（微电子学与固体电子学专业论文）异构网络中的网络选择方案研究.pdf

北京邮电人学硕j ：学位论文异构网络中的网络 删f 删 y 1 7 5 8 i c j i 岑芝 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，本人承担一切相关责任。 本人签名：谚f 、豹 日期：洲o f 。 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一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， 本人签名：班：! 主篷 导师签名：主丝 适用本授权书。 络中的网络选择方案研究 摘要 下一代移动通信系统的特征之一是异构网络的融合。未来的移动 通信网络将包含多种无线接入技术，不同的无线接入技术提供不同的 覆盖范围、吞吐量和服务质量等，这些技术在性能上的互补性使得异 构网络融合成为一种必然趋势。在异构网络融合环境下的一个重要的 研究课题是网络的接入选择问题，即多模终端如何在多种无线接入技 术并存的复杂环境中，通过选择最恰当的和最有效的无线承载，使用 户能够始终保持接入最优的网络，得到最满意的服务，并且使全网的 无线资源利用率最高。 本文首先介绍了异构网络不同层面的融合和不同程度的融合。异 构网络的融合主要包括终端、接入网和核心网的融合。目前的融合方 案主要包括紧耦合和松耦合。简要介绍了异构网络的无线资源管理的 研究现状和网络选择的发展现状。 本文分析研究了不同控制方式以及不同融合场景中的网络选择 方案。由于只要网络存在耦合关系就可以使用终端辅助网络控制的接 入选择方式，因而本文基于这一方式展开研究和扩展，提出了接入选 择功能架构，并设计了接入选择方案的通用模型，包括了事件触发、 性能参数等判决因素的获取、网络可用性检验、网络选择等。 本文针对单用户的网络选择提出了模糊多属性决策的两种算法。 在网络选择过程中，应用模糊逻辑评估某些不确定和不可统一度量的 参数值；应用层次分析法根据不同的业务需求求解各个属性的权重； 针对多属性决策中经常出现排序失序问题，提出了t o p s i s 的改进方 法；又根据网络选择中不同的场合和业务需求，提出了基于模糊灰度 关联的方法。 此外，本文还提出了利用博弈论的方法解决多用户网络选择的方 案，并提出了新型的支付函数表达形式。现有的网络选择方案大都仅 考虑单用户的接入选择情形，但在实际的通信环境中，经常有多个用 户同时请求接入，而博弈论则可以有效的解决多用户的接入选择问题。 北京邮电大学硕i ：学位论文 异构网络中的网络选择方案研究 本文分析了三种不同博弈类型的网络选择模型，提出了一种新型的支 付函数，全面的反映博弈过程中参与人的得失；在此基础上给出了纳 什均衡在基于多用户网络选择中的应用和求解均衡的方法。 关键词异构网络融合网络选择模糊多属性决策t o p s i s 灰度关联博弈论 h r 。- _ 。 北京邮电大学硕士学位论文 n e t w o 异构阿络中的网络选择方案研究 r ks e l e c t i o ni n h e t e r o g e n e o u sn e r r w o r k s h e t e r o g e n e o u s n e t w o r ki so n eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so f n e x t - g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s n ef u t u r em o b i l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sw i l li n c l u d eav a r i e t yo f w i r e l e s sa c c e s s t e c h n o l o g i e s ，a n dw h i c hw i l lo f f e rd i f f e r e n tc o v e r a g e ，t h r o u g h p u ta n d q o sa n ds oo n t h ec o m p l e m e n to ft h e s et e c h n o l o g i e si np e r f o r m a n c e m a k e sh e t e r o g e n e o u sn e t w o r kc o n v e r g e n c oa ni n e v i t a b l et r e n d i nt h e h e t e r o g e n e o u sn e t w o r ke n v i r o n m e n t ，t h en e t w o r ka c c e s ss e l e c t i o ni st o b ea l li m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c t h em e t h o d sf o rh o wt h em u l t i m o d e t e r m i n a ls e l e c t st h em o s ta p p r o p r i a t ea n dm o s te f f e c t i v er a d i ob e a r e ri n av a r i e t yo fc o m p l e xe n v i r o n m e n t s a n di tw i l le n a b l et h eu s e r st o m a i n t a i na c c e s s i n gt ot h eb e s tn e t w o r ka n dg e tt h em o s ts a t i s f a c t o r y s e r v i c e ，a l s ot h ee n t i r er a d i or e s o u r c eu t i l i z a t i o ni su pt ot h em a x i m u m t h i sd i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st h ec o n v e r g e n c eo fh e t e r o g e n e o u s n e t w o r ka td i f f e r e n tl e v e l sa n dd i f f e r e n td e g r e e so fi n t e g r a t i o nf i r s t l y 1 1 l e i n t e g r a t i o n o fh e t e r o g e n e o u sn e t w o r ki n c l u d e s i n t e g r a t i o ni n t e r m i n a l s a c c e s sn e t w o r ka n dc o r en e t w o r k t h ec u r r e n ti n t e g r a t i o n p r o g r a m si n c l u d et i g h t l yc o u p l e da n dl o o s e l yc o u p l e d a l s ow ed e s c r i b e b r i e f l y t h er e s e a r c hs t a t u so fr a d i or e s o u r c e m a n a g e m e r i ta n d d e v e l o p m e n ts t a t u so fa c c e s ss e l e c t i o n t h i sd i s s e r t a t i o np u t sf o r w a r dd i f f e r e n ts t y l ei nd i f f e r e n tc o u p l e d s c e n a r i o s c o n v e r g e n c eb e t w e e nn e t w o r k sc a nb ed i v i d e di n t ot i g h t l y c o u p l e da n dl o o s e l yc o u p l e d t h i sd i s s e r t a t i o nh a ss t u d i e dt h ea c c e s s s e l e c t i o ni nt h en oc o u p l i n g ，l o o s ec o u p l i n ga n dt i g h tc o u p l i n go ft h e a c c e s ss c e n e s a sl o n ga st h e r ei sac o u p l i n gb e t w e e nt h en e t w o r k st h e n i 北京邮f 包大学硕一i ：学位论文 异构网络中的网络选择方案研歹e t e r m i n a l s e c o n d a r yn e t w o r k c o n t r o l l e da c c e s ss t y l ec a l lb eu s e d t h e n w es t u d yn e t w o r ks e l e c t i o na r c h