（计算机应用技术专业论文）下一代无线异构网络中网络接口选择策略的研究.pdf

北京邮电大学硕士学位论文 下一代无线异构两络中两络接口选择策略的研究 下一代无线异构网络中网络接口选择策略的研究 摘要 下一代无线通信系统将集成多种不同的无线接入网络( r a d i oa c c e s s n e t w o r k , r a n ) ，而且系统将提供浏览器、网上购物、音乐下载、网上银 行、文件传输、数据库访问等多种在线业务，与此同时用户终端设备也 向多模方向发展，互联网业务和传统的移动业务可以在同一台终端上实 现。可以预测在这种环境下，用户将不再需要长期依赖于某一种接入网 络，而是可以随时随地按照一定的标准或个人偏好来选择特定的r a n 承 载不同的业务。因此我们需要一种网络接口选择机制，随时随地针对各 类用户当前的需求，为其应用选择一个经济实用的接入网络。 目前提出的网络接口选择策略在对用户需求方面的支持上存在一定 的局限性，如没有考虑到应用需求描述语义的不确定性以及用户在服务 质量和花销的取舍态度存在不同的偏好等等。本文针对以上两个缺陷提 出了智能网络接口选择系统。 智能网络接口选择系统包括两个主要模块。其中基于应用的网络接 口选择模块利用模糊控制原理解决了应用需求描述语义的不确定性问 题，基于用户的网络接口选择模块利用基于效用函数和消费盈余的算法 实现了对用户不同偏好的支持。 通过仿真验证，此智能网络接口选择系统可以支持用户在服务质量 和花销的取舍态度上的不同偏好。同时，与传统的“永远选择最便宜网 络”策略相比，智能网络接口选择系统的网络接口选择效率要优越得多， 并且随着文件大小的增大，这种优势越来越明显。 关键词：无线异构网络网络接口选择模糊逻辑效用函数消费盈余 北京邮电大学硕士学位论文 下一代无线异构同络中舟络接选择策略的研究 n e t w o r k 矾t e r e a c es e l e c t i o ns t r a t e g i y i nn e x tg e n e r a t i o n 丑e t e r o g e n e o u sw l r e l e s se n r o n m 匪n t a b s t r a c t f u t u r ew i r e l e s sa n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sw i l lo f f e raw i d er a n g eo f s e r v i c e sa v a i l a b l et ou s e r sa n y w h e r ea ta n yt i m e d e v e l o p m e n ti nw i r e l e s s a c c e s st e c h n o l o g i e sa n dm u l t i - h o m e dp e r s o n a lu s e rd e v i c e si sd r i v i n gt h ew a y t o w a r d sah e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r ke n v i r o n m e n t t h ev i s i o ni s t h a tu s e r sw i l ln o tb et i e dd o w nt oal o n gt e r mc o n t r a c tw i t ho n es i n g l e o p e r a t o ra n dw i l l i n s t e a db ea b l et od y n a m i c a l l yc h o o s ea c c e s sp r o v i s i o n w h i c hc a nb e s ts e r v i c et h e i rp r e f e r e n c e sf o rt h ec u r r e n ta p p l i c a t i o n t h e e v o l v i n gc o m p e t i t i v em a r k e t p l a c ew i l lp r o v i d eac h o i c eo f a c c e s sn e t w o r k si n a n yg i v e nl o c a t i o n , e a c ho f f e r i n gd i f f e r e n tn e t w o r kt e