无线异构网络融合的关键技术优化

在异构网络融合的无线环境下，网络与终端都需要引入新技术，从而使得多种网络协作工作，为用户提供更高QoS的通信服务。基于异构网络的环境特点，本节重点介绍以下关键技术：异构网络中的通信环境检测技术，无线接入控制技术，网络负载均衡技术，频谱共享技术及设备重构技术。

1.通信环境检测技术

可重构终端需要获取周围的通信环境，特别是无线射频环境，发现和监测周围存在的RAT网络，监测所处环境中无线通信频谱的使用情况，并且保存检测数据。这里需要的关键技术包括RAT网络发现和接入测试技术、射频频谱检测技术、信道估计技术、认知无线电（Cognitive Radio，CR）技术等。RAT网络发现和接入测试技术将使得可重构终端（RT）能够检测和发现周围存在的无线接入网络；射频频谱检测技术可以帮助RT了解周围的频谱占用情况，使其具有在复杂频谱环境中选择最佳通信信道的能力；信道估计技术将为RT提供信道的衰落和干扰特征，作为RT自适应地选择通信参数的依据；认知无线电（CR）技术作为一项新兴技术，可以用于RT对周围环境的监测，帮助其实现重构功能。

前端信息获取是进行终端重构的前提，而信息准确度直接影响重构的决策和最终的效果。因此，将移动代理应用于RT的环境监测系统，提出了环境监测移动代理平台（SM-MA Platform），如图6-11所示。RT环境监测主要包括5个方面的监测内容，在SM-MA Plat-f_orm中，分别使用5个移动代理（MA）来实现它们的监测功能。每个MA首先是具有软件代理的普通功能，也就是说既能够自动独立地完成该代理的监测任务，又能够保证对用户的透明性。另外，每个MA还具有移动性，能够漫游到其他节点来实现监测功能。SM-MA Platform的优势就在于它可以借助RT周围的其他通信设备来实现分布式监测功能，节省环境监测对RT资源的占用，减少RT的环境监测开销。由于RT本身功率和硬件资源相对紧缺，所以移动代理功能将会大幅度提高RT的环境监测能力。

图6-11 RT环境监测的移动代理平台

下面分别阐述每个MA的具体监测功能。

C-MA（Context-MA）：负责监测RT所处的通信环境，用来推断用户的业务需求。具体内容包括：时间、地点、移动速度、当前通信对象类型等。

WE-MA（Wireless Environment-MA）：负责监测RT周围的无线环境，特别是存在的无线接入网络，作为选择RAN的参考。具体内容包括：RT周围存在的RAN，以及每个RAN使用的RAT标准、通信频段、信道带宽、提供的通信业务（包括业务类型、业务QoS、业务费用）等；除了RAN监测外，WE-MA还需要监测当前通信信道的状况，如SNR等。

S-MA（Service-MA）：负责监测RT中无线通信业务的运行状态，判断当前的业务通信是否正常，推断是否需要改变业务通信的链接方式。具体内容包括：业务数据的误码率、误比特率、时间延迟等。

HR-MA（Hardware Resource-MA）：负责监测RT内部的硬件资源占用情况，判断其工作和重构能力。具体内容包括：终端类型、存储容量、处理速度、硬件资源占用情况、电池能量等。

UP-MA（User Preference-MA）：负责询问、存储和推断用户的个性化要求，作为RT所有重构操作的准则。具体内容包括：费用限制、业务性能要求、用户偏爱的运营商和RAN/RAT等。

SM-MA Platform共有4个I/O接口，包括2个外部接口和2个内部接口。外部接口分别是通过天线与外界无线环境相连接的空中接口（Air Interface，AI），以及通过RT输入/输出设备与用户相连接的用户接口（User Interface，UI）。内部接口分别是与RT可重构实体设备相连接的物理实体接口（Physical-entity Interface，PI），以及与各层业务数据相连接的业务数据接口（Service-data Interface，SI）。上述4个I/O接口为5个移动代理提供了必要的信息获取途径，每个移动代理可以通过一个或者几个I/O接口，按照自身的监测策略和步骤，完成其监测任务。虽然5个移动代理都是相对独立工作的，但是在很多情况下，某个代理的监测功能实现需要基于其他代理的监测参数，所以移动代理彼此之间可以进行通信，交换监测信息，需要时也可以相互配合工作。

