（通信与信息系统专业论文）异构无线网络中垂直切换决定算法的研究与仿真.pdf

at h e s i sf o rt h ed e 妒o fm a s t e ri i lc o m m m l i c a t o na n di n f o n i l a t i o ns y s t e m r e s e a r c ha n ds i m u l a t i o no fv - e r t i c a l h a n d o f fd e c i s i o n a l g o r i t h m sf o r 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 s b yw e nz h o n g f e n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rs o n gq i n g y a n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i 锣 j u n e2 0 0 9 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位敝储虢阂溥烽 日期： 矽夕毕调 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年 学位论文作者签名： 闭邃锋 签字日期：研争7f 习 导师签名： 签字日期： 宋清哗 炒7 牟7 ， 一 1 廿 东北大学硕士学位论文摘要 异构无线网络中垂直切换决定算法的研究与仿真 摘要 随着当今无线移动通信技术的迅猛发展，融合各种无线接入技术的异构无线 网络即将出现。网络的融合满足了用户的高质量服务要求，同时也给网络的无线 资源管理带来了困难。作为无线资源管理的一部分，切换管理的重要性尤其明显， 因为不适当的切换策略将会导致切换失败而影响到整个异构网络的性能。因此， 需要设计合理的垂直切换决定算法，以保证用户的无缝切换。 基于对垂直切换决定问题的分析，设计了两种针对稳定周期调节的垂直切换 决定算法：动态稳定周期决定( d s p d ) 算法和基于模糊数据的稳定周期决定 ( f d s p d ) 算法。两种算法都以在切换执行前设定稳定周期为基础，d s p d 算法 引入了新的稳定周期计算公式，将稳定周期与切换目标网络和当前服务网络的效 用函数比值联系起来，在网络状态变化时更敏感地调节稳定周期；f d s p d 算法则 采用数据模糊化的方法，通过获取更多有关网络和用户的状态参数，并用这些参 数的不同状态组合对应不同的时问值来确定稳定周期，从而在合适的时刻触发切 换。之后，将它们应用到解决切换排队问题上，得以最大限度地减轻切换同步效 应对网络性能的影响。 为评估算法的性能，通过构建异构无线网络的模型对所提算法进行了仿真。 与现有的其它算法相比，所提算法能够更加简单而合理地调节稳定周期，提高了 切换成功率，并且减少了非必要切换。 关键词：异构无线网络；无线资源管理；垂直切换；代价函数；稳定周期；切换 排队 、 i 7 并 ， 0 l 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s a 虹o no f 羽i c a lh 础行d o c i s i g e n 鲫塔w i r e l e s s a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to f w i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h en e t 、v o r kw h i c hi n t e 黟a t e sv 撕o u sh e t e r o g e n e o u sr a t i oa c c e s st e c l u l o l o g i e si sg o i n g t o 印p e a r t h ei n t e g r a t i o no fn e 俩o r k sm e e t su s e r sr e q u i r e m e n t so fh i 曲q u a l i t yo f s e i c e ( q o s ) ，b u ta l s ob r i n g sd i 伍c u l t i e st or a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t a sap a r to f r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ，h a n d o f rm a n a g e m e l l ti s p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t a s i n 