端到端重配置技术综述

    当前，为适应不同的通信环境以及用户需求，已经开发和形成了多种形式的无线接入技术和通信系统，给网络带来了丰富的异构性。为了使这些异构的无线网络协同工作，实现不同系统之间的互联和兼容，20世纪90年代提出了一种新的无线通信理念——软件无线电(SDR)技术[1]。其核心思想是模数/数模转换尽可能靠近天线，用软件完成尽可能多的无线电功能。

      SDR虽然提供了设备的可重配置能力，但是对于满足实现异构网络之间的灵活互通、网络之间的资源调度，并为用户提供真正意义上的无缝业务体验的需求还远远不够，于是人们开始从系统级的视角关注SDR在整个网络体系架构中的端到端应用。此时，端到端的重配置(E2R)技术成为了SDR研究的新方向。

1 端到端重配置的概念
      重配置技术针对无线接入环境的异构性特点，以异构资源的最优化使用和用户对业务的最优化体验为目标，综合可编程、可配置、可抽象的硬件环境以及模块化的软件设计思想，使网络和终端支持多种接入技术，且可灵活适配。相比SDR技术仅限于终端的狭窄思路，E2R考虑的更为全面，涉及网络架构的各个环节和协议标准的所有层次，是一种具有前瞻性的异构网络融合的解决方案。它以SDR为基础，将网络和终端的重配置纳入整个网络的管理和控制框架，建立了一套完整的可重配置系统。

2 端到端重配置的主要研究内容
      E2R研究的具体目标是构造由重配置设备和相关的发现、控制及管理机制共同构成的完整重配置体系，实现系统的可重配置性。为了实现重配置能力的可管理、可配置等要求，定义完整的管理框架、完善的交互流程和接口以及联合无线资源管理和频谱管理机制是有必要的。E2R有以下3个重要的研究内容。

2.1 端到端重配置的体系结构
      支持E2R的体系结构，其目标是在物理结构中为网络部署定义相关的功能实体，同时和传统控制、管理和用户数据平面互通。图1是E2R的体系结构图，描述了与协议模型分层原则相关的逻辑功能，将协议结构分为3个分层子系统，分别是传输网络层、无线网络层和系统网络层[2]。有类似功能的实体包括在同一层中，每一层的协议可在多个接口间操作，也可以根据它们提供的机制组合在一起并实现互通。这些逻辑实体被扩展到多个网络节点中去，形成一系列协议机制，并对系统范围内公共功能的分布式执行起到重要作用。

      这里，最主要的两类逻辑功能实体是本地重配置管理器(LRM)和重配置支持功能(RSF)，二者均属于重配置管理平面(RMP)。其中，位于移动终端(MT)和基站(BS)中的LRM负责完成从应用层、无线网络层直到基带调制解调器和硬件等各层协议和软件的重配置管理，而分散在各网络节点中的RSF则负责处理终端和网络之间的信息交互，协调整个E2R过程，并提供必要的资源[2-3]。RMP可以看作是为实现协议栈各层灵活重配置而设计的管理功能的抽象集合，它提供了对业务应用以及终端和网络设备的层抽象，并负责完成包括上下文管理、策略提供、业务管理、软件下载等所有重配置相关的任务，是整个E2R体系结构的基础。

2.2 端到端重配置的资源管理
      异构资源的最优化使用是E2R技术的关键目标之一。可重配置系统中的资源管理机制分为3种：动态网络规划和管理(DNPM)、先进的频谱管理(ASM)和先进的无线资源管理(ARRM)。它们构成了可重配置系统中资源优化框架的3大基本模块。这3个资源优化管理模块彼此联系，互为输入和输出，其基本关系如图2所示。

      DNPM主要负责一些网络侧设备的重配置管理，并包含“规划”和“管理”两个阶段的任务。在初始规划阶段，DNPM完成有关无线接口可行性、基站位置、天线模式、子网耦合结构等方面的分析和选择；在管理阶段，DNPM能够自动调整相关网络设备的参数配置(如改变天线倾角)，触发重配置过程(如改变BS收发器所用的无线接入技术)，以适应业务环境的变化。

      ASM实现的功能是根据业务量的变化，利用感知无线电和网元重配置能力，在运营商之间或者异构无线接入技术之间动态、灵活地进行频谱资源的重新分配[2-4]。研究表明，目前频谱资源并不是真正地“稀缺”，而是利用得不够充分，特别是考虑到不同无线接入技术的业务特性在时间变化上的差异性。因此，频谱资源的二次分配和再利用对于提高频谱效率以及运营商收益都显得非常有意义。

      ARRM由本地无线资源管理(LRRM)和联合无线资源管理(JRRM)两部分组成，主要负责在网络规划和频谱资源相对固定的情况下，完成可重配置系统中无线资源（包括接入权限、时隙、码字、载波、带宽、功率等）的动态管理（分配，释放）。其中，LRRM管理同一无线接入技术内部资源分配，与传统的RRM方法类似；而JRRM管理多个异构无线接入技术之间的无线资源分配[2-5]，是可重配置系统特有的功能，也是ARRM的主要研究内容。