SM-MA由5个移动代理组成，下面将为它们建立一个通用监测模型来实现其环境监测功能。Y-MA（表示SM-MA Platform中的任意一个移动代理）的通用监测模型由两部分组成。一部分是Y-MA的基本监测模型，该模型给出了Y-MA环境监测的总体思想、主要功能模块，以及监测实现过程；另一部分是Y-MA的移动子代理（Child MA，ChMA）模型，在需要外界辅助来完成监测任务的情况下，RT将使用该模型。ChMA模型给出了Y-MA在RT以外的节点建立ChMA的整体思路和主要步骤。

Y-MA的基本监测模型中包括6个模块，如图6-11所示。环境监测机制模块是针对本MA中监测内容的特点而制定的，它规定了该代理的监测内容，以及每个监测内容的具体监测方式、使用的I/O接口，以及所采用的监测技术等。特别需要指出的是，环境监测机制模块中将规定在监测过程中是否在RT以外的节点建立ChMA，及其工作模式等，具体内容将在后面的ChMA模型中详细阐述。环境监测机制模块是实现移动代理监测功能的基础和设计重点，也是通用监测模型的重要组成部分。监测参数原型定义模块负责定义每个监测内容对应的参数，以及每个参数的具体格式。因为有时一种参数可能需要不同的表示方式，例如地点参数可以用经纬度准确表示，但是有时也需要将其映射为具有某种含义的表示方式，如“在家中”、“在办公室”等，所以该模块需要定义监测参数的各种表示方式（这里称为参数原型），以及同一参数的不同参数原型之间的映射处理模式。Y-MA监测管理中心模块负责该移动代理的整体管理。它根据监测需求和触发条件（如周期性触发、事件触发等），确定是否开始对某个监测内容进行检测。如果开始执行对某个监测内容的检测操作，那么Y-MA监测管理中心首先从环境监测机制模块获取检测的方式和技术，并且将其输出给监测执行模块来实现该操作，得到所需的监测结果。然后，Y-MA监测管理中心从监测参数原型定义模块中提取该监测内容对应的参数原型及其参数映射处理模式，将其输出给监测参数处理模块，使其按照监测参数的处理模式对监测结果进行计算，得到所需的参数表示形式。最后，由监测参数存储模块按照参数原型，对监测参数进行存储和更新。

移动代理的基本监测模型为Y-MA的监测功能实现提供了结构框架，但是每个移动代理的具体监测机制、参数原型定义和监测执行步骤还需要根据其自身监测内容的特点而定。

图6-12 移动代理的基本监测模型

Y-MA的ChMA模型是以Y-MA的基本监测模型为基础，规定了ChMA的建立和管理过程，如6-13所示。ChMA的建立包括以下几个步骤：

第1步，由RT中的源移动代理（Y-MA）决定分配给ChMA的工作任务。根据监测任务的不同，ChMA的辅助功能可以分为两种。一种是分布式监测功能，该功能是指由Y-MA向ChMA指定监测内容，然后ChMA根据所在节点的能力和特点，执行整个监测任务，最后将所得结果发送给RT；另一种是分布式计算功能，该功能是指由RT主要负责执行环境监测任务，但是由于某些步骤中数据处理的工作量较大，所以将其交给ChMA来负责完成，最后ChMA将计算结果发送给RT。

第2步，由Y-MA根据所分配任务的特点和RT所处的网络环境，决定ChMA的工作模型、漫游网络和节点。工作模式主要包括单ChMA模式和多ChMA模式。多ChMA模式又可以分为两种，一种是同时建立多个ChMA，另一种是某个ChMA程序在多个节点中按顺序多跳漫游。漫游网络和节点的选择可以是随机的，也可以是基于对其他节点能力的了解，以及以往的经验等。图6-13所示为在Q个节点分别建立ChMA的示意图。

第3步，由Y-MA根据所分配任务和工作模式，生成任务指令，将程序码字发送给目标节点，建立ChMA。在ChMA的建立和工作过程中，Y-MA还需要对每个ChMA进行位置管理。这里使用源节点位置管理模型，即每个ChMA在建立和漫游过程中，都需要及时向Y-MA报告它的位置，以便Y-MA对ChMA进行实时的管理和操作。

图6-13 移动代理的ChMA监测模型

2.无线接入控制技术

在异构网络重叠覆盖的无线环境中，无线接入控制面临着巨大挑战。首先，信息检测复杂。在异构无线环境中，终端面临复杂的网络环境、无线环境和用户环境，如何准确、迅速地对这些环境信息的变化进行感知，将是无线接入控制面临的挑战之一；其次，接入控制决策模型多维化。在传统蜂窝移动通信系统中，终端只能接入一种网络，只是根据信号强度选择不同的小区进行接入，因此在接入控制决策上只是单一维度；在异构无线环境中，终端不仅能接入蜂窝移动通信系统，还能接入WLAN等非传统移动通信系统，因此在决策因素上呈现了多维度的特征，由单一属性决策问题变为了多属性决策问题，这是无线接入控制面临的挑战之二；最后，无线接入控制的决策结果需要施效到终端，从而完成对外界环境信息变化的适配，而根据决策结果多终端进行重配置的过程将是无线接入控制面临的挑战之三。

