1 國內外異構無線網絡融合研究和應用的現狀
“移動寬帶化，寬帶移動化”是當前移動通信的發展特征，多類型網絡共存和融合是寬帶無線通信的發展趨勢。為了將各種接入技術整合到統一的網絡環境中，充分利用全網無線資源，為用戶提供無縫漫游服務，國際標準化組織和學術界都對異構無線融合的技術和方案進行了積極研究。
3GPP在TS22.934中建議了六種3G與WLAN融合的互操作情景模式，按照WLAN與3G結合的緊密程度，分為松耦合和緊耦合兩大類。3GPP2 重點研究CDMA2000與WLAN 之間的互聯互通方式，定義了三種場景。兩個標準化組織提出的方案有差異，但核心思想都是能利用移動網絡實現對WLAN 的鑒權認證，并讓WLAN終端能使用移動網的數據業務。
IEEE 802.21工作組主要研究如何在異種接入技術之間提供獨立于媒體的切換能力(MediaIndependent Handover,MIH)，其中定義的切換包括IEEE系列接入技術之間的切換以及IEEE系列和蜂窩網絡之間的切換。
異構無線網絡是指在傳統的宏蜂窩移動基站覆蓋區域內，再部署若干個小功率傳輸節點，形成同覆蓋的不同節點類型的異構系統。按照小區覆蓋范圍的大小，可以將小區分成宏小區、微微蜂窩小區、毫微微蜂窩小區，以及用于信號中繼的中繼站。異構網不同范圍小區相互重疊覆蓋，形成異構分層無線網絡。
目前以宏基站為主的網絡部署已經很難滿足容量需求，運營商、設備及終端制造商一直在推動異構無線網絡融合的應用，接入網絡架構上引入小基站作為網絡部署的關鍵點，呈現“小功率，多天線”的特征。阿爾卡特朗訊發布了一項名為靈云無線LightRadio的新技集中化、云構架的基帶池以及虛擬化的網絡控制器，支持多制式多功能融合。華為開發了高容量，小蜂窩，簡運維的SingleRAN系列產品，發布的SingleSON解決方案實現了多制式多層次網絡的自配置、自優化和自維護。沃達豐在世界移動通信大會(MWC2012)上演示了LTE HetNet立體覆蓋解決方案，有力地推動了多層異構網絡(HetNet)的商用部署進展。
2 異構無線網絡融合的關鍵技術及方案進展
異構無線網絡融合基于新的架構設計思想，需要高效關鍵技術支撐，賦予網絡新的能力。對于共性的融合與個性的協同，是異構網絡發展的方向。如何使異構無線網絡融合體現出資源協同、業務統一、管理智能的特征，是異構網絡規模商用面臨的關鍵問題。
在異構無線網絡融合環境下，協同技術主要包括聯合無線資源管理，異構移動性管理，中繼節點功率分配等。聯合無線資源管理能保證異構網絡中無線資源的高效利用，是提高頻譜利用率和實現協同覆蓋的有效手段，涉及垂直切換，聯合接納控制等功能。隨著網絡容量和站址密度的提高，小區變得越來越小，使得異構無線網絡間的垂直切換更加頻繁，垂直切換算法是保障業務連續性的前提。現有的移動性管理技術已經無法滿足終端在異構網絡間的無縫切換、位置管理等需求，必須提供一個開放自適應，有高度通用性的移動性管理優化方案，降低信令和功耗開銷，減少時延。
異構無線網絡融合要求深刻把握數據業務發展規律，擴展數據業務特征表述維度，在網絡接入選擇機制設計時充分考慮市場調節因素，切換和接入選擇判決條件不僅考慮帶寬、時延、抖動、安全等QoS參數，還要考慮業務類型、計費模式、單位價格等非技術因素。采用基于AHP層次設計思想的多目標算法，統籌考慮技術市場多個因素，能夠提高網絡選擇的準確性，保證用戶總是獲得基于約束條件的最優連接。
應用對帶寬、時延、丟包率等參數的要求各不相同，如何提供可靠的端到端多級QoS保證成為一個難點。現有的OSI分層模型相對獨立靜態的協議結構不能很好適配異構無線網絡融合，需要打破原有分層結構的協議設計，實現跨層設計，如定義新的層間接口和邊界，聯合各層的參數調整等。跨層設計的核心思想是形成協議棧對網絡條件進行觀察，基于跨層的通用數據庫共享信息做出反饋的交互機制，進行自適應系統優化。
