（微电子学与固体电子学专业论文）异构网络新型接入选择算法研究.pdf

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， 本人签名：筮叠 本人承担一切相关责任。 日期：丝! 竺生兰墨! ! 里 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) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。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。 日期：丝! = 生三业里 日期：垫2 ：! ：! i 北京邮电大学硕士研究生论文 异构网络新型接入选择算法 异构网络新型接入选择算法研究 摘要 在未来的无线通信网络的发展中，异构网络是最具有发展前途的网络 体系结构，它实现多种无线接入技术的融合，将现有的和未来将要出现的 多种无线接入系统有机的融合在一起，满足未来用户对各种不同类型业务 的需求。 接入选择算法作为异构网络无线资源管理中的关键技术，选择的结果 不仅会影响用户的服务质量，还会对整个网络的资源利用以及负载均衡产 生较大的影响。 本文针对异构网络接入选择算法现有研究存在的问题，指出了现有接 入选择算法忽略的因素，即忽略了业务的非对称性对异构网络接入选择的 影响。业务的接入在上下行链路同时满足接入请求的情况下才允许新业务 的接入，业务的非对称性会引起网络上下行负载率的非对称，当网络的上 下行负载率具有较大差异时，会因为上下行链路中某一条链路资源不足而 拒绝业务的接入，而另一条链路却存在较大的资源剩余，会造成假性拥塞 现象。业务的非对称性提高了系统阻塞率，浪费了系统资源，降低了网络 的吞吐量。为了解决这个问题，本文提出一种新型的异构网络接入选择算 法，充分考虑业务的上下行非对称性，为业务选择合适的网络，实现网络 的上下行链路间的负载均衡，避免因网络上下行负载率不对称而引起的业 务阻塞的发生，从而降低业务的阻塞率，提高系统的资源利用率和网络吞 吐量。 最后，通过m a t l a b 设计了异构无线网络系统级仿真平台，验证了提出 的算法的性能。通过与传统的基于网络间负载均衡的异构网络接入算法进 行比较，新算法在阻塞率、上下行链路的平均吞吐量方面都具有较大的改 蓥 r 1o 关键字：异构无线网络接入选择接入控制业务非对称性负载均衡 北京邮电大学硕士研究生论文异构网络新型接入选择算法 r e s e a r c ho nm u i j i r a d l 0a c c e sss e l e c t l 0 n i nh 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 i nt h ef u t u r ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k i sc o n s i d e r e dt ob et h em o s tp r o m i s i n gn e t w o r ka r c h i t e c t u r e i ti m p l e m e n t st h ei n t e g r a t i o no f av a r i e t yo fw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g i e s e x i s t i n ga n df u t u r ew i r e l e s sa c c e s ss y s t e m sw i l lb e i n t e g r a t e di n t oas e a m l e s so r g a n i cw h o l ew h i c hw i l lm e e tt h er e q u i r e m e n t so fd i f f e r e n tt y p e s e r v i c e so ff u t u r eu s e r s m u l t i - r a d i oa c c e s ss e l e c t i o n ( m r a s ) a l g o r i t h mi sak e yt e c h n o l o g yi nr a d i or e s o u r c e m a n a g e m e n to fh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k t h er e s u l to fc h o i c ew i l ln o to n l ya f f e c tt h eu s e r s s e r v i c eq u a l i t y , b u ta l s oh a sf lg r e a ti m p a c