CN101442811A - 一种无线资源统一控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于通信技术领域的无线资源统一控制方法，该方法通过构建一种层次化的无线资源控制网络实施了对所辖地理位置区域的无线资源统一控制；无线资源控制网络由金字塔拓扑的网络实体所构成，网络实体采用多级层次化管理和建立相关的同步体系从而保障该地理区域的通信设备可以选择自由竞争、协商方式和中心控制方式使用无线资源；无线资源则按照其时间域，频率域，地理位置域和能量域构成欧式空间上的无线资源容器，由无线资源控制网络在不同的维度空间上动态划分并使用无线资源容器；本发明的显著效果是：提高了无线资源利用率，避免了同构网络或异构网络之间的无线干扰。

Description

一种无线资源统一控制方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及通信网络无线资源控制，不同无线通信网络共存。

背景技术

无线通信在网络建设方面具备快速网络展开、支持移动或游牧等优势。然而，无线频谱资源有限，且存在无线设备之间的严重干扰等问题。目前的公众陆地移动网络的无线基站之间采用蜂窝组网方式，严格限定了频谱资源使用地域；而无线局域网、无线城域网以及无线个域网，则确定了网络内部的无线资源使用方法，尚未解决在共享频谱资源条件下同类型无线网络之间的干扰问题，更未涉及不同类型无线网络。因此，在通信系统共用频谱资源条件下，不同通信系统的设备之间相互干扰造成通信网络不能正常工作，甚至瘫痪；即使是统一标准的无线设备，如果没有正确的频率规划，也会出现上述问题。该现象在快速组建高可靠性的应急通信系统过程中，问题尤为突出。

公众陆地移动网络，如：2G和3G无线通信标准，一方面将其所使用的频谱资源以“干扰最小原则”进行划分，且其无线基站采用蜂窝组网实现不同地理位置的无线基站之间的同频无线频谱复用。进一步通过采用不同的多址技术，如GSM的时分多址和CDMA的码分多址以实现频谱资源在蜂窝内部的充分利用。另一方面，不同网络系统之间则采用严格的频谱资源隔离措施，防止相互干扰。公众陆地移动网络采用相对固定的无线频谱资源管理模式从而获得较好的通信可靠性保障。但，限制了无线频谱资源的利用率，同时需要有良好的网络规划措施，限制了其在突发情况下的快速组网能力。

无线局域网、无线城域网以及无线个域网，如IEEE802.11、IEEE802.15以及IEEE802.16，等无线通信系统定义了系统内部无线资源使用规则，包括其使用频谱带宽、时分和频分复用策略；而不同网络之间的干扰问题主要依靠无线频谱规划或者是采用动态频谱选择规则来规避。目前也有采用“频谱控制器”解决不同无线网络在频谱资源共用情况下的干扰或工作冲突问题。但这些方法限定于特殊类型网络，如图1所示的IEEE802.11与IEEE802.16共存，而未提供通用且系统性的解决方案，图1中所示的1代表的区域是IEEE802.16基站混合控制的传输帧，2代表的区域为IEEE802.11的传输帧，3代表的区域为IEEE802.16基站传输帧，4代表的区域为保护间隔。

综上所述：现有无线通信系统采用无线频谱资源规划或动态资源分配策略主要解决其系统内部频谱资源分配与共享，尚未有效地解决频谱资源的有限性与无线设备之间的干扰问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服频谱资源的有限性与无线设备之间的干扰问题，解决相同类型无线网络(以下称为同构网络)之间以及不同类型无线网络(以下称为异构网络)之间的相互干扰问题；解决因缺乏统一的频谱资源实时管理系统，使得无线频谱资源未能得到充分利用的问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：通过构建一种层次化的统一无线资源控制网络，并由该网络控制所辖地理位置区域的无线资源，从而在时间域，频率域，地理位置域和能量域组成的欧式空间上实现无线资源的多维度动态分配；其特征在于：由无线资源控制网络以及被控无线资源所构成一种无线资源控制方法，包括以下步骤：