c h n o l o g i e sw i t hv a r y i n g c h a r a c t e r i s t i c st ot r a n s p o r tt h eu s e r sc o m m u n i c a t i o n sa p p l i c a t i o n t h e r e f o r e t h e r ei san e e dt oh a v em e c h a n i s m st od e c i d ew h i c hn e t w o r ki st h em o s t s u i t a b l ef o re a c hu s e ra te a c hm o m e n tf o re v e r ya p p l i c a t i o nt h a tu s e tr e q u i r e s t h ec o n t r i b u t i o n so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ：【1 】d e s i g n e da n dd e v e l o p e da t w o - p h a s ei n t e l l i g e n tn e t w o r ki n t e r f a c es e l e c t i o nm o d e l w h yt h i sm o d e lh a s b e e nd i v i d e di n t ot w op h a s e s ? t h e r ea r et w om a i nr e a s o n sf o rt h a t ：( 1 ) t h e r e q u i r e m e n t sc o m ef r o ma p p l i c a t i o n sa r ec o m p a r a t i v e l yl e s ss t a b l et h a nt h o s e c o m i n gf r o mu s e r s ，s o i ti sb e t t e rt oh a n d l et w ok i n d so fr e q u i r e m e n t s d i f f e r e n t l yo ns o m el e v e l ( 2 ) u s e r - b a s e dn e t w o r ki n t e r f a c es e l e c t i o ns t r a t e g y i si n e v i t a b l yt i m ea n dr e s o u r c ec o s u m i n g ，i nv i e wo ft h er e s o u r c el i m i t a t i o n o nm o b i l ee n dd e v i c e a n dt h eh a n d o v e rt i m ed e l a yw h i c hi sa d m i r e dt ob e s h o r t ，i ti sw o r t h yt om a k ea l le f f o r tt od e c r e a s et h en u m b e ro ft h ec a n d i d a t e n e t w o r k sw h i c hw i l lb et h ei n p u to fu s e r - b a s e dn e t w o r ki n t e r f a c es e l e c t i o n 4 北京邮电大学硕士学位论文 下一代无线异构同络中时络接r n 选择策略的研究 m o d e l s on e t w o r k sw h i c ha f a i lt om e e tt h er e q u i r e m e n t sf r o ma p p l i c a t i o n s a 坞r e j e c t e di np h a s eo n e i nt h i sw a y , t h ec o m p l e x i t yo f t h es t r a t e g yi np h a s e t w ow i l lb er e d u c e dal o t 【2 】p r o p o s e dau t i l i t y - b a s e ds t r a t e g yf o rn e t w o r k s e l e c t i