摘要：在網(wǎng)絡(luò)向著高速化、寬帶化、泛在化發(fā)展的過程中，出現(xiàn)了多種多樣的無線通信系統(tǒng)，給網(wǎng)絡(luò)帶來了豐富的異構(gòu)性。然而異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)缺少互通機(jī)制，缺乏有效的協(xié)調(diào)，具有系統(tǒng)間的干擾、單一網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)提供能力有限、頻譜資源稀缺等問題，網(wǎng)絡(luò)資源利用率低下。為使網(wǎng)絡(luò)資源能夠高效使用，聯(lián)合資源管理必不可少。而傳統(tǒng)的集中式資源管理架構(gòu)不能滿足異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的需求，分布式基于多代理的網(wǎng)絡(luò)資源管理架構(gòu)將是未來異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合資源管理的主要形式。

關(guān)鍵詞：多代理系統(tǒng)；分布式聯(lián)合無線資源管理；異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)

未來的B3G或4G的無線接入技術(shù)將沿著多種網(wǎng)絡(luò)相互融和的方向發(fā)展，其融和的源動(dòng)力在于實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)資源的高效利用。為達(dá)到此目的，就需要各異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)能夠相互聯(lián)合地進(jìn)行資源管理。目前已提出的一些聯(lián)合資源管理方式多是基于集中式的資源管理架構(gòu)[1-2]，在這種管理框架下系統(tǒng)中有一個(gè)或是幾個(gè)核心的管理實(shí)體對(duì)所負(fù)責(zé)的管轄區(qū)域內(nèi)的無線資源進(jìn)行統(tǒng)一的管理。這種集中式資源管理架構(gòu)在傳統(tǒng)單一無線接入網(wǎng)絡(luò)中能很好的滿足資源管理需求，但已不再能滿足未來異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下資源管理方式的需求，未來的資源管理是以一種分布式的方式進(jìn)行[3]。本文借鑒了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的多代理系統(tǒng)[4]的思想設(shè)計(jì)了一種適用于未來分布式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的無線資源管理架構(gòu)[5]，分析了該多代理架構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 分布式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)無線資源管理架構(gòu)

未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢(shì)是以分布式的方式進(jìn)行融合，以分布式的方式進(jìn)行異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)資源管理對(duì)于傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)的集中式無線資源管理而言是一種革命性的挑戰(zhàn)。借鑒計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的分布式多代理系統(tǒng)，代理能夠依據(jù)周邊環(huán)境自動(dòng)調(diào)整自身的策略以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。設(shè)計(jì)時(shí)除了需要移植多代理系統(tǒng)這個(gè)最重要的特性外，還需要考慮以下兩個(gè)原則以獲得更廣泛的適用性。

(1) 本地化目標(biāo)

在分布式系統(tǒng)中，沒有集中的實(shí)體可以綜合衡量各網(wǎng)絡(luò)的能力并設(shè)定相應(yīng)目標(biāo)，因此分布式多代理資源管理架構(gòu)的每個(gè)代理僅能設(shè)定其網(wǎng)絡(luò)的資源管理目標(biāo)，全局目標(biāo)可以通過詳細(xì)設(shè)計(jì)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的各自目標(biāo)來實(shí)現(xiàn)。

同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)間的資源管理策略是相互影響的，某個(gè)網(wǎng)絡(luò)資源管理策略的變動(dòng)將影響其相鄰網(wǎng)絡(luò)資源管理策略的實(shí)施。例如，各網(wǎng)絡(luò)的代理通過調(diào)整各自網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)參數(shù)來指導(dǎo)用戶的接入行為，而該調(diào)整是基于鄰居網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息來調(diào)整本網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)參數(shù)的，當(dāng)某個(gè)網(wǎng)絡(luò)改變自己的運(yùn)營(yíng)策略時(shí)，相鄰網(wǎng)絡(luò)的代理將據(jù)此更新自己的運(yùn)營(yíng)參數(shù)以實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)定的資源管理目標(biāo)。

