未来分布式无线通信系统发展趋势

阳光无线

摘要　IP化、扁平化正在成为未来无线通信网络的主要特征，而分布式无线通信技术则是推动这一趋势的强劲动力。文章从下一代移动通信系统演进的角度讨论了分布式无线通信技术的发展及应用现状，结合运营商对未来网络架构演进的观点，分析了分布式无线通信技术对未来无线通信系统的影响。
　　随着3G技术的市场化不断成熟，以及3G的演进技术（LTE、UMB）不断取得新的突破和进展，对于下一代移动通信系统的研究也随着IMT-Advanced计划的启动，在全球范围内引发了一场热烈讨论。ITU-R为IMT-Advanced提供了一个全球范围标准化的进度计划[1]。从2007年到2008年初，主要的任务是通函，明确需求以及评估方法。在2008年初将在全球范围内展开IMT-Advanced候选方案的征集工作，同时还会相应启动具体的评估工作。
　　对于目前比较关注的频谱问题，在刚结束的WRC 2007上进行了专门讨论，最终ITU决定：在450MHz～470MHz、698 MHz～862 MHz、2300MHz～2400MHz、3400MHz～3600MHz频段进行IMT地面业务频率划分。而在可能会对未来无线通信系统产生重大影响的技术领域中，网络体系架构的演进则是重中之重的一个方面，它在很大程度上影响，甚至决定了其它方面的工作。从802.16e（Mobile WiMAX）到LTE[2][3]，我们看到的是网络结构的扁平化正在成为趋势，这是因为对系统处理时延越来越苛刻的要求，迫使我们不断优化网络端的处理结构，提高系统信令处理的效率。
　　这种扁平化的趋势使无线网络的发展越来越趋向于类似于Internet一样的网状结构，而不再是传统分层的树型结构，Mesh、Relay等分布式无线通信技术逐渐成为未来分布式无线网络的重要支撑技术。随着分布式无线网络的不断发展，Mesh、Relay等概念已不再局限于传统的全分布式无线多跳通信网络中，它们既可以是全分布式的，也可以与集中控制结合。从而，面向下一代移动通信系统的分布式无线网络将会是一种具有部分基础设施网络支撑的分布式无线网络技术。一方面可以利用分布式无线通信技术的优势，另一方面可以为运营商提供一个可管理、可运营的通信系统。
1、下一代移动通信系统标准化现状
　　1.1　WiMAX&802.16x
　　在2007年10月，以802.16e为核心技术的WiMAX以OFDMA TDD WMAN的身份加入IMT-2000，成为3G标准的一员，一方面标志着802.16x技术正在得到传统电信网络标准化组织的认可，另一方面也表明分组通信技术对传统电信网络正发挥着越来越重要的影响。作为一种无线城域网络技术，802.16e在支持宽带数据业务方面有一定的优势，并且支持终端的移动性。为了改善网络覆盖性能，提升系统容量，在802.16e的基础上，802.16j引入了分布式多跳中继机制，同时保持与PMP模式的802.16e之间的兼容性。而802.16m则是802.16工作组启动的一个新的针对802.16系列标准的补充标准。目标是对基于OFDMA技术的802.16无线城域网标准进行补充，提供一个在付费频段上工作的高级空中接口，并成为由ITU-R主导的IMT-Advanced评估过程中的一个候选方案[4]。其中，明确提出要将智能中继应用到802.16m网络中，提供高性价比的高速数据速率覆盖。
　　1.2　3GPP LTE（+）
　　为了应对来自WiMAX技术上的挑战，3GPP于2005年初启动了3G系统的长期演进计划，又称为LTE（Long Term Evolution）。以演进的接入技术E-UTRA和接入网E-UTRAN，满足运营商和用户不断增长的需求，保持UMTS在未来移动通信领域的优势[2]。为了满足LTE系统对数据速率以及频谱效率方面的要求，在下行链路采用了与802.16e类似的OFDM技术，不同的是在上行链路采用了基于单载波的SC-FDMA，克服OFDM技术在上行链路峰均比控制复杂的难题。在网络架构方面，LTE放弃了3G的UTRAN结构，完全由基站（eNode B）来组成E-UTRAN，基站间可以通过X2接口实现一种Mesh方式的多对多连接，而基站与核心网实体MME之间同样可以通过S1-flex的方式实现一种类似Mesh的多对多连接。这样的一种网络结构可以减少信令交互产生的时延，有效实现网络的负载均衡。而为了应对IMT-Advanced的需求，LTE的增强版LTE+也在酝酿之中。
　　1.3　WINNER
