（通信与信息系统专业论文）umtswlan切换算法的研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 在过去的几十年里移动通信技术取得了很大的进步，目前的组网形式已经从单 一网络向多种网络共同组网发展，任何人可以在任何时候、任何地点同任何人进 行任何形式的通信是通信技术发展的最终目标。 目前，u m t s 和w l a n 是两种主要的接入网络。u m t s 主要用于广域通信， 用户在网络覆盖范围内可以自由移动，但是带宽相对比较窄；而w l a n 用于城域 通信，可以提供较高的传输速率，但是灵活性比较差。由于w i a n 与u m 骼这些 互补的特性，w l a n u m t s 的互通是目前的无线互联网的研究重点之一，切换是 移动通信系统特有的、最重要的功能之一，是网络互通的基础。同构蜂窝网中移 动台在小区内和小区间的切换统称为水平切换；而垂直切换是移动台在异构网络 之间进行的切换。u m t s - w l a n 网络之间的切换相较水平算法来说在网络参数、 系统参数、业务方式等方面提出了挑战。 这篇文章第一、二章介绍了u m t s 和w l a n 网络特点，详细分析了松耦合和 紧耦合两种不同的组网方式，比较了垂直切换与水平切换的不同，介绍了垂直切 换的控制方式。第三章介绍垂直切换算法的设计原则，并重点分析了信号强度的 模型和三种不同的速度评估模型：规律运动下的w l a n 穿越场景、规律运动下的 乒乓场景、随机运动场景。 第四章根据现有的垂直切换算法提出了一种修改切换算法d s a v ，这种算法以 动态的信号强度迟滞和移动终端的速度作为判决条件。在这章中，基于判决吞吐 量的映射函数提出了一种u m t s w l a n 切换判决条件，根据不同业务的不同q o s 要求提出并详细分析了算法的动态门限值，并对切换频率、移动终端的状态以及 网络的吞吐量进行了详细分析。 第五，六章简要介绍了o p n e t 仿真平台，并根据前面的切换理论采用o p n i 玎 系统仿真工具搭建了u m t s - w l a n 的仿真平台，在此平台上运行d s a v 算法和普 通的信号强度算法。比较了这两种算法的网络吞吐量、切换频率和网络状态概率， 验证了改进后算法的优越性。 关键词：u m t s ，w l a n ，水平切换，垂直切换，切换算法，d s a v 重庆邮电大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t i nt h ep a s ts e v e r a ly e 盯s ，m o b i l ec o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g yh a sm a d eal o to f p r o g r e s s ，t h ec u r r e n tf o r mo fn e t w o r k sh a sc h a n g e df r o mt h es i n g l ec o m m o nn e t w o r k t ot h eh y b r i dn e t w o r k a n yt i m ew i t ha n yp e r s o ni na n yp l a c ef o ra n ys e r v i c ei st h e u l t i m a t eg o a lo ft h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y c u r r e n t l y , u m t sa n dw l a n a r et w om a i na c c e s sn e t w o r k s u m t sp r i m a r i l yf o r w a nc o m m u n i c a t i o n s ，u s e r sc a l lm o v ef r e e l yw i t h i nt h en e t w o r kc o v e r a g e ，b u tw i t ha r e l a t i v e l yn a r r o wb a n d w i _ a nc a nc o m m u n i c a t i o nw i t h i nt h em e t r o p o l i t a na r e aa n d c a np r o v i d eh i g h e rt r a n s m i s s i o ns p e e d s ，b u ti t sf l e x i b i l i t yi sw o r s e t h ec o m p l e m e n t a r y c h a r a c t e r i s t i c so fw l a na n du m t sm a k et h ec o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nt h e mi st h e f o c u so fw i r e l e s si n t e m e t h a n d o f fi sau n i q u ea n dm