（计算机应用技术专业论文）异构网络垂直切换决策机制研究.pdf

论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：塑鱼鳞 指导教师签名： 日期：立旦! ：笸么0 日 期：c 2 翌! ：么：么2 在学期间研究成果使用承诺书 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：内蒙古大学有权将学位论文的 全部内容或部分保留并向国家有关机构、部门送交学位论文的复印件和磁盘，允许编入有关数据库进行 检索，也可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编学位论文。为保护学院和导师的知识产权，作 者在学期间取得的研究成果属于内蒙古大学。作者今后使用涉及在学期间主要研究内容或研究成果，须 征得内蒙古大学就读期间导师的同意；若用于发表论文，版权单位必须署名为内蒙古大学方可投稿或公 开发表。 学位论文作者签名：窒塑亟指导教师签名： 日期：皇曼z ：么：f 口 日期：221 ：左：旦 内蒙古大学硕士学位论文 异构网络垂直切换决策机制研究 摘要 随着计算机技术的发展以及人类对移动通信需求的不断增加，下 一代无线网络将是一个由各种无线接入技术组成的异构网络。在异构 网络中用户将享受更多的服务并可随时随地接入网络。而在这种环境 中，很难为用户提供无缝的连续性通信，为了解决这个问题，学者们 提出了垂直切换技术。在垂直切换的过程中切换决策尤为关键，它包 括切换触发和网络选择两部分，其中切换触发用于解决何时切换的问 题，网络选择用于解决切换到何种网络的问题。基于这两个研究点， 本文分别提出了基于a r m a 预测模型的切换触发算法和基于效用理论 的网络选择机制。 本文提出的垂直切换触发算法旨在提高垂直切换的性能，减少不 必要的切换。算法根据当前接收信号强度和历史接收信号强度运用 a r m a 预测模型来预测下一时刻接收信号强度，然后根据预测的信号 强度来决定是否发生链路层触发事件，从而完成垂直切换。模拟结果 表明本文提出的算法在切换性能上优于基于阈值的信号强度切换判 决算法。 部分研究运用基于效用的微观经济理论的方法来解决资源分配 问题，本文将该思想应用到网络选择，用效用值来表示用户对网络所 提供q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 的满意度。我们将网络选择过程中需考虑 的各q o s 指标用不同的效用函数表示，节点根据效用函数来计算各 异构网络垂直切换决策机制研究 网络的效用值以表示其对该网络的满意度。该机制使得在网络选择过 程中各种需要考虑的因素能进行统一的量化比较，而且该机制不涉及 矩阵运算，较现有的一些网络选择机制运算量小。在n s 模拟环境中， 我们分别对移动节点上层应用为数据传输应用和语音传输应用时的 网络选择进行仿真，结果表明被选网络的q o s 符合对应的上层应用 的要求。 关键词：异构网络，垂直切换，a r m a 模型，预测，效用函数 i i p r e d i c t i o nm o d e la n dan e t w o r ks e l e c t i o nm e c h a n i s mb a s e do nu t i l i t y t h e o r y t h eh a n d o v e rt r i g g e ra l g o r i t h mw ep r o p o s ea i m st o i m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fv e r t i c a l h a n d o v e ra n dr e d u c eu n n e c e s s a r yh a n d o v e r , w h i c hb a s e do nt h ec u r r e n tr e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t ha n dt h ep r e v i o u s i i i r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t ht op r e d i c tt h en e x tr e c e i v i n gs i g n a ls t r e n g t hu s i n g a r m am o d e l a n dt h e na c c o r d i n gt ot h ep r e d i c t e ds i g n a l s t r e n g t ht o d e t e r m i n ew h e t h e rt ot r i g g e rt h el i n