无线异构网络发展综述报告

关于无线异构网络发展

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时    间：2012年2月21日

摘要：各种无线异构网络给人们带来了丰富多彩的通信体验，同时，网络类型的繁多与彼此不兼容也给用户和运营商带来了很多问题和挑战。无线异构网络融合是未来通信网络的发展趋势，如3G 网络和WLAN 的融合、TD-SCDMA 和WiMAX的融合。环境感知网络概念的出现，为未来异构网络的融合带来了新的启发。

一、无线异构网络简介

随着人类社会和经济的不断发展，信息的交换和传输已经成为人们生活中与衣食住行一样必不可少的部分。为了实现此目的，无线通信技术在近20 年内呈现出异常繁荣的景象，也带来了多种类型无线通信网络的发展和共存，这些无线通信网络被统一称为无线异构网络（wirelessheterogeneous network）。

目前，已经有不少于25 种的无线异构网络投入商用，为人们提供无线通信业务，其中包括GSM、GPRS、EDGE、UMTS、CDMA2000、HSDPA、IEEE802.11a/b/g/n、WiMAX、DECT、蓝牙、RFID、UWB、T- DMB、DVB- T、DVB- H 以及其它技术等。此外，还有层出不穷的无线通信系统即将或在不远的未来进入商用， 如802.20、802.16M、wirelssHD、LTE、4G 和无线传感器网络等。

各种无线异构网络面向不同的应用场景和目标用户，在全球不同地区和国家有着广泛的市场应用，尤其是GSM/GPRS/EDGE、UMTS、CDMA2000、PHS、WLAN 和WiMAX 等无线网络，已经给全球的电信用户带来了丰富多彩的通信体验。但是，由于这些网络各自的技术特点，它们从底层的接入方式到高层的资源管理与控制等技术都不尽相同，彼此互不兼容，给用户和电信运营商带来了很多的烦恼：用户要携带适用于不同网络的终端，正在进行的业务不能在不同的网络间保持连续；运营商们则要为如何整合网络资源、降低运营成本

和提高客户满意度大伤脑筋。

二、无线异构网络面临的问题与挑战

针对不同的无线频段特性、迥异的组网接入技术和多样的业务需求，不同无线技术所使用的空中接口设计及相关协议在实现方式上具有差异性和不可兼容性。这也使得目前各种无线异构网络和通信系统面临一系列的问题与挑战，主要体现在频谱资源、组网接入技术、业务需求、移动终端和运营管理等方面。

以上几个方面交叉联系，相互影响，构成了无线网络的异构性，也对网络的稳定性、可靠性和高效性带来了挑战，这种异构性带来的移动性管理技术、联合无线资源管理、端到端的QoS 保证和安全性能是未来无线通信系统亟需解决的问题。

2.1 移动性管理技术

移动性管理技术，尤其是切换技术，是实现异构网融合的关键技术之一。过去对切换管理技术的研究多集中在单一通信系统内，从用户的角度出发，主要保证语音业务和低速率业务的延续性和可靠性。在异构网络环境下，还需要从网络的角度重新设计切换管理方案，以实现网络之间和网络内部的业务负载均衡，从而有效地利用网络资源以满足用户对多业务的需求。因此，如何设计出具有高灵活性、低复杂度的网络结构和综合考虑多种异构网络参数的切换算法是当前研究的重点和难点。3GPP 和欧盟的WINNER 项目（专门针对B3G/4G 研究设立）均围绕上述两个方面进行了深入研究，提出了许多新的概念，但目前都处于理论研究阶段，还需进一步完善，其最终的研究结果将作为B3G/4G 网络切换技术的主要候选技术。

2.2 联合无线资源管理

与传统的无线资源相比，未来的异构无线资源并不仅仅指无线频谱，还包括无线网络中的其他资源，如移动用户的接入权限、信道编码、发射功率和连接模式等。传统无线资源管理的目标是在有限带宽的条件下，综合考虑在网络话务量分布不均匀、信道特性因信道衰弱和干扰而起伏变化等情况，合理分配和调整无线传输部分和网络的可用资源，提高无线频谱利用率，防止网络拥塞和保持尽可能小的信令负荷。联合无线资源管理（JRRM）则是针对所有异构网络的控制机制的集合，通过应用多种接入技术、可重配置或者多模终端技术、支持智能的呼叫和会话接纳控制技术以及业务和功率的分布式处理技术，实现无线资源的优化使用，达到系统容量最大化的目标。

