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摘要：随着5G技术的发展，为满足物联网需求，光与无线融合网络成为5G的重要组网形式。由于业务的高度差异性与动态性，对于不同网络需求，须实现智能控制，并形成个性化服务。文章以光与无线融合智能控制需求为切入点，简单阐述融合网络须提高资源利用率，适应网络变化，优化用户体验，同时以此为基础构建光与无线融合网络智能控制架构，为相关工作者提供参考。
关键词：光与无线融合网络；业务调度；智能控制
Research on intelligent control of optical and wireless converged networks
Gao Yi
(Beijing Haijing Equipment Project Management Center,Beijing,100000)
Abstract:With the development of 5G technology,in order to meet the needs of the Internet of Things,optical and wireless fusion network has become an important form of 5G networking.As the business is highly different and dynamic,it is necessary to realize intelligent control and form personalized service for different network requirements.This paper takes the intelligent control demand of optical and wireless fusion as the starting point,and simply explains that the fusion network must improve the utilization rate of resources,adapt to the changes of the network,optimize the user experience.At the same time,based on this,the intelligent control architecture of optical and wireless fusion network is built to provide reference for related workers.Key words:optical and wireless fusion network;service scheduling;intelligent control
一、引言
在智能终端的发展背景下，全息投影、智慧城市等多样化应用方式使万物互联成为未来信息网络发展的新格局，并立足信息网络的新基建为社会经济高质量转型提供了有力支持。尤其是军事科技的发展要求人们寻找更大容量、更高频率的信息载体，加快信息传播速度。当下，越来越多的服务涉及实时网络配置与交互，以适应国防要求。以往，光与无线融合网络依赖于人员操作，缺乏及时性与灵活性，如今为提供5G服务、满足业务要求，必须实现融合网络的智能控制。
二、光与无线融合智能控制需求
随着网络技术的演进，诸多需求各异的业务应运而生，业务意图具有不确定性与多样化特征。面对新业务场景的网络管理需求及业务调度问题，要想以较少资源获得良好的服务质量，必须加强网络智能控制，为业务传输提供保障[1]。具体而言，光与无线融合网络需满足以下要求。
(一)提高资源利用率
网络资源存在成本高、容量不足等问题，面对多样化业务类型，不同厂商设备型号及密集业务需求会影响网络资源利用率，存在资源闲置浪费、虚占的情况，须合理调度业务，有效管理网络资源[2]。
(二)适应网络变化
未来的网络设计，不仅须适应5G及后5G时代接入海量终端及不同场景的更新迭代变化，全面考虑网络接入动态时变特性，而且须满足动态网络变化场景业务对宽带时延指标的需求，确保融合网络数据传输的可靠性。
(三)优化用户体验
面向用户多元化、个性化的业务需求，融合网络运营管理不能仅关注网络KPI、降低建设与维护网络的成本，还要在提高资产运营效益的同时，结合用户对网络质量、服务质量的要求，优化设计智能控制方案，以免出现网络堵塞的情况。
三、光与无线融合网络智能控制架构
(一)网络架构
分布式RRU接收射频信号通过光纤网络传输至BBU池，网络包括光网络域、无线网络域、BBU云计算域。光网络域从RRU至BBU，可实现BBU与RRU的互联，为网络业务提供低时延、高带宽的交换传输功能，利用WDM技术提高系统的可扩展性与灵活性。无线网络从UE至RRU，为用户终端设备提供无线接入服务。云化BBU池集中融合接入网计算资源，负责写作资源与基带处理，为用户提供云计算服务[3]。基于多波长RoF建立C-RAN网络架构，用户端设备利用无线接口连接RRU，模拟RoF光纤链路与云化BBU连接，RRU无线频率可为低波段射频，用于接入4G、5G，也可为高波段毫米波，用于接入5G热点毫米波。值得注意的是，毫米波存在高传播损耗特性，接入毫米波时须简化无线电接口，用于短距离5G通信部署。模拟RoF光前传为主要节点，相比数字化光前传，将射频前端功能与DAC/ADC转移至BBU，可简化RRU功能，将基带信号与MC层功能处理均转移至BBU，可有效降低硬件成本[4]。RRU负责转换光电信号、解码光基带与射频天线控制信息，无需处理其他高层信号。BBU生成RF信号，通过光纤前传传输至RRU，能通过光与无线共享资源技术，向RRU的UE提供资源，共享设施与资源，降低网络部署成本，为光与无线融合网络提供更多功能。其间，用户能够从一种无线接入技术，向另一种接入技术无缝切换。
(二)资源调度模块
