（通信与信息系统专业论文）异构网络垂直切换机制研究.pdf

学位论文版权使用授权书y 18 9 4 2 4 2 1 1 1 1 11 111 11 1 111 1 111 1 l l 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名：骺、钆 p | 年g 月喀日 指导教师签名： j 印颤 矽，f 年月孑日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 带、凯 矽l | 年6 月磐日 江苏大学硕士学位论文 摘要 随着蜂窝移动网络、短距离无线网络等无线接入网的广泛使用，下一代的无 线网络必将是多种无线接入方式并存的异构网络。作为异构网络中的关键技术， 垂直切换的实现复杂于同构网络的水平切换，是一个多属性决策问题，涉及不同 的网络参数，需要根据这些参数进行综合决策。 当前基于多属性决策的垂直切换相关研究，切换目标函数的设计往往不能综 合反映网络性能和用户服务性能要求，也未考虑不同网络参数之间的量纲差异及 权重的相对性，由此影响了判决结果的科学性与合理性。此外，处于异构网络环 境的多模终端，常采用简单的休眠机制降低能耗，难以保证可用网络的及时发现。 论文在对已有垂直切换机制进行研究与分析的基础上，提出了一种优化的垂 直切换机制。该机制判决函数设计综合考虑了网络性能和用户需求，并对网络参 数进行标准化处理，以消除不同参数量纲上的差异；同时利用层次分析法和灰度 关联法设定各参数的相对权重，以体现不同参数的相对重要性。该机制在可用网 络发现阶段，多模终端根据当前接入网络的接收信号强度r s s 自适应地调整其 它网络接口的开启问隔，并结合休眠机制，以更低能耗的方式监测并及时发现链 路状态良好的可用网络。 论文对所提出的垂直切换机制的可行性和有效性进行了仿真验证。仿真在 u m t s 和w l a n 融合的场景中进行，仿真结果表明，论文所提出的垂直切换机 制显著减少了切换次数，并保证了切换中用户q o s 的稳定性。 关键词：异构网络：垂直切换；多属性决策；切换判决；无量纲 异构网络垂直切换机制研究 a b s t r a c t w i t ht h ew i d e s p r e a du s eo fc e l l u l a rn e t w o r k s s h o r t r a n g ew i r e l e s sn e t w o r k sa n d m a n yo t h e rw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k s n e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sn e t w o r k sw i l lb e h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k st h a ti n t e g r a t em u l t i p l ew i r e l e s s a c c e s st e c h n o l o g y a st h e c r i t i c a l i t yo fv e r t i c a lh a n d o f fi nh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s i ti s c a r r i e do u tm o r e c o m p l e x l yt h a nh 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 f fi s am u l t i a t t r i b u t ed e c i s i o n p r o b l e mi n v o l v i n gd if f e r e n tn e t w o r kp a r a m e t e r sa n dt h e s ep a r a m e t e r sa r en e e d e dt o m a k ea l li n t e g r a t e dd e c i s i o n i nr e l a t e dr e s e a r c h e so fv e r t i c a lh a n d o f rb a s e do nm u l t i a t t r i b u t e t h eh a n d o f f d e c i s i o n sa r eo f t e nn o tr e f l e c tr e q u i r e m e n t so ft h en e t w o r kp e r f o r m a n c ea n du s e r s e r v i c ep e r f o r m a n c e ，n o tc o n s i d