（通信与信息系统专业论文）异构无线网络中基于sinr的多属性垂直切换算法研究.pdf

南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人学位论文及涉及相关资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 南京邮电大学学位论文使用授权声明 本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子文档；允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索；可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位 论文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。论文的公布（包括刊登） 授权南京邮电大学研究生院（筹）办理。 涉密学位论文在解密后适用本授权书。 研究生签名：_ 日期：_ 研究生签名：_ 导师签名：_ 日期：_ 南南 京京 邮邮 电电 大大 学学 硕士学位论文摘要硕士学位论文摘要 学科、专业：工 学 通信与信息系统 研 究 方 向：移动通信与无线技术 作 者：2009 级研究生 韩宁 指 导 教 师：刘胜美副教授 题 目：异构无线网络中基于 sinr 的多属性垂直切换算法研究 英 文 题 目：research of sinr based multi-attribute algorithm about vertical handoff in heterogeneous wireless networks 主 题 词：异构网络;垂直切换;sinr; ahp; mew keywords: research of sinr based multi-attribute algorithm about vertical handoff in heterogeneous wireless networks i 摘要摘要 随着移动通信的快速发展和新的宽带无线接入技术的不断涌现，人们逐渐意识到多种无 线接入技术并存、互补是未来移动通信系统的主要特征。没有一种网络能同时满足高带宽、 低时延、广覆盖等要求，异构网络的融合是未来网络发展的必然趋势。垂直切换是各种异构 无线网络能否成功融合的关键，而切换判决算法又是垂直切换中最重要的部分,本文对异构 网络垂直切换算法进行了重点研究。未来异构无线网络必须能够保证用户的 qos,为了保证 用户的 qos,垂直切换算法必须是 qos 感知的，但是传统的基于 rss 的垂直切换算法难以做 到这一点。此外，异构无线网络中的垂直切换判决问题还是一个多属性决策问题。 针对以上两方面问题,本文在基于 sinr 的垂直切换算法(csvh)的基础上提出了一种基 于 sinr 的多属性垂直切换算法(samew)，在网络选择过程中该算法综合考虑了 sinr、网 络可用带宽、通信代价、网络利用率等网络属性。samew 算法的基本思想是：首先利用层 次分析法中的特征向量法求得网络属性的主观权重，然后再利用信息熵法对主观权重进行修 正，最后利用 mew 算法进行网络选择。仿真结果证明本文所提出的 samew 算法提高了 系统吞吐量，降低了系统掉话率，能够根据业务特点综合考虑各属性间关系，使系统性能获 得优化。 关键词关键词：异构网络;垂直切换;sinr; ahp; mew ii abstract with the rapid development of mobile communication and new broadband wireless access technologies continue to emerge, people gradually realize that the various wireless access technologies coexist and complement each other is the main features of future mobile communication systems. neither of the networks meets high bandwidth, low latency, wide coverage and other requirements. consequently, it is an inevitable trend that wireless networks will integrate with each other. vertical handoff is the key to success of the integration of heterogeneous wireless networks. handoff algorithm is the most important part of the vertical handoff process. vertical handoff algorithm for heterogeneous networks is focused in this thesis. next generation heterogeneous wireless networks offer the end users with assurance of