o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g yo fm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e ma n dt h ef u n c t i o no fn e t w o r ki n t e r o p e r a b i l i t y ah o r i z o n t a l h a n d o f fo c c u r sb e t w e e nt w on e t w o r ka c c e s sp o i n t st h a tu s et h es a m et e c h n o l o g ya n d i n t e r f a c e ；av e r t i c a lh a n d o f fi n v o l v e st w od i f f e r e n tn e t w o r ki n t e r f a c e s ，w h i c hu s u a l l y r e p r e s e n td i f f e r e n tt e c h n o l o g i e s c o m p a r e dw i t hh o r i z o n t a lh a n d o f f , t h ev e r t i c a lh a n d o f f a l g o r i t h m sh a sp o s e dac h a l l e n g ei nt e r m so fn e t w o r kp a r a m e t e r s ，t h es y s t e mp a r a m e t e r s ， b u s i n e s sa n do t h e r s t h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h ef e a t u r e so fu m t sa n dw l a nn e t w o r k s d e t a i l e d a n a l y s i so fl o o s ec o u p l i n ga n dt i g h tc o u p l i n gn e t w o r k ，c o m p a r e dt h ev e r t i c a lh a n d o f f a n dh o r i z o n t a lh a n d o f f , i n t r o d u c e dt h et y p e so fh a n d o f fc o n t r 0 1 c h a p t e rmp r e s e n t sa v e r t i c a lh a n d o f fa l g o r i t h md e s i g np r i n c i p l e s ，f o c u so nt h es i g n a li n t e n s i t ym o d e la n d t h r e es p e e dm o d e l s ：t h es p e e do fw l a nt h r o u g hr e g u l a re x e r c i s es c e n e s ，t h e p i n g - p o n gs c e n eo fr e g u l a re x e r c i s e ，r a n d o mm o v e m e n t s c e n e c h a p t e ri vp r e s e n t sav e r t i c a lh a n d o f fa l g o r i t h mb yr e v i s i n gt h ec o m m o nh a n d o f f a l g o r i t h m ，w h i c hi sc a l l e dd s a v t h i sa l g o r i t h mi sd e c i d e db yt h ed y n a m i cs i g n a l i n t e n s i t yh y s t e r e s i sa n dt h es p e e do fm o b i l et e r m i n a lc o n d i t i o n s i nt h i sc h a p t e lb a s e d o nt h et h r o u g h p u tm a p p i n gf u n c t i o np r e s e n t st h ej u d g m e n tc o n d i t i o no fu m t s w l a n h a n d o f f , a c c o r d i n gt o t h ed i f f e r e n ts e r v i c e s r e q u i r e m e n t s o fd i f f e r e n tq o s ，t h e a l g o r i t h md y n a m i ct h r e s h o l di sp r o p o s e d , a n da n a l y s i