i t e c t u r ea n dt h en e t w o r ks e l e c t i o n p r o c e s si nt h i ss t y l e t h i sd i s s e r t a t i o na l s op u t sf o r w a r dt ot w ok i n d so fa l g o r i t h m su s i n g f u z z ym u l t i a t t r i b u t ed e c i s i o nm a k i n g i nt h en e t w o r ks e l e c t i o np r o c e s s ， t h ea p p l i c a t i o no ff u z z yl o g i ci st od e t e r m i n es o m em e a s u r eo fu n c e r t a i n t y a n dn o n u n i f o r mp a r a m e t e rv a l u e s ；t h ea p p l i c a t i o no fa h p i st od e t e r m i n e t h ew e i g h to fe a c ha t t r i b u t eb a s e do nd i f f e r e n ts e r v i c er e q u e s t ；f o r m u l t i a t t r i b u t ed e c i s i o n m a k i n ga l g o r i t h m t h a to f t e n a p p e a r s s o r t e d d i s o r d e ro r d e ri s s u e ，t h ei m p r o v e dt o p s i si sp r o p o s e d ；a l s oaf u z z yg r a y c o r r e l a t i o nm e t h o di s p r o p o s e d f o rd i f f e r e n to c c a s i o n sa n ds e r v i c e r e q u e s t s i na d d i t i o n ，t h ed i s s e r t a t i o na l s op r o p o s e dt h eu s eo fg a m et h e o r y m e t h o d st os o l v et h en e t w o r ks e l e c t i o np r o g r a m s ，a n dan e wt y p eo f p a y o f ff u n c t i o n m o s to ft h ee x i s t i n gn e t w o r kp r o g r a m so n l y c o n s i d e r s i n g l e u s e ra c c e s ss e l e c t i o nc a s e s ，b u t i nt h ea c t u a lc o m m u n i c a t i o n e n v i r o n m e n t ，s o m e t i m e st h e r ea r em u l t i p l eu s e r s r e q u e s t sa tt h es a m e t i m e ，w h i l eg a m et h e o r yc a nb ea ne f f e ；c t i v es o l u t i o nt ot h i sp r o b l e m t h i s d i s s e r t a t i o na n a l y z e st h r e ed i f f e r e n tg a m et y p e so fn e t w o r ks e l e c t i o n m o d e l ，p u t sf o r w a r dan e we x p r e s s i o no ft h ep a y o f ff u n c t i o n ，y o u c a ng e t am o r ec o m p r e h e n s i v eg a m ep r o c e s si n v o l v e di np l a y e r s p a y o f f ；i ta l s o g i v e st h en a s he q u i l i b r i u mc o n c e p t a n db a l a n c e da p p r o a c hf o rc