e rt h ed i f f e r e n td i m e n s i o n sb e t w e e nt h ed i f f e r e n t n e t w o r kp a r a m e t e r sa n dt h er e l a t i v en a t u r eo ft h ew e i g h t b e c a u s eo ft h e s e ，t h e s c i e n c ea n dr a t i o n a l i t yo fh a n d o f fd e c i s i o na r ea f f e c t e db a d l y i na d d i t i o n ，m u l t i - m o d e t e r m i n a li nt h eh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k sr e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o nb ys i m p l es l e e p m e c h a n i s m b u ti td i 衢c u l tt oe n s u r ed e t e c t i o no fa v a i l 曲l en e t w o r k se f f i c i e n t l y t h ep a p e rp r o p o s e dao p t i m i z e dv e r t i c a lh a n d o f fm e c h a n i s mb a s e do nt h e r e s e a r c h e sa n da n a l y s i so ft h e e x c i t i n gm e c h a n i s m d e c i s i o nf u n c t i o n o ft h e m e c h a n i s mc o n s i d e r sn e t w o r kp e r f o r m a n c ea n du s e rn e e d s ，a n dt h en e t w o r k p a r a m e t e r sa r es t a n d a r d i z e d t oe l i m i n a t ed i m e n s i o nd i f f e r e n c eo fp a r a m e t e r s a c c o r d i n gt ot h ea n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s sa n dg r a ys c a l ec o r r e l a t i o nm e t h o d ，t h e r e l a t i v ew e i g h t so fe a c hp a r a m e t e ra r es e tt or e f l e c tt h er e l a t i v ei m p o r t a n c eo f d i f f e r e n tp a r a m e t e r si nn e t w o r kd i s c o v e r yp h a s e ，a c c o r d i n gt or e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t h o ft h ec u r r e n ta c c e s sn e t w o r k ，m u l t i m o d et e r m i n a la d j u s t a d a p t i v e l y t h eo p e n i n t e r v a l so fo t h e rn e t w o r ki n t e r f a c e s b a s e do nt h i sm o r el o w - p o w e rm o d et h a t c o m b i n e sw i t hs l e e pm e c h a n i s m m u l t i m o d et e r m i n a lm o n i t o rt h er s so ft h e n e t w o r ka r o u n da n dd i s c o v e rt h ea v a i l a b l en e t w o r k si ng o o dl i n k t h ep a p e rs h o w st h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ep o s s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so