（通信与信息系统专业论文）异构无线网络中基于80221标准的垂直切换算法研究.pdf

簟 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 矿岬叼 本人签名：盔盈王虚 本人承担一切相关责任。 日期：塑! ! ：至丝 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。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，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： v 7v 一 p 夕 竹1 9 妒咿 e t 期： 丝! 里：圣：丝 e t 期： 2 生2 。墨：盟 -；一、?， 本论文由国家8 6 3 计划项目( 编号2 0 0 7 a a 0 1 2 2 2 1 ) ：异构无线网络中具有主动 特性的资源管理技术资助以及国家自然基金重点项目( 编号：6 0 8 3 2 0 0 9 ) ：基于 认知的无线资源管理与利用资助。 -， ， 北京邮电大学硕士研究生学位论文 异构无线网络中基于8 0 2 2 1 标准的垂直切换算法研究 异构无线网络中基于8 0 2 2 1 标准的垂直切换算法研究 摘要 为实现异构网络间的无缝切换，确保用户的服务质量，充分利用各 种无线接入网络的优势，满足对业务无线化，宽带化和智能化的需求， 移动终端需要实现垂直切换。i e e e8 0 2 2 1 标准中定义的媒质无关切换机 制是一种解决方法，为异构网络间的互连互通提供了与底层具体实现方 式无关的统一框架。本文提出了一种在u m t s ，w l a n 以及w i m a x 网 络环境下的一种基于媒质无关切换的新型用户自适应垂直切换机制。同 时，为了实现异构网络间的负载均衡，保证整个网络资源的有效综合利 用，对提出的切换机制进行了相应的改进，实现了网络间的动态流量调 度。 本文首先对在u m t s ，w l a n 以及w i m a x 网络的技术理论以及技 术特点进行了阐述，分析了垂直切换的新特征，介绍了无线异构网络中 多模终端的协议模块以及实现机制。接着按照协议层次结构分别从处于 数据链路层之上的8 0 2 2 1 协议，处于网络层的移动i p v 6 协议以及处于传 输层的s c t p 协议三个方面介绍了不同层次对垂直切换的支持特性，并 利用这些协议设计了完整的垂直切换流程，同时提出了一种与经典的多 参数决策方法相比更加灵活的选择机制以根据用户的需要选择为用户提 供最合适服务的网络进行切换。仿真结果显示与基本的垂直切换机制相 比，提出的机制可以提供更少的切换次数和更好的服务质量。另外基于 前述切换机制提出了负载均衡算法，降低了异构网络用户的阻塞率，提 高了网络资源利用率。 关键词：异构网络，m i p v 6 ，s c t p ，m i h ，垂直切换 j ! 室坚皇盔堂堡主堑窒生堂垡丝窒 一 墨塑垂垡堕塑董士璺丝：! ! 堡堡塑垂童塑垫篁鎏婴塞 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ l _ - _ _ _ _ _ _ i _ - l _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - l _ _ _ _ _ _ l _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ 。_ 。一一 知 s k ， ，t 韭室坚皇盔堂堡主塑窒竺堂垡论塞 异构无线网络中基于8 0 2 2 1 标准的垂直切换算法研究 r e s e a r c ho f t h ev e i u ? i c a lh a n d o v e r a l g o r i t h mb a s e do n8 0 2 21s t a n d a r d o fh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k a b s t r a c t m o b i l et e r m i n a l sh a v et o a c c o m p l i s h v e r t i c a lh a n d o v e r sa m o n g h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s f o rt h e p u r p o s eo fr e a l i z i n gs e a m l e s sr o a m i n g ， g u a r a n t e e i n gq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) a n