一种实现异构网络融合的智能认知无线网络系统

摘要

一种实现异构网络融合的智能认知无线网络系统，是在现有无线网络系统的网元内增设具有多域主动认知、高效异构网络资源管理、网络或终端的重构的新功能实体，即在网络侧增设：认知信息管理、智能管理和异构网络融合管理三个模块，终端侧增设重构管理单元、联合无线资源管理&自优化单元、认知信息/知识库和认知信息管理模块，再设置下述四种交互接口：运营商之间接口、网络侧与终端侧之间接口、各模块之间接口和模块内部各单元之间的接口，各模块之间或模块内各单元通过接口实现信息交互，共同完成相应的网络功能，从而扩展网络认知能力、自主能力和适变能力，提升网络管理的智能化，实现异构网络融合与系统频谱的高效利用并提升网络的全局性能。

说明书

技术领域

本发明涉及认知无线电技术，确切地说，涉及一种实现异构网络融合的智能化的认知无线网络系统，用于突破现有网络频谱利用的局限性，解决现有网络存在的频谱利用率低与异构性问题，有效提高网络频谱利用率，实现异构无线网络的无缝融合，属于无线通信系统网络层的网络结构技术领域。

背景技术

认知无线电技术的出现，缓解了现有网络频谱利用率低的压力。目前，已经对认知无线网络系统进行了一定研究。下面简要介绍其中几种典型的方案：

参见图1，介绍IEEE 802.22为固定无线区域网络(WRAN)工作于54MHz～862MHz VHF/UHF(扩展频率范围为47MHz～910MHz)频段中的TV信道提出的协议参考模型，为了更好地支持认知无线电技术，IEEE 802.22提出了认知平面(Cognitive Plane)的概念，认知平面独立于数据平面和管理控制平面，通过在认知平面的物理层引入频谱感知功能(SSF)和地理定位功能实现MAC层动态频谱管理功能。认知平面的MAC层定义了频谱管理单元(SM)、频谱感知自动化单元(SSA)及安全子层2(SP)。各层模块之间通过不同的业务接入点SAP传递消息。其中，频谱管理模块SM是IEEE 802.22的核心，其主要功能包括：保存可用频谱信息、信道分类和选择、联合控制、信道状态管理、为频谱感知调度安静期、访问数据库、执行IEEE 802.22及监管区域的政策等。IEEE 802.22还提供了数据库服务，为其他功能模块提供数据的查询和更新功能。其主要存储频谱占用信息。

IEEE 1900标准是由IEEE Standards Board发布，通过定义一系列系统架构和协议，以便在多种无线接入技术环境下，达到改进整个无线系统综合能力和服务质量的目的。参见图2，简介IEEE1900.4系统功能架构组成。

网络侧架构，为表征网络资源管理定义了以下四种实体：运营商频谱管理OSM，RAN测量信息收集RMC，网络重配置管理NRM和RAN重配置控制RRC。其中，OSM用于实现运营商对NRM动态频谱分配决策的控制。RMC搜集RAN上下文信息并将其提供给NRM。在网络-终端分布式频谱使用优化中，NRM负责管理CWN和终端。RRC根据NRM的请求控制RAN重配置。

终端侧架构，为表征终端侧资源管理定义了以下三种实体：终端测量信息收集TMC、终端重配置管理TRM和终端重配置控制TRC。其中，TMC搜集终端上下文信息并将其提供给TRM。在网络-终端分布式频谱使用优化时，NRM负责管理终端。TRC根据TRM的请求控制终端重配置。NRM和TRM是IEEE1900.4的核心模块，其中NRM定义了六个功能：策略推理，策略效率评估，网络重配置决策和控制，频谱分配评估，信息提取、收集、存储和RAN选择。TRM定义了三个功能：终端重配置决策和控制，信息提取、收集、存储，RAN选择。

ETSI RRS(Reconfigurable Radio System)：重配置无线电系统RRS是ETSI标准化方向之一，是基于SDR和CR技术的通用概念。RRS可以利用重配置无线电的功能以及网络对于动态变化环境自适应调整的能力，有效解决异构系统之间的不兼容性以及频谱稀缺特性，达到提高频谱利用率的目的。