sh a n d o f ff r e q u e n c y , m o b i l e t e r m i n a la n dt h r o u g h p u t 重庆邮电大学硕士论文摘要 t h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h eo p n e ts i m u l a t i o nm o d e l so fu m t s w i a na r e d e s i g n e do no p n e t t oc o m p a r et h es i g n a li n t e n s i t yd y n a m i ca l g o r i t h ma n dt h eg e n e r a l s i g n a li n t e n s i t ya l g o r i t h m ，i nt e r m so fd i f f e r e n ts e r v i c e t h er e s u l ts h o wt h a tt h e a l g o r i t h mi si m p r o v ei nt h en e t w o r kt h r o u 【g h p u ta n dh a n d o f ff r e q u e n c y k e y w o r d s ：u m t s ，w l a n ，h o r i z o n t a lh a n d o f f ，v e r t i c a lh a n d o i f , h a n d o f f a l g o r i t h m ， d s a v m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，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，也不包含为获得重庆塑虫盔堂或其他教育 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谢意。 学位论文作者躲泶氇峄签字日期砷年朋节日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖整血太堂有关保留、使用学位论文的规 定，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。本人授权重庭整电盔堂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、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：| ：f e i 丞辛 导师签名： 签字日期：工阳f 年5 月柳日 签字日期： d 剜 闻年f 日 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 在过去的十年里，移动业务以空前的速度增长了4 0 多倍。人们对这种业务的 强烈需求造就了这种已占目前电话用户总数1 3 以上的新产业，并将在新世纪继续 保持高速发展。我国从8 7 年开始提供蜂窝移动通信业务，现在我国已成为世界上 移动通信发展最快的国家之一。 在过去的二十年里，移动通信技术获得了很大的进步，从传统的单基站( b s ) 大功率系统到蜂窝移动系统，从本地覆盖到全国覆盖，并实现了国内甚至国际漫 游，从提供话音业务到提供综合业务，从模拟移动通信系统到数字移动通信系统 移动通信技术正以令人瞩目的速度发展和演进。人们对无线通信服务的要求 越来越高。通信网络的发展由过去单个网络通信向多个网络融合同时为用户提供 服务转移。未来移动通信将为无处不在的互联网提供全方位的、无缝的移动性接 入。正是移动通信技术令人眩目的革新速度，推动着移动信息时代的发展，改善 着人类社会活动的质量，最终将实现移动通信的发展目标任何人( w h o ) 在任何 地方( w h e r e ) 、任何时间( w h c n ) 与其他任何人进行任何方式的通信1 2 】。 为了随时随地的为用户提供多种业务的服务，就要求用户可以在不同网络之间 得到不问断的服务，基于此目前多网融合的发展就是为了解决这个问题，但是不 同网络之间的互操作牵扯到一个必须解决的问题垂直切换【1 1 ，由于各种网络尤 其是以广域网u m t s 和局域网w l a n 为的代表的网络结构不同、所提供的服务不 同等问题，就给垂直切换算法提出了不同于水平切换的要求。 1 2 研究重点 u m t s 和w l a n 分别是广域网和局域网这两种网络的代表。u m t s 支持移动 性，w l a n 支持便携性。u m t s 网络是以蜂窝架构为基础的，最适于支持移动环 境中的数据服务。蜂窝架构支持不同蜂窝之间的信号切换，从而向用户提供了全 网络覆盖的移动性，这种移动性常常通过不同网络运营商之间的漫游协议进行扩 展。但是u m t s 为移动用户提供的带宽非常有限。当前u m t s 系统最高带宽仅为 2 m b p s 。w l a n 无线局域网提供了更宽的带宽，但是其覆盖区域非常有限( 室内 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 最大1 0 0 米) 。