異構無線網絡正面臨有限頻譜資源和爆發性流量的矛盾，如何提高頻譜的利用率和保證不同網絡的協同工作，需要網絡管理的智能化。智能管理可以實現網絡參數的自動規劃和配置、多制式多層次網絡的移動性優化和流量優化、自動化的小區故障管理。智能無線認知網絡能通過主動地感知無線頻譜使用，認知無線環境，自適應地重配置網絡資源、工作模式與參數，進而實現與周邊無線網絡協同工作的目標。自組織網絡SON(Self-Organizing Networks)能夠通過自動化機制簡化運營任務來降低無線網絡規劃、優化和管理的成本，同時提高運維效率和網絡質量。目前SON的進展還停留在方案階段，需推動多模終端對SON空口信令的支持。
隨著通信用戶的快速成長和信息業務的普及，我國運營商的網絡規模持續擴大，GSM網絡基站數已經超過了100萬個，WLAN無線網AP設備超過300萬臺，WLAN功能成為智能終端上的標配模塊，多種接入技術共存將成為長期特征。面向LTE技術引入，在3GPP體系中網絡架構演進主要是演進分組系統EPS(包括E-UTRAN和EPC)，基于2G/3G/LTE與WLAN在SAE架構下形成統一的核心網，SGSN與MME融合、GGSN與SAE GW融合、HLR與HSS融合，實現資源有效共享。結合現網改造和技術演進，形成支持多種接入的分組融合目標網，進而構筑寬帶、融合、開放、可運營可管理的核心網絡，提升網絡在全IP環境下多業務支持能力，降低投資和運維成本。分組融合目標網架構具體見圖1。
圖1 融合多種接入方式的分組融合目標網架構
異構無線網絡融合方案不僅可以進行業務均衡，還解決了室內、熱點地區的容量覆蓋問題，實現多網協同，達到立體全覆蓋效果。我國運營商在初期選擇異構無線網絡融合方案時，需要從業務需求、對現網影響、投資成本以及后續網絡演進等多方面考慮，積極探索無線網與移動網的深度融合解決方案，研究優選策略，不斷擴大無線技術的應用范圍。
3 異構無線網絡發展對現有蜂窩網絡規劃理念的影響
異構無線網絡規劃目前指在2G、3G、LTE、WLAN等多種接入技術共存的背景下，立足于融合和協同，結合用戶行為和業務特征，引入先進的無線資源管理算法和規劃理念，做到無線資源的異構協同和異構融合，形成資源管理科學、運行機制高效的異構網。
鑒于我國通信產業的實際情況，異構無線網絡融合的發展過程，不會是產生全新的網絡，而是不斷融合新的接入網。在現有多制式共存的基礎上發展異構無線融合網絡，主要存在的問題體現在接入網、核心網、規劃優化、維護管理四個層面。結合異構無線網絡發展出現的問題，從四個層面分析問題對現有網絡規劃和運營產生的影響，進而提出每個問題解決的思路建議，服務于異構無線網絡融合的實現。異構無線網絡融合發展對現有網絡規劃理念的影響具體見表1。
智能終端和平板電腦的普及，加速了寬帶無線通信局域化趨勢。由于無線網和移動網在技術體制上差異較大，在融合初期可優先考慮兩者的協同覆蓋，為全面融合做準備。協同覆蓋要求新型終端根據APN或業務分類表識別業務類型，結合網絡特性，選擇不同的路由策略，將不同的業務承載到不同的網絡中去，從而達到資源優化配置，提升用戶感知的目的。
4 異構無線網絡部署目前存在的問題和發展趨勢
4.1 當前存在的主要困難及問題
表1 異構無線網絡融合發展對現有網絡規劃理念的影響
1) 技術難度加大。無線網和移動網在寬帶化演進中不斷提出新的技術，但技術的實現日益復雜。IT業的摩爾定律面臨工藝水平和生產成本的嚴峻壓力，蜂窩無線設備研發面臨物理層基帶處理能力可挖掘空間受限，射頻技術要求大大提高的挑戰。
2) 干擾協調復雜。異構網絡在原來的小區范圍之內引入了新的發射節點，相當于引進了新的干擾源，分層異構網絡拓撲結構的變化，不同類型小區基站發射功率差異以及小區間切換場景都會引入新的干擾。過多的網絡在頻率分配，小區間干擾協調上存在巨大困難。
3) 頻譜資源緊張。由于目前我國采用的靜態頻譜規劃與實際異構無線網絡動態頻譜需求之間的矛盾，導致面向異構無線網絡寬帶應用的頻譜資源比較緊張，一方面已經分配的頻譜利用率不高，另一方面優質的低端頻譜已經被其它系統占用，異構網絡系統中難以獲得。
4.2 未來異構無線網絡融合發展的實施策略及建議
