（电路与系统专业论文）异构无线网络中的网络选择与准入控制策略研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 随着无线通信的快速发展，出现了多种不同无线网络并存的局面。为实现未来无 线通信发展的最终目标，容纳急剧增加的移动通信用户，提供高质量的多媒体业务服 务，不同类型相互重叠覆盖的各种无线通信网络就必然要融合到一起协同工作，形成 一个统一的、基于i p 协议的异构无线系统。无线资源管理技术是异构无线系统中的 关键技术和研究热点，它涉及到的研究内容很广泛，包含了呼叫准入控制、切换控制、 小区层选、负载控制、功率控制、分组调度、容量分析等领域。论文对无线资源管理 中的多目标判断的切换问题和呼叫接入控制问题进行了深入研究，并提出了切实可行 的方案。 论文首先研究了异构无线网络的切换过程，在对现有的移动通信系统中的切换算 法进行总结的基础上，针对已有算法的不足，改进了一种动态自适应的多目标判断切 换决策算法。该算法基于运筹学理论，通过将复杂问题层次化，使判决过程更加清楚 合理。而且结合参数的改变动态调整参数的权值，使算法可以更好地处理复杂多参数 的切换判决问题。 为了尽可能提高异构无线系统资源的利用率，并维护不同网络中用户服务质量 ( q o s ) 的公平，论文研究了呼叫准入控制算法。以最优保护信道策略为基础，针对一 个由蜂窝无线系统和无线局域网所组成的异构无线网络提出了一种维持q o s 公平的 准入控制策略，将准入控制问题建模成为一个以最小化整个网络的服务等级( g o s ) 为目标的带有公平因子约束的优化问题，从而能够针对不同的业务载荷条件来为异构 无线网络配置最佳数量的保护信道和平衡信道，在充分利用各系统中的无线资源的同 时为多模终端提供了无缝q o s 保证。 最后对全文进行总结，并指出今后需要进一步研究的工作。 关键词：异构无线网络，垂直切换，层次分析法，呼叫准入控制，服务等级 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t l ? a c t w i 1 l er a p i dd e 、r e l o p m e n to fw i r d e s sc o m m u i l i c a t i o n s ，m ev a r i o u sw 砌e s s n 咖o r l ( s 婀l lc o l l 】【i s t h lo r d e rt o 硎i z et h e 丘l l a lg o a lo ff i m w i r e l e 豁c 0 删m l i l i c 撕0 1 1 s ， a c o 咖m o d a t em 0 _ b i l eu s e l l s 讯啪a s e de n o m o u s l ya n do 渐m u l t i l l l e d i a 衄衔cs e r v i c 鹤 、加t l lh i 曲q u a l i 劬d i 妇衙e n t 晰r e l e s s 删啉o r l 沿0 v d a i de a c ho 撒锄l s tb ei i l t e g m t e dt o c o o p e r a t e 锄df o 册锄u m f o n l l 、b a s e do ni pp f o t o c o lh e t e i o g e n e o u ss y s t e m t h em d i or e s o u r c em a l l a g e n l e l l ti sak e yt e c l l n o l o g ya l l dar e s e a r c hh o t s p o ti nt h e h e 渤d g e o u ss y s t e i n i ti n d u d e sm a r i y 鲫b a r e a ss u c ha sc a l la c c e s sc o n 缸o l ，h a n d o 行 瓣1 ，l a y e rs e l e 商o n ，l o a dc 怕l ，p o w e rc o n 仃d l ，p a c k e ts c h e d u l e ，c a p a c i t ya 1 1 a l y s i sa n d s oo n f i r s t l y ，t l l i s 廿l 茵sd i s s s e dt 1 1 em o d ea i l ds h l j c t u r eo fh e t e r o g e l l e o u sn e m o f k r e s e 删1 e do nt 、a s p e c t s ：m l l l t i o b j e c th a i l d o f fa 1 1 dm ec a l la d m i s s i o nc o n 缸0 1 ( c a c ) ，a 1 1 d f i n a n y ，p r o p o s e dr e a _ l 娩a ：b l es d l 锄e s f 洒t l y ；n l em e s i sr e s e r c h e dt l l e l 姗d o l j fp r o c c s s c o n c l u c dm ec 啪嗽l th 锄d 0 仃 a j 鲥1 1 ：i l 。