kl a y e rt r i g g e r i n ge v e n ta n d c o m p l e t e v e r t i c a lh a n d o v e r t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e t h a tt h e p r o p o s e d a l g o r i t h mo u t p e r f o r m st h er s s b a s e da p p r o a c hw i t ht h et h r e s h o l di nt h e p e r f o r m a n c eo fh a n d o v e ra n dt h en u m b e ro fh a n d o v e r s o m es t u d i e sb a s e do n u t i l i t yt h e o r yt os o l v et h ep r o b l e mo f r e s o u r c ea l l o c a t i o n ，w eu s et h i sm e t h o dt os o l v et h ep r o b l e mo fn e t w o r k s e l e c t i o n i nt h i s p a p e r , t h ed i f f e r e n tq o si n d i c a t o r sw h i c hs h o u l db e c o n s i d e r e di nt h ep r o c e s so fn e t w o r ks e l e c t i o na ree x p r e s s e d b yd i f f e r e n t u t i l i t yf u n c t i o n ，m o b i l en o d ec a nc a l c u l a t et h ev a l u eo ft h eu t i l i t yb yt h e u t i l i t yf u n c t i o n ，t oi n d i c a t ei t ss a t i s f a c t i o nw i t ht h ec a n d i d a t en e t w o r k t h i ：m e c tt h ei n d i c a t ( w h i c h i nthl i l l sm e c h a n i s mm a k e st h ei n d i c a t o r sw h i c hs h o u l db ec o n s i d e r e di nt h e p r o c e s so fn e t w o r ks e l e c t i o nc a nb ec o m p a r e dw i t hu n i f i e dc r i t e r i o n ，a n d t h i sm e c h a n i s md o e sn o ti n v o l v em a t r i x o p e r a t i o n ss oi th a ss m a l l e r c o m p u t i n gt h a nm o s te x i s t e dm e c h a n i s m s i nt h en s 2s i m u l a t i o n e n v i r o n m e n t ，w es i m u l a t et h ed a t aa p p l i c a t i o na n dv o i c ea p p l i c a t i o ni n t h ep r o c e s so fn e t w o r ks e l e c t i o n t h er e s u l ts h o w st h a tt h eq o so ft h e s e l e c t e dn e t w o r ki sa c c o r df o rt h er e q u i r e m e n t so ft h ea p p l i c a t i o n 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 s ，v e r t i c a lh a n d o v e r ，a r m a m o d e l ，p r e d i c t ，u t i l i t yf u n c t i o n i v 内蒙古大学硕士学位论文 目录 摘要 a b s t r a c t 第一章绪论 1 1 引言 1 2 本文研究背景 1 3 国内外研究现状 1 4 本文解决的关键技术 1 5 本论文的结构安排j 6 第二章异构网络垂直切换技术7 2 1 垂直切换与水平切换7 2 2 垂直切换的三个阶段。