to nt h ee n t i r en e t w o r kr e s o u r c eu t i l i z a t i o na n dl o a d b a l a n c e e x i s t i n gm r a sa l g o r i t h m sa r ei n t r o d u c e da n dt h ep r o b l e m so fp r e s e n ta l g o r i t h m sa r e d i s c u s s e di n t h i sp a p e r t h em o s ts i g n i f i c a n tp r o b l e mi st h a tt h ee x i s t i n gm r a si g n o r e s a s y m m e t r yo ft h es e r v e r sw h i c hw i l lh a v el a r g ei m p a c to nn e t w o r ks e l e c t i o n c a l la d m i s s i o n c o n t r o l ( c a c ) a l l o w sp e r m i s s i o no fs e r v i c ew h e nb o t hl i n ko fs y s t e ms a t i s f yt h e a c c e s s r e q u i r e m e n t s a s y m m e t r yo ft h es e r v e r sw i l lc a u s eu n b a l a n c eb e t w e e nt h eu p l i n kl o a da n d d o w n l i n kl o a d w h e nt h e r ea r eal a r g ed i f f e r e n c e sb e t w e e nu p l i n kl o a da n dd o w n l i n kl o a d ， o n eo ft h el i n k sw i l lr e f u s et h ea c c e s sr e q u i r e m e n tb e c a u s eo ft h el a c ko fr e s o u r c e s ，w h i l et h e o t h e rl i n k , t h e r ea r er e m a i n i n gr e s o u r c e s t h ea s y m m e t r yo fs e r v i c e sw i l li n c r e a s et h e b l o c k i n gp r o b a b i l i t yo ft h eh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k i ti s aw a s t eo fs y s t e mr e s o u r c e sa n d r e d u c e st h en e t w o r kt h r o u g h p u t t h i sp a p e rp r o p o s e san e wm r a sb a s e do nd l u ll o a d b a l a n c ew h i c hr e a l i z e st h el o a db a l a n c eb e t w e e nu p l i n ka n dd o w n l i n kb ys e l e c t i n ga n i i i i i 北京邮电大学硕士研究生论文 异构网络新型接入选择算法 目录 摘要i a b s t r a c t ：【i 目录i v 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 1 1 移动通信系统的发展1 1 1 2 宽带无线接入的发展5 1 1 3 多种无线接入网络的共存和融合6 1 2 论文研究的意义7 1 3 研究内容以及创新点8 1 4 论文结构安排9 第二章异构无线网络融合1 0 2 1 异构无线网络的互联互通1 0 2 1 1 紧耦合模式l l 2 1 2 松耦合模式1 1 2 1 3 环境感知网络1 3 2 2 异构无线网络的协同无线资源管理1 4 2 2 1 基于多接入技术无线资源管理的网络融合1 4 2 2 2 基于通用无线资源管理的网络融合1 6 2 2 3 基于联合无线资源管理的网络融合1 7 2 3 异构无线网络融合示例2 0 2 3 1 蜂窝网络和w l a n 网络的融合2 0 2 3 2 不同制式的蜂窝网络之间的互联2 0 2 3 33 g 蜂窝网络以及其演进型( l t e ) 同w i m a x 的互联2 