张祖凡，易印雪

(重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆400065)

0 引言

为了满足用户对无处不在的高速无线服务的需求，未来宽带无线移动通信网络必将朝着异构、协同、高速、绿色的方向发展，将广泛采用包括多天线技术、分布式天线技术、中继技术及协作等关键技术在内的多种新技术，以极大提高网络的容量、覆盖能力和传输性能。传统的蜂窝网络结构将很难以合理的比特成本同时满足高速与高覆盖率的要求。因此，未来无线网络必须对传统蜂窝结构进行改进，并融合新的非蜂窝结构系统。实质上，传统蜂窝结构的改变就是要改变无线接入网部分，这一方面是无线电波覆盖的问题，同时也是不同网络架构和无线资源利用的问题。

分层网络最早应用于蜂窝移动中以解决热点覆盖问题，随着技术的发展，分层网络与异构网络已紧密地结合在一起，即考虑蜂窝网络、多种短距离通信网络的一种分层异构组网模式或网络架构［1］，这也是当前宽带无线移动通信网的主流组网架构之一，它在提高网络接入能力方面起到了积极的作用。但这种网络架构实现的不足主要体现在异构中的不同网络基站或节点间未能有效协作以及系统的信道资源分配较为单一等方面。而实际上异构网络的有效融合是当前无线宽带通信网络的发展趋势，目前从融合的角度上看，大多集中在数据链路层及上层的研究，例如垂直切换［2-5］、移动性管理［6-8］等。然而，研究如何实现其无线物理接入方面的融合比较少见，而这一问题实质上是未来宽带无线移动网络首要解决的问题。

近年来，针对短距离通信提出的一种移动云架构［9-11］，其核心思想是期望用户间短距离范围内［12-13］不通过基站而是通过其他某种方式(例如中继)进行通信，其中，主要涉及到一定范围内特定用户组成的云，目前重点研究的是通过这种云结构在视频方面共享与传输问题［14-16］，以及一些高层协议控制［17-19］等。其中，与无线接入部分相关的研究主要集中在协作网络编码传输等方面。已有研究机构和大学对这种网络架构的组网方式［9，13，20］、协作网络编码传输［15，17，21］、高层控制协议［11，18，22］等方面展开研究，以期望实现这一云结构下的视频共享与传输，从而满足未来高速视频传输的需要。但其中涉及到的物理层用户间无线接入问题的研究少见。

为此，为进一步提高新一代宽带无线移动通信接入的灵活有效、可靠能力，本文以分层异构网为基础，提出一种新型分层异构移动云接入网的架构体系，利用多天线增强实现覆盖控制、利用协作实现蜂窝与短距离通信异构接入的分层及用户移动云的形成，实现一种新型的、灵活有效、可靠的无线接入方式，进而满足未来宽带无线移动通信网络的总体发展。

1 分层异构移动云接入架构

为了分析方便，首先对提出的分层异构移动云接入架构进行简单说明。如图1所示，分层异构移动云以异构间网络垂直分层、同构网络水平形成移动云为核心思想。从接入网络架构上看，该架构本质是将通常的异构网络进行分层，同时考虑同构网络间的协作。从技术层面上看，该架构以可扩展的分层异构移动云接入网架构体系替代现有众多分离研究的接入网架构，支持不同普适业务和网络架构的融合。

图1 分层异构移动云接入架构Fig.1 Layered heterogeneous mobile clouds access architecture

由图1可以看到，提出的分层异构移动云架构包含两层意思:①处于不同层的用户形成分层移动云;②处于同一分组中的用户形成分组动态移动云，也即异构移动云。分层异构移动云内的所有移动节点都可工作在蜂窝移动通信网，并且还可工作在它们自己的本地网络—短距离通信网。系统中的一部分用户能够接收并缓存来自NodeB的数据流，然后通过短距离通信网跟同一个分组云中的其他用户共享。因此，从接入的角度看，系统将呈现的是一个两层通信网络，即蜂窝和短距离通信网络。