8 2 3 异构网络切换决策的相关研究1 0 2 3 1 切换触发算法1 0 2 3 2 网络选择机制l3 2 4 本章小结1 9 第三章基于a r m a 预测模型的垂直切换触发算法：2 0 3 1 引言2 0 3 2 基于a r m a 模型的信号预测。2 2 3 2 1a r m a 模型2 2 3 2 2 基于a r m a 模型的信号预测2 3 3 3 基于信号预测的切换触发算法2 4 3 4 仿真分析2 7 3 4 1 穿越运动仿真2 8 3 4 2 乒乓运动仿真3 0 3 5 本章小结3 2 第四章基于效用的网络选择机制j 3 3 4 1 引言3 3 4 2 基于效用的网络选择3 3 v 异构网络垂直切换决策机制研究 4 2 1 网络延迟的效用函数表示3 3 4 2 2 网络丢包的效用函数表示3 7 4 2 3 网络传输速率的效用函数表示3 8 4 3 仿真分析4 0 4 3 1 数据传输应用的网络选择4 1 4 3 2 语音传输应用的网络选择4 4 4 4 本章小结4 7 第五章总结与展望4 8 致 射5 0 参考文献5l 攻读硕士期间发表的学术论文一5 5 v i 内蒙古大学硕士学位论文 图表目录 图2 - 1 水平切换与垂直切换7 图2 - 2 网络选择层次结构图。1 6 图3 - 1w l a n w i m a x 组成的异构网络2 1 图3 - 2 切换算法2 4 图3 - 3w l a n 网络到w i m a x 网络切换流程图2 6 图3 - 4 系统仿真场景2 7 图3 - 5 穿越运动过程中接收信号强度预测一2 8 图3 - 6 直线运动过程中丢包数2 9 图3 - 7 直线运动过程中吞吐量变化2 9 图3 - 8 乒乓运动过程中接收信号3 0 图3 - 9 乒乓运动过程中丢包数。3 1 图3 - 1 0 乒乓运动过程中吞吐量变化3 l 图4 - 1l o g i s t i c 曲线。3 4 图4 - 2 语音应用延迟效用函数3 6 图4 - 3 视频应用丢包效用函数3 8 图4 - 4 视频应用数据传输速率的效用函数4 0 图4 - 5 仿真场景4 1 图4 - 6 数据包丢失率4 3 图4 - 7 网络延迟4 3 图4 - 8 网络平均吞吐量4 4 图4 - 9 数据包丢失率4 6 图4 - 1 0 平均延迟4 6 图4 - 11 网络平均吞吐量一4 7 表3 - 1 乒乓运动过程中两种算法的切换次数3 2 表4 - 1 候选网络基本参数4 2 表4 - 2t e ln e tq o s 要求4 2 表4 3v o l pq o s 要求4 5 v i i 异构网络垂直切换决策机制研究 二二二二三二一 v i 入网络。这样的泛在接入网络的发展也极大的推动了语音业务与各类数据业务的 融合，使得v 0 p 、及时通信、移动互联网、移动多媒体等业务不断融入移动通 信业务。在下一代无线网络中，用户可以随时随地进行任何内容的通信，而网络 已不再是被动的满足用户的要求，而是主动的感知用户场景的变化并进行信息的 交互，通过分析用户个性化的需求而主动提供服务。 在异构网络环境中，用户需要随时随地接入网络，即使在移动的过程中也能 正常通信，这就要求网络能够支持通信移动性。所谓通信移动性是指当通信实体 ( 用户和通信终端) 在网络中的位置发生改变时，系统能够提供持续的网络接入 服务及连续的通信能力 2 1 。如何支持通信移动性是现在各无线网络所面临的挑 战。由于不同网络采用不同的接入技术，对移动性及q o s 的支持程度也不同， 这就使得用户在不同网络间漫游时，很难保证其无缝的连续性通信。为了解决这 个问题，学者们提出了垂直切换技术，该技术用于完成异构网络间的无缝漫游。 由于下一代网络的泛在化及异构性造成了用户频繁地变化网络归属地，使得 无缝的为用户提供业务服务成为未来无线网络系统的基本任务。这意味着无论用 户处于何种情况，系统均能根据用户目前状况选择最为合适的接入网络，并能根 据用户所处网络状况及上层应用，在不同的接入方式间进行平滑无缝的切换，而 且能够为用户提供可靠的q o s 支持。这使得垂直切换将成为下一代无线网络中 的关键技术，上述问题也将成为垂直切换需要解决的重要问题。 1 2 本文研究背景 无线移动通信的飞速发展，信息技术、多媒体和电信技术等不同领域技术的 异构网络垂直切换决策机制研究 相互结合，使通信逐渐成为一个统一的整体。纵观当今无线移动通信的发展，从 技术标准的角度讲，无线通信沿着两条主线发展：一条是国际电信联盟和 3 g p p 3 g p p 2 引领的移动通信系统，从2 g 、3 g 到b 3 g 或4 g ；另一条是i e e e 引领的无线接入系统，从无线个域网络( w p a n ) 到无线局域网( w l a n ) ，再 到无线城域网( w m a n ) 和无线广域网( w w a n ) 【3 】。 