A、无线资源控制网络由层次化的多级控制实体组成，其实体之间构成由树形拓扑与网状拓扑构成的组合型金字塔拓扑，实现不同层次控制实体之间的功能任务分配以及同层次功能实体之间的任务协商；

B、无线频谱资源按照其时间域，频率域，地理位置域和能量域构成欧式空间上的无线资源容器，并由无线资源控制网络统一管理，在不同的维度空间上动态划分并分配无线资源容器。

所述步骤A中，无线资源控制网络分为控制实体以及控制终端，控制实体包括顶层控制实体和子控制实体；顶层控制实体与一个或多个子控制实体之间，并且，子控制实体与一个或多个控制终端之间构成树形网络拓扑结构；顶层实体是网络拓扑的根节点或者是父节点，子控制实体是网络拓扑的子节点，控制终端是网络拓扑的树叶；树形拓扑的同层子控制实体之间构成网状拓扑。

所述步骤A中，顶层控制实体控制其底层的子控制实体或者是控制终端，完成其控制地理位置区域的无线资源分配；子控制实体是其顶层控制实体的代理；控制终端是无线资源管理任务的执行实体；同层控制实体之间可以构成对等的资源使用协商关系，共同管理相邻地理位置的无线资源。

所述步骤A中，控制终端向其所控制地理位置区域发送控制信息，执行无线资源的动态控制；同时，控制终端可以具备无线资源监测能力，并向其父节点的控制实体实时反馈无线资源监测结果，从而使无线资源控制网络实现闭环控制。

所述步骤A中，控制实体和控制终端需要获得时钟同步，其方法是：位于网络拓扑树叶的控制终端和网络拓扑中间的子控制实体分别同步于其父节点的子控制实体或者是顶层控制实体，所述的无线资源控制网络能在同步和准同步的时钟体系下正常工作；位于网络拓扑同层且地理位置相邻的控制实体之间采用互同步修正，或提供备份时钟源；无线资源控制网络根据无线通信设备使用无线资源方式，包括自由竞争，相互协商和集中控制三种模式管理无线资源，并根据这三种工作模式提供相应精度的同步时钟。

所述步骤A中，控制实体之间以及控制实体与控制终端之间通过有线或无线信道传递资源控制信息；前者不占用无线资源称为带外控制，后者占用无线资源称为带内控制；控制终端占用其所控制地理位置区域的无线资源用于广播资源控制信息。

所述步骤B中，无线资源按照其时间域，频率域，地理位置域和能量域特征划分，从而构成欧式空间上的无线资源容器；通常，一维无线资源容器由时间域的帧序列所构成；二维无线资源容器由时间域和频率域的帧序列所构成；三维无线资源容器由时间域，频率域和地理位置域所构成，或者是由时间域，频率域和能量域构成；四维无线资源容器由时间域，频率域，地理位置域和能量域所构成。

所述步骤B中，无线资源容器由所述步骤A中的控制终端所发送资源控制信息联合一个或多个子容器构成；该子容器在各个维度空间之代数和不超过无线资源容器，子容器在无线资源容器中的位置由指针所标识；子容器由控制终端所发送资源控制信息联合一个或多个资源块组成，该资源块可以具有确定或者部分非确定性的多维空间形状或容积；控制终端根据通信业务需求与无线资源条件，向控制器所辖地理位置范围内的无线通信设备提供确定或部分非确定性资源块。

所述步骤B中，无线通信系统为了实现跨地理位置区域移动需要获得由所述步骤A中的相邻地理区域的控制终端的控制信息，无线资源容器的子容器在非地理位置域的其他至少一维空间上取循环周期变长值，或者是在非地理位置域的其他至少一维空间上提供循环周期变化位置的控制信息副本。

本发明的有益效果为：提出了一种通用无线资源控制方法，通过对无线资源在多维度空间划分，并使用无线资源控制网络统一且实时控制无线资源，从而提高了无线资源利用率，避免了同构网络或异构网络之间的无线干扰。