i i lo r d e rt oo v 锄m et l l es h o n c o m eo fm eo l da l g o r i 廿1 】n s ，w ep r o p o s c da l n u l t i 0 _ b j e c th a l l d 0 霞a l g 嘣n h nw k c hi sd y n 锄i ca d a 砸v e n ea l g o n 1 i i li sb a s e d0 n 纽 o p e r a t i o n a lm e o r 弘w kc ：hd i v i d e sac o m p l e xp r o b l 锄i n t oh i 舒a r c i l i e s c 锄，m a ：k en l e j u d 粤n e n tp r o c e s sm o r ec l e a ra 1 1 dr e a s o n a _ b l e ，a l s oi tc 锄c h a n g et l l ew e i g h td y n a l i l i c s oi t c a i lm a k e j u d g m e n tf - o rc 0 n l p l e xm u l t i 州e c th a n d o 霞p b l 锄 h lo r d e rt 0f l l n l l 盯i n c f e a s et l l e 嘶l 泣a ：t i o no ft h ew i r l e s ss y s t e mr e s o 删陀e ，锄dp i 0 t e c t 1 e 胁o fu s e r sq o s ，h l l es e c o n dp a r to ft 1 1 em 骼i s 舯ea l g o f i t l l i no fc a l la d ：1 1 1 i s s i o n c m 岫li sr e s e r c h e d b a s e d0 n l eo p t i m a lg u 砌c l l 姗e lp o l 地a s e a r n l e s s q o s 一嘶e i l t e d c a cs c h e m ei sp r o p o s c d 勰雏o p t i m i z a t i o np r o b l 锄a i l ：n i i l gt om j l l i l l l i z e 1 eo v 浏l 黟a d e o fs e r v i c e ( g o s ) t h em o d e li sb u i l d0 ng p r s 锄dw l a ns y 8 t e m a c c o r d i i l 酉y ，t h e 0 p 丘n n 髓n u n l b e r so fg u a r dc h a n n e l s 蛐db a l a r 妣c h 锄d 珊d 睬：r n l i i l e d 啪d 盯d i g 确t 蛔蚯cl o a d s ，w h i 6 hg 嘲m n t e 瞄f i l l lu s eo ft l l em d i or 髑0 1 l r c e 蠲ds 伽1 1 l e 豁q o sa tm es 锄e 缸e f i n a l l xi tc o n c l u d c sm ed i s s 耐a t i o nb r i e f l xa i l dm ef i 炯r e 碳；c a l c hw o r ki si n d i c a t c d k e y w o r d s ：h e t e f o g e l l e o u sw i r e l e s sn 咖。避v e n i 翻h a n d 0 噩a n a l 如ch i e r a r c h y p r o c e s s ，c a l la d m i s s i o nc o i l t r o l ，g r a d eo fs e i c c i l 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：而昵怼 日期：2 形年月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：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电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：汤i 元超 日期：) 孑年月r 日 导师始孑彩憾 日瓤谚妒易月厂日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程 ，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库 中全文发布，并可按“章程 中的 规定享受相关权益。回意途塞握銮后进厦! 旦坐生；旦= 生i 旦三生蕉查! 