无线通信技术的开发和应用可以追溯到2 0 世纪2 0 年代，一种称为 “w a l k i e - t a l k i e ”的通信设备应用于战场，使得军队之间可以利用无线方式进行 通信1 3 j 。这种便利的通信方式迅速得到推广，到2 0 世纪6 0 年代，贝尔实验室首 次提出蜂窝技术，成为移动通信发展史上的一个里程碑。 第一代蜂窝移动通信系统( 1 g ) 是一种采用频分多址传输模拟电话信号的 蜂窝无线电通信系统。在1 9 7 9 年产生了第一代模拟蜂窝移动通信系统的标准， 代表系统有美国的a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es e r v i c e ) 系统、瑞典的n m t ( n o r d i cm o b i l et e l e p h o n e ) 系统、英国的t a c s ( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) 系统【4 】。由于第一代蜂窝通信系统存在保密性差、频谱利用率低、兼容 性差等缺点，第二代蜂窝移动通信系统( 2 g ) 应运而生。与1 g 系统相比，2 g 系统采用数字通信技术，具有保密性强，频谱利用率高，能提供丰富的业务，标 准化程度高等特点，使得移动通信得到了空前的发展。2 g 系统主要的3 种技术 标准包括：应用于欧洲和世界各地的g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ) 系统；北美的i s 9 5 系统；日本的p d c ( p a r k i n gd i s t a n c ec o n t r 0 1 ) 系统。为了满足高速数据业务的需求，移动通信系统中引入了分组数据传输方式， 称为2 5 g 系统，具有代表性的系统是g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 。为 了实现全球漫游，国际电信联盟在2 0 世纪8 0 年代就致力于第三代蜂窝通信系统 ( 3 g ) 的研究。3 g 系统提供了话音、数据、视频、图像等业务。3 g 通信业务 的主要特征是可提供移动宽带多媒体业务，其中高速移动环境下支持1 4 4 k b s 速 率，步行和慢速移动环境下支持3 8 4 k b s 速率，室内环境支持2 m b s 速率的数据 传输，并保证高可靠的q o s 。目前，3 g 无线接入系统的主流标准有w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 。 i e e e 8 0 2 无线接入技术是由美国i e e e 标准化协会制定，关于无线接入标准 其委员会制定了i e e e 8 0 2 1l x 、i e e e s 0 2 15 x 、i e e e8 0 2 16 x 、i e e e 8 0 2 2 0 x 等协 2 内蒙古大学硕士学位论文 议。无线个域网标准主要是i e e e 8 0 2 1 5 系列，i e e e s 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。近几年，无线个域网技术得到了飞速发展，超带宽 ( u w b ) 、z i g b e e 、r f i d 等技术竞相提出。无线个域网作为短距离传输技术被 应用到工业控制及家庭电子装置控制等领域。i e e e 8 0 2 1 1 x 系列定义了无线局域 网通信的工业标准，属于短程无线通信范畴。其中8 0 2 1 1 a b g n 定义了无线局域 网的传输标准，8 0 2 1l b g n 工作在2 4 g h z 频段，8 0 2 1 1 a 工作在5 g h z 频段。 8 0 2 1 1 b 传输速率最高可达1 1 m b s ，8 0 2 1 1 a 的传输速率可达5 4 m b s ，8 0 2 1 1 9 是 为了弥补8 0 2 1l a b 的缺陷而制定，它也具备5 4 m b s 的传输速率。8 0 2 1l n 标准 的最终版于2 0 0 9 年公布，其特点为高传输速率、高吞吐量、覆盖面广、兼容性 强等。2 0 0 2 年4 月，i e e e 发布了i e e e 8 0 2 1 6 标准为无线城域网技术标准。 i e e e 8 0 2 1 6 的提出使得无线城域网作为有线网络“最后一公里 连接公网的替 代手段得以实现，其传输速率可达7 0 m b s ，传输距离达到5 0 k m 。i e e e 提出的 8 0 2 2 0 标准工作在3 5 g h z 的许可频段以下，单小区覆盖半径可达1 5 k m ，是典 型的广域网技术。8 0 2 2 0 强调对高速移动性的支持，可支持最高速率2 5 0 k m h ， 已达到了传统移动通信技术的性能。 