附图说明

图1为IEEE802.11与IEEE802.16共存帧结构

图2为无线资源层次化的统一控制网络

图3为控制网络的同步体系

图4为子容器的结构

图5为系统资源逐级优化划分流程

图6为顶级三维容器将CA划分

图7为一级三维容器CB1划分

图8为三维容器HR递归算法的布局

图9为HR递归算法流程

图10为通信实体ST7相邻地理区域移动

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

本发明的基本思路如下：这种无线资源层次化的统一控制网络顶层控制由一个以上的顶层控制实体构成，各层控制实体都可以有一个以上的子控制实体，直到子控制实体的下一层子节点为控制网络底层的控制终端，各层的控制实体是对等的实体，可直接进行通信；以下称顶层控制实体的子控制实体为一级子控制实体，称一级子控制实体的子控制实体为二级子控制实体，二级子控制实体有一个以上的控制终端，如图2所示，CE代表顶层控制实体，PE代表子控制实体，CT代表控制终端，STn代表通信实体，Dnm代表控制终端，Sn代表控制终端所辖地理区域，其中m和n为自然数，图3和图10同样遵守这一规定；顶层控制实体A是网络拓扑的根节点，是一级子控制实体B1和B2的父节点，一级子控制实体和二级子控制实体是网络拓扑的子节点，控制终端是网络拓扑的叶子节点，其中二级子控制实体C1和C2是一级控制实体B1的子控制实体，控制终端D11、D12、D13和D21、D22分别是C1和C2的树叶子节点，形成由树形拓扑与网状拓扑构成的组合型金字塔拓扑。控制实体完成其控制地理位置区域的无线资源分配，子控制实体是其顶层控制实体的代理(Proxy Agent)，控制终端是无线资源管理任务的执行实体，同层控制实体之间可以构成对等的资源使用协商关系，共同管理相邻地理位置的无线资源。

控制终端D11向其所辖地理位置区域S1发送控制信息，处于SI中的通信实体ST1、ST2工作在控制终端的控制之下，ST4处于控制终端DII和D22的所辖地理位置区域S1和S2的重叠处，受D11和D22的共同控制，如图3所示；控制终端进行动态无线资源的管理执行，控制终端D11监测到现有的无线资源利用率低，向其父节点控制实体C1反馈，C1将多余的资源重新进行控制；控制终端D11发现其所辖地理位置区域S1有可利用的资源向C1报告，由C1处理该报告，该资源不在C1的处理范围之内，再向上一级控制实体B1报告，形成闭环的无线资源控制。

无线资源控制网络根据无线通信设备使用无线资源的三种模式，包括自由竞争，相互协商和集中控制模式管理无线资源；二级控制实体C1根据其控制终端D11所辖地理位置区域S1内的通信实体使用资源的方式，控制其控制终端D11发送控制信息，使S1内的通信实体正常工作；D11所辖地理位置区域S1内的通信实体采用IEEE802.11信道资源自由竞争方式，C1通过D11发送自由竞争模式下所需的控制信息对无线资源进行管理，使IEEE802.11通信实体正常通信；控制终端D12所辖地理位置区域S2内的通信实体ST6和ST5采用IEEE802.11信道资源自由竞争方式，其他通信实体采用IEEE802.16信道资源集中控制方式，C1通过D12在适当的资源位置发送自由竞争模式和集中控制模式下所需的控制信息对资源进行管理，使两种异构的通信系统能正常工作。

控制实体之间以及控制实体与控制终端之间通过有线或无线信道传递资源控制信息；前者不占用无线资源(或称为带外控制)，后者占用无线资源(或称为带内控制)；如图2所示，节点间连接可以是有线的连接，可以是无线连接；控制终端占用其所控制地理位置区域的无线资源用于广播资源控制信息，如图2所示，控制终端D11所发送的控制信息，通过D11所具有的无线资源向其所辖地理位置区域内的通信实体ST1、ST2、ST3和ST4广播。