印p r o p r i a t e h a n d o f | f s t r a t e g y w i l ll e a dt oh a n d o f r ，sf a i l u r ea n da f r e c t st h e p e r f 0 m a n c eo fm ee n t i r eh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s i i lo r d e rt og u a r a n t e es e 锄l e s s h a n d o 或i ti sr e q u i r c dt od e s i 髓r e a s o n a b l ev e n i c a lh a j l d o f rd e c i s i o na l g o m m sf o r 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 s t w oh a n d o f rd e c i s i o na l g o r i t l l l l l sb a s e do ns t a b i l i t yp 砸o d sa d j u s t m e n t ，d ”锄i c s t a b i l i t yp e r i o dd e c i s i o n ( d s p d ) a l g o r i t h ma n df u z z yd a t a - b a s e ds t a b i l i t yp e o d d e c i s i o n ( f d s p d ) a l g o r i t h m ，a r ed e s i 印e da r e rt h ea i l a l y s i s o fv e n i c a lh a n d o f f d e c i s i o n t h et w oa l g o r i t h m s ，b o t hb a s e do ns e t t i n gs ta b i l i t yp e r i o db e f o r ep e 墒r n l i n g h a n d o 伍d s p da l g o r i t h mc a l c u l a t e st h es t a b i l i t yp e r i o du s i n gan e wf o m l u l aa n d m a k e si ta d j u s t e dd y n a m i c a l l yr e l 如n go nt h eu t i l i t yr a t i o so ft h et a r g e tn e t w o r kt ot h e c u l l r e l l to n ew i t ht h ec h a n g e so fn e t w o d ( s c o n d i t i o n ；f d s p da l g o d t h ma d o p t s 如z z y d a t a - b a s e dm e t h o d a r e ro b t a i n i n gm o r es t a t u sp a r a m e t e r so ft h en e t w o r k sa l l du s e r s ， i tu s e sd i 仃- e r e n tc o m b i n a t i o n so fs t a t u sp a r 锄e t e r sc o r r e s p o n d i n gt od i 仃e r e n tt i m e v a l u et od e t e m l i n et h es t a b i l i t yp e r i o da n dt h e l lt r i g g e r sh a n d o f ri na n 印p r o p r i a t et i m e a r e rt h a t ，t h e ya r ea p p l i e dt os o l v et h eh a n d o f fq u e u i n gp r o b l e mi no r d e rt or e d u c e i m p a c tt o t h en e 帆o r kp 酬f o m a n c ed u et oh a n d o f fs y n c h r o n i z a t i o nt om el a 唱e s t e x 白e n t i no r d e rt oe v a l u a t et h ep e r f b m a n c e ，m ep r o p o s e da l g o r i t l l r i l sa r es i m u l a t e di na n e n v i