因此，为了应对异构无线环境中无线接入控制技术面临的挑战，实现异构无线资源的优化利用，需要设计新的联合无线接入控制机制，为终端选择最佳的无线接入点，实现用户业务的最优接入。

联合无线接入控制机制，需要网络与终端配合实现。在异构网络环境中，终端需要具有多模工作能力。面对越来越多的无线网络类型，未来可重构终端（RT）使用基于软件定义无线电（SDR）技术实现多网接入，是异构网络无线接入控制的一个重要发展方向。

与现有无线接入控制技术相比，异构网络中的联合无线接入控制技术需要具备3个新增功能，即通信环境检测、优化选择机制和设备重构实现，如图6-14所示。

图6-14 联合无线接入控制技术的新增功能

可重构终端根据无线环境检测结果和自身的重构能力，动态自适应地优化选择RAT网络、无线通信频段，以及天线、调制、编码等工作方式，确定最优的终端配置参数。这里需要的关键技术包括终端对RAT网络的优化选择技术、通信频段优化选择技术、调制编码方式的优化选择技术、FSM技术、JRRM技术等。上述优化选择技术都是为了实现各种网络资源的优化配置，充分利用无线通信资源为用户提供最适合的服务。每一种优化选择技术都需要包括优化选择原则、实现策略、理论算法依据、具体实施步骤、测试与验证等5个部分。

在复合网络环境中，RT无线接入RAT网络可以分为3个步骤：①监测和发现RAT网络；②优化选择RAT网络，协商通信参数；③执行终端重构，实现RT与RAT网络之间的无线通信。首先，RT需要监测它周围的无线接入网络，发现RAT网络的存在。随着移动终端位置的变化，RAT网络的监测信息也会随之更新。然后，RT根据无线环境参数、终端特征参数、业务类型与性能参数、软件资源参数以及用户设定的限制要求等条件，选择适合自身的一个或者多个RAT网络，并且与网络方面协商通信方式和工作参数。如果RT内部存储资源中缺少通信必需的协议或者软件，RT可以通过空中接口从网络下载所需软件。软件下载（Software Download，SD）和更新可以由终端主动发起，也可以由网络进行集中软件更新。最后，RT对物理实体部分进行重构，完成对内部元件的参数配置和工作时序安排，使其能够接入所选择的RAT网络，实现用户的业务需求。本章将在后面对RT的重构实现功能进行深入探讨。

实际上，不仅在RT业务接入的初始阶段需要对RAT网络进行优化选择。在整个通信过程中，RT都需要对业务通信质量、传输性能等各项性能参数进行监测，判断是否需要重新选择RAT网络。因为随着用户位置、无线通信环境、用户业务需求等条件的变化，最适合RT无线接入的RAT网络也会随之改变，所以对RAT网络的优化选择是一个动态自适应的过程，应该具有一定的实时性和较强的灵活性。下面给出RT重新选择RAT网络的一些触发条件。当发生下述任何一种情况时，终端将启动关于优化选择RAT网络的运算：①有新的业务发起；②原有业务质量下降到某一临界值以下；③通信环境发生变化（如RT位置从室内移到室外），可能使得业务QoS等需求改变；④用户输入或者改变一些相关的通信要求；⑤终端能力有所变化（如电量过低等）；⑥用户速度有较大改变；⑦无线环境监测到的RAT网络发生变化等。另外，RT从一个RAT网络切换到另一个RAT网络的过程，对用户来讲应该是透明的，即在不影响用户现有通信的前提下，实现不同RAT网络之间的无缝平稳切换。因此，RT的网络优化选择算法应该具有简单、快速、安全可靠等特性，这样才能够满足RT无线接入优化选择的功能需求。

RT无线接入优化选择功能的实现不仅需要RT本身具有可重构能力和优良的优化选择算法，同时还需要网络的支持。在公共无线接入网络中需要增加一些新的连接管理模块，负责关于RT无线接入的参数选择和协商工作。至于如何在RT和网络之间进行任务分配，下面将给出相关策略。

