CN101848465A - 第四代通信系统网络架构设计及无线资源管理方法 - Google Patents

第四代通信系统网络架构设计及无线资源管理方法 Download PDF

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朱晓荣
刘露婷
朱洪波
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Abstract

本发明设计了一种第四代通信系统网络架构设计及无线资源管理方法，并提出一种支持此架构的无线资源管理方法。该网络架构的基本组成包括有不同接入技术的网络、网关和核心IP网络，在热点区域还会存在WLAN的接入点。提出在该网络架构中采用Mesh中继技术。提出支持该网络架构的无线资源管理方法：三层资源管理体系和动态频谱管理模型。三层资源管理体系包括协作无线资源管理、通用无线资源管理和具体无线资源管理这三层无线资源管理系统结构。三层资源管理体系结合动态频谱分配能够充分利用系统资源，提高系统性能。

Description

第四代通信系统网络架构设计及无线资源管理方法
技术领域
本发明设计了一种新型的IMT-Advanced(第四代通信系统)融合网络架构，并提出支持这种新型网络架构的无线资源管理方法，属于无线通信技术领域。
背景技术
随着数据业务的发展和用户数量的增加，用户对移动通信网络容量的要求不断提高，传统的蜂窝网络结构日益显现出局限性，需要研究新型无线网络组网技术，以改善用户体验，提高小区边缘的数据业务速率，提高全网的业务容量，并达到降低网络建设成本，降低网络运行和维护成本的目的。目前，相关研究已引起国内外研究的关注。
随着无线通信技术的不断发展，新一代的无线网络发展趋势是异构、共享与融合，以支撑新的工作和服务方式，因此无线异构网络融合技术已成为下一代无线网络不可逾越的关键技术。IMT-Advanced系统是不同无线接入技术支持的无线接入网络相互融合的异构无线网络环境。如何将不同的异构网络加以融合，集中调度和利用是所面临的问题之一，因此，设计出一个适用于异构网络融合技术的架构就尤为关键。此外，实现异构无线网络的关键技术之一是网络的无线资源管理技术，即如何实现不同无线接入技术之间的无缝合作和互补。无线资源管理具体而言，就是对异构网络中频谱资源的管理，主要包括授权系统资源之间的管理和分配，授权系统和非授权系统资源之间的管理和分配，以及非授权系统资源之间的管理和分配等等。
要想加速推动MT-Advanced系统的研发，首先需要设计高效的无线资源管理机制和频谱管理机制，设计IMT-Advanced新型网络架构、跨层设计方法，信令协议以及相关的关键技术等，为支持新的体系框架和新的无线资源管理算法，展开对动态频谱接入算法、干扰抑制技术、无线资源管理和调度机制等关键技术的深入研究。最终实现IMT-Advanced技术的目标：更高的数据率和更大的系统容量，目标峰值速率为：低速移动、热点覆盖场景下1Gbit/s以上，高速移动、广域覆盖场景下100Mbit/s。
针对上述问题，本发明设计出一种新型的IMT-Advanced网络融合架构，并提出相应的资源管理体系。在所设计的方案下，解决了异构网络融合方案，并且实现了系统间的资源共享与调度，较好解决了频谱紧缺问题。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提出一种第四代通信系统网络架构设计及无线资源管理方法，该架构能融合多个不同接入技术的网络，而且这些网之间是共存、共享和互通的。同时提出支持所设计的新型融合网络架构的无线资源管理方法，动态地为不同系统分配频谱资源，实现频谱资源的多系统间共享。
技术方案：本发明的第四代通信系统网络架构设计及无线资源管理方法，其特征在于该方法为：网络架构由不同接入技术的网络、网关和核心IP网络组成，在热点区域还会存在无线局域网WLAN的接入点；该网络架构中采用网格Mesh中继技术，每个蜂窝小区内，基站和静态的网格Mesh节点形成多跳的无线网格Mesh网；该网络架构的无线资源管理方法由三层结构的无线资源管理和动态频谱管理实现。
第四代通信系统网络架构设计的基本组成具体分为不同接入技术的网络、网关和核心IP网络，在热点区域还会存在无线局域网WLAN的接入点；在所设计的架构中，网关是一个重要的功能实体，它位于核心网与路由器中间，起连接沟通作用，不同网关间共享集中控制的资源，基站位于路由器下方，分布式地实现具体的频谱分配。
在第四代通信系统网络架构中，所采用的Mesh中继技术，在每个蜂窝小区内，基站和静态的Mesh节点形成了多跳的无线Mesh网；把每个小区分成几个环，每个环分配不同的信道，每个环内使用时分多址接入(Time Division Multiple Access，TDMA)或载波监听/冲突监测(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect，CSMA/CA)接入控制协议共享信道；除此以外，内环的Mesh节点向基站转发外环节点的数据，基于这种Mesh蜂窝结构，利用非线性规划最优化方法来配置最优的参数，使得网络容量和覆盖范围达到最大化。