作者签名：= ；切泫廷 日期：2 酚矿年 月夕日 导师签名： 日期： 乃膨 1 形年易月日 ， 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 1 移动通信的发展 第一章绪论 无线通信产品制造商和服务供应商在习惯上常常将无线通信系统分为不同的几 代。第一代( 1 g ) 无线系统是面向语音的模拟蜂窝和无绳电话；第二代( 2 g ) 无线 系统是面向语音的数字蜂窝、个人通信业务( p e r s o n a lc o m m u l l i c a t i o ns e n ，i c 鼯，p c s ) 系 统和面向数据的无线广域网( w a n ) 和局域网( l a n ) ；第三代( 3 g ) 无线系统把蜂窝电话 和p c s 语音业务用各种分组交换数据业务综合在一个统一的网络中。与统一的3 g 标准并列存在的宽带局域网( w l a n ) 与a dh o c 网络也吸引了学术界和工业界很大 的注意力，并且为之开发了相应的标准。二者的一个主要区别是3 g 系统使用需要许 可证的频段，而w l n 和a dh o c 网络使用免许可证的频段。使用免许可证的频段 接入的宽带局域网和需要许可证的3 g 标准可以结合起来共同形成下一代无线网络 的核心。 第一代模拟蜂窝系统 无线通信大规模用于民用开始于上世纪8 0 年代。第一代无线通信系统( 1 g ) 都 使用调频( f r e q u e l l c ym o d u l a t i o n ，f m ) 调制，无绳电话使用单一基站和单一手持终端通 信。第一代无线系统主要提供模拟语音业务，其中有代表性的是北欧移动电话( n o r d i c m o b i l et e l e p h o n c ，n m t ) 和北美的高级移动电话业务( a d v 锄c e dm o b i l ep h o n e s e 删c e ，伽岬s ) 等。所有第一代无线通信系统都有一个共性：不同接入用户间使用频 分多址( f d m a ) 实现频带共享。对采用频分多址技术的无线通信而言，划分的信道 总数主要受到分配给无线系统的总的共享频谱带宽的限制。为了提供更高质量信号、 支持数据服务的更高速率和更大容量，人们开发了第二代数字系统。 第二代移动通信系统 第二代蜂窝系统采用数字调制技术，有先进的呼叫处理能力。话音流量在传输前 先进行编码转换为数字形式，因此可以采用数字加密、检测和纠错技术，这些技术极 大地提高了通信系统的安全性、可靠性，并且还大大提高了系统的容型。与第一代 系统不同的是，第二代系统被设计成可以支持寻呼和其他的数据业务，网络控制结构 更加呈现分布化的趋势。可见，第二代系统中手持终端完成了第一代终端没有的很多 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 功能，如接收功率报告、相邻基站搜索、数据编码和加密。下面分别以全球数字移动 通信系统( g 1 0 b a ls y s t e mf o rm 0 b i l e ，g s m ) 和i s ( i n t 商ms t a n d 硼9 5 码分多址( c 0 d e d i v i s i o nm u l 邱l ea c c e s s ，c d m a ) 为例简单介绍第二代蜂窝系统技术体系的基本特征。 ( 1 ) g s m 系鲥2 1 。g s m 系统最初在1 9 9 0 年出现于欧洲，是一个普遍的第二 代技术。它混合了频分多址( f d m a ) 和时分多址( t d m a ) 技术，先将频带划分为物理信 道，每个物理信道再被细分为大量逻辑信道，传输以重复帧序列的形式实现，每个帧 再被划分为大量时隙，跨越帧序列的每个时隙形成一个分隔的逻辑信道。另外要注意 的是，也采用了慢跳频技术，以实现连续的t d m a 帧在不同的载频上传送。 ( 2 ) l s 9 5 系统f 3 l 。最广泛使用的第二代c d m a 模式是i s 9 5 系统，前向和反 向链路的传输结构不同，它主要应用在北美。 第三代移动通信系统 第三代( 3 g ) 无线通信系统将从日益成熟的第二代系统演化而来，其目标是为支持 语音、多媒体、数据和视频等广泛范围应用提供相当高速的无线通信统一标准，支持 全世界同一接入，其中宽带c d m a 技术是无线接入技术的主流。除了中国提出的 t d s c d m a 外，另外三个主流标准中，一个是由欧洲电信标准协会( e l u d p e 锄 1 e l e c o m 姗m i c a t i o i l ss t a i l d a r di i l s t i t u t e ，e t s i ) 提出的宽带c d m a ( w 二c d m a ) ；另一个是 起源于北美的c d m a 2 0 0 0 。2 0 0 7 年1 0 月1 9 日，在国际电信联盟在日内瓦举行的无 线通信全体会议上，经过多数国家投票通过，w i m a x 正式被批准成为继w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 之后的第四个全球3 g 标准。根据i t ui m t - 2 0 0 0 【卅建议， 第三代移动通信系统工作在2 g h z 频段( 18 8 5 2 0 2 5m h z ，2 1 1 0 2 2 0 0m h z ) 、最高速 率可达2 m b i 讹。 