B3G网络联合无线资源管理的研究

B3G网络联合无线资源管理的研究1、前言传统无线资源管理的目标是在有限带宽的条件下，为网络内无线用户终端提供业务质量保障，其基本出发点是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下，灵活分配和动态调整无线传输部分和网络的可用资源，最大程度地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。

传统意义上的无线资源管理包括接入允许控制、切换、负载均衡、分组调度、功率控制、信道分配等。

而联合无线资源管理则是一组网络的控制机制的集合。

它能够支持智能的呼叫和会话接纳控制，业务、功率的分布式处理，从而实现无线资源的优化使用和达到系统容量最大化的目标。

这些机制同时应用多种接入技术，并需要可重配置或者多模终端的支持。

就功能而言，联合无线资源管理涵盖了原有无线资源管理的各项功能。

相比传统的无线资源，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、用户的激活时间、信道编码、发射功率、连接模式等[1，2]。

可以看出未来的异构无线资源在以下两个方面进行扩展：首先，资源构成有所扩展。

这主要表现在资源的取值范围以及资源之间的耦合关系有所扩展。

其次，资源的变化情况有所扩展。

由于终端接入环境所呈现的异构性，一维随机变量不再能够反映异构无线资源中多种元素的共同变化。

为了反映未来网络无线资源的异构性，可能需要二维或多维随机变量来表征无线资源的构成。

相比传统的典型意义的蜂窝网络的无线资源管理的方式，未来的联合无线资源管理的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，这几种方式各有优缺点。

2、研究现状2.1通用无线资源管理当前，异构的联合无线资源管理的研究已经吸引了广泛的关注。

3GPP在制订规范的时候就已经考虑了多种无线接入技术共存的融合网络场景，并在参考文献[3，4]中提出了通用无线资源管理(CRRM)的概念，通过CRRM服务器对融合WCDMA、GSM/EDGE等多种接入技术的异构网络进行全面统一的资源管理。

CRRM作为融合网络中无线资源接入的策略管理者，其主要任务是在切换和呼叫建立过程中，对候选目标小区(可能采用不同无线接入技术)分优先级进行处理。

CRRM的主要优势包括：进行负载均衡从而提高系统资源利用率；分散干扰，改善频率效率；为各种业务选择最合适的无线承载，以增强网络的QoS管理能力。

由参考文献[5]可以看出针对高速率的实时业务和所有的非实时业务而言，都能够显著提高系统利用率，主要体现在：容量显著增加，在相同数量的小区覆盖情况下(这些小区可能采用不同无线接入技术)，增加CRRM算法控制以后明显提高了可服务的用户数；QoS明显改善，对于实时业务而言，在呼叫控制和切换过程中，通过对多种接入网络的选择来达到负载均衡，从而能够大幅度地降低阻塞率和掉话率；对于非实时业务，通过网络选择进行分流，从而能够降低业务时延以提高系统的平均吞吐量。

然而，CRRM也存在一定的局限性，这主要体现在：一方面，无论是呼叫建立还是系统间切换，接入网络选择仅考虑了负载因素，而没有考虑其他因素，例如信号强度、覆盖范围、用户移动速度；另一方面，CRRM仅针对UMTS、GERAN等蜂窝网络，而不包括其他类型的网络，例如无线局域网、无线个域网等。

2.2联合无线资源管理参考文献[6-8]提出了一种基于紧耦合的联合无线资源管理(JRR M)的新模式。

JRRM的主要设计原则是不同的无线接入技术采用紧耦合的方式进行统一管理，在不同的无线接入网络上有一个集中的联合控制实体进行联合的接纳控制、资源调度和负载控制。

JRRM在设计的时候就提出了主要目标是在不同的接入技术下实现智能的互操作；最优化频谱的使用效率：有效地处理各种载体的类型；有效地满足不同用户所要求的不同业务的QoS要求。

同时，JRRM以WCDM A和HIPERLAN/2的互通为例，探讨了如何在这个互通的场景下实现联合的无线资源管理。

可以预见的是它将以此为一个参考模型扩展到支持未来的其他无线接入技术。

JRRM另一个主要的创新在于它提出的可以将业务进行分流的思想，并认为一种业务可以分为基本部分和增强部分。

其基本部分是被认为再现这种业务所必须的，所以这种基本部分只能承载在具有大范围覆盖的网络(如UMTS)，而增强部分认为是可以提高用户QoS所要求的。

这种增强的部分一般承载在具有较高比特速率的无线载体上，例如在JRRM中承载在HIPERLAN/2上。

在JRRM中，所谓的动态就是体现在对业务流的区分上，即可以根据实际的网络质量在业务源处灵活地对业务进行分流，这样在网络侧可以根据不同的要求将分流后的业务承载在不同的无线接入网络中。

但是对JRRM来说，初步尝试所选取的异构网络有其特殊性。

对于HIPERLAN/2而言，它是基于一种集中控制的工作方式，AP(接入点)对其范围内的STA(移动台)具有很强的控制能力，这和现有的8 02.11中大多数的无线局域网的工作方式不同。

在现有的IEEE 802. 11系列中，虽然定义了PCF(点协调功能)这种集中控制的方式，但目前并没有采用，只是在竞争信道的基础上提供best-effort的服务，这就造成了对于WLAN资源基本处于一种不管理的状态。

所以在JR RM中这种异构网络的融合其实并不能很好地代表未来的异构网络的融合方向，它选择的这种无线互通模型并不具有广泛的代表性，在具体的资源分配策略上面，它也只是采用了一种简单的算法，即传输速率高的业务分配到带宽高的无线网络中，传输速率低的业务分配到带宽低的无线网络中，并且在业务的调度上，也只是基于简单的rou nd-robin算法，并没有提出一个完整的调度算法。

