三网融合与基于协作的无线技术

三网融合可以理解为电信网、广播电视网、互联网在向宽带通信网、数字电视网、下一代互联网演进过程中，其技术功能趋于一致，业务范围趋于相同，网络互联互通、资源共享，能为用户提供语音、数据和广播电视等多种服务。

    三网融合不是三网物理合一，不是网络的相互替代，而是每个网络都能开展多种业务，电信网、广播电视网和互联网之间协同工作，为用户提供最合适的服务。

    目前中国地面广播电视系统(CMMB)适用于30 MHz到3 000 MHz频率范围内的广播业务频率。通过卫星和/或地面无线发射电视、广播、数据信息等多媒体信号的广播系统，覆盖面广，可以实现全国漫游。但CMMB仅有下行通道，不支持上行互动，用户体验很局限。同时因为是广播大站模式，在室内覆盖和深度覆盖上也存在很大的缺陷。

    近年来，移动通信技术迅猛发展，能根据动态的网络和变化的信道条件进行自适应处理，使高速和低速的用户以及各种各样的用户设备能够共存与互通，从而在满足终端多样性，用户个性化的需求上有了长足的进步。波束成型、多输入多输出(MIMO)等多天线技术的发展，使得第四代移动通信系统能支持更大的峰值速率和系统吞吐量，从而支持更丰富的移动业务，包括高清晰度图像业务、会议电视、虚拟现实业务等，使用户在任何地方都可以获得任何所需的信息服务。

    随着无线技术逐步向前发展，智能终端的迅猛崛起，各种互联网上的应用、业务不断向移动网络迁移，而广播电视网丰富的节目源也为促进移动互联网的发展提供了更丰富的内容。三网融合新业务对无线网络提出了更高的要求：全方位无缝覆盖、高吞吐量、业务连续性等。在这样的大背景下，如果电信网、广播电视网和互联网之间能够结合各自的特点技术，实现高效协同工作，将能有效提升整体网络性能，极大提升用户体验。

1 协作式无线技术的发展
    近年来，各种无线技术(WPAN、WLAN、WMAN、WWAN等)共存使得单点技术的创新已经无法满足用户的需求，而系统级的技术变革与整体优化成为探索异构网发展的途径。协作式无线技术在这种背景下应运而生。各种无线技术构成的异构网络如图1所示。

    常见的几类无线协作技术如下：

    (1)统一无线资源管理技术
    统一无线资源管理(CRRM)技术通过协作式的无线资源共享来减少闲置资源和紧缺资源的贫富两极分化，平衡不同网络的负载，达到业务分流的目的。与此同时，还可以与核心网络协作，获取对业务/用户属性的感知信息。通过统一的无线资源管理，运营商一方面实现端到端的业务分流，提供个性化的用户服务；另一方面由多个小区/多个系统联合给某个用户传输数据，大幅提高用户吞吐量，有效提升用户体验。

    CRRM涉及到的主要技术有：联合的无线资源管理(Joint RRM)、动态频谱共享技术、感知无线电、无线自组织技术等，3GPP正在研究的负载均衡、Internet Offload技术也属于这个范畴。

    根据文献[1]的研究，CRRM的统一管理架构分为3种：集中式、分布式和混合式。结合市场需求以及无线网络发展趋势，本文认为，CRRM的架构将从集中式向混合式发展，CRRM的主控点可以在核心网络，也可以在无线网络的某个集中控制点(如RNC、eNodeB等)。混合式的协作无线资源管理架构将持续应用非常长的时间。

    (2)多点协作传输技术
    多点协作传输(COMP)分为联合调度(JP)与协作处理(CP/CB)两大技术方向。多点协作传输(COMP)原理如图2所示。通过多小区协作，交换干扰信息，或者规避干扰，从而大幅降低小区边缘的干扰，有效提高小区边缘吞吐量和系统吞吐量。这种技术要求无线网络的架构尽可能集中，以便达到物理层帧级别的信息交互与协作。

    (3)认知无线电
    认知无线电(CR)是一种动态频谱共享与协作技术，通过智能感知，并机会式利用授权频段中的频谱空穴(即已分配给授权用户但未被其占用的空闲频谱)，实现不可再生频谱资源的再次利用。CR为有效解决当今无线网络中频谱资源紧张与频谱利用率不高这一矛盾开辟了新的途径。