qos inside each access network as well as during vertical handoff between them. for guaranteed qos, the vertical handoff algorithm must be qos aware, which cannot be achieved with the use of traditional rss as the vertical handoff criteria. and vertical handoff in next generation heterogeneous wireless networks is a multi-dimension issue. in this article we propose a sinr based vertical handoff algorithm(samew)，which uses sinr, user required bandwidth, user traffic cost and utilization from participating access networks to make handoff decisions. the weight relations of decision elements are determined by eigenvalue method of ahp and entropy method. finally, mew algorithm is used to make decision according. simulation results confirm that the new samew algorithm improves the system performance in terms of higher throughput and lower dropping probability, and can achieve excellent performance according to the characteristics of the traffic by considering the relations of multiple attributions synthetically. keykeywordswords: heterogeneous networks; vertical handoff; sinr; ahp; mew 南京邮电大学硕士研究生学位论文 缩略语 iii 缩略语缩略语索引索引 list of abbreviations 缩略语 英文全称 中文全称 3g the 3nd generation mobile communication system 第三代移动通信系统 cdma2000 code division multiple access 2000 码分多址2000 wcdma wideband code division multiple access 宽带码分多址 td-scdma time division-synchronous code division multiple access 时分同步码分多址 itu international telecommunications union 国际电信联盟 3gpp the 3rd generation partnership project 第三代合作伙伴计划 umts universal mobile telecommunications system 通用移动通信系统 hsdpa high speed downlink packet access 高速下行分组接入 wimax worldwide interoperability for microwave access 全球微波互联接入 qos quality of service 服务质量 rss received signal strength 接收信号强度 sinr signal to interference plus noise ratio 信号与干扰加噪声比 wpan wireless personal area network 无线个域网 ap access point 接入节点 bs base station 基站 mimo multiple-input multiple-out-put 多输入多输出 aas adaptive antenna system 自适应天线系统 amc adaptive modulation and coding 自适应调制编码 harq hybrid automatic repeat request 混合自动重传请求 mac medium access control 介质访问控制 hlr home location register 归属位置寄存器 la location area 位置区 pa paging area 寻呼区 南京邮电大学硕士研究生学位论文 缩略语 iv aaa authentication、authorization、accounting 认证、授权、记账 wman wireless metropolitan area network 无线城域网 fdma frequency division multiple