（通信与信息系统专业论文）异构无线网络的垂直切换技术研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 未来无线网络将呈现泛在和异构的特点，当移动节点在异构无线网络 环境中移动时，为了获得最合适的服务，需要在不同的网络间进行切换。 这种不同接入技术间的切换被称为垂直切换。垂直切换过程分为网络发 现、切换判决和切换执行三个阶段。采用什么切换执行协议以及如何综合 考虑多方面的因素进行切换判决，已经成为目前的研究热点。 研究现状以及存在的不足。在切换执行协议方面，存在支持垂直切换 的相关协议。同时，i e e e8 0 2 2 1 标准中提出介质独立切换( m i h ) 的概念， 能优化移动节点在不同类型的接入介质问的垂直切换。然而，现有的研究 只针对两种异构无线网络部署的场景，没有充分考虑多样化的无线接入网 络；在切换判决方面，将垂直切换判决问题看作多属性决策问题，提出了 一些不同的算法。但是，这些算法只能为单个用户选择一个合适的目标网 络，不能使得整个网络资源得到充分利用。同时，现有的研究没有将能够 为小区边缘用户提高速率的中继站引入到异构无线网络环境中。 针对上述不足之处做了以下改进： 在切换执行协议方面，将现有的w l a n 和u m t s 两种异构网络部 署的场景扩展成w l a n 、w i m a x 和u m t s 三种异构网络部署的场 景，基于m i h 对这三种异构网络部署场景下的垂直切换进行仿真 建模，并对切换时延、丢包数目和网络使用效率进行性能评估。仿 真结果表明对于移动节点从带宽小的网络切换到带宽大的网络的 情况，切换时延很小，且切换期间没有丢包；对于移动节点从带宽 大的网络切换到带宽小的网络的情况，链路即将断开( l g d ) 方式 下的切换时延比链路断开( l d ) 方式下的小，且丢包数目较少。 l g d 切换方式下的网络使用效率随着功率强度门限系数的增大而 降低。 在切换判决方面，将中继站引入到异构无线网络环境中，综合考虑 移动节点的电池寿命和接入网的负载两方面因素，运用多目标最优 化方法进行切换判决，使得整个网络资源达到最优化。并通过仿真 对所有移动节点的剩余电池寿命总和以及各个接入网的负载变化 情况进行评估，仿真结果表明多目标最优化方法能使这两方面的性 能达到较好的水平。 关键词：异构网络，垂直切换，介质独立切换，多目标最优化 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t w i r e l e s sn e t w o r k sw i l lb eu b i q u i t o u sa n dh e t e r o g e n e o u si nt h ef u t u r e w h e nam o b i l en o d em o v e si nt h e h e t e r o g e n e o u s w i r e l e s sn e t w o r k s e n v i r o n m e n t ，i tn e e d st oh a n d o v e rb e t w e e nd i f f e r e n tn e t w o r k si no r d e rt o a c q u i r et h em o s ts u i t a b l es e r v i c e t h eh a n d o v e rb e t w e e nd if f e r e n t a c c e s s t e c h n o l o g i e si sc a l l e dv e r t i c a lh a n d o v e r t h ep r o c e d u r eo fv e r t i c a lh a n d o v e r c o n s i s t so ft h r e es t a g e sw h i c ha r en e t w o r k sd i s c o v e r y , h a n d o v e rd e c i s i o na n d h a n d o v e re x e c u t i o n ，r e s p e c t i v e l y w h i c hh a n d o v e re x e c u t i o n p r o t o c o l i s a d o p t e da n dh o wt od oh a n d o v e rd e c i s i o nb a s e do nm u l t i p l ef a c t o r sh a v e b e c o m et h eh o t s p o t si nt h er e s e a r c ho fv e r t i c a lh a n d o v e r s o m es h o r t a g e se x i s ti nt h ec u r r e n tr e s e a r c ho fv e r t i c a lh a n d o v e r a sf o r h a n d o v e re x e c u t i o np r o t o c o l ，t h e r ea