（通信与信息系统专业论文）认知无线网络中的快速切换协议研究.pdf

摘要 i 眦帆吣叭i ( 叭3 哪呲叭m b 9 y 2 0 6 7 9 0 9 帆 一 本文主要研究了认知无线网络环境中的快速切换协议及其在资源移动性场景 下的应用。首先，介绍了认知无线网络技术及异构网络环境下的移动性管理的相 关理论，并指出在认知的异构网络环境下，优化的切换管理机制是保证用户服务 质量的关键因素之一。在此基础之上，描述了认知无线网络资源管理架构及管理 流程。接着，给出了资源移动性的概念，分析了造成资源移动性的原因，并指出 了切换协议流程在资源移动性管理中的重要性。然后，为了在未来异构的认知无 线网络环境下保证用户的业务连续性和服务质量，本文从减少切换时延和提高切 换成功概率两方面出发，基于本课题的认知无线资源管理架构，给出了一种快速 切换协议流程。之后，对该切换协议进行了理论分析和仿真验证。仿真结果表明， 在本课题的认知无线资源管理架构下，该切换协议在切换耗时和切换接入成功概 率上，比传统的切换协议流程有了较大的提升。最后，简单介绍了该切换协议在 实验室环境下的实现。 关键词：认知无线网络资源移动性切换管理快速切换协议 a b s t r a c t t h i sa r t i c l em a i n l ys t u d i e st h ef a s th a n d o v e rp r o t o c o lu n d e rc o g n i t i v ew i r e l e s s n e t w o r ke n v i r o n m e n t , a n di t sa p p l i c a t i o n si nr e s o u r c e sm o b i l i t ys c e n a r i o f i r s t l y , t h e r e l e v a n tt h e o r e t i c a lk n o w l e d g ea b o u tc o g n i t i v e w i r e l e s sn e t w o r ka n dm o b i l i t y m a n a g e m e n tu n d e rh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k e n v i r o n m e n t9 x ed e s c r i b e d o p t i m i z e d h a n d o v e rm a n a g e m e n ts c h e m ei sp o i n t e do u ta so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r s ， w h i c hc a ne n s u r et h eu s e r s q u a l i t yo fs e r v i c e o nt h i sb a s i s ，i td e s c r i b e st h ec o g n i t i v e r a d i or e s o u r c e sm a n a g e m e n ts t r u c t u r ea n dm a n a g e m e n tp r o c e d u r e a f t e r w a r d s ，t h e c o l l c c p to f r e s o u r c em o b i l i t yi ss t a t e da n dt h el e a s o n sl e a d i n gt or e s o u r c em o b i l i t ya r e a n a l y z e d t h ei m p o r t a n c eo ff a s th a n d o v e rp r o t o c o lp r o c e d u r ei nr e s o u r c em o b i l i t y m a n a g e m e n ti sa l s oi n t r o d u c e d a n dt h e n , i no r d e rt oe n s u r et h ec o n t i n u i t ya n du s e r s q u a l i t yo fs e r v i c e ，t h i sp a p e rs t u d i e saf a s th a n d o v e rp r o t o c o lp r o c e d u r ei nt e r m so f r e d u c i n gh a n d o v c rl a t e n c ya n di n c r e a s i n gh a n d o v c rs u c c e s s f u lp r o b a b i l i t yu n d e rt h e r e s o u r c e sm a n a g e m e n ts t r u c t u r e t h e n , t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o