    目前在欧洲电信标准组织(ETSI)CR课题主要研究两大场景：一类是广播电视数字化后，空闲频谱的利用；一类是国际移动通信(IMT)频段内，随着2G/3G向4G逐步演进，频谱动态共享技术。CR主要的解决思路是利用感知导频，并定义主辅系统。辅系统通过扫描主系统发出的感知导频，获取现有频谱的被使用情况，从而找寻确定自己可用频谱。当出现冲突时，主系统优先，辅系统重新寻找新的可用频谱。

    (4)载波聚合技术
    载波聚合技术通过把连续或者不连续的零散频谱整合成为一个大的逻辑可用频谱，获得更高的吞吐量，从而提升整体频段的使用效率。目前标准组织讨论的载波聚合技术仍然局限在同一个无线技术内，随着标准研究不断向前推进，不同无线系统通过系统级协作，在不同层面的广义聚合将成为研究热点。

    随着无线协作技术的不断发展，结合各种无线技术将长期共存的现状，建立立体的协作通信架构，是无线协作技术发展的必然趋势。所谓立体的协作通信架构，是因为单纯一种协作技术并不能适应目前复杂的无线环境以及未来更加丰富的无线业务需要，必须建立立体的协作通信架构。物理层协作、网络层协作、无线与核心网络协作、频谱动态共享、业务的迁移与融合等这些不同协议层、不同网元、不同平台之间的协作技术互相配合，构成立体的协作通信体系，才能多角度满足用户和业务需求[2-5]。

2 三网融合中的协作式无线技术
    三网融合要求电信网、广播电视网和互联网之间协同工作。目前实用中已经有一些业务层面的融合和应用。随着业务和用户需求的变化与发展，网络特别是三网融合涉及到的无线网络之间如何协同工作越来越引起业界的重视。

    经过分析，本文认为，基于立体的协作通信体系，三网融合中的无线协作网络有4种主要协作机制：

    (1)机制1
    统一的计费与用户管理，这是目前已经有市场部署的一种业务层协作方案。小站(例如蜂窝站)与大站(即广播站)之间没有交互，小站仅用来做大站的上行回传通道。终端要求双模双待。对无线系统基本没有影响。

    (2)机制2
    大小站协同，提高传输质量，提供个性化传输。根据大站和小站各自优势，同一个业务数据可以分别在大站或小站发送，大站和小站的业务流彼此互相独立。一方面可以支持网络级ARQ功能(NARQ)，提高传输可靠性，另一方面结合用户和业务特性信息，由小站提供个性化服务。

    网络级自动重发请求(NARQ)如图3所示。这里的网络级ARQ，要求大站和小站连接到统一的核心网络，由终端、大站、小站、统一的核心网络配合完成。大站的广播包中需要增加包序号，终端需要反馈接收情况，而核心网络可以在收到该NARQ反馈后，根据业务策略，有选择有差别地通知小站传输特定数据包给特定的用户，从而提供更可靠的数据传输服务。

    同时，这种协作机制可以结合业务/用户特性感知功能，根据业务策略，由小站通道有选择地有差别地传输该业务流的全部或者部分数据包给特定用户或者特定用户组，提供差别服务。

    本机制下，小站与大站仍然是互相独立的，之间没有信息交互，由核心网络(即CRRM中的集中控制点)作为协作纽带。

    更进一步，结合CRRM的研究，因为小站也同时承载其他单播业务，所以还需要考虑把小站的无线资源负荷情况上报到核心网络，以帮助核心网络决策。结合业务与用户特征感知的差异化传输如图4所示。这是目前运营商比较关注的需求。

    (3)机制3
    引入中继的概念，实现协作覆盖。协作覆盖原理如图5所示。小站作为中继节点，直接接收大站的下行数据，并根据需要转发给终端。与机制2相比，下行数据不再从核心网络获取，而是从大站获取。这样一方面可以减少网络侧的负荷，另一方面因为小站作为大站的中继节点，在大站覆盖的死点位置部署小站，形成与大站协作覆盖，就可以有效提升覆盖质量。