JRRM涵盖了原有无线资源管理的各项功能，主要包括联合会话准入控制（JOSAC）和联合资源调度（JOSCH），可以实现最优化异构网络的频谱效率，处理各种类型的业务承载以及用户和业务的各种QoS需求，对各种混合型业务流进行自适应地调度。JRRM设计主要有两个基本特征：适用于紧耦合的异构互通模式，具有分流的功能。未来的JRRM模式不再局限于单一的集中式管理，而是可以采用集中式、分布式以及介于两者之间的分级式的管理方式。JRRM需要终端乃至网络都具有可重配置性，从而能够满足接入允许控制和联合资源调度的综合管理需求。

多接入选择（MRAS） 作为JRRM中的关键技术，通过动态管理终端接入一个或多个不同的无线网络，可有效利用多接入增益。由多接入选择所带来的多接入增益包括两个方面：多接入分集和多接入合并。另外JRRM通过负载均衡以及动态频谱分配等技术，使得在多个可用无线网络之间能够以一种协调的方式自适应地分配资源。

2.3 端到端的QoS 保证

由于异构网络的融合是完全基于IP 的，因此对于任意具有IP 互连能力的通信终端，端到端的呼叫不仅会跨越不同所有者的网络、采用不同接入技术，而且不同网络的QoS 支持能力与QoS 控制策略可能无法在呼叫发起之前获知。因此，在异构移动网络中提供完善的端到端QoS 保证首先需要提供基于IP 的QoS 协商与联合资源分配机制。另外，不同网络的QoS 信息应该能够在同一体系中被表示与计算，可以引入跨层的反馈交互机制，最终实现自适应的端到端QoS 保证。

异构环境下具备QoS 保证的关键技术研究，无论是最优化异构网络的资源，还是对接入网络之间协同工作方式的设计，都是非常必要的，已成为异构网络融合的重要研究内容。目前的研究主要集中在呼叫接入控制（CAC）、垂直切换、异构资源分配和网络选择等资源管理算法方面。传统移动通信网络的资源管理算法已经被广泛地研究并取得了丰硕的成果，但是在异构网络融合系统中的资源管理由于各网络的异构性、用户的移动性、资源和用户需求的多样性和不确定性，给该课题的研究带来了极大的挑战。

2.4 安全问题

同所有的网络一样，安全问题同样是无线异构网络发展过程中所必须关注的一个重要问题。异构网络融合了各自网络的优点，也必然会将相应缺点带进融合网络中。异构网络除存在原有各自网络所固有的安全需求外，还将面临一系列新的安全问题，如网间安全和安全协议的无缝衔接，以及提供多样化的新业务所带来的新的安全需求等。

三、无线异构网络之间的协作和融合是目前关注的焦点

未来的移动通信将按需为用户提供多层次的服务，具备如下特征：是一个开放的系统，不但网络运营商和服务商可为用户提供服务，终端用户也可为其他用户提供服务；网络运营商们可以通过协商实现频谱资源的动态分配，提高频谱的利用率；用户可以无缝地漫游于多运营商和多种无线接入的环境中，以最优的价格，获得满意的服务；服务商将得益于用户群的扩大，在提供按需服务的同时，获得大的收益。

目前无线通信的形式种类繁多，各具特点，但却没有一种单一的无线通信方式能够为用户提供一个高带宽、广地理覆盖以及综合了语音、数据和各种多媒体业务的综合网络。因此，未来的通信网络必然是一个异构型的体系结构，各种无线接入网通过多种不同的接入技术接入到基于全IP 化的公共核心网。IP公共核心网是建立在IPv6 基础之上的、满足用户对不同业务QoS 要求的有线网络。各种不同的无线网络，如移动蜂窝网络（2G，3G）、WLAN 和卫星通信网等，均作为接入网络以IP 技术与公共核心网连接。

异构网络的融合可极大地提升单个网络的性能，在支持传统业务的同时也为引入新的服务创造了条件，这种技术已经成为支持异构互连和协同应用的新一代无线移动网络的热点技术。如3G 网络和WLAN 的融合、TD- SCDMA 和WiMAX 的融合都是目前无线异构网络融合的研究热点。

3.1 3G 网络和WLAN 的融合

3G 网络采用宏区、微区和微微区的分层结构，每个区又采用多载频技术。微区和微微区的基站采用小区扇形极化和多输入多输出（MIMO）技术，可在较小覆盖区内提供额外信道容量，解决用户高速率视频流业务的增长。3G 通用移动通信系统（UMTS）的3GPP 组织启动3GPP/WLAN 交互结构作为3GPP 的附加标准，给3GPP 用户提供公众无线局域网接入业务。WLAN 采用小区扇形极化和MIMO技术，可在室内50 m或室外100 m 半径覆盖区内提供额外信道容量。WLAN 的主要优点是配置成本低，无线接入成本仅占3G 基站的很小一部分，有力地促进了无线接入市场的发展。3G/WLAN 双模终端可提供无处不在的、带宽可变的、可保证QoS 的多种高速率业务。3G 网络和WLAN 的主要区别是终端在移动条件下，3G 终端可广泛地进行配置，而WLAN 终端的配置受位置和移动速度的影响。