复合可重构无线网络是未来4G移动通信的一个发展趋势。实际上，随着无线通信各项关键技术的不断更新，复合可重构网络的发展也将会经历不同的阶段。在每个阶段中，异构网络之间的复合程度、RT的重构能力都会比前一个阶段有很大程度的改进和完善，但是同时也会受到当时技术能力的限制。因此，在不同的发展阶段，RT的无线接入优化选择机制也将会有所改变。本节将着重讨论在复合可重构网络发展的初始阶段，RT的无线接入优化选择策略。

根据复合可重构网络初始发展阶段的要求，基于目前RT的研究情况和无线通信的发展趋势，做出如下假设。在未来RT使用初期，一个运营商可以拥有一个或者多个RAT网络，每个终端用户可以根据自身的业务功能和通信费用需求，以及自身的喜好，在众多网络中选择某一个RAT网络进行注册。异构网络和不同运营商之间按照一定的协议建立网络复合关系，共同为用户提供无缝的QoS服务。RT已经具备前面提到的可重构终端基本功能，只是计算能力和电源功率方面还有待于加强。基于上述假设，针对单个终端用户的无线业务接入问题，特别是关于RAT网络的选择方面，提出下述优化选择策略。

在RT的无线接入管理机制中，用户的注册运营商网络是主控方，拥有选择RAT网络的最终决策权；终端方面是建立或者改变连接的发起方，负责向网络传递用户需求，提供必要的辅助和建议功能。在选择RAT网络的运算中，终端和网络间也是分工合作的，终端负责与本地无线环境密切相关的处理，如无线检测、推断用户需求等，注册运营商网络负责解决涉及其他运营商以及网络之间合作的问题，如获取其他网络的最新信息、与其进行通信协商等。

3.网络负载均衡技术

负载均衡的概念源于计算机网络。在由多台服务器以对称的方式组成的一个服务器集合中，每台服务器都具有等价的地位，可以单独对外提供服务而无须其他服务器的辅助。网络通过某种负载分担技术，将外部发送来的请求均匀分配到对称结构中的某一台服务器上，而接收到请求的服务器独立地回应客户的请求，这是计算机网络中负载均衡的含义。将此概念应用于移动通信系统中，则无线网络负载均衡策略是指无线接入业务量在多个独立的无线接入点之间进行均衡分配的策略。其研究目标是实现每个无线接入点的业务量与其拥有的无线通信资源相互匹配，提高无线通信资源的整体利用率。

在移动通信网络中，用户移动规律与业务分布的时空变化特征是影响网络整体通信性能的重要因素。基于人们生活的普遍规律，经常会出现由于短时间内大量用户移动或者业务到达而导致的在某些时段内出现局部热点地区（hotspots）。该区域的无线接入业务负载过大，使得网络通信性能迅速下降。与此同时，其他周边地区的无线接入业务量却偏低，大部分通信资源处于空闲状态，出现了移动通信系统中负载失衡的现象。

图6-15 某地区内蜂窝网业务量分布的变化情况

某地区不同时段内业务量的空间分布情况如图6-15所示。可见在一天中的3个连续时段内，用户业务量的空间分布发生了很大的变化，出现了多个热点区域（图中的浅色区域）。这些热点区域的业务负载随时间而变化，且变化幅度较大。基于统计数据可知，与其他区域相比，它们的业务量均值基本保持在一个平均水平，但是业务量方差很大。因此，上述区域在某些时段内，由于业务负载过高而造成业务阻塞；而在其他时段内，由于业务量过低而导致通信资源的浪费。另外，多媒体业务是未来无线移动通信的主要潜在业务，它通常需要占用大量的无线信道与频谱资源，这就更加剧了热点地区无线接入业务的负担。综上，由于用户移动与业务分布在时间和区域上具有不均衡性，导致通信资源的局部紧缺，使得用户无线接入业务（尤其是多媒体业务）性能大幅度降低。然而，现有的通信资源配置与管理机制却无法有效解决上述问题，使得无线通信资源的整体利用率较低。

为解决上述问题，可以根据业务空间分布的统计数据来设计站点位置、覆盖面积，在热点区域增加配置无线通信资源或增加无线接入点，应对重负载区域的业务承载压力。爱立信公司对该问题进行研究，如图6-16所示。在无线接入点分布比较稀疏的情况下，小区边缘区域与室内区域的业务容量能力都会低于小区中心区域。如果由于某些原因，在网络容量较低的区域形成热点，那么用户通信性能将会明显降低。如图6-17所示，在容量承载能力较低的区域增设新的基站和室内无线接入点，使得网络的业务承载能力更加均衡。然而，虽然通过增加通信资源能够解决网络负载失衡问题，但是这会造成网络基础设施建设成本的提升，会加剧非热点时段内通信资源的浪费现象。