未来( 第四代) 移动通信系统 第四代( 4 g ) 无线通信系统除了提供更高的带宽外，另外一个具有挑战性的实现 目标就是在不同的无线接入技术( 如8 0 2 1 1 ，b l u e 咖m ，3 gc d l u l 神情况下，支持带有 不同服务质量( q o s ) 需求的多媒体业务应用1 5 1 。在这样的网络环境下，根据带宽、移动 性和应用需求，用户能够以一种无缝的方式在不同的接入技术间切换。对用户而言， 不用考虑网络传输的技术细节。与传统的面向话音电路交换蜂窝无线系统相比，4 g 网 络在无线接口基于包交换并与基于i p 互连网( h l t e n l e t ) 相连【 】。如图1 1 所示。 2 图1 1 未来异构无线系统示意图 图1 2 显示了无线通信系统的发展过程。由图可见，尽管3 g 系统还只是处在 商业应用的早期阶段，但是后3 g 和4 g 系统的研究工作早已经开始，将能够支持 更大的数据速率和更灵活的服务质量性能。 囤 圆 团圆圈 圆固固圈 图1 - 2 无线蜂窝系统的发展过程 1 2 异构分层无线网络 上节所述的无线通信网络有着不同的空中接口标准和技术，其覆盖面积也有大有 小。表l 列出了部分无线接入网的重要参数【6 】。 表l 部分无线网络的参数 传输范 移动特 系统数据速率主要技术 频谱范围 围性 g s m ( 包括 9 6 l d ) s 38 4可达9 0 0 ，1 8 0 0 ， g p r s 、 k b s t d m a f d d 3 5 l a n h i 曲 1 9 0 0 m h z e d g e ) w c d m a ( f d d ) 3 0 i n 2 0 i m l 卜2 0 0 0 最高2 m b s t d c d m a h i 曲 2 g h z u m t sk m ( t d d ) 最大 1 8 8 0 1 9 0 0 m d e c t 最高2 m b st d m a 佃d l o w 5 0 i n h z 最高v 田 b l u e t o o md s s s f m o 1 1 0 m2 4 ( 、h z 7 2 1 k b s l o w h i p e r l a n 22 5 m b so f d m ，t d d 5 0 一3 0 0 r nl o w5 g h z i e e e接近2 0 8 0 2 1 1 a【b s o f d m t d d 5 0 3 0 0 mb w5 g h z 当不同覆盖面积的无线网络小区集成到一起就会形成分层蜂窝系统( h c s ) 【1 阻1 5 1 。 图1 3 显示了一个4 层蜂窝小区系统。一般而言，微微小区为室内用户提供服务，微 小区利用高度降低的天线对高业务负载区域提供无线覆盖，宏小区则针对高速移动台 提供更大范围的无线服务，而作为最高层次的卫星波束蜂窝对上述三类蜂窝进行重叠 覆盖。 图1 3 分层蜂窝系统 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 3 本文的研究背景和意义 下一代无线通信网络将会有多种无线接入网并存。这些不同类型的无线网络往往 相互重叠覆盖，由不同的运营商开发，没有个统一的接口标准，因此，异构无线网 络间的协同工作考虑很少，单一无线网络的频率资源无法满足日益增长的业务量需 求，而且一般无法实现全球无缝覆盖。为了解决无线资源的匮乏和移动用户数量的快 速增加、服务质量要求的提高之间的矛盾，并实现未来在任何时间、任何地点和任何 人通信的目标，必须在开发更多频段的同时，使已开发的频带资源更有效地为用户服 务，不同的无线通信系统就必须协同工作形成一个异构无线系统，而且用户也必须使 用多模多频移动终端。 在异构无线网络系统中，有很多难题和新的研究方向有待深入研究，如自适应动 态组网技术、无线资源管理技术、高性能物理层技术、服务和应用自适应技术嗍。其 中，无线资源管理技术是项关键技术和研究热点，它涉及到的研究内容很广泛，包 含了呼叫接入控制、切换控制、小区层选、负载控制、功率控制、分组调度等领域， 同时这些研究领域应该是相互关联的。 目前，对单一无线网络的无线资源管理各项领域的研究比较深入，但是往往集中 在一个或两个研究点上，而没有将所有或大部分的领域结合到一起进行研究，这样必 然导致一个研究领域中提出的解决方案放到整个系统中工作时其性能可能比预想的 要差。而在异构无线系统中，存在不同类型、不同小区覆盖面积的无线网络，无线资 源管理由于涉及到多种网络而变得更加复杂。异构无线系统的无线资源管理技术研究 目前处于初始阶段，其中的各项领域都有待进行深入研究，同时将各领域结合到一起 的研究则还未出现。因此，我们将致力于异构无线网络无线资源管理的各项领域研究， 同时尽量将这些相互关联的研究结合到一起，从而使得在某个研究点上提出的算法能 够在总体性的网络中起到比较好的性能作用。 本文主要对异构无线网络的资源管理中的网络选择和呼叫准入控制技术进行研 究，力求提出符合异构无线网络特征的网络选择和呼叫准入控制算法。 1 4 本文的主要内容及章节安排 本论文的目的是通过分析异构分层无线网络的特点，对异构无线网络中的基于多 模终端切换决策时网络的选择策略和异构无线网络中的呼叫准入控制技术进行了研 究，并各自提出切实可行的策略和算法。 