对于电信运营商来说，WLAN 的定位主要是作为高速有线接入技术的补充，逐渐也会成为蜂窝移动通信的补充。同时，WLAN 与蜂窝移动通信也存在少量的竞争。一方面，用于WLAN 的IP 话音终端已经进入市场，这对蜂窝移动通信有一部分替代作用。另一方面，随着蜂窝移动通信技术的发展，热点地区的WLAN 应用也可能被蜂窝移动通信部分取代。但总的来说，二者是共存的关系，就目前而言，3G 网络提供话音和数据业务，而WLAN 主要提供数据业务，二者具有一定的互补性。

目前欧洲电信标准化组织（ETSI）和其它一些标准化组织已经对蜂窝通信网络与WLAN 的融合进行了相应的研究。例如WLAN的标准化组织（尤其是ETSI、BRAN、IEEE802.11 和IEEE802.15） 建立了联合的无线互通工作组（WIG）来处理蜂窝通信网络与WLAN的互通机制。大量的标准化活动由3GPP（主要维护和演化GSM与UMTS 标准）来实现，旨在促进蜂窝通信网络与WLAN技术互通的标准化进展。

3.2 TD-SCDMA 和WiMAX 的融合

TD- SCDMA 是具有中国自主知识产权的3G 技术，有巨大的国内市场为支持，拥有较宽松的国内和国际频谱资源以及包括TDD自身优势在内的先进的系统结构等一系列优势。而WiMAX最主要的优势在其成熟的产业链及芯片技术的支撑。因此，从宽带无线移动通信的中长期目标来看，推进TD- SCDMA和WiMAX 的互补、融合及合作共赢工作，有重要的现实价值与战略意义。

TD- SCDMA 和WiMAX 系统在底层技术上存在巨大的差异。WiMAX 技术采用的OFDM/OFDMA 和MIMO 技术等，已经是LTE 及4G 系统公认的先进技术。同时，WiMAX 提供了难得的经验。TD- SCDMA 和WiMAX 网络之间有很强的互补性，若TD- SCDMA 能在保持自己优势技术的同时，吸收融合WiMAX 的先进技术，使得两者技术互相融合和促进， 则有望加速推动TD- SCDMA 由3G 系统向E3G 以及未来的4G 系统的演进，为用户提供更高品质的服务。当然，这种技术融合的过程是长期的。

就TD- SCDMA与WiMAX的较低层次的协同融合而言，首先可按ETSI 提议的松、紧耦合模式进行异构网络融合。对松耦合模式，WiMAX系统网关可通过Gi 接口与TD- SCDMA 系统相连接；对紧耦合模式，WiMAX 通过Gb 接口与TD- SCDMA 系统相连接，此时整个系统屏蔽了WiMAX特性，把WiMAX视为一个单独的基站子系统。WiMAX 系统可直接使用TD- SCDMA的鉴权、计费和认证子系统协同工作。

TD- SCDMA 与WiMAX 都是基于TDD 方式的，为空中接口的融合提供了一定的可行性保障。如果TD- SCDMA 能够成功吸收WiMAX 的先进技术，并在此基础上继续对其他先进技术博采众长，形成以TDD- OFDM等技术为主要特征的、并与其它各种先进技术有机结合的底层关键技术，可大幅度提升系统的性能，支持更高速率的数据服务、更高质量的实时语音服务以及更高的用户移动性，顺利完成中国自己的E3G、LTE 和4G 的演进。目前，3GPP- RAN工作组、TD- SCDMA 论坛和WiMAX 论坛网络工作组都在研究TD- SCDMA 以及3G 与WiMAX 网络融合的方案，以提高TD-SCDMA 与WiMAX 之间切换的性能。

四、未来无线异构网络的发展趋势

近年来，业界多个公司和标准组织已就无线异构网络融合问题相继提出了不同的解决方案：BRAIN 提出了WLAN 与通用移动通信系统（UMTS）融合的开放体系结构；DRiVE 项目研究了蜂窝网和广播网的融合问题；WINEGLASS 则从用户的角度研究了WLAN 与UMTS 的融合；MOBYDICK 重点探讨谱和新的网络中，实现真正意义上的无缝切换。应用此方式将使得运营商现有的多种网络技术可以协同运作，大大提升业务服务质量，也有助于运营商降低建网前期的投入成本。

（1）最大限度利用运营商所持有频谱的能力，提高频谱使用效率和用户吞吐量

对于频谱管制者而言，认知无线电技术可以大大提高可用频谱数量和频谱利用率，有效利用资源；可以在不受干扰的前提下开发二级频谱市场，在相同频段上提供不同技术的服务。同时，在移动蜂窝网通信中，当遇到小区忙时，应用CR 技术自动检测并进行自我调节，最大程度利用运营商所持有频谱的能力，提高小区内用户的吞吐量。