na r eg i v e n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ef a s th a n d o v e rp r o t o c o lc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f h 觚d o v e ri nt e r m so fh a n d o v c rl a t e n c ya n dh a n d o v e ra c c e s ss u c c e s sp r o b a b i l i t yi n c o m p a r ew i t ht r a d i t i o n a l h a n d o v e rp r o t o c o lp r o c e d u r e f i n a l l y , t h ep a p e rs i m p l y i n t r o d u c e st h er e a l i z a t i o no ft h eh a n d o v e rp r o t o c o lu n d e rt h ei a b o r a t o r ye n v i r o n m e n t k e y w o r d ：c o g n i t i v er a d i o n e t w o r kr e s o u r c em o b i l i t y h a n d o v e rm a n a g e m e n t f a s th a n d o v e rp r o t o c o l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 近年来，随着半导体技术、微电子技术和计算机技术的发展，各种无线通信 技术也快速发展。更高的传输速率、更大的系统容量、更高的服务质量以及更加 合理高效的资源使用是未来移动通信系统的发展趋势。随着通信技术的不断发展， 各种无线接入网络纷纷涌现，如w l a n 、w i m a x 、u m t s 、b l u e t o o t h 等，它们与 传统的蜂窝网络一起，组成了一个统一而又复杂的异构无线网络环境。与此同时， 人们对无线网络服务的期望也越来越高，希望能够随时随地快速连接到网络中并 获得较好的服务，即a b c ( a l w a y sb e s tc o n n e c t e d ) i l j 。 在异构的无线网络环境中，现有的无线网络管理技术，包括无线资源管理、 移动性管理及服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 保证技术等存在着较多的问题。 而认知无线网络技术通过相应的认知和资源动态管理等功能，可以很好地解决这 些问题。未来的无线通信系统既要能够高效地利用无线资源，又要保证高质量的 用户服务体验。因此，基于认知无线网络技术，在高效的无线资源管理架构下， 通过设计合理的切换协议流程，实现移动用户的q o s 连续性是当前的主要研究方 向之一。 1 2 1 认知无线网络 1 2 研究背景及意义 随着信息社会经济的快速发展，人们对移动通信网络服务的需求不断增长， 无线通信所依赖的传输媒质无线频谱资源，也就显得愈加珍贵。频谱资源的 缺乏、多种异构的无线接入技术共存等问题，已经制约了移动通信系统朝着宽带 化方向的发展。传统的固定频谱分配策略，不仅无法保证所有的网络都获得足够 的频谱资源，而且会导致某些频段承载的业务量很大，出现严重的拥塞；然而， 在对有些频段的频谱使用上却出现了严重的空白，频谱的使用率很低，严重浪费 了珍贵的频谱资源。根据美国联邦通信委员会( f c c ) 2 0 0 2 年1 1 月的报告，全球 频谱资源的利用情况极不平衡，目前已分配频段的频谱利用率在不同的空间和时 间是完全不同的，利用率从1 5 8 5 不等【2 】，绝大多数频段的利用率很低。由此 可见，无线频谱资源的匮乏是由于传统的固定频谱管理策略导致，而不是频谱资 2 认知无线网络中的快速切换协议研究 源本身的缺乏。因此，如何在当前的频谱分配格局下，提高频谱的利用效率，为 更多的用户提供服务成为近年来的研究热点。认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 技术是解决现有频谱资源短缺问题的关键技术之一【3 】。 1 9 9 9 年j o s e p hm i t o l o 博士首先提出了认知无线电的概念【4 】，其核心思想为： c r 具有学习能力，并且可以与周围环境进行信息交互，从而感知和利用该空间的 可用频谱资源，并限制和降低冲突的发生。认知无线电的工作过程如图1 1 所示。 认知无线电的两大目标是：无论何时何地都可以获得的高度可靠的通信质量以及 较高的无线频谱资源使用率。 用户信息 图1 1 认知无线电的智能决策过程 但是，认知无线电只从用户的角度出发，没有考虑网络整体性能的优化和资 源的均衡利用，所以研究人员又提出了认知无线网络的概念。认知无线网络是在 认知无线电技术基础上提出的智能化网络。认知无线网络技术是当今通信领域最 前沿的研究领域之一。 