（计算机应用技术专业论文）基于椭圆阴影的行动预测算法在无线ATM网络中的应用(1).pdf

息， 从而在不增加太多的系统额外负载的情况下， 显著的提高位置信息的准确性， 大大缩小终端位置的查找时间， 克服了其他算法， 特别是现在第二代移动网络中 使用的静态位置区域算法的弊端。 最后作者从理论分析和实验仿真的角度验证了 我们的算法，通过和静态位置区域算法的比较，我们证明了我们算法的优越性。 文章的最后对本文做了总结和对未来的研究做了展望。 关键字 w a t m， 行动预测， 呼叫 控制， 服务质量q o s ， 椭圆阴 影行动预 测模型， 高 斯 马尔可夫运动模型，路由重建，定位管理，位置信息更新策略 第 3页 共 7 0页 ab s t r a c t mo b i l e n e t wo r k t h a t a n d b r o a d b a n d n e t w o r k i s t h e t w o d e v e l o p i n g d i r e c t i o n o f m e e t t h e n e e d o f f u t u r e . i n t h i s t h e s i s t h e a u t h o r a n a l y z e t h e a r c h i t e c t u r e o f w a t m a n d e x p l a in t h a t w i t h t h e b a c k b o n e o f a t m a n d c e l l - a r c h it e c t u r e e x t e n s io n t o w i r e l e s s a c c e s s , w a t m i s a g o o d c h o i c e o f m o b i l e b r o a d b a n d n e t w o r k . b u t a s a t y p e o f m o b i l e n e t w o r k , w a t m a l s o h a s t o r e s o l v e s o m e i m p o r t a n t i s s u e s . t h e f i r s t o n e i s t h a t w a t m m u s t a r r a n g e t h e b a n d w i d t h s o u n d l y s o a s t o k e e p t h e q o s . w e t h i n k t h a t t h e h a n d o ffc a l l h a s t h e p r i o r i t y t o t h e n e w - g e n e r a t i n g c a l l . t h e s e c o n d o n e i s t h a t w h e n a m o b i l e t e r m i n a l h a n d o ff f r o m o n c e l l t o a n o t h e r , t h e n e t w o r k s y s t e m c a n r e r o u t e t h e c o n n e c t i o n . t h e s e c o n d o n e i s t h e m o b i l i ty m a n a g e m e n t o r l o c a t i o n t r a c i n g i n m o b i l e n e t w o r k . t h e a u t h o r t h i n k s t h a t t h e e x a c t m o t i o n p r e d i c t i o n o f m o b i l e t e r m i n a l i s o n e o f t h e p o s s i b l e a p p r o a c h e s t o r e s o l v e t h o s e i s s u e s . t h i s c a n b e c o n c e rn e d a s c a l l a d m i s s i o n c o n t r o l , c a c . a s f a r a s t h e f i r s t q u e s t i o n i s c o n c e rn e d , t h e s y s t e m c a n r e s o l v e s o m e b a n d w i d t h i n t h e c e l l s t h a t t h e m o b i le t e r m in a l h a s t h e m o r e p r o b a b i l it y t o a r r i v e i n t h e s h o r t f u t u r e f o r t h e h a n d o ff o f t h a t c a l l . t h o s e c e l