r o m e n to ft h eh e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e t 、) i ，o r k s c o m p a r e dw i mt h ee x i s t i n g a l g o 订t l r i l s ，t h ep r o p o s e ds c h 锄e s ，w h i c ha d j u s tt h es t a b i l i t yp e o dm o r ee a s i l ya n d r e a s o n a b l y ，c a ni m p r o v et h eh a n d o f fc a l ls u c c e s sr a t ea n dr e d u c eu i m e c e s s a r yh a n d o f f s e 妇f e c t i v e l y k e y w o r d s ：h e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e t 、o r k s ；m d i or e s o u r c em a n a g 锄e n t ；v e r t i c a l h a n d o 或c o s t 如n c t i o n ；s t a b i l i t yp 谢o d ；h a j l d o f rq u e u i n g 1 1 1 0 0 7 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i 第1 章绪论1 1 1 异构无线网络概述l 1 1 1 移动通信技术的发展。1 1 1 2 宽带无线接入技术的发展3 1 1 3 异构网络融合结构4 1 1 4 异构无线网络的无线资源管理一7 1 2 异构无线网络的切换管理9 1 3 研究的目的及意义10 1 4 论文的主要内容与结构安排1 l 1 5 课题来源12 第2 章垂直切换及切换决定算法研究现状1 3 2 1 切换相关概念1 3 2 1 1 切换定义l3 2 1 2 切换类型1 3 2 1 3 切换过程1 6 2 2 垂直切换决定算法研究现状1 6 2 2 1 算法分类及分析1 6 2 2 2 算法研究理论基础2 0 2 3 本章小结2 l 第3 章异构网络中针对稳定周期调节的切换决定算法设计2 3 3 1 研究背景2 3 3 2 稳定周期检测算法分析2 3 3 2 1 确定切换目标网络2 3 3 2 2 稳定周期2 4 东北大学硕士学位论文 目录 3 2 3 现有稳定周期检测切换决定算法2 6 3 3 所提算法总体设计思路及相关定义2 8 3 3 1 设计思路2 8 3 3 2 算法设计中的相关概念3 0 3 4 动态稳定周期决定( d s p d ) 算法”3 3 3 4 1 算法设计思路3 3 3 4 2 算法描述3 4 3 5 基于模糊数据的稳定周期决定( f d s p d ) 算法3 6 3 5 1 算法设计来源3 6 3 5 2 算法设计思路3 7 3 5 3 算法描述3 8 3 6 切换排队问题处理4 0 3 6 1 问题描述4 0 3 6 2 算法描述41 3 7 本章小结4 4 第4 章算法仿真及性能分析4 5 4 1 仿真环境4 5 4 2 仿真模型与评价指标4 5 4 2 1 网络模型”4 5 4 2 2 相关参数设定4 7 4 2 3 算法性能评估指标4 8 4 3 仿真结果分析4 9 4 3 1 算法敏感度分析4 9 4 3 2d s p d 算法和f d s p d 算法仿真分析51 4 3 3 切换排队问题处理的仿真分析5 3 4 4 本章小结”5 6 第5 章结束语5 7 参考文献“5 9 致谢6 3 作者在攻读硕士期间发表的学术论文6 5 v 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 随着当前第三代移动通信网络3 g ( t h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l en e t w o r k s ) 的深入发展，异构无线网络( h e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e 俩o r k s ) ，也叫做下一代网 络n g n ( n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k s ) 或者第四代移动通信网络4 g ( t h ef o u n h g e n e r a t i o nm o b i l en 咖o r k s ) 【1 】也将随之出现。4 g 网络将包括宽带移动蜂窝系统、 宽带无线固定接入系统、卫星通信系统和数字广播网络系统，各种通信网络交叠 覆盖。