第二章中，分析了无线通信系统的切换技术及呼叫准入控制技术的现状，列出一 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 些典型的算法，分析了它们的优点与不足。 第三章总结了现有的各种切换决策算法，结合不同算法的优点，以网络的选择为 核心，提出了一种多参数控制的具有自适应功能的切换决策算法。该算法基于运筹学 中层次分析法( a h p ) 原理，可以综合地处理多参数的切换判决问题。它将切换问题 分层分析，分为目标层、准则层、方案层。其中准则层的参数不仅考虑了各种q o s 参 数，还考虑了业务类型、用户偏好和费用等因素。该算法能够更系统、科学地考虑诸 多因素，使各因素所占权重更加合理，而且可以随着网络性能的变化，自动调整各动 态参数的权值，提高目标网络选择的准确性和自适应性，有较强的实用价值。 在第四章中，论文首先总结了现有呼叫准入控制算法，然后分析了异构无线网络 的特点。针对不同类型的无线网络所采用的准入控制算法具有一定的差异，为防止多 模终端在不同网络中切换过程的q o s 水平发生较大波动，在传统的最优保护信道策 略的基础上提出了增加维持用户q o s 公平的信道。在此基础上，我们提出了一种面 向q o s 公平性的呼叫准入控制策略一维持q o s 公平的保护信道策略，将一个由系 统和系统所组成的异构无线网络中的准入控制问题建模成为一个以最小化整个网络 的服务等级( g o s ，g r a d eo f s e 州c e ) 为目标的带有q o s 公平因子约束的优化问题， 从而能够针对不同的业务载荷条件来为异构无线网络配置最佳数量的保护信道。 在第五章中对论文进行了总结，并提出了今后的研究方向。 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 2 1 引言 第二章网络选择与呼叫准入控制技术研究现状 下一代无线通信系统将会是一个统一的异构分层无线通信系统，这个异构系统 由多种不同类型的无线网络协同工作融合而成。无线资源管理技术是整个异构系统 高效运行的关键技术之一，同时也是研究的热点领域。无线资源管理技术所涉及的 研究内容非常广泛，包括了无线信道资源的分配、呼叫准入控制、小区层选、切换 技术、移动管理、负荷控制、功率控制等。本文将着重研究异构无线系统切换技术 中的网络选择问题以及呼叫准入控制问题。 2 2 异构分层无线网络的切换技术 2 2 1 水平切换与垂直切换 切换控制是移动性管理中的关键控制功能之一，也历来都是移动性管理中的重要 研究内容。在异构的网络环境中，切换控制技术的研究也从同种接入技术间的水平切 换转移到了异类接入技术闻的垂直切换。 垂直切换与水平切换相对应，是切换技术中依据接入点改变前后所采用接入技术 的异同进行的分类。在未来由各种无线接入技术构成的无线重叠网络【1 6 】( w i r e l e s s 0 叭矾a yn e t 、) i r o r k ) 中，同类接入技术之间的切换称为水平切换【1 7 】【1 8 】，例如，w i a n 中 不同时之间的切换，g s m 中不同基站、交换系统及运营商间的切换。不同类接入技 术之间的切换称为垂直切换【1 7 1 引，如u m t s 和w l 埘之间的切换。垂直切换中，切 换前后的无线链路和接入网络存在明显的特性差异，因而垂直切换具有不对称性。根 据垂直切换方向的不同，又可以分为向上切换和向下切换【1 8 】【1 9 1 。从下层的、覆盖范围 小的网络到上层的、覆盖范围大的网络的切换，称为向上切换；反之为向下切换。各种 切换过程如图2 1 所示。 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 图2 一l 垂直切换和水平切换的示意图 除了切换过程中所涉及的接入网络技术是否同类，垂直切换与水平切换在很多方面 还存在着差异，包括： ( 1 ) 触发切换的原因不同。水平切换往往和终端移动引起的物理位置变化有关，是动态 的。垂直切换强调接入点的变化，而接入点变化并不一定由物理位置变化引起，还可能 由接入技术的变化引起，因而可能是静态的。 ( 2 ) 切换决策判决因素不同。水平切换的决策通常根据终端所接收到的物理信号强度 ( r s s ，r 七c e i v e ds i 鲈a ls 缸饥g 吐1 ) 及其变化指标( 例如，带门限的r s s 、带滞后余量的 r s s ) 和信道可用性进行。而在垂直切换中，由于切换前后的网络特征差异较大，网络 间的r s s 指标不具有可比性，虽然可以分别为不同的网络设置不同的切换门限值，但 是，只基于此进行垂直切换决策是不够的，还需要考虑与网络、应用、用户和终端相关 的q o s 、用户偏好、服务资费等多种因素，是典型的多标准决策问题。 ( 3 ) 切换控制方式不同。水平切换大多是由网络发起，终端是被动的。垂直切换中，用 户可根据偏好设置，主动发起切换。 ( 4 ) 切换中的链路转换实现不同。水平切换出现在同种接入技术之间，切换前后的无 线链路采用相同的链路层技术，因此，水平切换中的链路转换常在链路层实现。