1 2 4 本章小结2 1 第三章异构网络接入选择算法研究2 3 3 1 接入选择算法概述2 3 3 2 接入选择算法现有研究及存在的问题2 5 3 2 现有接入选择算法问题分析2 6 3 3 1 业务的上下行非对称性2 6 3 3 2 负载率的上下行非对称性2 7 3 3 3 上下行负载率的不对称对接入选择的影响3 0 3 4 基于上下行链路之间负载均衡的异构网络新型接入选择算法3 2 3 4 1 接入选择算法分析3 2 3 4 2 接入选择算法实现3 4 3 4 3 接入选择算法流程3 4 3 5 本章小结3 6 第四章仿真设计与性能评估3 7 4 1 仿真方法3 7 i v 北京邮电大学硕士研究生论文异构网络新型接入选择算法 4 2 仿真流程3 8 4 3 仿真平台模块设计3 8 4 3 1 小区生成模块3 8 4 3 2 业务生产模块3 9 4 3 3 路径损耗计算4 0 4 3 4 负载率计算4 0 4 3 5 小区选择4 l 4 3 6 接入控制4 1 4 3 7 接入选择4 l 4 3 8 对比方案4 1 4 4 仿真结果与分析4 1 4 4 1 不同到达率下阻塞率性能仿真分析：4 2 4 4 1 不同到达率下异构网络上下行链路平均吞吐量4 4 4 5 本章小结4 5 第五章结束语4 6 5 1 论文工作总结4 6 5 2 存在的问题以及下一步展望4 6 参考文献4 8 致谢5 2 攻读学位期间发表的学术论文5 3 v 北京邮电大学硕士研究生论文 异构网络新型接入选择算法 1 1 研究背景 1 1 1 移动通信系统的发展 第一章绪论弟一早三百t 匕 1 8 9 7 年马可尼开启了无线通信的先河，第一次向世人展示了无线电通信的威力，实 现了与英格兰海峡行驶的船只保持持续的通信。最初，移动通信技术主要应用于军事， 在两次世界大战中发挥了重要的作用。之后世界各国对移动通信开始重视，投入大量资 金的对移动通信技术进行研究，出现了很多专用移动通信系统，这段时间是移动通信的 起步阶段。 起初，移动通信系统大都是专用的系统，普通个人是无法使用的，移动通信是缓慢 地伴随着技术的发展而发展的。直到2 0 世纪6 0 年代和7 0 年代，在贝尔实验室提出了 蜂窝的概念之后，才产生了真正能够面向所有人提供的移动通信服务的技术。在2 0 世 纪7 0 年代，随着高可靠的、小型化的晶体管技术的发展，无线通信的时代真正的来临 了。新一代大规模集成电路、微处理器技术的飞速发展，使得移动设备的体积更小、价 格更加便宜、功能更可靠，这些都极大的促进推动了移动通信技术的发展。数字信号处 理技术，数字交换技术也推动了移动通信网络的大规模发展。自2 0 世纪9 0 年代以后， 蜂窝移动通信一直处于爆炸式的增长过程中 1 】。蜂窝式移动通信经历了第一代模拟式通 信，现在的蜂窝通信系统以第二代( 2 g ) 和第三代( 3 g ) 移动通信为主，正在向第四 代移动通信系统迈进。 第一代移动通信系统【1 】 第一代( 1 g ) 从上世纪7 0 年代末开始商用化，属于模拟式蜂窝网。其中具有代表 性的是北美的a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ) 、欧洲的t a c s ( t o t a la c c e s s c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) ，另外还有北欧n m t ( n o r d i cm o b i l et e l e p h o n y )日本h c m t s ( h i g hc a p a c i t ym o b i l et e l e p h o n es y s t e m ) 。第一代移动通信系统主要采用频分多址 ( f d m a ) 方式实现对用户的寻址，并以蜂窝式网络结构和频率规划实现载频再用，达 第l 页 北京邮电大学硕士研究生论文 异构网络新型接入选择算法 到扩大覆盖服务范围和满足用户数量增长的需求。这时的移动通信系统只能在某些国家 的一些大城市实现有限的覆盖，很难实现真正意义上的随时随地的通信，另外这些系统 的数据传输速率相对较低，主要完成模拟语言信号的传输。虽然模拟蜂窝网络取得了很 大成功，但也暴露了一些问题。例如，频谱利用率低，移动设备复杂，费用较贵，业务 种类受限制以及通话易被窃听等，最主要的问题是其容量不能够满足日益增长的移动用 户需求。 2 第二代移动通信系统 1 】 第二代移动通信系统( 2 g ) 于上世纪9 0 年代初开始商用，完成了从模拟到数字的 转变，其中最具代表性的是欧洲的g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 、 北美的c d m a ( i s 9 5 ) ，另外还有日本的p d c ( p e r s o n a ld i g i t a lc e l l u l a r ) 系统。