r er e l e v a n tp r o t o c o l st h a tc a ns u p p o r t v e r t i c a lh a n d o v e r m o r e o v e r ，t h ec o n c e p tc a l l e dm e d i ai n d e p e n d e n th a n d o v e r ( m i h ) i sp r o p o s e db yi e e e8 0 2 21 s t a n d a r d i tc a no p t i m i z eh a n d o v e r b e t w e e nh e t e r o g e n e o u sa c c e s sm e d i a t h es c e n a r i oo ft w oh e t e r o g e n e o u s w i r e l e s sn e t w o r k si sc o n s i d e r e di ne x i s t i n gr e s e a r c hw h i l et h eh e t e r o g e n e o u s c h a r a c t e r i s t i co fm u l t i p l ew i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k si s n e g l e c t e d a s t o h a n d o v e rd e c i s i o n ，t h ep r o b l e mo fv e r t i c a lh a n d o f fd e c i s i o ni sr e g a r d e da st h e p r o b l e mo fm u l t i p l ea t t r i b u t ed e c i s i o nm a k i n g d i f f e r e n td e c i s i o na l g o r i t h m s h a v eb e e np r e s e n t e d h o w e v e r ，t h e s ed e c i s i o na l g o r i t h m sc a nc h o o s et h em o s t a p p r o p r i a t eo b je c t i v en e t w o r k sf o rs i n g l e u s e ro n l yr e s u l t i n gt ot h ew h o l e n e t w o r k sr e s o u r c ec a nn o tb eu t i l i z e da d e q u a t e l y i na d d i t i o n ，r e l a ys t a t i o n w h i c hc a ni n c r e a s er a t ef o rt h eu s e r sw h oa r el o c a t e di nt h ee d g eo fac e l li s n o td e p l o y e di nt h eh e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e t w o r k se n v i r o n m e n t a i m i n ga tt h ea b o v es h o r t a g e s ，t h ef o l l o w i n gi m p r o v e m e n t sa r ed o n e ： a sf o rh a n d o v e re x e c u t i o np r o t o c o l ，t h i sp a p e re x t e n d st h es c e n a r i oo f w l a na n du m t st ot h es c e n a r i oo fw l a n ，w i m a xa n du m t s s i m u l a t i o nm o d e lo fv e r t i c a lh a n d o v e rb a s e do nm i hi sb u i l ti n e x t e n d e dh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s h a n d o v e rd e l a y , t h en u m b e ro f p a c k e tl o s sa n dn e t w o r k su s a g ee f f i c i e n c yi se v a l u a t e db ys i m u l a t i o n ， r e s p e c t i v e l y s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tw h e nm o b i l en o d e h a n d o v e r sf r o mt h en e t w o r k sw