认知无线网络是使通信网络具有自我感知、自我判断和自我决策能力的网络 系统。它能够自主地感知当前网络的状况，包括网络负载、终端的接收信号强度 和用户的通信质量等诸多因素，通过感知到的这些信息，对整个通信网络系统进 行规划并做出合理的决策，在此过程中，从提升端到端的性能出发，最终使整个 网络系统获得高效率和高质量的性能【5 】。此外，认知无线网络的体系架构还必须具 有可扩展性和灵活性，以便随着未来网络架构和网络元素变化而进行调整。 总之，认知无线网络具有以下特征【6 】：网络的协同功能、认知环境的能力、对 环境变化的学习能力、自适应环境的变化、高可靠性的通信质量、网络资源的动 态管理能力，以及系统功能模块、协议的可重构性等。 1 2 2 异构网络环境下的用户移动性管理 下一代网络环境是由各种不同的无线接入网络组成的异构无线网络环境。这 第一章绪论 3 些不同类型的无线网络往往由不同的运营商开发管理，并且相互重叠覆盖，没有 统一的接口标准。当用户在这样的网络环境下移动时，如何为用户提供无缝的高 质量服务是当前的研究热点之一。用户可以在任何时间任何地点享受到高速率、 高可靠性的网络服务是下一代无线系统的基本特征。这就意味着通信系统必须能 够根据移动用户的业务需求，结合各个无线接入网络的实时状态，为用户选择最 佳的无线网络，以最佳的接入方式为用户提供服务，并且保证用户在不同接入网 络间的无缝切换。因此，需要设计合理的移动性管理方案。 移动性管理的主要目的是为了让用户在任何位置、任何时间、任何状态下， 都能享受到网络提供的服务，允许用户在各个网络间移动时，跨越现有网络边界， 去使用他们的业务，实现异构网络间的无缝漫游。移动性管理的主要内容是通过 确定的主机标识查找移动节点的位置，然后向其提供数据传输或呼叫等服务，保 证用户在整个移动过程中的业务连续性。它主要包括位置管理和切换管理两个方 面。位置管理主要是确保移动用户在需要进行数据传输或其他业务时，网络系统 能获知其当前的网络位置。切换管理是针对正在通信的用户，控制其在移动的过 程中网络接入点的改变，以保证移动用户在通信过程中的业务连续性。然而，由 于各种无线接入技术在容量、数据速率、移动性支持和q o s 保障等方面的差异性， 传统的切换管理方案已经不能满足要求。切换管理包括很多方面，如切换控制方 式、切换决策、切换触发以及切换协议流程等关键因素。传统的切换协议流程通 常是针对特定制式的网络而设计的，并且需要网络和用户同时支持该协议流程的 执行，限制性很大。同时，由于各种无线接入技术之间的差异性，在切换过程中： 会引入很大的时延，不能满足实时业务如v o i p 的应用需求。此外，由于网络环境 的动态变化，加上各个无线网络所提供的q o s 不同，用户在切换过程中可能会出 现q o s 下降或者呼叫接入阻塞的现象，影响用户的业务体验。因此，在异构网络 环境中，研究一种有效的切换协议，来为移动用户提供实时的且有q o s 保障的业 务，是解决下一代无线网络中无缝切换的关键技术之一。 1 2 3 认知异构无线网络的移动性管理 下一代无线网络环境是一个异构的全口融合的复杂网络【| ，它能够支持移动 用户在不同网络间的无缝移动性，可以提供多种无线接入方式，允许多节点间协 同工作，以及提供高服务质量的保证等。同时，它又是一个具有认知特性的无线 通信网络，能够不断感知当前的网络状况，并根据感知到的信息来自适应地调整 网络，为用户提供高质量的服务。但是，当前的异构网络环境不具备自我感知、 自我学习和自我决策的能力，无法实时获取用户的需求信息及网络的状态信息， 因此不能做出智能的判断和决策，无法动态调整网络配置，不能为用户提供有q o s 4 认知无线网络中的快速切换协议研究 。 保障的服务。认知无线网络技术的提出很好地解决了这个问题，并且可以在异构 网络环境下实现移动用户的无缝切换。目前对于认知无线网络技术的相关研究集 中在单一的网络中，很少涉及到不同的异构无线网络。同时对于在认知异构网络 中的切换协议方面的研究更是很少涉及。因此，如何在认知无线网络环境下，基 于感知到的用户信息及网络状态信息，采用合适的切换协议流程，实现无线资源 的高效使用及移动用户的无缝切换，是当前研究的重点问题。 1 3 国内外研究现状 近些年来，各种移动通信系统快速发展，加上人们越来越多样化的业务需求， 传统的移动通信系统已经不能很好地满足用户的需求。于是各种新型的无线接入 网络纷纷涌现，下一代的无线网络将朝着多样化、复杂化和异构化方向发展。然 而，由于目前各种无线网络在采用的接入技术、可提供的服务以及所采用的移动 性管理技术等方面存在诸多不同，用户在这样的环境下移动时，无法获得无缝的 业务体验。因此，在复杂的异构无线网络环境下，设计一种合适的切换协议流程 是实现用户无缝切换的关键技术之一。 为了在异构网络间实现有效地切换管理，许多研究组织、研究机构和设备制 造商等都进行了相关的研究。例如，i n t e m e t 工程任务组( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s k f o r c e ，i e t f ) 成立了若干工作小组专门研究基于m 网络移动性的相关技术 8 1 ，其 中包括移动p 协议( m o b i l ei p ，m i p ) 、会话初始化协议( s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c o l ， s m ) 、移动流控制传输协议( 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 o l ，m s c t p ) 等方案。