o ni nt h em u l t i - a c c e s sn e t w o r ks c e n a r i o u t i l i t yf u n c t i o n sa r ee x a m i n e d w h i c he x p l o r ed i f f e r e n tu s e ra t t i t u d e st od s kf o rm o n e ya n dd e l a yp r e f e r e n c e s r e l a t e dt ot h e i rc u r r e n ta p p l i c a t i o n c s ( c o n s u m e rs u r p l u s ) - b a s e da l g o r i t h m i su s e dt os e l e c tt h eb e s ta v a i l a b l en e t w o r kf o rt r a n s f e r r i n gn o nr e a l - t i m ed a t a , w i t hu s e rs p e c i f i e dt i m ec o n s t r a i n s w h e nc o m p a r e dt oa na c ( a l w a y s c h e a p e s t ) a l g o r i t h m , s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o ws i g n i f i c a n tp e r f o r m a n c eg a i n f o rt h ec s b a s e da l g o r i t h mi nt r a n s f e rc o m p l e t i o nt i m e 【3 】d i s c u s s e da b o u t h o wt oa p p l yt h i si n t e l l i g e n tn e t w o r ki n t e r f a c es e l e c t i o nm o d e lt ot h en e t w o r k s c e n a r i ow h i c hi s d e v e l o p e db yd a i d a l o sp r o j e c t - w o r kp a c k a g e 2b y t a k i n ga d v a n t a g eo fc a r dp r o t o c o l ( r f c 4 0 6 6 ：c a n d i d a t ea c c e s sr o u t e r d i s c o v e r y ) k e yw o r d s ：s o h ，1 呵 f u z z yl o g i cu t i l i t yf u n c t i o n n e t w o r ki n t e r f a c es e l e c t i o ns t r a t e g y c o s u m e rs u p l u s 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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期：坞丛l 一 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 2 北京邮电大学硕士学位论文 下一代无线异构同络中同络接口选择策略的研究 第一章绪论 1 1 论文背景 论文基于对下一代无线异构网络融合技术的研究。目标是研究高效的可升级的异 构网络融合技术，以保障异构网络环境下的优质通信。这里的异构网络包括相同管理 域内的固定网络和移动网络，有线网络和无线网络，均衡网络和非均衡网络，自组织 的网络和有基础架构的网络。工作内容是以下一代无线异构网络实验场景及需求为依 托。对现有的网络技术、网络协议以及网络架构进行调研和评估，分析实验场景的可 实施性，并在移动性管理、服务质量、安全性以及路由技术方面，提出能够满足实验 场景需求的解决方案。 对移动性管理技术的研究【l 】主要有以下几个方面：发现切换目标、网络接口选 择、优化水平切换和垂直切换策略、分页技术、性能管理、广播技术以及安全问题等。 本文致力于网络接口选择这一课题。 未来的无线移动通信网络将随时随地为用户提供广泛的业务。