h o s eb a n d w i d t hi sl o wt ot h en e t w o r k s i i 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t w h o s eb a n d w i d t hi sh i g h ，h a n d o v e rd e l a yi sq u i t es h o r ta n dt h e r ei sn o p a c k e tl o s s w h e nm o b i l en o d eh a n d o v e r sf r o mt h en e t w o r k sw h o s e b a n d w i d t hi sh i g ht ot h en e t w o r k sw h o s eb a n d w i d t hi sl o w ，l i n kg o i n g d o w n ( l g d ) m o d eh a ss h o r t e rh a n d o v e rd e l a ya n dl e s sp a c k e tl o s s t h a nl i n kd o w n ( l d ) m o d e f o rl g dm o d e ，t h en e t w o r k su s a g e e f f i c i e n c y d e c r e a s e sw h e nt h ep o w e rl e v e lt h r e s h o l dc o e f f i c i e n t i n c r e a s e sg r a d u a l l y a st o h a n d o v e r d e c i s i o n ，r e l a y s t a t i o ni s d e p l o y e d i nt h e h e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e t w o r k se n v i r o n m e n t b a t t e r yl i f e t i m eo f m o b i l en o d ea n dl o a do fa c c e s sn e t w o r k s a r ec o n s i d e r e d c o m p r e h e n s i v e l y m u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nm e t h o di su s e dt od o h a n d o v e rd e c i s i o ns oa st oo p t i m i z et h ew h o l en e t w o r k sr e s o u r c e t o t a lr e m a i n i n gb a t t e r yl i f eo fa l lt h em o b i l en o d e sa n dl o a dv a r i a t i o n o fe a c ha c c e s sn e t w o r k sa r ee v a l u a t e db ys i m u l a t i o n s i m u l a t i o n r e s u l t si n d i c a t et h a tm u l t i o b je c t i v eo p t i m i z a t i o nm e t h o dc a na t t a i na b e t t e rl e v e li nt e r m so ft h ea b o v et w op e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s ，v e r t i c a lh a n d o v e r ，m e d i ai n d e p e n d e n t h a n d o v e r ，m u l t i - o b je c t i v eo p t i m i z a t i o n i i i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 未来的无线网络将呈现泛在和异构的特点。由于用户需求的多样化， 使得各种无线接入网共同存在。比如，i e e e8 0 2 1 1 无线局域网( w l a n w i r e l e s sl o c a ln e t w o r k s ) 、通用分组无线业务( g p r s ：g e n e r a lp a c k e tr a d i o s e r v i c e ) 、i e e e8 0 2 16w i m a x ( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v e a c c e s s ) 和通用移动通信系统( u m t s ：u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) 等，形成异构的无线网络环境。