无线接入互联网和无线多媒体业务的需求，极大的推动了无线通信技术的发 展，无论是无线通信系统还是无线接入网络都以其各自的特性为用户提供各种不 同的服务。由于用户对信息通信和带宽的需求不平衡且多样化的特点，使得各种 无线网络都有其生存与发展的空间，下一代无线网络将是各种无线网络重叠覆 盖，形成多种网络共存的异构网络。下一代无线网络的异构性将表现为接入技术 的异构性( 蜂窝网络、w l a n 网络、w i m a x 网络等) ，业务的异构性( 数据、 语音、多媒体实时业务等) ，移动终端的异构性( p d a 、手机、智能终端等) 。在 这样的异构网络环境中，如何实现网络对通信移动性的支持成为网络界研究的热 点。对于移动性可分为两个级别，一是被称为“游牧 式的移动性，指用户在改 变网络接入点时，正在进行的通信将完全停止，接入到新的网络后再重新启动； 另外一种被称为“无缝”移动性，指用户在改变网络接入点的过程中，不中断正 在进行的通信。在异构网络环境中，为满足移动用户在不同网络间漫游时，对网 络连接与服务的无缝性需求，学者们提出了垂直切换技术，下一代无线网络的一 个主要挑战将是如何提供无缝的垂直切换服务【5 】。 异构网络垂直切换决策机制研究 1 3 国内外研究现状 由于在异构网络环境中对通信移动性的支持不仅涉及到技术方面的问题，而 且涉及网络运营等方面的问题。至今，国内外研究机构及相关组织都没有制定出 完善统一的垂直切换技术来支持异构网络中的通信移动性，使得移动用户在异构 网络环境中进行无缝漫游。所以，在异构网络环境中垂直切换技术仍然是目前学 术界研究的热点，许多国内外研究组织、研究机构以及网络运营商都关注该技术 的发展并进行深入研究。 目前，对垂直切换的相关研究主要是从两个不同角度进行的，一种是基于在 协议栈各层来实现垂直切换的研究，另一种是基于垂直切换过程中的不同阶段来 进行分析研究。 基于在协议栈各层来实现垂直切换的研究主要包括：基于移动i p 的垂直切 换机制；基于端到端的垂直切换机制；基于介质独立切换m i h ( m e d i ai n d e p e n d e n t h a n d o v e r ) 技术的一些切换机制；基于跨层设计思想由不同层的切换协议相互协 作共同完成切换的机制。移动i p 技术是典型的三层切换技术，该技术是由 i n t e r n e t 协会的工程技术委员会( i e t f ) 于1 9 9 2 年6 月提出。2 0 0 4 年6 月i e t f 工作组又提出了移动i p v 6 标准。移动i p 技术是实现移动节点接入异构网络的网 络层融合技术，是基于网络层提供移动支持的一种解决方案。基于移动i p 的垂 直切换机制主要有快速切换机制和平滑切换机制。基于端到端的垂直切换机制主 要包括应用层切换方法、传输层切换方法以及介于传输层和网络层之间的切换方 法。在应用层完成垂直切换的方法通常是在传输层之上添加新的网络协议。 s i p ( s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c 0 1 ) 协议是应用层支持移动性的典型技术，是由 i e t f 在r f c 3 2 6 1 【6 】中制定的。该协议是在传输层之上加了新的会话层协议来实现 切换。s c t p ( s 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 0 1 ) 协议是典型的传输层的垂 直切换协议，由i e t f 在r f c 2 9 6 0 r 7 】中定义。s c t p 协议提供平滑切换，且在完成 垂直切换的过程中不需要额外的网络基础设施。一些基于t c p 的垂直切换机制也 是在传输层来完成垂直切换，这些切换方法的提出是为了在切换过程中提高t c p 的性能从而减少切换延迟和丢包率。在异构网络中不同类型网络数据传输速率不 同，当节点切换到一个新的网络时需要调整数据的传输速率以适应新的网络，这 就需要基于t c p 的切换方法来完成。2 0 0 9 年出台的i e e e 8 0 2 2 1 正式规范，提出 4 最为合适的接口进行通信是单独的某一层协议很难完成的，这就需要不同层切换 协议相互协作、相互通信，结合多层协议共同完成切换。 上述是基于在协议栈各层实现垂直切换技术进行研究现状的分析。目前，基 于垂直切换过程中不同阶段的研究主要集中在切换触发和网络选择两个方面。现 有的绝大多数垂直切换触发算法都将r s s 作为切换触发指标【8 j ，还有一些学者提 出了基于速度和运动方向的触发算法【9 , 1 0 , 1 1 】。传统的基于r s s 的切换触发方法是 将从不同网络接收的r s s 进行比较，选出r s s 值最大的网络作为接入网络。在异 构网络中由于物理层所使用的技术不同，来自不同网络的r s s 差异很大，所以传 统的r s s 触发方法用于异构网络会降低切换性能。