l s c a n b e g o tt e n b y e x a c t m o t i o n p r e d i c t io n o f m o b i le t e r m in a l . s o t h e a u t h o r c o m p a r e s a n d a n a ly z e s s o m e c a c s c h e m e s b a s e d o n m o t i o n p r e d i c t i o n s c h e m e s i n t h e c e l l u l a r n e t w o r k . f r o m th e r e s u lt o f o u r t e s t , w e c a n f o u n d t h a t t h e e l l ip s e - b a s e d s c h e m e h a s t h e b e s t p e r f o r m a n c e i n q o s . s o w e t a k e t h is s c h e m e a s t h e b a s e o f t h e f o l l o w i n g c h a p t e r s i n t h i s a r t i c l e . t o t h e s e c o n d q u e s t i o n , w e g i v e o u t a n e w s c h e m e f o r r e ro u t i n g d u r i n g h a n d o ff i n w a t m. b a s i n g o n t h e c e l l s w e g e t d u r i n g t h e m o t i o n p r e d i c t i o n , w e c a n c r e a t e a c o n n e c t i o n t r e e wi t h t h o s e c e l l s a s l e a v e s . wh e n t h e mo b i l e t e r mi n a l mo v e s wit h i n t h e c o v e r a g e o f t h i s c e l l s , t h e r e r o u t i n g c a n b e f a s t a n d t h e n e w ro u t e i s g o o d . b e c a u s e t h i s s c h e m e b a s e s o n t h e e x a c t m o t i o n p r e d i c t i o n o f m o b i l e t e r m i n a l , t h e u n o c c u p i e d b a n d w id t h i s l i tt le . t h e n w e c o m p a r e t h i s s c h e m e w it h o t h e r s c h e m e s in t h e t e s t b e d . t h e r e s u lt s h o w s t h a t t h i s s c h e m e i n c r e a s e s o m e p e r f o r m a n c e o f r e r o u t i n g w h e n t h e mo b i l e t e r mi n a l h a n d o f f s a s f a r a s t h e t h ir d i s s u e b e c o n c e rn e d , w e g i v e o u t a n e w p o s i t i o n u p d a t i n g s c h e m e f o r m o b i l e t e r m i n a l b a s i n g o n t h e m o t i o n p r e d i c t i o n . t h e t e r m i n a l o n l y n e e d t o u p d a t e h i s p o s it i o n i n f o r m a t i o n a t h e b e g i n n in g o f p r e d i c t i o n , a c c o r d i n g t o r e s u lt o f 第a页 共 7 0页 o u r t e s t o n t h e t e s t b e d , w e c a n f in d t h a t c o m p a r i n g t o th e s t a t i c p o s i t i o n a r e a s c h e m e s t h a t u s e d b y t h e s e c o n d g e n e r a t i o n m o b i l e n e t w o r k , t h i