ft h e v e r t i c a lh a n d o f fm e c h a n i s m s i m u l a t i o ni sc a r r i e do u ti ni n t e g r a t i o ns i t u a t i o n so f u m t sa n dw l a n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dv e r t i c a lh a n d o f fm e c h a n i s m s i g n i f i c a n t l yr e d u c e st h eh a n d o f ft i m e sa n de n s u r e st h es t a b i l i t yo fq o si nt h ev e r t i c a l h a n d o f f p h r a s e k e y w 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 f f ；m u l t i - d e c i s i o n ；h a n d o f f d e c i s i o n ；d i m e n s i o n l e s s 玎 江苏大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1论文研究背景与意义l 1 2论文主要研究内容3 1 3论文组织结构3 第2 章异构网络垂直切换简介4 2 1移动性管理技术与垂直切换4 2 2垂直切换简介6 2 2 1垂直切换控制方式6 2 2 2 垂直切换机制性能指标与影响因素7 2 2 3 垂直切换基本流程1 0 2 3垂直切换的网络发现方法1 1 2 4垂直切换的切换判决及典型的切换算法1 3 2 4 1 基于接收信号强度的切换算法1 3 2 4 2 基于多属性决策的切换算法1 5 2 4 2 1 基于简单加权的方法1 5 2 4 2 2 基于策略的方法1 6 2 5垂直切换的切换执行协议1 7 2 6垂直切换的多参数切换判决及要素分析2 2 2 7本章小结一2 6 第3 章异构网络垂直切换机制2 7 3 1 低能耗的可用网络发现机制一2 7 3 1 1 低能耗的可用网络发现2 7 3 1 2 基于r s s 算法的链路保证2 8 3 1 3 网络参数的获取2 9 3 2网络参数的无量纲化2 9 3 3网络参数的相对权重分析与计算3 0 3 3 1 1 实时业务3 4 异构网络垂直切换机制研究 3 3 1 2 非实时业务3 5 3 4判决函数的计算一3 5 3 5垂直切换机制仿真与结果分析3 7 3 5 1 仿真场景设计3 7 3 5 2 仿真参数设置3 8 3 5 3 仿真结果及性能分析4 0 3 6 本章小结4 2 第4 章总结与展望4 4 4 1论文总结一4 4 4 2研究展望4 5 参考文献4 6 致谢 4 9 攻读硕士学位期间发表的论文5 0 i v 江苏大学硕士学位论文 1 1 论文研究背景与意义 第1 章绪论 随着社会的发展与进步，人类对信息通信的需求日益迫切。p d a ( 个人数字 助理) 、智能手机、传感器等各类通信终端的大量出现，提出了从移动通话到移 动上网、移动商务、移动计算等一系列新需求。移动终端的大量接入及新需求、 新业务的不断涌现，给现有的网络接入服务带来全新的挑战。 为满足不同用户和终端的网络接入需求，出现了许多采用不同接入技术的网 络：蜂窝移动通信系统( 2 g 、3 g 、后3 g ) 、短距离接入系统( w l a n 、蓝牙、超宽 带、u w b 系统) 、w i m a x 、卫星通信、广播系统( d a b 、d v b ) 以及a dh o c 网络、 无线传感器网络等。广泛应用的第二代移动蜂窝网( 2 g ) ，如g s m g p r s 和i s 一9 5 ， 能够很好的支持语音业务，同时提供有限的数据类型业务服务，但是，在通信业 务量剧增的今天，已不能满足日益增长的高速率移动多媒体等新型业务的通信需 求。为适应高通信量业务的不断增长，第三代移动通信系统的u m t s ( u n i v e r s a l m o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 已经开始商用，以实现全i p 业务移动网络。 与此同时，小范围覆盖的无线网络也逐步得到广泛应用，以i e e e 8 0 2 1 1 和 h i p e r l a n 为代表的无线局域网能为用户提供高带宽的数据服务，主要被定位 于在室内或者小范围内提供热点覆盖；超宽带( u w b ) 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 等短距离 无线通信网络为用户提供了更高速、更快捷的无线宽带接入。可以看出，未来移 动通信系统会是接入方式、覆盖范围、带宽等各不相同的异构网络l i 】共存的局面。 