图6-16 原网络业务承载能力的分布示意图

(www.xing528.com)

图6-17 增设站点后网络业务承载能力的分布示意图

异构网络之间的协作将为我们解决上述问题提供更好的平台。实际上，基于现有网络部署情况，很多地区都是多个无线接入点重叠覆盖，只是每个无线接入点的覆盖范围与无线接入技术有所差别。例如，宏蜂窝与微蜂窝的伞状覆盖、蜂窝小区与WLAN的重叠覆盖等。图6-18所示为异构网络重叠覆盖的网络场景。在这样的网络架构下，多种无线接入网络之间密切配合，特别是自适应的协作工作，能够较好地解决业务时空分布不均衡所带来的局部热点问题。因此，下面将着重探讨在异构网络中，如何通过动态的网络管理来达到无线网络的负载均衡。

图6-18 异构网络重叠覆盖的网络场景

无线网络负载均衡的研究目标是每个无线接入点承载的业务量与其拥有的无线通信资源相互匹配，从而使得每个无线接入点的通信资源都得到充分利用。可见，该问题的关键点在于研究业务负载与无线资源的对应关系。无线接入业务量在不同站点之间均衡分配是解决局部热点问题的有效途径。3GPP从Release 8起逐步关注网络的智能化研究，它的SON（Self Organizing Network）工作组提出了移动负载均衡（Mobility Balance Network，MBN）策略，通过对不同无线接入点业务负载的监测，结合用户的位置信息，使用优化算法将用户业务量平均分配给每个无线接入点。与此同时，3GPP-LTE中的多点协作（Coordinated Multiple Points，CoMP）工作组，针对异构无线接入点之间的通信协作问题展开研究。如图6-19所示，宏蜂窝的eNB（enhanced Node B）与微蜂窝的RRU（Radio Remote Unit，远端射频单元）之间相互协作，为用户提供无线通信服务。其中，用户无线接入业务如何在重叠覆盖的无线接入点之间进行分配也是CoMP的研究重点之一。

图6-19 3GPP-LTE中CoMP示意图

4.频谱共享技术

众所周知，频谱是无线通信中非常宝贵的资源，每一个无线通信系统都使用各种技术尽量提升频谱资源的利用率。但是随着新的无线通信方式和业务应用的不断涌现，带宽需求进一步提升，从而加剧了频谱资源的紧缺程度，使频率资源成为现在无线通信系统长远发展的瓶颈。

在现有的频谱管理方法中，主要有两种频谱分配方式：一种是给频谱授权网络单独分配一个频段，其他网络不能使用该频段，如TV、蜂窝网等。该方式能够避免频谱授权网络受到外界的干扰，保证其高质量通信，但是频谱使用效率通常较低。另一种是多个非频谱授权网络共享同一个频段，如WLAN、WiMAX等网络共享ISM频段，但是由于ISM频段本身较小，再加上共享网络不断增加，该频段已经非常的拥挤。由美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC）公布的资料显示：在30MHz～3GHz的频谱范围内，几乎所有的电磁频谱都已经分配给现有的业务应用，但是大部分固定分配的频谱资源的利用率很低，即时间占空比很小。即使是在频谱使用密度极高的美国华盛顿市区，频谱的占用率仍然低于35%。显而易见，频谱授权网络对所分配频谱的使用在时间和空间上都不是连续的。但是按照现有的频谱管理机制，即使在授权网络没有使用这些频谱的时间和地区，其他网络也不能够使用，因而造成了频段利用率的不均匀和很大程度上的频谱浪费。由此可见，频谱资源并不是真正的紧缺，而是由于目前的频谱分配管理机制造成了频谱利用率的低下。所以，我们需要从新的角度去开发频谱资源，从时间、空间、异构网络之间等各个方面协调利用频谱，进一步提高频谱资源的利用率，这也正是复合可重构无线网络所要达到的重要目标之一。

在复合可重构网络中，提高频谱资源利用率的主要策略是建立新的频谱管理机制，增强网络之间的协调合作，实现异构网络之间的频谱共享（Spectrum Sharing，SS）。异构网络SS的基本思想是：在频谱授权网络（记为网络A）不使用其频段的时间和地区，非频谱授权网络（用E={E_k}_k=1，2，…，K表示K个非频谱授权网络）能够使用该频段，即实现A、E对授权频谱资源的时间/空间复用。但是，必须保证E对频谱的使用不能够影响到A的正常通信，同时尽量满足网络E的通信需求。目前，世界范围内很多国家大型研究机构都在针对上述问题进行研究，也提出了一些解决方案，包括网络间的频谱租借、频谱池（Spectrum Pool）概念、动态频谱分配（Dynamic Spectrum Allocation，DSA）机制等。