它们具有各自的特点：w l a n 能 提供较高的带宽，但覆盖范围较小；g p r s 、u m t s 等蜂窝网的覆盖范围大， 但所提供的带宽较低。另外，业务和终端也具有多样化的特点：在业务方 面，可支持语音、数据、多媒体实时业务等；在终端方面，用户可以使用 手机、笔记本和个人数字助理( p d a ：p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ) 等各种 终端设备。 因此，在这样的异构无线网络环境中，当用户在不同的无线接入网间 移动时，为了获得最合适的服务，就有可能需要进行切换，这种切换不同 于同种网络内的水平切换。由于不同网络的接入点所采用的接入技术的差 异，称不同接入技术之间的切换为垂直切换【卜2 1 。在切换过程中，为了保 证通信的连续性，需要垂直切换技术的支持。 1 2 研究现状 国内外对异构无线网络垂直切换的研究主要集中在支持垂直切换的 协议和垂直切换判决算法两大方面。 目前网络层、传输层和应用层都存在支持垂直切换的相关协议。互联 网工程任务组( i e t f - i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 提出的移动i p v 6 t 3 1 ( m i p v 6 ：m o b i l ei p v 6 ) 是网络层的垂直切换协议，由于m i p v 6 存在较大 的切换时延，它的相关扩展协议被提出，比如：快速移动i p v 6 4 】( f m i p v 6 ： f a s tm o b i l ei p v 6 ) 、层次移动i p v 6 别( h m i p v 6 ：h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p v 6 ) 和快速层次移动i p v 6 o j ( f h m i p v 6 ：f a s th a n d o v e rf o rh i e r a r c h i c a lm o b i l e i p v 6 ) ，以解决较大的切换时延问题。移动流控制传输协议【7 】( m s c t p ： m o b i l es t r e a mc o n t r o lt r a n s m i s s i o np r o t o c 0 1 ) 是传输层的垂直切换协议， 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 它在流控制传输协议1 8 】( s c t p ：s t r e a mc o n t r o lt r a n s m i s s i o np r o t o c 0 1 ) 中 增加了动态地址重配置( d a r ：d y n a m i ca d d r e s sr e c o n n g u r a t i o n ) 功能， 成为传输层上支持移动性的协议。但是，m s c t p 不能提供位置管理功能， 需要与m i p v 6 等技术结合以提供位置管理功能。i e t f 提出的会话初始协 议【9 1 ( s i p ：s e s s i o ni n i t i a lp r o t o c 0 1 ) 是应用层的垂直切换协议。然而，应 用层感知底层变化需要更多的时延，不能满足对实时性要求高的业务的需 求。 相关文献对m i p v 6 及其相关扩展协议进行了改进，或者提出了评估性 能的分析框架。文献【1 0 】提出了一个称为s m i p 的新的无缝切换体系结 构，此体系结构建立在层次方法和快速切换机制基础上，同时联合了基于 纯软切换的运动追踪技术的新切换算法。通过数学分析和仿真，文章讨论 提出的体系结构能提供无丢包的切换，具有与使用8 0 2 1 1 接入技术的l 2 切换时延类似的时延。更重要的是，在网络的无线链路部分，s - m i p 与著 名的快速层次m i p 机制具有一样的信令开销。文献 1 1 提出了完整的垂直 切换系统的设计、实施和评估，此系统叫做o m n i c o n ，通过对现有的移动 i p 实施引入一个简单的扩展，它能使得移动节点在w l a n 和g p r s 之间 进行自动切换。文章讨论了提出的垂直切换系统的设计问题，包括由于网 络地址转换以及w l a n 与g p r s 链路特性的不同而引起的连接建立问题。 对o m n i c o n 的详细性能评估证明了它具有在w l a n 和g p r s 之间的切换 能力，且具有低的切换时延和接近零的丢包。文献 1 2 】通过优化地址配置 时期，对现有的框架提出新的改进，使切换时延进一步降低。提出的框架 基于f h m i p v 6 和优化重复地址检测。文献 1 3 】提出一个评估基于i p v 6 的 移动性管理协议性能的分析框架。此提议不是说明哪个协议更好，而是研 究各种网络参数对不同协议性能的影响，来启发做出判决。 同时，i e e e8 0 2 2 1 标准中提出介质独立切换 1 4 - 1 6 1 ( m i h ：m e d i a i n d e p e n d e n th a n d o v e r ) 概念，其思想是在低层( 二层及以下) 和高层( 三 层及以上) 之间引入一个新的协议层一一m i h 功能，通过与不同低层间的 相互作用，以及与远端m i h 功能的通信，来屏蔽介质异构性，使高层无须 了解网络低层的差异，简化了网络的操作和管理，从而优化了移动节点在 不同类型的接入介质问的切换。 