a l c u l a t i n g t h en a s he q u i l i b r i u m k e yw o r d sh e t e r o g e n e o u s - n e t w o r k s - c o n v e r g e n c e n e t w o r k s e l e c t i o n f u z z y - m u l t i - a t t r i b u t e - d e c i s i o n m a k i n g t o p s i sg r a g a m e t h e o r y i v 北京邮也火学硕士学位论文 异构网络中的网络选择方案研究 目录 第一章绪论。l 1 1 课题的研究背景1 1 1 1 异构网络融合1 1 1 2 网络接入选择研究的必要性3 1 2 论文完成的工作3 1 3 论文的组织安排4 第二章网络融合中的网络选择5 2 1 异构网络的融合5 2 1 1 不同层面的融合5 2 1 2 异构网络融合方案8 2 2 异构网络下的无线资源管理l o 2 3 网络选择研究现状l l 2 4 本章小结。1 3 、： 第三章网络选择方案的总体设计。1 4 3 1 不同控制方式的网络选择。1 4 3 2 网络选择在不同融合场景中的应用1 5 3 2 1 网络无耦合时的网络选择方案1 5 3 2 2 网络松耦合时的网络选择方案1 6 3 2 3 网络紧耦合时的网络选择方案1 6 。 3 3 网络选择的功能架构及通用模型设计1 6 3 3 1 网络选择功能架构的研究1 6 3 3 2 网络选择的通用模型设计。1 8 3 4 本章小结2 1 第四章基于多属性决策的网络选择方案一2 2 4 1 模糊多属性决策模型的建立2 2 4 2 模糊逻辑2 3 4 3 多属性决策2 5 4 3 1 多属性决策的概念2 5 4 3 2 权重的确定2 7 4 4 模糊多属性决策算法2 8 4 5 基于改进型t o p s i s 的模糊多属性决策算法2 9 4 5 1 经典的t o p s i s 方法2 9 v 北京邮电大学硕士学位论文异构网络中的网络选择方案研究 4 5 2 改进的t o p s i s 3 1 4 5 3 仿真及分析。3 1 4 6 基于灰度关联思想的模糊多属性决策算法。3 4 4 6 1 灰度关联算法。3 5 4 6 2 仿真3 7 4 7 本章小结。3 8 第五章基于博弈论的网络选择方案3 9 5 1 博弈论的基本概念3 9 5 2 网络选择的博弈论模型。4 1 5 2 1 网络之间的博弈模型4 2 5 2 2 网络和用户之间的博弈模型4 3 5 2 3 用户之间博弈模型4 5 5 3 新型的支付函数4 6 5 4 纳什均衡的求解4 7 5 5 仿真与分析4 8 5 6 本章小结4 9 第六章总结与展望5 1 参考文献5 3 附录：缩略语5 7 致谢。5 9 攻读学位期间发表的学术论文6 0 v i 北京邮电大学硕士学位论文 异构网络中的网络选择方案研究 第一章绪论 下一代移动通信网络将包含多种无线接入技术，由于各种无线接入技术的标 准是独立设计和发展的，面向不同的业务和用户，并提供不同的覆盖范围和服务 质量等，这种在性能上的差异性和互补性使异构无线接入技术的共存和融合成为 可能，并成为了未来移动通信系统的重要特征。在异构网络的环境下，移动终端 如何在多种无线接入技术并存的复杂环境中，选择最恰当的和最有效的无线接入， 并使用户能够始终保持接入最优的网络，得到最满意的服务，成为一个很有意义 的研究课题。 -，一j 1 1 课题的研究背景 1 1 1 异构网络融合 纵观当今无线移动通信技术迅猛发展的趋势，近年来无线移动通信实际上是 沿着两条主线发展的。一条是以语音业务开始、以蜂窝网为代表的移动通信技术 主线；另一条是以计算机数据通信开始、以i e e e 8 0 2 x 的无线网络技术为代表的 宽带无线通信技术。下面介绍一下两种技术主线的发展历程。 移动通信的发展 移动通信的发展始于第一代移动通信系统( 1 g ) ，1 g 基于模拟通信技术， 采用频分多址( f d m a ，f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术。1 g 系统带来 个人通信的便利，但存在着容量有限、保密性差、通话质量差、制式不兼容等缺 点。2 g 系统采用数字通信系统，采用时分多址( t d m a ，t u n ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 、码分多址( c d m a ，c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 和个人数字蜂窝( p d c ， p a c i f i cd i g i t a lc e l l u l a r ) 等技术。