无线接入技术以及 多模终端设备的发展促成了当今的异构无线网络环境。下一代无线通信系统将集成多 种不同的无线接人网络( r a d i oa c c e s sn e t w o r k ，r a n ) ，如无线蜂窝通信系统，无线局 域网，卫星通信网络，蓝牙，w i m a x 等。同时系统将提供浏览器、网上购物、音乐 下载、网上银行、文件传输、数据库访问等多种在线业务。与此同时用户终端设备也 向多模方向发展，互联网业务和传统的移动业务可以在同一台终端上实现。【2 】 第l 页 北京邮电大学硕士学位论文下一代无线异构网络中网络接口选择策略的研究 s 晰i 糖i 妇 图1 1 基于业务的异构无线网络环境 在这种基于业务的异构无线网络环境中，业务提供商和网络提供商将分离开来， 可以预测用户将不再需要长期依赖于某一种接入网络，而是倾向于实时的动态的选择 一个经济的，并且能为当前业务提供满意服务的网络。当今社会用户的通信业务种类 繁多，共存于竞争市场的网络技术及特性也各不相同，因此我们需要一种机制，随时 随地针对各类用户当前的需求，为其业务选择一个经济实用的接入网络。基于这个需 求，本文将要设计并实现一种智能的网络接口选择系统，帮助不同用户选择一种适合 自己实际情况和业务需求的接入网络。由于需要考虑的因素很多，有时还需要在利益 发生冲突的时候做出权衡，因此这个选择系统需要有很大的灵活性，以适应多变的用 户需求和业务特征。另外，考虑到无线信道的不稳定性，此系统将把用户端对不确定 性和风险的容忍程度考虑进来，以弥补当今网络接口选择策略在用户需求支持方面的 不足。 1 2 论文主要工作 论文致力于下一代异构网络终端移动性管理方面的研究，主要的工作成果如下： 1 ，分析下一代无线异构网络的特点，阐述了研究网络接口选择策略的必要性， 并对当前网络接口选择技术成果进行了总结和研究。 2 ，针对无线网络选择存在不确定性的特点以及当今网络接口选择技术的局限性， 提出了应用需求和用户需求分离的两阶段智能网络接口选择系统。 第2 页 北京邮电大学硕士学位论文 下一代无线异构同络中网络接口选择策略的研究 3 ，结合c a r d ( r f c 4 0 6 6 ：c a n d i d a t ea c c e s sr o u t e rd i s c o v e r y ) 协议，研究本文 提出的模型及算法在实际网络环境当中的应用 4 ，以智能网络接口选择系统为依托，针对权衡参数描述的不确定性，设计了基 于应用的网络接口选择模块。此模块采用模糊逻辑推理方法对这些参数进行处理，根 据处理的结果，对候选网络进行预选。 5 ，以智能网络接口选择系统为依托，针对当前网络接口选择算法对用户需求支 持度不高这一局限性，提出了以用户需求为中心的基于用户的网络接口选择算法。并 利用仿真软件对算法的有效性进行验证。 1 3 论文的组织和结构 论文的主要内容是设计一个智能网络接1 3 选择系统，并在其中的模块中提出了新 的算法。因此，论文的组织结构如下： 第一章，引言。介绍论文的项目背景、论文的主要工作和成果及本文的组织结构。 第二章，智能网络接口选择系统的总体介绍。其中包括对当前网络接口选择策略 的调查和分析，设计此智能网络接口选择系统的现实意义，以及此系统中主要模块的 功能介绍。 第三章，介绍了c a r d ( r f c 4 0 6 6 ：c a n d i d a t e a c c e s s r o u t e r d i s c o v e r y ) 协议的工 作原理和协议流程。并结合c a r d 协议，研究本文提出的模型及算法在实际网络环 境当中的应用。 第四章，基于应用的网络接口选择模块介绍。由于本章涉及到一个辅助研究的工 具，因此首先对f u z z y l o g i c 进行了简单介绍。然后说明了此模块中模糊逻辑系统 的设计和参数的设置，最后对结果进行了说明。 第五章，基于用户的网络接口选择模块介绍。本章是本文的重点部分。首先介绍 了基于用户需求的网络选择算法的理论基础，即效用函数曲线形状和消费盈余公式的 设计。然后详细介绍了基于用户的网络接口选择算法的流程。最后利用仿真工具对算 法的有效性进行了验证，并与当前的网络接口选择算法进行了比较。仿真结果表明， 与“永远选择开销最低的网络”这种算法相比，本文提出的引入效用函数的“消费盈 余”算法在对用户需求的支持方面要优越得多。 第3 页 北京邮电大学硕士学位论文 下一代无线异构网络中网络接口选择策略的研究 第六章，论文总结。对智能网络接口选择系统的特点和存在的问题进行了综述， 提出下一步应该完善的建议。 