该方法分为三层结构的无线资源管理和动态频谱管理两部分，其具体实现方法如下：
①三层结构的无线资源管理：协作无线资源管理、通用无线资源管理和具体无线资源管理，
协作无线资源管理：位于最上层网关处，从总体带宽角度负责不同运营商间资源的共享与调度，因为目前不同运营商使用不同的频段，协作无线资源管理可以使单个运营商使用到所有频段，
通用无线资源管理：位于单个运营商内部，负责内部资源的共享与调度，即基站间资源的分配与使用，
具体无线资源管理：位于单个基站，负责其内部资源的共享与调度，即具体分配频带到到各个用户终端，
协作无线资源管理将整体可用频带作为一个资源池，利用集中式和分布式的资源管理方案进行频谱等资源的分配和使用。
②动态频谱管理采用频谱聚合技术和多带宽调度器
频谱聚合技术实现利用不连续的带宽，采用多带宽调度器实现业务在这两种频带上的调度分配，关键性能指示(Key Performance Indicators，KPIs)作为输入数据，一旦关键性能指示下降，说明此时分配的带宽资源已经不能满足业务需求，需要进行通用无线资源管理或协作无线资源管理来重新获得系统平衡，在新的第四代通信系统架构下，当系统内资源耗尽时，需要系统间的频段调度，即使用协作无线资源管理，借用其他运营商频段，满足用户需求。
有益效果：本发明具有以下优点：
①本发明设计的IMT-Advanced新型网络架构融合多个不同接入技术的网络，而且这些网之间能够共存、共享和互通；
②采用了中继技术，减少了基站和移动终端之间直接通信的信令开销，降低了多跳传输中的时延，保证了移动用户的通信和数据服务的需求，改善了系统性能；
③基于Mesh蜂窝结构，可以以较低的代价覆盖广域的范围，使得网络容量和覆盖范围达到最大化；
④三层无线资源管理系统架构的应用可以充分利用系统资源，以提高系统性能。
附图说明
图1是设计的IMT-Advanced新型融合网络体系结构。
图2是设计的IMT-Advanced网络结构中Mesh蜂窝网基于环的频谱分配技术。
图3是设计的IMT-Advanced系统无线资源管理体系结构。
图4是设计的IMT-Advanced系统无线资源管理示意图。
图5是设计的IMT-Advanced系统资源调度示意图。
具体实施方式
1.设计融合的IMT-Advanced新型网络体系结构
图1为所设计的IMT-Advanced新型网络体系结构。该体系结构的基本组成包括有不同接入技术的网络、网关和核心IP网络，而每个网络有移动终端、基站和网关组成，在热点区域还会存在WLAN的接入点。在所设计的IMT-Advanced系统架构中，网关是一个重要的功能实体，它位于核心网与路由器中间，起连接沟通作用。不同网关间共享集中控制的资源。基站位于路由器下方，分布式地实现具体的频谱分配。
设计的网络架构中采用了Mesh中继技术，减少了基站和移动终端之间直接通信的信令开销，降低了多跳传输中的时延，保证了移动用户的通信和数据服务的需求，改善了系统性能。
新的网络架构以分布和集中式相结合的混合式为网络主要控制方式，能够灵活支持多种不同的业务类型，并具有提供用户期望的服务质量的能力。在该体系结构中，两个终端之间可以建立多种连接。
2.新型网络架构采用Mesh技术
在每个蜂窝小区内，基站和静态的Mesh节点形成了多跳的无线Mesh网。把每个小区分成几个环，每个环分配不同的信道，每个环内使用TDMA或CSMA/CA接入控制协议共享信道，如图2所示。除此以外，内环的Mesh节点向基站转发外环节点的数据。基于这种Mesh蜂窝结构，可以以较低的代价覆盖广域的范围。我们将利用非线性规划最优化方法来配置最优的参数，使得网络容量和覆盖范围达到最大化。
3.提出支持所设计的新型网络架构的无线资源管理方法
所设计的新型网络架构适用于异构无线网络，因此必须有与之适应的无线资源管理方法。本发明设计出协作无线资源管理与动态频谱管理相结合的管理方法，应用于所设计的新一代IMT-Advanced的功能架构。
协作无线资源管理将整个可用的频谱资源作为一个资源池，利用集中式和分布式的资源管理方案进行频谱等资源的分配和使用。通过协作无线资源管理(Cooperative RRM)、通用无线资源管理(Generic RRM)和具体无线资源管理(SpecificRRM)。从高层到底层实现对无线资源进行调度管理。
结合附图，对本发明方案设计作进一步的具体分析和描述。
1.核心部分说明
(1)设计IMT-Advanced新型融合网络架构
图1为所设计的IMT-Advanced新型网络体系结构。该体系结构的基本组成包括有不同接入技术的网络、网关和核心IP网络，而每个网络有移动终端、基站和网关组成，在热点区域还会存在WLAN的接入点。在新一代IMT-Advanced系统架构中，网关是一个重要的功能实体，它向下通过通用无线资源管理(Generic RRM)管理、估计可用的无线资源，根据业务需求分离业务；向上向协作无线资源管理(Cooperative RRM)汇报实时需求；不同的运营商可以根据业务需求申请分配资源。网关可以接入核心网或者其他网络。不同网关间共享资源资源实现集中式控制。基站位于路由器下方，分布式地实现具体的频谱分配。