RRS主要工作是给出实现异构环境下系统频谱管理、无线资源管理以及网元和终端自配置管理的功能架构，参见图3，介绍单运营商场景下的其功能架构示意(通过在属于不同运营商的同一功能模块间引入接口可以推广到多运营商场景)。图中的功能架构主要包括四个功能模块：动态频谱管理DSM、动态自组织网络规划与管理DSONPM、联合无线资源管理JRRM以及配置控制模块CCM。各个功能模块并非独立工作，它们之间存在紧密联系，通过在不同功能模块之间引入接口的方式实现各模块的协同工作。

除了给出功能架构之外，由于RRS基于认知无线电CR(Cognitive Radio)技术，系统必定存在终端感知频谱环节，为了降低终端感知频谱的时间和能量，在基站和终端之间引入了认知导频信道CPC，用于进行重构所需的软件下载和认知信息传递，解决重构中公共下载信道和信令控制问题。

相比于IEEE 1900.4，RRS将系统功能进行重新划分，并提出了CPC支持认知信息传输，IEEE 1900.4与ETSI RRS功能架构之间的关系如图4所示。从图4中可以看出，RRS主要工作是将IEEE 1900.4中NRM模块的功能细化为DSM、DSONPM、CCM和JRRM。同时终端侧的TRM、TRC以及TMC功能由CCM模块和JRRM模块的终端侧完成。

总结上述各种现有技术的现状，发现存在下述缺点：

现有认知无线网络系统不具备感知多域环境(主要包括用户环境、网络环境、无线环境以及政策管理)的能力，缺少完备的多域环境表征体系和多域环境认知信息的数据库。例如，IEEE 802.22不具备智能学习/推理功能，IEEE 1900.4和ETSI RRS只具备简单的学习能力，不具备自主学习的能力，缺少对网络智能处理的统一管理。IEEE 802.22针对电视广播网，不具备重构能力。EEE 1900.4和ETSI RRS已经存在比较完善的重构管理功能，但缺乏一定的智能性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种实现异构网络融合的智能认知无线网络系统，该系统是在IEEE和ETSI对认知无线网络系统研究基础上，通过在相关网元与终端引入新的功能模块，扩展网络的认知能力、自主能力和适变能力，提升网络管理的智能化，达到高效的异构网络融合与系统频谱利用。

为了达到上述发明目的，本发明提供了一种实现异构网络融合的智能认知无线网络系统，其特征在于：所述系统是在现有无线网络系统的相关网元内增设具有多域主动认知、高效异构网络资源管理、网络或终端的重构的新功能实体，从而扩展网络认知能力、自主能力和适变能力，提升网络管理的智能化，实现异构网络融合与系统频谱的高效利用并提升网络的全局性能；所述增设的新功能实体包括功能模块和交互接口，且功能模块按照其安设的网元位置分为网络侧模块和终端侧模块，其中网络侧模块包括：

认知信息管理模块CIM(Cognitive Information Management)，设有顺序连接的认知信息获取单元、认知信息预处理单元和认知信息表征单元，用于完成认知信息的获取、预处理与表征，为其它模块提供基本的认知信息；

智能管理模块，作为该网络系统的控制核心，由智能学习管理单元SLM(SmartLearning Management)和认知信息/知识库CIKB(Cognitive Information/KnowledgeBase)组成，用于为其它各个功能模块提供学习/推理机制与海量的认知数据信息，协助异构网络融合管理模块灵活、动态调整异构网络管理方案；

异构网络融合管理模块，设有顺序连接的高级频谱管理单元ASM(AdvancedSpectrum Management)、动态网络规划管理和自组织网络单元DNPM&SON(Dynamic Network Planning Management & Self-Organizing Network)和联合无线资源管理&自优化单元JRRM&SO(Joint Radio Resource Management &Self-Optimization)，以及重构管理单元RM(Reconfiguration Management)；用于在智能管理模块的协助与控制下，完成对多个不同接入网并存的异构网络频谱管理、动态规划与自组织以及联合无线资源管理功能；

终端侧模块，用于协助网络侧各个设备管理网络，设有顺序连接的重构管理单元RM、联合无线资源管理&自优化单元JRRM&SO、认知信息/知识库CIKB和认知信息管理模块CIM；

交互接口设有四种：运营商间交互接口、网络侧与终端侧交互接口、各个模块间交互接口和模块内部各个单元之间的交互接口，各个模块之间或模块内的各个单元通过交互接口实现信息交互，共同完成相应的网络功能。