s s c h e m e c a n i n c r e a s e t h e v e r a c i t y o f p o s i t i o n i n f o r m a t i o n . a t t h e e n d o f t h i s p a p e r , w e m a k e a c o n c l u s i o n a n d d i s c u s s t h e p o s s i b l e r e s e a r c h . wa t m, mo d e l , g a u s s k e y w o r d m o b i l i t y p r e d i c t i o n , q u a l i ty o f s e r v i c e , e l l ip t ic a l s h a d o w m o t i o n p r e d i c t i o n m o b i l i t y m o d e l , r e r o u t i n g , m o b i l i t y m a n a g e m e n t 第 5页 共 ， 0页 笛 一 b已f / i 4于汤j i p i 当今世界己进入了飞速发展的信息时代， 其中通信则是发展最为迅速、 进步 最快的行业。 在通信领域，有两个分支，即宽带通信和移动通信， 取得了飞速的 发展。 如何将二者有效的结合起来， 实现移动的宽带网络， 使得人们能够用一个 统一的网络传输平台来实现各种类型和各种形式的灵活的信息传输， 无论任何人 在何时、 何地， 都可以实现与任何其他人进行任何种类的通信， 包括数据、语音 和图像，就成为通信领域的一个研究热点。 移动网络由 移动通信终端和中继通信节点组成， 在文献 1 1 中，按照它们两 者不同的移动特性，将移动网络大致分为三类，其中通信终端移动具有移动性， 而中继通信节点固定的为无线蜂窝网; 相对而言通信终端移动性较小而通信中继 节点具有较强移动性的卫星通信网络， 以及通信终端和通信中继节点都具有较强 移动性的 移动自 组网 ( m o b i l e a d h o c n e t w o r k s , m a n e t ) 。 在这三种网 络中， 无线 蜂窝网在现阶段应用最为广泛， 并且技术的发展己经进入了第三代。 移动自 组网 的通信终端和中继通信节点实质上是同一个角色， 只是根据不同的通信方而言有 功能上的区别， 但都同样具有自由的移动性。 移动自 组网目 前的应用还仅限于一 些特殊的场合，如军事、 野外活动、急救等，它更多地还处在研究阶段。卫星通 信网络与前两种移动网络有所不同， 前两种网络都属于地面移动网络， 可以覆盖 用户相对稠密、 通信比较密集的地区， 而卫星通信网络作为利用太空中的卫星作 中继站向用户提供移动业务的通信系统， 并不是为了代替地面移动网络， 而是对 它的补充。 卫星移动网络能扩大移动通信的地理覆盖和业务覆盖范围， 除提供常 规的移动通信业务外， 还可向空中、 海面和复杂地理结构地面区域的各类移动用 户提供服务。 但由于它无法在较小的区域内实现频率的空分复用， 因此通信容量 的限制使它的应用会是在小范围的终端用户和中继通信， 本文对这类后两类移动 网络将不做讨论。 与有线的固定网络比较起来， 为了支持用户的移动性， 实现随时随地的通讯 或数据传输， 移动网络必须处理一些特有的问题。 从物理层的角度看， 为了实现 需要的移动性， 移动网络必须使用无线通信或无线通信和有线通信的结合; 由于 电磁波传播条件复杂， 会产生反射、 折射、 绕射等现象， 因此必须考虑多径干扰、 信号传播延迟等效应; 同时无线信道噪声和干扰严重， 可用带宽有限， 必须设法 保证无线通信信道的 合理分配。 这就涉及到一个无线接入端的呼叫接入控制( c a l l a d m i s s i o n c o n t r o l , c a c ) 问 题。 从网络层的角度看， 移动网络由于通信节点的移动性， 造成网络拓扑的动态 第 s页 共 7 0页 变化， 给通信路由的建立和维护造成困难; 并且移动网络还应与市话网、 数据网、 其它移动网络等互连， 整个网络结构非常复杂。 在这两方面的问题中物理层的问 题对于所有的移动网络都是相似的， 而网络层的问题和处理方式对于不同的移动 网络则有很大的差异。 归纳起来， 移动网络的网络层除了需要有和固定网络的网 络层同样的路由功能模块之外，还有自身特有的移动管理模块， 必须支持以下两 项机制: i . 路由， 为通信各方在网络内找出合适的路径并借此传递数据的过程， 特 别是 在终端移动的 过程中， 能够把进行中的 通信连接在保证q o s 的 前提 下，从一个小区重新路由到终端到达的另外一个小区中，从而实现移动 的服务。我们称之为路由 重建( r e r o u t i n g ) . 2 .位置管理， 在移动网络中追踪、 记录和分析各移动通信元素的位置变化， 从而向网络层服务的调用者提供与固定网络一致的接口。 作为代表今后移动宽带网络发展方向的 w a t m 网络也是基于蜂窝架构的， 本文将重点研究这类网络中的问题。