dm a k i n gf u l lu s eo fv a r i o u sk i n d so f w i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k s m e d i ai n d e p e n d e n th a n d o v e r ( m i h ) m e c h a n i s m d e f i n e db yi e e e80 2 21s t a n d a r di sap o s s i b l ea p p r o a c ht ot h i sp r o b l e m i nt h i sp a p e r ，w ep r o p o s ean o v e l u s e r a d a p t i v ev e r t i c a lh a n d o v e rs c h e m e b a s e do nm i hi nu m t s ，w l a na n dw i 蚴n e t w o r k s a tt h es a m et i m e i m p r o v e m e n t sh a v eb e e nm a d et or e a l i z ed y n a m i cf l o ws c h e d u l i n ga m o n g n e t w o r k si no r d e rt or e a l i z i n gt h el o a db a l a n c eo f h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k sa n d e n s u r ee m c i e n t i n t e g r a t e du t i l i z a t i o no ft h ew h o l en e t w o r kr e s o u r c e s t h et h e s i sf i r s td e s c r i b e st h ek e yt e c h n i q u e sa n dn e t w o r kc h a r a c t e r i s t i c s o fu m t s ，w l a na n dw i m axn e t w o r k s ，a n a l y s e st h en e wf e a t u r e so f v e r t i c a lh a n d o v e r s ，i n t r o d u c e st h ep r o t o c o lm o d u l e sa n dr e a l i z i n gs c h e m eo f m u l t i m o d et e r m i n a l si n h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s t h e ni ti n t r o d u c e st h e v e r t i c a lh a n d o v e rs u p p o r t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n ti e v e l sa c c o r d i n gt o d i f f e r e n tl a y e r i n gs t r u c t u r e ，w h i c hi n v o l v e s8 0 2 21 p r o t o c o la b o v ed a t al i n k l a y e r ，m o b i l ei p v 6p r o t o c o la tn e t w o r kl a y e ra n ds c t pp r o t o c o la tt r a n s p o r t l a y e r ，i na d d i t i o nt h i st h e s i sd e s i g n sc o m p l e t ev e r t i c a lh a n d o v e rp r o c e s su s i n g t h e s ep r o t o c o l sa n da d d r e s s e sam o r ef l e x i b l ec h o o s i n gs c h e m ec o m p a r e d w i t hc l a s s i c a lm 匕如mt os e l e c tt h ep r o p e ro n ea c c o r d i n gt os u b s c r i b e r s n e e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e