從我國運營商網絡基礎設施的發展現狀考慮，異構無線網絡融合可以大致分為三個階段：認證計費融合階段、網絡終端融合階段以及無縫業務體驗階段。融合的目標是實現業務連續性，達到無縫體驗，終端上的業務在無線網與蜂窩網間跨系統移動時能夠保持數據業務連接不中斷。根據可使用的網絡資源，結合融合移動性管理，網絡或終端可為不同的業務選擇最優的接入網絡。每個融合階段實現的功能和發展目標具體見圖2。
業務創新推動著不同寬帶技術的演進，如何根據市場需求促進異構無線網絡融合，成為目前異構網絡發展關注的重點。我國異構無線網絡部署需要因地制宜，分步實施。
1) 依托通信新技術新組網實現異構無線網絡融合的目標。3GPP和IEEE組織在網絡升級演進中形成的通信新技術在提升系統容量和頻譜效率中的關鍵作用奠定了異構無線網絡融合的基礎。認知無線電技術可以應用在頻譜感知檢測、自適應傳輸、動態頻譜管理方面。多無線電協作技術在網絡容量提升，移動性管理增強上具有領先優勢。
針對異構無線網絡融合問題，歐盟的信息社會技術(Information Society Technologies,IST)系列項目相繼提出了不同的解決方案，涵蓋了網絡融合架構、資源管理、終端設計和QoS業務等方面，但與為用戶提供無處不在的系統和業務的異構網絡融合目標還有很大差距。環境感知網絡(Ambient Networks,AN)和無線網狀網絡(Wireless Mesh Network,WMN)，可以為異構無線網絡融合理論和實現提供新的研究空間。
2) 面向異構無線網絡融合特征推進網絡維護和管理手段轉型。異構無線融合提高了網絡整體運維復雜度，并生成海量數據，因此，急需引入先進的數據管理技術，進行合理的數據組織和建立相應的網管支撐體系，確保數據的一致性。結合數據挖掘，對不同網絡間的問題進行有效關聯，形成統一的運營平臺。
在推進異構無線網絡融合中，需要積極利用現代化的IT手段進行低成本、高效率的集中化運作，進行全程全網的科學調度和精確管理。同時平衡好自維護和外包維護，合理配置運維資源，降低綜合成本，實現網絡維護和管理的轉型。
3) 研發面向異構無線網絡規劃測試優化的先進工具平臺。基于對異構網絡無線鏈路的動態性、用戶的移動性和業務的多變性進行統計和建模，通過開發相應的異構無線網絡端到端測試分析和優化系統平臺來支撐融合業務開展。系統平臺架構設計必須支持靈活的組網方式，適應復雜的網絡結構，具有開放性和可擴展性。
鑒于異構無線網絡關鍵技術和接入選擇機制的復雜性、新型終端形態的多樣性，關鍵技術的實際效果越來越依賴于高性能計算，異構無線融合網絡規劃和優化必須依賴于可以仿真其關鍵技術性能的工具平臺做指導。工具平臺可引入動態仿真技術應用于小范圍的熱點多層網絡分析，做到網絡資源的高效調度和科學規劃。
4) 立足全程全網提升異構無線網絡融合的安全保障水平。終端智能化、網絡IP化、業務多元化的趨勢使異構無線網絡融合面臨一系列非傳統安全問題，需要基于安全脆弱點分布研究新的安全技術，構建高柔性免受攻擊的異構無線網絡融合安全防護模型。
異構網絡環境下的終端形態多樣，探索新型終端實現安全可信計算環境的相關技術，構建主動安全體系。針對異構無線融合網絡結構，要進一步規范安全域劃分與邊界整合，實施風險防范，從全程全網提升異構無線網絡的安全保障能力。
5 結束語
異構無線網絡融合是下一代網絡發展的必然趨勢，無線傳感器網絡、短距離無線通信網也是異構網絡研究的范疇。目前國內外的各種研究基本上都是關注兩三種制式異構網絡的互聯互通，關于多制式異構網絡研究的比較少。多制式的異構網絡能提供更大的系統容量，能適應更復雜的應用環境，隨著廣播系統、衛星通信等其它接入技術與現有通信網的深度融合，異構無線網絡最終會實現“任何人在任何時間任何地點與任何人進行任何種類的信息交換”的服務目標。
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本文標題：異構無線網絡融合關鍵問題和發展趨勢探討
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