第4 页 北京邮电大学硕士学位论文下一代无线异构同络中网络接口选择策略的研究 第二章智能网络接口选择系统总体设计 2 1 网络接口选择技术的现状 未来的无线移动通信网络将随时随地为用户提供广泛的业务。无线接入技术以及 多模终端设备的发展促成了当今的异构无线网络环境。可以预测在这种环境下，用户 将不再长期依赖某一个固定的运营商，而是倾向于实时的动态的选择一个经济的，并 且能为当前应用提供满意服务的网络。当今社会用户的通信应用种类繁多，共存于竞 争市场的网络技术及特性也各不相同，因此我们需要一种机制，随时随地针对各类用 户当前的需求，为其应用选择一个经济实用的接入网络。基于这种现状，学者们开始 对网络接口选择技术展开了研究。 由于有线宽带数据网络的技术已经很成熟，计费也相对经济，所以用户可以以低 廉的价格享受各种高质量的宽带服务。可是在无线网络环境中，情况会有所不同。无 线信道的不稳定性以及各种接入网络技术的特性导致了各种无线接入网络在性能和 计费方面的差异，而通常情况下用户无法在花销和性能方面兼得“鱼和熊掌”，因此 在选择接入网络接口的时候用户需要在花销和性能之问做出权衡。在第四代异构网 络中的垂直切换一文中，m c n a i r 和z h u 提出了移动用户在多个通信会话中进行垂 直切换的时候，其上下文中需要包含用户关心的网络性能参数，用来支持切换过程中 的网络接口选择策略。当然这些参数同样可以帮助那些有多种网络接入能力的移动终 端在最初进行网络选择的时候做出决定。 大多数设计网络接口选择策略的工作者认为，无线接入网络的选择问题将成为无 缝切换的挑战之一。如何设计网络接口选择架构? 【4 】运用哪种网络接口选择策略帮 助用户决定接入目标? 在多家乡移动终端的动态网络接口选择一文中，y l i t a l oe t a 1 在终端提出了一种可行的网络接口选择架构。但是并没有具体说明要使用哪一种选 择策略，只是提出了一个“永远选择最便宜网络”选择策略( a l w a y sc h e a p e s t ：a c ) 。 b i r c h e r 和b r a u n 在无线网络中基于代理的服务发现和协商架构 3 】一文中又提出 了一种基于代理的架构，其中包含了用户代理选择功能。用户可以通过比较得出性价 第5 页 北京邮电大学硕士学位论文下一代无线异构网络中网络接口选挥策略的研究 比最优的网络服务，并与服务提供商协商以预先规定的价格为定制的服务预留网络资 源。但是这篇文章并没有涉及到协商条款的具体细节，只是指出了他们是基于一些加 权了的q o s 参数，如网络时延、带宽、丢包率等等。在异构无线网络中运用策略 的切换【5 】一文中，h j w a n g 等作者描述了一种异构无线网络中的切换“策略”，用 来选择切换发起的“最佳”时机和“最佳”目标网络。他们根据以下几个参数并通过 特定的加权函数来计算使用某种网络的开销：网络带宽、功率损耗和计费标准。网络 带宽信息的获取有几种方法：一方面可以在每个接入网络中加一个代理，专门负责估 算和广播当前的网络负载；另一方面在商业网络中，可以利用此种网络的典型带宽值。 一旦网络带宽确定下来，那么就用一种特定的加权函数来计算网络开销，如果经过计 算有一种网络的开销一直很低，那么它就是目标网络。为了保持系统的稳定性以及负 载均衡，此策略还采用了基于切换估算时间的随机等待的机制，以避免同时切换的发 生。在这期间大量的文献都引用了异构无线网络中运用策略的切换一文中提出的 计算网络开销的函数。直到c h e r t 等作者在垂直切换中的智能选择模型一文中提 出了一种依赖于“得分函数”的智能模型。这个“得分函数”同样与分配到的带宽( 数 据传输结束时间) 、电池功耗以及可用网络的计费机制密切相关，不同的是，这篇文 章借鉴了m u r p h y 等作者在( a t m 网络中基于计费的网络带宽分配 6 】一文中描述 的边际效应理念，把体现网络价值的函数( 效用) 形状用递增的凹函数( 即经济学当 中的递减边界效应) 来表示。得分函数和简单的参数加权函数相比更加具有智能性， 本文提出的基于用户的网络接口选择算法就是受到了这篇文章中用效用函数代替加 权函数思想的启发。另外在这个案例中，网络带宽信息的获取也与前面的策略不同， 是用一个探测工具来测量。异构无线网络中运用策略的切换和垂直切换中的智 能选择模型这两篇文献中提出的网络选择机制都需要收集所有本地可用网络的带宽 信息，这将不可避免的带来终端的能源损耗和时延，这些都是引入网络接口选择策略 的代价。 以上的研究对网络接口选择技术做出了杰出的贡献，它把网络选择过程中的用户 需求提升到了一定的高度，并提出了可行的架构和策略。