不同无线通信网络接入技术的融合必然给网络管理带来难点，高效率的无 线资源管理能够利用有限的资源满足同益增长的网络和用户需求。在无线资源管 理中，切换管理和切换策略的设计是一个十分重要的方面，合理的切换决定算法 能明显地提高无线网络的服务质量q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 。因此，在未来的无 线网络中，需要研究和设计有效的切换决定算法以最大化地提高网络性能。本章 首先介绍异构无线网络发展概况，然后描述网络的切换管理问题，最后介绍论文 结构和在设计切换决定算法方面的研究贡献。 1 1 异构无线网络概述 从当前无线移动通信技术发展的趋势可以看出，近些年来无线通信技术的发 展过程实际上是沿着两条路线进行的：一条是以语音业务为开始的从2 g 、3 g 及 4 g 向宽带移动数据通信发展的电信业务技术主线，由国际电信联盟i t u ( i i l t e m a t i o n a lt e l e g r a p hu n i o n ) 引领，着眼于移动通信；另一条是以计算机数据 通信网络为丌始的，从无线个域网w p a n ( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k s ) 、 无线局域网w l a n ( w i r e l e s sl o c a l 舡e an e t w o r k s ) 及无线城域网w m a n ( w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e 觚o r k s ) 向n g n 发展的信息技术i t ( i n f o n n a t i o n t e c l u l o l o g y ) 业务技术主线，由国际电气电子工程师协会i e e e ( i n s t i t u t eo f e l e c t r i c a l a n de l e c t r o n i c se n 西n e e r s ) 引领，着眼于宽带无线接入系统。在4 g 网络中，两种 技术路线上的网络系统将以各种不同方式融合起来，共同为用户提供高质量的服 务。 1 1 1 移动通信技术的发展 移动通信就是移动体之间的通信，或者说是移动体与固定体之间的通信。移 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 动通信网络从它诞生之时起至今已经发展了三个阶段，并在逐渐向第四阶段发展。 第一阶段称为第一代移动通信网络l g ( t h ef i r s tg e n e r a t i o nm o b i l e n e t w o r k s ) ，使用模拟技术，以美国的先进移动电话服务a m p s ( a d v a n c e dm o b i l e p h o n es y s t 锄) 和英国的全接入通信系统t a c s ( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) 为代表。接入方式采用频分多址接入f d m a ( f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 技术，其频谱利用率低，容量小，不能传输数据。 以全球移动通信系统g s m ( g l o b a ls y s t 锄f o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 、码分 多址接入c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 移动通信系统和个人数字蜂窝 p d c ( p e r s o n a ld 罾t a lc e l l u l a r ) 为代表的第二代移动通信网络2 g ( t h es e c o n d g e n e r a t i o nm o b i l en e t w o r k s ) 是移动通信网络发展的第二阶段。这一阶段基于数 字传输技术既可以传输声音也可以传输数据，支持传真及短消息服务s m s ( s h o r t m e s s a g es e i c e ) ，而且具有更好的安全保密性。但是2 g 网络的系统带宽有限， 无法实现高速率的数据传输业务。因此，所谓的2 5 g 和2 7 5 g 技术应运而生。这 些系统主要基于通用无线分组服务g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e i c e ) ，或者增 强型数据速率g s m 演进技术( e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s me v o l m i o n ) 。它们都是 一种从g s m 到3 g 的过渡技术，采用了新的调制方法，提高了网络传输数据的能 力，使得网络可以提供一些增值服务。 