ds c h e m ep r o v i d e ss m a l l e r h a n d o v e rt i m e sa n db e u e rq o st h a nt h eb a s i cv e r t i c a lh a n d o v e rs c h e m ea n d i i i 争 t h e p r o p o s e d l o a db a l a n c ea l g o r i s md e d u c e st h eu s e r o u t l e tr a t i oi n h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k sa n d i n c r e a s e sn e t w o r kr e s o u r c eu t i l i z a t i o nr a t i o 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 ，m i p v 6 ，s c t p ，m i h ，v e r t i c a l h a n d o v e r i v 各 北京邮电大学硕士研究生学位论文 异构无线网络中基于8 0 2 2 1 标准的垂直切换算法研究 目录 第一章绪论l 1 1 研究背景和研究意义1 1 2 本文主要贡献3 1 3 本文的结构和安排4 第二章异构网络间的互联互通及垂直切换5 2 1 u m t s w i m a x 佩，l a n 网络间的互联互通5 2 1 1 u m t s 网络介绍5 2 1 2 w i m a x 网络介绍6 2 1 3 w l a n 网络介绍7 2 2 垂直切换介绍7 2 2 1 垂直切换与水平切换7 2 2 2 垂直切换的新特征9 2 3 异构网络中的多模终端1 1 2 4 本章小结1 2 第三章基于8 0 2 2 1 协议垂直切换解决方案1 3 3 i l e e e 8 0 2 2 1 媒质无关切换标准1 3 3 1 18 0 2 2 1 标准的目标1 3 3 1 28 0 2 2 1 标准的参考模型1 4 3 1 38 0 2 2 1 媒质无关切换( m i h ) 服务1 4 3 1 3 1 媒质无关事件服务o 1 6 3 1 3 2 媒质无关命令服务1 7 3 1 3 3 媒质无关信息服务。17 3 2 垂直切换的典型上层支持协议。1 8 3 2 1 网络层相关协议m i p v 6 介绍1 8 3 2 2 传输层相关协议m s c t p 介绍1 9 3 2 3 应用m i p v 6o v e rm s c t p 实现垂直切换的过程2 0 3 3 基于8 0 2 2 1 协议垂直切换算法2 2 3 3 1 多属性判决策略( m a d m ) 2 2 3 3 2 具有服务质量自适应性的多属性判决策略2 4 3 3 3 采用该算法的媒质无关垂直切换流程2 5 v 北京邮电大学硕士研究生学位论文异构无线网络中基于8 0 2 2 1 标准的垂直切换算法研究 3 4 基于垂直切换的异构小区间的负载均衡算法2 8 3 4 1 异构网络间的负载均衡2 8 3 4 2 媒质无关远程事件服务信息流程2 9 3 4 3 采用多属性垂直切换判决策略的负载均衡机制3 1 3 5 本章小结3 2 第四章仿真与结果分析3 3 4 1 仿真分析3 3 4 1 1n s 2 及相关模块3 3 4 1 2 仿真设计3 7 4 2 仿真结果分析4 1 4 3 本章小结4 4 第五章结束语4 5 5 1 全文工作总结。4 5 5 2 不足和下一步工作方向4 6 参考文献4 7 致谢4 9 攻读学位期间发表的学术论文5 0 v i 北京邮电大学硕十研究生学位论文异构无线网络中基于8 0 2 2 1 标准的垂直切换算法研究 1 1 研究背景和研究意义 第一章绪论 无线接入通信方式正以迅猛的速度遍及全球各个领域。虽然当今的个人无线通信 绝大部分都是由蜂窝网来完成的，但随着无线局域网( w i r e l e s sl o c a ln e t w o r k ，w l a n ) 和无线个域网( w i r e l e s sp e r s o na r e an e t w o r k ，w p a n ) 的快速发展，w i m a x 城域网及 其他无线宽带网的陆续推出，个人无线通信的方式和内容同趋多样化。无线、宽带、 互联网技术的快速发展，自组织的泛在与异构网络新型网络构架层出不穷，并且派生 了大量的新型的数据服务。 下一代无线系统的目标之一是可以在任何时问任何地点为任何人提供比更高数 据速率的多媒体数据业务传输。