该控制网络中的控制实体和控制终端需要获得时钟同步，其方法是：位于网络拓扑树叶的控制终端和网络拓扑中间的子控制实体分别同步于其父节点的子控制实体或者是顶层控制实体，如图3所示，5代表的单箭头指示主从同步方向，6代表的双向箭头指示互同步方向，控制终端D11、D12和D13同步于其父控制实体C1，二级子控制实体C1、C2和C3同步于一级控制实体B1，一级控制实体B1和B2同步于顶层控制实体A，形成逐级主从同步；位于网络拓扑同层且地理位置相邻的控制实体之间采用互同步修正，C1、C2和C3处于同一层，它们的时钟同步于B1，同时C1、C2和C3各自将互同步所得的时钟和所得B1的时钟进行对比，对二级子控制实体的时钟进行修正。当C1和B1的连接断后，C1采用互同步时钟。

无线资源按照其时间域，频率域，地理位置域和能量域(码序列域)特征划分，从而构成欧式空间上的无线资源容器；通常，一维无线资源容器由时间域的帧序列所构成；二维无线资源容器由时间域和频率域的帧序列所构成；三维无线资源容器由时间域、频率域和地理位置域所构成，或者是由时间域，频率域和能量域(码序列域)构成；四维无线资源容器由时间域，频率域，地理位置域和能量域(码序列域)所构成。

控制实体采用带内方式或者带外方式通过资源控制信息，把无线资源的分配情况通知下层子控制实体或者控制终端，采用带内方式需要占用部分无线资源容器的空间用于发送资源控制信息，无线资源容器由顶层控制实体A的资源控制信息、一级子容器CB1和CB2组成，CB1和CB2的维度和容量由A控制；一级子容器CB1由B1的资源控制信息、子容器CC1和CC2构成，CC1和CC2的维度和容量由B1控制；子容器CC1由C1的资源控制信息SCM、控制终端D11、D12和D13的资源块SD11、SD12、SD13组成，D11、D12和D13资源块的维度和容量由C1控制，D11所分的资源块内的数据包括D11的控制信息CM及其控制地理区域的业务，D12和D13的资源块内的数据同样由控制信息CM和业务组成，如图4所示，A图是三维子容器，B图是子容器的一个面；采用带外方式通过有线连接传输资源控制信息，不占用无线资源容器的空间，带外方式下和带内方式下无线资源容器结构相比只有一点不同，即没有顶层控制实体A的资源控制信息、没有一级控制实体B1和B2的资源控制信息；从控制网络的底层控制终端来看，无线资源容器由控制终端所发送资源控制信息联合一个或多个子容器构成，子容器在各个维度空间之代数和不超过无线资源容器，子容器在无线资源容器中的位置由指针所标识；子容器由控制终端所发送资源控制信息联合一个或多个资源块组成，该资源块可以具有确定或者部分非确定性的多维空间形状或容积，控制终端根据通信业务需求与无线资源条件，向控制器所辖地理位置范围内的无线通信设备提供确定或部分非确定性资源块。如前面所述控制终端D12所辖地理位置范围S2内有的通信实体采用IEEE802.11信道资源自由竞争方式，有的通信实体采用IEEE802.16信道资源集中控制方式，采用IEEE802.11的通信实体和采用IEEE802.16通信实体的资源块组成构成子容器的一部分，其中IEEE802.16通信实体的资源块的容积有确定性，IEEE802.11通信实体的资源块是不确定的.

图5描述了多维无线资源逐级分配的流程，描述本无线资源统一控制方法从顶层控制实体开始逐级的控制其所辖地理区域内的多维无线资源，多维无线资源逐级划分主要有两个环节：无线资源容器的逐级初始化分配和无线资源容器的逐级优化划分；第一个环节，无线资源容器的逐级初始化分配是控制实体根据下层实体的数量进行资源逐级均分，并根据使用情况逐级逆向反馈的过程，形成一个闭环的划分与反馈的资源控制系统，使得上层控制实体能获得下层控制实体的资源需求；第二个环节，无线资源容器的逐级优化划分过程是在无线资源容器初始化过程后，上层控制实体根据下层各个子控制实体的资源需求，采用适合该维度容器划分的优化算法，对掌握的多维无线资源容器进行划分，把划分的子资源容器分配给子控制站，逐级划分，直到将其交付控制终端使用；系统掌握的资源容器维度的不同，资源容器的优化算法不同。n维容器的逐级优化划分过程即把上层资源容器优化分割成各个子控制实体的子n维容器过程，使无线资源逐级分配过程浪费资源最少。