　　除了WiMAX和3GPP以外，由欧盟资助的WINNER项目同样瞄准了为了第四代移动通信系统提供新的空中接口规范，凝聚了来自欧洲、北美以及亚洲的工业界和学术界的研究力量[5]。与前两者不同的是，WINNER引入了GMC技术，从而实现对多种类型的多载波调制/多址技术的支持。结合多天线以及广义MIMO-OFDM，实现了对时、频、空域无线资源的充分挖掘。网络架构方面，引入了无线多跳中继技术，改善网络的覆盖质量，提升传输速率，解决高频段（WINNER系统设计主要针对3.4GHz～5GHz频段）无线覆盖困难的问题。通过有效的协作机制和无线资源管理方案，实现与采用其他类型无线接入技术的系统之间的合作通信和频谱共享。
2、分布式无线网络的类型
　　从前面的讨论中可以看到，主流标准化组织对于分布式无线通信技术越来越重视。分布式无线网络根据其网络拓扑结构特点，主要可以分为无基础设施的分布式无线网络和具有基础设施的分布式无线网络。
　　2.1　无基础设施的分布式无线网络
　　无基础设施的分布式无线网络主要以Ad hoc和Mesh为代表。Ad hoc是一种全分布式的无线网络，而Mesh则是Ad hoc的一种演进，它在网络结构上与Ad hoc有一定区别。
　　Ad hoc的全分布式是一种物理上和逻辑上的分布式，即网络的通信和管理能力在物理上和逻辑上都是分布式的。这是通过节点间的对等关系来实现的，网络中的所有节点在能力方面都是对等的，具有通信能力，更主要的是具有转发能力。Ad hoc方式一个主要特征就是节点需要通过竞争的方式共享信道。由于竞争的随机性，决定了这种方式在QoS保障以及信道利用率方面的性能目前都还不能满足宽带无线接入的要求。
　　Mesh技术则是在Ad hoc技术基础上由军用、专用向民用转换的一个产物。它与Ad hoc的区别在于，节点间的对等性发生了改变，一类专用节点分离出来，专门承担路由转发以及外网连接等职责，其他作为客户端的节点功能则相对弱化。这些专用节点实际上为客户端提供了一个相对稳定的骨干网。与Ad hoc相似的是专用节点之间、专用节点与客户端之间甚至客户端之间的通信仍然可以采用P2P的方式，仍然存在以竞争方式共享信道的问题。
　　还有一种典型的无基础实施的分布式无线网络就是传感器网络。与前面两类网络不同的是，传感器网络的应用范围比较特殊，主要用于数据采集，节点具有一次性使用（无法更换电池）、低数据速率以及大规模等特点。
　　2.2　具有基础设施的分布式无线网络
　　具有基础设施的分布式无线网络根据分布式节点间的连接方式，可以分为有线分布式和无线分布式两种。
　　有线分布式以采用RoF的分布式天线技术为代表，如清华的DWCS、北邮的Group Cell以及东南大学DRS都属于这一类系统[6]。这类系统的特点在于利用大量的分布式天线单元在整个系统内提供高质量的、无缝的无线电信号覆盖。一方面通过合理地选择天线单元为不同的用户提供覆盖，并获得空间分集，提高用户的通信质量。另一方面通过灵活的切换方式，为移动用户提供可靠的高质量通信链路。小区不再完全以某个地理位置为中心，而是以用户为中心，以业务为中心。这改变了传统蜂窝网络对于系统流量分布变化只能被动应对的状况。
　　无线分布式以目前的研究热点Relay增强蜂窝系统为主要代表。与基于分布式天线技术的系统类似，Relay网络同样是利用造价相对较低的专用节点RS（Relay Station）来改善覆盖质量，避免增加基站而产生的费用。区别在于对于控制中心（如BS）而言，RS是一个特殊的MS。BS可以与MS直接通信，也可以通过RS转发的方式通信。在无线资源调度方面，RS需要服从BS或上一跳RS的控制，同时RS也可以具备二次调度的能力。
3、分布式无线通信技术的应用
　　目前分布式无线通信技术主要的应用集中在Mesh、Relay以及家庭小区（Home Cell）等几个方面。
　　3.1　Mesh
　　由于Mesh技术蕴涵巨大的潜力，新出现的很多无线网络协议都开始支持mesh组网，包括代表城域网的802.16、代表局域网的802.11s以及代表个域网的802.15.5等，其中802.11s得到了广泛的关注。其目标是通过Mesh机制的引入，打破传统WLAN AP布设必须要有线Backhaul支撑的限制，同时实现终端之间真正意义上的Ad hoc通信。通过对802.11e EDCA接入控制机制的改进，实现对多业务类型的QoS保障。利用合理的拥塞控制机制，有效地实现负载均衡。该标准目前仍在讨论中，还有部分技术难题有待解决。
　　3.2　Relay