2 g 系统主要的3 种标准获得了较为广泛的部署， 即主要应用于欧洲和世界各地的全球移动通信系统( g s m ，g l o b a ls y s t e mf o r m o b i l ec o m m u n i c a t i o n 。基于t d m a 技术) 、北美的i s 9 5 系统( 基于c d m a ) 和日本的p d c 系统。g s m 是世界上最通用的第二代数字蜂窝通信系统，传输数 据的基本速率为9 6 k b i t s ，有时可达1 4 4 k b i t s ，支持无线应用协议( m 廿，w i r e l e s s a p p l i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 以访问移动互联网。为了满足用户对高速数据业务的需求， 移动通信系统引入了分组无线业务( g p r s ，g e n e r a ld i g i t a lp a c k e td a t a ) 。g p r s 能够提供最到达1 7 1 2 k b i t s 的传输速率，增强了网络提供增值业务的能力，以便 携式设备访问移动互联网奠定了基础。国际电信联盟( u ，i n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 从2 0 世纪8 0 年代就致力于3 g 的研究，3 g 能够实现 北京邮电人学硕：i ：学位论文异构网络中的网络选择方案研究 全球漫游，采用层次蜂窝结构，以便不同移动速率的终端在不同层次的蜂窝内得 到服务，即用宏蜂窝完成大面积覆盖，用微蜂窝覆盖热点地区，用微微蜂窝提供 高速接入。3 g 能够提供更大的系统容量，数据传输速率达2 m b i f f s ，对于移动速 率达到1 2 0 l 沁l l l 的移动台可提供3 8 4 k b i t s 的传输速率。3 g 系统能够将高速移动 接入与基于互联网的服务结合起来，不仅支持语音业务，还能够支持中高速数据 业务和多媒体通信，实现移动互联网。3 g 无线接入系统的主流标准包括w c d m a 、 t d - s c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、微波存取全球互联技术( w i m a x ，w o r l d w i d e i n t c r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ) ，三个标准均基于c d m a 技术。b 3 g 4 g 是 对3 g 之后的下一代移动通信系统的称呼，发展的方向和目标移动通信宽带化、 网络口化、支持高速移动。b 3 g 似g 基本要求是支持更高的数据传输速率( 如在 高速移动环境下支持最高约1 0 0 m b i t s ，低速或者静止时支持最高为1 g b i t s ) 、业 务多样性、更高的适应性和灵活性、便于过渡和演进等。 宽带无线通信的发展 无线通信系统的发展主要以i e e e8 0 2 为基础。i e e e8 0 2 无线接入技术是美 国i e e e 标准化协会负责，其目标是制定可被广泛接受的局域网标准。i e e e8 0 2 标准委员会制定了i e e e8 0 2 1 8 0 2 2 0 系列标准，其中涉及到无线接入技术的标 准有i e e e8 0 2 1 l x 、i e e e e8 0 2 1 5 x 、i e e e8 0 2 1 6 x 、i e e e8 0 2 2 0 x 等。 i e e e8 0 2 目前主要有四个工作组在进行相关标准研究工作，分别是8 0 2 1 5 x ( 无线个域网) 、8 0 2 1 1 x ( 无线局域网) 、8 0 2 1 6 x ( 无线城域网) 、8 0 2 2 0 x ( 无 线广域网) 。 对于无线个域网，其主要目的是在个人操作空间内建立无线通信的国际标准， 实现与i e e e 8 0 2 1 1 协议组的融合，同时考虑经济和技术方面的可实现性。 i e e e 8 0 2 1 5 标准是在蓝牙技术基础上的无线个域网协议规范，主要包括蓝牙、 超宽带( u w b ，u l t r a w i d e b a n d ) 、z i g b e e 等技术。无线局域网主要解决用户“最 后1 0 0 米”的通信需求，定位于热点地区的游牧数据接入，不支持高速移动性。 包括8 0 2 1 1 a 、8 0 2 1 l b 、8 0 2 1 l g 等，8 0 2 1 1 b 可以支持1 m b i t s 、2m b i t s 、5 5m b i t s 、 1 1m b i t s 速率的网络吞吐速率。无线城域网技术是为了解决宽带接入“最后一公 里”问题而专门设计的。