它所支持的应用更侧重于数据业务，对语音业务支持还不是很完善。 这两种无线技术既有竞争，又有互补性。w l a n 作为一个高速的无线接入方式。在 性能和易用性上都有明显的优势。一般，w i a n 可以单独作为一个无线网络存在。 但是对于移动运营商来说，将w l a n 作为u m t s 的补充对于提供多层次的移动服 务来说是一个很好的捷径。把这两个无线技术结合起来一直吸弓l 着研究者的目光， 但是仍然未解决的问题有待继续研究。目前，包括3 g p p 标准化组织在内的研究机 构对u m t s 引入w l a n 做了大量的工作。其中，3 g p pr 6 标准的一项重要的工作 就是解决u m t s 和w l a n 的融合方案1 1 1 。 垂直切换是多网融合的基础，也是未来移动互联网的关键特征和核心技术。但 是，目前的切换技术多针对水平切换，而垂直切换由于其特殊性和复杂性尚缺乏 详尽和深入的研究。垂直切换的研究多延用水平切换的仿真评价模型，无法体现 垂直切换的特点和需求，极大地制约了垂直切换算法的研究和发展。本文针对 u m t s w l a n 异构网的结构特点，对现有的垂直切换算法进行了分析研究，根据 网络服务类型( 实时和非实时服务) 和u m t s 以及w l a n 的特点提出了一种改进 的算法，并对该算法进行了仿真分析。 1 3 论文安排 本文共分七章，章节安排如下： 第一章绪论主要介绍了研究背景和研究重点。 第二章简要介绍了u m t s 和w l a n 网络，并对两种网络进行了比较。重点 介绍了两种网络的融合，以及移动通信网中的切换技术和异构网的垂直切换，作 为后文相关内容的理论基础。 第三章介绍了目前垂直切换算法的设计原则以及评估模型，重点分析了算法 的信号强度模型和速度评估模型。 第四章基于传统的信号强度判决模型，提出了一种基于动态信号强度和终端 速度的切换算法，详细介绍了该算发的影射函数、动态切换门限和性能触发值， 并对算法的判决条件进行了理论分析，计算出了切换频率和平均流量。 第五章首先介绍了仿真平台和仿真模型，搭建了仿真节点模型，给出了切换 控制流程，介绍各个主要仿真模块。 第六章对改进方案与传统算法仿真结果进行了数值分析比较；具体比较了各 方案在切换频率，吞吐量，实时业务的丢包率等方面的性能，同时指出算法进一 步完善的方向。 第七章结束语总结了本文所做工作，并探讨了进一步的研究方向。 2 重庆邮电大学硕士论文第二章背景知识介绍 第二章背景知识介绍 2 1w l a n 和u m t s 概述及比较 3 g 以及b 3 g 通信技术的主要特点就是移动用户可以在任何时间、任何地点进 行高速率的数据传输。许多技术，例如i e e e 8 0 2 1 1w l a n 、b l u e t o o t h 、h i p e r l a n 2 、 g p r s e d g e 、c d m a 2 0 0 0 、w c d m a 等等，都是为达到此目标设计而成的。因此， 未来的无线网络势必为异质性的网络，如何让用户在采用不同接人技术的网络间 能来去自如，使得移动用户在异质网络间漫游时能达到无缝的切换是一个非常重 要的课题。目前在各种不同特性的无线接人网中，无线局域网及数字蜂窝移动通 信系统得到了广泛的应用，这两种无线接入网中又分别有许多不同的标准。在无 线局域网中，i e e e8 0 2 1 1w l a n 正成为移动数据接入的重要手段；而数字蜂窝移 动通信系统则是以u m t s w c d m a 的发展潜力最大。 2 1 1u m t s 网络概述 在u m t s 结构中包括通用无线接入网，u m t s 无线接入网( u m n ) 。u r a n 可以有多种不同的实现方式。根据不同的条件和环境，既可以利用已有的接入网 通过进化来实现，也可利用先进的技术使用全新的接入网。u m t s 陆地无线接入 网( u t l la n ) 是一种全新的接入网，是u m t s 最重要的一种接入方式，适用范围 最广。它由一组通过i u 接口连接到核心网的无线网络予系统( r n s ) 组成。一个 r n s 由一个无线网络控制器( 鼢屹) 和一个或多个n o d eb 组成。n o d eb 通过i u b 接口连接到r n c 。n o d e b 可以支持f d d 模式、t d d 模式或双模式。r n c 包含支 持不同n o d eb 之间宏分集的合并，拆分功能，对需要和m s 有信令连接的切换作出 决定。支持f d d 模式的n o d eb 可以包含一任选的支持n o d eb 内宏分集的合并 拆分功能。 在l r r r a n 内，无线网络子系统内的r n c 可通过i u r 进行连接。i u 和h i r 接口 是逻辑接口。可通过r n c 间的物理接口直接连接或通过任一适合的传输网络来传 送i u r 。r n s 负责它范围内的蜂窝所需资源。对于用户设备和u t r a n 间的每个连 接，有一个r n s 作为服务r n s 。若需要，漂移( d r i f t ) r n s 可提供无线资源来支 持服务r n s 。 u t r a n 的功能包括：和整个系统接入控制有关的功能允许控制；拥塞控 重庆邮电大学硕士论文第二章背景知识介绍 制；系统信息广播；无线信道的加密和解密。