在业务的宽带性以及时延要求日益增多的情况下，要 建立一个采用同一制式的无线通信系统来满足用户提出的所有业务要求是不太切合 实际的，在以往设计的通信系统中，曾出现过a t m 等传输技术意图创造一个统一的 网络环境来承载包括语音，数据等不同类型业务，从而便于统一管理，但由于类似的 技术实现复杂度较高，网络成本也随之上升，所以这类技术并没有大规模地应用于实 际网络中。另外考虑到业务的拓展和网络的演进，很多运营商己经拥有两套或者多套 支持移动特性的无线通信系统，为了保护现有投资以及为用户提供更好的服务，大家 都希望各个无线系统之间能够实现良好的互操作性，相互依存，在合适的领域发挥自 身的技术和成本优势。另一方面，宽带i n t e m e t 技术的快速发展使得在核心网部分可 以将各个不同的专用无线系统连接起来，构建一个全球通信系统，同时允许各个无线 系统在服务能力和技术方面存在一定的差异，允许各个无线系统在传输和控制方面相 互独立。 当前主要的无线接入技术主要由两大标准组织进行协议标准的制定，一方面，传 统的蜂窝移动通信系统，经过第一代模拟蜂窝通信系统初步的发展，第二代数字蜂窝 通信系统全球范围内的繁荣，正在向着第三代移动通信系统演进的方向发展。3 g p p 和3 g p p 2 提出了全m 的体系结构。3 g p p 的全口网络架构，不仅定义了m 多媒体业 务子系统i m s ，而且在电路域中引入了基于分组的承载能力和软交换控制体系。随着 l i p 多媒体业务子系统的引入，3 g 分组域将逐步提供电信级的多媒体服务，传统的电 路域业务也会逐渐向分组域转移，从而充分利用分组交换信道利用率高，灵活性强的 北京邮电大学硕士研究生学位论文异构无线网络中基于8 0 2 2 1 标准的垂直切换算法研究 技术特点。另一方面，i e e e 系列的多种无线接入技术也是无线接入技术的典型代表， 如i e e e 8 0 2 1 l ，i e e e 8 0 2 1 5 ， i e e e 8 0 2 1 6 ，i e e e 8 0 2 2 0 系列。这些接入技术专门针 对不同的无线应用场景设计，与蜂窝移动通信系统不同，这些接入技术从数据业务出 发，主要针对的对象是具有较高处理能力与智能应用的计算终端，并为这些用户提供 在一定范围内的高速数据服务。从网络通信发展的趋势来看，具有不同特性的无线网 络将长期共存。而且，随着通信技术的不断发展，未来还会涌现出更多的无线接入技 术，而这些新技术与现有技术之间的关系也不是简单的替代关系，为了向移动用户同 时提供低延时、低功耗、低成本、高带宽以及高覆盖率的服务，需要研究异构网络间 的互连互通。 多种无线接入技术并存发展的同时，各标准化组织也开始关注异种网络融合的问 题。目前广泛研究的典型的异构网络互联场景包括以下几种情形：蜂窝网络同无线局 域网( 如w l a n ) 的互联，基于不同制式蜂窝网络的互联( 如g s m 和u m t s 的互联， t d - s c d m a 与w c d m a 混合组网等) ，蜂窝网络及其演进版( l t e ，l o n g - t e r m e v o l u t i o n ) 和w i m a x 的混合组网，蜂窝网络和自组织网络( a d h o c 网络) 的互联，卫星 网络和陆地网络的互联等。 国内外的许多研究小组已经致力于异构网络关键技术的研究，欧盟信息社会技术 ( i s t ) 计划中的无线通信项目对无线技术的接口、网络和应用三方面开展了一系列 研究【i l 。近年来开展的相关研究项目和课题有欧洲电信标准协会的宽带无线接入网标 准e t s ib r a n t 2 。，欧盟i s t 的框架结构中【3 】的w i n eg l a s s ，b r a i n ，m i n d ， d r i v e o v e r d r i v e ，t r u s t s c o u t ，f u t u r e 等。但这些研究课题都存在一定的 侧重性，一般适用于某种特定的网络环境，没有就异构网络中的资源共享以及无缝覆 盖给出公认的通用解决方案，仍在不同程度上存在着改进空间。 从i s t 的框架结构f p ( f r a m e w o r kp r o j e c t ) 5 开始，异构网络领域的技术研究逐 渐成为趋势，代表项目有w i n e 、d r i v e 、t r u s t 、s c o u t 、w i n d f l e x 等。主 要研究先进软件无线电系统联合无线资源管理和异构无线网络自调、自管和自控相关 管理技术。而欧洲另一研究项目b r a i n ( b r o a d b a n dr a d i oa c c e s sf o ri p b a s e d n e t w o r k ) 【3 】特点是通过使b r a i n 和r a n 分别经由各自的m i p 网关接入i p 骨干网 兼容u m t s 、g p r s 等多种体系。