众多的无线通信系统虽然为用户提供了多种多样的通信方式、接入手段和无 处不在的接入服务。但是，要实现真正意义上的自由通信，即“5 w ”通信【2 j ： 任何人可以在任何时候、任何地方、与任何人以及相关的任何物体进行任何形式 的移动通信，并且具有端到端的服务质量q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 保证，需要 充分利用不同接入网络问的互补特性【3 j 【4 1 ，实现异构网络技术的有机融合，为用 户提供最好的服务质量。这种互补特性主要体现在无线接入技术自身的优点和局 限性，比如：蜂窝系统覆盖范围广，且支持终端的高速移动；w l a n 系统的数 据传输速率远高于蜂窝系统【5 1 ，但覆盖范围小，仅局限于热点地区的覆盖。异构 异构网络垂直切换机制研究 融合网络实现不同接入技术的优势互补和资源共享，可以降低网络成本，提升用 户体验。为满足用户在异构网络中自由通信的移动性需求，支持网络异构的移动 性管理成为未来异构融合网络中要解决的重要问题。 随着接入技术和网络的不断演进，移动性管理的研究面l 临全新的挑战，由原 来特定网络技术的一个侧面，发展成为跨越不同的异构网络，同时涵盖网络、业 务、终端等多个层面的综合性技术。近年来，各大国际标准组织、产业界的各大 公司，以及很多研究组织，包括i t u t ( i t ut e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d i z a t i o n ) 、 3 g p p 、w w r f ( w i r e l e s sw o r l dr e s e a r c hf o r u m ) 、m i c r o s o f t 等，都把移动性管理 作为其面向未来泛在、异构网络研究的重要组成部分，旨在提供具有符合自组织、 自适应等泛在网络关键特征、性能更加优良的移动性管理技术。研究内容主要包 括网络融合的体系结构、移动性支持协议、位置管理、切换控制、无线资源分配 及安全机制的实现与优化，还有移动终端的设计等相关技术。 切换控制作为移动性管理的关键技术，其性能直接影响用户获得的服务质 量。在异构网络中，用于保证用户跨异构网络移动时会话连续性的垂直切换【6 】， 更是融合网络移动管理研究中的重点内容，具有重要的实践意义。由于网络的异 构性、应用场景的多样性，垂直切换具有了一些新的特征【7 1 ，例如，允许用户根 据个人偏好或q o s 的考虑主动发起切换，切换中允许用户参与控制等。切换的 主要研究内容包括切换准则、切换控制方式、切换时的资源分配以及切换执行中 的链路转换等功能。对于垂直切换，高灵活性、低复杂度网络结构的设计，综合 考虑各种异构网络特点的切换机制是现在的主要研究内容。切换机制的内容又包 括终端能够通过处理异构接入系统发送的信号，发现当前可用的无线网络；网络 能够定位和更新终端的当前位置，进行垂直切换，并保证小的切换时延和丢包率： 系统能够为应用提供不同系统端到端的q o s 保证，并可以提供安全策略。 现有的垂直切换研究在切换判决、网络选择和切换执行等方面，还存在明显 的不足：一是切换机制的设计，垂直切换要保证与底层接入技术的无关性，必须 在高层实现，而这种高层的通用性又必然带来性能上的损失。二是高效、可行的 切换判决方法，垂直切换判决是典型的多属性决策问题，现有研究存在可行性差、 乒乓效应显著、不利于网络资源有效利用等缺点。 2 江苏大学硕士学位论文 1 2 论文主要研究内容 本文针对异构网络垂直切换机制展开研究。分析研究了影响垂直切换算法的 多方参数：在研究总结已有垂直切换算法的基础之上，基于判决函数提出一种垂 直切换机制。该机制主要包括：可用网络集的发现和面向应用的切换判决。 本文的具体工作主要包括： ( 1 ) 异构网络垂直切换的研究。以网络的异构性为出发点，研究了移动性管 理及垂直切换的相关内容。垂直切换一般包含网络发现、切换判决和切换执行三 个阶段，涉及网络、应用和用户等多方参考因素：根据其在不同切换阶段的作用， 进行分析归类，将其应用到垂直切换机制的设计中，满足切换中业务与用户的需 求。 ( 2 ) 多模终端能耗问题的研究。在异构网络中，多模终端对网络的监测产生 会产生不必要的能最损耗。在网络发现阶段，综合低能耗和链路性能保证两个目 标，在基于r s s 判决算法的基础上，提出接口自适应开启的网络发现机制，以 实现终端能耗和网络发现的效率的平衡。 ( 3 ) 在多属性决策方法a h p 和判决函数的基础上，提出综合q o s 最佳的垂直 切换决策机制，充分考虑不同业务类型及用户需求对q o s 的要求，提高网络选 择的效果。该机制对不同类型的业务选择q o s 最佳的网络作为切换目标网络， 有效利用网络资源。 1 3 论文组织结构 本文后续章节的安排如下： 第2 章是对垂直切换的介绍，包括垂直切换的基本特征、对典型垂直切换算 法的研究分析。 