图6，7所示三维无线资源容器的逐级优化分配过程，无线资源层次化的统一控制网络具有三个维度的无线资源容器，三维无线资源容器的逐级优化分配过程是在系统资源的逐渐初始化过程后，顶层控制实体A根据下层两个控制实体B1，B2的资源需求，对其掌握的顶级三维容器进行划分；图6所示顶级容器CA划分过程，把顶级容器CA将划分成j个一级子容器CB1，CB2…CBj分配给一级子控制实体B1，B2…Bj；如图7所示CA的子容器CB1划分的过程，一级控制实体B1将掌握的子容器CB1根据二级控制实体C1，C2...Ck的资源需求划分成k个更小的子容器CC1，CC2...CCk下发给二级控制实体C1，C2...Ck；逐级分配，直至三维资源交付给控制终端使用；逐级优化三维容器的过程即把上层容器优化分割成各个子控制实体的子三维容器过程，使划分过程浪费资源域最少，逐级划分，直到资源交付给底层控制器，对资源进行使用。

图8描述了三维无线资源容器优化分配的过程是一个三维装箱过程；系统中上层控制实体得知子控制实体资源需求信息后，子控制实体的需求资源即三维子容器大小确定；无线资源容器优化分配的过程即把多个数量固定大小的三维资源域按三维装箱算法合理且有效的装入到固定大小的容器中，使得资源域之间不重叠，使得浪费容器空间最小，然后把子控制实体资源域占据的容器空间(即子容器)分配给子控制实体，同上，对子控制实体的容器进行装箱算法布局后分配给更下层控制实体，逐级划分；本系统采用HR递归装箱算法(此方法同样可以使用在二维的资源容器)来布局三维容器，如图8所示，Y、X、Z分别表示时域、频域、空域资源的量度，频率轴和空间轴有限，时间轴无限延伸，首先放置一块三维子容器M放置到三轴交点，将空间S划分成无限空间S1、有限空间S2和S3三个子空间，在空间S2和S3中，分别调用递归函数3D-RecursivePacking(S)填充该空间，递归算法流程如图9所示；再把S1看成S，重复上述操作，直到把子容器填装完毕后，把子资源块占用的空间分配给子控制实体；子控制实体重复上述操作，完成一个逐级划分过程，直到三维资源空间交付给控制终端使用。

无线通信系统为了实现跨地理位置区域移动需要获得相邻地理区域的控制终端的控制信息，无线资源容器的子容器在非地理位置域的其他至少一维空间上取循环周期变长值，或者是在非地理位置域的其他至少一维空间上提供循环周期变化位置的控制信息副本；如图10所示，7代表的单箭头方向指示ST7的运动方向，ST7自其控制终端D13的地理位置区域，向控制终端D21的地理位置区域移动，ST7需要获得D21的控制信息，二级子控制实体的子容器CC2在时间域上其长度周期性的变化，子容器的控制信息随时间域变化出现在不同的资源空间中，使ST7能够捕捉到CC2的的控制信息；另外一种方式是D21发送控制信息和控制信息的副本，控制信息在子容器CC2内所占用的资源块固定，其控制信息副本在划分了时间段的时间域上滑动，每次滑动一个控制信息副本占用一个时间段(可有多个控制信息的副本)，这种滑动有一定的循环周期，在这个周期内ST7能捕捉到控制终端CC2的控制信息。

本发明提供了一种有效控制无线资源的方法，将全网的可用资源进行层次化的统一控制，使用无线资源容器提高资源的利用，解决不同通信系统的共存问题。

Claims (9)

1、本发明通过构建一种层次化的无线资源控制网络，并由该网络控制所辖地理位置区域的无线资源，从而在时间域，频率域，地理位置域和能量域组成的欧式空间上实现无线资源的多维度动态分配；其特征在于：由无线资源控制网络以及被控无线资源所构成一种无线资源统一控制方法，包括以下步骤：

A、无线资源控制网络由层次化的多级控制实体组成，其实体之间构成由树形拓扑与网状拓扑构成的组合型金字塔拓扑，实现不同层次控制实体之间的功能任务分配以及同层次功能实体之间的任务协商；