为适应RoF多波长光前传网络介质传输需求，提出联合光与无线一体化调度资源方案，设计MAC控制机制。该方案由RRU、UE及BBU池内的中央控制器模块构成，中央控制器模块包括QoS映射器、资源调度器、缓存器及采集信息模块。根据缓冲状态/调度请求报告、SINR、QoS等信息，资源调度器分配带宽信息，传输调度信息至UE与RRU，接收信息后匹配信道，完成数据传输。调度流程见图2，确定RoF前传网络IRS调度流程。
图2一体化调度方案
在HRS调度中，以往在光域与无线中调度资源独立实施，代表数据经过RRU向ONU缓存区传输，且在ONU缓存区等待OLT、BBU完成UE无线域贷款与RRU光域贷款资源分配，完成数据传输。而在IRS一体化调度资源方案中，BBU资源分配可根据UE请求资源计算进行UE与RRU带宽资源分配，与HRS相比，IRS能够减少RRU与BBU的所需时延，提升光前传数据传输的透明度，无需缓存于RRU内，再加上没有传统光无线域与ONU队列缓存分配独立资源，因此可迅速传输业务数据。
(三)MAC层控制
在C-RAN网络架构中，RRU模块可实现电/光转换与光/电转换，继承BBU的中央控制器，可分配RRU之间波长资源分配、调度UE无线频谱资源、控制接入MAC。BBU与UE间的光前传链路仅拥有透明传输功能，因此无需RRU干预，但需要对LTE、MAC层功能和光接入网协议融合进行重新设计，保证RRU和BBU、UE和BBU之间光和无线资源的分配融合。MAC控制机制可分为以下两个阶段。
第一阶段为激活阶段，涉及RRU激活与识别，UE同步随机接入。由BBU周期性控制信道向RRU发送突发分组数据包。RRU接收分组数据包后，立即发送持续时间相同的短数据包进行响应，通知其存在，并结合解码信息了解初始数据波长，进而设置初始数据波。之后，BBU通过RRU空中接口向UE广播系统信息与同步信号，UE检测下行链路与同步信号，确定物理层标识，检索系统信息。UE随机接入与上行链路同步，PAP用于全部随机接入事件，特别是在UE尝试第一次接入网络时会由于UE尚未被分配传输数据资源而缺少通知资源请求信道，UE须先利用共享信道发送请求，获得上行同步，分配唯一标识符。
第二阶段为传输数据阶段，包括光与无线透明数据传输。由于资源一体化调度，BBU为RRU分配初始数据波长，完成UE上行/下行链路同步后，网络系统即可开始数据传输。在1个调度周期中，UE根据配置网络周期，使用比特向BUU发送调度请求，明确数据传输需求。该信令流程下，UE与BBU数据量传输大小为不同值，返回上行链路调度授权至UE，可完成响应。UE接收上行链路授权后，在恰当时间发送缓存报告至BBU。BBU接收UE时也无需求，进而计算RRU下UE带宽，并分配上行链路资源块，实施无冲突调度传输。此时，BBU根据RRU下UE的总业务需求，计算RRU波长带宽需求，采用轮询方式分配RRU充足波长资源。每个周期开始时，BBU将分配波长信息反馈至RRU，便于RRU调谐到对应波长。BBU还将调度信息及上行链路授权发送至UE，直至完成UE数据传输缓存，然后根据广播调度列表发送数据。
在进行数据传输与资源调度时，新业务数据能够进入UE缓存器，通过发送BSR请求至BBU来更新缓冲状态。并且，精确定时下，传输数据时UE能够同时发送数据和BSR，减少时延。调度周期接收则重新收集BSR，重复计算UE无线资源，分配波长至RRU。
(四)动态波长算法
根据智能调度机制，研究人员设计光与无线网络动态波长算法，考虑波长共享及负载均衡性能。RUU波长始终随带宽需求变化而变化。由于RRU波长调谐需要时间，不同波长的调谐时间不同，因此在算法设计中须考虑波长调谐开销，在不同波长上分配光域资源。各RRU业务不均衡会导致业务负载，需避免重负载、轻负载均采取相同波长传输数据。基于上述两点进行波长调度资源建模，参数包括波长数目、容量，调谐开销约束定义波长协调开销上
其中，Cb是波长调谐开销上限；Ob是综合开销上限；Lb是最大波长负载差上限；Cijk是波长从i调谐至j波长开销；Wtk是波长调谐权重系数；Tijk是第i个波长的负载；Wlk是业务负载权重系数。
该算法权衡负载均衡与协调开销两个因素，BBU每次将最小综合开销波长分配至RRU，牺牲部分负载均衡，以降低波长调谐开销。
四、仿真结果
为验证业务智能调度方案的有效性，研究人员选择网络资源利用率、业务阻塞率及平均响应时延为指标，进行仿真性能分析。仿真实验依托8个2.20GHz CPU内核的多核服务器进行测试，使用11个网络节点拓扑，对大量动态业务进行分析。其中，业务阻塞率是指网络未能达到数据处理器或节点的业务请求比例；网络资源利用率是某时刻使用网络带宽资源占总带宽资源的比例；平均响应时延是网络链路数据传播延迟与节点处理业务延迟情况。
结果表明，随着网络链路增加负载，带宽资源利用率呈上升趋势，网络反馈合理，性能优于传统方案。特别是在业务更新迭代时，网络剩余带宽资源难以满足高业务层级需求，会引入带宽需求。性能优化最大值超过0.9，阻塞率与调度时延会有所降低，可行性较高。
五、结语
5G场景下用户更注重配置的结果，而不是网络操作配置过程，为容纳5G各种服务、满足新型业务服务需求，明确光与无线融合网络发展方向变得尤为重要。因此，文章从网络架构、资源调度模块、MAC层控制、动态波长算法这几方面出发，构建光与无线融合的网络智能控制机制，实现业务精准调度，解决资源分配固化、静态的问题。
【参考文献】
[1]杨云涛.面向综合能源网络的融合通信系统的设计与应用[J].内蒙古电力技术,2022(02).
[2]谷志群,肖玉明,张佳玮,纪越峰.5G时代光与无线融合接入网及其关键技术研究进展[J].太原理工大学学报,2021(04).
[3]杨静,吴晓当,张若英,王汝言.边缘云增强光无线融合网络能效研究[J].华南理工大学学报(自然科学版),2020(10).
[4]秦攀科,刘涛,葛炳辉,汤永利,赵宗渠.基于OpenFlow的光与无线融合接入网控制架构[J].重庆邮电大学学报(自然科学版),2019(05).
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