第二代 移动通信接入技术主要采用时分多址( t d m a ) 方式以及码分多址技术( c d m a ) 方式， 可以提供9 6 - 2 8 8 k b i t s 的传输速率，并以数字式蜂窝网络结构和频率( 相位) 规划实现 载频( 相位) 再用的方式，达到扩大覆盖服务范围和满足用户数量增长的需求。第二代 数字通信系统与第一代模拟通信系统相比，具有更高的频谱利用率，有利于提高系统容 量；能够提供多种业务服务，除了可以传送语音外，还可传送低速率数据业务，如传真 和分组的数据业务等，提高了通信系统的通用性；传输采用电路域交换和分组域交换两 种交换方式；支持漫游功能；第二代移动通信系统已经发展成为跨洲、跨国覆盖的广域 网，服务质量较高，系统结构也越来越复杂。 3 第三代移动通信系统 2 3 4 】 随着互联网业务的不断发展，人们对移动通信传输多媒体等高速率数据业务传输能 力的要求越来越高。第三代移动通信技术( 3 g ) 就在这样的背景下发展起来了。第三代 移动通信系统在国际上统称为i m t - 2 0 0 0 ( 简称3 g ) ，是国际电信联盟( i t u ) 在1 9 8 5 年提出的工作在2 0 0 0 m h z 频段的系统。i m t - 2 0 0 0 的目标与要求是实现全球同一频段、 统一体制标准、无缝隙覆盖，并可实现全球漫游，能够提供以下不同环境下的多媒体业 务。车速环境：1 4 4 k b p s ，步行环境：3 8 4 k b p s ，室内环境：2 m b p s 。要求具有接近固定网 络业务服务质量，与第二代移动通信系统相比，具有更高的频谱利用率，可以很灵活的 引入新业务，易于从第二代平滑过渡和演进，具有更高的保密性能，较低价格，较小体 积的实用化终端手机。主流的3 g 标准有以c d m a 技术为核心的w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、 t d s c d m a ，以o f d m 为核心的技术的w i m a x ，其于2 0 0 7 年7 月成为i m t - 2 0 0 0 的 一员。 第2 页 北京邮电大学硕士研究生论文异构网络新型接入选择算法 1 ) w c d m a w c d m a 主要由爱立信、诺基亚等欧洲通信公司提供，同时融合了日本n t t d o c o m o 为代表的类似的方案，经过多方讨论，最终成为现在的w c d m a 系统。 w c d m a 系统能够支持多种宽带业务，支持电路域( 如p s t n ，i s d n ) 和分组域业 务( i p 网) 。可以在一个载波内为一个用户同时提供语音、数据和多媒体业务。通过透 明或是非透明传输支持实时、非实时业务。 w c d m a 采用d s c d m a 技术，码片速率3 8 4 m c h i p s ，载波带宽为5 m h z 。不同 基站间即可选择同步也可不同步，不受美国g p s 限制。在反向链路上，采用导频符号 相干r a k e 接收方式，解决c d m a 中反向信道容量受限问题。 w c d m a 采用精确的功率控制，包括基于s i r 的快速闭环、开环和外环三种方式。 功率控制频率为1 5 0 0 次s ，采用0 2 4 - - 4 d b 可变步长，可以有效的对抗衰落。 w c d m a 信道可分为物理信道、传输信道和逻辑信道。其中，物理信道是以物理承 载特性定义的，如占用频带、时隙、码资源等；传输信道则以数据通过空中接口的方式 和特性定义的；逻辑信道则是按信道的功能来划分。 w c d m a 系统还采用很多其他先进的技术，如自适应天线、多用户检测、分集接收、 分层式小区结构等，来提高整体系统的性能。 2 ) c d m a 2 0 0 0 c d m a 2 0 0 0 系统是从i s 9 5 和i s 4 1 系统发展演进而来的，主要提供者有高通、朗 讯、摩托罗拉和北电等北美公司。 c d m a 2 0 0 0 系统采用m c c d m a 技术( 多载波c d m a ) ，可支持语音、分组、数据 等业务，可实现q o s 的协商。c d m a 2 0 0 0 包括1 x 和3 x 两部分，也可以扩展到6 x 、 9 x 、1 2 x 。对于射频带宽为n 倍1 2 5 m h z 的c d m a 2 0 0 0 系统，可以采用多载波来利用 整个频带。 c d m a 2 0 0 0 系统采用g p s 实现精确定时，在小区之间需要保持同步。c d m a 2 0 0 0 采用的功率控制有开环、闭环和外环功率控制，速率为8 0 0 次s 或是5 0 次s 。c d m a 2 0 0 0 系统还采用其他多种的技术提升系统的性能，例如导频辅助，正交分集、多载波分集等 技术。 