access 频分多址 tdma time division multiple access 时分多址 ncho network controlled handoff 网络控制切换 wwan wireless wide area network 无线广域网 msc mobile switching center 移动交换中心 rssi received signal strength indication 接收的信号强度指示 mcho mobile controlled handoff 移动终端控制的切换 tacs total access communications system 全接入通信系统 gsm global system for mobile communications 全球移动通信系统 amps advanced mobile phone system 高级移动电话系统 lss location service server 位置服务服务器 maho mobile assisted handoff 移动终端辅助的切换 cci co-channel interference 同信道干扰 msctp mobile stream control transmission protocol 移动流控制传输协议 mip mobile ip 移动ip sip session initial protocol 会话初始协议 madm multiple attribute decision making 多属性判决 saw simple additive weighting 乘数指数加权法 mew multiplicative exponent weighting 乘数指数加权法 topsis technique for order preference by similarity to ideal solution 接近理想方案的序数 偏好方法 ahp analytic hierarchy process 层次分析法 gra grey relational analysis 灰色关联分析法 grc grey relational coefficient 灰色关联系数 csvh combined sinr based vertical handoff algorithm 基于联合sinr的垂 直切换算法 samew mew algorithm based on sinr and ahp 基于sinr和ahp的 mew算法 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 v 目录目录 摘要 . i abstract . ii 缩略语索引 . iii 目录 . v 第一章 绪论 . 1 1.1 课题研究背景与意义 . 1 1.2 课题研究基础 . 1 1.2.1 异构无线网络的融合 . 1 1.2.2 移动性管理技术 . 1 1.2.3 异构网络切换技术 . 2 1.3 本文的主要工作 . 2 1.4 本文的结构安排 . 3 第二章 异构无线网络中有关切换技术的研究. 4 2.1 异构无线网络的融合 . 4 2.1.1 无线通信的发展方向 . 4 2.1.2 宽带无线接入技术的演进 . 5 2.1.3 多种异构网络的并存 . 6 2.1.4 异构无线融合网络的特征 . 8 2.2 移动性管理技术 . 9 2.2.1 异构网络中的移动性管理 . 9 2.2.2 移动性管理的主要功能 . 10 2.3 异构无线网络中切换技术的研究 . 13 2.3.1 网络中切换的分类 . 13 2.3.2 切换相关控制方式 . 15 2.3.3 垂直切换的三个阶段 . 16 2.3.4 垂直切换的期望特性 . 19 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 vi 2.4 本章小结 . 21 第三章 异构无线网络中垂直切换算法研究. 22 3.1 基于 rss 的算法. 22 3.2 收益函数方法 . 23 3.3 多属性决策判决算法 . 23 3.3.1 简单加权法和乘法指数加权法 . 24 3.3.2 接近理想方案的序数偏好方法 . 25 3.3.3 层次分析法 . 27 3.3.4 灰色关联分析法 . 29 3.4 本章小结 . 30 第四章 基于 sinr 的多属性垂直切换算法 . 31 4.1 基于 sinr 的垂直切换算法 . 31 4.1.1 等效带宽 . 31 4.1.2 基于 sinr 的垂直切换判决策略 . 35 4.2 基于 sinr 的多属性垂直切换算法 . 37 4.2.1 接入选择模型 . 38 4.2.2 垂直切换算法 . 39 4.2.3 仿真结果与分析 . 44 4.3 本章小结 . 50 第五章 结束语 . 51 5.1 论文工作总结 . 51 5.2 未来工作展望 . 51 参考文献 . 53 致谢 . 58 攻读硕士学位期间发表的论文 . 59 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题研究背景与意义课题研究背景与意义 随着移动通信技术的快速发展和新的宽带无线接入技术的不断涌现，未来通信网络正朝 着高性能、高带宽、个人化、智能化、综合化和异构性的方向不断演进。