而垂直 切换涉及各种异构的链路层接入技术，并且要保证独立于底层接入，因此，垂直切换中 的链路转换在网络层及以上层实现，网络层、传输层和应用层都有支持垂直切换的典型 技术。 表2 对垂直切换和水平切换进行了全面的比较 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 表2垂直切换与水平切换的比较 水平切换垂直切换 接入技术同类接入技术不同类接入技术 终端动态移动引起的物理位强调接入点的变化，可能 切换触发原因置变化导致网络接入点的变由物理位置变化或者接入 化技术变化引起 主要基于对链路，尤其是接收综合考虑与用户、应用、 切换决策因素信号强度的测量，即r s s 及其网络、终端有关的各种因 变化指标素 常由网络控制，终端被动或完 既可由网络控制，也可由 切换控制方式终端用户根据自己偏好或 成辅助的测量工作 q o s 主动发起 在网络层、传输层或应用 链路转换实现在链路层实现 层实现 有，分向上切换和向下切 不对称性无 换 2 2 2 垂直切换的三个阶段 垂直切换包括三个阶段，即系统发现、切换决策和切换执行。系统发现阶段用于 发现当前可用的网络系统，切换决策阶段用于确定合适的切换目标网络和切换触发时 间，切换执行阶段用于进行切换实施过程。 ( 1 ) 系统发现 在系统发现阶段，移动节点搜索和发现当前可用的无线网络。 一种系统发现方法基于不同网络接口上接收到的广播消息。各种无线网络会定时 不断发送广播消息，例如，g s m 网络中的小区广播消息中的信标帧。多网络接口终 端根据不同接口上所接收到的广播消息，得知当前的可用网络。一种简单方法是，移 动节点的所有网络接口始终保持激活状态。这样虽然可以保证快速的系统发现，却造 成了移动终端较大的能耗。对于能量有限的终端而言，显然需要对此进行改进。改进 的方法是移动终端定时开启网络接口搜索可用网络【1 6 1 。这种方法兼顾系统发现效率与 终端能耗，但是需要l s s ( l 0 c a l i o ns e r v i c cs e r v 盯) 确定恰当的网络接口开启时间间 隔，在二者之间达到良好的平衡。 另一种系统发现方法则是基于l s s 实现【2 0 】【2 l 】。l s s 中存储了位于不同区域的各 种无线网络的信息，基于移动终端的地理位置( 可由g p s 协助提供) ，向移动终端提供 9 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 其周围可用的网络系统及其带宽、时延等参数。这种方法有效地节约了能耗，但是， 需要在l s s 中保存每个网络系统的精确数据，数据库的建立和维护操作开销较大，实 现也比较困难。 ( 2 ) 切换决策 切换决策用于决定移动节点选择最合适的网络。 在切换技术中，常见的切换控制方式有移动终端控制的切换( m c h o ，m o b i l e c o n 臼0 l l e dh a l l d o f r ) 、网络控制的切换( n c h o ，n e t 、) l ，o r kc o n 叻l l e dh 锄d o 嗣f ) 和移动 终端辅助的切换( m a h o ，m o b i l e a s s i s t e dh a n d o 钔，例如，欧洲的d e c t 和北美的p ! a c s 等数字无绳通信系统、w 必系统采用m c h o 方式，t a c s 及a m p s 等模拟蜂窝移 动通信网络均采用n c h o ，而g s m g p r s 、c d m a 等数字蜂窝移动通信网络通常采 用m a h o 方式【列。 由上可知，垂直切换可以由网络、由终端、或者由二者共同发起。但是，因为垂 直切换的判决因素包括不同网络状况和性能参数，只有移动终端可以方便地获取不同 网络接口上的相关信息，显然n c h o 方式不适合。另外，m a h o 方式通常由网络根 据终端报告的各种信息进行总体的优化和控制，而垂直切换跨越异构网络，无法实现 跨网络的总体控制。再考虑到终端智能化的发展趋势，可以认为m c h o 是垂直切换 中最恰当的控制方式。很多研究中将切换决策功能放在移动终端中实现，使得终端可 以基于某些因素主动发起切换。例如，可以基于服务资费，总是选择资费最低的网络； 为了提高q o s ，可以主动从低性能网络切换至高性能网络；为了提高网络资源的总体 利用效率，可以使用高带宽网络完成n 曙、视频通信等应用，而使用低性能网络完成 网页浏览、电子邮件等应用。 在垂直切换决策中，应根据当前可用网络的不同状况和特性、当前所运行的业务 的不同特点和需求，以及用户和终端的特性与偏好，进行综合判断，是一个多标准决 策问题。 在表3 ，我们总结了垂直切换决策中可能需要考虑的各种因素： ( 3 ) 切换执行 切换执行阶段通过某些垂直切换支持协议完成切换的实旅过程，将正在进行的通 信会话从切换前网络中的接入点转移至目标网络中的新接入点。由于垂直切换要保证 与底层接入技术的无关性，因此通常在网络层及以上层实现。 