这些方案的主要思路是对高层协议进行改进，虽然能够实现移动用户在 不同网络间的移动性，但是其需要在相应的网络设备上增添移动性代理等附加功 能，加大了网络的复杂性，同时在切换过程中会引入较大的延迟。此外，有些文 献中提出，通过拓展某个协议层的功能来实现异构网络间的无缝移动性。文献【9 】 中设计了基于数据链路层的i a p p 、m p p p 改进方案。文献【1 0 】【11 1 2 1 1 3 1 中分别提 出了m o b i l ei p 、h m i p v 6 、c e l l u l a ti p 等基于网络层的改进方案。文献 1 4 l q b 提出 了基于传输层的m s c t p 协议，来实现异构网络间的无缝切换。由于各种无线网络 对其移动性管理的出发点不同，因此，各种无线异构网络所采用的策略各不相同。 如g s m 网络在链路层进行切换管理，而移动i p 网络主要在网络层进行切换管理。 但是，通过改进各个协议层的切换管理方案不仅复杂度较高，而且通用性不好。 为了减少由于各层间信息不及时交互而引入的切换时延，i e e e8 0 2 标准委员会成 立了8 0 2 2 1 工作组【1 5 】，主要负责介质独立性切换( 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 ) 的研究。其主要思想是通过在现有的数据链路层和网络层之间加入m i h 层， 使得高层移动性管理协议可以及时地获取链路层的状态改变信息，通过一定的预 第一章绪论5 测算法，提前进行切换准备等操作，以缩短切换时延。但由于该协议是针对不同 接入网络技术在链路层的统一，对用户业务的改变或应用层需求的变化没有考虑， 适用性不高；而且该协议需要修改现有的协议层，复杂度很大；此外，还需要提 供严格的预测机制和触发机制，保证高层协议获取底层状态信息的及时性与准确 性。 综上所述，在异构无线网络间实现无缝切换，保证用户的服务连续性，现有 的研究方案还有待进一步改善。因此，需要在统一的资源管理架构下，研究一种 有效的切换协议流程，以保证用户在移动过程中的q o s 连续性。 1 4 本文主要工作和内容安排 本文主要研究认知无线网络中的资源移动性管理，重点在于资源移动性场景 下的切换管理和切换协议设计。首先，针对认知无线网络的异构性特点，在研究 了现有相关异构网络间切换管理方案的基础上，结合本课题的认知无线网络资源 管理架构，引入预先准备和资源预留的思想，介绍了一种切换协议流程。接着， 从切换时延和切换成功率两方面对该协议进行了理论分析，并通过仿真实验，验 证了该协议的性能。最后，在本课题的演示平台上，实现了该协议的部分功能。 本文的主要内容安排如下： 第二章首先简要地描述了本课题的资源管理架构及资源管理流程。随后给出 了认知无线网络中资源移动性的概念，并分析了造成资源移动性的原因。最后指 出本文的研究重点在于资源移动性场景下的切换管理，并简要介绍了切换管理的 相关内容。 第三章首先对切换的整个过程进行了分析，指出了其存在的问题，并研究了 现有异构网络间的切换协议方案，如高层协议管理s i p 、跨层管理等。随后，给出 本文的切换协议的设计构想并介绍了相关的技术标准。然后基于本课题的资源管 理架构，阐述了切换协议的具体执行流程。最后，对该协议进行了理论分析。 第四章首先简单介绍了本文所采用的仿真工具。随后，对切换协议的性能进 行了仿真验证。仿真结果表明：相比传统的切换协议，该协议在切换时延和切换 成功概率上，有了明显的改善。最后简单介绍了协议的实现过程。 6 认知无线网络中的快速切换协议研究 第二章认知无线网络中的资源移动性管理 7 第二章认知无线网络中的资源移动性管理 2 1 认知无线网络资源管理架构及流程 在认知无线网络环境中，各种无线接入技术和多模终端共存。因此，为了合 理并高效地使用各种网络资源，i e e e 于2 0 0 5 年成立了i e e e1 9 0 0 标准研究组，该 组致力于认知网络资源管理方面的研究。其中，i e e e1 9 0 0 4 标准定义了网络侧资 源管理器、终端侧资源管理器及各模块之间的交互信息，使其可以动态调整网络 和终端的配置，合理分配资源，实现无线电资源的优化使用。 l 、i e e e1 9 0 0 4 资源管理系统架构 i e e e1 9 0 0 4 标准的主要目的是通过定义一个优化的系统架构和协议，来优化 无线电资源的使用，提升多种无线接入技术共存环境下的系统总容量和服务质量。 图2 1 【1 6 】给出了i e e e1 9 0 0 4 中所关注的异构网络场景，其可能包括多个运营商、 多种无线接入技术和多个多模终端等。 ：一_ 磊己f 一：i 一一一一氘7 一一一一 i o p e r a t o r i i o p e r a t o rb c h c o i l i p o s i t e i r e l e 8 8n e t t o r k o s m - o p e r a t o rs p e c t r u mm a n a g e r r a n r a d i oa c c e s 8n e t w o r k n r m n e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o nm a n a g e r t r m t e r m i n a lr e o o r l f i g u r a t i o nm a n a g e r f1 2 ，3 a n d4 - - f r e q u e n c yb a n d s1 2 3 ，a n d 4 图2 1i e e e l 9 0 0 4 中的异构网络环境 其中，运营商频谱管理器( o p e r a t o rs p c c t n m am a n a g e r ，o s m ) 帮助运营商调 整不同无线接入网络( r a d i oa c c e s sn e t w o r k ，r a n ) 的频谱分配，以便优化复合 无线网络( c o m p o s i t ew h l e s sn e t w o r k ，c w n ) 中的无线资源使用情况。网络重 构管理器( n e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o nm a n a g e r ，n r m ) 主要负责网络侧的资源管理， 其采用分布式网络终端频谱优化的方法来管理复合无线网络和各个终端。终端重 构管理器( t e n n i n mr e c o n f i g u r a t i o nm a n a g e r ，t r m ) 主要负责终端的资源管理， 8 认知无线网络中的快速切换协议研究 其根据n r m 得出的资源管理策略，结合终端的周围环境，来管理终端对无线网络 资源的使用。在i e e e1 9 0 0 4 标准中，切换功能被认为是具有固定频谱分配且包含 无线接入技术的网络重构使能器。其他的使能器包含动态频谱分配和动态频谱接 入。为此，其提出了智能的资源管理系统架构，如图2 2 【1 6 1 所示。 图2 2i e e e1 9 0 0 4 无线资源管理系统架构 该管理系统中主要包含三个管理实体，分别为网络重构管理器n r m 、终端重 构管理器t r m 和无线使能器( r a d i oe n a b l e r ，i 迮) ，其各自的功能如下： ( 1 ) n r m ：负责管理复合无线网络c w n 和终端，实现“网络h 终端”频谱 利用的分布最优化； ( 2 ) t r m ：负责管理终端，分布式实现“网络h 终端”频谱最优化利用； ( 3 ) r e ：一个逻辑信道，负责承载n r m 和t r m 间所需交互的各种信息。 在上述的管理系统中，首先，无线接入网信息收集器( r a nm e a s u r e m e n t c o l l e c t o r ，r m c ) 收集有关r a n 的环境信息并将其提供给n r m 做相应的决策使 用：同时，终端信息收集器( t e r m i n a lm e a s u r e m e n tc o l l e c t o r ，t m c ) 获取终端的 环境信息并提供给t r m 。然后，n r m 和t r m 通过无线使能器r e 进行信息的交 互。一方面，n r m 根据r a n 环境信息以及终端的环境信息和需求信息，进行网 络重构决策的制定并得出无线资源管理决策；另一方面，t r m 通过无线使能器r e 获得无线资源管理决策，结合终端的状态信息，制定出终端的重构策略，并发送 给终端重构控制器( t e r m i n a lr e c o n f i g u r a t i o nc o n t r o l l e r ，t r c ) ，控制终端进行重 构，网络重构控制器( r a nr e c o n f i g u r a t i o nc o n t r o l l e r ，r r c ) 根据n r m 得出的 网络重构策略，控制网络进行重构。 2 、改进的资源管理架构 在i e e e1 9 0 0 4 中的无线资源管理架构中，一个n r m 管理多个r a n ，并且负 责为各个r a n 下的所有终端进行重构策略的制定。这样会造成n r m 的处理负荷 过重，而且很难保证系统的稳定性。针对上述问题，文献【1 7 】提出了一种新的认知 第二章认知无线网络中的资源移动性管理 9 无线网络资源管理架构，如图2 3 所示。 图2 3 改进的资源管理系统架构 该管理系统通过在网络侧引入一个接入网级的网络重构管理器r n r m ，让其 负责管理一定数量的r a n 及各r a n 所服务的终端，来分担n r m 的部分功能。 r n r m 根据r a n 环境信息和终端的相关信息，分析并得出适用于其所管辖r a n 的重构策略及终端的资源管理( r e s o u r c em a n a g e m e n t ，r m ) 策略。然后，处于核 心网的n r m 利用其重构策略，对整个网络进行重构；与此同时，t r m 根据r n r m 得出的r m 策略管理终端资源。