3 ) t d s c d m a w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 都属于f d d c d m a 技术，t d s c d m a 技术则属于t d d 技术，是由我国自主提出的i m t 2 0 0 0 范畴3 g 技术标准 t d s c d m a 系统采用的物理层技术与w c d m a 系统基本类似，网络结构与 w c d m a 完全一样，都是采用u m t s 的网络结构。两者的主要区别在于空中接口： t d s c d m a 采用了t d d 的时分双工技术，在物理层采用了一些先进技术以提高系统性 能，比如智能天线、联合检测、低码片速率和软件无线电等技术。在网络方面，t d s c d m a 第3 页 北京邮电大学硕士研究生论文异构网络新型接入选择算法 后向兼容g s m 系统，支持g s m m a p 核心网，使网络能够由g s m 平滑演进到 t d s c d m a 。同时，t d s c d m a 与w c d m a 具有相同的网络结构和高层指令，两种制 式可以使用同一个核心网。与w c d m a 系统相比，t d s c d m a 在网络层上的主要特点 是无线资源管理( 删) 中采用了接力切换、动态信道分配技术( d c a ) 。t d d 系统与 f d d 相比较有很多优势，例如t d d 系统在实现时比f d d 系统少用一个射频双工器， 由于上下行链路采用同一个频段，更有利于智能天线、功率控制、发分集等新技术的实 现。t d d 双工模式最大的优点在于其更适合于传输不对称的业务，在以数据业务逐渐 增多的移动通信系统中，t d d 模式显示出更大的优势；另外，由于t d d 模式不再需要 成对的频谱资源，使频率分配和划分更加简单灵活，有利于使用零散的频谱，有利于提 高频谱利用率。 4 第四代移动通信系统 5 】 在2 0 0 7 年的i t u 大会上第四代移动通信系统正式被定名为i m t - a d v a n c e d ，它用于 满足用户不断增长的通信业务类型和业务速率要求。4 g 系统将要满足更多种类的业务， 可能包括i p p c m ，v o l p ，m p e g 4 ，h 2 6 3 ，交互游戏，因特网，电子邮件等多种实时 或非实时的业务。i m t - a d v a n c e d 的候选标准有l t e a d v a n c e d ，t d l t e a d v a n c e d 和 8 0 2 1 6 m 。 目前的目标是在4 x 4 天线，上行2 x 4 天线配置下实现峰值速率下行1 g b i t s ，上行 5 0 0 m b i t s 。如果采用更高阶数的天线配置，将可以获得更高的峰值速率。与峰值速率、 峰值频谱效率相比，小区平局频谱效率以及小区边缘频谱效率具有更实际的意义。在这 些方面，l t e a d v a n c e d 提出的目标是：在l t e 原有应用场景下，平均频谱效率要求提 供约5 0 ，即达到下行2 4 ( 2 x 2 天线) 3 7 ( b i t s ) h z ( 4 x 4 天线) ，上行1 2 ( 1 x 2 天线) - , 2 ( b i f f s ) h z ( 2 x 4 天线) 。此时，下行最高天线配置为4 x 4 天线，上行可从l x 4 天线扩 展到2 x 4 天线。在小区边缘频谱效率方面，由于缺乏更好的抑制小区间干扰的技术，只 能期待有大约2 5 的性能提升。 第四代移动通信系统主要是以o f d m m i m o 为技术核心，o f d m 技术能够克服高 速率数据传输时符号间干扰增大的问题，并且能够有效提高频谱效率，m i m o 信道的容 量将随着天线数量的增大而线性增大，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利 用率成倍地提高，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。4 g 系统是一个全p 的 网络，可以实现不同网络间的无缝互连，同时全i p 也是一种低成本的集成目前网络的 方法。自适应调制编码( a m c ) 技术根据信道的情况确定当前信道的容量，根据信道情 况确定合适的调制编码方式，以便最大限度地发送信息，实现比较高的速率，从而可提 供高速率的传输和高的频谱利用率。在4 g 移动通信系统中采用h a r q 技术，采用差错 第4 页 北京邮电大学硕士研究生论文 异构网络新型接入选择算法 控制技术来提高信号的传输质量，从而保证信息的可靠传输。 1 1 2 宽带无线接入的发展 在新技术和市场需求的共同作用下，宽带无线接入技术同样取得了长足的进展。针 对不同的无线应用场景，以i e e e8 0 2 系列标准为代表的无线宽带接入新技术，与传统 的蜂窝移动通信网共同为用户提供多样化、个性化的无线接入服务。 