第三阶段就是3 g 网络，i t u 在1 9 9 6 年将其更名为i m t - 2 0 0 0 ，意思是该系统 工作在2 0 0 0 m h z 频段，数据传输速率达2 m b p s ，并计划在2 0 0 0 年投入使用。3 g 系统提供全球无缝覆盖和漫游，提供话音、数据和多媒体等多种业务，其车载通 信速率为1 4 4 k b p s ，步行通信速率为3 8 4 k b p s ，室内通信速率为2mb p s ，频谱利 用率高，通信容量大。i t u 盟最先采纳的3 g 无线接人系统的主流标准是宽带码 分多址接入w c d m a ( w i d e b a n dc d m a ) 、c d m a 2 0 0 0 和时分同步码分多址接 入t d s c d m a ( t i m ed i v i s i o n s v n c h r o n o u sc d m a ) 技术，它们都基于c d m a 技术。如今，3 g 正处在迅猛发展的过程之中。 在新技术和市场需求的共同作用下，未来移动通信将呈现出以下发展趋势： ( 1 ) 移动网络的全球化、个人化； ( 2 ) 高速率、高质量、低费用； ( 3 ) 网络技术数字化、宽带化，高度的智能化； ( 4 ) 频谱利用率更高； ( 5 ) 网络业务数据化、分组化，移动互联网逐步形成； 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 6 ) 各种网络逐渐融合。 这就是下一阶段移动通信网络发展的方向和目标。第三代移动通信伙伴计划 3 g p p ( 1 1 1 et h i r dg e n e r a t i o np a r h l e r s h i pp r o j e c t ) 将长期演进l t e ( l o n gt e m l e v 0 1 u t i o n ) 【2 1 作为其下一代移动通信网络的标准，这将是w c d m a 技术和 t d s c d m a 技术的演进方向；而3 g p p 2 把空中接口演进a i e ( a i ri n t e m c e e v o l u t i o n ) 作为标准，它是c d m a 2 0 0 0 技术的演进方向。不论是l t e 还是a i e 都呈现出下一代移动通信系统宽带化、网络互联网i p ( i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 化和支 持高速移动的特点。 1 1 2 宽带无线接入技术的发展 w l a n ，作为最早为人们所熟知的宽带无线接入技术，利用射频r f ( r a d i o f r e q u e n c y ) 技术弥补了有线局域网络的不足，达到了延伸网络的目的。在很长一 段时间内，i e e e8 0 2 1 1 工作组推出一系列协议不断完善w l a n 的性能，使得 w l a n 得到了广泛的发展。为了在个人操作空间内建立无线通信的国际标准， i e e e8 0 2 1 5 工作组开始制定w p a n 技术标准。i e e e8 0 2 1 5 标准是在蓝牙技术基 础上的w p a n 协议规范，主要针对便携式和移动计算设备，实现了与i e e e8 0 2 儿 协议组的融合。 i e e e 发布的i e e e8 0 2 1 6 标准属于w m a n 技术标准。其中，i e e e8 0 2 1 6 e 是一种移动宽带无线接入技术，可以实现用户在快速移动状态下的宽带接入。 i e e e8 0 2 1 6 e 无线接入网接入i p 核心网，主要向用户提供宽带数据业务，并且可 以提供i p 语音业务。全球微波接入兼容w i m a x ( w | o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o r m i c r o w a v e a c c e s s ) ，作为一项新兴技术，能够在广阔的地域范围内提供最后一公 里的宽带连接性，并能够为高速数据应用提供更出色的移动性。w i m a x 采用了很 多先进技术来获得高数据速率，包括：正交频分多址接入o f d m a ( o 劬o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 、自适应编码和调制、混合自动重传请求、智 能天线技术、多重输入输出等。0 f d m a 支持时分双工t d d ( t i m ed i v i s i o nd u p l e x ) 和f d d ( f r e q u e l l c yd i v i s i o nd u p l e x ) 双工方式，可以有效对抗信道的时域选择性 和频域选择性。根据目前的技术发展状况，世界上几大标准组织都不约而同地将 0 f d m a 作为今后技术发展的方向。