现有的频谱共享机制主要可以分为3类。第一类是纯粹基于网络间协商的频谱共享机制。该机制中网络E不需要获取周围频谱的使用情况，只要与同一覆盖区域内的网络协商工作频段，避免频谱冲突即可。设计频谱协商算法是该机制的重点，需要考虑到频谱使用的公平性原则。该机制虽然能够在一定程度上提高频谱利用率，但是要找到具有优良性能的频谱协商算法并不是一件简单的事情。另外，它不够灵活，提高频谱利用率的能力有限，还不足以做到充分地利用无线频谱资源。第二类是基于干扰避免的窄带通信（记为NB-IA，an SS scheme based on Narrow Band communications with Inter-ference Avoidance）。该机制要求网络E内的终端能够使用认知无线电（CR）技术监测网络A的通信参数，当E发现与A发生频段碰撞时，放弃使用该频段，寻找新的空闲频段进行通信。这就要求网络E内的终端是基于CR技术的RT，为了突出这一点，本章中将这类RT记为“CR-MT”，它们在通信过程中能够对周围频谱占用情况进行检测，并且根据检测结果调整自身的通信频段，避免对网络A的通信造成干扰。但是，使用CR技术实现快速的宽带频谱扫描是比较困难的，而且无规律的突发频段转换会给网络E的正常运行带来较大的挑战。第三类是基于扩频的宽带低功率通信（记为WB，an SS scheme based on Wide Band communications without interference avoid-ance）。该机制不需要进行频谱监测，不过必须将网络E内RT的发射功率限制在网络A能够容忍的干扰范围内。扩频技术虽然能够降低RT的平均发射功率，但是如果E内的用户比较密集，很可能会由于叠加效应而造成对网络A的通信干扰。FCC在2002年底提出了干扰温度（Interference Temperature，IT）概念来对频谱共享引起的干扰进行量化和管理，关于IT概念的有效性还有待于证实。总之，上述3类机制各有利弊，也有在上述三者之上的一些改良策略，但是都还处于初步讨论阶段，实现起来都面临着很大的困难。

在复合网络的频谱共享策略中，RT发挥着重要作用。首先，如果由于频谱冲突或者容量受限等原因，网络E决定改变或者增加本网内无线通信的工作频段，那么E内的RT必须能够根据网络的要求变换自身的通信信道频率，即RT的射频部分需要具有对其工作频率进行重构的能力。其次，在NB-IA机制中，网络E在决定改变本网的通信频段之前，通常需要通过CR监测节点对覆盖区域内的无线频谱进行检测，获取该区域内通信频谱的占用情况，从而选择新的工作频段。在基于WB机制的一些改良方案中，也加入了频谱检测功能，用于提高频谱共享性能。因此，频谱检测功能在频谱共享中具有很重要的地位，而E内的RT就是扮演频谱检测器角色的最佳候选者。如果分布在各个地区的RT具有频谱检测能力，例如CR-MT，就可以根据网络的要求对其周围的频谱占用状况进行监测，组成CR监测网络，那么网络E就能够比较全面地了解覆盖区域内的频谱使用情况，选择最佳的工作频段实现本网内的通信。上述两个方面是RT在频谱共享策略中需要具有的基本功能，许多研究机构已经对此展开了研究工作，并且发表了一些研究成果。例如，FCC正在考虑开放TV频段作为新的异构网络共享频段，并且已经公布了规范建议（Notice of Proposed Rule Making，NPRM）。美国军方也在研究战场的实时频谱管理，即所谓的自适应频谱利用（Adaptive Spectrum Exploitation，ASE）。

但是，异构网络之间的频谱共享必然会在一定程度上导致无线通信的频谱冲突，复合可重构网络希望把这种冲突发生的概率降到最低。因此，如果RT不仅能够组成CR无线频谱监测网络，为网络E提供频谱监测结果，而且自身还具有回避干扰的能力，能够动态地选择和调整自身的工作频率，那么一定可以进一步提高无线通信的业务质量和频谱利用率。基于频谱池的动态频谱共享示意图如图6-20所示。

图6-20 基于频谱池的动态频谱共享示意图

动态频谱共享能够有效解决业务量时空分布不均衡的问题，但是该方案受限于国内外的频谱政策。实际上，在当前频谱资源尚处于静态规划的阶段，异构网络之间的频谱资源借用与共享是具有很大难度的。