l o 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 表3垂直切换中考虑的因素 决策因素 类别 静态因素动态因素 网络运营商、网络配置、网当前可以状态、信号强度、误比 网络相关络类型、覆盖面积、地理信 特率、流量负载、当前带宽和时 息、典型带宽和延时延 应用特性、服务费用、安全资源分配、优先级 应用相关 因素 用户属性、用户偏好、终端 用户移动速度、位置、用户行为 用户相关 特性的历史信息 2 2 3 切换决策的相关研究 由于异构无线系统中的切换决策是多标准决策问题，决策中涉及的因素多样化， 度量值又各不相同，如何根据这些因素进行统一、综合的决策和判断，研究者们提出 了各种不同的方法【2 ”1 1 。其中，文献 2 3 2 5 】重点研究了如何降低终端的能耗，以及确 定恰当的切换触发时间。文献【2 6 3 1 】侧重于研究切换目标网络的选择策略，所采用的 典型多标准决策方法包括基于简单加权和的方法f 2 6 】f 2 刀、基于模糊推理的方法f 2 3 2 9 】、 基于策略的方法【划、基于层次分析法的方法【3 1 】等。 本论文主要研究切换决策中的网络选择问题。将网络选择问题进行分类，一类是 基于单参数的决策算法，如z a l l r 觚a h 等【3 2 1 ，提出的基于r s s ( r c c d 、稍s i 掣诅 s 慨g l h ，接收信号强度) 垂直切换算法。w c h 饥等【3 3 】提出了基于当前应用( a c t i v e a p p l i c 撕0 no f i t e d a a o ) 的垂直切换决策机制。该机制考虑了当前应用需要的参数 ( 如语音服务的最小和最大带宽) 。每个目标函数对应于一个效用函数，效用函数是 归一化的q o s 参数的权值，目标网络必须是有最高效用值的网络。 另一类是基于多参数的如带宽、延时、丢包率、费用等决策算法【2 钓1 ，3 刀，如s a w ( s i n l p l ea d d i t i v ew 葫蚍简单加权算法) ，t o p s i s ( t e c h i l i q u e 矗 o f d e rp r e 触l c e b ys i i i l i l a r i 锣t 0i d c a ls o h l t i 吗理想值近似性排序算法) ，g r a ( m yr c l 撕。砌a n a l 河s ， 关联分析算法) 和m e w ( 砌t i p l i c a d v e 懿p o n e n tw e i 曲t i n 吕乘法指数权值算法) 。 2 2 3 1 单参数网络选择算法 在文献【3 2 】中，根据移动终端与接入点之间的距离，分析了接收信号强度： 口脚( d ) = 弓一三一1 0 n l o 猷d ) + 厂( ，仃) 地朋 ( 2 1 ) 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 其中，弓是信号发送强度，是信号强度损失，以是路径损失指数，通常为，厂似，仃) 是服从正态分布的随机变量，是平均值，仃是标准偏差。根据m t 所在位置计算出的 信号强度来判断切换概率，其中设定了历作为切换判决的门限值。 w 觚g ，hj 等【3 4 】提出，在切换时为避免出现切换点频繁变换的不稳定情况，同时 考虑到切换时延以及当前网络与目标网络切换代价的比较，在切换前加入了一个等待 周期。移动节点在执行切换前应等待一个稳定期，而稳定期定义为找到比当前更优网 络时与开始执行切换之间的时间，只有在稳定期内目标网络比原有网络性能更优且一 直保持不变时才启动垂直切换。 单参数垂直切换算法主要是移植了同构网络中的切换算法，并没有过多的考虑异 构网络的特点，所以并不实用。 2 2 3 2 多参数的网络选择算法 在多参数决策算法中，切换决策机制被建模成最优化问题。每个候选网络都关联 一个代价函数。代价函数依据的是一系列参数，包括信号强度、带宽、时延和能耗等， 并且对每个参数都给予不同的权值以显示它们不同的重要性。 ( 1 ) s a w 和t o p s i s 在文献【3 5 1 中，垂直切换决策建模为模糊多属性决策( m u l t 酗ea 嘶b u t ed e c i s i o n m a k i n g ，m a d m ) 问题。此处使用模糊逻辑来表示一些不精确的属性和用户喜好信息。 例如，在模糊逻辑中，停留时间可以表示为( 短，长，非常长) 。模糊m a d m 机制分为两 个步骤。第一步将模糊数据转换为真实数值；第二步使用经典m a d m 算法来决定候 选网络的排序。两种经典的算法是s a w 和t o p s i s 。 在s a w 中，候选网络的代价值由所有的参数加权计算所得。即由每个参数值i ，乘 以其权值缈，得到每个参数的加权值，将这些加权结果相加得到目标网络j 的评价值。 目标网络a s a w 为 如矿= 骶g m a x 哆吩 i m( 2 2 ) 户i 其中a s a w 为算法计算出的最优网络，n 是参数的个数，m 代表候选网络的个数。 在t ( ) p s i s 算法中，目标网络是最接近理想值的网络a 宰( 和离最差网络a 。最远 的情况) 。理想值是由每个参数的最佳值计算得来。则目标网络a t o p 是 1 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s = 鹕l l m q f 肠( 2 3 ) 式( 2 3 ) 求最接近理想值的候选网络，其中c i 代表候选网络相对理想值的相对接近程度， 由式( 2 4 ) 得出 q = 墨“墨一+ 墨。) ( 2 4 ) 其中墨一是候选网络与极差网络a 的绝对距离，斗是候选网络与极佳网络a 木的绝对距 离。 ( 2 ) g r a 在文献【3 6 】中，目标网络的选择基于a h p ( a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ，层次分析过 程) 和g r a ( g r e ) ，r e l a t i o n a la n a l y s i s ，关联分析) 。该过程将网络选择问题分解为几个 子问题解决，并给每个子问题分配一个权值。然后使用g r e 来排序候选网络并选择 一个最高分值的。 g r a 排序算法基于创建候选网络与理想网络的关系值。处理流程是根据参数的 益处和代价计算每个网络的关系值，该关系值表示候选网络和理想网络的类似性。目 标网络是与理想网络有最高类似性的。目标网络a g r a 表示为 = a r g m a ) 【r o f 膨 ( 2 5 ) 其中r 。j 是网络的关系值。 ( 3 ) m e w m e w ( m m 廿p k c 撕v ee ) 【p 0 朐l tw e i 曲t i l l g ，乘法指数权值) 是另一种m a d m 【3 7 】算法。 该垂直切换算法可以表示为矩阵形式，每一行i 代表候选网络，每一列j 代表一个参 数( 如带宽，延时) 。网络i 的评价值s i 由各个参数加权计算所得： 墨= n 带 ( 2 6 ) j l 其中嘞表示候选网络i 的第个j 参数，q 代表参数j 的权值，并且 哆= 1 ( 2 7 ) 户i 在式( 2 7 ) 中，权值哆表示正增益时写为形，权值哆表示负增益时写为巧吩。因为由 m e w 算法求得的评价值没有上限，因此需要将其与理想网络进行比较。理想网络的 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 评价值由每个参数的最佳值计算得出。即对于正增益的参数取值最大，对于负增益的 参数时，取值候选网络i 和理想网络之间的比值r i 由下式计算 兀衫 r = l ( 2 8 ) 兀( 弓广 ，l i 其中m e w 和其他垂直切换算法的权值国，由业务的q o s 需求等来决定。目标网络 a me 为 彳砸矿= a r g m a ) 【尺，0 r 。1 ( 2 9 ) 在已有的这些网络选择算法中存在着这样一些问题： 1 ) 进行网络选择时，考虑的服务参数少。基本上都是考虑如何满足用户服务的最佳 质量，没有考虑到网络的负载、用户的“乒乓切换 等因素。 2 ) 在进行网络选择时，当用户的运行业务类型确定时，各参数相对于候选网络的权 值就固定了，无法根据网络参数动态变化来自适应调整参数的权值。 2 3 呼叫准入控制技术研究现状 2 3 1 呼叫准入控制技术介绍 呼叫准入控制( c a c ，c a l la d i i l i s s i o nc o n 仃0 1 ) 是无线资源管理中的重要组成部 分，是一种减少网络拥塞、保证服务质量和网络资源利用率的重要机制，用来决定是 否承认一个新呼叫的接入。承认或拒绝一个新呼叫基于以下两点考虑：( 1 ) 新呼叫是 否会影响已存在呼叫的服务质量；( 2 ) 网络能否满足新呼日l i 的服务质量要求。如果网 络不能满足呼叫用户的请求，呼叫请求将被拒绝。 一个有效的c i a c 方案应具备的要求： ( 1 ) 能提供稳定的q o s 。 对已经存在的连接和新连接，网络应能保证这些连接的持续性。 ( 2 ) 不同业务、环境条件下的适应性。 在业务流量出现波动，小区间或小区内由于呼叫接入而产生干扰时，系统应能适应这 些情况，并保持稳定的性能。 ( 3 ) 具有重建和扩展新业务的能力。 新业务的引入会使用户对网络的需求变得更为复杂，系统应容易调节并适应新的情 况。 1 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s ( 4 ) 具有设计的简单化和处理时间的最小化。 所有方案都应保证系统硬件和软件方面的设计尽量简单，并使处理时间最小。只有这 样，系统才能变得有效，才能保证对用户的多种需求及时做出反应。 2 3 2 蜂窝无线通信网络中的呼叫准入控制技术概述 目前，许多呼叫准入控制方案旨在减小呼叫阻止率和切换捧线率，同时最大化资 源利用率来满足系统需求。国内外研究的呼叫准入控制方案主要包括： ( 1 ) 考虑业务之间优先级的呼叫准入控制【3 8 3 9 1 。 在第一代和第二代蜂窝网络中，只存在单一的语音业务。在下一代无线网络中， 存在着多类别的业务，包括实时业务，如语音业务，以及非实时业务，如数据业务。 它们具有不同的带宽需求，并具有不同的优先级别。如语音业务的优先级高于数据业 务，实时业务的优先级高于非实时业务等。在考虑业务优先级时，系统通常分配一定 的专门信道给优先级高的用户使用。如在系统中分配一定的信道给语音用户专用，但 当这些信道空闲时，可以被数据用户使用；在语音用户需要时，可以抢占这些被数据 用户占用的信道。 ( 2 ) 考虑切换呼叫优先的呼叫准入控制【4 3 1 。 优先切换的方法包括保护信道方法