和移动性有关的功能切换；s r n s 重新定位。与无线资源管理和控制有关的功能无线资源的配置和运行；无线 环境的测量；f d d 模式的宏分集控制；无线承载连接的建立和释放；无线承载的 分配和释放；t d d 模式的动态信道分配( d c a ) ；无线协议功能；r f 功率控制与 设置；无线信道编译码：信道编码控制：初始( 随机) 接入检测和处理；对非接 入层信息的c n 分配功能1 1 ”。 甜畦b 删 2 1 2w l a n 网络概述 图2 1 u m t s 网络结构 w l a n 是利用无线通信技术在一定的局部范围内建立的网络，是计算机网络 与无线通信技术相结合的产物，它以无线多址信道作为传输媒介，提供传统有线 局域网的功能，能够使用户真正实现随时、随地、随意的宽带网络接入。 w l a n 的标准是i e e e 8 0 2 1 l x 系列，最初制定的w l a n 标准为8 0 2 1 1 ，由于 其速率( 2 m b p s ) 和传输距离不能满足人们的需要，所以被8 0 2 1 l b 所取代了，后 来又提出了8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l e 等一系列的改进。 一般地，w l a n 有两种网络类型：对等网络和基础结构网络。 对等网络：由一组有无线接口卡的计算机组成。这些计算机以相同的工作组名、 e s si d ( e x t e n d e ds e r v i c es e tm ) 和密码等对等的方式相互直接连接，在w i a n 的 覆盖范围之内，进行点对点与点对多点之间的通信。 基础结构网络：在基础结构网络中，具有无线接口卡的无线终端以无线接入点 a p 为中心、通过无线网桥a b 、无线接入网关a g 、无线接入控制器a c 和无线接 入服务器等将无线局域网与有线网网络连接起来，可以组建多种复杂的无线局域 4 秒白 秒白m 重庆邮电大学硕士论文 第= 章背景知识介绍 网接入网络，实现无线移动办公的接入【删。 下图是8 0 2 1 l b w l a n 的网络结构，由一个或多个b s s ( b a s es e r v i c es e t ) 以 及d s ( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 组成。如果将下图的网络接入u m t s 网络中可以将 b s s 可以看作是u m t s 的一个小区，a p 看作u m t s 的一个n o d eb 。 图2 2w l a n 网络结构 2 1 3u m t s 与w i a n 网络的比较 u m t s 与w i a n 是目前发展比较成熟的接入技术，两种网络各有千秋，下面 将根据他们的特点进行详细的比较( 表2 1 进行了详细比较) ： 从用户的角度来看。u m t s 支持的服务类型覆盖范围比较广，例如，语音服务、 多媒体服务、s m s 、m m s 、e - m a i l 等，包含了电路域和分组域的服务类型。而 w l a n 只能进行分组域对应的业务服务。 这两种网络最明显的区别是传输速度。u m t s 支持从1 4 4k b p s 到2m b p s 传输 速率，高速移动用户( 速度可以达到1 2 0 k m h ，卫星和郊区在最大可以为5 0 0 k m h ) 的传输速度为1 4 4 k b p s 。运行速度小于1 2 0 k m h 且在室外的传输速度一般为 3 8 4 k b p s 。运行速度小于1 0 k m h 或者在室内的用户传输速度可以到2 m b p s 。然而 w i _ a n 的传输速度范围是从1 m b p s 到l l m b p s ，只不过传输速度的大小是由传输 范围来决定的，传输范围越小传输速度越大。 u m t s 覆盖范围比较大，将覆盖的区域分成很多个小区，每个小区由n o d eb 来管理，丽w l a n 只适用小范围的网络覆盖，比如，学校，企业等，没有小区的 范围。经常作为“热点”作为u m t s 的补充。w l a n 对能量的要求比较高，u m t s 较小。 由上面的比较可以看出，w l a n 具有高速传输( 可以达到5 4 m b p s ) ，低成本等优 点但是覆盖范围有限。而u m t s 系统具有覆盖范围广但是传输速率低( 室外 3 8 4 k b p s ，室内2 4 m b p s ) 且成本高等特点。u m t s 主要用于广域通信，用户在网络 5 重庆邮电大学硕士论文第二章背景知识介绍 覆盖范围内可以自由移动，但是带相对比较窄；而w l a n 用于城域通信，可以提 供较高的传输速率，但是灵活性比较差。由于w l a n 与u m t s 这些互补的特性， w l a n u m t s 的互通是目前的无线互联网的研究重点之一。 表2 1 u m t s 与w l a n 网络的比较 挂堑值型丛堡型堂堂 些墨耋型虫堕变携塑盆塑缝窑捶坌丝銮垫 l t k b 伸卫墨和郊区螂小遗奉l 舶h 蝇大5 k - ，h 1 m b p sm , 大l o o m ( 室内) 最x 4 0 0 m ( 室外) 数据传输率勰4 蛐m 啦内室，f 赶量大追事为i 姒 2 m 吨i 量大州室内) 爱一x 3 0 0 m ( 室外) 勰4 蛐m 啦内室，f 赶量大追事为i k h2 m 堆i 最大州量冉 量外】 绷堆室冉和室外小苞圉覆盖船t 55 m p s 量x t 0 m ( 室内) 晕大l 如m ( 室升) 尘堡至些巡缝璺! 