相关文献对m i h 进行了研究。文献 1 7 对i e e e8 0 2 2 1 规范的当前状 态进行了概述。文献 18 】聚焦使用m i h 消息的切换框架，通过引入新消息， 使框架适用于异构网络。此外，文章还通过数值分析，在切换时延方面对 提出的m i h 框架进行评估。文献 1 9 1 提出一个增强的切换机制，此机制对 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 定义在i e e e8 0 2 2 1 里的介质独立切换服务具有新添加的原语和参数。提 出的机制通过消除路由器发现时间，减小m i p v 6 的切换时延。文献 2 0 的 焦点是移动期间对服务需求的满足以及出现的i e e e8 0 2 2 1 标准如何使无 缝技术间切换成为可能。在先前工作和一个无缝移动性众所周知的例子基 础上，提出主要的无缝移动性原理，并被用作对i e e e8 0 2 2 1 标准潜力进 行进一步评价的基础，以满足技术间切换期间对最小化中断的应用的要 求。文献 2 1 】讨论i e e e8 0 2 1 1w l a n 和i e e e8 0 2 1 6w m a n 的融合，主 要关注切换管理方面。首先描述了体系结构、未来的应用场景、移动网络 及相关的研究问题，然后介绍i e e e8 0 2 2 1 ，最后讨论m i h 框架是如何帮 助切换管理的。文献 2 2 提出一个实现i e e e8 0 2 2 lm i h 标准的框架，并 通过8 0 2 1 1 和8 0 2 1 6 e 的融合试验来评估它的性能。试验结果表明使用 m i h 服务能减少切换期间的数据包丢失，并能缩短a p 发现时间，同时降 低了移动节点的能量消耗。文献 2 3 评估了一个新的i e e e8 0 2 2 1 标准提供 的移动性支持机制和算法的性能，建立u m t s 和i e e e8 0 2 11 的异构网络 场景模型并作研究。讨论了两个方向的切换，对i e e e8 0 2 1l 网络，考虑 应用m i hl i n kg o i n gd o w n 事件。此事件被用来优化从i e e e8 0 2 1 1 网络 到u m t s 网络的切换。 此外，垂直切换协议需要同垂直切换判决算法结合。在切换过程中， 当候选网络有多个时，就需要从多个候选网络中选出一个最合适的目标网 络。针对异构网络环境下不能仅依靠接收信号强度( r s s ：r e c e i v e ds i g n a l s t r e n g t h ) 作为判决标准的特点，把垂直切换判决问题看作多属性决策问题， 决策中涉及到多种因素，比如：r s s 、网络的q o s 参数、花费以及相关 链路质量参数等。如何根据这些因素进行综合判决，现已提出了一些不同 的方法，主要分为以下几种类型： 基于多属性决策理论的方法。文献 2 ，2 4 2 6 提出简单加权法( s a w ： s i m p l e a d d i t i v ew e i g h t i n g ) 、乘法指数加权法( m e w ：m u l t i p l i c a t i v e e x p o n e n tw e i g h t i n g ) 、接近理想方案的序数偏好方法( t o p s i s ：t e c h n i q u e f o ro r d e rp r e f e r e n c eb ys i m i l a r i t yt oi d e a ls o l u t i o n ) 、层次分析法( a h p ： a n a l y t i c a lh i e r a r c h i c a lp r o c e s s ) 、灰度关联分析法( g r a ：g r e yr e l a t i o n a l a n a l y s i s ) 。同时，文献 2 7 对s a w 、m e w 、t o p s i s 和g r a 进行了性能 对比。 基于模糊逻辑( f u z z yl o g i c ) 的方法。在文献 2 8 】中，模糊逻辑被用 来处理一些指标的不精确信息，提出了一个可行的方法，并通过例子来验 证。在文献【2 9 】中，针对下一代无线网络，提出基于模糊逻辑的联合呼叫 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 接入控制机制。 基于策略( p o l i c y ) 的方法。文献 3 0 】描述了一个基于策略的切换系统， 允许用户在任何时候表达什么是“最好”无线网络的策略，并在网络特性 和花费、性能与能量消耗等动态因素之间进行权衡。文献 3 1 利用基于策 略的管理提出一个智能的呼叫接入控制和移动性管理架构。文献 3 2 提出 基于策略的多域q o s 管理架构，并在不同的u m t s 与w l a n 互联场景中 证明提出架构的可行性。 基于马尔可夫判决过程【3 列( m d p ：m a r k o vd e c i s i o np r o c e s s ) 的方法。 