具体地，分层异构移动云中完整的通信过程可以作如下简单描述。NodeB根据某一驱动因素对数据进行分组，然后将分组后的数据块传输给云头。同时，为了提高通信服务质量，云头在接收数据后相互协作重传，以减少向NodeB请求数据重传的次数。另外，在接收到所有的数据分块后，每个云头将接收到的完整数据流与同一分组云中的其他移动节点分享。此外，如果云内用户在协作传输后没有接收到完整的数据流，则可以利用动态移动云间的协作传输。

2 分层异构移动云的接入控制与实现机制

分层异构移动云中，不同的移动节点处于不同的分组移动云内，每个分组云中的移动节点根据某一规则共同选出一个唯一且性能最好的移动节点作为云头 (cloud header，CH)，CH负责所有分层云级别的任务，并对接收到的数据进行处理以找到合适的分组用户完成资源共享。移动云中数据的传输对移动节点的移动性没有限制，即所有的移动节点(包括CH)可以随时加入或者退出分组云网络，形成动态移动云。

2.1 动态移动云的形成

为了便于讨论，以图1所示的分层异构移动云架构为例进行说明，动态移动云的形成算法包括:首先，对系统中的所有移动节点进行分组，形成分组移动云;再根据一定的准则从每个分组云中选出具有最优性能的移动节点作为每个分组云的领导节点，即云头。

假定分层异构移动云系统一共有K个用户，并形成J个动态分组移动云，则整个系统中对应就有J(J≤K)个云头，被选择出来的J个云头形成分层云的第一层(图1中的CH1，CH2，…，CHJ);NodeB将分组后的数据块传输给第一层的云头。被选择出来的云头接收并缓存来自NodeB的数据流，然后利用协作传输技术跟同一分组云中的其他云成员共享。

动态移动云形成的算法是:首先，将系统中的所有移动节点进行分组;然后，在形成的每个分组云中选择一个性能最优的移动节点作为云头，被选择作为云头的移动节点负责将从NodeB接收到的数据流共享给同一分组云中的其他云成员。动态移动云的形成与云头选择算法流程图，如图2所示。

上述动态移动云形成算法可以描述为如下步骤。1)随机选择J个移动节点作为初始云头。

2)交替进行移动节点 (mobile node，MN)分组和云头选择步骤，直到选择结果保持稳定。

MN分组:对于给定的云头C，如果节点MNmi与CH cj(其中i表示MN对应的序号，j表示云头对应的序号，即对应的分组云序号)通信，可以获得最高能量效率，则将移动节点MNmi分到CHcj所在的分组云j中，可得

CH选择:对于上述的分组结果，当且仅当MNmi∈Gj可以使分组云j中的所有移动节点通信的总能量效率最高时被选择作为云头，即

3)对于给定的J，计算系统总能量效率 ，并记录结果。

4)选择不同的 J，重复步骤1)—3)，其中1≤J≤K。

图2 动态云形成算法流程图Fig.2 Algorithm flow chart of dynamic mobile cloud formation

5)选择具有最高系统能量效率的分组结果，并将对应的J作为最优云头数。

以上步骤交替进行，直到分组结果和云头选择结果保持不变，算法停止。从图2中可以看到，动态移动云形成算法通过迭代循环，得到的分组结果可以使系统获得高能量效率。而且系统会动态检测，实时更新，一旦系统中的分组云内有节点加入/退出移动云，则重新执行动态云的形成算法。

一旦建立了动态移动云，移动节点间就能互相共享资源，包括无线资源—频谱，内容—图片、声音、视频，或者是物理资源—计算能力、大容量存储器、传感器等。移动云中的资源共享不仅适用于组播或广播场景，同样适用于信息流的单播传输。传统的数据传输场景中，移动节点必须从与覆盖网连接的接口接收需要的全部信息。

而移动云场景中，需要共享的数据流首先被分组，然后被分块传送给云头，也即信息流的各个数据块被传送给云头。在接收到各个数据分块后，云头间则通过协作传输来恢复数据通信过程中丢失的数据块，以得到完整的数据流。然后由云头向各个分组云中的云成员共享，分组移动云内的数据共享同样采用数据分组方案。与传统的数据传输方案相比，由于移动云成员间的短距离链路在数据交换时可获得更高的数据传输速率，所以移动云中的数据共享方案所消耗的总能量会更小。