这样，r n r m 分担了n r m 的功能，可以实现在 一个c w n 中无线资源的分层分布式管理，从而提高了管理系统的稳定性和有效性。 图2 4 f 1 7 】给出了上述管理架构的资源管理流程，其具体过程如下： ( 1 ) 终端初始接入网络时，通过侦听无线信道，来获得相关的无线接入网信 息。 ( 2 ) t r m 根据t m c 收集的终端周围信息和r a n 相关配置信息，按照合适 的接入网络选择策略选择合适的r a n ，随后在目标r a n 中进行注册。 ( 3 ) 终端周期性地监测当前的链路连接状态和链路质量，判断当前连接是否 中断或者当前链路质量是否仍然满足用户业务需求。 ( 4 ) r n r m 根据r m c 所收集的相关r a n 的环境信息，得出r a n 的重构策 略和无线资源管理策略。 ( 5 ) r n r m 将r a n 的重构策略及相关的环境信息告知n r m ，n r m 根据运 营商的资源分配策略，在网络侧，对认知无线网络资源进行重新配置。 ( 6 ) t 州根据r n r m 所得出的资源管理策略，结合终端状态和需求等信息， 管理终端进行重构。 l o 认知无线网络中的快速切换协议研究 删fl 删iii 删i 侦听广播信道，获 得r a n 相关信息， 完成注册 终端历史信息 r a n j 配置信息 侦听广播信道。获 得r a n 相关信息， 完成注册 1 l 兰竺要圭竺呈 画史信息i 其他r a n 历史信 息，r a n j 重构决议 评估资源利用情况 生成资源管理策略 2 2 i 资源移动性概念 分析资源管理策略 和历史信息，评估 资源利用情况，进 行重构 完成终端重构 图2 4 资源管理流程图 评估资源利用情况 生成资源管理策略 2 2 认知无线网络的资源移动性 分析资源管理策略 和历史信息，评估 资源利用情况，进 行重构 完成终端重构 根据文献【1 8 】，资源使用情况的改变、资源的占用和资源的释放等动态行为被 抽象为资源移动性，其包括用户对资源使用情况的改变和资源本身的变化。资源 移动性产生的原因可分为如下两类： ( 1 ) 当用户对资源的使用情况发生改变时，会产生资源的移动性。用户在移 动的过程中，不同位置处的网络覆盖情况各不相同，可用的网络资源情况往往也 有很大差别。当用户在跨越网络边界时，需要改变网络接口来保证自身业务的连 续性，这样会导致网络资源使用情况的改变。除此之外，用户自身业务的变化， 如用户为了追求更经济的资费或者更高的服务速率而向满足其需求的网络发起的 切换，也会导致网络资源的使用情况改变。 ( 2 ) 资源本身随着时间和空间的改变会发生变化，这也会导致资源的移动性。 可以无线频谱资源的使用情况来说明，如在相同时间不同地点的无线频谱资源的 第二章认知无线网络中的资源移动性管理 l i 利用率各不相同，同样在工作时间内，办公区域的频谱利用率往往比住宅区域的 频谱利用率高很多；在不同的时间同样的地点，频谱利用率也会有非常大的不同； 比如同样在城市中心，白天和夜间的频谱利用率也会有很大的差异。 因此，认知网络中的管理层需要充分考虑为用户分配的资源是否发生变化的 问题，这样就有两种不同的处理方案： ( 1 ) 所分配的资源会随着环境和用户状态的改变而发生变化。其优点是能够 动态的地跟随环境的变化来维持较好的资源利用率，缺点是这种方法一方面需要 良好的切换制度，另一方面由于频繁地交互信息而使控制信道的负担加重。 ( 2 ) 所分配的资源不会随环境和用户状态的改变而发生变化。为了维持较好 的稳定性，就需要更加优化的预测和分配算法。 这两类方法以及他们的结合都能够作为解决资源移动性的方法。 2 2 2 资源移动性管理 资源移动性研究的目的是建立良好的网络资源管理体制和方法，为用户提供 可靠优质的服务。对于静止用户，需要使用优化的接纳控制方法来为用户选择一 个最佳的接入网络，保证用户业务的稳定性。而对于移动用户而言，由于在移动 过程中，其周围环境的变化可能会影响用户业务的连续性。因此，需要很好的切 换管理机制来保证用户的服务质量。另外，由于网络资源本身会随时间和空间而 发生变化，不管是哪种用户，都需要根据用户状态和网络资源状态的变化，采用 一定的预测方法，预约或提供一系列的资源，为用户未来的通信提前准备好合适 的网络资源。 本文主要针对由于用户的移动而形成的资源移动性的研究。由于用户在移动 的过程中，当其移出服务网络的覆盖范围时，原来的网络资源不能满足用户的业 务需求，因此需要触发相应的切换机制来保证用户的业务连续性和服务质量。优 化的切换管理机制能够实现移动用户的业务连续性，使其获得无缝切换的体验。 2 3 1 切换的概念和分类 2 3 资源移动下的切换管理 根据移动互联网的思想，下一代移动通信网络需要能够支持各种各样的用户 业务，并且能提供自由广阔的服务环境。因此，其关键点就在于各种无线接入技 术的协调共存，首要问题便是解决各种无线技术间的互连和互操作问题，进而在 此基础上实现各种无线接入网络的融合。这就需要移动性管理( m o b i l i t y 1 2 认知无线网络中的快速切换协议研究 m a n a g e m e n t ) 功能来支撑【1 9 1 。 