3、联合无线资源管理模式依据参考文献[9]，异构的联合无线资源管理按照管理的方式不同可以分为：集中式、分布式和分级式。

3.1集中式联合无线资源管理3.1.1结构如图1所示，集中式无线资源管理适用于紧耦合的融合架构。

所谓集中式是指在各无线接入网络之上有一个集中控制的实体。

这个集中控制的实体能测量它所管辖范围内的多个网络的无线资源的使用情况，并且能够对这些无线资源进行统一的分配和管理。

图1集中式无线资源管理架构3.1.2功能如图2所示，集中式的联合无线资源管理的功能模块可以分为两个部分：联合管理实体和独立执行实体。

联合管理实体独立于各种无线接入技术(RAT)，是联合无线资源管理的执行点。

主要执行联合接纳控制、联合切换控制、联合资源分配以及联合时间调度。

独立执行实体是原来各无线接入网络内部已有的无线资源管理实体，主要完成用户业务具体无线传输中所使用的无线资源分配并进行传输执行，即传统的无线资源管理在这部分执行。

从这个意义上来看，联合无线资源管理是对资源的一种宏观控制，具体细粒度的、传统的无线资源管理还是由各无线接入网络中的管理和控制实体来操作。

无线网络侧的独立执行实体向联合管理实体上报无线状态信息和负载信息以便联合管理实体执行统一的无线资源估计和分配，进而联合管理实体会把分配的方案下发到无线侧的各个独立执行实体中。

图2集中式联合无线资源管理功能的实现3.1.3数学方法和理论一般来说，集中式的联合无线资源分配算法以最大异构系统资源利用率为目标，对同时可获多种网络连接的所有用户进行接入网络的重新分配。

其中，算法需要考虑影响系统资源利用率的各种因素。

这些影响因素具有以下特点：种类繁多，除了网络负载外，还包括信号强度、覆盖情况、连接有效性等。

此外，异构环境中的资源表示具有差异性，因此不同接入网络内的同一因素不易统一量化表示并且难以比较，例如同一用户与不同无线接入技术连接的信号强度、不同无线接入网络的负载等。

所以，当前的异构网络研究中借鉴了一些数学理论和方法来定量分析不同类型的影响因素，并将这些难以统一量化的因素进行一致性表示并比较。

其中比较有代表性的方法有层次分析法、灰度关联法和模糊逻辑方法，下面将分别简层次分析法[10]的基本思想是首先把复杂问题分解为称之为元素的各个组成部分，然后把这些组成部分按属性分为不同组，以形成不同的层次，其中主要包括目标层、准则层和方案层。

这些层次之间具有自顶而下的支配关系。

因此，为了把联合无线资源分配问题条理化、层次化，需要构造出一个有层次的结构模型。

一般而言，紧耦合的集中式无线资源管理可以以系统资源利用率为目标层，然后考察影响此目标的多个因素，例如信号强度、覆盖范围、网络负载、吞吐量和用户偏好等。

将这些影响因素作为准则层。

而方案层不敷出则是最终可能的所有分配结果或选择结果。

这样一个自顶而下的层次结构能反映出所要解决问题的清晰思路。

灰度关联法[11]是分析离散事件关联程度的一种有效的方法，其核心思想是将其中的一种最优情况作为参考，然后将其他情况与这种最优情况进行比较并计算灰色关联系数。

如果两者的相似程度越大，则灰色关联系数越大，最终，灰色关联系数最大的那个方案就是要选择的最优方案。

一般而言，层次分析法和灰度关联法会一起使用进行多因素的问题分析。

模糊逻辑方法[12]的核心思想是通过隶属函数的计算，将量上没有确切边界的事物量化进而进行比较。

一般而言，模糊逻辑的方法有以下三个步骤：模糊化、模糊推理和去模糊化。

模糊化是把输入变量通过隶属度函数转化为合适的语言值。

模糊推理是基于模糊逻辑中蕴含关系和推理规则进行的，是模糊控制的核心。

去模糊化则是将模糊推理得到的结果变换成用于实际控制的清晰量。

以上三种数学理论在集中式的联合无线资源管理中已经用于解决异构网络的选择和异构网络的资源分配。

其中参考文献[13-15]以U MTS和WLAN的耦合网络为例。

采用了层次分析法和灰度关联法分析了异构网络选择。

参考文献[16，17]以WLAN、UMTS和GERAN 为例，采用了模糊逻辑算法分析了无线资源的可获性、信号强度和终端的移动速度对无线网络选择的影响。

3.2分布式联合无线资源管理3.2.1结构如图3所示，相比于集中式的无线资源管理模式，分布式的无线资源管理模式没有一个集中的管理实体来统一协调各种无线接入技术。

在这种模式下，统一的协调功能分散在各个地位对等的无线接入网络中[18，19]，即分布式管理能够在基于同一目标的前提下，将管理和计算功能分配给各个分布式节点，从而一方面能够降低各个节点的计算复杂度，另一方面增加了系统的冗余度。

冗余度的增加意味着在某些节点发生故障的情况下，不会对分布式节点的计算和管理产生破坏性影响。

图3分布式无线资源管理架构3.2.2功能参考文献[20]对分布式节点内部的功能结构进行了探讨，文中提出了一种混合多无线环境的管理系统(management system for co mposite radio environments，MS-CRE)，如图4所示。