文献的目标是决定在什么情况下执行垂直切换，将此问题用马尔可夫判决 过程来建模，最大化每个连接期盼的收益。 基于介质独立切换( m i h ) 的方法。文献 3 4 】提出一个在w i f i 和 w i m a x 网络中使用m i h 服务的具有q o s 保证的切换判决算法。文献 3 5 提出基于m i h 的具有最小处理时延的垂直切换判决算法。 基于代价函数的方法。文献 3 6 根据一些用户和网络的参数定义一个 代价函数进行切换判决，性能分析表明提出的算法能获得更高效的资源利 用。文献f 3 7 提出基于u m t s 和w l a n 形成的具有接入控制单元( a c u ： a c c e s sc o n t r o lu n i t ) 的异构网络模型，采用带有网络性能和服务质量的代 价函数来选择目标网络。文献 3 8 1 从系统和用户需求两方面，提出在异构 无线网络中基于代价函数的网络选择策略，并通过理论模型和仿真对提出 的网络选择策略进行分析。 基于最优化的方法。文献 3 9 提出一个最优化的垂直切换判决算法， 它不仅能使得无线接入网中每个基站或接入点总的负载保持稳定，而且能 最大化移动节点总的电池寿命，性能评估证明了提出的算法的效能。 其他类型的方法。文献 4 0 提出一个新的评估垂直切换判决机制的方 法。此方法考虑当前上下文、现实中不同用户移动模型、用户偏好、应用 需求、无线接入技术规范和q o s 参数。提出的方法提供了适当的框架来审 查垂直切换机制并评价性能。文章在一个叫做u b i q u e 的垂直切换机制上 对提出的方法进行证明。文献 4 1 提出一个分析框架来评估垂直切换算法， 此框架用于对异构无线网络的切换优化提供指导。文章扩展了传统的基于 迟滞电平和基于驻留时间的算法，以支持垂直切换和水平切换判决。随后， 提出一个通用的切换判决算法g h o ，在适当的时间来触发水平切换或垂直 切换。文献 4 2 提出基于跨层的、带有预测r s s 的自适应垂直切换算法， 能减少不必要的切换，并能显著地增加利用率及降低掉线率。文献 4 3 针 对w l a n 和g p r s 异构网络，提出以r s s 、迟滞电平和信标相结合的切换 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 控制方案，并对提出方案的性能进行仿真验证。文献 4 4 】提出适合异构网 络环境的切换仿真评价模型，并定义了“命中率 和“平均乒乓次数 对 垂直切换算法性能进行评价。 1 3 本文的贡献 本文从支持垂直切换的协议和垂直切换判决算法两方面对异构无线 网络的垂直切换技术进行了研究，本文的创新点及贡献如下： 将现有的w l a n 和u m t s 两种异构网络部署的场景扩展成w l a n 、 w i m a x 和u m t s 三种异构网络部署的场景，并基于介质独立切换 ( m i h ) 对这三种异构网络部署场景下的垂直切换进行仿真建模。 对切换时延、丢包数目和网络使用效率进行了仿真评估。 将中继站引入到异构无线网络环境中，运用多目标最优化方法进行 切换判决，使得整个网络的资源得到较好的利用。通过仿真对所有 移动节点的剩余电池寿命总和以及各个接入网的负载变化情况进 行了评估。 1 4 论文结构安排 本文其他部分的结构安排如下： 第二章对异构无线网络的垂直切换技术进行概述。首先从网络发现方 法、切换判决和切换执行三个方面对垂直切换技术进行论述，然后讨论了 优化垂直切换的介质独立切换标准。 第三章对支持垂直切换的切换执行协议进行研究。基于m i h 对由 w l a n 、w i m a x 和u m t s 三种异构网络部署场景下垂直切换进行仿真建 模，并对相关性能进行评估。 第四章对垂直切换判决算法进行研究。针对多个移动节点在带有中继 站的蜂窝网与无线局域网的异构无线网络环境中同时移动的情况，运用多 目标最优化方法进行切换判决。 第五章对全文进行总结，并展望未来的工作。 重庆邮电大学硕士论文 第二章垂直切换技术概述 第二章垂直切换技术概述 垂直切换过程分为三个阶段，即网络发现、切换判决和切换执行，这 三个阶段都需要相应的技术来支持。本章首先介绍网络发现的方法，然后 介绍切换判决中的切换控制方式及相关的切换判决算法，再介绍支持垂直 切换的切换执行协议，接下来介绍优化垂直切换的介质独立切换标准，最 后进行小结。 2 1 网络发现方法 在网络发现阶段，移动节点搜索和发现可以接入的无线网络，有如下 两种方法可以实现。 具有多种网络接口的移动节点通过接收广播消息来发现新的接入网。 每种无线网络会周期发送广播消息，例如：在蜂窝网里，基站发送p i l o t b u r s t s 消息；在无线局域网里，接入点( a p ：a c c e s sp o i n t ) 发送信标( b e a c o n ) 消息【45 1 。移动节点根据不同接口接收到的广播消息，判断处于某种网络中。 另外，可以通过安装位置服务服务器 4 6 1 ( l s s ：l o c a t i o ns e r v i c e s e r v e r ) ，为移动节点发现各种无线网络。l s s 提供不同网络的覆盖区域、 带宽和时延等信息。