（2）使更多的企业进入移动通信领域，加剧移动通信市场竞争，对电信监管带来新的挑战

网络开放成为未来无线通信必然的发展趋势，随着无线电频率资源的日趋紧张，很多想进入该领域的企业苦于无可用的频率资源。美国FCC今年对700 MHz 黄金频段进行了拍卖，根据拍卖结果，获得该频段的网络运营商必须将其网络向其他终端服务商和软件服务商开放，这一使得更多的第三方服务提供商也有机会进入该领域。而网络开放所依赖的核心技术脱离不了认知无线电的框架及其技术支持。通过认知无线电技术，未来将有更多的第三方服务提供商和虚拟运营商进入移动领域，为用户提供价格低廉的通信服务。这势必会加剧移动通信市场的竞争程度，但如何对这些新进入者进行有效的监管也成为电信监管机构必须面对的挑战。

（3） 对现有移动通信网络的维护和管理带来新的挑战

认知无线电技术引入现有的移动通信网，在提升网络容量和覆盖能力的同时，也使得网络维护的负担加大。由于应用认知无线电技术后，认知移动用户可能会频繁地切换使用频率，使得网络控制系统的处理工作量加大，因此对网络的维护和管理将带新的挑战。

在IPv6 网络体系下的移动网络和WLAN 的融合问题；MONASIDRE 首次定义了用于异构网络管理的模块。虽然这些项目提出了不同网络融合的思路和方法，但与多种异构网络融合的目标仍相距甚远。

最近，业界提出了环境感知网络，为多种异构网络融合的实现提供了更为广阔的研究空间，如2008年底IBM向美国提出的“智慧地球”战略，2009年6 月欧盟的“物联网行动计划”，以及2009 年8 月日本的“i- Japan”计划等。从这些战略计划中可以看出，未来信息产业的发展将由信息网络向全面感知方向拓展、延伸和突破。针对异构网络的融合与协同，亚太、欧盟和北美3 个具有代表性的地区都提出一些观点相近的新概念，由此环境感知智能泛在网络（AUN）应运而生。在AUN 环境中，网络不再被动地满足用户需求，而是主动感知用户场景的变化并进行信息交互，通过分析用户的个性化需求主动地提供服务。相应地，终端设备也具备智能型接口和环境感知能力，使用户使用起来更加简单和方便。AUN在传统网络业务应用层与网络接入及承载层之间加入了网络资源抽象平面、AUN 控制平面和业务支撑及代理平面。统一的控制平面、网络动态重构控制系统和网络设备资源化是AUN 有别于传统网络的显著特征。AUN 为未来的信息社会提供了一个美好的愿景，它具有环境感知性、自组织和自愈性、泛在性、异构性、开放性、透明性、移动性、宽带性、多媒体、协同性、对称性以及融合性等特征。从这些特征可以看出，AUN 并不是性的网络，而是对传统网络潜力的挖掘和网络效能的提升。

随着无线技术的迅速发展，未来通信网络越发异构化，各网络将经历从隔离到互通、从互通到协同的演进，通过网络间的融合与协同，对分离的、局部的优势能力与资源进行有序地整合，最终使系统拥有自愈、自管理、自发现、自规划、自调整和自优化等一系列智能化功能。因此AUN 为未来异构网络的融合与协同带来了希望，但要想真正拥有无处不在、无所不能的智能性网络，在技术和实现上还有很长的路要走。

自己的了解

我们知道现在无线网络技术的发展包括各种无线接入网络,包括卫星网络、无线城域网、无线局域网、蓝牙网络、传感器网络等。将这些具有不同接入技术、不同性能的网络融合到一起构成单个的逻辑网络就是异构网络。在异构网络环境中为满足移动用户的需求,使得移动终端从一种接入网移动到另一种接入网的过程中保持连接的不中断,研究者提出了垂直切换技术,该技术用于完成异构网络间的无缝漫游。垂直切换包括三个阶段,即系统发现、切换决策和切换执行。系统发现阶段用于发现当前可用的网络系统;切换决策阶段用于确定恰当的切换目标网络和切换触发时间;切换执行阶段用于进行切换实施过程。 现在重点就是如何将这些不同接入技术、不同性能的网络构成一个单一的逻辑网？如何实现它们之间的无缝切换？

虽说这些无线网络存在我们的生活已经很久，但是我自己都很少发现与关注它，更加不会去想如何合理的利用这些已存在网络，并将它们组合起来利用。也就是老师给我们讲解过的一点点，让我对无线网有更多的了解，而且让我想要更加深入的去了解。