在未来的通信网络 中，不同的无线通信技术，如移动通信 2g/3g，以 ieee 802 系列标准为代表的无线宽带接 入技术以及 bluetooth、umb 等为用户提供了各种不同的服务。例如，ieee 802.11 能够在一 些热点地区如校园、餐馆等提供高速高带宽的互联网接入；而蜂窝网络如 gprs、 wcdma、cdma2000 等则在更广域范围内提供相对较低的传输速率。用户对业务类型的 需求不同，对信息通信和通信质量的需求也因此呈现出多样化的特点，使得各种无线接入技 术都有了应用和发展的空间，各种无线接入网络交叠覆盖，形成异构这种特殊的无线网络环 境。在未来多种无线接入网络环境下,垂直切换与用户移动性、会话的连续以及网络的无缝 覆盖范围有着直接密切的关系，因此垂直切换是未来各种无线接入网络能否成功互联融合的 关键。 1.2 课题研究基础课题研究基础 在异构网络相互融合的环境下，移动性管理是满足用户服务质量和异构网络无缝覆盖的 重要保证。切换管理是移动性管理中重要组成部分，它和位置管理一起完成移动节点的移动 性管理。接下来本小节将对异构无线网络融合、移动性管理技术和切换技术等论文中的基础 知识，做些简单的说明。 1.2.1 异构无线网络的融合 移动通信和宽带无线接入技术的未来发展方向表明，未来移动通信系统发展并不是建设 一个崭新的把所有功能都包含在内的单一网络。未来的通信网络将是多种无线技术并存、多 种网络相互融合，组成具有多种网络接入方式、能够提供多种业务并且能够保证服务质量要 求的异构无线网络的联合体。科学技术的发展日新月异，在未来异构网络环境中，将会出现 新的无线接入标准，同时已有的无线接入标准也将得到不断的完善与改进。多种无线接入网 络的互联融合是未来网络发展的必然趋势。 1.2.2 移动性管理技术 随着互联网的发展和各种无线手持终端的广泛使用，通信的移动性越来越重要,并受到 人们的极大关注。无缝移动是指当用户或终端移动时，能随时改变其网络接入点儿不中断正 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 2 在进行的会话服务。为保证实现无缝移动，核心网应提供用户鉴权、授权、位置更新、切换 等功能，这些功能的协调工作称之为移动性管理。 传统的移动性一般指终端的移动性，随着技术的不断发展，用户的需求逐渐增多，使移 动性也具有了多重含义。目前，泛在、异构通信网络所支持的移动不仅指终端移动，用户真 正对移动性的要求还包括个人移动性、会话移动性、业务移动性等，节点的移动也不限于只 在移动通信网中。包括各种无线接入技术在内的泛在的、异构的无线网络环境移将逐渐扩展 为移动性管理技术的研究环境。由于研究环境的改变,移动性管理技术的研究面临着前所未 有的挑战。 1.2.3 异构网络切换技术 切换管理是移动性管理的重要组成部分，是用户跨越异构网络移动时会话连续性的保 证。切换过程主要分为两类，同构网络切换和异构网络切换。异构网络切换包含不同无线接 入技术之间和不同管理域之间的切换。未来的异构网络环境中，由于多种无线接入技术共存 并且每一种无线接入技术的应用场景也各不相同，切换的种类相比以往也增加了很多，同时 也具有了一些新的特征。例如，允许用户主动地发起切换以满足个人喜好和 qos 需求，同 时切换过程允许用户参与控制等。 切换算法、切换控制方式以及切换过程中的链路转、资源分配换等功能是切换研究的主 要内容。并且为了实现无缝切换，降低切换对业务的影响，切换过程中应该尽量减少切换时 延和丢包。 1.3 本文的主要工作本文的主要工作 本文的主要工作包括以下几个方面： 1、对未来通信网络发展的趋势，异构无线融合网络的主要特征做了简单介绍与说明。 对异构无线融合网络的移动性管理技术和切换技术进行了相关研究，其中对异构网络垂直切 换做了重点研究并阅读了大量相关的文献。 2、对现有的异构网络垂直切换算法做了介绍与说明，并指出了一些垂直切换算法的不 足。其中对多属性垂直切换算法和基于 sinr 的垂直切换算法做了详细的介绍与分析,为新 算法的提出做好了准备。 3、在基于 sinr 的垂直切换算法和多属性决策方法的基础上，提出了基于 sinr 的多属 性垂直切换算法(samew) 。首先在点对点模型下，对终端性能进行了仿真分析，然后在 wcdma 和 wimax 网络互联的模型下,对系统进行了仿真并对 csvh 算法和 samew 算法 在系统吞吐量、系统掉话率方面的不同表现做了分析。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 3 1.4 本文的结构安排本文的结构安排 本章后续部分安排如下： 第二章介绍了无线通信的两个主要发展方向,以移动通信和无线宽带接入为代表的多种 无线接入网络的互联融合以及融合网络中移动性管理和垂直切换。其中对于异构网络垂直切 换做了比较详细的介绍与说明。 第三章介绍了一些异构无线网络中的垂直切换算法，其中对于多属性垂直切换算法做了 详细的介绍。介绍算法的过程中，同时指出了算法中的某些不足。 第四章给出了作者提出的基于 sinr 和层次分析法的 mew 算法，利用 matlb 对本文 所提出的算法进行了仿真和性能分析。 第五章对全文进行了总结，并提出了对未来研究工作的一些想法。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 异构无线网络中有关切换技术的研究 4 第二章第二章 异构无线网络中有关切换技术的研究异构无线网络中有关切换技术的研究 本章首先简要介绍了未来通信系统的发展方向、特征，然后对异构网络移动性管理技术 做了简单说明。