智慧城市中支持多元業(yè)務(wù)傳輸?shù)囊惑w化空間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

黃東+楊涌

摘要：隨著IT技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)外已開(kāi)始建設(shè)智慧城市，為使智慧城市中的多元業(yè)務(wù)高效傳輸，有必要設(shè)計(jì)一體化空間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

關(guān)鍵詞：智慧城市；一體化空間網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1研究現(xiàn)狀

智慧城市是以智慧技術(shù)、智慧產(chǎn)業(yè)、智慧人文、智慧服務(wù)、智慧管理、智慧生活為特征的城市發(fā)展新模式，它是信息行業(yè)應(yīng)用的綜合性集成，云計(jì)算的海量數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)和并行處理能力為智慧城市提供了重要的途徑。而云計(jì)算的發(fā)展離不開(kāi)高速可靠的網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)，需組建快速可靠的通信系統(tǒng)是智慧城市拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

面對(duì)上述需求，一體化空間通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為了最現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)架構(gòu)可能。這種無(wú)線(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合了不同類(lèi)型的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，適合我國(guó)地理環(huán)境的“無(wú)縫覆蓋”“大容量”“復(fù)雜應(yīng)用”等通信網(wǎng)絡(luò)要求。

1.1無(wú)線(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

無(wú)線(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合強(qiáng)調(diào)從底層開(kāi)始的網(wǎng)絡(luò)互操作性，從而實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化和業(yè)務(wù)QoS保障。一些研究機(jī)構(gòu)已開(kāi)展了有關(guān)異構(gòu)融合的關(guān)鍵性技術(shù)研究，如ETSI BRAN/3GPP，歐盟信息社會(huì)技術(shù)（IST）框架下的WINE GLASS，MOBYDICK，SUITED，BRAIN/MIND，DRIVE/OVERDRIVE，TRUST/SCOUT等項(xiàng)目。針對(duì)異構(gòu)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)融合模型的研究主要有以蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)作為廣域覆蓋、WLAN作為熱點(diǎn)（HotSpots）嵌入的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)方案和以IEEE802系列無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)相互融合方案。前者研究的重點(diǎn)是在如何實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信終端通過(guò)陸基移動(dòng)通信網(wǎng)接入局域網(wǎng)、Internet網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)；后者重點(diǎn)研究以IEEE802.16城域網(wǎng)作為骨干網(wǎng)，而共享作為熱點(diǎn)覆蓋的IEEE802.11的工作頻段。Berlemann提出了采用IEEE802.16作為基站和基本幀結(jié)構(gòu)控制IEEE802.11的工作站的協(xié)同工作方式；而Mohr和Mangold則以IEEE802.16中繼IEEE802.11業(yè)務(wù)為其研究重點(diǎn)；Wijaya、Mangold則在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的MAC控制方面進(jìn)行了探討。

1.2網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c拓?fù)淇刂萍夹g(shù)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溲芯繌摹包c(diǎn)對(duì)多點(diǎn)”的組網(wǎng)發(fā)展到MESH組網(wǎng)。具備多跳路由功能的MESH網(wǎng)絡(luò)由于提供了組網(wǎng)的方便性、靈活性、多路徑的可靠性等特性，從而提升了網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線(xiàn)覆蓋能力（避免陰影區(qū)）。MESH組網(wǎng)要求網(wǎng)絡(luò)有良好的拓?fù)淇刂颇芰?，即：通過(guò)功率檢測(cè)和功率控制構(gòu)成MESH物理連接。拓?fù)淇刂浦饕芯抗?jié)點(diǎn)分配功率以獲得特定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)函數(shù)，目前：拓?fù)淇刂埔呀?jīng)形成節(jié)點(diǎn)功率控制、層次型拓?fù)淇刂埔约熬W(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)協(xié)同啟發(fā)機(jī)制（休眠調(diào)度）等研究方向。

在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，拓?fù)淇刂泼媾R諸多新的問(wèn)題：首先由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)所形成的發(fā)射范圍是各不相同的，所以必須考慮網(wǎng)絡(luò)的連通性和覆蓋性。其次由于節(jié)點(diǎn)具有不同的接收靈敏度和發(fā)射功率，必須考慮網(wǎng)絡(luò)的能量特性。此外，在空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面國(guó)際上也僅僅展開(kāi)了較為有限的研究：美國(guó)北卡羅萊納大學(xué)的Yu Wang，Lijuan Cao andTeresa A.Dahlberg提出網(wǎng)絡(luò)在三維空間容錯(cuò)的拓?fù)淇刂扑惴?，并證明了三維幾何拓?fù)?D k-RNG、3D k-GG和 3Dk-YG的連通性。因此在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c拓?fù)淇刂萍夹g(shù)上還需進(jìn)行大量的研究工作。

2一體化空間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.1“一體化空間網(wǎng)絡(luò)”通信體系應(yīng)用場(chǎng)景

文章提出的智慧城市中信息傳輸平臺(tái)典型工作場(chǎng)景，天地空一體化三維空間的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。因此，本課題研究的重點(diǎn)就在于組網(wǎng)模式即如何將低空轉(zhuǎn)信平臺(tái)與地面通信系統(tǒng)密集設(shè)備有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)構(gòu)成“空間異構(gòu)網(wǎng)”的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。地面中繼站與空間轉(zhuǎn)信平臺(tái)的切換、站點(diǎn)的入網(wǎng)方式、多址方式、雙工通信方式、組網(wǎng)方式、同步方式和調(diào)制解調(diào)方式等都將是“一體化空間網(wǎng)絡(luò)”無(wú)線(xiàn)通信體系中要研究和探索的內(nèi)容，而本課題重點(diǎn)討論該組網(wǎng)環(huán)境所帶來(lái)的拓?fù)淇刂坪蜔o(wú)線(xiàn)資源分配的理論問(wèn)題。