然而他们都有一个共同的局 限性，就是没有充分体现用户需求的差异。实际上，不同用户由于消费观念和消费水 平的不同，在网络性能和花销方面的取舍态度存在着差异，不仅如此，即使相同的用 第6 页 北京邮电大学硕士学位论文下一代无线异构网络中网络接口选择策略的研究 户在不同的时问地点，也将有不同的需求。例如在咖啡厅带着笔记本消闲的客人，他 可以接受花费较长的时间下载一张清晰的巨幅图片，满足他的视觉需求。相比之下一 个拿着将要没电的手机的人，可能更需要以最快的速度打开一张网页，在手机断电之 前取得需要的信息。可见，在网络接口选择过程中将用户区分对待是非常有必要的。 可喜的是，在加速竞争的移动通信市场环境下动态的3 g 网络选择f 7 】一文中，我 们看到了这种区分。l e b o d i e 等作者意识到设计基于用户的网络接口选择策略的必要 性，并把网络价格机制视为一种拍卖。他们针对两种不同的用户使用了两种不同的策 略，这两种用户一种追求低廉的服务费用，另一种则偏重于高信誉的网络提供商 介绍到这里读者也许会有这种疑问：网络接口选择算法似乎都是只关心用户的利 益，那么如何保证网络的均衡以及网络资源的优化配置呢? 通常情况下，用户希望花 比较少的钱，在可以接受的等待时间范围内，得到移动通信系统的服务反馈。如果用 户觉得一个网络不够经济，那么他会尽量避免使用它，或者最小程度的使用它。经过 市场调查，用户选择接入网络的时候，候选网络的计费机制会在很大程度上影响用户 的决定，因此用网络计费模式来控制网络的流量将会是一个非常有效的方法。宽带 口网络中计费概念综述 8 】- 。文提出了多种新型的无线接入网络的计费机制，主要 目的都是从网络的总体利益出发，用计费机制辅助实现无线网络资源的合理分配。在 多媒体应用在资源协商、计费、服务质量方面集成的自适应架构【9 】一文中，微 观经济领域中的效用函数再一次发挥了作用，被用来描述用户在几个参数面前权衡利 弊时的偏好。有了这个效用函数，就可以将各种基于网络拥塞的价格机制进行量化比 较了。不仅如此，在竞争的无线数据网络中资源管理的经济模型【1 0 】一文中，效 用函数还用来表示用户在网络计费和数据传输时延方面的考虑。只不过这个效用函数 并没有用于基于用户的网络接口选择策略，而是用来帮助网络提供商了解用户行为， 目的是挖掘有效的网络资源管理策略，使网络提供商的经济利益最大化，从而为他们 争取到更高的市场份额。由此可见，基于网络资源和性能的无线网络接口选择在技术 上并非空白，相反网络提供商为了各自的市场份额和经济利润，将继续深入的进行研 究。 以上就是本文对当前网络接口选择技术动态的综述。可以看出，网络接口选择技 术可以大体分成两大类：一类是基于网络总体状态的网络发起的网络接口选择技术， 第7 页 北京邮电大学颈士学位论文下一代无线异构舟络中孵络接日选择策略的研究 另一类是基于用户参数的终端发起的网络接口选择技术。其中对网络发起的网络接口 选择策略的研究更加关心网络选择的结果对网络的整体性能有什么影响，例如网络资 源分配是不是合理，拥塞控制是不是有效，安全机制够不够完善，计费机制有没有竞 争力等等，相对来说考虑的因素比较多，研究起来比较复杂。而终端发起的f 回络接口 选择策略则相对单纯的多，一般来说只需要考虑业务和用户本身的需求就可以了，不 会去关心自己的选择对整个网络性能有什么样的影响【1 2 】。然而即使如此，我们也无 法实现终端的“永远最优”连接。在( 4 g 移动网络中实现“永远最优连接”算法复 杂度的研究【l l 】一文中，g a z i s 等作者研究了基于用户参数的终端发起的网络接口 选择技术中“永远最优连接”的算法复杂度。这种算法将会依据用户当前的处境，在 所有可用接入网络中，为当前的应用选择一个或者几个接入网络。研究的结论是这种 “最优”算法的复杂度被映射到一系列h p - h a r d 问题。也就是说，由于无线网络中存 在诸多的不确定性因素，“最优”的算法并不存在，我们必须寻求这类问题的有效的 近似算法，力求找到相对优化的网络接口选择方案。 基于上述调查和分析，本文将把重点放在对基于用户参数的终端发起的网络选择 技术研究上。针对当今网络接口选择技术的不足，提出可行并且有效的优化方案。 2 2 研究智能网络接口选择策略的必要性 当今社会宽带有线数据网络的技术已经很成熟，计费也相对经济，所以用户可以 以低廉的价格享受各种高质量的宽带服务，基本没有太多选择的必要。即使面临着多 种选择，由于有线网络的稳定性，网络性能参数也比较容易确定，选择算法实施起来 会比较容易。可是在无线网络环境中，情况会有所不同。