4G自组网
4G自组织网络关键技术及其近展报告Key technologies of 4G self organizing network and its near development
report
Liuhuitong 1152201423
November 27, 2015
摘要: 近年来，无线自组织网络在各个方面迅速发展。由于其本生固有的特点，仍有很多关键技术问题需要解决。这些关键技术包括信
道分配技术、路由技术、分组调度技术和负载均衡技术等。文章总结了这些关键技术的基本内容以及它们现阶段的发展。
关键字:无线自组织网络；信道分配；路由技术；分组调度；负载均衡
Abstract: In recent years, the rapid development of wireless ad hoc networks in all aspects. Because of its inherent characteristics, there are still many key technical problems need to be solved. These key technologies include channel assignment, routing, packet scheduling and load balancing techniques. This paper summarizes the basic content of these key technologies and their current development.
Keywords:Wireless ad hoc networks; channel assignment; routing technology; packet scheduling; load balancing
1.引言
由于无线应用对无线网络速率、带宽的要求越来越高，无线
网络的规模越来越大，并且同一运营商可能同时运行多个网络，如GSM、WCDMA、LTE 宏站，以及它们的小站，从而形成异构网络，使得网络结构越来越复杂、网络参数众多，并导致网络参数之
间错综复杂的相互关系，由此造成网络部署、运维、排障的复杂度
指数式上升。同时，由于在传统的网络中，网络部署、运维、排障
等基本上都是人工的方式（如路测、用户反馈而进行），显然，需
要投入大量的人力，将带来巨大的运行成本。并且，随着无线网络
的发展，依靠人工的方式越来越难以实现网络的最优化。因此，亟
待一种技术能够帮助运营商解决复杂网络的优化复杂性问题，降低
运维成本相对总收入的比例，提高设备使用效率。自组织网络技术
的出现正是为了降低网络规划、部署、维护、排障、优化的成本，
使运营商能高效运营、维护网络，在满足客户需求的同时，自身也
能够持续发展。自组织网络是由下一代移动网络（NGMN）联盟中
的运营商主导，联合主要的设备制造商，提出了自组织网络的概念。自组织网络包括自配置、自优化、自愈合等3个方面，涵盖网络规划、部署、维护、优化和排障等各个环节，并定义了相应的用例。
自组织网络的概念提出以来，3GPP一直在LTE 和LTE-A的框架中
积极推动相关的标准化工作。目前，3GPP 完成了R8、R9、R10、
R11 中自组织网络的标准化工作，为相关技术的商用打下了标准基础。由于自组织网络技术的显著优势，目前已经引起了广泛的关注，并将它推广到其他网络，如移动通信系统陆地无线接入网（UTRAN）、无线局域网（WLAN）中，正在进行相应的标准化工作，将在新的版本中进行应用。
2.信道分配
信道分配研究的问题是:在保证一定的网络连通质量前提下,以提
高网络的系统容量及降低端到端传输时延为主要目标,为节点的各个
射频分配信道,以作为接入网络的媒介,同时考虑负载均衡、传输干扰、低算法复杂度、可扩展性等性能指标。下面介绍信道分配中涉及到
的相关概念和问题。
2.1网络容量
考虑一个节点数目为n的随机网络模型,可分配信道数目为c,每
个节点的射频数目为m,射频可在不同的信道上切换。假设c个信道
数据传输率之和为W,则可以得到网络容量。相对单射频单信道的无
线网络,MR-MC网络可获得更大的网络容量。随着可用信道数目与
节点射频个数之比的增加,网络容量逐渐降低,但只要比值在一定数量
级内,依然能够获得最大网络容量。
2.2拓扑控制
与功率控制相似,信道分配也会引起网络拓扑结构的变化,在MR-MC网络中,多个射频工作在不同信道上,只有两个相邻节点有相同信