促使wa t m的成为移动宽带网络的一个选 择的一个重要的原因是w a t m提供了一个高速的主干网络，而且它能够支持上 述的两项机制，从而成为移动宽带网络架构中的一员。而a t m网络能够成为一 个支持移动网络的主干网的优势是，首先，a t m 网络在处理大量的数据流的交 换方面，有出众的费效比。其次是a t m网络强大的数据传输能力，它能够在同 一个网络上传输各种不同的数据，如为语音传输的数据可能通过固定速率 c b r ( c o n s ta n t - b i t - r a t e ) 连接来传输，而 i p数据包则可通过未定速率 u b r ( u n s p e c i f i e d - b i t - r a t e) 或者变速率 a b r ( a v a i l a b le - b i t - r a t e )连接来传输 2 , 3 , 4 , 5 0 另一个重要的原因是w a t m网络给移动终端提供与无线访问技术无关的移 动能力， a t m层的连接中止于网络的基站，它接受到的数据通过链路层访问方 法的无线数据帧来传递， 该访问方法由终端的无线访问方法来确定。 于是这个基 站就充当了一个网关，它转换当前特定无线链路的数据流，从而使其符合有线 a t m的a a l . 譬如，一个无线a t m网路提供某一个区域无线的局域网的访问 能力， 如8 0 2 . 1 1 ，一个基于i p的终端就可以把发往基站的i p 数据包封装在无线 局域网的数据帧中。该基站把接受到的数据包传递到上一级的a t m连接中，从 而通过映射i p 到a t m得到无线a t m提供的对终端移动性的支持， 使得终端的 移动对i p 来说是透明的.对越区切换和位置的管理也由无线的a t m来实现。 行动预测算法是预测物体运动的一套计算方法，它本身和移动网络并无联 第 9页 共 7 0页 系， 但如果在移动网 络无线接入端的带宽资源管理及网络层的路由 模块和移动管 理模块运用行动预测算法， 却往往可以提高各自的性能， 是解决上述几个问题的 一个很好的途径。 对于路由性能的描述， 就被称为q o s ， 它包括路由 建立成功率、 建成时间、 路由 稳定性、吞吐量、 延时、抖动等各方面的参数 6 1 . 在上述分析的基础上， 结合对无线蜂窝结构的网络中的行动预测的研究， 作 者认为在行动预测的基础上， 可以对上述的移动终端的定位管理和越区切换处理 过程中的路由重建过程做出某些改进， 从而能够有更好的性能表现。 所以首先第 三章中， 作者通过自己实现的模拟程序， 详细的比较并分析了现有的各种呼叫接 入控制算法， 重点是基于行动预测的呼叫接入控制算法，目的之一是找出一个比 较好的行动预测算法。 通过比较发现， 基于椭圆阴影模型的行动预测算法在无线接入端的呼叫控制 方面有最好的表现，因为相对作为主干网的有线a t m来说，无线接入端的资源 是非常有限的， 对网络系统的性能影响也最大， 所以对移动终端的定位管理和路 由重建也就基于该模型的行动预测算法来考虑。 在第四章中， 基于该行动预测算 法， 作者提出了一个新的动态连接树路由重建算法， 它的思路来源于虚拟连接树 ( v i r t u a l c o n n e c t i o n t r e e . v c t )路由重建算法。在该章节中，作者首先介绍了 路由 重建算法需要考虑的问 题; 如何实现 q o s的保证，以 及现有的各种路由 重 建算法。通过定性的分析，作者发现，v c t路由重建算除了资源利用率和某些 特殊情况下路由重建时延外，都能有较好的表现，而这两点可以通过控制 v c t 树中的叶子， 即基站的数量来得到改善。 考虑移动终端的行动预测，由于它能比 较准确的预测移动终端下一个时隙可能到达的小区集，所以能够克服v c t算法 的浪费资源的缺点，而保留了其延迟小、能够保持a t m信元的顺序等优点。最 后通过实验数据，对该算法进行了分析。 随后在第五章中， 同样基于椭圆阴影的行动预测算法， 提出了一个动态的终 端位置信息更新策略。 本文的结构安排如下:第二章对 w a t m进行了介绍。第三章比较详细的介 绍了各种基于行动预测的呼叫控制算法，特别是基于椭圆阴影的行动预测算法。 通过在我们自行开发的仿真器下的运行， 我们对实验结果进行了分析。 第四章对 w a t m 中己有的路由重建算法进行了概述，并从定性分析的角度对他们进行了 比较， 然后基于前面的椭圆阴影行动预测算法， 我们提出了一个动态连接树的路 由重建算法并对其进行了分析. 第五章主要讨论w a t m网络中的定位管理问题， 在分析现有的位置信息更新策略的基础上， 我们提出了一个基于行动预测的终端 位置信息更新策略。最后，文章在第六章对全文研究课题做了简短的总结。 第 1 0页 共 7 0页 第二章 w a t m及其应用中的主要问题 w a t m以a t m作为主干网， 在无线访问 端，即 和移动终端的连接上， 支持 和a t m无关的连接方式。加上a t m作为主干网的固有的优势，使得w a t m不 仅成为宽带移动网络的一个可能的选择，更是一个发展的主要方向。 在引言中己经提到， 移动网络的网络层必须解决两个基本的问题， 即在连接 建立之前或在连接建立的过程中， 能够准确的对移动终端的进行定位， 即找到移 动终端当前通过无线接入网络系统的基站， 我们称之为移动管理. 