首先无线信道的不稳定性导 致了无线网络参数的不确定性，因此选择算法复杂度被映射到一系列的n p _ h a f d 问 题，从而加大了网络接口选择策略的研究难度。其次，无线接入网络技术的差异导致 了网络性能千差万别：有的网络数据传输速率很高，但是可靠性差强人意；有的网络 有的网络虽然数据传输速率不高，可是可靠性非常优秀：还有的网络在数据传输速率 和网络可靠性方面都非常出色，当然也将价格不菲。可见在无线异构网络环境下，用 户需要根据自己应用的需求以及消费能力慎重选择接入网络。综上所述可以看出，与 有线网络相比，在无线网络环境中，网络接口选择策略是不可或缺的。 第8 页 北寨邮电大学磺士学位论文 下一代无线异构两络中同络接口选择策略的研究 另外，通过上述对无线网络市场环境的调查研究，我们发现无线网络接口选择策 略的研究难点以及当今网络接口选择技术的局限性主要有以下两方面： 1 ) 无线信道的不稳定性以及权衡参数描述的不确定性 2 ) 无线网络接口选择策略支持不同用户偏好的智能性 本文提出的智能网络接口选择系统，目的就是针对无线网络选择存在不确定性的 特点以及当今网络接口选择技术的局限性，提出可行并且有效的优化方案。 2 3 智能网络接口选择系统 根据本章前两节的研究和分析，设计新型的网络接口选择系统的需求如下： 1 ) 此系统需要针对无线信道的不稳定性和权衡参数描述的不确定性设计相应的选 择算法。 2 ) 此系统要提供对不同用户选择偏好的支持，并且这种支持是智能的。 3 ) 这个系统是有实用价值的，可以与下一代异构网络技术相融合。 基于以上三点需求本节提出了智能网络接口选择系统的模型。此模型由基于应用 的网络接口选择模块和基于用户的网络接口选择模块构成。如图所示： 图2 一l 智能网络接口选择系统模型 把智能网络接口选择过程分成两个阶段有如下原因：1 ) 基于应用的需求很多都 是和无线网络性能参数相关的，而无线网络信道的不稳定性导致了网络性能参数的不 第9 页 北京邮电大学硕士学位论文下一代无线异构网络中网络接口选择策略的研究 确定性。相比之下基于用户的需求是相对确定的。因此两种选择不适于利用同一种技 术在同一阶段进行。2 ) 基于用户需求的网络接口选择算法要消耗终端的资源，考虑 到无线移动终端资源的有限性，有必要在执行此算法之前对不符合应用需求的网络进 行预筛选，从而减少算法的复杂度。 由于此系统需要针对无线信道的不稳定性设计相应的选择算法，而模糊逻辑是处 理不确定参数的有效的手段，因此基于应用的网络接口选择模块利用模糊逻辑系统对 候选网络进行预选，预选的结果作为基于用户需求的网络接口选择过程的输入。在本 文的第三章，将介绍关于利用模糊逻辑预选网络的详细过程。 另外由于此系统需要提供对不同用户选择偏好的智能支持，因此基于用户需求的 网络接口选择模块则采用本文提出的基于用户的网络接口选择算法，这个算法中引用 了微观经济学中的“效用函数”这一概念，用来区别不同用户当前应用对花销和时延 的不同要求。另外还利用“消费盈余”公式，在多种无线异构网络重叠的环境下，为 用户选择一个合适的接入网络。关于基于用户的网络接口选择算法，在本文第四章将 给出具体的介绍。 最后关于此系统能否成功融合到下一代异构网络中，本文的第五章给出了详细的 讨论。要回答这个问题，首先要分析智能网络接口选择系统所依赖的网络功能，即下 一代异构网络的相关协议能否提供网络接口选择策略算法所需要的网络参数。在 d a i d a l o s 项目文档中提到的c a r d 协议( i u f c 4 0 6 6 ：c a n d i d a t ea c c e s sr o u t e f d i s c o v e r y ) ，其主要目的之一就是为网络接口选择策略提供参数。而且协议中提到传 递网络参数的相关的消息可以利用移动m v 6 协议的字段甚至快速切换协议的字段， 这样一来，本文提出的智能网络选择接口技术完全可以与下一代异构网络移动性管理 方面的主要技术相结合，共同实现多模终端在无线异构网络环境下的无缝移动 2 4 本章小结 本章首先介绍了下一代无线异构网络的特征，阐述了研究网络接口选择策略的必 要性。然后对当今网络接口选择技术进行了研究，分析了已有技术的局限性。最后针 对此局限性，提出了应用需求和用户需求相分离的两阶段智能网络接口选择系统， 第l o 页 北京邮电大学硕士学位论文下一代无线异构两络中两络接口选择蘸略的研究 第三章智能网络接口选择系统的实际应用 前面提到论文是基于对下一代无线异构网络融合技术的研究。目标是研究高效的 可升级的异构网络融合技术，以保障异构网络环境下的优质通信。