第3 章是垂直切换机制的研究，包括低能耗的可用网络发现，网络选择机制 及判决流程，最后对该机制进行了仿真分析。 第4 章为全文总结和展望。 异构网络垂直切换机制研究 第2 章异构网络垂直切换简介 异构网络中，用户在不同网络的覆盖范围内移动，需要网络为其提供持续的 通信服务，即用户的通信要独立于网络接入点的变化，不受其自身位置变化的影 响，不受其使用接入技术的影响。垂直切换的目标就是要实现用户终端在异构网 络之间的这种无缝切换。本章首先通过研究移动性管理技术，明确了垂直切换在 异构网络移动性管理中的地位。之后通过与传统的水平切换进行分析比较，概述 了垂直切换的控制方式、性能指标与影响因素以及切换的基本流程。随后在研究 垂直切换三个实现阶段的基础上，结合典型的垂直切换算法和执行切换使用的相 关网络协议，深入分析网络发现与切换判决两个阶段的特点。 2 1 移动性管理技术与垂直切换 移动性管理是指通过确定的主机标识查找随机移动终端的当前位置向其传 递数据，并在整个移动过程中保持连续的通信。蜂窝移动通信系统中，移动性管 理技术主要研究终端或用户的位置管理、切换控制、漫游与注册认证等问题。随 着无线异构网络向融合的方向发展，主要包括终端方面的融合、核心传送层面的 融合、业务控制层面的融合和接入层面的融合，移动性管理技术需要以新的特性 来适应这种发展趋势。移动性管理需要支持支持用户跨异构接入网络、跨不同网 络运营商的移动以及支持终端的多跳协作接入等，使用户可以无缝的访问业务和 获得最佳服务体验。移动性管理技术不仅需要涉及网络、业务、终端等层面的技 术，还需要与q o s 管理、业务管理和安全管理等技术密切相关。 异构网络移动性管理技术的研究涉及不同类型【8 】【9 1 ，不同技术的多种网络环 境，同时，多类型、多接口、功能丰富的终端的出现，也使移动性的涵义更加广 泛，移动性管理的目标更加多样化，研究的侧重点也各不相同。根据移动性支持 的目标i l 州，移动性可分为终端移动性、个人移动性、会话移动性、业务移动性 和子网移动性： ( 1 ) 终端移动性是终端设备在移动过程或游牧中进行通信或访问业务的能 力，还有网络识别和定位该终端的能力。终端移动性起初主要应用于蜂窝移动通 4 江苏大学硕士学位论文 信网络，是移动性管理技术中传统的研究内容。随着网络向异构融合发展，终端 移动性的研究逐步扩展到以i p 技术为基础的异构网络中，成为同一个终端改变 网络接入点时的移动性。 ( 2 ) 个人移动性是指同一用户在不同的位置、或改变接入网络或使用不同终 端仍能实现信息通信的能力，包括用户基于个人标识，用任何终端通信和访问业 务的能力，网络在用户的业务属性中提供这些业务描述的能力。 ( 3 ) 会话移动性是指用户或终端在移动过程中改变网路接入点时仍能保持正 在进行的会话的能力，强调连续会话能力。如在多模终端设备或多个终端设备与 外部通信实体之间数据分组传输的移动转接。 ( 4 ) 业务移动性是指应用于某一种特定业务的移动性，无论用户处在什么位 置，使用何种终端，都可以无差别地使用该用户与归属地相同体质量业务的能力。 主要强调个性化业务属性的支持能力，即具有跨地域、跨运营商、跨终端的业务 可携带性、业务环境可携带性以及业务个性定制可携带性。 ( 5 ) 子网移动性是指一组连网的固定或移动节点作为一个整体改变其网络接 入点时，仍能与外界保持通信。移动子网以无线方式作为接入手段，运动主体是 一个相对稳定的网络整体，移动过程中改变的是整个网络的接入点。移动子网内 部的网络可以相对简单，也可以相对复杂。例如，比较简单的情况就是移动子网 仅有一个移动路由器和一台主机组成；比较复杂点的情况是移动子网由多个移动 i p 子网组成，这些i p 子网通过本地路由器连接在一起，并且该移动子网可以通 过一个或多个移动路由器接入因特网。移动子网的内部连接可以是有线的形式， 也可以是无线的形式，但必须保持一个相对稳定的拓扑结构。 在传统的蜂窝移动通信网络( g s m g p r s ) 中，切换主要支持用户在网络内 部移动时的会话移动性。但是在未来由多种无线接入技术与制式共存，互补构成 的有机的无线移动通信系统中，垂直切换作为支持会话移动性的关键控制功能， 将支持用户跨越异构接入网络、跨越不同网络运营商、不同服务提供商的移动， 保证用户的无缝业务访问和最佳服务体验。 切换技术作为移动性管理中重要的研究内容，主要用来实现终端或用户移动 过程中、网络接入点变化时的会话连续性，即实现当前接入点提供的通信服务由 另一个新的接入点提供。在异构网络中，切换技术的研究也从单一的水平切换转 异构网络垂直切换机制研究 变到了不同接入技术间的垂直切换。 2 2 垂直切换简介 异构网络中，依据终端接入点改变前后所采用接入技术的异同可以将切换分 为两类：垂南切换与水平切换。同类接入技术之间的切换称为水平切换j ，例 如，w l a n 中不同a p 之间的切换，移动蜂窝系统中不同基站b s ( b a s es t a t i o n ) 、 交换系统及运营商间的切换；不同接入技术之间的切换称为垂直切换【坨】，如 u m t s 和w l a n 之间的切换。