当前服务网络的基站或接入点根据移动节点的位置， 先向l s s 请求移动节点周围各种无线网络的信息，然后周期性地发送给移 动节点。 2 2 切换判决 2 2 1 切换控制方式 当移动节点检测到新的网络时，就会进行切换判决，判断是否要进行 切换。由网络还是由移动节点进行切换判决，就会产生不同的切换控制方 式【4 7 1 。切换控制方式主要有三种，分别是移动节点控制的切换( m c h o ： m o b i l ec o n t r o l l e dh a n d o v e r ) 、网络控制的切换( n c h o ：n e t w o r kc o n t r o l l e d h a n d o v e r ) 和移动节点辅助的切换( m a h o ：m o b i l ea s s i s t e dh a n d o v e r ) 。 在m c h o 方式中，移动节点持续测量当前服务基站和若干个候选基站 的信号强度与质量，当满足某种切换准则时，向最佳的候选基站发出切换 6 重庆邮电大学硕士论文第二章垂直切换技术概述 请求，完成自动链路转换( a l t ：a u t o m a t i cl i n kt r a n s f e r ) 。 在n c h o 方式中，当前服务基站测量移动节点的信号强度与质量，当 某些参数低于某些阈值时，网络安排一次到另一个基站的切换，网络要求 附近所有的基站测量移动节点的信号，并将测量结果汇报给网络。然后， 网络为移动节点选择一个最佳的新基站，并同时通知移动节点和选出的新 基站。 在m a h o 方式中，网络要求移动节点测量周围基站的信号，并向当 前服务基站汇报测量结果，网络根据测量结果判断是否需要进行切换，以 及切换到哪个基站。 2 2 2 切换判决算法 传统的水平切换判决算法主要采用接收信号强度( r s s ：r e c e i v e d s i g n a ls t r e n g t h ) 作为选择目标网络的标准。目前主要有以下三种典型的水 平切换判决算法【4 8 】： 基于r s s 当移动节点在新的附着点上的r s s 高于在当前附着点上的r s s 时， 将发起切换，如公式( 2 1 ) 所示。 a s s 洲 r 瓯 ( 2 1 ) 基于r s s 加门限值 当移动节点在新的附着点上的r s s 高于在当前附着点上的r s s ，并且 在当前附着点上的r s s 低于预定义的门限值r 时，将发起切换，如公式 ( 2 2 ) 所示。 套惫羔t 2 ， 【尺骝饿惭f r + 日 ( 2 3 ) 异构无线网络的垂直切换判决算法仅仅依靠r s s 作为判决标准是不 够的，需要综合考虑r s s 、网络的q o s 参数、花费以及相关链路质量参数 等多种因素，是典型的多目标决策问题。表2 1 从网络、所运行的应用和 用户三个方面给出了垂直切换判决需要考虑的因素【4 5 1 。 7 重庆邮电大学硕士论文第二章垂直切换技术概述 表2 1 垂直切换判决因素 类别 判决因素 网络应用用户 运营商、网络类型、服务花费、用户偏好、 静态 覆盖面积、带宽和时延 安全因素终端特性 r s s 、比特错误率、资源分配、移动速度、 动态 信噪比优先级位置 如何综合考虑这些因素进行判决，现已提出了一些不同的方法，介绍 几种典型的垂直切换判决算法如下。 简单加权法 简单加权法【2 】( s a w ：s i m p l ea d d i t i v ew e i g h t i n g ) 是广泛使用的多属 性决策方法，其思想为假设备选网络集合为m ，每个网络需要考虑的属性 ( 如带宽、时延等) 有n 个，每个网络的总分由其所有属性的属性值与属 性的权重( 根据重要性设定) 两者的乘积和得到，具有最高分值的备选网 络以矽为切换的目标网络。数学描述形式如公式( 2 4 ) 式所示： ， 毛= a r g m 删a x 5 c o r ( 2 4 ) j - - 其中，吩表示第i 个网络中属性j 的属性值，缈，表示赋予属性j 的重要性权 重，所有权重之和为1 。 由于各属性的性质不同，需要对属性进行规范，具体规则为：当属性 为有益因素时，比如带宽，使用公式( 2 5 ) 的第一个式子；当属性为无 益因素时，比如时延，使用公式( 2 5 ) 的第二个式子。 其中严。学勺 ( 2 5 ) 其中，m i “= l i l i n ， j i e m o 接近理想方案的序数偏好方法 接近理想方案的序数偏好1 2 】( t o p s i s ：t e c h n i q u ef o ro r d e rp r e f e r e n c e b ys i m i l a r i t yt oi d e a ls o l u t i o n ) 方法的基本思想是被选出的目标网络与理 想解决方案之间的差距最小并且与最差解决方案的差距最大。确定的理想 方案由所有可能的最优属性值构成，最差解决方案则由所有可能的最差属 性值构成。可以将关于n 个属性m 个网络的多属性问题决策问题视为在n 维空间中的m 个点构成的几何系统中进行处理。此时，所有方案可作为该 瓤 h 妒严饥 ， 量 铆矿 = = 勺 _ 重庆邮电大学硕士论文第二章垂直切换技术概述 系统的解。判决结果则选择与理想解在几何空间上具有最小e u c l i d 距离的 方案。