從這里也能看出各網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化的過程實(shí)際上也是多網(wǎng)絡(luò)相互博弈的過程，其最終的結(jié)果就是每個(gè)網(wǎng)絡(luò)依據(jù)其鄰居網(wǎng)絡(luò)提供的信息都不再能提升自己的目標(biāo)。

(2) 靈活的部署

首先，完成分布式資源管理的各代理還應(yīng)該有足夠的靈活性，使之能夠方便地?cái)U(kuò)展到各異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中；其次，代理的加載應(yīng)該不受具體的無線接入技術(shù)的限制；最后，代理的加載不應(yīng)修改已有網(wǎng)絡(luò)的硬件，只需要對(duì)軟件進(jìn)行適當(dāng)?shù)纳?jí)。

2 基于多代理系統(tǒng)的資源管理架構(gòu)

2.1 基本實(shí)體

基于多代理系統(tǒng)的聯(lián)合資源管理體系架構(gòu)如圖1所示，以WCDMA和WLAN網(wǎng)絡(luò)為例進(jìn)行說明。其中進(jìn)行聯(lián)合資源管理的核心實(shí)體是代理，負(fù)責(zé)將已有的或是未來的無線接入技術(shù)融入到多代理資源管理系統(tǒng)中。在多代理系統(tǒng)中，只有當(dāng)無線接入技術(shù)在地理位置上有重疊覆蓋的時(shí)候才需要部署代理。因此，只有在同一個(gè)重疊覆蓋范圍內(nèi)的多個(gè)代理具有對(duì)等關(guān)系。

代理是一個(gè)邏輯實(shí)體，在實(shí)現(xiàn)的時(shí)候它可以是一個(gè)獨(dú)立的服務(wù)器，也可以是集成到已有的一些管理實(shí)體如無線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)中。以WCDMA的商用部署為例，一個(gè)代理根據(jù)地理區(qū)域內(nèi)的業(yè)務(wù)量可以管轄一個(gè)或是多個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)(RNS)。在管理的粒度上，代理以小區(qū)為最小單位執(zhí)行宏觀的無線資源管理操作。

為了使代理的部署盡量靈活，在設(shè)計(jì)多代理系統(tǒng)時(shí)應(yīng)盡量避免對(duì)原有網(wǎng)絡(luò)做較大的修改。然而，代理需要和已有的無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，代理之間也需要交互信息，因此在代理和原有的資源管理協(xié)議棧之間增設(shè)了Hr接口，代理之間增設(shè)了Ha接口。通過這兩個(gè)新增接口，代理能夠收集到其下的無線接入網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息和其他相鄰網(wǎng)絡(luò)代理的狀態(tài)信息。因此可以這么說，代理的功能是位于控制平面的。

在多代理異構(gòu)無線資源管理體系架構(gòu)中，代理通過宏觀的資源控制來完成異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)間的聯(lián)合資源管理，這意味著代理并不會(huì)在相應(yīng)無線接入網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行諸如功率控制或是分組調(diào)度等的細(xì)粒度無線資源管理操作，而主要是集中在實(shí)現(xiàn)無線接入技術(shù)之間的負(fù)載均衡、頻譜資源調(diào)整等方面。

另外，代理是一個(gè)智能實(shí)體，它可以主動(dòng)搜索重疊小區(qū)并依據(jù)收集到的狀態(tài)信息決定是否需要觸發(fā)宏觀的無線資源管理。在執(zhí)行資源管理的情況下，代理需要綜合考慮本網(wǎng)絡(luò)和鄰居網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息。

多代理系統(tǒng)中的每個(gè)代理都嘗試最大化本網(wǎng)絡(luò)的既定目標(biāo)。同時(shí)，代理之間的相互合作可以實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的一些全局目標(biāo)。在更多的情況下可以達(dá)到一種全局次優(yōu)的結(jié)果，即在鄰居網(wǎng)絡(luò)所提供的狀態(tài)信息的基礎(chǔ)上，所有的代理都不能再提高他們各自的目標(biāo)值。