切换管理是移动性管理的重要组成部分，也是各种无线接入网络互联融合的 关键。异构网络的切换主要是指垂直切换，本章节对垂直切换的特征、切换控制方式和期望 性能做了详细的说明与分析。 2.1 异构无线网络的融合异构无线网络的融合 未来移动通信系统中,多种无线接入技术并存、互补，在不同的无线接入环境下为共同 用户提供无缝服务。科学技术的发展日新月异，各种无线接入技术层出不穷，从技术标准角 度看，无线通信的发展道路主要有两条：一条是国际电信联盟(itu)和第三代合作伙伴计划 (3gpp/3gpp2)引领的移动通信系统，经历 1g、2g 过渡，从 3g 走向 e3g，再走向 b3g/4g；另一条是以 ieee 802 系列标准为代表的无线宽带接入技术，从无线个人域网 (wpan)到无线局域网(wlan)、无线城域网(wman)，再到无线广域网(wwan)1。 2.1.1 无线通信的发展方向 迈入新世纪以来，各种技术（微电子、半导体、集成电路、计算机技术等）都得到了巨 大发展，与这些技术有着直接密切关系的移动通信相应的也取得了极大发展。从最初的模拟 通信，到第二代数字通信，发展到了现在的第三带宽带多媒体系统(3g)。第一代移动通信系 统(1g)是指最初的模拟、仅限语音的蜂窝电话标准，制定于上世纪 80 年代，如欧洲的 tacs 和美国的 amps。1g 系统是基于模拟传输和频分多址，由于无线资源的限制，不能进行移 动通信的长途漫游，只能是一种区域性的移动通信系统。此外，1g 有很多不足之处，如业 务量小、通话质量不高、制式太多、互不兼容、没有加密安全差、不能提供数据业务和不 能提供自动漫游等。第二代移动通信系统(2g)起源于 90 年代初期。相比于 1g，2g 能够提 供更高的网络容量，改善了话音质量和保密性，并为用户提供无缝的国际漫游，其主要代表 是 gsm 和窄带 cdma 数字系统。2g 系统经过多年的发展得到不断的完善，但是随着用户 数的不断增加个网络的不断建设，其可使用的频率资源已越发难以满足需求。同时语言质量 难以让人满意，数据速率更是达不到人们的期望，根本无法满足人们对多媒体业务的需求。 第三代移动通信系统(3g)，简单地说就是提供覆盖全球的宽带多媒体服务的新一代移动 通信。3g 系统的主要特点是能够实现高速数据传输和宽带多媒体服务，可以提供第一、二 代移动通信系统不能提供的各种多媒体业务，例如视频浏览、可视电话、电话会议、电子商 务、电视图像、慢速图像、高速数据、高精度定位等。如 wcdma 系统在用户静止、高速 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 异构无线网络中有关切换技术的研究 5 移动的环境下分别最大支持 2mbps 、144kbps 的数据传输速率。目前 3g 系统的有四大 标准，分别是中国主导的 td-scdma、美国主导 cdma2000、wimax 和欧洲主导的 wcdma。 下一代移动通信网络(4g) 集成多功能的宽带移动通信系统，是宽带接入 ip 系统, 数据 速率从 2mb/s 提高到 100mb/s, 支持包括移动宽带接入、无线接入、高速流媒体业务和交互 式广播，能够在任何地方任何时间为任何人提供宽带接入互联网（包括卫星通信和平流层通 信）服务。 2.1.2 宽带无线接入技术的演进 在过去的几十年中，移动通信技术的发展取得了巨大成功，与此同时以 ieee 802 系列 标准为代表的无线宽带接入技术也在不断的发展与演进，并逐渐改变着人们对电信业务的传 统观念。经过 20 多年的发展，ieee 802 系列标准已形成了一个庞大的标准体系，特别是迈 入 21 世纪以来，在宽带无线接入标准方面取得了世界的关注。ieee 802 系列标准中涉及到 无线接入技术的标准有 iee e802.11x、ieee 802.15x、ieee 802.16x、ieee 802.20 x。从 ieee 802.15 无线个域网 wpan 到 ieee 802.22 无线区域网 wran 的发展过程，无线接入范 围的逐渐扩大并形成了完整的无线宽带接入标准。 wlan 是 20 世纪 90 年代无线通信技术和计算机网络技术相结合的产物。它使用射 频、红外线或微波等技术，通过设备互连在一定范围内为用户提供通信服务。wlan 建网 灵活、通信方便，易于进行网络规划和调整、易于扩展和故障定位。无线局域网在能够给网 络用户带来便捷和实用的同时，在传输速率和安全性等方面也存在着一些缺陷。 无线 mesh(wmn)由 mesh routers（路由器）和 mesh clients（客户端）组成，其中 mesh routers 构成骨干网络，并和有线的 internet 网相连接，负责为 mesh clients 提供多跳的无线 internet 连接。无线 mesh 网络（无线网状网络）也称为“多跳(multi-hop)”网络，是一种新 型无线网络，相对传统无线网络而言具有更先进的无线网络技术。以往的无线网络中的拓扑 结构多是点到点或点到多点，并且一般会选择一个点做中心节，例如无线局域网(wlan)中 的接入点(ap)、移动通信网络中的基站(bs)等。中心节点通过有线网络与骨干网络相接，提 供对骨干网的访问。同时通过单跳无线链路各个无线用户终端相连，提供到无线网络的连 接。