项目b r a i n m i n d 提出一种开放式结构，允许固 定互联网、正在出现的无线与移动互联网和u m t s g s m g p r s 走向融合，提供端到 端的口综合服务。项目m o b y d i c k 4 是从目前i e t f 的q o s 模型和移动i p v 6 出发， 考虑基于i p v 6 的端到端q o s 结构，将在一个交互式和分配式多媒体应用试验床上加 以演示，该试验床( t e s t b e d ) 分别包括u m t s 、w l a n 和e t h e r n e t 网。项目e v o l u t e 2 北京邮电大学硕士研究生学位论文异构无线网络中基于8 0 2 2 1 标准的垂直切换算法研究 旨在设计、规范和开发全i p 基础设施，能向通过不同无线技术接入网络的用户提供 无缝多媒体服务。与以上侧重提供i p 综合服务的项目不同，为无线移动用户提供位 置和q o s 感知的服务是项目w i n eg l a s s 6 】的目标，它将在包括u m t s 和w l a n 的无线互联网结构中开发利用增强的或新的i p 技术。 i s tf p 5 阶段的研究互有侧重，但这些研究都未能提供一个支持网络、终端、业 务管理与控制的完整平台和体系架构。研究发展到i s tf p 6 ，欧盟开始专注于体系的 完整构建和整合。这期间展开的项目有a n ( a m b i e n tn e t w o r k ) i r ，j ，w i n n e r ( w i r e l e s s w o r l di n i t i a t i v en e wr a d i o ) i s j 。a n 项目根据当前多种网络共存的现状强调应调动各 种网络的竞争和合作关系，通过网络的动态、自发的组合与拆分，实现网络互通、资 源共享和业务的连续提供。试图在链路层( l i n kl a y e r ) 实现b 3 g ( b e y o n d3 g ) 网络中 多种无线接入技术的整合。3 g p p 和w l a n 融合网络的研究为无线异构网络的研究提 供了研究实例，其中代表性的为在欧洲启动的u m a ( u n l i c e n s e dm o b i l ea c c e s s ) 项 目，最早是由多家移动运营商和全业务运营商发起，旨在使用户可以在室内通过i p 接入网使用移动网络的资源。目前，已有众多电信业的领导厂商推出了u m a 相关产 品，英国电信，法国电信，德国t - m o b i l e ，意大利t e l e c o mi t a l i a ，瑞典t e l i as o n e r a ， 美国c i n c i n n a t ib e l l 等多家运营商也相继开始u m a 业务的商用。用户首先要有一个 内置u m a 协议栈蜂窝w l a n 多模终端，在室外时语音或数据业务通过 g e r a n f u m t s 蜂窝网络实现，进入室内w l a n 的覆盖范围后，所有的业务则自动 切换到w l a n 网络并能保持连续；同样，用户离开w l a n 覆盖区域进入蜂窝网络时， 业务也能平滑切换过来。 移动性管理技术最初源自蜂窝移动通信网络。在技术演进的过程中，未来的移动 性管理技术所涉及的研究背景扩展至包括各种无线接入技术在内的泛在、异构网络环 境。同时，业务、网络、终端之间的关系也经历了从独立到融合再到协同的发展过程。 这些研究背景的变迁也给移动性管理技术带来了全新的挑战。移动性是用户的迫切需 求，移动性管理也成为未来通信技术发展中的关键技术1 9 1 。近年来，移动性管理技术 得到了越来越多的关注，相关研究成果也日益丰富。基于上述的研究现状和问题，本 论文着重从垂直切换的切换触发条件、切换性能以及切换决策等问题入手，进行深入 的研究。 1 2 本文主要贡献 本文对包括u m t s 网络，w i m a x 网络以及w l a n 网络的异构网络环境中的多 3 北京邮电人学硕士研究生学位论文异构无线网络中基于8 0 2 2 1 标准的垂直切换算法研究 模终端的垂直切换机制与算法进行了研究与讨论，以便为用户提供无缝切换服务以及 更好的业务服务质量，本文的主要贡献包括： 设计了异构网络环境中的多模终端的层次结构与功能模块，多模终端包含三个无 线接口，在同一时间，用户可以使用不同的接口进行数据传送，提高用户的吞吐 量。设计多接口的扫描模式，确保在节省终端耗电量的前提下尽量有效地使用各 网络的资源。为了向上层提供对接口透明的服务，在数据链路层与网络层之间加 入了媒质无关切换功能层便于上层控制模块获取底层状态信息并发送切换控制 信息。为了支持垂直切换，在多模终端的网络层和传输层分别采用了移动i p v 6 技术以及移动s c t p 技术，从而实现了多个接口之间的平滑切换。 提出了基于媒质无关切换服务的多属性决策判决算法，基于多模终端传输层的移 动s c t p 的多归属特性，用户可以根据每个业务的特性动态地选择最适合的端口 进行传送，在为用户提供满意的服务质量的基础上在最大程度上提高网络的资源 利用率。