2.2 云头间协作重传

云头在从NodeB接收数据流时，如果出现数据包错误/丢失，首先考虑通过短距离链路进行云头间的协作重传，如果云头间的协作重传不能恢复数据包错误，才考虑向NodeB请求重传。

协作重传是一种基于分层异构移动云中的短距离通信模式。首先，系统中第一层的移动节点—云头形成一个协作重传云，云头间可以通过短距离链路协作传输数据。短距离链路的数据速率比任何一条蜂窝链路都高，而且短距离链路的功率消耗更低，因为发射机与接收机之间的距离更短，同时这也为短距离链路间通信的可靠性提供了保证。

云头间协作重传过程如图3所示，假定存在如图3所示数据包的丢失，显然CH3丢失的数据包至少可以通过2种方式重传，一是通过NodeB;二是通过CH3附近的其他云头，如CH1重传。从能量消耗方面考虑，我们首先考虑通过CH3附近的其他云头，如CH1重传来实现丢失数据包的恢复。CH3与CH1之间通过短距离链路完成数据的有效可靠传输，实现云头间的协作重传。

图3 云头间协作重传示意图Fig.3 Diagram of cooperative retransmission among cloud hearders

云头间的协作重传充分利用了短距离链路上数据传输可靠的特点，在同一分层云中的移动节点可以通过短距离链路在短时间内交换或者重传丢失的数据包。这样不但可以节省能量消耗，而且还能减少数据包错误或者丢失恢复的时延，所以短距离通信可以增加蜂窝链路总的吞吐量。

2.3 云内协作传输

云内协作传输过程如图4所示，云头首先通过短距离链路将分组后的数据块传输给分组云中的所有成员，然后各个云成员通过短距离链路相互协作，与云内其他成员交换自己所接收到的数据。这样，同一分组云中的每个非CH成员都可以通过短距离链路从其他云成员接收到剩余的数据块。在可靠的短距离无线链路上进行数据交换，每个移动节点仅需要很低的接收功率就可以获得其余的数据块。

假设移动节点通过短距离无线链路建立一个协作云网络。云内协作传输过程中，每个CH都可以通过蜂窝链路接收来自NodeB的数据流，通过CH间的协作重传保证CH间数据传输的可靠性，然后由CH给同一分组云中的其他MN共享。假设每个分组云中除CH外还有n个MN。传统的蜂窝网络中，组播通信需要NodeB传输以相同数据速率编码的组播数据流给同一分组中的用户。与传统组播通信不同的是，移动云中提供的协作传输服务是这样的:首先，用NL表示一定时间内传输给同一分组云内的n个用户的总数据长度。然后，将数据NL分为一系列的数据段{NL1，…，NLi，…，NLn}，CH 分别传输给对应的MNi。此外，假设j≠i时，MNi对应的数据NLi传输不会对MNj对应的数据NLj传输引起干扰，这是因为分配给传输数据NL的频率资源可以被分为更小的子信道，而且每个子信道被分给分组云中对应的用户。

图4 云内协作传输示意图Fig.4 Diagram of cooperative transmission for intra-cloud

因此，协作传输的第1步中，CH通过短距离链路将数据NLi传输给同一分组云中对应的MNi。然后，为了与云中的其他用户共享，每个MNi广播自己接收到的数据NLi。这里，假设传输数据NLi的广播信道被分别分配给每个MNi。经过第2步的协作传输以后，云中的所有移动节点都可以接收到数据块集合{NL1，…，NLi，…，NLn}，然后重建总的数据NL。共享NLi的第2步可以通过云中的用户协作来实现。

移动云中的协作传输算法优势之一就是在完成数据协作传输的同时，可以有效利用蜂窝链路资源。传统的组播通信中需要以同样的数据速率进行编码，而且编码的数据速率是根据具有最差信道条件的干扰用户来决定，这样信道条件好的用户就不能支持更高的数据传输速率。动态移动云协作传输通过引入2步连续的数据传输来解决这个问题:①来自CH的数据接收(见图4a);②MN间的数据共享(见图4b)。