本发明网络系统的创新技术关键是：该网络系统的相关网元增设了下述三个模块：实现认知信息获取、预处理、表征以及传递的统一管理的认知信息管理模块，这是本发明系统与IEEE 802.22、IEEE 1900.4以及ETSI RRS系统相比较的一个创新。存储网络认知信息的认知信息/知识库，该认知信息/知识库既是该系统实现智能化的重要手段，为具有智能学习/推理的功能模块提供知识和案例；同时，其也为其他功能模块提供多域认知信息矢量。提升认知无线网络系统智能性的智能学习管理模块，该模块的提出实现了功能架构的智能化，完成对共性认知信息的学习/推理，并指导其它功能模块完成智能决策。

本发明与现有技术相比较，具有的优点是：本发明通过在网络系统中引入认知信息管理模块，扩展了网络认知环境的范围，能够提供完备、规范、科学的多域环境表征体系，与智能管理模块的自主学习功能联合完成网络主动认知，提高网络的认知能力。本发明在网络系统中引入的智能管理模块，实现了对网络认知智能处理方法的统一管理，用于协助网络频谱管理、动态规划、资源管理等模块完成自主决策，提高网络的自主决策能力。本发明增设的网络重构模块根据不同网络资源管理模块提供的决策信息，智能地执行网络与终端重构，提高网络的适变能力。

附图说明

图1是IEEE 802.22提出的协议参考模型示意图。

图2是IEEE 1900.4功能架构示意图。

图3是单运营商场景的系统功能架构示意图。

图4是IEEE 1900.4与ETSI RRS功能架构之间的关系示意图。

图5是本发明实现异构网络融合的智能化的认知无线网络系统结构组成示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

与传统网络系统的设计技术相比较，认知无线电技术的引入，为认知无线网络系统的架构设计增加了更多的自由度，其主要体现在三个方面：认知性、自主性和适变性，而认知能力、自主能力和适变能力则分别是对认知性、自主性和适变性的定量描述。其中，认知能力表示多域环境信息的获取、表达、传递和利用的能力；自主能力表示在复杂多变环境下，以达到全局效能为目标，自主决策与控制的能力；适变能力表示在网络环境发生变化的情况下，能够及时调整网络决策、执行的能力。

参见图5，介绍本发明实现异构网络融合的智能认知无线网络系统的结构组成：本发明系统是在现有无线网络系统的相关网元内增设具有多域主动认知、高效异构网络资源管理、网络或终端的重构的新功能实体，从而扩展网络认知能力、自主能力和适变能力，提升网络管理的智能化，实现异构网络融合与系统频谱的高效利用并提升网络的全局性能。增设的新功能实体包括功能模块和交互接口，且功能模块按照其安设的网元位置分为网络侧模块和终端侧模块，终端侧模块作用是协助网络侧相应功能模块管理网络，网络侧模块有下述三个：

认知信息管理模块CIM(Cognitive Information Management)，设有顺序连接的认知信息获取单元、认知信息预处理单元和认知信息表征单元，用于完成认知信息的获取、预处理与表征，为其它模块提供基本的认知信息。再具体介绍该认知信息管理模块中的各个单元功能：

认知信息获取单元，因本发明系统工作于多个接入网络并存、复杂的异构环境，该单元采用认知无线电技术对系统外部环境(主要包括无线环境、网络环境、用户环境、政策管理)的行为、状态与参量进行感知，获取外部环境的认知信息。

认知信息预处理单元，因为环境感知信息的特点是复杂、繁多，该单元接收到来自认知信息获取单元接口的环境感知信息后，对环境感知信息执行筛选、提取与分类等预处理的功能。

认知信息表征单元，用于对预处理后的认知信息采用统一、齐全、规范和科学的数学表征来描述认知信息，形成可量化与可识别的离散环境情景集合。再对表征后的认知信息按照下述两种方法进行处理：

对于异构网络融合管理模块需要直接使用、又不需要存储的认知信息，通过认知信息管理模块与异构网络融合管理模块之间的接口进行传递，例如与用户动态变化的信道状况有关的认知信息。

对于需要存储或学习/推理的认知信息，通过该认知信息管理模块与智能管理模块之间的接口存放于后者的认知信息/知识库的多域认知信息矢量库或传递给智能学习管理单元。

本发明认知信息管理模块的上述各个单元是每个运营商分别独立设置的。当异构网络融合管理模块要在多运营商场景下实现网络规划与无线资源管理功能时，多个不同运营商的认知信息管理模块，可以通过设置的运营商之间接口为异构网络融合管理模块提供不同运营商的网络配置信息以及网络/小区的负载信息，避免或者降低网络间干扰，支持不同运营商之间用户的切换协商与执行。