垂直切换前后的无线链路和接入网络之间有明显 的特性差异1 7 】【8 1 ，产生了新的研究内容和问题。由于网络特性差异的存在，垂直 切换具有不对称性，且根据切换方向的不同，可以将垂直切换分为向上切换和向 下切换，从覆盖范围小的网络切换到覆盖范围大的网络称为向上切换，反之为向 下切换。 2 2 1 垂直切换控制方式 切换的参与者包括网络和移动终端。根据切换时网络和移动终端地位的不 同，移动通信系统采用的切换控制方式主要分为三种：网络控制切换( n c h o ) ，移 动终端辅助切换( m a h o ) 和移动终端控制切换( m c h o ) 。n c h o 方式是在第一代 模拟蜂窝系统使用的控制方式，基站监测与移动终端通信的网络参数，当这些参 数低于某些阂值时，网络安排终端到另一个基站的切换。该方式需要附近所有的 基站监督同一个终端的信号，并将测量结果报告给网络，然后，网络为切换选择 一个新的基站，并把结果通过旧基站通知移动终端和新基站，随后切换生效。由 于n c h o 采用这种集中控制方式，通常只能支持蜂窝小区间的切换。m a h o 方 式的切换过程比较分散化，由终端和基站共同监测通信链路的质量。l i - , p n 在g s m 中，移动终端每秒向基站传送两次测量结果，由网络决定何时何地来执行切换。 m c h o 作为无线通信系统底层的技术，需要终端持续监测所接入的基站和切换 候选基站的网络参数，当满足所设定的切换准则时，由终端确定“最佳”候选网 络，并向基站发出切换请求。 本文研究的垂直切换机制采用移动终端控制切换方式。这主要是由于异构网 络问的特性差异，且需要综合衡量的网络因素比较多：切换依据的网络性能参数 6 江苏大学硕士学位论文 和切换执行所涉及的网络实体比较多，不同类型的业务对网络q o s 的要求也不 同，同时还与移动终端的配置、移动状态及用户的个人偏好有关。终端所在区域 的网络覆盖状况、通信网络质量也只有其自身能够精确测得，异构网络中任何一 个单独的网络实体都无法做出精确估计。采用主动式的切换控制方式，终端可以 根据当前自身业务的需求、终端状态和所处区域网络的状况采用合理的切换方 案，进而通过相关协议与对应的网络实体执行垂直切换。从网络方看，移动终端 控制方式中网络系统的工作负荷叶可以减轻，同时能够减少切换时延，为用户提 供更佳的服务体验。 2 2 2 垂直切换机制性能指标与影响因素 垂直切换的目标包括实现快速切换和平滑切换两方面。平滑切换是以最小化 丢包率为目的的切换，不包含分组转发时延的概念；而快速切换是以最小化切换 时延为目的的切换，不包含丢包率的概念。无缝垂直切换【l3 j 则是综合了平滑切 换和快速切换的特性，指没有业务能力、安全或服务质量改变的切换。垂直切换 期望的性能是可靠性最大化、干扰最小化、无缝性，包括切换后应有良好的服务 质量；切换应尽量使用户感受不到业务由于切换产生时延产生的中断；垂直切换 的次数尽量少。 垂直切换性能的指标一般包括切换次数、切换时延，切换丢包及切换信令开 销。切换次数是终端与切换到的网络建立可靠链路之前尝试连接的次数，切换次 数要小，因为过多的切换会产生大量的信令处理开销，降低通信质量。切换次数 过多还会带来乒乓效应，乒乓效应主要指终端移动过程中连续两次垂直切换的时 间间隔比较短。切换时延是指移动终端停止从当前接入网络接收分组，到开始从 切换到的网络接收分组的时问间隔。切换丢包通常使用丢包的时间段来衡量。切 换信令开销是指实现切换所需要的信令交互过程带来的信令流量。信令交换的过 度负荷，会加大呼叫中断率或会话掉话概率。这主要是因为在移动蜂窝网络中， 由于系统可用带宽不足会产生严重的呼叫阻塞和会话中断；与其相同，当w l a n 中用户数目过多的情况下，系统的带宽资源不足，w l a n 多媒体控制层的竞争 机制也会使通信中的用户呼叫受阻、业务中断等不良影响。切换信令交互要占用 有限的系统带宽资源，从而给呼叫与业务通信带来负面影响。垂直切换机制要能 7 异构网络垂直切换机制研究 够减少不必要的切换次数，避免终端进行乒乓切换。其次要有高效的网络选择算 法，减少切换处理时延，提高切换时用户的服务质量。这样不仅可以降低用户呼 叫中断率和会话掉话率，还能够有效降低乒乓效应，提高用户的服务质量。 垂直切换执行前后的接入网络参数指标具有明显的差异性，切换的过程中不 能仅考虑传统水平切换中使用的接收信号强度，还需要考虑与网络、应用及用户 和终端相关的多种因素i l ，涉及业务类型、网络费用、网络状况、系统性能等 众多的参数。 接收信号强度是用户从网络接入点接收到的信号强弱指标，通常用接收信号 功率来表示，这一指标直接反映了用户与网络接入点之问的通信链路质量。蜂窝 网中，接收信号强度是指终端从b s 接收到的信号，而w l a n 中终端的接收信 号强度是指终端从a p ( a c c e s sp o i n t ) 处接收到的信号。