上述分析研究说明，提出的分层异构移动云架构，既可实现分组云内的数据共享，也可进行多个分组移动云之间的数据共享。分层异构移动云架构的核心就是资源共享，为了更深入地阐述分层异构移动云中的资源共享思想，作如下描述。

1)系统中的第1层云由各个分组云中根据某一准则选出的具有最优性能的移动节点—云头组成，第2层云由各个分组云中除云头外的移动节点构成。云头既要负责从NodeB接收数据，同时还要与同一分组云中的云成员通过短距离链路完成数据通信。第2层云中的成员首先需要完成与各自云头间的数据分组传输，然后同一分组云中的各个云成员通过短距离链路互相协作传输，当然也可以与其他分组云中的成员进行短距离通信。

2)分组动态移动云则是由第1层的云头与第2层中相应的用户组成。云头的选择以及分组动态云的形成遵循一定的规则:各个分组云中的所有云成员与待选云头通信时，整个分组云的通信总能量消耗一定是最小的;分组云内进行数据传输时，云成员与各自对应的云头间的通信能量消耗一定比与其他云头的通信能量消耗都低。

3)为了实现动态移动云中高速数据的共享，可结合数据分组技术与协作传输技术。首先每个动态移动云内的云头负责给同一云内的云成员传输分组数据，云中成员在接收到云头的数据分组后，通过短距离链路交换缺失的数据分组。云成员在进行数据交换时结合协作对数据进行处理，通过协作传输降低能量消耗，提高能量效率。

实际上，网络编码［23］也可应用于提出的分层异构移动云架构中。云内协作传输时，结合网络编码技术，可以进一步提高系统吞吐量、能量效率等性能指标。显然，多个动态移动云间也可以结合协作传输与网络编码技术完成数据传输。动态移动云内进行协作传输与网络编码后，如果云内成员并未能完全接收到整个数据流，也可通过云间的协作传输与网络编码技术来实现缺失数据包的交换，因为各个动态移动云中的成员间是可以进行短距离通信的。

综上分析，提出的分层异构移动云接入架构以可扩展的分层异构移动云接入网架构体系替代现有众多分离研究的接入网架构，可适应不同业务与网络架构的接入网架构理论体系，从根本上突破传统无线网络的接入能力瓶颈，为未来网络信息传输架构设计和研究提供可靠的理论基础和依据。

3 值得进一步研究的若干问题

本文针对当前接入网架构体系的不足，揭示当前接入网架构体系结构与不同业务类型、无线场景的本质特征和机制成因，提出了分层异构移动云接入网架构体系，并在此基础上，研究设计用户移动云形成的算法，算法设计首先分析研究移动云形成的驱动因素—能量效率，然后研究用户加入/离开不同移动云(即为动态移动云)的控制机制和云头选择算法。基于提出的分层异构移动云接入架构，还有若干可以进一步研究的方向如下。

1)在分层异构移动云中引入协作网络编码理论［24-25］。研究分层异构接入网中不同无线信道场景、业务特性下网络编码的新特性，并在此基础上形成多层接入的多源、多中继转发的协作网络编码理论，尤其是云内用户间的多用户间协作网络编码，以及云间协作，其中，重点研究不同层可能存在的云层间协作网络编码方案。另外，由于网络编码与数据链路资源密切相关，并影响到能效和频谱利用率，需要研究分层移动云协作网络编码，从而丰富和扩展协作网络编码理论。

2)基于新型接入网架构的干扰协调和避免机制［26-27］。联合分析空间信号与数据链路资源调度两方面的问题，研究干扰协调和避免，形成较为完备的新型接入网架构的干扰协调和避免的理论机制。

3)多天线增强［28］的新型接入网控制理论。充分研究接入网络架构、不同信道场景下的多天线环境感知、自适应动态模式切换等特点，特别是多维多天线的空间辐射特性，研究多天线增强下的分层异构移动云接入网体系架构的实现及其控制理论，包括多天线在俯仰面和水平面的波束自适应分割与控制算法，从而创立分层异构移动云接入网架构理论体系。

4)视频流的高速共享［29］。基于提出的分层异构移动云架构，结合视频传输的相关特性，分析研究分层异构移动云中视频流共享，特别是非实时视频流的共享。并在此基础上建立高速可靠的视频流共享体系。

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