3 g p p 和3 g p p 2 在所定义的l t e 和a i e 标准 中都将采用正交频分复用方式作为物理层的技术。w i m a x 标准在o f d m a 上先行 一步，可以预见今后w i m a x 的升级道路是比较顺畅的。、矾m a x 的另一个特色是 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 定义了完备的q o s 机制：媒体访问控制层针对每个连接可以分别设置不同的q o s 参数，包括速率、延时等指标，可以按照每帧对每个流进行调度。j 下是由于w i m a x 在技术上的这些突出优势，2 0 0 7 年1 0 月，w i m a x 被正式批准为i t u 的第四个3 g 标准。这样，w i m a x 开始了与现有的各个3 g 技术的竞争。 1 1 3 异构网络融合结构 1 1 3 1 异构无线网络概念 移动通信网络主要面向高速移动的用户，采用的技术比较复杂，成本较高； 而宽带无线接入网络原来主要是面对以计算机为主，并不需要高速移动的用户， 其采用的技术多是低成本的无线通信技术，在性价比方面具有突出优势，因此受 到了人们的普遍关注。从移动通信和宽带无线技术发展的两条路线( 图1 1 ) 可以 看出，当无线通信技术发展到4 g 的时代，无论从所采用的技术还是希望达到的 性能，已经呈现出既相互补充又相互竞争的趋势。随着技术不断发展和网络的同 趋演进，移动通信和宽带无线接入在相互竞争的同时，也将走向融合。 图1 1 网络演进 f i g 1 1n e 帆o r ke v o l u t i o n 虽然目前业界对4 g 的定义从不同的角度给出了很多提法，但普遍认可的一 种解释是：4 g 是多功能集成的宽带移动通信系统，也是宽带接入的i p 系统。4 g 可称为分布式的网络，具有非对称性的超过1 0 0 m b p s 的室外数据传输能力和 1 g b p s 的室内数据传输能力；它包括移动宽带系统、宽带无线接入系统、宽带无 线局域网以及基于地面和卫星系统的广播网络等。 在4 g 系统中，由于各种无线接入网络在很多区域内都是重叠覆盖的，所以 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 可以将这些网络智能地结合在一起，共同为用户提供总是最佳连接a b c ( a l w a y s b e s tc o l l n e c t e d ) 【3 】的服务，具有这种结构的网络就称为异构无线网络。图1 2 显 示了一个异构网络的例子。异构【4 】就是指两个无线接入网络采用了不同的无线接 入技术，或者是采用相同的无线接入技术但属于不同的无线网络运营商。在异构 无线网络中，用户可以根据业务需要和网络状态等因素随时接入到最合适的无线 网络中，从而满足用户的服务需求。 图1 2 异构网络图例 f 培1 2a ne x a m p l eo fah e t 啪g 饥e o u sn e m o r k 1 1 3 2 异构网络框架 由于异构无线网络中存在多种接入技术，各个网络互相交叠覆盖，这就涉及 到应当采用何种方式实现异构无线网络的互联互通问题。对于现有的各种异构网 络间的结合方式，按照系统间结合的紧密程度进行分类，可以分为紧耦合( t i 曲t c o u p l i n g ) 和松耦合( l o o s ec o u p l i n g ) 两种，即在保持现有无线网络结构完整性 的基础上，通过增加某些中间节点实现无线异构网络的互联互通。 紧耦合模式【5 ，6 j 是在网络的融合过程中，将一个网络作为另一个网络的子网， 即参与构成异构无线网络的无线接入网络之间存在主从关系。在结构上增加一些 网络单元或在现有网络单元上增加必要的功能模块以实现两个网络的互通，使子 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 网实现主网所支持的所有功能，并使这两个网络可以位于同一个管理域，由同一 个网络运营商统一维护和管理。在紧耦合模式下，两个网络可以看作统一的整体， 无需第三方即可直接实现互操作。例如在w c d m a 与w l a n 进行紧耦合的网络 中，一般是将w c d m a 作为主网络，而将w l a n 作为从属网络，w l a n 的接入 点a p ( a c c e s sp o i n t ) 通过专用的接入网关连接到w c d m a 的核心网。从w c d m a 的核心网的角度来看，w l a n 只是w c d m a 网络中的一个无线接入网。这样， w l a n 将与w c d m a 的无线接入网共享w c d m a 网络提供的各种服务以及协 议。虽然紧耦合模式具有切换时延小等优点，但是却增加了设计和实现的复杂性， 限制了这种方式的使用范围，影响了整个异构无线网络的可扩展性。 