智慧城市中支持多元业务传输的一体化空间网络架构设计

黄东+杨涌

摘要：随着IT技术的快速发展，国外已开始建设智慧城市，为使智慧城市中的多元业务高效传输，有必要设计一体化空间网络架构。

关键词：智慧城市；一体化空间网络；网络架构

1研究现状

智慧城市是以智慧技术、智慧产业、智慧人文、智慧服务、智慧管理、智慧生活为特征的城市发展新模式，它是信息行业应用的综合性集成，云计算的海量数据分布式存储和并行处理能力为智慧城市提供了重要的途径。而云计算的发展离不开高速可靠的网络传输平台，需组建快速可靠的通信系统是智慧城市拓扑结构。

面对上述需求，一体化空间通信网络技术成为了最现实的系统架构可能。这种无线异构网络融合了不同类型的无线网络设备，适合我国地理环境的“无缝覆盖”“大容量”“复杂应用”等通信网络要求。

1.1无线异构网络技术发展现状

无线异构网络融合强调从底层开始的网络互操作性，从而实现资源优化和业务QoS保障。一些研究机构已开展了有关异构融合的关键性技术研究，如ETSI BRAN/3GPP，欧盟信息社会技术（IST）框架下的WINE GLASS，MOBYDICK，SUITED，BRAIN/MIND，DRIVE/OVERDRIVE，TRUST/SCOUT等项目。针对异构无线网络融合模型的研究主要有以蜂窝移动网络作为广域覆盖、WLAN作为热点（HotSpots）嵌入的网络互联方案和以IEEE802系列无线网络相互融合方案。前者研究的重点是在如何实现移动通信终端通过陆基移动通信网接入局域网、Internet网等网络；后者重点研究以IEEE802.16城域网作为骨干网，而共享作为热点覆盖的IEEE802.11的工作频段。Berlemann提出了采用IEEE802.16作为基站和基本帧结构控制IEEE802.11的工作站的协同工作方式；而Mohr和Mangold则以IEEE802.16中继IEEE802.11业务为其研究重点；Wijaya、Mangold则在异构网络的MAC控制方面进行了探讨。

1.2网络拓扑与拓扑控制技术

网络拓扑研究从“点对多点”的组网发展到MESH组网。具备多跳路由功能的MESH网络由于提供了组网的方便性、灵活性、多路径的可靠性等特性，从而提升了网络的无线覆盖能力（避免阴影区）。MESH组网要求网络有良好的拓扑控制能力，即：通过功率检测和功率控制构成MESH物理连接。拓扑控制主要研究节点分配功率以获得特定的网络拓扑结构和优化网络的目标函数，目前：拓扑控制已经形成节点功率控制、层次型拓扑控制以及网内节点协同启发机制（休眠调度）等研究方向。

在异构网络环境下，拓扑控制面临诸多新的问题：首先由于每个节点所形成的发射范围是各不相同的，所以必须考虑网络的连通性和覆盖性。其次由于节点具有不同的接收灵敏度和发射功率，必须考虑网络的能量特性。此外，在空间拓扑结构方面国际上也仅仅展开了较为有限的研究：美国北卡罗莱纳大学的Yu Wang，Lijuan Cao andTeresa A.Dahlberg提出网络在三维空间容错的拓扑控制算法，并证明了三维几何拓扑3D k-RNG、3D k-GG和 3Dk-YG的连通性。因此在异构网络拓扑与拓扑控制技术上还需进行大量的研究工作。

2一体化空间网络架构

2.1“一体化空间网络”通信体系应用场景

文章提出的智慧城市中信息传输平台典型工作场景，天地空一体化三维空间的异构网络，如图1所示。因此，本课题研究的重点就在于组网模式即如何将低空转信平台与地面通信系统密集设备有机地联系起来构成“空间异构网”的拓扑结构。地面中继站与空间转信平台的切换、站点的入网方式、多址方式、双工通信方式、组网方式、同步方式和调制解调方式等都将是“一体化空间网络”无线通信体系中要研究和探索的内容，而本课题重点讨论该组网环境所带来的拓扑控制和无线资源分配的理论问题。

2.2适应“一体化空间网绺”的拓扑控制技术

拓扑控制通常考虑网络节点设备拥有相同收发器的“同构”网络，而本课题将要研究的“一体化空间网络”的拓扑控制算法不仅要考虑发射功率对网络拓扑的影响，也要考虑不同设备的接收灵敏度，相关计算如下：

其中，RX_min.表示信号能被正确译码的最低门限，β表示节点的接收敏感度，N₀表示噪声，I_j表示接收节点j收到的干扰。从目前研究资料的结果表明，在三维空间试图寻找拓扑控制问题的最优解是NP-Hard的，所以本课题在研究的过程中应该寻求三维空间拓扑控制的实用解。研究异构网络三维拓扑结构的可靠性和可重构能力。找到一种保证网络性能又能提升网络可靠性的一种拓扑结构，并对网络可靠性进行评价。

3具体实施

3.1一体化空间网络新架构，支持智慧城市中的多业务网络在协议栈底层的互操作性

目前的无线通信系统是通过顺从频率管理要求，按照预先制订的频谱规划方案以及设备所遵守的控制规程来避免不同无线通信网络（同构或异构网络）之间的无线干扰。这种静态规划方法不能适应无线快速部署需求。课题探索一种网络架构体系，解决不同无线通信系统的无线共存性问题。研究出发点是：动态资源控制（管理）与底层协议互通。

3.2以各种通信系统一维时间序列的静态帧结构为基础探索构建“空间异构”无线网络新的帧结构

针对“空间异构”无线网络的体系架构进行新的帧结构设计时，将在各种通信系统一维时间序列的静态帧结构的基础上，从时间域，频率域，地理位置域和能量域、空间域等方面进行综合考虑，然后进行合理拓展，同时融合随机接入和受控接入两种接入机制来适应非同步和同步系统的不同需求，并且也将考虑从确定性资源分配到不确定性资源分配的合理演进，这样既可满足异种网络的融合，也方便移动子网的融合。因此，完成新的帧结构的设计具备相应的条件，具有实现的可能性。

IEEE802系列无线通信网络这种共存方式仅考虑到局部区域的共存性，并未涉及频率域，地理位置域和能量域、空间域等，本研究将通过资源控制和异构网络的帧融合，统一对多维度的资源进行控制，保障不同通信系统工作在至少一维不重叠的资源块内，避免相互干扰，子容器的结构能为站点提供足够的且必要的控制信息，将局部区域共存推向立体空间的全局共存，因此实现无线资源统一控制亦具有可行性。

3.3 MESH拓扑控制是实体异构网络向虚拟异构融合的合理发展手段

“虚拟异构网”是在实体异构网络的基础之上，实现拓扑控制算法从“低维”到“高维”、从“静态”到“动态”、从“物理”到“虚拟”的转变，如图2所示。在异构环境中结合邻近图DRNG（Directed Relative NeighborhoodGraph）和DLSS（Directed Local Spanning Subgraph）等来解决网络的连通性和导向性问题；在三维空间中利用3D-DRNG等邻近图理论来解决空间异构环境下的拓扑控制机制和策略。因此，在拓扑控制算法上有相应可行的算法基础支撑。

4结语

文章紧密结合我国智慧城市建设需求，对智慧城市中的通信组网开展理论研究。提出了一种新的多维帧结构设计方法，新的帧设计可有效地利用信道资源，并支持异构网络的融合、移动子网融合；并提出了对异构拓扑控制与异构无线资源分配算法研究思路，适应多任务体制下的通信系统需要。