2.2 新增接口

多代理架構(gòu)新增了兩個(gè)接口，一個(gè)是連接代理和其下的具體無線接入技術(shù)相關(guān)的接入點(diǎn)間的Hr接口，另一個(gè)是代理之間的Ha接口。

Hr接口承載代理和其下的無線接入技術(shù)(RAT)之間所需要傳輸?shù)男畔?。通過這個(gè)接口，代理能夠收集無線網(wǎng)絡(luò)側(cè)相關(guān)的信息，包括資源相關(guān)的信息和網(wǎng)絡(luò)性能相關(guān)的信息。Ha接口承載代理之間的網(wǎng)間資源調(diào)整信息以及各自的代理所代理的無線網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息。該接口是一個(gè)邏輯接口，在實(shí)現(xiàn)時(shí)兩個(gè)代理可以通過Internet進(jìn)行互連。

2.3 工作流程

多代理系統(tǒng)的基本工作流程如圖2所示。以下是流程的簡(jiǎn)要說明：

代理基于門限觸發(fā)或者是基于時(shí)間觸發(fā)從其管理的無線網(wǎng)絡(luò)收集網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息并和鄰居網(wǎng)絡(luò)交互狀態(tài)信息(如圖2中的步驟1和步驟2)。一旦觸發(fā)調(diào)控，代理可以決定進(jìn)入調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行參數(shù)階段(如圖2中的步驟3)。

代理調(diào)整本網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以提高既定的目標(biāo)值，并將調(diào)整后的參數(shù)傳遞給鄰居代理(圖2中的步驟3和步驟4)。在收到初始代理的調(diào)整結(jié)果后，鄰居代理也會(huì)執(zhí)行類似的調(diào)整過程，并將調(diào)整后的結(jié)果回送給初始的代理。

這一過程一直持續(xù)到所有的代理都不能在依據(jù)鄰居網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整結(jié)果來改變自己的目標(biāo)時(shí)結(jié)束。在完成調(diào)整后，代理將調(diào)整結(jié)果傳送到下面的無線接入網(wǎng)絡(luò)(圖2中的步驟5)。

當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)收到新的參數(shù)信息后，無線網(wǎng)絡(luò)會(huì)在其覆蓋范圍內(nèi)廣播這些新的參數(shù)(圖2中步驟6)。

用戶終端依據(jù)廣播信息來執(zhí)行接入行為(圖2中步驟7)。同時(shí)，代理還應(yīng)該一直監(jiān)視無線網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)并且在必要的情況下重新調(diào)整網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)參數(shù)(圖2中步驟8)。

可以看出，該基于多代理系統(tǒng)的聯(lián)合無線資源管理架構(gòu)是通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)整參數(shù)以影響用戶的接入行為進(jìn)而達(dá)到資源分配的目的，是一種間接資源管理控制的方法。而已有的集中式聯(lián)合無線資源管理則是單個(gè)集中管理實(shí)體負(fù)責(zé)收集所有的相關(guān)信息，然后負(fù)責(zé)統(tǒng)一計(jì)算出資源分配結(jié)果并以此來指導(dǎo)用戶的接入，是一種直接資源分配的方法。

3 代理功能劃分

為了更好的支持所述的多代理系統(tǒng)的功能以及工作機(jī)制流程，同時(shí)體現(xiàn)代理的智能控制性，可以將代理劃分為3層：觀測(cè)層、反應(yīng)層和記憶層，如圖3所示。

3.1 觀測(cè)層

該層主要負(fù)責(zé)以下兩個(gè)功能。一個(gè)是收集網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，包括從所管理的無線網(wǎng)絡(luò)收集信息和從相鄰網(wǎng)絡(luò)代理收集信息。另一個(gè)功能是判斷是否需要將所收集的狀態(tài)信息報(bào)告給上層，判斷準(zhǔn)則可以是基于特定門限或是基于一定的時(shí)間周期。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，在觀測(cè)層中有兩個(gè)功能模塊，分別是無線觀測(cè)模塊和協(xié)作觀測(cè)模塊。