移动性管理主要包括：位置管理( l o c a t i o nm a n a g e m e n t ) 和切换管理( h a n d o f f m a n a g e m e n t ) 。它的主要功能是通过确定主机的标识，来获得随机移动终端的当前 位置，以便向其发送数据或进行呼叫，并在移动终端的整个运动过程中保证其通 信的连续性。 位置管理是指移动终端向网络注册，并更新自己当前的网络位置。当移动终 端有语音或数据业务需要时，可以确保网络定位当前移动用户的网络接入点。 切换管理是指对于通信状态下的移动终端，在其运动的过程中，控制其网络 接入点的改变，并将正在进行的话音或数据业务从原来的网络切换到当前的网络 中，以保证用户业务的连续性。 通常情况下，当移动终端改变其网络接入点时，为了保证用户业务的连续性， 需要触发切换。根据切换前后用户网络接入点的类型是否相同，可将切换分为以 下两种类型： ( 1 ) 水平切换( h o r i z o n t a lh a n d o f f ) ：用户在采用同一无线接入技术网络的两 个小区之间进行的切换，即切换前后用户的网络接入点采用相同的技术。其又可 以进一步分为链路层切换( l 2 切换) 和网络层切换( l 3 切换) 2 0 1 ： 链路层切换：用户在同一个子网的不同基站间的切换。在切换过程中只涉及 到链路层接口的改变，不涉及到p 网络层，所以又称为l 2 层切换；如图2 5 1 2 0 1 中，用户在b s l l 和b s l 2 之间的切换。 网络层切换：用户在归属于不同子网的基站间的切换。在切换过程中，不仅 要改变链路层的接口，而且要改变i p 地址，以保持通信的连续性，因为涉及到网 络层，所以又称为l 3 层切换，如图2 5 所示，用户在b s l 2 和b s l 3 之间的切换。 图2 5 垂直切换和水平切换 第二章认知无线网络中的资源移动性管理1 3 ( 2 ) 垂直切换( v e r t i c a lh a n d o f f ) ：用户在采用不同无线接入技术的网络间的 切换。由于跨越不同的无线网络，其不仅涉及链路层，而且会涉及到网络层，同 时，根据其所采用的上层切换协议，有可能涉及到更高层，如应用层的s i p 协议。 在图2 5 中，用户由网络a 中的b s l 3 小区移动到网络b 中的b s 2 1 小区所发生的 切换，即为垂直切换。 由于垂直切换涉及不同种类的网络，各种网络所覆盖的范围大小各不相同， 所以可以根据这个区别，将垂直切换从切换方向上分为两类：上行垂直切换和下 行垂直切换【2 1 1 。上行垂直切换是指移动节点从覆盖范围小的小区切换到覆盖范围 大的小区，如用户从w l a n 网络切换到w i m a x 网络，而下行切换则是指移动节 点从覆盖范围大的小区切换到覆盖范围小的小区，如用户从w i 眦网络切换到 w l a n 网络。垂直切换由于其前后接入的网络特性不同，具有不对称性。下行垂 直切换一般是由系统或用户发起的正常切换，此时由于有多个可用的网络接口， 切换并不是急迫的、必须的，因此其对时间不敏感。而上行切换则是由于当前业 务的网络接口的可用性急剧下降，必须立刻执行切换，否则会严重影响当前用户 业务甚至导致通信中断，其对时间非常敏感，必须很好的控制这类切换。表2 1 2 2 。 总结了水平切换和垂直切换的不同。 表2 1 垂直切换与水平切换比较 比较项水平切换垂直切换 切换前后网络技术同类网络异类网络 触发原因终端移动引起其物理位置的既可以由于接入点变化引起 变化而需要改变网络接入点也可以由用户主动发起 决策参数主要基于链路质量的改变，尤综合考虑与应用、用户和网 其是接收信号强度及其变化络有关的各种因素 控制方式终端辅助，网络控制可以由网络控制或是由终端 控制 对称性对称不对称 当移动用户移出了当前服务网络的覆盖范围时，会导致当前服务网络不能满 足用户的业务需求。为了保证终端的业务连续性，通常需要触发水平切换。而触 发垂直切换的原因，除了由于用户移动导致当前链路质量下降之外，还可能是用 户根据业务需要和个人喜好，如追求更高的带宽或者更经济的资费等，而主动发 起的切换。另外，根据切换的执行方式，切换还可以划分为硬切换和软切换。硬 切换是指在用户和新接入网络的连接建立以前先中断其与原网络之间的连接，也 被称为“b r e a kb e f o r em a k e ”，例如g s m 系统。而软切换是指用户在与新基站建立 连接之后再断开与原来网络之间的连接，亦被称为“m a k eb e f o r eb r e a k ，例如 1 4认知无线网络中的快速切换协议研究 c d m a 系统。通常，硬切换在执行的过程中只使用一个网络接口进行通信，容易 造成用户服务中断。而软切换在切换过程中，可以同时使用两个网络接口进行通 信，因此在理论上可以实现零服务中断。 2 3 2 切换管理 随着用户对服务质量的要求越来越高，为了保证用户业务的连续性，需要有 很好的切换管理机制来管理切换过程，以满足用户的需求。通常，切换管理田j 主 要包括移动场景、切换触发准则、切换决策算法和切换执行流程等。认知无线网 络中的切换管理包括水平切换管理和垂直切换管理。水平切换管理可以直接在无 线接入网侧，由网络管理实体统一管理终端和r a n s ，从而实现无缝切换。对于垂 直切换，由于各个无线接入网络的差异性，其管理面临的两大挑战是：网络切换 时的无缝性和自动性。