当r s s 低于接q 殳l - j 限值时， 用户与接入点的通信质量将受到严重影响，严重时可能导致通信的中断。终端的 接收信号强度与终端接入网络b s a p 的发射功率、终端与b s a p 之间的路径损 耗及传输路径上的衰落等因素均有关系。若b s a p 的发射功率固定，忽略路径 衰落的影响，可以认为r s s 与终端到达b s a p 的距离直接相关，即用户距离 b s 脚越远，r s s 越小。当用户离开网络的覆盖范围时，r s s 将低于接收门限， 导致通信被迫中断。 与r s s 直接相关的网络参数指标，包括接收端信噪h s ( s n r ) 、信号干扰功率 比( s i r ) 及信号干扰噪声功率l i , ( s i n r ) 等。通常，较大的r s s 也意味着较高的s n r 等参数。考虑到r s s 与s n r 等参数的密切相关，在衡量通信链路质量时，可以 只考虑主要的参数指标接收信号强度。 移动终端在不同的网络中进行通信时会有不同的功率消耗，相比蜂窝网络， 移动终端与w l a n 的a p 进行通信时，会有较大的能量耗费。在终端电量充足 的情况下，垂直切换机制进行网络选择的时候，终端的功耗可以不作为主要的考 虑因素；但是在一些特定的条件下，如终端的存电量已经极低时，垂直切换的目 标网络选择将倾向于选择功耗低的网络。在异构网络中，终端多是多模制式，在 进行通信的过程中，特别是发生移动时，需要通过不同网络接口监测对应网络的 信号，以获知相应网络的链路状况，与网络共同实现对终端会话的移动性支持。 为使终端能够及时发现可用网络，简单的方法是所有网络接口都处于开启状态， 8 江苏大学硕士学位论文 但这样会有较大的能量消耗，所以需要采用有效的节能方法提高终端能量的使用 时间，满足用户的通信q o s 需求。 通信系统的带宽是指其所能提供的最大数据传输速率1 1 5 】，即单位时问内系 统能够够传输的最大数据量。系统的可用带宽是系统性能的重要标志，较大的可 用带宽可以为用户带来更高的传输速率及较短的传输时延。通常，语音业务对带 宽的要求不高，传输数据业务所需的系统带宽资源相对较大。可用带宽因网络技 术的不同而有较大的差异，比如，u m t s 系统可以提供基本静止带宽为2 m b p s ， 移动终端也可获得3 8 4 k b p s 的带宽；而i e e e 8 0 2 1 1 b 提供的带宽可以达到 l1 m b p s 。终端在异构网路间切换时，可用带宽是进行网络选择的主要考虑因素。 网络时延是指语音或数据分组在系统中从发送端传输到接收端时，在业务接 人点测得的时间差，包括发送时延，传播时延和处理时延三个部分。采用分组方 式转发的通信系统中，数据包以存储转发的方式经过不同路由到达接收端，由于 所需时间的不同，导致通信业务的时延。蜂窝移动通信系统可以支持对时延不敏 感的数据业务，也可以支持用户实时的语音业务。i e e e 8 0 2 1 l 标准虽然考虑 w l a n 中实时业务的信道接入问题，增强了对q o s 的保证，但是对实时业务的 q o s 支持仍然较差，不能满足实时业务的时延要求。 异构网络环境下，服务费用也是用户在进行接入网络的选择中所考虑的重要 因素。终端接入网络进行通信，需要支付服务费用，服务费用的多少通常与网络 运营商、用户业务类型及业务性能有关。在不同的网络提供相同服务情况下，用 户会优先选择费用更低的网络。在服务费用方面，w l a n 接入网络比蜂窝网络 有优势，w l a n 较之蜂窝网带宽更宽、网络建设成本低，并且使用免授权频段， 单位带宽的w l a n 的服务费用远比蜂窝网低【l6 1 ，在没有较高时延要求的情况下， 用户会更多的选择w l a n 接入。这也带来一个比较突出的问题，在w l a n 热点 覆盖地区，无疑会造成网络负载过重。 垂直切换中还有两个重要的参考因素，业务特性与用户移动性。从上文的分 析中，也可以看出下一代异构网络可以提供多种业务类型，不同类型的业务需要 不同的q o s 保证，如语音、视频等实时业务对时延要求较高，但也可承受少量 的分组丢失；非实时业务对时延要求不高，但需要较高的带宽支持。同时，不同 的网络对各类业务的支持能力也不同，如蜂窝网络能够提供对实时业务的有效支 9 异构网络垂直切换机制研究 持，保证实时性，但是不能有效保证传输数据业务所需的较高速率；w l a n 等 短距离通信网可以提供较高的数据传输速率，但支持实时业务的能力较差。用户 的移动速度直接影响通信链路的稳定性及可能的网间及网内切换次数。在蜂窝网 与w l a n 相融合的网络中，由于w l a n 的覆盖范围远比蜂窝网小，若为高速用 户选择w l a n 作为切换的目标网络，可能导致用户在网络间的频繁切换。较高 移动速度的用户，在选择切换目标网络时，要充分考虑网网络对移动性的支持能 力。另外，用户在网络中位置的变化，也会影响用户到网络接人点的距离，最终 直接影响用户的r s s 。