w i f i 是无线高保真的缩写，包括i e e e8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l b 、8 0 2 1 l g 和8 0 2 1 i n 。能 够提供高数据速率和低移动性的服务，在英特尔、i b m 、a t & t 等众多i t 和电信运营 商的努力下，w i f i 现在已经普遍部署在公司、高校、机场、宾馆等公共场所，实现热 点地区的覆盖，也家庭中应用也越来越广泛。 w i m a x 技术是微波接入全球互操作性的缩写( w o r l d w i d ei 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 ea c c e s s ) ，主要任务是通过对产品进行兼容性和互操作性认证，消除i e e e 8 0 2 16 标准应用的障碍，扩大标准的应用范围。w i m a x 支持高速移动性以及具有q o s 保证的全球覆盖，具有在移动环境中提供高速数据传输能力和良好的宽带移动性。 w i m a x 采用了很多新技术，提高了数据传输能力，逐渐成为无线城域网研究的新热点。 主要采用m i m o o f d m 物理层技术，提高了频谱效率和数据速率，又能够有效对抗频率 选择性衰落和窄带干扰。为了进一步提高数据，采用自适应调制编码技术( a m c ) ，可 以根据信道瞬时情况，动态改变调制和编码格式，增强链路自适应能力。w i m a x 采用 混合自动重传请求( h a r q ) ，可以提高无线传输信道传输可靠性，提高频谱效率及系 统吞吐量，获取的合并增益间接地提高了系统覆盖范围。wim a x 网络与w i f i 相比其 建设成本更低，能为用户提供更经济的数据服务，尤其适合没有传统有线网络和偏远的 地区。 i e e e8 0 2 2 0 无线标准又称移动宽带无线接入系统( m o b i l eb r o a d b a n dw i r e l e s s a c c e s s ，m b w a ) ，提供全球统一平台，基于开放标准的互操作性规范。该标准在保留 w l a n 优势的基础上又具新的特点，将在与蜂窝网络相当的覆盖范围内实现可与w i f i 媲美的传输速度。8 0 2 2 0 定位于提供一个基于i p 的全移动网络，提供高速移动数据接入， i e e e8 0 2 2 0 标准中将提供更高的q o s 保障，以此实现频谱效率和更小的延时，与3 g 系统 相比其更有利于数据传输。 u w b ( u l t r a w i d e b a n d ) 无线通信是一种不用载波，而采用时间间隔极短( 小于l n s ) 的脉 冲进行通信的技术，也称作脉冲无线电( i m p u l s er a d i o ) 、时域( t i m ed o m a i n ) 或无载波 ( c a r d e rf r e e ) 通信。u w b 被认为是一种未来短距离无线通信的主流技术。u w b 在较宽的 第5 页 北京邮电大学硕士研究生论文 异构网络新型接入选择算法 频谱上传送极低功率的信号，在1 0 米左右的范围内实现数百m b i t s 至数g b i t s 的数据传输 速率。u w b 具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等 诸多优势，主要应用环境为室内通信、高速无线l a n 、家庭网络、无绳电话等。 i e e e8 0 2 2 1 工作组主要研究如何在异构接入技术间提供独立于媒体的切换能力， 其中定义的切换包括i e e e 系列接入技术间的切换技术以及i e e e 系列和蜂窝网络之间 的切换。i e e e8 0 2 2 1 工作组合3 g p p 保持着紧密的合作关系，共同推动着无线网络技术 的融合和发展 7 8 。 1 1 3 多种无线接入网络的共存和融合 随着技术的进步和市场需求的变化，移动通信网和宽带无线接入网分别朝着各自的 方向发展并不断演进。现在无线通信系统种类繁多，通常是为了适应某种特定的通信需 求而设计的，例如：蜂窝移动通信系统、无线局域网、卫星通信系统、车载通信系统， 以及各种专用通信系统等。各个通信网络之间彼此相对独立，是为了某种特定需求设计 的，因此在应用场景、发展方向、系统结构、覆盖范围、通信协议、链路特性和业务提 供能力等方面具有很大的差异。在未来的无线通信系统中，人们对通信业务的需求逐渐 由传统语音转变为对语音、数据、图像、多媒体、互联网的综合业务的需求，移动通信 系统需求体现出多样化的特点，要求移动通信能够实现“5 w 通信，即任何人可以在 任何时候、任何地方、与任何人以及相关的物体进行任何形式的通信。然而现有针对特 定业务或是应用场景而设计的无线通信系统很难满足用户的多样化需求，同时这种多制 式网络共存的现状也存在诸多的弊端，例如：无线资源管理维护成本高，不利于无线资 源的共享，不利于实现跨网络综合业务的提供。 