B、无线频谱资源按照其时间域，频率域，地理位置域和能量域构成欧式空间上的无线资源容器，并由无线资源控制网络统一管理，在不同的维度空间上动态划分并分配无线资源容器。

2、根据权利要求1所述的无线资源控制方法，其特征在于：所述步骤A中，无线资源控制网络分为控制实体以及控制终端，控制实体包括顶层控制实体和子控制实体；顶层控制实体与一个或多个子控制实体之间，并且，子控制实体与一个或多个控制终端之间构成胖树形网络拓扑结构；顶层实体是网络拓扑的根节点或者是父节点，子控制实体是网络拓扑的子节点，控制终端是网络拓扑的树叶；树形拓扑的同层子控制实体之间构成网状拓扑。

3、根据权利要求1所述的无线资源控制方法，其特征在于：所述步骤A中，顶层控制实体控制其底层的子控制实体或者是控制终端，完成其控制地理位置区域的无线资源分配；子控制实体是其顶层控制实体的代理；控制终端是无线资源管理任务的执行实体；同层控制实体之间可以构成对等的资源使用协商关系，共同管理相邻地理位置的无线资源。

4、根据权利要求1所述的无线资源控制方法，其特征在于：所述步骤A中，控制终端向其所控制地理位置区域发送控制信息，执行无线资源的动态控制；同时，控制终端可以具备无线资源监测能力，并向其父节点的控制实体实时反馈无线资源监测结果，从而使无线资源控制网络实现闭环控制。

5、根据权利要求1所述的无线资源控制方法，其特征在于：所述步骤A中，控制实体和控制终端需要获得时钟同步，其方法是：位于网络拓扑树叶的控制终端和网络拓扑中间的子控制实体分别同步于其父节点的子控制实体或者是顶层控制实体，所述的无线资源控制网络能在同步和准同步的时钟体系下正常工作；位于网络拓扑同层且地理位置相邻的控制实体之间采用互同步修正，或提供备份时钟源；无线资源控制网络根据无线通信设备使用无线资源方式，包括自由竞争，相互协商和集中控制三种模式管理无线资源，并根据这三种工作模式提供相应精度的同步时钟。

6、根据权利要求1所述的无线资源控制方法，其特征在于：所述步骤A中，控制实体之间以及控制实体与控制终端之间通过有线或无线信道传递资源控制信息；前者不占用无线资源称为带外控制，后者占用无线资源称为带内控制；控制终端占用其所控制地理位置区域的无线资源用于广播资源控制信息。

7、根据权利要求1所述的无线资源控制方法，其特征在于：所述步骤B中，无线资源按照其时间域，频率域，地理位置域和能量域特征划分，从而构成欧式空间上的无线资源容器；通常，一维无线资源容器由时间域的帧序列所构成；二维无线资源容器由时间域和频率域的帧序列所构成；三维无线资源容器由时间域，频率域和地理位置域所构成，或者是由时间域，频率域和能量域构成；四维无线资源容器由时间域，频率域，地理位置域和能量域所构成。

8、根据权利要求1所述的无线资源控制方法，其特征在于：所述步骤B中，无线资源容器由所述步骤A中的控制终端所发送资源控制信息联合一个或多个子容器构成；该子容器在各个维度空间之代数和不超过无线资源容器，子容器在无线资源容器中的位置由指针所标识；子容器由控制终端所发送资源控制信息联合一个或多个资源块组成，该资源块可以具有确定或者部分非确定性的多维空间形状或容积；控制终端根据通信业务需求与无线资源条件，向控制器所辖地理位置范围内的无线通信设备提供确定或部分非确定性资源块。

9、根据权利要求1所述的无线资源控制方法，其特征在于：所述步骤B中，无线通信系统为了实现跨地理位置区域移动需要获得由所述步骤A中的相邻地理区域的控制终端的控制信息，无线资源容器的子容器在非地理位置域的其他至少一维空间上取循环周期变长值，或者是在非地理位置域的其他至少一维空间上提供循环周期变化位置的控制信息副本。

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