于是学者们提出了基于阈值的 r s s 触发算法【1 2 】，以及基于延滞电平( h y s t e r e s i s ) 1 3 】的切换触发算法。基于阈 值的切换触发算法首先预设一个阈值，当现接入网络的r s s 值小于候选网络的 r s s 值且小于预设的阈值，则切换到候选网络。当移动节点在两个不同的网络间 r 来回移动时，会造成乒乓效应。由于乒乓效应极大的影响网络的性能，甚至影响 终端的正常通信。为了避免乒乓效应，在基于传统的r s s 触发算法的基础上引入 了驻留时间( d w e l l i n gt i m e r ) 1 4 】等参数。异构网络选择算法主要包括基于多 属性决策的方法和基于人工智能的方法。其中基于多属性决策的方法包括运用接 近理想方案的序数偏好法( t e c h n i q u ef o ro r d e rp r e f e r e n c eb ys i m i l a r i t yt oi d e a l s o l u t i o n , t o p s i s ) t m 刀、层次分析法( a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ，a m p ) t 1 8 , 1 9 】、灰 色关联分析法( g r e yr e l a t i o n a la n a l y s i s ，g r a ) t m 等方法解决网络选择问题。接近 理想方案的序数偏好法的基本思想是被选网络与理想解决方案之间的差距最小 并且与最差解决方案的差距最大。该方法首先给出标准化决策矩阵，然后确定理 想解和负理想解，最后计算备选方案与理想解和负理想解的相对接近程度进行最 终的选择。运用层次分析法解决网络选择的基本思想是利用用户输入或其他方法 得到各网络相对于每个准则( 带宽、时延、丢包等) 的相对权重，然后计算各候选 网络相对于最优网络的相对权重来进行选择。灰色关联分析法是定义一个理想网 络，然后衡量候选网络与理想网络的接近程度，最后给出各候选网络的相对关联 异构网络垂直切换决策机制研究 值进行选择。基于人工智能的方法【2 0 2 1 】是将多属性决策的方法与人工智能方法如 模糊逻辑、神经网络、遗传算法等相结合来完成网络选择。 1 4 本文解决的关键技术 本文基于现有垂直切换技术的不足，提出了一种基于a r m a 预测模型的垂直 切换触发算法和基于效用函数的网络选择机制，主要解决了以下关键问题： 1 ) 阐明垂直切换的关键技术，及其与水平切换的区别，并分析了垂直切换 的三个阶段分别完成的任务，着重分析了切换决策的现有技术。 2 ) 基于a r m a 预测模型提出一种切换触发算法，在n s - 2 模拟环境中测试该 算法的性能，并与r s s t 算法进行比较，该算法不仅提高了切换性能并避免了切 换过程中的乒乓效应。 3 ) 提出了基于效用函数的网络选择机制，该机制将网络的现有状况通过效 用函数映射为用户对该网络的满意度，然后选择用户最为满意的候选网络，并在 n s 一2 环境中测试该机制的性能。 1 5 本论文的结构安排 本文共分五章，具体安排如下： 第一章，主要分析了课题的国内外研究现状、研究背景及本课题主要解决的 关键问题。 第二章，对现有的垂直切换关键技术进行分析研究，着重分析了现有的切换 决策机制。 第三章，详细阐述本文提出的切换触发算法，并给出n s - 2 模拟环境中性能 测试结果及分析。 第四章，详细阐述本文提出的网络选择机制，并给出n s - 2 模拟环境中性能 测试分析。 第五章，给出总结与展望。 6 网络切换是指当移动节点在通信的过程中从一个接入点覆盖区移动到另一 个接入点覆盖区，或者由于外界干扰而造成通信质量下降时，必须改变原来的通 信链路而转到新的通信链路上，以继续保持通信的过程。网络切换分为两种，即 水平切换和垂直切换。水平切换是指当移动节点在同构网络间移动时进行的切 换，如节点从w l a n 网络的一个a p 覆盖范围内移动到另一a p 覆盖范围时进行 的切换，水平切换也称为系统内切换1 3 】。垂直切换是指移动节点在异构网络间移 动时进行的切换过程，如节点从w l a n 网络移动到w i m a x 网络时进行的切换， 垂直切换也被称为系统间切换【引。图2 1 给出由w l a n 网络和w i m a x 网络组 成的异构网络中，发生水平切换与垂直切换的情形。 图2 - 1 水平切换与垂直切换 f i g2 - 1h o r i z o n t a lh a n d o v e ra n d v e r t i c a lh a n d o v e r 水平切换与垂直切换的区别主要有以下几个方面【3 】： ( 1 ) 水平切换往往是由移动节点的位置变化而引起，而垂直切换则强调接入 7 异构网络垂直切换决策机制研究 点的变化，涉及接入点位置的变化或者接入技术的变化等。 ( 2 ) 水平切换的决策准则通常是基于移动节点接收到基站的物理信号强度， 而垂直切换，由于其切换前后网络特性差异较大，所以垂直切换不再根据单个参 量来做出切换决策，通常还会考虑q o s 、用户喜好、网络资费等多个因素。 ( 3 ) 水平切换往往是由网络发起，移动节点被动接受，而垂直切换由于终端 可以根据当前业务状态和自身喜好做出切换决策，因而切换发起是主动的。 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【l 】。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恰当的切换触发时间和 切换目标网络，切换执行阶段用于进行切换实施过程【。下面对这三个阶段进行 简要介绍。 ( 1 ) 系统发现 在异构网络环境中，移动节点具有多个网络接口，如何搜索和发现节点当前 可用网络是系统发现要完成的任务。在系统发现过程中，发现时间和节点能量消 耗是相互制约的。常用的网络发现方法有两种，一种是基于不同网络接口上接受 到的广播消息进行系统发现，另一种是基于l s s ( l o e a t i o ns e r v i c es e r v e r ) 实现的系 统发现【2 2 】。 基于不同网络接口接收广播消息的系统发现方法的基本原理是，各种无线网 络基站或接入点都会定时的不断发送广播消息，当节点移动到某一网络覆盖范围 内将会通过其对应的网络接口接收到该网络的广播消息，从而得知当前可用网 络。节点通常是通过打开网络接口不断的扫描来接收网络广播消息，简单的方法 是节点将所有接口都置于激活状态，让其不断的进行扫描，从而获得可用网络， 这种方法是可以缩短系统发现时间，但对终端的能量消耗太大。另一种扫描方法 是节点定时开启接口进行系统发现【2 3 】，这种方法均衡了系统发现时间和节点能 量消耗，算法的关键在于确定精确的接口开启的时间间隔。 基于l s s 实现的系统发现方法是在l s s 数据库中存储不同区域内各网络的详 细信息，然后根据移动节点的具体位置为其提供其周围可用网络的信息。这种方 法需要确定节点的具体位置，这就需要其他技术如g p s 来协助完成。该方法有 8 趋于多样化复杂化，这使得任何单一的网络都不能完成切换决策做出切换决定， 所以在异构网络中，切换决策是由移动节点来完成，采用移动节点控制切换的控 制方式。 ( 3 ) 切换执行 切换执行是通过切换协议与新的目标接入网络建立口连接，将正在通信的 会话切换到新链路的过程。常用的垂直切换协议有网络层的移动p 协议，传输 层的s c t p 协议和会话层的s i p 协议，这些协议我们在1 3 节中简单介绍过，下 面我们介绍这些协议如何完成垂直切换的执行。 移动d 技术采用增加代理服务器来支持节点在不同网络间漫游，该协议支 持移动性的基本思想是：每个移动节点均有一个唯一的永久m 地址和若干临时 的p 地址，通过永久i p 地址和临时i p 地址的动态映射实现高层协议对移动性 的透明【2 5 1 。 应用s c t p 协议来完成切换执行主要是基于该协议的多家乡性。s c t p 的多 家乡性允许移动节点为其网络接口同时绑定一个或多个口地址，发送数据包的 s c t p 用户可从这多个口地址中选一个作为目标地址 7 1 。s c t p 路径管理根据 s c t p 用户指令和监测到的可用目标地址的可达性为每个数据包选择目标地址。 9 异构网络垂直切换决策机制研究 若监测到远端地址不可达则选择其他地址作为目标地址。 s i p 协议在本质上支持用户通信的移动性，因为s i p 协议通过类似e m a i l 形式的全球唯一的用户标识( s i pu r l ) 来确定用户。s i p 用户可以在不同终端、不 同接入网络发起注册请求，只要将自己的s i pu r l 和i p 地址告诉注册服务器， 注册成功后就会获得相应的数据业务。s i p 协议也支持进行中的移动会话，s i p 用户通过请求成功建立一个会话后，因为用户移动导致终端设备的i p 地址发生 变化，s i p 用户在原有会话未终止的情况下直接向通信对端发送一个新的请求， 其中，会话标志仍为原有会话的标识，只是会话连接地址更改为新的p 设备地 址，通信对端接受该请求后，即可继续原来的会话【3 1 。 2 3 异构网络切换决策的相关研究 2 3 1 切换触发算法 在异构无线网络中，虽然各种网络的无线接入技术不同，但是这些网络都使 用以恒定发射功率发射的离散信号( 信标、b c c h 或参考信道) 来进行r s s 测量 2 8 1 。因此，现有的绝大多数垂直切换触发算法都将r s s 作为切换触发指标【8 1 。 下面介绍基于r s s 的切换触发算法。 传统的基于r s s 切换触发算法是当移动节点扫描到新的可用网络的r s s 值 大于当前接入网络的r s s 值时进行网络切换。