    此种模式下，小站与大站有直接接口。对于小站，一方面它继续作为上行通道向核心网络发送上行数据，另一方面小站从大站接收下行数据，中继给用户终端。本机制下，可以采用传统的层2 ARQ功能，由小站解析上行ARQ反馈后重发对应数据包。进一步地，小站向终端转发大站来的数据时可以用大站的帧结构也可以用小站的帧结构。对于前者，终端可以是单模终端；如果是后者，则类似前面的几种模式为多模终端。

    (4)机制4
    随着计算和处理技术的发展，更底层的协作值得进一步的研究。终端可以从大站小站都接收数据，进行合并接收，提高接收增益。合并接收与多点协作原理如图6所示。小站之间还可以考虑结合多点协作机制，互相交换传输信息，调整传输方式，进一步降低干扰，提升小区边缘的频谱效率，提升用户体验。

    以上为三网融合的情况下，大站与小站协作通信的几种协作机制。作为无线系统，在这几种机制下都需要考虑小站与大站之间的频谱共享问题。

    在频率资源有限的情况下，频谱共享就成为一种新的途径。业界对于频谱共享的研究从静态到动态共享逐步展开，但是实时的动态共享仍停留在学术层面。结合产业实际，本文认为在以上几种协作方案下，小站可以根据大站当地的情况，采取静态或者半静态的频谱共享技术。

    首先假设大站与协作的小站在同一个频段内，该频段内仅有该大站以及与其协作的多个小站。对于静态频谱共享方案，大站与小站使用的频谱资源由网管后台配置达到分时共享的目的。而半静态共享则对协作网络的智能性提出比较高的要求。小站与大站频谱共享如图7所示。后台配置整体可用资源后，小站获得可用频谱配置后，持续检测感知导频，以确定当前可用的频谱，之后调整到新频谱后，继续检测感知导频。当检测到感知导频信号后，则继续寻找和调整当前可用的频谱资源。以此形成闭环的共享调整过程。对于半静态来说，调整周期至少以天为单位。

3 参考文献
[1] PILLEKEIT A. ?Common radio resource management - Theory, architectures, algorithms [C]//Summer Academy 2010 of International Graduate School on Mobile Communications, Jul 26-Aug 08,2010,TU Ilmenau, Germany. 2010.
[2] Cognitive radio, spectrum and radio resource management [R]. WWRF WG6 White Paper. 2004.
[3] VON Hugo D,?BOGENFELD E, GASPARD I, et al. Joint RRM as a concept for efficient operation of future radio networks [C]//Proceedings of the 70th Vehicular Technology Conference (VTC-Fall’09),Sep 20-23, 2008, Anchorage, AK,USA. Piscataway, NJ,USA:IEEE, 2009: 5p.
[4] Performance of cognitive collaborative network, management concepts [R]. End-to-End Efficiency (E3) Deliverable D3.4. 2009.
[5] GELABERT X, PéREZ-ROMERO J, SALLENT O, et al. Radio resource management in heterogeneous networks [C]//Proceedings of the 3rd International Working Conference on Performance Modelling and Evaluation of Heterogeneous Networks (HET-NETs’05), July 18-20, 2005, Ilkley, UK. London, UK:IEEE, 2005:12p.

收稿日期：2011-05-11

[摘要] 无线协作技术，特别是立体化的协作架构，有助于广播网和无线通信网更紧密地协同。文章认为无线协作技术提供初级回程通道。它可以通过统一的资源管理，互相配合，提供网络级自动重发请求(ARQ)以及面向用户与业务特性的特色传输。无线协作技术还通过协作中继，提升覆盖质量，实现更紧密的动态频谱共享。紧密地协作将为三网融合提供更有效的协作机制，为用户带来新的业务体验，更好地满足新业务和用户需求的多样化发展。

[关键词] 三网融合；协作式无线技术；统一无线资源管理；协作中继；动态频谱共享；感知无线电

[Abstract] Cooperative wireless technology, especially cross-layer cooperative architecture, will contribute to tri-network convergence. This paper proposes cooperative technology that provides primary return channel and network-level automatic repeat request (ARQ) as well as user and service-oriented transmission by means of unified resource management and coordination. Cooperative technology improves coverage quality and allows for dynamic spectrum sharing through cooperative relay. It also provides a more effective coordination mechanism for tri-network convergence—which creates a new service experience and is suited to the development of diverse new services.

[Keywords] tri-network convergence; cooperative wireless technology; unified radio resource management; cooperative relay; spectrum sharing; cognitive radio