新的网络架构以分布式和集中式相结合的混合式为网络主要控制方式，能够灵活支持多种不同的业务类型，并具有提供用户期望的服务质量的能力。在该体系结构中，两个终端之间可以建立多种连接。
①终端A.B.C.D.E之间组建了移动Mesh网络，它们可以不经过基站而实现相互间的直接通信，包括语音通信和数据传输和多媒体业务。
②蜂窝覆盖范围外的移动终端H和I之间也可以实现相互通信，通过中间节点F.G.J多跳转接。
③终端M.N都在WLAN AP覆盖范围内，它们之间的通信可以通过AP进行。对于AP覆盖范围外的终端O和L如果需要进行高速的数据传输，则以多跳方式经N和M，由AP接入到核心IP网络中。蜂窝覆盖范围外的终端K以多跳方式经过终端L.M由AP接入到核心IP网络，获得高速数据服务。
④终端L可以直接和基站进行通信，也可以通过中继节点M和基站进行通信。
(2)新型网络结构中采用Mesh技术
在每个蜂窝小区内，基站和静态的Mesh节点形成了多跳的无线Mesh网。我们把每个小区分成几个环，每个环分配不同的信道，每个环内使用TDMA或CSMA/CA接入控制协议共享信道，如图2所示。除此以外，内环的Mesh节点向基站转发外环节点的数据。基于这种Mesh蜂窝结构，可以以较低的代价覆盖广域的范围。我们将利用非线性规划最优化方法来配置最优的参数，使得网络容量和覆盖范围达到最大化。
所设计的新型网络架构中采用Mesh技术，即在基站与移动台之间增加了一个或多个Mesh节点(例如M点)，负责将基站发送过来的无线信号做一次或者多次信号处理或直接转发，直到移动终端。也就是说，无线信号要经过“两跳”或“多跳”才能到达移动台。它一般在特定场景下发挥作用，比如高速移动的列车或者一些重大事件的现场，比如会场。移动Mesh系统中，在切换方面，除了基站为移动终端触发切换外，还有另外一种切换形式，即基站利用Mesh节点(中继节点)的消息集合来断开基站和所属的移动终端的连接，减少了基站和移动终端之间直接通信的信令开销，降低了多跳传输中的时延，保证了移动用户的通信和数据服务的需求，改善了系统性能。
在该体系结构下，基站向移动终端提供了多种服务，包括：接入到Internet、支持终端在蜂窝网与移动自组织网络之间的切换、资源控制、Mesh网络路由发现和组网过程、安全性管理、蜂窝网和移动Mesh网络之间的负载平衡等。核心IP网络作为与Internet连接的骨干网络支持高速分组数据服务。此外，该结构的设计还考虑到尽可能地利用蜂窝网的系统资源。
(3)IMT-Advanced系统无线资源管理方法
对于资源共享优化管理模块，主要提出了适用于设计网络架构的资源管理体系，具体结构为图3，采用三层无线资源管理：
协作无线资源管理(Cooperative RRM)：位于最上层网关处，从总体带宽角度负责不同运营商间资源的共享与调度。因为目前不同运营商使用不同的频段，协作无线资源管理可以使单个运营商使用到所有频段。
通用无线资源管理(Generic RRM)：位于单个运营商内部，负责内部资源的共享与调度，即基站间资源的分配与使用。
具体无线资源管理(Specific RRM)：位于单个基站，负责其内部资源的共享与调度，即具体分配频带到到各个用户终端。
以上的无线资源管理只是从频谱范围进行了说明，其具体功能还包括负载控制、接入控制和切换等等。同时，频谱管理作为与无线资源管理的输入方，也存在于三层结构中，主要实现频谱聚合，共享等功能。具体功能如图4所示。
具体到某一运营商，即单一系统内时，一般使用通用无线管理管理内部资源，频段的分配和使用。在新的架构中，我们将其所能使用的频段分为两部分：固定频段和共享频段。通常情况下使用多带宽调度器实现业务在这两种频带上的调度分配，关键性能指示(Key Performance Indicators，KPIs)作为输入数据。一旦KPIs下降，说明此时分配的带宽资源已经不能满足业务需求，需要进行通用无线资源管理或协作无线资源管理来重新获得系统平衡。在新的IMT-Advanced系统架构下，当系统内资源耗尽时，则需要系统间的频段调度，即使用协作无线资源管理。借用其他运营商频段，满足用户需求。
IMT-Advanced系统资源调度的流程如图5所示。
动态频谱管理实现的功能是根据业务量的变化，利用认知无线电和网元重配置能力，在运营商之间或者异构接入技术之间动态分配与释放。
由于分配所得的带宽很可能是不连续的，而零碎的频段又无法满足用户传送业务的需求，因此发明采用频谱聚合技术，将不连续的带宽加以利用。从而提高系统性能。
在所设计的架构中，单一系统内所能使用的频段分为两部分：固定频段和共享频段。通常情况下使用多带宽调度器实现业务在这两种带宽上的调度分配，关键性能指示(Key Performance Indicators，KPIs)作为输入数据。一旦KPIs下降，说明此时分配的带宽资源已经不能满足业务需求，需要进行通用无线资源管理或协作无线资源管理来重新获得系统平衡。在新的IMT-Advanced系统架构下，当系统内资源耗尽时，则需要系统间的频段调度，即使用协作无线资源管理。借用其他运营商频段，满足用户需求。具体调度过程如图5。