無線觀測(cè)模塊通過Hr接口從所控制的無線網(wǎng)絡(luò)收集狀態(tài)信息并且自動(dòng)判斷是否有必要向上層報(bào)告。在無線觀測(cè)模塊內(nèi)部，上層配置了一組觸發(fā)門限，例如最大負(fù)載、最大時(shí)延、最大呼叫阻塞率等。一旦任何一個(gè)統(tǒng)計(jì)信息超過對(duì)應(yīng)的門限，無線觀測(cè)模塊就會(huì)把對(duì)應(yīng)的狀態(tài)信息報(bào)告給上層。除此以外，還有一種是定時(shí)上報(bào)給上層。這種好處是可以使上層的信息可以得到及時(shí)的更新。在另一個(gè)傳輸方向上，無線觀測(cè)模塊還將上層更新的狀態(tài)信息通過Hr接口傳送給下面所管理的無線接入網(wǎng)絡(luò)。下面的無線接入網(wǎng)路收到更新的狀態(tài)信息后，會(huì)在所在的覆蓋區(qū)域內(nèi)進(jìn)行廣播以輔助移動(dòng)終端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接入選擇。

協(xié)作觀測(cè)模塊類似于無線觀測(cè)模塊，也收集狀態(tài)信息并向上層報(bào)告。區(qū)別在于協(xié)作觀測(cè)模塊通過Ha接口收集鄰居網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息。特別地，協(xié)作觀測(cè)模塊必須具有能夠發(fā)現(xiàn)鄰居代理的能力，因?yàn)檫@是收集信息的先決條件。

3.2 反應(yīng)層

反應(yīng)層是代理的核心部分，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)參數(shù)、設(shè)置觸發(fā)門限以及和記憶層進(jìn)行交互。

控制模塊的第一個(gè)任務(wù)是調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)參數(shù)。依據(jù)從觀測(cè)層上報(bào)來的無線網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息和鄰網(wǎng)的狀態(tài)信息，控制模塊調(diào)整本網(wǎng)的狀態(tài)信息以提升自己的既定目標(biāo)。在這里注意的是本網(wǎng)的代理只能調(diào)整本網(wǎng)的狀態(tài)信息而不能調(diào)整鄰居網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息。

控制模塊的第二個(gè)任務(wù)是設(shè)定觀測(cè)層的觸發(fā)門限。觸發(fā)門限和無線環(huán)境相關(guān)并且隨時(shí)間的改變而變化。這些觸發(fā)門限一般存儲(chǔ)在記憶層中并且能夠由反應(yīng)層自動(dòng)的設(shè)置。

控制模塊的第三個(gè)任務(wù)是將調(diào)整結(jié)果傳送給記憶層。對(duì)于每個(gè)成功的調(diào)整結(jié)果，控制模塊會(huì)將該網(wǎng)絡(luò)此時(shí)的狀態(tài)信息傳送到記憶層。但遇到類似的情況時(shí)，控制模塊可以直接從記憶層獲得調(diào)控結(jié)果而不需要重新依據(jù)既定目標(biāo)來計(jì)算調(diào)整結(jié)果。

3.3 記憶層

記憶層是代理智能的體現(xiàn)。對(duì)于相似的無線網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)參數(shù)的輸入，代理不必每次都啟動(dòng)調(diào)控算法來進(jìn)行宏觀的調(diào)控，記憶層可以通過將以往的調(diào)控策略直接傳遞到控制模塊，控制模塊可以利用已有的調(diào)控策略來進(jìn)行宏觀調(diào)控。這樣做法的好處是可以提高調(diào)控的速度。

4 多代理系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域

WWRF對(duì)于未來無線世界的描繪是“到2017年，7萬億個(gè)無線設(shè)備將為70億人提供服務(wù)[6]”。面對(duì)如此眾多的無線設(shè)備，由專人進(jìn)行事無巨細(xì)的管理和控制是不現(xiàn)實(shí)同時(shí)也是低效的。因此，未來異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)資源管理的研究重點(diǎn)是考慮網(wǎng)絡(luò)控制管理的分布式自主化趨勢(shì)。這就需要采用基于多代理的網(wǎng)絡(luò)資源管理架構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)能夠在需要時(shí)根據(jù)環(huán)境變化自發(fā)調(diào)整自己的行為，最大程度地自配置、自調(diào)整和自優(yōu)化。