i e e e8 0 2 1 6 工作组定义的w i m a x 就是典型代表。 w i m a x 是一项新兴的宽带无线接入技术，能提供面向互联网的高速连接，系统 覆盖的最大范围可达5 0 k i n ，可提供最高达7 0 m b s 的数据速率，并支持车载移动 下的数据通信。w i m a x 还具有提供服务质量( o o s ，q u a l i t yo fs e r v i c e ) 保障、 标准开放、成本低廉、业务丰富多样等优点。在制定8 0 2 1 6 协议的同时，i e e e 又提出了8 0 2 2 0 方案，即移动宽带无线接a , ( w b w a ，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 ) ，也常称之为m o b i l e f i ，研究的是现在高速移动环境下的高速率数据传 2 北京邮电人学硕卜学位论文 异构嘲络中的网络选择方案研究 输，可支持最高速率2 5 0 k m h ，有效解决了移动性和传输速率相互矛盾的问题， 为移动用户提供基于口的高速、高可靠的无线数据传输，让i e e e 步入移动通信 领域有了质的飞跃。 两条主线的技术都有各自的优劣势。随着语音业务逐渐萎缩，无线移动和数 据业务快速增长，用户对个性化、多样化业务需求不断增强，两种技术都有各自 的生存和发展空间，它们不会相互取代，而是逐渐走向融合，这样就可以为用户 提供一个相对高带宽、广地理覆盖并包括语音、数据和各种多媒体业务的综合网 络。同时不同无线接入技术的共存和融合还可以提高无线资源利用率、提高网络 容量、为用户提供更多的服务质量、降低网络基础建设费用等。 1 1 2 网络接入选择研究的必要性 在异构网络融合环境下的一个重要特征是提供多种不同无线接入技术之间 的互操作，用户不再是只由一个运营商或单一接入网络提供服务，而是可以无缝 的漫游于多个运营商、多种无线接入的环境中，以最优的价格获得满意的服务。 这样就给异构网络下的无线资源管理带来了很多技术问题方面的挑战。其中一个 颇具挑战性的研究课题是网络的接入选择问题，即多模终端如何在有多种无线接 入技术并存的复杂环境中，通过选择最恰当的和最有效的无线承载，使用户能够 始终保持接入最优的网络，得到最满意的服务，并且使全网的无线资源利用率最 高。同时接入选择也是切换问题的重要组成部分。当前对切换的研究，移动口 ( m p ，m o b i l ei n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 技术相对成熟，但是都致力于研究如何确定切 换时刻，如何定义触发信息，如何定义切换流程来实现有效切换，没有对切换目 标的判决给出明确定义。在未来异构网络共存的环境中，处于运动中的终端可能 位于多个网络重叠覆盖区域，选择哪个作为切换目标成为了直接影响切换性能的 重要因素，即接入选择是切换重新接入的重要组成部分，接入选择的合理性将直 接影响切换性能。 1 2 论文完成的工作 作者在论文课题期间，结合本课题，参与了国家8 6 3 项目“支撑新一代异构 网络融合的协同管理新技术 ( 项目编号：2 0 0 7 a a 0 1 2 2 2 6 ) ，对多接入选择子课 题进行了研究。本论文完成的主要工作有： 1 分析了在紧耦合和松耦合的融合场景下接入选择的进行。网络间的融合 方案可以分为紧耦合和松耦合，本文对无耦合、松耦合和紧耦合三种情况下的网 络选择进行了研究，并介绍了接入选择的功能架构和通用模型设计。 2 提出了基于模糊多属性决策的接入选择方案。在未来异构网络环境中， 随着业务类型越来越多样化，网络性能、用户偏好也变得更加复杂，直接导致影 3 北京邮电大学硕十学位论文异构网络中的网络选择方案研究 响用户体验的因素变得更加复杂。本文采用了多属性决策来解决多个参数之间的 冲突问题；而对于某些无法直接度量或仅能定性分析的指标则引入了模糊逻辑。 利用模糊多属性决策方法( f m a d m ，f u z z ym u l t i a t t r i b u t ed e c i s i o nm a k i n g ) 对网 络选择问题进行数学建模和求解，构成模糊多属性决策的方法。 3 提出了基于博弈论的接入选择算法。本论文将博弈论的思想和方法引入 接入选择算法，提出了新型的支付函数，建立了三种不同类型的博弈论模型，对 以终端为参与人的情况进行了详细研究，并讨论了其纳什均衡解。通过仿真验证， 证明了算法的合理性和有效性。 1 3 论文的组织安排 本论文的各章节按照以下结构安排：第二章分析了异构网络融合方案及目前 网络接入算法的进展情况，第三章分析了在紧耦合和松耦合的状态下网络接入选 择的进行，第四章提出针对单用户的基于模糊多属性决策的网络接入选择方案， 第五章则提出了基于多用户的基于博弈论的网络接入选择方案，第六章是对论文 的总结和网络接入选择方案的展望，论文的最后是参考文献和致谢。 