另一个就是在 终端从一个基站的服务区中漫游到另外一个基站的服务区中时， 能够对正在进行 中的连接的路由进行重建，我们称之为路由重建。本节首先介绍了w a t m的结 构， 及对对解决上述两种两个问题能力的支持， 最后简单的分析基于移动终端的 行动预测来提供上述两种能力的支持的算法。 2 . 1 wa t m的发展背景 宽带通信和移动通信一直是通信领域研究的热点， 人们期望一方面通过一个 统一并且简单的平台来承载用户数据和控制信息， 另一方面， 期望提供用户全局 的移动和网络接入能力，从而可以自由地建立通信连接。w a t m 的提出和移动 终端的发展， 在一定程度上， 极大的推动了移动宽带网络的发展。 下面将从宽带 通信、移动通信等方面简要的阐述一下 w a t m的发展背景。 首先，随着通信技术的发展， 人们越来越希望通过一个统一的网络平台， 来 支持包括语音、 数据、 实时视频等服务和高速的通信连接， 而不仅仅局限于传统 的语音和数据通信。 显然， 传统的以电路交换为基础的电话网和窄带的综合业务 数字网 都不能 满足这种需求。 以a t m为传输模式的宽带综合业务数字网b - i s d n 正是为了满足这种要求而提出的。 b - i s d n采用了不同的交换技术特点，并且将 它们集成到一个公用的传输平台上， 从而使得不同类型的业务都能通过该平台来 传输和交换。 2 . 1 . i a t m技术 人们对新业务的需求和通信技术的飞速发展推动了宽带综合业务数字网 ( b -i s d n )的发展。而a t m技术作为b - i s d n的核心技术，自 产生之日 起就受到 通信厂商和研究机构的普遍关注。 世界各国都投入了大量的人力物力对这一技术 进行研究和试验。虽然它受到 i p技术的冲击，但是在实现多媒体和实时业务通 第 u 页 共 7 0页 信方面，尤其是无线通信领域，a t m 仍然是一项非常有前途的网络传输和交换 技术。 目 前信息的交换方式主要有两种: 电路交换和分组交换。 电路交换方式是面 向连接的。 用户间的通信需要一 个通过信令来建立连接的过程， 而一旦建立起连 接， 将会在整个通信过程中， 为通信的双方分配一条信道。 这种方式的时延和时 延抖动都比较小， 适用于像语音这类实时性业务。 而在分组方式中， 用户信息被 封装在固定长或可变长的数据分组中进行传输。 传统的分组方式主要用于支持无 连接业务， 每个数据分组中都带有一个分组头， 其中包含了数据分组的路由信息。 网络的中继节点通过这个路由信息把数据分组路由到目的地。 分组交换的特点是 灵活， 但交换设备和协议非常复杂，由此产生的时延和时延抖动也很大， 因此传 统的分组交换技术很难应用于实时业务。a t m 交换技术是融合了这两种交换方 式的 优点 7 ) ， 在现有光纤信道高带宽、 低误码率的 基础上提出的采用固 定长度 信元的一种快速分组交换技术。首先，a t m 是面向连接的，它需要在通信双方 间建立虚连接，通信结束后再通过信令来拆除连接，因此a t m具有电路交换的 特点。另一方面，a t m 的数据传输采用的是固定长度的分组，称为信元。其中 的信头部分包含了用于选路的信息。 数据包在网络中采用统计复用的方式占 用系 统资源。因此a t m即具有电路交换的特点，又具有分组交换的特点。 a t m 它把各类用户信息与信令信息以及控制信息综合为一体。它的最大优 势是可同时提供各种业务的服务， 从而能够满足b - i s d n的要求。 而高宽带和高 可靠性的光纤作为传输媒介， 更是为这种传输提供了有力的保障。 a t m还具有支持不同 等级的q o s 的能力。 在基于a t m技术的b - i s d n上， 可以 提供诸如话音、 数据、 图像等多种业务综合传输的能力。 对于这些业务， 各 自 所要求的带宽、 信元丢失率、 时延和时延抖动等都不相同， 为了保证通信的质 量和带宽资 源的 有效利用， a t m通过提供q o s 参 数来满足用户业务的需要并 进 行网络资源管理间的协调 8 e 2 . 1 .2 无线网络的发展 现代无线通信起源于 1 9世纪赫兹的电磁波辐射实验，它使人们认识到电磁 波和电磁波能量是可以控制发射的。 而马可尼的跨大西洋无线电通信证实了电波 携带信息的能力。 2 0 世纪2 0 年代， 美国底特律警察的警车上首次安装了 无线收 发信机，成为世界上第一个可以有效工作的 移动通信系统。第二次世界大战后， 移动通信服务逐渐向商业领域推广。1 9 4 9年，美国联邦通信委员会( f e d e r a l 第 1 2页 共 7 0页 c o m m u n ic a t i o n s c o m m is s io n , f c c ) 正 式 确 认 移 动 通 信 是 一 种 新 的 电 信 业 务 。 同 时，蜂窝的概念由 b e l l 实验室首次提出。该实验室的研究人员建议用蜂窝结构 代替在此之前基于大功率发射机的广播模型， 极大地提高的频谱的利用率， 推动 了移动通信的商业化。 基于蜂窝结构的无线网络的发展大致经历了三代的发展。 第一代蜂窝网是基 于模拟通信技术， 所有的蜂窝系统都采用频率调制。 