另外，针对异构网络中存在的负载不均衡的问题，根据上面的算法，利 用媒质无关远程信息服务及时获取基站侧的使用情况信息，并对选择接入网络的 加权参数进行对应的调整，从而使整个网络的流量进行均匀的调度，降低单模用 户业务的阻塞率。 设计不同网络之间的业务映射机制，主要用于为用户提供一定服务质量的u m t s 网络以及w i m a x 网络之间的静态映射，保证用户在垂直切换过程中的业务质量 的平滑过渡，提高切换过程中业务的平稳性。 1 3 本文的结构和安排 后续论文各部分内容安排如下：第二章介绍了本文涉及的异构网络环境，垂直切 换的特征以及多模终端的功能设计。第三章介绍了基于媒质无关切换服务的垂直切换 算法以及整个垂直切换流程。第四章对提出的垂直切换算法进行仿真，并对仿真结果 进行了分析。最后在第五章指出了研究中的不足以及前景展望。 4 北京邮电人学硕士研究生学位论文异构无线网络中基于8 0 2 2 1 标准的垂直切换算法研究 第二章异构网络问的互联互通及垂直切换 本章对w l a n 、w i m a x 、t d 。s c d m a 技术理论、异构网络融合需求及垂直切 换技术进行了分析，讨论并对比当前不同的移动性管理协议技术。 2 1 u m t s 胍m a x m ，a n 网络间的互联互通 2 1 1u m t s 网络介绍 u m t s ( 全球移动通信系统) 是基于原欧洲全球移动通信系统g s m 系统之上发 展起来的第三代移动通信系统。主要由3 g p p ( 第三代伙伴计划) 组织进行标准化工 作。u m t s 系统的主要目标包括提供一个综合的系统使得用户在全球范围内均可利用 统一制式的终端进行通信，允许网络提供更多高质量高速率的应用，适应各种环境的 系统，包括用户高速移动时最高速率为1 4 4 k b i t s ；用户慢速移动时的最高速率为 3 8 4 k b i t s ；用户静止时最高速率为2 m b i t s 。 u m t s 是一个整体系统的概念，从网络结构上划分为u m t s 核心网，u m t s 无 线接入网和u m t s 用户终端u e 三部分， 5 1u m t s 核心网主要包含g p r s 服务支持 节点，g p r s 网关支持节点，前者主要为用户设备提供服务，后者主要是起网关作用， 它可以和多种不同的数据网络连接。u m t s 无线接入网包括n o d e - b 与无线网络控制 器( r n c ) 。n o d e - b 通过标准的i u b 接口与r n c 互连，通过u u 接口与u e 进行通信， 主要完成u u 接口物理层协议和i u b 接口协议的处理。r n c 通过i u 接口与核心网中 的s g s n 互连，主要用于提供移动性管理，呼叫处理，链接管理和切换机制，在u u 接口部分定义了五种主要的无线接口技术，以t d s c d m a ，w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 为主流技术。在本文异构网络中u m t s 网络中的无线接口主要采用t d s c d m a 技术， 其调制方式包括c d m a 和t d m a ，双工方式是时分双工，可以承载语音和数据业务。 其主要技术优势包括：适合上下行非对称业务，上下行分界点可以自适应调节，频谱 利用率较高，系统中不同的业务类型基本上为同径覆盖，覆盖范围不受业务类型的影 响，通过采用智能天线技术可以提供基于位置的服务等。其技术缺陷包括覆盖范围 较小，数据传输速率与宽带数据接入网相比较小等。 北京邮电大学硕士研究生学位论文异构无线网络中基于8 0 2 2 1 标准的垂直切换算法研究 2 1 2w i m a x 网络介绍 i e e e 8 0 2 1 6 协议是由i e e e 8 0 2 工作组制定的无线城域网标准，覆盖半径达几十 千米，提供较高传输速率，支持固定和移动宽带无线接入。为促进i e e e 8 0 2 1 6 标准 的应用，国际几大通信设备提供商成立了“全球微波接入互操作 ( 简称w i m a x ) 论 坛，因此，宽带无线城域网又常常称为w i m a x 系统。w i m a x 在一些难以实现光纤， 电话线覆盖的地区可以提供替代的作用，而且成本相对较低，可以提供非视距范围的 高速无线接入。 为了提供更高的速率，8 0 2 1 6 系统的物理层采用了许多关键技术，包括多种信道 编码技术，根据不同业务的服务质量要求和传输速率灵活地选择合适的信道编码方 式，o f d m o f d m a 调制技术提高频谱利用率以及多天线技术。m a c 层最显著的特 征是基于“连接”的，所有用户的业务的服务质量都是在连接中实现的，每一个连接 均由一个连接标识符c i d 来唯一标识。