智能管理模块，作为该网络系统的控制核心，由智能学习管理单元SLM(SmartLearning Management)和认知信息/知识库CIKB(Cognitive Information/KnowledgeBase)组成，用于为其它各个功能模块提供学习/推理机制与海量的认知数据信息，协助异构网络融合管理模块灵活、动态调整异构网络管理方案。其中各单元功能是：

认知信息/知识库，用于存储认知信息，为其他功能模块提供数据的查询和更新，并对存储的数据根据认知信息来源进行分类，还根据认知信息的使用范围、时间粒度或其他分类方法对其进行细致划分，以提高认知信息的辨识度，方便提取与存储。设有三部分：知识库、案例库和多域认知信息矢量库；其中，

知识库是存储知识工程中结构化，易操作，易利用，全面有组织的知识集群，用于求解某个或某些领域问题时，能够提供其中存储、组织、管理和使用的互相联系的知识片集合中的某种或多种学习方法，这些知识片至少包括与本领域相关的理论知识、事实数据，启发式知识与常识性知识等。

案例库是该知识库中单独存储的特殊部分，用于解决某些问题的方法或途径是肯定和必然时，本发明就将其作为特定问题的解决方法或途径而直接存储其中。智能学习/推理机制就只限于选用案例库中相关内容。

多域认知信息矢量库是由包括无线环境域、网络环境域、用户环境域与政策管理域的各种不同域的认知信息组成，相关信息例如地域特性、RAT接入、干扰等级、移动性、网络负载、网络能力和用户业务需求等。

相比于网络侧的认知信息/知识库，本发明终端侧的认知信息/知识库存储的数据量非常少，可以通过网络侧与终端侧接口可以协助终端侧的JRRM&SO单元以及RM单元作出决策。

智能学习管理单元用于完成两个功能：1是学习/推理有共性的认知信息，即多个功能单元完成决策时都要使用的认知信息，并通过模块内部接口将其存储于认知信息/知识库中；2是通过模块间的接口获知异构网络融合管理模块各单元(例如ASM、DNPM&SON或JRRM&SO)的需求，采用自身定义的学习/推理机制，指导其他单元完成智能决策。其他单元完成两种学习：基于知识的学习是根据当前获知的网络认知信息与以往的网络认知信息预测网络状态的变化并给出相应的解决方案，以便获得更完美的多域认知信息；基于案例的学习是在认知信息/知识库中找出与当前网络状态最为相似的案例，并将相关案例的决策信息作为当前网络的决策信息；因基于案例的学习取决于认知信息/知识库中的案例，故要存储海量案例。

异构网络融合管理模块，设有顺序连接的高级频谱管理单元ASM(AdvancedSpectrum Management)、动态网络规划管理和自组织网络单元DNPM&SON(Dynamic Network Planning Management & Self-Organizing Network)和联合无线资源管理&自优化单元JRRM&SO(Joint Radio Resource Management &Self-Optimization)，以及重构管理单元RM(Reconfiguration Management)；用于在智能管理模块的协助与控制下，完成对多个不同接入网并存的异构网络频谱管理、动态规划与自组织以及联合无线资源管理功能。该模块的各个单元的功能是：

高级频谱管理ASM单元，负责根据业务量的变化，利用与智能管理模块间的接口，通过智能学习管理单元的学习/推理机制和认知信息/知识库，在不同运营商的无线接入网RAT(Radio Access Technique)之间动态、灵活地进行频谱资源的重新分配。其主要功能是提供下述知识：频谱使用框架的频谱分配策略、有关主频谱分配和次级频谱分配的当前频谱分配的知识，有关多个运营商场景的可交易频带的知识，以及与其他运营商的ASM单元交易频带的能力。

动态网络规划管理&自组织网络DNPM&SON单元，通过内部接口获得来自ASM单元的网络频谱分配信息后，根据不同RATs的负载和从认知信息管理模块之间接口获得的不同区域的业务需求，利用与智能管理模块间的接口，根据智能学习管理单元提供的学习/推理机制和认知信息/知识库，完成包括覆盖评估、容量评估、频率规划和站址分布的网络智能规划与自组织管理，以便为网络提供中期或长期的重构行动决策。