一个典型的第一代蜂窝电话 系统是在美国使用的高级移动电话系统 ( a d v a n c e d m o b i le p h o n e s y s t e m , a mp s ) 。第一代蜂窝网能提供基站和移动用户间的模拟话音和低效的低速率数 据通信。 全球蜂窝网需要与所有在网络覆盖区内登记的用户保持联系， 才有可能 向处于任何位置的漫游用户转发拨入的呼叫。 当移动终端处于开机状态但未通话 时， 它一直监测着附近信号最强的控制信道。 当用户漫游到其他基站的覆盖区内 时， 蜂窝网必须为他重新登记，同时取消他在原先所属的基站那里的注册， 从而 网络能把呼叫连接到用户那里。 第二代无线蜂窝网络采用了数字调制技术和先进的呼叫处理技术， 它的例子 包括: 全球移动通信系统 g s m， 美国i s - 5 4 和 i s - 9 5 数字标准，英国无绳电话标 准c t 2 ， 个人接入通信系统p c a s 和欧洲数字无绳电 话等。 与主要用来进行语音 通信的第一代网络相比， 第二代蜂窝网增加了用来传输寻呼及其它数据业务的功 能，如传真、高速数据接入等。网络控制功能则分散于网络中， 移动终端承担了 更多的控制功能。 在第二代蜂窝网中， 越区切换是移动终端控制的， 称为移动终 端辅助切换。 网络中的移动单元有许多第一代网络中用户单元没有的功能， 如接 收功率报告、邻近基站搜索、数据编码及加密。 第三代无线蜂窝网络在业己成熟的第二代网络的基础上建立起来， 其目的是 用单独一套标准来满足广泛的无线通信需求，并在全世界提供通用的通信接口. 国际电联 ( i t u )已经于 1 9 9 9 年 3 月完成第三代蜂窝网络标准i mt 2 0 0 0 关键参 数的选定。 它除了能提供比第二代网络有明显改进的话音和数据业务外， 还能提 供一个很宽范围的数据速率， 从很低速率的寻呼消息到话音到更高速率的图像和 文件传输，以更加优良 的性能来支持现有的运行于各种不同环境下的各种服务。 它支持不对称数据传输能力， 提供更高级的授权和加密算法， 具有更强的保密性， 因而将能提供电子钱包和个人银行等电子商务业务。 2 . 2 wa t m和 3 g 由于宽带通信、 个人通信和移动终端的发展， 传统的语音和数据通信己经不 第 1 3页 共 7 o页 能满足通信的要求，人们需要有一个统一的平台，来支持各种业务，包括语音、 数据、 图 像、 实时视频等。 于是人们提出了第三代移动通信的概念， 即3 g通信。 在i t u , 3 g称为i m t - 2 0 0 0 . i m t - 2 0 0 0 空中接口 要实现的 主要目 标为: . 全覆盖和移动，比特率为 1 4 4 b i t/ s ,最伟e h 特率 .l 3 r 4 h i t / c _ . 有限的覆盖和移动，比特率为2 mb i t / s . . 和现有的第二代通信系统相比，有更高的频谱利用率。 . 可以灵活的接入新的业务。 3 g通信的概念很快引起了各国研究机构和科研人员的广泛关注。它的总统 目标就是前面提到的5 个 “ 任何，n 从上述的介绍我们可以 看出， 宽带有线网络和无线网络的都在独立飞速发展 着。 但人们日益增长的需求却希望将多媒体业务扩展到无线通信领域， 使人们能 够在移动中享受到综合业务的服务。 我们从第三代移动通信的标准的制定过程中 可以看到， 大家都普遍接受了核心网络和接入网络的概念。 第三代移动通信系统 就是一个宽带的核心网络加上新的无线接入网络。 为了避免未来有线网和无线网 之间的不匹配， 未来的无线网络将是可以提供与有线网络相同业务的宽带无线系 统。 为了 满足上面所提到的网络结构和性能目 标，由 美国n e c公司c “ 移动a t m” 部分在a t m网络中加 入对移动性的支持，可以和标准的 a t m协议完全兼容。 现有的w a t m系统有b e l l 实验室的b a h a ma 系统，n e c 公司的w a t mn e t , 以及日 本的a w a 等。 由日 本的 n t t 提出的a w a 系统利用超高频频段提供用无线方式接入a t m网 络，其基本思想是给每个用户提供l o mb i t / s 以上的数据传输速率。该系统具有 a t m 传输能力，并且与a t m宽带网络进行端到端的无线连接。它设计为一个双 向 无线局域网，可以接入基于a t m的公众多媒体网络。它支持较小的移动性， 并且专门为无线信道设计了特定的链路层和多路访问层。 移动终端即可在办公室 环境下的w a n 几a n 下工作，也可以在公共环境下使用。 在欧 洲， 有一 个联 合的w a t m项目 称为m a g ic w a n d 9 ，旨 在开 发一 个使 移动终端利用一个快速的w a t m 网络进行多媒体信息接入的示范系统。该项目 有六家公司和五所大学参与，己于 1 9 9 8 年底基本完成。其主要集中在 5 g h z 底 频段提供2 0 mb i t / s 的数据速率， 其最终目的是设计一个在e t s i 里能商业化和标 准化的w a t m接入网示范系统。 第 1 6页 共 7 0页 在美国，n e c c 后者指在连接建立时，确定终端的位置。 