2.3端到端重配置的空中接口实现 
      融合的异构网络为用户提供了各种空中接口技术。为了提供泛在无缝的接入能力，E2R技术必须能够在单一的可适应性系统上提供高效的多空中接口支持能力，以适应各种场景。这需要E2R采用基于通用协议栈理念的多模协议栈设计，灵活、动态地配置空中接口。

      多模协议栈统一建模流程如图3所示。目前异构接入技术的通用协议栈执行着很多相似的功能，抽取这些通用功能，并结合与技术相关的特殊功能构造出系统专用协议栈，通过增加跨栈管理与重配置管理功能形成重配置多模协议栈。这一流程的关键是将每层功能划分为通用和特殊部分，不同协议层在协议功能、协议架构、数据结构、协议框架及协议管理方面都能提取相应的通用功能。

      从软件工程的角度看，有两种构建通用部分的方法：可参数化的功能模块方法和抽取特定协议栈通用部分的继承方法，这两种方法的结合是构造多模协议栈的最理想方法。 特殊部分主要是与技术相关的功能，这部分功能是不同无线空中接口技术所特有的，其他类型的无线空中接口技术或同一类型的无线空中接口技术的其它模式中不具备的功能，例如与某一通信环境相关模式中的物理资源和参数分配功能。多模协议栈通过对通用功能和特殊功能的逐层分解，实现了灵活的多模式支持能力。

3 端到端重配置的展望
      E2R技术作为一种具有高适变能力的技术，是使异构无线系统从目前的隔离态走向互通与协同、实现网络融合的最具发展潜质的无线网络技术。目前，E2R的研究已成为未来无线通信网络领域的关键课题之一。

      以后的研究有以下目标：通过对商业模型的完善及商业模型参数的确定来保证重配置系统商业发展的可持续性；在已经提出的系统性能、架构和RMP的基础上，通过对重配置管理和控制架构进一步完善，并加强终端、运营商、服务提供商和新加入者之间的合作，使得感知网络和可配置终端之间的智能和功能分配达到最优，从而实现两者之间的协调工作。此外，通过研究相关的无线资源理论和建模思想提高无线资源的利用率，加强在动态重配置机制、公开接口，确认和原型机制方面的研究，进一步增强重配置连接性，最终实现未来无线网络的泛在接入、多样的业务类型、动态资源管理和用户灵活、无缝和高质量的业务体验。

4 结束语
      未来无线网络具有很强的异构性，为了使异构资源的使用和用户对业务的体验最优化，提出了基于SDR的E2R技术。目前E2R技术在体系结构、资源管理、管理机制和空中接口实现等方面取得了很大的研究成果，但在商业模型、管理和控制架构、无线资源的有效使用及动态重配置和原型机制等方面仍需要大量的研究工作。

5 参考文献
[1] MITOLA J. The software radio architecture [J]. IEEE Communications Magazine, 1995, 33 (5): 26-38.
[2] BOURSE D, et al. WWRF WG3 White Paper: Reference model for end-to-end reconfigurable mobile communication systems [C] // Proceedings of WWRF6 Meeting, Jun 25-26, 2002, London, UK. 2002.
[3] BOUFIDIS Z, STAMATELATOS M, ALONISTIOTI N, et al. Actors, management plane, and policy provision challenges for end-to-end reconfiguration [C] // Proceedings of E2R Workshop on Reconfigurable Mobile Systems and Networks Beyond 3G, Sep 5, 2004, Barcelona, Spain. 2004.
[4] CAVE M. Review of radio spectrum management [EB/OL] .UK Department of Trade and Industry.2002.http://www.spectrumreview.radio.gov.uk/.
[5] DREW N J, DILLINGER M M. Evolution toward re-configurable user equipment, [J].IEEE Communications Magazine, 2001, 39 (2): 158-164.

收稿日期：2007-03-23

[摘要] 端到端重配置(E2R)技术起源于软件无线电(SDR)技术，利用SDR终端和基站等可重配置实体为基础定义网络架构, 结合先进的资源管理机制和灵活的空中接口实现技术，实现了对异构环境的灵活适应和对异构无线资源的有效利用。E2R技术研究中有3个关键点，包括E2R的体系结构、E2R的资源管理和E2R的空中接口实现，已取得较大成果。E2R技术作为一种具有高适变能力的技术，是使异构无线系统从目前的隔离态走向互通与协同、实现网络融合的最具发展潜质的无线网络技术。目前，E2R的研究已成为未来无线通信网络领域的关键课题之一。

[关键词] 端到端重配置；软件无线电；资源管理；空中接口

[Abstract] The End-to-End Reconfigurability (E2R) technology is derived from the Software Defined Radio (SDR) and establishes the network architecture composed of the SDR terminals and base stations as well as other network elements. It aims at realizing the flexible adaptability of the heterogeneous radio environment and the effective utilization of radio resources with the help of advanced radio resources management mechanisms and flexible air interfaces. There are three key research points of the E2R technology including its architecture, resource management and air interface, and the research has already gotten some results. As a highly suitable technology, E2R changes the heterogeneous wireless system from separated to connected and collaborated. It’s the wireless network technology that has the most potential in realizing network convergence. Nowadays, E2R has become the main focus of researches regarding the future wireless communications network.

[Keywords] end-to-end reconfigurability; software defined radio; resource management; air interfaces