堕! 丛! ! 坚堕墨丕! 塑! 至璺! 墨查! ! 塑! 至丛生 覆盖蜂窝技术，广域覆盖本地覆盖 2 2u m t s 和w l a n 共同组网的发展 2 2 。1u m t s 和w l a n 网络共组的几种方式 1 ) w i a n 作为u m t s 网络中的基站实现 通过u m t s 实体，如s g s n 和g g s n ，将w l a n 连接到u m t s 网络。在这些 情况下，w l a n 将分别作为u m t s 的蜂窝或r a 。u m t s 将是主网络而w i a n 将 是从属网络。这意味着u m t s 将处理移动性，认为w l a n 是它的一个蜂窝或r a 。 这可能需要双模式p c m c i a 卡来接入到两个不同的物理层。另外，所有的业务流 量在到达它的最后目的施之前将首先到达u m t ss g s n 或g g s n ，即使最终目的 地在w l a n l a n 本身。它将潜在地造成u m t s 网络的瓶颈。虚拟a p 在前两种结 6 重庆邮电大学硕士论文第二章背景知识介绍 构中颠倒u m t s 和w l a n 所起的作用。 2 ) 将u m t s 网络作为w l a n 的接入点来实现，w l a n 是主网络而u m t s 是从 属网络来实现技术间漫游。w l a n 根据i e e e8 0 2 1 1 和i a p p 规范管理移动性。 3 ) 用移动来实现技术问漫游，使用移动口来处理移动性管理问题 4 ) 使用移动性网关来互连两个网络，在u m t s 和w l a n 网络之间弓i 入了移动 性网关( m g ) 。m g 是在u m t s 或w l a n 侧实现的代理，并将处理移动性和寻路 问题。在这里，u m t s 和w l a n 是对等的网络。在终端和网络侧都将需要进行一 些改动来支持技术问漫游。 前两种效率很低且使其中一个网络为从属网络，在后两种方式中，u m t s 和 w l a n 在更大的网络中作为对等的实体进行互连。希望尽可能地减少对现有网络 和技术进行大的改动，特别是在低层，如m a c 和物理层。这将保证现有网络像以 前一样运行。对u m t s 或w l a n 特有的协议没有做任何修改【1 0 l 。 目前多采用第四种组网方式w i a n 通过移动性网管接入u m t s 网络来组成 u m t s w l a n 混合网，由下面的融合方案可以看出，本文的网络仿真模型也采用 这种组网方式。 2 2 2u m t s 和w l a n 网络融合的方案 网络融合是现在通信网络技术发展的大方向，目前两种主要存在两种融合方 案，下面主要介绍这两种方案r ”。 1 ) 松耦合 松耦合结构中每个网络独立操作。允许w l a n 和u m t s 分别进行业务管理， 这样整个系统能够从每个网络中得到高质量的服务，且不用增加额外投资。由于 松耦合在工程应用上具有很多优点，本文采用如图2 3 所示的松耦合结构实现网络 融合。该系统要求移动台是具备双模接口卡的终端设备，能够通过w l a n 或u m t s 接入到l m t e r n e t ，并且在不同的接入网中实现无缝漫游。当m s 工作于u m t s 时， 接入基站( b s ) 后，经过无线网络控制器限n c ) 、g p r s 服务支持节点( s g s 及g p r s 网关支持节点家乡代理( g g s n h a ) ，或者当它工作于w l a n 时，通过接入节 点( a p ) 、接入网关节点( a p g n ) 和外地代理( f ，然后都要通过接入控制单元( a c t 0 接入i n t e r n e t 实现异构融合。a c u 通过控制网络条件参数，由传输层产生网络问 的垂直切换。 7 重庆邮电大学硕士论文第二章背景知识介绍 图2 3u m t s 和、a n 网络的松耦合融合结构 松耦合是w l a n 不与s g s n 和u m t s 核心网发生联系，而是直接接入外部分 组数据网，这样w l a n 的高速数据业务不再经过核心网。如图2 a 所示，该方案 中w l a n 作为u m t s 接入网的补充，二者的接入控制完全独立。w l a n 可以与 u m t s 使用同一个用户数据库，但是与其核心网没有数据接口，也就是说，w l a n 旁路u m t s 网络，直接接到外部分组数据网中。两种网络间的耦合程度极低，彼 此互不干扰，一种网络的建设和发展一般不会影响到另一种网络。在松耦合方案 中，两个网络各自采用不同的认证，计费和移动性管理协议和机制，w l a n 上层 协议使用的是标准的各种i n t e r a c t 协议，不必对协议栈地融合，需要w l a n 网络 的移动性等。 松耦合方案的优点如下。a w i a n 和u m t s 网络相互独立，互不影响。b 实 现两个网络融合的技术要求较低，不需要对现有网络设备进行大的升级和改造； c o 对移动终端没有特殊要求，普通的w l a n 终端也可接入；d 应用面宽，既适 合于w l a n 为u m t s 运营商所拥有的情况，也适用于w l a n 为第三方运营商所 拥有的情况。 