联合无线资源管理&自优化JRRM&SO单元，用于通过内部接口获得来自DNPM&SON单元的网络规划和自组织信息后，利用与智能管理模块间的接口，根据智能学习管理单元提供的学习/推理机制和认知信息/知识库，完成异构RAT间的无线资源联合管理，其主要功能包括用户接入选择、邻近信息提供、QoS/带宽分配/接纳控制和提供移动性和资源管理指示；负责根据用户请求的业务类型特征、终端/网络的能力及其它因素控制用户接入；为用户在异构RAT覆盖环境下提供无缝的连接性；提供管理系统间切换的监测与判决过程，以实现更均衡的传输和负载分配；与各基站RAT的其它JRRM&SO单元协作，实现业务流更细粒度的分割和更灵活的调度。

重构管理RM单元，通过内部接口获得DNPM&SON单元和JRRM&SO单元的网络重构信息，负责发起网络侧的重构命令，并协调网元设备发起的重构命令。为了监管端到端的重构过程，该单元要支持交互和协商的信令逻辑；在发生域间切换时，还要完成一些必要的会话管理和移动性管理的上下文转换和翻译功能；设有网络重构管理N-RM(Network Reconfiguration Management)单元和终端重构管理T-RM(Terminal Reconfiguration Management)，其中，N-RM用于支持无线网络重构，将多种异构无线接入网RAN的公共功能进行抽象并封装，以支持基于公共IP核心网的统一管理和访问；并藉由与各RAN中的无线网络层交互，实现多接入网的上下文联合管理，为终端的重构过程提供快速的环境扫描、高效的软件下载和无缝的业务互通；支持包括Self-X业务信息管理、软件下载管理的功能。T-RM位于可重构移动终端中，除了完成重构信息管理、重构软件安装、策略决策执行等操作以外，还需要通过交互接口与网络侧的N-RM交互，以实现网络检测发现、协商选择、软件下载等重构过程。

本发明网络侧的各种模块是根据其实现的网络管理功能所涉及的范围而确定其所安装的网元位置，其中异构网络融合管理模块的ASM单元涉及运营商之间的频谱交易，故安置在核心网的下述网元：GSM系统的GPRS支持节点网关GGSN或移动交换中心网关GMSC，CDMA系统的GPRS支持节点网关GGSN或GPRS服务支持节点SGSN，以及LTE系统的分组数据网网关PDN-GW或服务网关/S-GW；完成接入网的规划管理功能的DNPM&SON单元设置于接入网中的网元：GSM系统的基站控制器BSC，CDMA系统的无线网络控制器RNC，以及LTE系统的演进型基站eNodeB；用于完成网络资源管理与自优化功能的JRRM&SO单元也设置于接入网的网元：GSM系统的基站控制器BSC或基站收发信机BTS，CDMA系统的RNC或NodeB，以及LTE系统的eNodeB，用于完成重构管理功能的RM单元设置于接入网的下述网元：BSC或BTS，RNC或NodeB，以及eNodeB。

智能管理模块中的各个功能单元用于指导异构网络融合管理模块中的功能单元完成智能决策，故必须同时设置于核心网和接入网中包括GSM系统的GGSN、GMSC、BSC和BTS，CDMA系统的GGSN、SGSN、RNC和NodeB、LTE系统的PDN-GW、S-GW和eNodeB的各个网元，以实现其功能。认知信息管理模块分别设置于不同系统的各种不同基站。

本发明终端侧的模块和单元设置于包括GSM、TD-SCDMA、WCDMA和LTE的各种移动通信系统的终端，其模块和单元的功能如下：重构管理单元RM用于完成包括重构信息管理、重构软件安装、策略决策执行的操作，还通过交互接口与网络侧的N-RM交互，以实现网络检测发现、协商选择、软件下载的各种重构过程；联合无线资源管理&自优化单元JRRM&SO协助网络侧的JRRM&SO单元实现终端接入选择功能，包括运营商选择、网络选择、无线接入技术选择以及小区选择；认知信息管理模块CIM执行与网络侧的单元或模块的相同功能；认知信息/知识库存储的数据量较少，用于通过网络侧与终端侧的交互接口协助终端侧的JRRM&SO单元以及RM模块作出决策。

本发明不同模块之间或每个模块内部都通过接口实现信息交互，共同完成相应的网络功能。因此，本发明有四种交互接口：运营商间交互接口、网络侧与终端侧交互接口、各个模块间交互接口和模块内部各个单元之间的交互接口。

以上所述仅为本发明实施例介绍而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。