道才能相互通信。根据鸽巢原理,假设网络所有节点都有相同数量的
射频,当c< 2m时,无论如何分配信道,都至少可以保证网络连通;而当
c≥ 2m时,就需要为信道分配设计算法以保证网络连通,否则会造成
网络分割,降低网络覆盖质量。所以,如何分配信道以提高网络拓扑健
壮性、减少节点间的冗余连接,从而提高网络性能,这是信道分配需要
考虑的基本问题。
2.3竞争和干扰
减小竞争和降低干扰在本质上是基本一致的,这也是在AdHoc网络中使用多射频节点的两个主要原因。MR-MC网络就是利用频谱空间复用来达到上述目的。在干扰区域之外重复使用某个信道不会引
起传输冲突,进而提高实际传输带宽。因此,在信道分配过程中,应该
能够充分考虑到节点周围信道的多样性,同时能够根据网络运行过程
中实时业务的分布及强度来动态调整信道,达到降低链路传输的竞争
和干扰。
2.4信道分配算法实现策略
在有基础设施的MR-MC网络中,可以由网关充当信道分配服务
器(ChannelAssignmentServer,CAS)执行信道分配算法,以实现对各路
由节点的信道分配,而在无基础设施的MR-MC网络中,各节点独立地
管理射频,这就需要节点间交互信息以获取局部区域内信道分布情况;
同时,个体节点根据信道分配算法调整射频信道后,必然会影响到其所
在区域内信道分布,如果把每个节点的信道分配过程看成一个进程,那
么这些分布式进程会由于缺乏全局时间帧而造成信道分布的波动,因
此如何在较短时间内使网络信道分布趋于稳定,是MR-MC网络信道
分配必须要解决的问题。
2.5涟漪效应
由于信道是依附射频存在的,且节点某个射频可能被用于连接多
个邻居,所以在射频切换信道时,受信道分配算法的约束,会引起节点
信道连锁变化,造成网络震荡,形成所谓的“涟漪效应”。“涟漪效应”会对网络拓扑造成不可测的改变,同时也会因为信道的被动切换而中
断网络正在传输的业务,若采用先应式路由协议,则节点存储的路由信
息将因为拓扑的迅速变化而加速失效过程,所以,信道分配应该尽量避
免出现“涟漪效应”。
3.路由技术
3.1特殊的路由协议
目前的无线自组织网络路由协议(如AODV)在一个节点支持多
个射频。然而,这些协议通常以最短跳数作为路由度量参数,由于多射
频多信道无线自组织网络通信中出现了一些新问题,不能直接将最短
跳数作为路由度量参数照搬到多信道无线自组织网络中来。除此之外,如果路由选择不考虑射频切换,选择的路由可能需要频繁的进行射
频切换,这样会降低了多信道通信的优势,因此,需要设计一个专门用
于多射频多信道无线自组织网络的路由协议。单信道路由协议不需
要在邻居范围内进行路由选择。然而,为了发挥多信道的优点,路由协
议需要在邻居范围内合理谨慎地选择路由。
3.2影响路由的因素
3.2.1射频切换代价
如果有多条数据流会聚到同一条路径中的一个或多个节点,那么
这条路径就要受到射频切换延时的影响。如果一条路径中的所有节
点都只有当前路径的数据流,并且工作在切换射频上的切换信道恰好
满足路径中的信道要求,那么这条路径不会受到切换延时的影响。通
常情况下,若节点切换信道数目大于切换射频数目,则这个节点就会受
到切换时延的影响。这里定义受到切换时延影响的节点为射频瓶颈
节点,单个信道的切换代价是切换时延和射频切换次数的综合考虑。
例如,如果每传输k个分组时,发生一次射频切换,切换时延要由这k个分组共同承担。若射频切换时延为D秒,每个分组的切换代价为D/ k 秒。我们可以用一条路径上射频瓶颈节点数目或每个节点切换代价
的总和,来衡量这条链路的切换代价。
3.2.2信道差异代价
信道差异也是多射频多信道无线自组织网络路由需要考虑的一
个因素,例如,假设存在2条跳数相等的路径p1、p2,p1中的每一跳都
在相同的信道上传输数据,p2的每一跳都在不同的信道上传输数据。
显然,p1发生碰撞、冲突的可能性远远大于p2、p1的性能要优于p2。路径p1、p2的这种性能差异可以用信道差异代价来表示。定义信道
差异代价为一条路径上同处于一个干扰模型内的相邻路径的干扰程度。在多射频多信道无线自组织网络中,当节点接收和发送数据使用
不同的信道时,节点可以并行的收发数据。如果一条路径中的每个节
点选择不同的信道接收和发送数据,那么网络可以获得较高的吞吐量。一般情况下,当节点X与它同在一条路径上的其他i个节点处于一个
干扰模型中时,为了获得较高的性能,节点X的固定信道应该与其他r
个节点的固定信道不同。若一条路径上的节点X有i个干扰节点,且