通过基于r s s 的位置预测相关方法，可以提前获得用户 位置信息，在垂直切换算法的目标网络的选择过程中，可以基于用户的位置信息， 为用户选择驻留时间较长的网络作为目标网络，从而可避免用户频繁切换造成的 乒乓效应。 2 2 3 垂直切换基本流程 垂直切换分为三个阶段：网络发现、切换判决和切换执行f 1 7 】【1 8 】，切换过程 如图2 1 所示。网络发现阶段用于发现当前可用的网络系统，移动终端不断搜索 并测量当前接入网络和周围覆盖网络的参数信息，测量结果在某些预设的条件下 网络发现 切换判决 皇切换执行 l 改变接入点i 图2 1 切换过程 发送给相应的网络单元，此时进入相应的切换判决阶段；切换判决阶段用于确定 恰当的切换目标网络和切换触发时间。通过执行相应的切换算法，决定可用网络 是否可以满足目前正在进行通信的用户业务所需，并最终决定是否执行此次切 换，在终端与网络达成切换确定后，开始进入到切换执行阶段；切换执行阶段用 于进行切换实施过程，移动终端进入特定的切换状态，开始接收或发送与新网络 所对应的信号。 从端到端的角度看，由于垂直切换涉及多种异构的链路层接入技术，切换过 程又可以划分为不同的子过程，这些子过程包括： l o 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 系统发现和移动检测：移动终端通过特定的机制发现当前可用的网络， 检测到自己已经发生移动，或者通过底层协议信息、网络层检测机制、传输层传 输路径可用性检测等方法来实现。 ( 2 ) 链路层切换：链路层的连接变化过程，即断开与当前接入网络的链路层 连接，与切换目标网络建立连接的过程。 ( 3 ) 切换信令交互过程：是指垂直切换支持协议中实施切换的关键信令交互 过程。 ( 4 ) 网络接入鉴权与地址配置：由于垂直切换中用户跨异构的接入网移动， 移动终端在切换到新的接入网络后，需要新网络的接入鉴权和认证，并为其分配 i p 地址，之后，才能使用该网络提供的服务。例如，g p r s 网络中通过g p r s 附 着过程实现接入鉴权，通过p d p ( 分组数据规程) 上下文激活，获得网络i p ； w l a n 网络使用e a p ( 可扩展认证协议) 、动态设置协议( d h c p ) 完成此阶段 的鉴权与地址配置。 ( 5 ) 切换的辅助处理过程：在实施切换以后还需要完成的一些辅助处理。 由于切换执行阶段要实现的内容很多，包括切换信令交互，接入鉴权与地址 配置等复杂的过程。切换执行的研究主要是基于相关支持协议，如移动i p 、 m s t c p 等，在高层实现垂直切换。切换执行在高层的实现，必须有底层高效的 网络发现和切换判决支持，才能有良好的性能，因此本文垂直切换机制的研究主 要集中在网络发现和切换判决阶段。 2 3 垂直切换的网络发现方法 蜂窝系统中的移动终端一般只配有单一的网络接口，通过该接口完成通信过 程中分组数据的接收与发送，同时还可以监测周边网络，获取周边采用相同技术 的网络基站或者接入点的信道广播信息，得到所需的网络性能参数。为保证蜂窝 网络中用户的移动性支持，此类终端需要始终开启网络接口与当前网络通信或者 发现周边网络。其中，主要是通过移动终端与基站之问的接收信号强度来发现周 边的网络。 异构网络中，为了适应网络融合的特性，移动终端需配置多模接口，通过不 同的接入网络进行通信。与蜂窝网络的发现方式一样，通过不同网络接口上接收 异构网络垂直切换机制研究 到的广播信息，如u m t s 网络中的小区广播信息，w l a n 网络中的信标帧等。 多模终端依靠不同的网络接口发现与之匹配的网络。这种发现方法需要终端的所 有网络接口始终保持激活，但也会给能量有限的终端造成较大的能量损耗。从终 端能耗的角度出发，终端可以通过网络接口定时开启的方法来发现可用网络，比 如i e e e 8 0 2 1 6 e 标准中将终端状态划分为两种模式( 图2 2 ) ：休眠模式和清醒 模式。休眠模式中又可分为两种窗口：休眠窗口和监听窗口。休眠窗口从移动终 端进入某个休眠状态开始，到其开始监听状态的这段时间，m s 在休眠窗口内部 不发送和接收任何分组数据；监听窗口是个固定的时间段。清醒模式是指移动台 处在正常接收和发送数据分组的收发状态。 a - 厶 体眠模式 呈 清 清 爱。 们 醒 山 臣 k i 醒 j 芷模 楱荔。 们 式 式磐 黝髦 0 芝 芝 ir t ；- - r o 眯正辱i - 珠z 婚瓦- 水t 爿。 匿函体眠窃口 v a 监听窗口 口清醒状态 图2 2i e e e 8 0 2 11 休眠模式 终端休眠模式，终端休眠有基站控制，在每一个判决时刻基站根据业务指示 信息来决定终端休眠周期的大小。一般如果基站连续没有业务，基站会将坚挺窗 口也转为休眠窗口，并且按照指数增长的方式来决定终端的休眠周期，直到达到 最大值并保持不变；当有业务指示的时候，基站就唤醒终端到监听窗口来接收和 发送信息，并且此时的传输数据的最大时间是初始休眠周期。 异构网络中多模终端【