m a c 协议设计的中心思想是业务流架构在传 输连接上，业务流提供了上下行q o s 管理的机制。终端以连接为基础来请求带宽。 传输连接在建立后，根据服务类型的不同需要不同的维护。 8 0 2 1 6 协议主要定义了物理层及m a c 层，m a c 层包括三个子层： 服务汇聚子层：将所有从汇聚层服务接入点( c ss a p ) 接收到的外部网络数据的转 化映射成m a cs d u ，通过m a cs a p 发送给m a cc p s 。c s 层的功能包括：分 类外部网络服务数据，将这些数据关联到正确的m a c 服务流及连接。还可能包 含负荷头压缩功能。有两种服务汇聚子层：a t m 汇聚子层及包汇聚子层。 m a c 公共子层：该层包含m a c 层的核心功能，包括带宽请求，连接建立，连 接维护。该层从m a cs a p 接收数据，按m a c 连接分类。q o s 将被应用到传输 中并由物理层来保证。 加密子层：m a c 层包含一个单独的加密子层来提供认证、密钥交换及加密。 i e e e8 0 2 1 6 宽带无线接入系统在其上行方向采用时分复用和资源竞争与预留 的方式进行接入。对于u g s 和r t p s 类型，协议分别采用周期性预留带宽及定期轮 询的方式，s s 之间不存在冲突。对于n r t p s 和b e 类型，采用带宽请求与预留的方 式，各s s 之间存在着竞争与冲突。终端在与基站之间传送数据之前需要进行入网过 程，主要包括入网测距过程，注册过程以及带宽请求过程。 6 北京邮电大学硕十研究生学位论文异构无线网络中基于8 0 2 2 1 标准的垂直切换算法研究 2 1 3w l a n 网络介绍 i e e e 8 0 2 1 1 协议是由i e e e 8 0 2 工作组制定的无线局域网标准，主要是用于在热 点小区提供高速数据业务，其覆盖范围一般是几百米，无线局域网工作在2 4 g 无授 权频段，因此成本较低，目前无线局域网的使用非常广泛。 与有线局域网以太网标准类似，无线局域网在空中接口采用竞争接入的方式共享 信道，因此在接入信道之前需要侦听信道是否空闲，由于无线信道中信号存在衰落现 象并且终端在发送数据时很难检测是否发生了碰撞，因此无线局域网采用了碰撞避免 的机制取代了有线网络中的碰撞检测，引入了逻辑载波监听以及随机退避计时器的概 念。 无线局域网存在两种组网方式，分别是a dh o e 方式和基础设施方式，在a dh o c 方式中，各节点处于对等地位，每个节点都具备路由功能，两个无线节点间的通信可 以通过第三方节点转接，这种组网方式的优点是网络结构灵活，组网方便。在基础设 施方式中，引入了无线接入点的概念，各无线节点间的传递可以通过无线接入点进行，刍 终端也可以通过无线接入点访问因特网上的资源。 无线局域网定义的m a c 层可以选用两种协调机制，分布式协调机f l ；o ( d c f ) 以及 点协调机f l ；i j ( p c f ) ，前者适用于a dh o c 方式和基础设施方式，而后者只适用于基础设 施方式。分布式协调方式采用带碰撞避免的载波监听多路访问技术，为避免暴露终端 或隐藏终端的情况，协议采用了r t s c t s 机制，并且采用了a c k 机制保证传输的可 靠性。 由于采用竞争机制，所有用户都可以侦听信道并在信道空闲时接入，因此无线局 域网并不为用户提供服务质量保证，所以当用户数目增多时，各用户的服务质量性能 都会下降，特别是对于实时性要求比较高的话音业务来说影响更大。 2 2 垂直切换介绍 2 2 1 垂直切换与水平切换 水平切换是指在采用同一接入技术的网络环境下，由于无线终端的移动或无线信 道的变化等原因引发的终端由一个服务访问点转到另一个服务访问点的过程。由于无 线接入点的覆盖范围有限，为了支持终端的可移动性，当终端移动到一个小区的边缘 时需要转接到另一个小区以提供持续服务，或当终端处于两个小区的重叠覆盖下时， 7 北京邮电大学硕： ：研究生学位论文异构无线网络中基于8 0 2 2 1 标准的垂直切换算法研究 由于无线信道的衰落或流量均衡等原因，需要主动地将终端切换到提供更好服务质量 的基站上。 随着移动通信技术的发展，出现了很多新的无线接入技术，这些技术采用先进的 物理层及m a c 层解决方案，为用户提供了无处不在的网络覆盖以及更优质的服务质 量。但随之而来的问题是由于这些接入技术的实现机制各不相同，使用单一制式终端 的用户无法综合利用周围其他的网络覆盖，浪费了网络资源。另一方面，某种接入技 术总存在自身的局限性，也拥有各自适用的使用情境，例如2 1 1 节中的t d s c d m a 技术能实现通信的高质量和无缝漫游要求，具有成熟的话音服务，良好的漫游切换， 完整的认证计费功能。2 1 2 节中的w i m a x 技术传输距离远，数据传输率高，扩展 性好。