这i个节点的固定信道和X一样,则节点X的信道差异代价就为i。
由于网络中端到端的性能是由路径中的瓶颈链路性能决定,路径中所
有节点中最大信道差异代价定义为整个路径的信道差异代价。
3.3路由策略
显然,以最短跳数作为路由度量参数不能保证选择的路由最优,多
射频多信道ad hoc网络需要新的路由度量参数来选择路由。为了获
得最大的吞吐量,路由协议应该选择低射频切换代价、低信道差异代
价和链路带宽高的路径。除此之外,为了避免过低的资源利用率,路由协议必须考虑全局的资源使用情况(如路径的长度)。下面定义新的
路由度量参数为射频切换代价、信道差异代价、全局资源使用代价
等因素的加权求和。通过对不同的因素取舍,不同权值之间的权衡以
不同的衡量代价方法,可以开发出多种启发式路由协议,如何准确测量信道差异代价是路由度量参数优劣的重要因素。
可以采用先应式或反映式的路由协议来实现上面提出的启发式
路由算法,即给出这种算法在AODV上的实现。源节点播RREQ分组,任何非目的节点第一次接收RREQ分组时,把本节点的路由代价添加到RREQ分组中去,再次广播RREQ分组。
目的节点或存有到目的节点有效路由的中间节点收到RREQ分
组时,向源节点发送一个RREP分组。源节点在收到的RREP中,选择
最小代价的链路建立路由。
4.分组调度
分组调度就是针对分组数据业务的特性，对分组数据用户的业
务进行管理和调度。它决定何时发起分组传输及可使用的比特速率。
分组调度的概念在固定有线网中由来己久。目前在实际网络中
已经开发和使用了多种类型的QoS控制技术。这些技术分别对应于OSl分层模型的不同层次。由于实现的层次和采用的技术不同，其
效果也不尽相同。通常物理层常采用按业务量分配固定带宽的TDM
或WDM技术；数据链路层主要实现对物理介质的访问控制功能，
其实现方式与网络类型密切相关，像Token-Ring、FDDI、100VG-Any LAN等就是通过介质访问优先级定义QoS参数；网络层完成路
由选择和数据报转发服务，通常是无连接的，通过中间结点的“存储—转发”机制来实现，需要由支持QoS的网络层协议提供相关的
QoS参数来对分组进行区分优先级来实现；传输层主要负责端到端的、面向连接的数据传输服务，与网络设备无关，TCP流量控制只
在用户终端对发送速率进行适当的控制以防止网络的拥塞和数据的
丢失；应用层QoS参数是面向端用户的，通常通过采用RTP／RTCP技术对实时业务进行适当的控制，以保证实施多媒体业务的QoS。时至今日，有关QoS保证技术问题的研究仍处于不断发展、
完善之中，已经规范的多种基于ATM／IP网络的QoS控制机制中
最基本最常用的有三种：集成服务(IntServ)、区分服务(DiffSerr)和MPLS流量工程(MPLS．TE)。在无线移动网络中，分组调度同样有
着重要作用，但由于两种网络在传输介质和网络结构上都有很大差异，因此在这两种网络中，算法的设计思想和侧重点都有所不同。
固定有线网中的分组调度作用更大程度上是避免拥塞，为到达交换
节点的各个连接选择下一次转发的路由和服务顺序；而在多业务类
型的无线移动网中，分组业务调度更侧重于对系统整体性能和业务
服务质量的保证，特别是时延和时延抖动。目前移动商用网络中，
又分为在CDMA系统中和GPRS系统。在GPRS系统的骨干网中，SGSN和GGSN之间利用m隧道技术进行通信，m包到达SGSN和GGSN后，就被打包成新的m包，然后再进行发送。数据将在网络
中透明的传输直至达目的地，因而在骨干网内更多的还是“尽力而为”的服务方式。CDMA系统的分组数据网是建立在IP技术基础上的，cDMA系统并没有试图建立一套完整的自己独有的分组数据系统结构，构造自己的分组数据网络。核心网内也是以“尽力而为”的服务
方式为主。在即将商用的3G，即以后的移动网络中，分组网络因其
固有的带宽灵活分配、带宽利用率高等特点在通信网络中扮演了日
益重要的角色，但因其QoS保证能力不足的问题始终是个严重的瓶颈，制约了分组网络在运营领域内发挥更大的作用。与此同时，大
量业务丰富的分组数据业务占的比重越来越大，不同的应用有不同
的服务质量的要求，所以分组资源调度，QoS保证显得越来越重要。为了实现分组网络端到端的QoS保证，至少需要解决的问题如下：·实现网络资源的最大利用；
·有效支持在网络业务端到端范围内高度分布的智能和多种应用
类型；
·有效支持网络业务端到端范围内的多个管理域的协同工作；