5.设备重构实现技术

前面给出了可重构终端（RT）的理想目标，为了实现这些目标，需要设计可重构终端的基本功能结构模型，如图6-21所示。

图6-21 RT的功能结构模型

该模型主要由物理实体、重构管理中心（RT-Reconfiguration Man-agement Center，RT-RMC）和系统运行环境三部分组成。系统运行环境包括各层的操作平台和终端内部存储资源。终端将存储多种通信标准的协议和软件，以备随时调用。终端可以根据需求随时卸载或者安装软件，对操作平台进行多种模式的软件配置。物理实体包括各种可重构元件，如DSP、FPGA等。这些元件设备能够使用SDR技术进行重新配置，适应多种通信标准的要求，为各种无线接入模式和多样化的通信业务提供一个标准化的硬件操作平台。RT-RMC是整个可重构终端的核心部分，包括无线环境监测模块、RAT网络优化选择模块和硬件重构控制模块（见图6-21的中间部分），分别负责对周围无线环境的监测、选择RAT并且在不同RAT间进行切换、对内部元件进行重构控制等三方面工作，使得终端能够在异构网络并存的环境中顺利地通过各种无线接入技术实现网络链接，享受最佳的服务。

可重构终端按照优化选择的各项参数，对终端设备进行重新配置，实现无线接入功能，为用户提供通信服务。这里需要的关键技术包括SDR技术、重构硬件设计和制造技术、宽带天线和滤波技术、复合协议栈设计、软件下载和更新技术、身份认证和安全保护技术等。SDR技术、重构硬件设计和制造技术是实现可重构终端的基础，SDR论坛一直致力于SDR技术和可编程硬件设计的研究。宽带天线和滤波技术将为RT与异构RAT网络之间实现多频段通信提供必要的射频收发功能；复合协议栈设计旨在为RT创建灵活的协议调用机制，以便满足不同RAT标准的要求；软件下载和更新技术是RT更新自身软件/协议库的有效方法，可以帮助RT实现功能升级；在复合网络环境中，用户通信的安全性和可靠性将更为重要，实现起来也会更加复杂，所以需要新的身份认证和安全技术来提高对用户的保护功能。

RT的重构实现是基于软件定义无线电（SDR）技术。软件无线电思想是20世纪90年代以后逐渐兴起的一种全新的设计思想，其完整的概念和机构体系是由MITRE公司的美国科学家Joseph Mitola于1992年5月在NTC（National Telesystems Conference，美国远程系统会议）上明确提出的，其核心是在通用的通信硬件平台上加载不同的通信软件，以实现不同的通信方式间的转换。“无线电”代表着任何可以在空中传输的信号；“软件定义”的概念是指无线系统中最重要的部分是用软件来实现的，即系统是用能够重新配置的软件来设计和实施的，而不是用那种固定的不能重新配置的硬件来实现。

SDR技术的基本思想是将宽带的A-D转换器尽可能地靠近射频天线，即尽可能早地将接收到的模拟信号转化为数字信号，在最大程度上通过DSP软件来实现通信系统的各种功能。文献认为SDR的概念模型就好像一个洋葱一样，是分层的。洋葱的表层就是数字无线电设计的总体轮廓，接下来的每一层都是在基本设计思想和理想化的假设条件之上，增加SDR设计的难度和精度，最后得到一个最成熟的设计结果。

RT重构实现过程中，首先需要将优化选择机制给出的工作方式和参数指标（如32-QAM调制、（2，1，2）卷积编码等）转化为每个设备元件的电路工作参数值，然后基于这些参数值对每个可重构元件进行重新编程，完成对SDR设备的重新配置。但是，无线通信系统中包括很多功能模块，每个模块都拥有多种工作方式，每种工作方式中又包含众多的工作参数，所以将优化选择机制输出的数据信息映射为每个设备元件的电路工作参数并不是一个简单的过程。另外，对RT的整个硬件平台进行重新编程和配置也是一项复杂度很高的工作。本节使用分层结构对RT的重构实现进行建模，定义每层之间接口协议。这样可以将复杂的参数转换过程进行分解，使得RT能够按照一定的归类方式、有步骤地完成参数转化任务，同时也能够降低物理实体的重构复杂度，实现有效的RT重构。