每个终端应当有一个这样的原始交换机或称为本地交换机 ( h o m e s w i t c h) ，由它指定的移动终端地址称为本地地址 ( h o m e a d d res s ) ，作为终端 的身份标识， 无论处在什么位置， 都不会改变。当终端移动到其它基站的服务区 中时， 该基站会给其分配一个新的地址， 该地址称为客地地址 ( v i s i t o r a d d r e s s ) . 客地地址会及时传送到本地交换机 ( 基站)登记。 当终端需要建立一个通信连接时， 它首先用本地地址发出连接申请， 如果它 当时刚好处在它的本地基站的服务区中， 则这次连接建立过程基本与固定网络中 的连接建立过程相似; 但如果处在其它区域， 建立连接的消息会传到它的本地交 换机 ( 基站) ， 本地交换机再发出一个r e l e a s e消息给终端。 r e l e a s e消息中 包含了终端的客地地址，当终端收到r e l e a s e消息后， 再用客地地址发出连接 申 请。 在第二代通信网络中，i s - 4 1标准的定位管理需要一个称为 h l r ( h o m e l o c a t io n r e g i s t e r ) 和一个称为v l r ( v i s it o r l o c a t io n r e g is t e r )的 数据库; 该算 法也可用于w a t m中。在a t m中，每个终端地址包含了1 3 字节的前缀，它由 和终端相连的a t m交换机提供。在w a t m 中，每个基站相当于一个a t m交换 机或称为无线八 j m接入点。 2 . 6行动预测在 wa t m网络中的应用 行动预测是指对根据移动终端当前的运动状态，诸如运动方向和运动速度， 以及移动终端运动的历史记录，对移动终端可能的运动行为做出提前判断的方 法。行动预测本身并不是 w a t m 架构的必要组成部分，但是基于终端的行动预 测，却可以改善w a t m中的呼叫接入控制、路由重建和位置管理。具体到实际 的应用，可以从三个方面得到体现。 首先， 行动预测可以用于解决由于可用资源不足而造成的呼叫连接受迫挂断 的问题， 这个问题同样也是由越区切换造成的。 因为在一个蜂窝网络满负载的情 况下， 如果一个正在进行中的通信连接发生越区切换的而且新进入的小区没有可 用的信道资源支持它时， 这个通信连接将被意外阻塞或直接挂断。 但假设在此之 第 1 8页 共 ， 0页 前通过行动预测知道该越区切换将要发生的话， 蜂窝系统就可以在它将进入的小 区内， 通过阻塞一些新发起的呼叫， 保留一定的信道资源， 这种做法就是基于资 源预留的越区优先。由于从用户的角度来看， 正在进行的通信连接突然中断比偶 尔的新呼叫阻塞更叫人难以忍受， 因此资源预留可以提高用户的满意度， 但同时 也会相应增加新呼叫的阻塞率。虽然解决这一问题并不一定只能依靠行动预测， 但在第三章节中， 我们通过模拟试验证明， 基于行动预测的一种算法具有最好的 表现。 其次，行动预测可以帮助在 w a t m 中，当发生越区切换是，快速的对进行 中的连接进行重新路由。 无线蜂窝网的一个重要特征是越区切换， 这样在一次通 信过程中路由的最后一跳经常会改变， 这就造成了路由的动态变化。 然而蜂窝网， 特别是作为宽带移动网络的 w a t m，在功能上要求通信质量有必需的保障，包 括对多媒体数据传输的q o s要求，为了 维持连接并避免可能的过大的延时 和抖 动， 系统必须在有限的时间内完成新路由的寻址和发现过程。 针对这个问题， 行 动预测是很好的解决办法。 如果通过适当的行动预测方法提前若干时候知道了某 个移动终端越区切换的到来， 系统就有足够的时间寻址并发现新的路由， 而不用 把这个过程放在越区切换实际发生之后了。文献【 1 0 有对该问 题的相关研究。 最后， 行动预测可以作为追踪移动终端的辅助手段。 在无线蜂窝网的移动管 理中， 一个重要的课题是，当向某个移动终端发起连接时， 如何快速准确地寻找 到目 标， 这就是移动终端的 追踪( t r a c k in g o r p a g i n g ) 。 这方面比 较先进的 方 法时 由 终端向 系统报告自 己的 位置【 川。 如果行动预测算法能 够有效地利用移动终端 的报告信息，就可以显著的提高追踪移动终端的效率。 2 . 7本章小节 在本章中，作者对w a t m做了简单的介绍。 w a t m 以 有线的a t m为主干 网， 面向终端提供无线接入的能力， 从而满足了网络发展的要求， 即宽带网络和 移动网络的结合，实现移动宽带网络。凭借a t m本来的技术优势，能够满足在 统一的网络架构上， 满足各种各样的业务需求。 加上扩展的无线接入能力， 就能 够提供终端移动接入的能力， 从而支持终端的移动性， 实现移动网络。 随后简单 的介绍了w a t m网络的研究动态和关键技术，即终端的定位管理和越区切换处 理过程中的路由重建。从而为后面基于行动预测的解决方法提供一个基础。 第 1 9页 共 7 0页 第三章 无线蜂窝网中的 基于行动预测的c a c算法比较 在本章中， 主要从无线接入端的呼叫接入控制控制角度对无线网络中移动终 端的各种行动预测算法的比较分析， 并以此作为后面基于行动预测算法的w a t m 中的路由重建和定位管理的基础。