松耦合方案的缺点如下：a 当用户采用双模终端时，必须采用移动 的方式 才能实现移动终端在两个网络间的切换，而且不能保证切换前后会话的连续性； b 两个网络间仅彼此共用了一个鉴权服务器，融合程度较低；c 不同业务区间无 法相互分担负荷。 8 重庆邮电大学硕士论文第二章背景知识介绍 移动终端 图2 4 松耦合模式系统结构图 2 ) 紧耦合 把w l a n 看作是u m t s 网络的子网，热点小区被看作一个独立的蜂窝小区。 两种网络在此结构下共享验证、授权和计费( a 氏a ) 机制以及服务质量( q o s ) 等服务， 但由于实现紧耦合的复杂性高、投资大，目前该结构很少应用于实际工程中。 紧耦合方案如图2 5 所示，w l a n 作为u m t s 无线接入网的一部分，通过 w l a n 网关实现分组控制功能( p c f ) 连接到u m t s 核心网，w l a n 的数据在到 达外部分组数据网之前要经过u m t s 核心网。 紧耦合方案中的、矾a n 网关与s g s n 相连，对s g s n 屏蔽了w l a n 的特性， 使得s g s n 把w l a n 看作是一个单独的基站子系统，这就需要w l a n 网关实现 u m t s 无线接入网的所有协议( 如移动性管理、认证等) 。w l a n 和u m t s 尽可 能地采用相同的固定网络资源，彼此仅在无线接入部分相互独立。也就是说，这 种方案中w l a n 是作为u m t s 网络的一个无线接入网存在的，使用u m t s 网络 的鉴权、计费和认证，上层协议运行的是u m t s 相关协议，因此需要对w l a n 协 议栈进行改造，增加与u m t s 协议栈之间的接口。在紧耦合方案中，用户使用双 模终端可以实现在w l a n 和u m t s 网络间的无缝切换，对于u m t s 核心网来说， 用户在两个网络间的切换就相当于在两个独立小区间进行一样。 紧祸合方案的优点如下：a 可以共用u m t s 网络的各种资源( 如核心网资源、 认证和计费系统等) ，保护u m t s 运营商的投资；b 可以采用统一的接入服务器 为两个网络提供接入服务，能方便地把新业务推广到两种网络中；c 采用双模终端 时，用户可以实现在两个网络间的无缝切换；d 不同业务区间可以分担负荷：c 可 以增加w l a n 的安全性：在w l a n 加密的基础上可以在上层使用u m t s 的鉴权 和加密机制。 9 重庆邮电大学硕士论文第二章背景知识介绍 紧耦合方案的缺点如下：a 实现技术难度大，需要升级和改造现有的网络设备。 对于w l a n ，w l a n 网卡需要实现u m t s 的协议栈，并采用u m t s 的认证机制， 对其改造不可避免；b 应用面窄，较适合于w l a n 为u m t s 运营商所拥有的情况； c 对移动终端有特殊要求，一般采用双模终端，不支持普通的w l a n 终端；d w l a n 与u m t s 采用不同的频段，移动终端在w l a n 和u m t s 基站闻漫游硬切换会引 起业务中断。 2 3 切换概述 图2 5 紧耦合系统结构图 移动终端 根据不同的分类，切换方式有以下的几种分法【4 2 】： 软切换和硬切换 根据切换期间同时涉及的基站数量分，切换可以分为硬切换和软切换。硬切换 是在与新基站重新建立连接前中断与旧基站的连接。软切换是当移动设备从一个 蜂窝移动到另一个蜂窝时不中断呼叫，移动设备可以同时与多个基站连接。 更软切换是一种蜂窝内的切换，发生在两个扇区或三个扇区之间。这种类型的 切换只发生在蜂窝内，而不涉及移动交换中心。c d m a 移动通信系统使用软切换 和更软切换，f d m a 和t d m a 移动通信系统使用硬切换。 ( d 切换的控制方式 切换可以由移动设备控制，也可以由网络控制，或者由两个实体共同控制。当 重庆邮电大学硕士论文第二章背景知识介绍 由网络控制时，既可以由r a n ( 无线接入网) 来控制，也可由c n ( 核心网) 来控制。 为了保持无线与c n 无关，应该只由r a n 做决定。对移动通信网络，基本上有三 种切换策略，它是根据谁发起和执行切换来划分。这三种种策略是：移动设备控 制的切换( m c h o ) ；网络控制的切换( n c h o ) ：移动设备辅助的切换( m a h o ) 。 ( 爹前向切换和后向切换 根据用于移动设备和网络之间交换切换有关信息的资源，存在两类切换连接的 建立。换句话说，不同方法导致不同连接建立方式和不同切换信令过程。因此有 两种更进一步区别切换的机制：前向切换和后向切换。 后向切换如果移动设备和网络之间的、与切换有关的信息通过旧的路径进 行交换就称为后向切换。一般由服务基站发起切换。在g s m 系统中使用此方法， 与切换过程有关的所有信息通过旧b t s 交换。 前向切换如果移动设备直接将相关信息发送到新基站，切换就称为前向切 换。一般由目的基站发起切换。在此情况下，目的基站将负责网络侧新路径的建 立。只有在移动设备控制信道分配( d c a 系统) 时才可能使用前向切换。前向切换 要比后向切换快。前向切换的缺点是：很难恢复失败的前向切换( 旧的连接可能丢 失) 、很难支持加密的连续性( 密钥必须传送到新a s ) 。 