·实现在网络业务端到端范围内多种网络技术和QoS控制机制的并存和互操作。
在移动通信领域引入分组网技术，既要解决上面提到的固定分
组网中需要解决的问题，又要满足移动网络用户移动特性的新的话
务模型。这些都对移动网络中分组技术和提供QoS的能力及保证QoS的能力提出了新的更高的追求。
5.负载均衡
5.1负载均衡的概念
负载通常定义为被占用的资源与所有可用的资源之间的比值。在无
线网络中，由于用户分布的不均匀，导致不同小区中业务量因负载
分布的不均匀而形成的不均匀。负载分布的不均匀使得不同小区中
无线资源的利用率不均衡：繁忙小区中由于负载较重，无线资源非
常紧张，难以接纳新的呼叫，甚至难以保证已有用户的服务质量
（Qo S）要求；而空闲小区中由于负载较低，未使用的无线资源较多，无线资源利用率很低，造成无线资源的浪费。因此，为了保证
无线资源的合理使用，提高运营商承载业务的能力，需要通过一定
的方法改变负载的分布，使得负载在各小区中基本均匀分布，避免
出现过忙或过闲小区，即实现负载均衡。
5.2移动负载均衡的基本算法
由于负载的不均匀分布对网络性能影响很大，负载均衡问题自
蜂窝移动通信系统出现以来就一直受到研究人员的关注，并提出了
各种解决方法。一类较常用的负载均衡算法是基于无线资源管理的
负载均衡算法。在这类方法中，基于小区负载分布，在多个小区
之间联合进行无线资源的自适应调度，从而保证不出现高负载小区。文献中已有大量相应算法。比如，繁忙小区通过“借用”空闲小区或
信道资源池中的空闲信道，从而实现无线资源的最优利用的算法。
这类算法在 GSM 和 3G 系统中应用比较多。另一类是基于切换的，
即移动负载均衡算法。在这类方法中，将繁忙小区中的服务用户通
过切换，转移到空闲小区中去，或通过适当的接纳控制算法，使新
接入用户接入到空闲小区，从而实现负载在各小区间的均衡分布。
自组织网络中采用第二类负载均衡算法，即移动负载均衡算法。在
移动负载均衡算法中，需要通过用户的切换来实现负载的转移，从
而实现负载均衡。因此，用户的切换机制是移动负载均衡算法的核
心内容。在用户切换机制上，主要包括基于强制切换和基于切换参
数调整的机制。
5.2.1基于强制切换的移动负载均衡技术
正常情况下，用户是否应该发生切换是需要依据一定的准则来
进行判断的。只有满足相应的条件，才允许用户进行切换。而在基
于强制切换的移动负载均衡技术中，为了实现负载从繁忙小区到空
闲小区的转移，不论用户是否满足切换条件，都会将用户切换到目
标小区中去。这种强制切换由于以实现负载均衡为目标，没有考虑
移动性的优化，可能会带来较高的无线链路失败率、切换失败率、
乒乓切换概率，导致切换性能的下降。因此，为了提高负载均衡算
法的性能，并保证移动性的性能，待切换用户的选择是这类算法中
的一个重要问题。这类算法的优点是能较快地实现负载均衡，并且
由于能对待切换用户进行选择，因此，可以实现比较精确的负载控制。因此，这类算法是移动负载均衡技术的一个重要的发展方向。
5.2.2基于切换参数调整的移动负载
均衡技术在这类移动负载均衡算法中，和正常切换技术一样，
需要对切换参数进行调整，以便于用户的切换，实现负载均衡。但是，由于负载均衡算法的目标是有利于用户的切换，而移动性优化
的目标是实现切换的鲁棒性，并不完全一致，因此，可能导致对切
换参数的调整方向不一致，从而导致移动负载均衡技术和移动性优
化技术之间存在冲突。因此，在这类移动负载均衡技术中，与移动
性优化技术的协调，成为需要解决的一个重要问题。这类算法的一
个缺点是，由于只是基于对切换参数的调整来实现用户的切换，对
满足切换条件的用户都将进行切换，并且在进行切换参数的调整时，难以根据负载情况进行参数调整，因此，难以实现负载转移的精确
控制。
6.结束语
自组织网络技术经过几年的发展，已经不仅仅是停留在标准和
研究阶段的新技术。随着算法的日渐成熟，以及运营商对运维成本
控制越来越严格，自组织网络特性成为新建LTE 网络的必备选项和LTE设备的标准配置。因此，它必将拥有广阔的应用前景。未来无
线通信的发展将以频谱资源的高效利用为目标。因此，认知无线自
组织网络技术在频谱资源日趋紧张现实下，重要性逐渐凸显。随着
当前第五代移动通信网络概念的提出，无线自组织网络技术也将随
着网络演进而不断获得优化，同时，无线自组织网络对于频谱资源
的优化利用将为未来无线通信提供新思路和可行方案。
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