利用现有的多种无线通信系统，通过系统间融合的方式，使多系统之间取长补短是 满足未来移动通信业务需求一种有效手段，能够综合发挥各自的优势。由于现有的各种 无线接入系统在很多区域内都是重叠覆盖的，所以可以将这些相互重叠的不同类型的无 线接入系统智能地结合在一起，利用多模终端智能化的接入手段，使多种不同类型的网 络共同为用户提供随时随地的无线接入，从而构成了如下图所示的异构无线网络。所谓 异构，是指两个或以上的无线通信系统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 网络状态等因素智能的选择接入到最合适的那个无线接入系统中，从而满足用户灵活多 变的个性化业务需求，同时提高整个系统的资源利用率。 第6 页 北京邮电大学硕士研究生论文异构网络新型接入选择算法 图1 1 异构无线网络结构 对于移动运营商而言，如果希望将自己的无线接入系统加入到异构无线网络中，只 需在原有网络结构中增加少量的网络实体并加入相应的管理功能，既不需要大量的资 金，建设周期也比较短，有利于提升运营商的市场竞争力。另外，通过异构网络协同无 线资源管理，可以充分利用异构无线网络中各无线接入系统的基础设施和无线资源，可 以充分激发这些系统的潜能，共同为用户提供单系统模式下所无法提供的业务和功能。 未来的移动通信网络演进不是一个跨越式的变革，而是逐步的渐进性演进。在新网 络部署的同时，原有网络还会发挥它的作用，原有网络不会因为新网络的部署完成而快 速的退出运营。因此，未来的移动网络演进之路将是一个新老网络并存，新网络逐步淘 汰旧网络的过程。在演进的过程中，如何使各种无线接入技术相互补充，相互融合，使 多种网络无缝的集成到一个统一的网络环境中，综合发挥网络的整体性能，最大话运营 商的利益，成为异构网络研究中的重点。 1 2 论文研究的意义 通过论文研究背景部分的介绍，我们可以得出结论，下一代的无线通信系统应该是 一个能够将现有的和未来将要出现的各种无线接入系统有机的融合在一起的开放性的 异构无线网络。异构网络综合考虑时效性、实用性、系统性能和发展潜力等方面的因素， 被认为是未来无线通信网络最具发展前景的网络体系结构。异构无线网络的一个重大挑 战就是如何将不同网络的资源进行联合优化利用，即在达到不同用户服务质量要求的同 时，能够使异构网络总体资源得到最大化利用，满足用户的多种需求。异构网络中的无 线资源管理需要协调不同接入技术之间的资源，使不同接入技术实现优势的互补，充分 发挥各接入技术的优势满足用户的需求，实现异构网络的整体资源利用率最大化。异构 第7 页 北京邮电大学硕士研究生论文 异构网络新型接入选择算法 网络中的无线资源管理相对于传统单一网络的无线资源管理而言将更加复杂和重要。异 构网络中的无线资源管理算法包括切换、接入控制、接入选择、负载均衡等算法，其目 的是为了充分的整合异构网络的整体资源，为用户提供一个无缝的网络服务环境，满足 用户多种业务的需求。 在异构网络中，因为涉及到多个子网络，因此异构网络中的接入控制相对于传统的 单一网络接入控制要复杂得多，最大的难点在于如何综合利用不同接入技术的资源，在 满足用户的接入服务请求的同时最大化系统的整体资源利用率。接入控制过程包括上行 链路的接入控制过程和下行链路的接入过程，只有当两条链路都满足业务的接入请求 时，该业务才能够被允许接入到网络中。由于业务上下行传输速率的多样性和网络上下 行资源的相对固定性，接入到网络中的不同类型业务有可能会导致网络的上下行负载率 出现差异较大的情况。上下行负载率的不均衡可能会导致在业务接入过程中因为单条链 路资源受限而使新业务被阻塞的现象发生。 在异构网络中，如果两个子网络具有不同的上下行资源提供能力，将为接入的用户 提供多接入增益，即同时满足业务上下行资源需求的概率可以得到提高。通过合适的接 入选择算法，将业务选择接入到合适的网络中，能够使业务的上下行资源需求与所接入 网络的上下行资源供给达到匹配，可以避免网络上下行负载率不均衡现象的发生，降低 业务的阻塞率，提高系统的资源利用率。如何能够使业务接入到合适的子网络，使网络 的上下行链路间的负载率实现平衡是本文研究的问题。 1 3 研究内容以及创新点 本文针对异构网络接入选择算法现有研究存在的问题，指出了现有接入选择算法忽 略的一个重要因素，即忽略了业务的非对称性对异构网络接入选择的影响。通信系统只 有在上下行链路同时满足业务接入请求的条件下才允许新业务的接入。业务的非对称性 会引起网络上下行负载率的非对称，当网络的上下行负载率具有较大差异时，会因为上 下行链路中某一条链路资源不足而拒绝业务的接入，而另一条链路却存在较大的资源剩 余。业务的非对称性提高了系统阻塞率，浪费了系统资源，降低了网络的吞吐量。为了 解决这个问题，本文提出一种新型的异构网络接入选择算法，充分考虑业务的上下行非 对称性，为业务选择合适和网络，实现网络的上下行链路间的负载均衡，避免因网络上 下行负载率不对称而引起的业务阻塞的发生，从而降低业务的阻塞率，提高系统的资源 利用率和网络吞吐量。 