4 北京邮电大学硕士学位论文 异构网络中的网络选择方案研究 第二章网络融合中的网络选择 下一代移动通信网络是多种无线接入技术并存、支持终端移动性的可信任、 有保障的全口的异构融合网络，具有在多种无线接入技术中进行无缝切换和漫 游的能力。现有的网络融合方案基本是以欧洲电信标准协会( e s t i ，e u r o p e a n t e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r di n s t i t u t e ) 提出的两种广义的网络融合方案为基础： 紧耦合和松耦合。本章将分别介绍一下终端、接入网、核心网这三个层面的融合。 另外，本章还将介绍异构融合网络中的无线资源管理，并对其中的网络接入选择 模块进行说明，最后调研接入选择的发展现状。 2 1 异构网络的融合 异构网络的融合是未来网络发展的趋势。目前产生的各种网络系统，大部分 由于协议互不兼容，相互之间难以通信，所以异构网络必须采用通用的、开放的 技术实现不同网络的融合j 。按照不同层面可以分为终端融合、接入网融合、 核心网融合等；按照不同融合方式可以分为紧耦合和松耦合。 2 1 1 不同层面的融合 终端在整个通信系统中占有非常重要的地位，同时市场也不容易接受一个同 时需要几个终端融合的网络，因此移动终端的融合是必须的。异构网络系统的空 中接口的标准完全不同，为了不同制式的接入网之间能够交互，各网络的协议及 信令必须能够相互转换，同时需要考虑无线资源的有效利用：核心网则要求与接 入无关，并能够提供丰富的下一代多媒体业务、全开放的基于统一协议的分组网 络，因此终端、接入网和核心网的融合是必须的。下面介绍终端、接入网、核心 网方面的融合情况。 1 终端的融合 在异构网络中，终端的工作环境将发生巨大的变化，在同一地点重叠覆盖着 不同运营商经营的无线网络重叠覆盖，不同网络将提供不同的q o s 和资费水平 等，因此对终端互通和融合的性能提出了更高的需求，即需要在没有用户干预的 情况下，移动终端也能够智能的综合考虑多种无线接入技术的能力、网络覆盖情 况、网络的使用情况、业务需求、资费和用户偏好等，自主完成对网络的感知， 选择最优的网络进行接入。 移动终端的融合有两种类型，一种是简单的多模移动终端。这种方式的融合 的终端在商用方面已经取得了比较大的发展，目前国内外一些通信设备公司已经 推出了多个网络接口的终端，如便携电脑里加载3 g 网卡，从而实现可以接入有 5 北京邮电大学硕十学位论文异构网络中的网络选择方案研究 线网络、无线局域网、3 g 网络；同时还推出融合的多模手机，它们的通信模块 是在各种功能的芯片集成的基础上实现的，融合了某些特定的通信标准，如 g s 帅s c d m a w i f i ，在重叠网络中可以根据选择策略和算法进行自动接入 和切换重接入。 多模移动终端一般由几个部分组成，包括协议栈、基带处理算法、模数转换 电路、射频电路和接口部分等。其中协议栈在协议处理器上运行，基带处理算法 和模数转换电路一般采用定制集成电路实现，射频电路定制的射频芯片和部分分 立元件组成。以前面提到的多模手机为例，结构图2 1 所示 一 i 协议栈1 f 基带处理 一毪婺雾h 射频电路 _ 芯片1l jjjl_ - l l 与终端设备i i 协议栈2 l 基带处理 f 飘电路2l 煞卜l 合路器l 接口 芯片2 协议处理器 l 协议栈n 一基带处理u 模婺墼换u 射频电路n l 芯片n电路ni 图2 - 1 多模终端电路结构 另外一种融合的类型是可重配置的智能移动终端。重配置是欧盟在信息社会 技术( i s t ，i n f o r m a t i o ns o c i e t yt e c h n o l o g i e s ) 计划中提出的概念，基于软件定义 无线电( s d r ，s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ) 技术弘儿洲。所谓软件无线电，就是采用 数字信号处理技术，在可编程控制的通用硬件平台上，利用软件来定义无线收发 机的各部分功能。通过编程来实现不同的通信模式和信令结构，可以任意改变信 道接入方式和调制方式，从而实现多标准、多频带、可重编程、可扩展的多模终 端。通过软件无线电实现的多模终端的电路结构如图2 2 所示： 图2 - 2 软件无线电实现多模终端电路结构 重配置可以在不增终端的体积、功耗和成本的前提下，根据实际情况从无线 网络中灵活下载程序和配置参数、运行新通信标准，自适应性的进行接入网络选 择。 2 接入网的融合 不同的无线接入网基于不同的业务类型设计空中接口，所以各无线通信系统 的物理层调制技术和介质访问层的接入技术完全不同。