Claims (4)

1.一种第四代通信系统网络架构设计及无线资源管理方法，其特征在于该方法为：网络架构由不同接入技术的网络、网关和核心IP网络组成，在热点区域还会存在无线局域网WLAN的接入点；该网络架构中采用网格Mesh中继技术，每个蜂窝小区内，基站和静态的网格Mesh节点形成多跳的无线网格Mesh网；该网络架构的无线资源管理方法由三层结构的无线资源管理和动态频谱管理实现。
2.根据权利要求1所述的第四代通信系统网络架构设计及无线资源管理方法，其特征在于第四代通信系统网络架构设计的基本组成具体分为不同接入技术的网络、网关和核心IP网络，在热点区域还会存在无线局域网WLAN的接入点；在所设计的架构中，网关是一个重要的功能实体，它位于核心网与路由器中间，起连接沟通作用，不同网关间共享集中控制的资源，基站位于路由器下方，分布式地实现具体的频谱分配。
3.根据权利要求1所述的第四代通信系统网络架构设计及无线资源管理方法，其特征在于在第四代通信系统网络架构中，所采用的Mesh中继技术，在每个蜂窝小区内，基站和静态的Mesh节点形成了多跳的无线Mesh网；把每个小区分成几个环，每个环分配不同的信道，每个环内使用时分多址接入或载波监听/冲突监测接入控制协议共享信道；除此以外，内环的Mesh节点向基站转发外环节点的数据，基于这种Mesh蜂窝结构，利用非线性规划最优化方法来配置最优的参数，使得网络容量和覆盖范围达到最大化。
4.根据权利要求1所述的第四代通信系统网络架构设计及无线资源管理方法，其特征在于该方法分为三层结构的无线资源管理和动态频谱管理两部分，其具体实现方法如下：
①三层结构的无线资源管理：协作无线资源管理、通用无线资源管理和具体无线资源管理，
协作无线资源管理：位于最上层网关处，从总体带宽角度负责不同运营商间资源的共享与调度，因为目前不同运营商使用不同的频段，协作无线资源管理可以使单个运营商使用到所有频段，
通用无线资源管理：位于单个运营商内部，负责内部资源的共享与调度，即基站间资源的分配与使用，
具体无线资源管理：位于单个基站，负责其内部资源的共享与调度，即具体分配频带到到各个用户终端，
协作无线资源管理将整体可用频带作为一个资源池，利用集中式和分布式的资源管理方案进行频谱等资源的分配和使用。
②动态频谱管理采用频谱聚合技术和多带宽调度器
频谱聚合技术实现利用不连续的带宽，采用多带宽调度器实现业务在这两种频带上的调度分配，关键性能指示KPIs作为输入数据，一旦关键性能指示下降，说明
此时分配的带宽资源已经不能满足业务需求，需要进行通用无线资源管理或协作无线资源管理来重新获得系统平衡，在新的第四代通信系统架构下，当系统内资源耗尽时，需要系统间的频段调度，即使用协作无线资源管理，借用其他运营商频段，满足用户需求。
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