基于所提出的多代理分布式聯(lián)合無線資源管理架構(gòu)，文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種非合作分布式網(wǎng)絡(luò)資源分配算法。其中，分布于各異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的代理負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況，以最大化網(wǎng)絡(luò)收益為目的實(shí)時(shí)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)接入?yún)?shù)，終端用戶則通過該參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)選擇。通過這種代理對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的宏觀控制，一方面終端用戶能根據(jù)各自的業(yè)務(wù)偏好選擇網(wǎng)絡(luò)，另一方面網(wǎng)絡(luò)則能最大化其網(wǎng)絡(luò)資源使用率同時(shí)最大化網(wǎng)絡(luò)收益。

多代理系統(tǒng)也可被用來進(jìn)行異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中動(dòng)態(tài)頻譜資源管理的實(shí)施。文獻(xiàn)[8]借鑒了博弈理論中的無限期討價(jià)還價(jià)理論，以最大化頻譜資源使用率為目的，采用多代理結(jié)構(gòu)由各異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的代理通過預(yù)測(cè)本網(wǎng)內(nèi)的頻譜使用情況做出頻譜的租賃決定。通過動(dòng)態(tài)頻譜交易機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)頻譜資源的使用率得到了極大的提升，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)收益也有所提高。

此外，為進(jìn)一步達(dá)到網(wǎng)絡(luò)資源管理的自主化目標(biāo)，基于策略的資源管理理念將和基于多代理的資源管理部署方式相結(jié)合[9]，共同完成未來異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合資源管理的目標(biāo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)與之相匹配的聯(lián)合無線資源管理架構(gòu)。本文提出基于多代理結(jié)構(gòu)的分布式聯(lián)合無線資源管理架構(gòu)，旨在通過引入代理來融合各種異構(gòu)的無線接入技術(shù)。各代理分布式地收集本網(wǎng)和鄰居網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息并依據(jù)收集來的信息調(diào)整本網(wǎng)的狀態(tài)參數(shù)。通過代理之間相互交互調(diào)控結(jié)果，可以使得該宏觀的調(diào)整結(jié)果滿足所有網(wǎng)絡(luò)的需求。最后，通過對(duì)未來異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源管理的趨勢(shì)分析，提出了采用多代理架構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域。

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收稿日期：2007-11-15

作者簡(jiǎn)介

陳杰，北京郵電大學(xué)無線新技術(shù)實(shí)驗(yàn)室在讀博士研究生。目前的研究方向是未來異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)無線資源管理。

馮志勇，北京郵電大學(xué)副教授，碩士研究生導(dǎo)師。目前主要研究?jī)?nèi)容包括認(rèn)知無線電、無線資源管理、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合與協(xié)同工作、端到端重構(gòu)技術(shù)、IMS技術(shù)、復(fù)雜無線系統(tǒng)的控制與管理體系。發(fā)表論文近 30 篇，申請(qǐng)發(fā)明專利10項(xiàng)，出版著作3本。

張平，北京郵電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，北京郵電大學(xué)無線新技術(shù)研究所(WTI)所長(zhǎng)、中國(guó)C3G總體組專家成員、國(guó)家“863”未來移動(dòng)通信FuTURE計(jì)劃項(xiàng)目總體組成員、國(guó)際無線研究論壇(WWRF)副主席及其愿景委員會(huì)成員、中國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部第三代移動(dòng)通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)專家組成員。研究方向主要集中在3G和B3G無線通信理論和技術(shù)的研究方面。出版專著5本，申請(qǐng)專利38項(xiàng)，在國(guó)際國(guó)內(nèi)重要刊物上發(fā)表論文252余篇。