RT重构实现的分层模型中包括4层，如图6-22所示。下面分别阐述每层的主要功能和建模原则。

图6-22 RT重构实现的分层模型

（1）类别层（L3）

该层以经典数字通信系统作为建模出发点。在L3中，针对经典数字通信系统的每个功能模块，对其工作方式进行分类，建立分类模型，即L3重构模型。

经典数字通信系统中每个功能模块都有很多种工作方式，如数字调制模块包括ASK、FSK、PSK、QAM等调制方式；扩频模块也包括DS、FH、TH等扩频方式。L3就是要将每个功能模块的所有工作方式进行分类。它的分类标准是每种工作方式之间核心部分逻辑实现结构的相似度，该标准是为了便于L2和L1的建模，以及降低物理实体的重构复杂度。按照上述原则得到的分类结果与该模块现有的传统分类方式未必相同。该层的数据库中除了L3重构模型给出的分类结果外，还需要包括每个功能模块的所有工作方式，以及这些工作方式与L3重构模型的对应关系。

在RT重构实现过程中，首先将每个功能模块的最佳工作方式和参数输入L3。然后，按照L3重构模型的分类标准，找到该工作方式所属的类型。最后，将工作方式、工作参数和所属类别通过层间接口输出到下一层（L2）。

（2）逻辑模型层（L2）

该层针对L3重构模型中的每个分类模块进行建模，设计每个分类模块的逻辑实现模型，即L2重构模型。

L2中将每个分类模块的功能实现过程按步骤进行分解，针对每一个步骤建立逻辑功能模块，每个逻辑功能模块负责完成该步骤的重构任务。这些逻辑功能模块按顺序组合起来就构成了L2重构模型。在L2中，每个逻辑功能模块都能够基于输入接口接收到的数据，按照某种固定算法或者数字处理方式，独立完成该步骤的重构任务，将所得结果通过输出接口传递给下一个逻辑功能模块。逻辑功能模块的设计原则是：每个模块都可以通过某种固定的数字实现方式或者电路结构独立完成特定的重构功能，该原则也是为了便于L1建模，以及降低物理实体的重构复杂度。该层的数据库中除了L2重构模型给出的逻辑模块外，还需要包括每个逻辑模块中所有逻辑参数的定义，以及来自L3的输入参数与L2中逻辑参数的映射关系。

在RT重构实现过程中，L2首先接收来自L3的输入参数，包括工作方式、工作参数和所属类别等。然后，根据所属类别，找到对应的L2重构模型。将工作方式和参数转化为L2重构模型中每个逻辑功能模块的逻辑参数。最后，将每个逻辑功能模块对应的逻辑参数通过层间接口输出到下一层（L1）。

（3）电路模型层（L1）

该层针对L2重构模型中的每个逻辑功能模块进行建模，设计每个逻辑模块的电路结构模型，即L1重构模型。

前面已经提到，L2中的每个逻辑模块都可以通过某种固定的数字处理方式或者电路结构得到实现。L1层就是要给出这些具体的数字实现方式或者电路结构模型。有些逻辑模块对应的电路实现模型是无线通信SDR技术中已有的，对其接口参数重新定义之后，就可以直接作为L1中的重构模型。有些逻辑模块是根据RT重构要求新建立的，需要为其设计新的L1重构模型。L1重构模型通常包括多个电路功能模块和算法模块，分别对应着固定的电路基本元件和SDR基本算法单元。该层的数据库中除了L1重构模型给出的电路功能模块和算法模块外，还需要包括相应的电路参数和算法参数的定义，以及来自L2的输入参数与L1中各项参数的映射关系。

在RT重构实现过程中，L1首先接收来自L2的输入参数，包括逻辑功能模块名称、逻辑参数等。然后，根据逻辑功能模块名称找到对应的L1重构模型。将逻辑参数转化为L1重构模型中每个电路功能模块的电路参数，以及每个算法模块中的算法参数。最后，将电路模块名称、算法模块名称，以及相应的参数值通过层间接口输出到下一层（L0）。

（4）物理实现层（L0）

该层针对L1中的电路功能模块和算法模块，设计每个电路元件的控制方式和SDR基本程序单元，建立L0重构模型。

L0作为RT重构实现模型的最底层，直接对RT硬件平台进行重构控制。图6-23所示为L0重构模型的示意图。它负责接收来自L1的算法和电路参数，从SDR基本程序单元调用相关函数，将其写入相应的可编程集成电路元件，如DSP、FPGA等。并且安排硬件设备的工作时序，执行对物理实体的重新配置。在RT的重构过程中，L0需要监督硬件设备的重构执行情况、工作状态和性能，将监测参数通过层间接口反馈给上层，以便对RT重构进行动态自适应的管理，保证RT重构策略的最优性和无线通信的稳定性。

在RT重构实现的分层模型中，通过对整个硬件平台重构问题的归类、步骤划分和参数转换，使得复杂的RT重构任务得到分解和简化，能够对物理实体元件进行简单有效地重新配置，完成整个RT的重构任务。

图6-23 物理实现层的重构模型