松耦合模式【7 8 】是由其它网络辅助完成两个或多个网络的互联互通，保持各自 独立的网络结构和协议，将各个网络设置为分属不同的管理域，只需通过网关实 现网路协议的转换。在这种方式中，参与构成异构无线网络的各个无线接入网络 之问以相互独立的方式结合在一起，而不存在从属关系。松耦合方式能够最大限 度的保持不同无线接入网络之间的独立性，不同的网络运营商的无线接入网都可 以利用松耦合方式实现互连互通。因为松耦合方式中的各个异构网络不需要修改 各自的网络规划和业务流程，既减小了异构网络的建设成本和复杂度，又提高了 网络的可扩展性。所以松耦合相对紧耦合而言，具有很多结构上的优势。因此， 松耦合成为了目前业界首选的异构方式。 基于松耦合的异构网络的实现形式可分为以下几种： ( 1 ) 建立专用的核心网，将各种无线接入网络都连接到核心网中，通过核心 网实现这些无线接入网络之间的互连互通。这种方式中核心网起到了中转信 息的作用。a n ( a m b i e n tn e t w o r k s ) 网技术就是建立一个连接的控制平台， 用于提供不同网络的统一连接。 ( 2 ) 通过某种网络实体将各种无线接入网络连接起来。如a c e n e t ( a d - h o c c e l l u l a rn e t w o r k s ) 【9 】技术就是在异构网络中增加了a d h o c 部分，利用支持 i p 的a d - h o c 路由协议达到异构网络的融合。 ( 3 ) 利用i n t e m e t 网络作为核心网束间接地实现网络之间的互连【l o 12 1 。由于 这种方式能够屏蔽各种无线接入网络的异构特性，并可以充分利用现有的 i n t 锄e t 网络基础设施，从而有效地降低网络的建设成本，且易于实施。因此， 利用i n t e m e t 建立基于i p 协议的异构无线网络，实现异构网络融合已经成为 业界的主流认识。 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 1 1 4 异构无线网络的无线资源管理 无线资源管理是异构无线网络能够正常高效运营的重要课题。无线资源管理 r r m ( r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ) 是对异构无线网络中的各种网内资源进行规 划和调度的过程。删的目标是为网络内无线用户提供高q o s 保障，在网络条 件不断变化的情况下，灵活分配和动态调整网络中的可用资源，最大限度地提高 无线频谱利用率，尽量减少网络拥塞和保持尽可能低水平的信令负荷。依据处理 对象的不同，r r m 可以划分为： ( 1 ) 面向连接的r r m ：确保该连接的q o s ，使某一个连接占用的网络资源 最少，以确保这个连接的q o s 。 ( 2 ) 面向小区的r r m 。在确保小区稳定的前提下，使满足q o s 的用户数目 最大化，以提高整个网络的容量。 r r m 研究的主要内容包括功率控制、呼叫准入控制、负载控制、信道分配、 分组调度和切换管理等几个方面。 功率控制技术是r r m 中一个极为重要的内容，一个高效的功率控制算法能 够明显增加网络容量，提高网络的频谱利用率。在移动通信系统中，系统的信道 容量主要受限于其它系统的同频干扰或者系统内其它用户的干扰。在不影响通信 质量的情况下，进行功率控制尽量减少发射信号的功率，可以提高信道容量和增 加移动终端m t ( m o b i l et e 彻i n a l ) 的电池待机时间。传统的功率控制技术主要面 对的语音服务，最主要的是开环功率控制和闭环功率控制技术。当前功率控制的 研究集中在数据服务和多媒体业务方面，在异构网络中i p 网络成为核心网络时， 如何在分组交换网络进行功率控制就成为功率控制技术研究的主要内容。 呼叫准入控制c a c ( c a l la d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 技术应用在语音业务上的过程 较为简单，只要网络内有足够可用的资源时就可以满足用户的要求。由于c d m a 网络的呼吸作用，每一个呼叫的产生都会对其它已有的呼叫形成干扰，从而影响 到整个网络的容量，因此以合理的方法控制接入网络的呼叫显得特别重要。3 g 及 未来通信系统中要求支持低速话音、高速数据和视频等多媒体业务，因此c a c 就变得较为复杂。这就要求在c a c 的判决过程中，保证任何新的连接在整个连 接期间不能影响网络的覆盖范围和现有连接的质量，且当一个新连接请求产生时， 网络负荷随着流量和质量等参数的改变而改变。 负载控制就是在网络运行过程中控制网络负荷不能超过网络容限，以保证网 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 络的稳定。异构无线网络中的负载控制的目的是为了避免网络负载超出其本身的 处理能力，并实现恰当的网络负载分配。