2.2適應(yīng)“一體化空間網(wǎng)綹”的拓?fù)淇刂萍夹g(shù)

拓?fù)淇刂仆ǔ？紤]網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備擁有相同收發(fā)器的“同構(gòu)”網(wǎng)絡(luò)，而本課題將要研究的“一體化空間網(wǎng)絡(luò)”的拓?fù)淇刂扑惴ú粌H要考慮發(fā)射功率對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞挠绊?，也要考慮不同設(shè)備的接收靈敏度，相關(guān)計(jì)算如下：

其中，RX_min.表示信號(hào)能被正確譯碼的最低門(mén)限，β表示節(jié)點(diǎn)的接收敏感度，N₀表示噪聲，I_j表示接收節(jié)點(diǎn)j收到的干擾。從目前研究資料的結(jié)果表明，在三維空間試圖尋找拓?fù)淇刂茊?wèn)題的最優(yōu)解是NP-Hard的，所以本課題在研究的過(guò)程中應(yīng)該尋求三維空間拓?fù)淇刂频膶?shí)用解。研究異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠性和可重構(gòu)能力。找到一種保證網(wǎng)絡(luò)性能又能提升網(wǎng)絡(luò)可靠性的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3具體實(shí)施

3.1一體化空間網(wǎng)絡(luò)新架構(gòu)，支持智慧城市中的多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)在協(xié)議棧底層的互操作性

目前的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)是通過(guò)順從頻率管理要求，按照預(yù)先制訂的頻譜規(guī)劃方案以及設(shè)備所遵守的控制規(guī)程來(lái)避免不同無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)（同構(gòu)或異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)）之間的無(wú)線(xiàn)干擾。這種靜態(tài)規(guī)劃方法不能適應(yīng)無(wú)線(xiàn)快速部署需求。課題探索一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系，解決不同無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)共存性問(wèn)題。研究出發(fā)點(diǎn)是：動(dòng)態(tài)資源控制（管理）與底層協(xié)議互通。

3.2以各種通信系統(tǒng)一維時(shí)間序列的靜態(tài)幀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)探索構(gòu)建“空間異構(gòu)”無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)新的幀結(jié)構(gòu)

針對(duì)“空間異構(gòu)”無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)進(jìn)行新的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，將在各種通信系統(tǒng)一維時(shí)間序列的靜態(tài)幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，從時(shí)間域，頻率域，地理位置域和能量域、空間域等方面進(jìn)行綜合考慮，然后進(jìn)行合理拓展，同時(shí)融合隨機(jī)接入和受控接入兩種接入機(jī)制來(lái)適應(yīng)非同步和同步系統(tǒng)的不同需求，并且也將考慮從確定性資源分配到不確定性資源分配的合理演進(jìn)，這樣既可滿(mǎn)足異種網(wǎng)絡(luò)的融合，也方便移動(dòng)子網(wǎng)的融合。因此，完成新的幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具備相應(yīng)的條件，具有實(shí)現(xiàn)的可能性。

IEEE802系列無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)這種共存方式僅考慮到局部區(qū)域的共存性，并未涉及頻率域，地理位置域和能量域、空間域等，本研究將通過(guò)資源控制和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的幀融合，統(tǒng)一對(duì)多維度的資源進(jìn)行控制，保障不同通信系統(tǒng)工作在至少一維不重疊的資源塊內(nèi)，避免相互干擾，子容器的結(jié)構(gòu)能為站點(diǎn)提供足夠的且必要的控制信息，將局部區(qū)域共存推向立體空間的全局共存，因此實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)資源統(tǒng)一控制亦具有可行性。

3.3 MESH拓?fù)淇刂剖菍?shí)體異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)向虛擬異構(gòu)融合的合理發(fā)展手段

“虛擬異構(gòu)網(wǎng)”是在實(shí)體異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)拓?fù)淇刂扑惴◤摹暗途S”到“高維”、從“靜態(tài)”到“動(dòng)態(tài)”、從“物理”到“虛擬”的轉(zhuǎn)變，如圖2所示。在異構(gòu)環(huán)境中結(jié)合鄰近圖DRNG（Directed Relative NeighborhoodGraph）和DLSS（Directed Local Spanning Subgraph）等來(lái)解決網(wǎng)絡(luò)的連通性和導(dǎo)向性問(wèn)題；在三維空間中利用3D-DRNG等鄰近圖理論來(lái)解決空間異構(gòu)環(huán)境下的拓?fù)淇刂茩C(jī)制和策略。因此，在拓?fù)淇刂扑惴ㄉ嫌邢鄳?yīng)可行的算法基礎(chǔ)支撐。

4結(jié)語(yǔ)

文章緊密結(jié)合我國(guó)智慧城市建設(shè)需求，對(duì)智慧城市中的通信組網(wǎng)開(kāi)展理論研究。提出了一種新的多維幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，新的幀設(shè)計(jì)可有效地利用信道資源，并支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合、移動(dòng)子網(wǎng)融合；并提出了對(duì)異構(gòu)拓?fù)淇刂婆c異構(gòu)無(wú)線(xiàn)資源分配算法研究思路，適應(yīng)多任務(wù)體制下的通信系統(tǒng)需要。