在异构网络中由于物理层所使用 的技术不同，来自不同网络的r s s 差异很大，所以传统的r s s 触发方法用于异 构网络会降低切换性能。于是学者们提出了基于阈值的r s s 触发算法【1 2 2 踟，和 基于延滞电平【1 3 j 的切换触发算法。 基于阈值的r s s 触发算法是预先设定一个r s s 阈值，当当前接入网络的r s s 值小于阈值，并且小于新扫描到的可用网络的r s s 值时触发切换。对于阈值的 设定值可以参考各网络协议中定义的通信所需最小r s s ，如在协议 2 7 】中定义为 7 6 d b m 。这里我们以w l a n 和w i m a x 网络间的切换来介绍基于阈值的r s s 触发算法。设定r 1 和r 2 分别为w l a n 和w i m a x 网络的接收信号强度值，该 值可通过信号传播模型计算获得。设定t 为切换阈值，则基于阈值的r s s 触发 算法可表示为： 1 0 对于阈值的设 动速度提出了 换，该算法在计算阈值时除了考虑协议中定义的节点进行正常通信时要求的最小 r s s 值，还考虑了节点移动速度，不同的速度对应不同的阈值。 我们还以w l a n 和w i m a x 网络组成的异构网络为例，介绍基于延滞电平 的切换触发算法，r 1 和r 2 分别为w l a n 和w i m a x 网络的接收信号强度，用 d r s s 表示w l a n 和w i m a x 网络的接收信号强度的差值，则d r s s 可表示为： d r s s = r 1 r 2 引入延滞电平值h y 作为切换上限，- h y 作为切换下限，则基于延滞电平的切换触 发算法可表示为： i f d r s s h yt h e nh a n d o v e r ( w i m a x w l a n ) e l s ei fd r s s h y a n dw l a n tt h e nh a n d o v e r ( w i m a x w l a n ) e l s ei fd r s s t d wt h e nh a n d o v e r ( w i m a x w l a n ) e l s ei fd r s s t d wt h e nh a n d o v e r ( w l a n w i m a x ) e l s ek e 印c o n n e c t i o n h a t a m i 等人在文【2 8 】中采用基于驻留时间的切换触发算法提高了w l a n 网络的 异构网络垂直切换决策机制研究 利用率，但在文中没有定义选取驻留时间值的方法。文 2 9 】中作者提出了一种计 算驻留时间的优化算法，该算法根据网络的数据传输率来计算每种网络的驻留时 间。实验结果表明该算法对驻留时间值的优化是依赖于各网络间不同的数据传输 率。 基于驻留时间的切换触发算法有效的防止了乒乓效应，并提高了网络利用 率，选择合适的驻留时间值是这个算法的关键。选择不合适的驻留时间值会降低 切换性能。 节点在移动过程中其移动速度也影响切换性能，于是学者们提出了将移动速 度作为切换触发准则的算法。m o h a n t y 和a k y i l d i z 在文 9 】中提出了将r s s 和移 动速度相结合的切换触发算法，完成w l a n 网络到3 g 网络的切换。文中作者 依然采用基于阈值的r s s 触发算法，在阈值的计算中不仅考虑了r s s 值而且考 虑了节点的移动速度，阈值的计算公式为： s t h = r s s , m + 1 0 f l l 0 9 1 0 ( ) + p 式中r s s m i n 是移动节点进行正常通信所需要的最小r s s 值，l b a 是切换初始点 到w l a n 网络边界的距离，l b a 的计算公式为： r-o一 l j l b a - - l r 2 v 2 + d 2 ( p f 乞铊厅) j 2 式中v 为节点移动速度。则阈值的确定不仅考虑了r s s 值而且考虑了节点移动 速度。文献【1 0 】中提出了一种基于速度感知的切换触发算法，该算法采用基于延 滞电平的方法并考虑节点移动速度因子作为切换触发准则。文中利用接收信号强 度的历史测量数据来表征节点运动速度的影响，根据r s s 的采样结果动态调整 速度因子，从而可以自动适应不同的节点运动速度，提高对切换触发时机的准确 判断。 为了提高切换效率一些预测方法被用于切换触发。这些方法的基本思想是预 测移动终端是否会在下一时刻发生切换，若预测将会发生切换则提前做一些切换 准备工作，如提前进行三层切换等。文 1 1 ，3 0 ，3 1 1 q h 基于马尔科夫( m a r k o vm o d e l ) 模型和数据挖掘( d a t am i n i n g ) 方法提出了一些切换预测方法来预测移动终端的 未来位置从