无缝切换包含两层意思，即快速切换和平滑切换。因此， 切换管理技术必须选择合适的时间来发起切换，同时根据用户业务的q o s 需求， 在各个可用网络中为用户选择最好的切换目标网络，并且以最优的方式与目标网 络建立新连接，保证用户的业务质量。在整个切换过程中，需要采用合适的切换 协议流程来保证用户的q o s 连续性。总之，其整个过程主要包括何时触发( w h e n ) 、 切换到哪里( w h e r e ) 和如何控制( h o w ) 等关键问题。 切换管理是支持用户移动性的关键技术。优化的切换管理可以使得移动终端 从一个无线接入网切换到另一个无线接入网时始终保持用户业务的连续性。图 2 6 1 2 3 给出了切换管理所涉及的问题，如移动性场景、切换类型、切换准则等。 图2 6 切换管理框架 第二章认知无线网络中的资源移动性管理1 5 由图2 6 可知，切换的具体实现过程可以分为以下三个阶段 2 3 1 ： ( 1 ) 切换信息收集阶段：收集切换所需的相关信息并初始化切换的过程，也 可以称其为切换初始化或网络发现。 ( 2 ) 切换决策阶段：主要根据一定的准则确定发起切换的必要性，决定触发 切换的最佳时刻，并且根据一定的切换策略和切换决策算法，选择最优的切换目 标网络，最后将切换决策的结果发送给切换执行模块。 ( 3 ) 切换执行阶段：根据切换决策结果，在用户、当前服务网络基站和切换 目标网络基站之间进行信令交互和数据转发等，最终建立用户与目标网络基站之 间的连接链路，保证用户业务的连续性。 基于上述的认知无线网络资源管理架构和切换管理理论，本文研究了一种合 适的切换协议流程，其通过统一管理切换过程中所需的功能模块，可以提高认知 无线网络的资源使用率，同时，实现异构网络间的无缝切换，保证了用户的q o s 连续性。第三章中将针对认知无线网络的切换问题，设计合理的切换协议流程， 来达到无缝切换的目的，并进一步优化无线资源的使用。 2 4 本章小结 本章首先从i e e e1 9 0 0 4 中所提出的资源管理架构出发，介绍了本文所要研究 的认知无线网络资源管理架构及其资源管理流程。随后，给出了资源移动性的概 念，并阐述了产生资源移动性的原因。最后，从切换的概念、分类，到切换管理 中涉及的关键问题进行了研究，并指出在认知无线网络资源管理架构下，研究一 种合适的快速切换协议，可以实现资源的优化使用和移动用户的无缝体验。 1 6认知无线网络中的快速切换协议研究 第三章用户移动场景下的快速切换协议 1 7 第三章用户移动场景下的快速切换协议 随着各种无线技术的迅猛发展，涌现了多种多样的无线接入网络，如传统的 2 g 、3 g 蜂窝网络、w i m a x 、w l a n 等，它们共同组成了下一代无线网络环境， 如图3 1 1 2 0 1 所示。同时，人们对通信业务的要求也在与日剧增，如话音业务、音频 业务、视频和交互式多媒体业务等，各种应用对网络性能的要求各不相同，如表 3 1 2 4 1 所示。当用户在认知无线网络环境中移动时，可能会由于当前网络服务质量 的下降而需要切换到其它无线网络中去，以保证用户的业务连续性。同时，切换 性能的好坏还会直接影响到无线应用的服务质量，进而影响到用户体验，尤其对 于实时服务( 如v 0 口等业务) 。因此，在异构的认知无线网络环境下，如何利用 终端和网络的认知功能，设计合适的切换协议流程，是提高网络资源使用率和改 善切换性能的关键技术之一。 l 晒触。呈舞盯似哪。a i 。m 。a s n c u n m e 未釜h 眦哪 e l s e 图3 1 下一代无线网络环境 表3 1 不同业务应用对网络性能的要求 业务类型宽带丢包敏感度时延敏感度抖动敏感度 视频流 2 m b p s 较低较高高 音频流 6 4 k b p s 0 5 m b p s 较高高高 视频电话 1 2 8 k b p s 较低高高 数据 3 2 k b p s 1m b p s 高低低 1 8 认知无线网络中的快速切换协议研究 3 1 协议设计相关理论介绍 当用户在多种接入技术共存的认知无线网络中移动时，为了保证用户的业务 连续性和服务质量，需要采用合适的切换机制。这里，所需的切换可能是相同网 络间的水平切换，也可能是不同网络间的垂直切换。因此，需要研究一种合适的 快速切换协议，其既要能保证用户在水平切换下的服务质量，也要能保证用户在 垂直切换下的无缝体验。 3 1 1 切换过程及存在缺点 由文献【2 3 】和本文的2 3 2 小节可知，一般的切换过程包括三个阶段，即系统 发现阶段、切换判决阶段和切换执行阶段。其根据不同的切换类型各个阶段的详 细过程又有所不同。现具体介绍如下： ( 1 ) 系统发现主要指的是移动节点( m o b i l en o d e ，) 通过其相应的网络 接口发现其周围可用网络的过程。多模终端通过激活其所有网络接口，周期性地 侦听不同无线网络的广播信息。然而，盲目的打开所有的接口不仅会造成终端设 备能耗的增加，导致其可用时间的减小，而且还会由于各种无线接入技术的使用 而对其他用户造成干扰。另外，水平切换和垂直切换存在着很大差别：对于水平 切换，其在网络发现阶段只有一个网络接口工作，所以在此期间会造成服务中断， 应该尽量的缩短服务中断时间。对于垂直切换，其在网