最后，通过m a t l a b 设计了异构无线网络系统级仿真平台，验证了提出的算法的性能。 通过与传统的基于负载均衡的异构网络接入算法的比较，新算法在阻塞率、上下行链路 的平均吞吐量方面都具有较大的改善。 第8 页 北京邮电大学硕士研究生论文 异构网络新型接入选择算法 1 4 论文结构安排 本论文共分五章，各章结构安排如下 第一章回顾了移动通信系统以及宽带无线接入等技术的发展史，指出未来无线通信系统 的一个重要发展趋势是多系统的异构无线网络融合，之后引出本文的研究内容、 研究重点和文章结构。 第二章介绍了异构无线网络的融合框架与方案、异构无线网络的互联互通、异构无线网 络协同无线资源管理，最后举例说明异构无线网络融合示例 第三章针对现在异构网络中存在的网络上下行负载率不对称的问题，提出一种新型的异 构接入选择算法，采用将业务选择进入到合适的网络的方式实现网络上下行负载 率的均衡，避免在接入控制过程中出现单条链路受限的情况，从而降低业务的阻 塞率和提高系统的资源利用率。 第四章针对提出的新型异构网络接入选择算法，设计仿真方案，在阻塞率、网络上下行 吞吐量、异构网络资源率等方面对新算法进行仿真验证分析。 最后一章对全文进行总结，指出本文中存在的问题并且对今后研究的方向做了进一步的 探讨。 第9 页 北京邮电大学硕士研究生论文异构网络新型接入选择算法 第二章异构无线网络融合 2 1 异构无线网络的互联互通 下一代的无线网络是基于多种无线接入技术融合的异构网络，包括宽带无线接入、 蜂窝移动通信系统，数字电视广播网络和卫星通信系统。异构网络强调不同系统之间的 互联互通，以保证用户能够充分的利用这些异质的无线接入技术，实现满足用户的多种 需求和提高系统效能的作用。如图2 1 ，表示了异构无线网络存在形式，各种不同接入 技术的网络交叠覆盖： 图2 - 1 异构网络的无线接入网示意图 下一代无线网络不是一个采用唯一接入技术的全新网络，而是具有不同接入技术的 无线通信网络在交叠覆盖的基础上融合的结果。如何实现异构无线网络的融合，实现异 构无线网络间不同接入技术之间的互联互通，人们做了大量的研究，提出了不同的解决 方法。对于现有的各种异构系统间的结合方式，如果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 g h tc o u p l i n g ) 松耦合( 1 0 0 s ec o u p l i n g ) 两种。这两种结合方式是由 e t s i 在b r a n ( b r o a db a n dr a d i oa c c e s sn e t w o r k s ) 计划【13 】中提出来的，虽然最初只考虑 了3 g 与w l a n 这两种特定的无线接入系统相结合的情况，但同样也适用于任何类型、 任意多个无线接入系统之间的互联互通，其特点是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异构无线网络的互联互通。另一个思路是采用全新的 第1 0 页 北京邮电大学硕士研究生论文 异构网络新型接入选择算法 网络结构实现异构无线网络，如环境感知网。 2 1 1 紧耦合模式 在网络融合过程中，紧耦合模式是使一个网络( 如网络a ) 完全成为另一个网络( 网 络b ) 的一部分，即构成异构无线网络的无线网络之间存在主从关系。在这种模式下， 通过增加少量网元或在现有网元上增加必要的功能模块就可以实现两个网络的互通，使 网络a 实现接入网络b 所支持的所有功能。在紧耦合模式下，两个网络可以看作是统 一的整体，无需第三方即可以直接实现互操作，具有切换时延小等优点，但增加了设计 和实现的复杂性。 例如，在u m t s 与i e e e8 0 2 1 1w l a n 进行紧耦合的情况中，通常是将u m t s 网络 作为主网络，而将w l a n 作为从属网络，w l a n 中的接入点( a p ) 通过专用的接入网关 连接到u m t s 的核心网 1 4 1 5 1 6 。如图2 2w l a n 网络于u m t s 网络紧耦合模式互 所示，在紧耦合模式下，接入网关中实现了所有与u m t s 系统的无线接入相关的协议功 能( 比如认证、授权以及移动管理等等) ，所以从u m t s 核心网的角度观察，w l a n 只是 u m t s 系统中的一个无线接入网，与其他u m t s 无线接入网络采用同样的方式。在这 种情况下，w l a n 中的全部业务都被插入到u m t s 核心网中，而且w l a n 将与u m t s 的无线接入网共享u m t s 系统所提供的认证、授权和计费( a a a ) 功能和信令协议，多模 终端在u m t s 和w l a n 之间的垂直切换也可以由u m t s 的移动管理功能来实现。此时 统之 北京邮电大学硕士研究生论文异构网络新型接入选择算法 间是以彼此独立的、平行的方式结合