融合网络的接入网必须支 持不同网络的空中接口标准，并考虑不同制式的接入网之间的协议及信令转换等 6 北京邮电人学硕：l ：学位论文异构网络中的网络选择方案研究 问题需要完成网络间的切换以及无线资源的有效利用。在a m b i e n tn e t w o r k 项目 中，提出了两种相应的技术，并进行了进一步的研究：通用链路层( g l l ，g e n e r i c l i n kl a y e r ) 和多系统协同无线资源管理( m r r m ，m u l t i r a d i or e s o u r c e m a n a g e m e n t ) 。g l l 是在原数据链路层和网络层之间增加的一个通信层，用来为 不同的无线接入机制提供统一的链路层数据处理，为之上的协议层提供统一的接 口。而m r r m 则提供多个系统间的无线资源协同管理，按功能又可以分为两方 面：一方面在网络本身已有的无线资源模块上增加一些补充功能，如对w l a n 增加接入控制、切换等；另一方面是针对多个系统增加系统之间的协同管理功能， 如接入选择、系统问的切换以及负载均衡等。另外，i e e e 工作组于2 0 0 3 年开始 讨论有关媒质独立切换业务( m i h ，m e d i a i n d e p e n d e n th a n d o v e rs e r v i c e s ) 标准的 需求，讨论在二层协议和三层协议之间开发一套与媒质无关的切换技术来解决 3 g p p 3 g p p 2 与8 0 2 之间以及i e e e8 0 2 3 、8 0 2 1 1 、8 0 2 1 6 等8 0 2 系列标准定义 的网络间的无缝切换问题。 3 核心网的融合 由于口业务和其相关的标准、技术和基础设施等已经相当成熟而且非常普 及，所以融合的移动通信网络将以i p 作为统一的接口标准和连接手段。可运营、 可管理的电信级口网络能有效地解决网络资源管理、网络安全管理、完备的运 行维护等技术问题，因此当前基于全口的核心网架构发展非常迅猛。从业界标 准和现状来看，在核心网以i p 网络为下一代网络采用的基础架构已成共识，并 将实现以i p 网络为统一承载网络的融合。3 g p p 已在i 珥，r 5 版本中引入了基于 口的骨干网。由于下一代网络业务和控制完全分离，是全开放的、基于统一协 议的分组网络，基于全口的网络结构将为各种无线接入系统在核心网上采用基 于软交换和i p 分组技术的融合提供统一平台。 在核心网融合中一个特别重要的方面是业务控制层的融合，目前主要方向是 以口多媒体子系统( i m s ，i pm u l t i m e d i as u b s y s t e m ) 为基础。3 g p p 在r 5 引入 了i m s 的概念，其目的是建立与接入方式无关、能被多种网络共同使用的融合 的核心网，即能为多种不同接入方式的用户提供融合业务。i m s 的重点是对控制 层功能作了进一步的划分，其中将呼叫会话控制功能( c s c f ，c a l ls e r v e rc o n t r o l f u n c t i o n ) 和媒体网关控制功能( m g c f ，m e d i ag a t e w a yc o n t r o lf u n c t i o n ) 分开， 网络结构更加灵活开放。i m s 采用会话启动协议( s i p ，s e s s i o ni n i t i a lp r o t o c 0 1 ) 作为呼叫控制协议。基于i m s 的核心网融合方案将在未来很长一段时间里占据 主导地位。 异构网络的融合必须解决终端、接入网、核心网三个方面融合的技术问题。 在当前使用的无线接入技术比较少的情况下，简单的多模集成的方法尚可以使用， 7 北京邮电大学硕 ：学位论文异构网络中的网络选择方案研究 但在异构环境下，在随时随地能够使用的无线接入技术的制式、频点和带宽是动 态变化的，如果兼容所有的无线接入技术及其参数，对于终端的功耗、体积和成 本会造成巨大的压力，而且扩展性很差，因此，采用重配置的终端融合将是很有 前景的技术。接入网的融合一方面要研究多网络之间协同的无线资源管理，以一 种机制完成网络间的切换和无线资源的有效利用，另一方面则推动全i p 的进程， 以简化网络间的协议及信令转换等问题。对于核心网，i m s 将成为统一的融合平 台，是实现未来统一核心网的关键技术，可提供丰富的下一代多媒体业务，实现 网络的融合。 2 1 2 异构网络融合方案 如1 1 1 所述，未来的通信网络是一个采用不同接入技术的无线通信网络相 互重叠的环境。对于应该采用何种方法实现异构网络的互联互通，人们提出了不 同的解决方法。常见的融合方案是紧耦合和松耦合模式，它们是在保持现有无线 网络结构完整性的基础上，通过增加某些中间节点实现无线异构网络的互联互通。 下面以目前研究最成熟的3 g 网络和无线局域网( m a n ，w i r e