而w l a n 技术可以满足热点地区高速率数据传输要求，但不保证用户的服务 质量。表2 - 1 对三种接入技术的特点进行了比较，由此表可以看出这些网络之间具有 天然的互补性，对它们进行有效的融合，取彼之长，补己之短，可以为用户提供高质 量的多媒体数据业务，让用户充分享受到移动通信的便捷和宽带通信的高效。 表2 - 1 三种接入技术的比较 技术 w l a n ( 8 0 2 1 1 ) 、7 i 僦u a xt d s c d m a 频率范围2 4 0 0 - 2 4 8 3 g h ，不2 11 g h z ，部分不需核心频段：2 0 1 0 2 0 1 5 m h z ， 需许可牌照许可牌照需许可牌照 信道带宽 1 l m h z f d d ( 1 2 5 2 0 m h z ) t d d ( 1 6 m h z ) 覆盖范围 9o o 9 4 “) ) 是玉的m 维多属性向量，么是第t 个属性空间， a = a 1 a 2 a ”是m 维属性空间，a ：x 专a ，x - - a x ) 是x 上的多属性映射。 多属性决策问题为矿一o p ta x ，) ，其中y o p t 表示对多属性向量 x i x 彳“) = ( 4 薯) ，4 ，l “ ) 的最优化。4 如) 可以是定量表示的也可以是定性表示的。 记办= 4 ( 五) 表示方案而在属性4 下的属性值，那么多属性决策问题可以用决策矩 阵表示为 以以： ( 3 - 1 ) 在异构网络环境中，用户可以使用多模终端享有多个服务提供者的网络接入服 务，如2 2 2 节所述，不同于在统一接入标准中的水平切换判决过程，切换判决实体 不再仅仅根据接收信号的强弱来决定切换的目标网络，在异构网络环境中，为提高用 户的服务质量以及网络的使用效率，可以使用8 0 2 2 1 协议提供的媒质无关信息服务 获取若干切换判决参数，来综合分析最佳目标网络，这些参数可以包括候选网络的资 源利用率，提供的带宽，数据的平均时延，距离终端的远近以及接收信号的强弱等， 而根据这些参数综合判决最优网络的过程应用多属性判决策略( m a d m ) 。 对于切换判决中的多种评判属性，根据单一的标准对候选网络进行排序已经不再 适用，而且切换过程中不同的属性可能会相互排斥，例如，当所需的服务质量提升时， 北京邮电人学硕士研究生学位论文异构无线网络中基于8 0 2 2 1 标准的垂直切换算法研究 可能会造成费用的增长，因此有时要进行属性间的权衡。在现有研究中，基于多属性 判决策略领域的研究成果，提出了基于加权和，基于模糊推理，基于策略和基于层次 分析法等各种方案，在中提出了一种经典模糊多属性决策方法来处理一些模糊的参 数信息，在【2 0 1 中提出了一种自适应的多标准垂直切换决策算法。然而，大多数多属性 决策算法选择提供最佳服务质量的网络作为目标网络而没有考虑到用户的服务质量 需求以及单个用户性能与整个网络资源使用率间的权衡。在口中提出了一种选择最合 适的网络而不是最优网络作为目标网络以更有效地利用网络资源，但这种方法的选择 策略不够完善，有时甚至会得到错误的结果，具体的分析将在下节中进行讨论。下面 首先分析基本的最优加权和多属性判决策略算法。 假设当前多模终端已经获取足够多的可用网络判决属性值来进行评估，并假设共 有四个候选可用网络，此时可以得到判决矩阵 西) 。绚其中西等于第i 个可用网络提 供的第个服务质量参数值。 令矩阵d l 5 = ( d i d 2 如d 4 略) 等于用户期望的服务质量参数，用户应用 的归一化加权参数为w j ，并且z ，w j 。1 。如果判决矩阵中包括不确切的参数，可 以首先将其转化为确切的数值再进行计算。 ” 。= p 2 ， 芬= 吩尹a = k5 ，= k 5 ) ( 3 - 3 ) 芬= 尹i x i j ( i = l , ，5 _ ，= k 5 ) ( 3 - 4 ) g = 奶傍o = k 5 ) (35)g 为矩阵( 3 一z ) e e 的所有元素进行归一化操作。如果某一属性是效益属性值，可以通 过式( 3 3 ) 进行归一化，式( 3 4 ) 用于开销属性值。式( 3 5 ) e e 的g l 等于用户需求的总加 权判决值而毋o 1 ) 等于网络珀勺加权判决值。在获得各网络的加权判决值之后，切换 判决模块选取最大值对应的网络作为目标切换网络。 北京邮电大学硕士研究生学位论文异构无线网络中基于8 0 2 2 1 标准的垂直切换算法研究 3 3 2 具有服务质量自适应性的多属性判决策略 采用简单加权和判决比较简单易行，但存在着一定的局限性，首先用取最优值的 方式选择目标网络，假设有一组用户进入一个服务范围，这里以w l a n 为例，它们 都检测到新网络可以提供最优的服务质量因此决定切换，这可能造成新网络的性能大 大下降。可以通过选择大于用户需求加权和的集合中的最小值来解决这个问题。然而， 这种方法有时不够精确， 选取的集合中的最小值不一定