由于本文中我们讨论的是基于微蜂窝结构的 w a t m 网络，所以本章的比较分析也就以无线蜂窝网作为基础进行分析和模拟 的。 本章首先简单的介绍了各种行动预测算法。 通过分析各种预测算法并通过仿 真程序来模拟各种基于这些算法的无线接入端的c a c策略，作者得出了结论， 即在各种 c a c策略中，基于椭圆阴影的行动预测算法的 c a c策略在资源利用 率、 新呼叫接通率等 q o s参数方面有比较好的综合表现，所以在第四章和第五 章中，将以基于椭圆阴影的行动预测算法作为基础。 3 . ，无线网络中的c a c概述 在无线蜂窝网 络中， 各类业务的q o s和网络资源利用率是一对相互冲突的 衡量标准，网络系统必须在这两个标准之间寻求最好的平衡点，即在保 证各类业务 q o s的前提下充分进行统计复用，使网络资源得到最 大限度的利用。因此，不论在呼叫建立阶段还是在呼叫进入 a t m 网络之后的 阶段，都需要有效的控制机制来保持这两个标准之间的平衡。这些机制就包括 c a c 及流量整形( t r a f f ic s h a p i n g ) 等。 一般说来，c a c是网络系统在连接建立阶段 ( 或重新路由阶段)所采取的 措施， 用来确定是否接纳一个连接请求。 一个连接请求被接受的条件是: 有足够 的 资 源保证该连接所要求的 q o s ， 并继续维持己 有连接的q o s 。 一般来说， 呼 叫重新协商阶段的 c a c问题可以借鉴建立阶段的 c a c问题的算法，其核 心问 题都是预测网 络资 源能 否在保证q o s 的前提下支持某连接。 由 于c a c 在无线蜂窝网 络的q o s 方 面的 重要作用及其复 杂性， 目 前有 许多 学者和相关文献对其进行了深入的研究，提出了多种的接纳控制方法。 最简单的方法， 就是检查脱机建立的带宽分配表， 根据网络当前状况， 即可 用带宽，确定是否建立连接。这种方法简单易行，但带宽利用率低，与 w a t m 有效使用网络资源的要求相违背。 给每条连接都分配峰值带宽的复用被称为决定 第 z q页 共 7 0页 复用。而a t m 网络是提倡统计复用的。 探讨最多的方法，是用数学建模， 计算信息源所需带宽。 根据连接所需带宽 可以很容易地确定是否还能够接纳新连接。 从有无资源预留的角度， c a c可以分成有资源预留的和无资源预留的算法， 最近的 研究表明， 采用资源预留的c a c策略要胜过不采用它的 1 2 , 所以 本文 中对无资源预留的c a c策略不做分析。 对有资源预留的算法， 又可以从是否基于行动预测的角度分成有行动预测的 和无行动预测的。没有行动预测的c a c算法包括全预留和小区固定比例预留。 文献【 1 3 提出了小区固定比例法，每个小区为越区呼叫预留固定的带宽资 源。当有新呼叫时，如果空闲带宽 ( 总的带宽一 己分配的带宽一 预留的带宽) 大于 呼叫所需求的带宽，则接受该新呼叫，否则该呼叫被拒绝;当发生越界切换时， 如果目的小区的可用带宽 ( 总带宽一 己分配的带宽)大于呼叫所需求的带宽，则 越界切换成功， 否则失败， 从而保证了越区优先。 该算法很重要的一点是固定预 留的带宽的比率大小。 为了在资源利用率、 新呼叫成功率以及越界切换成功率之 间三者取得一个比较好的平衡， 我们在后面的模拟中采用了一个简单的自 适应算 法，从而取得了比较好的参数设置。 文献 1 4 提出的 邻近小区全预留 法在每个用户当 前小区的 周围小区内 都预 留一部分资源供越区呼叫使用。其c a c策略如下，当一个新呼叫产生时，如果 当前小区空闲带宽数量大于该呼叫所需的带宽数量， 并且所有相邻小区的空闲带 宽数量大于需预留的带宽数即呼叫所需带宽的一部分( 该比率是一个综合考 虑b u r和h d r的平衡值，由自 适应算法确定， 在后面的实验中，我们取值为 1 / 1 6 ) ，则在当前小区中为该呼叫分配所需的带宽，同时在所有相邻小区中域有 相应的带宽: 否则拒绝该呼叫。当发生越区切换时， 如果要到达的小区的可用带 宽数量即除去己经分配的带宽外的带宽后， 大于该叫所需的带宽数量， 则在 新的小区中为呼叫分配所需的带宽， 原来预留的带宽及在原来小区中占用的带宽 被释放，同时在当前的小区的所有相邻的小区中， 如果有足够的空闲带宽， 则预 留相应的带宽。 当越区发生而预留信道用尽时， 呼叫进入一个等待队列而不是被 丢弃，当出现空闲信道时呼叫则可再继续。 这两种 c a c策略共同的特点是易于实现，但却都无法适应网络负载的动态 变化， 特别是终 端运动的随 机性，因 此效果不好。 在文献 1 5 提出了“ 阴 影串” ( s h a d o w c l u s t e r )的概念。一个移动用户的阴影串是指它可能运动进入的小区 集合， 通过按照不同的迁入概率在这些小区内进行资源预留， 可以最优地利用带 第 2 1页 共 7 0页 宽。 这是较有启发性的想法， 但作者并没有提出得出阴影串和迁入概率的具体的 行动预测方法。如果采取恰当的行动预测算法，准确的得到 “ 阴影串” ，或者称 之为最有可能到达小区， 在这些小区中预留移动的资源， 就可以取得比较好的效 果。 3 . 2现有行动预测算法分类比较