　　Relay这一改善网络覆盖性能的有效手段，在802.16j中得到了充分的应用[7]。802.16j在保持对802.16e PMP模式兼容的基础上加入了多跳中继的功能，继承了802.16e在QoS保障方面的优点，并针对多跳连接模式，进行了改进和增强，支持多种场景的终端切换以及RS切换。由于多跳机制的引入，增加了MAC的路径管理及路由功能。针对中继节点引入而产生的干扰管理的问题，增强了RS节点在干扰测量方面的功能。相关标准化工作于2005年启动，目前还在制定中，主要的电信厂商以及大部分的运营商都参加了标准的制定工作。
　　3.3　Home cell
　　与前面两种分布式技术不同的是，家庭小区在严格意义上并不是一种技术，但它是目前分布式技术较为典型的一种应用场景[8]。它的特殊性在于它具有分布式无线接入网络的优点，易于架设。同时，它又是一个需要由运营商参与部分管理的家庭网络。它解决了运营商在室内覆盖规划方面的难题，尤其是在未来无线通信系统频谱资源逐渐向高频段转移的情况下。它为运营商开创了一种崭新的运营模式，用户需要在很大程度参与网络的管理。它本身可以结合Mesh技术，构建一个家庭内部的Mesh网络；又可以作为运营商的一个分布式接入点，改善运营商网络的覆盖性能。
4、P2P技术对分布式应用的影响
　　前面我们已经从空中接口、网络架构等方面对分布式无线通信技术进行讨论。对运营商和用户而言，还有一类分布式技术正逐渐对未来无线通信系统产生着越来越重要的影响——P2P。目前流行的Skype、PPLive、BT、Emule等应用软件都是基于这一技术。
　　对于P2P技术，可以从两个方面来理解。从网络结构的方面来说，它是一种全分布式的网络结构，网络中没有中心节点，每个节点既是信息的发送者，也是信息的接受者，还是信息的传播者。从传输技术的方面来说，它是一种端到端的传输技术，即在通信的对等节点之间建立一条端到端的链路，这条链路的建立、维护以及拆除都由参与通信的对等节点来完成[9，10]。
　　在P2P技术出现之前，互联网上具有绝对统治地位的是客户端/服务器模式（CS）通信模式，而随着互联网用户数的增加，CS模式的弊端逐渐体现，主要原因是由于服务器成为网络流量和计算的瓶颈，限制了网络规模的扩展。不同的是在P2P网络中，所有的节点都是客户端，同时也是服务器，即参与信息的接收，也参与信息的传播，因此随着客户端的增加，信息源的数量也在增加，从而解决了CS模式存在的网络瓶颈的问题。但正是这一区别，也使得P2P技术在应用的过程中存在不少的问题。首先，P2P的互操作性较差，采用不同的软件无法实现相互的端到端连接。其次，由于P2P技术设计的目的是利用边缘网络中空闲的资源，由用户终端来参与整个网络的运行、管理和维护。这样就在一定程度上屏蔽了网络运营商，运营商无法对P2P的应用进行控制，也无法收费。第三，P2P的通信是建立在双方相互信任的基础上的。还需要有效的安全和认证机制来克服P2P这种相对松散的结构在安全方面存在的缺陷。最后，P2P还会引起知识产权相关的法律纠纷，因为在P2P网络上发布的信息可能是有版权保护的。
　　尽管P2P存在这样那样的问题，但无法回避的事实是它已经以一种不可阻挡的趋势在整个Internet上传播开，而运营商的应对也已经从封堵转向疏导。由于目前运营商网络收费采用的是计时方式，而不是针对流量进行计费。P2P业务在网络中产生大量的流量，通过运营商网络，而运营商却无法获益。那么如果运营商可以介入P2P业务的提供、运营以及维护，那么对与P2P技术以及运营商而言都是一次跨越性的发展。首先，运营商可以合理配置带宽资源，并以一种可运营、可管理的方式提供P2P业务。其次，现有的P2P业务提供商，可以与运营商结成战略伙伴关系，开发符合运营商网络特点的应用，最终实现一种可控的P2P模式。引入P2P技术，采用分布式的内容存储和分发机制也可以优化运营商的业务提供方式，使网络负载的分布更为合理，一个典型的例子就是采用P2P技术对现有的IMS进行改进[9]。而前面讨论的分布式网络架构则可以为P2P技术的引入提供一个天然的分布式平台。
5、未来分布式的网络架构
　　随着我们对分布式无线通信技术的讨论逐渐展开，未来无线通信系统的架构也逐渐清晰。在日前结束的移动互联网国际研讨会上，中国移动提出了对下一代移动通信网络的展望，一个结合分布式无线通信技术的网络架构展现在了我们的面前——WiiSE（Wireless IP／Internet Services Environment），如图1所示：

图1　WiiSE——面向未来的分布式无线网络

　　WiiSE具有无线多连接接入、扁平化全IP网络结构，网络节点同质化，应用P2P、分布式信息存储和处理等特点，目标是构建可运营、可管理的新一代移动互联网络。其网络架构如图1所示，可以实现无线通信与Internet完全融合，建立一种崭新的通信和信息提供环境。其主要技术特征包括：