当后向切换失败时也可以使用前向切换，如由于传播条件的快速变化使连接突 然丢失时。u t r a w - c d m a 建议中有此过程，并称为“呼叫建立”。 在g s m 中采用移动设备辅助的后向策略。d e c t 系统使用前向切换策略。在 此过程中，移动设备通过目的无线固定部分( r f p ) 初始切换，它首先通过可用的物 理信道传送接入请求。d e c t 采用此策略的原因：1 ) f hm s 控制信道分配。另外 d e c t 使用的动态信道( d r a ) 分配机制使采用此策略更容易；2 ) 业务和信令的信号 格式( 突发结构) 是相同的。它保证m s 在只有一个发射机，接收机条件下运行来降低 手持终端的复杂性。 在u t r aw - c d m a 中建议使用后向切换过程。它不选择前向切换的主要原因 是：1 ) 很难将失败的前向切换恢复：2 ) 对前向切换，需要某种移动设备控制的信 道分配。不可能同时传输d t c h d c c h 到服务b s 和传输r a c h 到目的u s ( 因为 它们的帧结构和信号格式不同) ，除非m s 有两个发射机。即使使用两个发射机也 将产生冲突，因为r a c h 和d t c h t d c c h 的传输功率电平的要求不同。这将影响 两个链路中的一个链路的性能。 水平切换和垂直切换 在多层网络结构中。在相同网络内的路径改变称为水平切换，不同网络之间的 路径改变称为垂直切换。水平切换通常是当移动设备在两个或多个蜂窝覆盖区域 1 1 重庆邮电大学硕士论文第二章背景知识介绍 之间移动时发生。水平切换应是无损的，除非有特殊的环境，如微微蜂窝之间高 的移动速率或移动设备的密度非常高。垂直切换到较快的网络层，如微蜂窝到微 微蜂窝，可以是无损的。当垂直切换到较慢的网络层，将会出现数据损失，因为 网络连接要中断一段时问，新的网络层比当前层的比特速率要低。 ( d 切换的功能 切换的应用范围非常广泛，除了保持呼叫的连续性这一主要功能以外，还有许 多其它的应用。从切换的用途上分，切换可分为下面几类： 1 ) 无线链路类 此类切换主要是由于移动设备的移动而产生的。它基于监测无线链路的参数 ( f 言号强度、干扰、误码率) ，并将这些值与预定的门限进行比较。进行详细的分析 需要涉及给定时间间隔内的许多参数。 2 ) 网络管理类 网络管理类的切换是由于网络管理的需要而进行的切换。它又可分为：单一蜂 窝的拥塞控制( 网络可以利用切换来达到业务量在蜂窝间的均匀分布。为了达到 此目的，网络应当采用集中式资源控制方式，负责收集邻近蜂窝的测量( 用于切换 初始判决) 及相应地调节切换判决参数。) 、宏分集、动态信道分配( d c a 方式必须 适应随着容量的增加而带来的业务量波动和干扰模式的变化。根据是否由固定网 络控制总的干扰分布，可以实现集中式或分散式d c a 方式，也可以实现混合式的 方式。分散式d c a 方式的效率很差，而集中式的d c a 方式给系统增加了大量的 信令负载。可以利用切换实现d c a ) 、多层蜂窝结构上的业务量分布( 采用多层蜂 窝结构，可以解决某些蜂窝发生拥塞、某些区域缺乏服务微蜂窝或有高速移动的 用户等问题。利用切换可以完成多层蜂窝结构上的业务量分布。在多层蜂窝结构 的系统中。关键的问题是确定宏蜂窝子系统和微蜂窝子系统的最优信道分配。众 所周知，当呼叫连接到微蜂窝的基站时，可以获得最大的系统容量。这意味着宏 蜂窝将主要用于移动设备在未被微蜂窝覆盖的区域或所有微蜂窝信道都被占用 时，宏蜂窝也临时地作为保护蜂窝来处理宏蜂窝和微蜂窝之间的最优负载平衡。) 、 信息的重新寻找路由( 当发现系统的某些部分出现故障，需要重新寻找路由时也 可以进行切换。) 。 3 ) 业务类 业务提供类的切换是由于提供业务的需要而进行的切换。 当发现业务质量下降时，为了保持q o s 的连续性，网络可能不得不激活切换 来改善业务质量。 在一个活动呼叫期间，移动设备可能请求一个附加的业务，而当前蜂窝不能提 供此业务。为了满足此业务提供的请求，网络开始将其切换到其它能够提供所需 重庆邮电大学硕士论文 第二章背景知识介绍 业务的蜂窝。 有可能在某些地方，由不同业务提供商提供的某些业务有不同的费率。在这种 情况下，用户可能切换到较低费率的业务提供商那里，即由于计费问题而产生的 切换。 切换的性能参数 1 ) 硬软切换的性能参数 为了评价切换方式的效率，定义一些性能测量参数非常重要。在硬切换的情况 下，使用下面的切换参数评价切换算法： a ) 不必要的切换次数在以前链路还能提供满意的性能时所进行的切换次数。 b ) 未成功的切换次数将移动设备切换到接收信号强度不够的基站的次数。 c ) 预期的切换次数用户从一个蜂窝移动到另一个蜂窝期间发生的切换次数。 d ) 分界点一定义为距离，在此距离分配给当前基站的概率降低到0 5 ，而同时分配 给正在接近的基站的概率达到0 5 。它用于测量切换的时延。 e ) 预期的平均信号强度一当移动设备从一个蜂窝移动到另一个蜂窝时，开始进行切 换时基站的信号强度平均值，它也用于指示切换的时延。 对于软切换，使用下面的切换参数来评价切换算法： a ) 激活集更新的次数； b 1 预期的激活集中的基站数； c 1 信道的效率。 2 ) 通用的切换性能参数 对软硬切换都通用的切