原理，选路的标记使用交换路由标识ID，根据一体化广义交换路由协议理论和算法完成选路。接入网功能由一体化接入交换路由器实现。一体化接入交换路由器引入一体化网络接入标识与交换路由标识分离聚合映射理论，除了完成网通层的基本功能外，还能完成接入标识ID到交换路由标识ID转换的特色功能。终端包括各类服务器、终端计算机、移动终端、电话终端以及用于支持普通电话接入一体化网络的标识转换器等。终端应满足“网通层”和“服务层”的设计原理和统一规范。对于通过一体化接入交换路由器连到一体化网络的终端，使用接入标识ID选路；对于直接连到一体化网络的终端，使用交换路由标识ID直接参加选路；对于一些不能完全支持网通层和服务层设计的终端（如普通的电话终端），使用标识转换器为其分配接入标识ID或交换路由标识ID完成交换路由的选择。

一体化可信网络和普适服务原型系统工作原理描述如下。首先，客户终端根据目标服务标识ID在标识服务器中查询服务所在的位置，根据得到的回应信息准备与服务所在服务器建立连接。然后，客户终端将目标服务标识ID与一个或多个连接标识ID建立映射关系，连接标识ID用于建立终端与服务器间的连接。之后，连接标识ID再映射到一个或多个交换路由标识ID（若终端是通过一体化接入交换路由器连到一体化网络，需使用接入标识ID，并通过一体化接入交换路由器将其转换为交换路由标识ID），交换路由标识ID用于在一体化网络中选路。最后，根据得到的合理选路，在客户终端与服务器之间传输服务数据，完成一体化普适服务网络下的一次完整网络通信。