　　◆移动终端将成为IP网络的一部分。在WiiSE网络中终端将改变目前相对被动的地位，更大程度地融入网络中，成为构成网络的一个“节点”。进一步而言，在WiiSE中接入网络的概念也将有别与传统的移动通信网络，终端也将成为接入网的一部分，传统意义上“最后一英里”的问题将不再存在，从而实现网络覆盖的动态扩展。
　　◆异构无线接入网络，支持muIti—radio connections。未来无线通信系统发展面临的一个非技术的技术性问题就是频谱资源的紧缺。在WRC 2007上确定了4G系统可用的频谱资源，而这些资源有部分是需要与3G共用的。作为运营商可能拥有采用不同无线接入技术的系统，这些系统占用不同的无线频段。有效地将这些不同的系统整合起来，以一种异构网的形式为用户提供业务，最大限度挖掘拥有的资源，对于运营商而言是非常有意义的。
　　◆Mesh成为接入网组网的一种重要方式。随着移动通信系统的不断更新，网络建设的规模也在不断扩大。以架设基站为例，其主要成本除了基站本身以外，还包括基站所需的回程连接。引入基站间的Mesh机制，一方面可以降低基站回程部分的开销，另一方面还可以简化基站的结构，从而降低基站选址和架设的难度。
　　◆Ad hoc在WiiSE RAN中得到重视和应用。Ad hoc网络以一种不受控的自组织的方式工作，这种类似于P2P的方式是运营商所不能接受的。但Ad hoc的理念对于实现“移动终端将成为IP网络的一部分”的目标非常重要。运营商需要的是一种可控的Ad hoc方式，既能利用Ad hoc对网络能力加以增强，又能确保在资源的优化配置、认证、计费等方面的监管能力。
　　从WiiSE的主要特征可以看到，未来的移动通信系统需要在现有Internet的开放性和传统电信网络的封闭性之间寻找一种平衡。在接入网方面，WiiSE强调的分布式与其传统意义是有区别的。无论是Mesh还是Ad hoc，必须是可管理的。而从信息处理方式来看，需要的是一种分布式信息存储和分布式处理，用户管理和业务管理仍实现逻辑上的集中控制。对于核心网的演进，扁平化、分布式同样是一个大的方向，而其中P2P就是一种演进的思路，可以借鉴Skype的系统架构，构建一个分布式的核心网。
6、结束语
　　可以预见的是，随着分布式无线网络技术以及P2P等新兴的业务模式不断成熟并融入传统的运营商网络中，未来的移动通信系统从硬件到软件都将会以一种分布式的，可管理、可运营的形式出现。在为用户提供无处不在的接入的同时，兼顾到运营商在网络接入认证、计费等方面的需求，实现一种Win-Win的运营模式。
　　参考文献
　　[1]　郎保真.WP8F IMT-Advanced相关工作进展[R].FuTURE Forum，2007.
　　[2]　李文宇.UMTS系统无线网络结构和协议的长期演进[J].通信技术与标准，2006（6）：1-14.
　　[3]　WiMAX Forum.Mobile WiMAX-Part I：A Technical Overview and Performance Evaluation [R]2006
　　[4]　IEEE 802.16m-07/002r4.IEEE802.16m System Requirements [S].2007.
　　[5]　Angeliki A1exiou.WINNER：Designing a New Radio Interface for Next-Generation Systems [J].Bell Labs Technical Journal，2007，12（2）：19-36.
　　[6]　FuTURE Forum.Distributed Radio White Paper[R].2007.
　　[7]　IEEE P802.16j/D1.Part 16：Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems：Multihop Relay Specification[S].2007.
　　[8]　3GPP TR R 3.020 V0.4.0.Home （e）NodeB；Network aspects（Release 7）[S].2007.
　　[9]　Liotta A，Lin L.The Operator’s Response to P2P Service Demand[J].Communications Magazine，IEEE，July 2007，45（7）：76-83.
　　[10]　陈端.P2P技术对电信网络的影响和标准进展[J].通信技术与标准，2006（11）：1-10.