令西表示被选网络与理想解决方案的贴近程度，则目标网络如由 公式( 2 6 ) 求出。 厶= a r g m a xe 7 ( 2 6 ) 其中，m 表示备选网络的集合。 层次分析法 层次分析法【2 】( a h p ：a n a l y t i c a lh i e r a r c h i c a lp r o c e s s ) 采用层次分析 的方式解决多属性判决问题。利用经验或其他方法得到各方案相对于每个 准则的相对权重，并根据每个准则相对于总目标的相对权重，得到各方案 相对于总目标的权重，从而选出最优方案。在每一个分层中，需要对每个 准则在各个备选方案中的值进行成对地比较和一致性检查。 a h p 进行判决时，分为以下4 个步骤：( 1 ) 分析系统中各元素之间的 关系，建立系统的递阶层次结构模型。( 2 ) 对同一层次的各元素关于上一 层次中的某一准则的重要性进行两两比较，构造两两比较判决矩阵。( 3 ) 由判决矩阵计算被比较元素对于该准则的相对权重，进行层次单排序和一 致性检验。( 4 ) 计算各层元素对系统总目标的组合权重，进行层次总排序 及一致性检验。 灰度关联分析法 灰度关联分析法【2 】( g r a ：g r e yr e l a t i o n a la n a l y s i s ) 就是应用g r a 进行的多目的和多属性的决策。将每个可比较序列看作一个可行的解决方 案，采用g r a 进行切换网络的判决，就是将备选网络分为不同的等级， 选择具有最高等级的备选网络为目标网络。通过与正理想网络的灰度关联 来构造g r a 等级，并计算每个网络的灰度关联系数( g r c ：g r e yr e l a t i o n a l c o e f f i c i e n t ) 。g r c 描述了每个备选网络与理想网络的相似程度，选择与理 想网络最接近的网络为目标网络。于是，目标网络厶可由公式( 2 7 ) 求 出。 厶= a r g m 擎r o f ( 2 7 ) 其中，r o ；表示网络i 的g r c ，m 表示备选网络的集合。 基于模糊逻辑的方法 由于垂直切换中涉及的因素多，其中一些难以量化，可以采用基于模 糊逻辑2 1 的方法进行判决。将切换判决中需要考虑的因素作为模糊推理系 统的输入，首先经过模糊化，然后根据规则库中定义的对应不同输入组合 9 重庆邮电大学硕士论文第二章垂直切换技术概述 的规则，得到模糊化的切换判决结果，再经过判决结果的解模糊化，得到 是否执行切换的最终判决结果。 所谓模糊化，就是将输入值以适当的比例转化到论域的数值，利用口 语化变量来描述物理量的过程，按照适合的语言值求该值相对的隶属度， 此口语化变量称为模糊子集合。所谓解模糊化，就是将推论所得到的模糊 值转化为明确的控制信号。模糊逻辑的框图如图2 1 所示。 输 2 3 切换执行协议 图2 1 模糊逻辑的框图 出 目前网络层、传输层和应用层都存在支持垂直切换的相关协议，本节 只讨论网络层的垂直切换协议m i p v 6 t ”。 m i p v 6 允许移动节点从一条链路移动到另一条链路，而不改变原来的 i p 地址，仍然能与其他节点进行正常通信。m i p v 6 中的功能实体包括家乡 代理( h a ：h o m ea g e n t ) 、接入路由器( a r ：a c c e s sr o u t e r ) 、通信对端 节点( c n ：c o r r e s p o n d e n tn o d e ) 和移动节点( m n ：m o b i l en o d e ) ，其网 络体系结构如图2 2 所示。 f 7 、j 一 i， 、7 图2 2 m i p v 6 网络体系结构 l o 斌 0 愀 重庆邮电大学硕士论文 第二章垂直切换技术概述 当移动节点从一条链路移动到另一条链路上时，即进行二层( l 2 ) 切 换后，它通过无状态或有状态自动配置机制获取一个转交地址( c o a ： c a r e o fa d d r e s s ) 。转交地址是一个与移动节点相联系的i p 地址，它与外 地链路有相同的子网前缀。然后，进行重复地址检测( d a d ：d u p l i c a t e a d d r e s sd e t e c t i o n ) ，以确保转交地址是惟一的。接下来，移动节点向家乡 代理发送绑定更新( b u ：b i n d i n gu p d a t e ) 消息，来注册它的转交地址。 家乡代理收到此消息后，回复绑定确认( b a c k ：b i n d i n ga c k n o w l e d g e ) 消 息。 通信对端节点和移动节点可以采用双向隧道和路由优化两种方式进 行通信：( 1 ) 对于第一种方式，家乡代理使用代理邻居发现机制拦截发往 家乡地址的数据包，然后通过家乡代理和接入路由器之间的隧道转发给移 动节点。发往通信对端节点的数据包先通过反向隧道发送给家乡代理，再 由家乡代理将数据包路由到通信对端节点。( 2 ) 对于第二种方式，移动节 点需要向通信对端节点注册它的转交地址，通信对端节点利用此转交地址 可直接将数据包发送给移动节点。移动节点也直接给通信对端节点发送数 据包。m i p v 6 在路由优化方式下的切换流程如图2 3 所示，双向隧道方式 下的切换流程是路由优化方