主要思想是通过有效利用网络间的通信 能力，最大限度地利用有限的网络资源，在非过载的情况下，网络能够接受所有 的业务请求并选择代价最小的业务请求进行处理。 信道分配技术主要分为3 类：固定信道分配( f c a ) 、动态信道分配( d c a ) 以及随机信道分配( r c a ) 。固定信道分配在管理信道上较为容易，信道问干扰 易于控制，但是固定信道分配方法使信道无法最优化使用，致使频谱信道效率低， 而且各接入系统间的流量无法统一控制从而会造成频谱浪费。动态信道分配根据 不同的标准划分成几种分配算法。通常将动态信道分配算法分为两类：集中式动 态信道分配算法一般应用在网络的高层无线网络控制器一端，由无线网络控制器 收集信道分配信息；分布式动态信道分配算法则由本地决定信道资源的分配，这 样就大大减少无线网络控制器控制的复杂性。随机信道分配是为减轻静念信道中 因为衰落引起信道环境恶化而随机改变呼叫的信道，为使纠错编码和交织技术取 得所需的q o s ，需要随机信道分配技术通过不断地改变呼叫信道从而获得足够高 的信噪比。 异构无线网络主要特征之一就是存在大量的实时的、非实时的、高速的、低 速的分组数据业务。分组调度技术根据业务的不同类型将信道资源分配给不同的 用户，使无线资源得到了优化使用。分组调度技术与其他r r m 技术的融合，大 大扩展了它的应用空间。 切换管理一直是r r m 中的一个重要内容，有效的切换算法可以提高异构无 线网络的容量和q o s 。这是本论文的研究重点，将在下一节作详细的介绍。 由于异构网络是多个网络的融合，所以针对异构网络的联合无线资源管理 j r r m ( j o i n tr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ) 【1 3 1 4 】已成为新的r r m 发展方向。j r r m 是一组网络的控制机制的集合，它能够支持智能的呼叫和会话接纳控制，以及业 务和功率的分布式处理，从而实现无线资源的优化使用并达到系统容量最大化的 目标。这些机制同时应用多种接入技术，并需要多模终端的支持。从功能方面来 说，j r r m 涵盖了原有删的各项功能。因为未来的r r m 还要包括对频谱的动 态分配和规划，动态频谱分配和规划是对现有的频谱规划和使用模式的一种革新， 所以未来的无线资源管理可以看作是j 删和动态频谱管理的一个集合。异构无 线网络的j 删根据管理方式的不同可以分为以下3 种方式： ( 1 ) 集中式j r r m ：引入个集中控制的实体置于各个无线接入网络之上。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 这个集中控制的实体能测量它所管辖范围内的多个网络的无线资源的使用情 况，并且能够对这些无线资源进行统一的分配和管理。这种方式适用于紧耦 合的融合架构。在这种方式的结构中，集中控制实体是j r r m 的执行点，总 体控制和调度所有网络资源；而无线接入网络还是执行传统的r r m 功能。 ( 2 ) 分布式j r r m ：分布式r r m 模式没有一个集中的控制的实体来统一协 调各种无线接入网络。在这种方式中，统一的协调功能分散在各个无线接入 网络中，将管理和计算功能分配给各个分布式节点，从而降低了每个节点的 计算复杂度，但是因为分布式管理机制不具备集中控制实体，不能针对所有 无线接入网络进行统一调整，所以很难实现网络的全局最优管理。 ( 3 ) 分级式j r r m ：分级式j r r m 的架构是集中式r r m 和分布式r r m 的 一种折中。这种方式设置独立实体进行统一管理所有无线接入网络，又将部 分管理功能适当分配给分布式节点，在全局性和实现复杂度上达到了统一。 综上所述，分级式j r r m 将是异构无线网络最有可能采用的方法。 1 2 异构无线网络的切换管理 切换管型”】是在m t 移动的状态下，保障激活业务服务质量的处理过程。异 构无线网络中，切换过程分为系统内切换或系统问切换，系统内切换是发生在同 种结构网络内的切换，通常被称为水平切换。在异构无线网络中，由于网络内存 在多个无线接入网，所以m t 在网内运动时多发生统间切换，也称为垂直切换。 由于垂直切换具有特殊性和复杂性的特点，所以异构无线网络的切换管理功 能显得尤为重要。切换管理所包含的内容主要有根据切换准则完成切换判决、设 定及履行切换控制和在切换时分配异构网络资源。 切换准则就是判定应该在什么时候何种条件下出发一个切换过程的规范。在 同一种网络接入技术的条件下，切换一般根据实时测量到的接收信号强度r s s ( r e c e i v e ds i 印a ls t r e n g t h ) ，信噪比s n r ( s i 舯a lt on o i s er a t i o ) 、载干比 c i r ( c a m e rt oi n t e r 衍e 1 1 c er a l i o ) 等数据进行切换判决；在共同存在多种无线接入 技术的环境罩，则要根据服务质量、网络性能以及用户喜好等多种因素