工作内容是以下一 代无线异构网络实验场景及需求为依托，对现有的网络技术、网络协议以及网络架构 进行调研和评估，分析实验场景的可实施性，并在移动性管理、服务质量、安全性以 及路由技术方面，提出能够满足实验场景需求的解决方案。 下一代无线异构网络融合对移动性管理技术的研究主要有以下几个方面：发现切 换目标、网络接口选择、优化水平切换和垂直切换策略、分页技术、性能管理、广播 技术以及安全问题等。为了支持即将来临的i p 层切换，需要种机制来帮助移动终 端解析探测到的可用网络的m 地址，并得到与此网络接口相关的性能参数。因此移 动性管理的任务之一就是定义并实现这样一种网络协议，来完成切换目标碑地址的 解析和网络性能参数的收集，这个过程就叫做“发现切换目标”。这是网络接口选择 过程的前一个阶段，可以为网络接口选择过程提供算法所需要的参数。 本文致力于网络接口选择技术的研究，提出了智能网络接口选择系统。此系统的 有效性可以通过网络仿真工具来证明( 第五章将对此进行介绍) ，本章将重点介绍智 能网络接口选择系统的实用性，也就是此系统能否与下一代异构网络技术相融合，共 同实现多模终端在无线异构网络环境下的无缝移动【1 6 】。 智能网络接口选择系统是一个相对独立的系统，只需要外界环境提供相关的网络 参数就可以完成自身的功能。因此只要能说明智能网络接口选择系统所需要的参数， 可以通过下一代网络中标准的网络协议得到，那么技术融合基本就没有什么障碍了。 通过对移动性管理技术的研究，我们发现“发现切换目标”过程中的c a r d 协议 2 3 1 ( r f c 4 0 6 6 ：c a n d i d a t ea c c e s sr o u t e rd i s c o v e r y ) 的主要目的之一就是为网络接口选择 策略提供参数，而且协议中提到传递网络参数的相关的消息可以利用移动i p v 6 协议 的字段甚至快速切换协议的字段，这样一来，以c a r d 协议作为依托，本文提出的 智能网络选择接口技术完全可以与下一代异构网络移动性管理方面的主要技术相结 合，共同实现多模终端在无线异构网络环境下的无缝移动。 第1 1 页 北京邮电大学硕士学位论文 下一代无线异构同络中网络接口选择鲴咯的研究 论文中的智能接口选择模块可以利用“发现切换目标”过程的c a r d 协议来得 到所有可用网络的性能参数，因此本章将对c a r d 协议傲一个简单的介绍，并说明 如何利用此协议规定的相关字段传递智能网络接口模块所关心的网络性能参数。 3 1c a r d 协议基本原理 为了支持移动节点从一个接入路由器到另一个接入路由器的口层无缝切换，移 动终端需要“发现”所有候选路由器的标识以及性能，来决定切换的优先级。这个过 程称为“候选接入路由器的发现”( c a n d i d a t ea c c e s sr o u t e rd i s c o v e r y ：c a r d ) 。在口 层切换过程中，最能符合用户及应用需要的候选路由器将被选作目标路由器，本节即 将介绍的c a r d 协议就将协助移动节点完成切换之前的c a r d 过程。 c a r d 协议主要有以下两个作用： l 、逆地址解析 如果一个移动节点可以在决定向其他的可用接入路由器切换之前监听到新的接 入点的第二层网络标识，那么就需要一种逆地址解析的机制。c a r d 协议可以帮助移 动节点完成从接入点的第二层标识到接入路由器的口地址( 第三层标识) 的映射。 为了得到候选接入路由器的口地址，移动节点将此接入路由器对应的接入点的第二 层网络标识告知当前的接入路由器，当前的接入路由器将为移动终端提供此接入点所 对应的接入路由器的口地址。 2 、发现候选接入路由器的性能 候选接入路由器的性能信息可以帮助终端节点进行网络接口选择，他们将作为智 能网络接口选择系统的输入信息。这些信息有些是静态值，有些则是随着时间变化的。 关于性能信息在此协议文档中并没有严格的定义，此文档只是定义了性能参数容器的 格式以及参数的编码规则。符合这些标准的性能信息可以通过相应的协议进行传输。 在支持移动i p 协议的网络中，性能信息可以通过m i p v 4 m l p v 6 传输；如果网络支持 快速切换协议，性能信息甚至可以通过f m i p v 6 传输。正因为有下一代移动网络协议 的支持，才保证了本文提出的智能网络接口选择系统的实用性。 c a r d 协议的操作： c a r d 协议允许移动节点把一个或者多个接入点的第二层网络标识转化成它们 第1 2 页 北京邮电大学硕士学位论文下一代无线异构弼络中网络接口选择簟略的研究 对应的候选接入路由器的口地址。这些第二层标识是移动节点通过扫描发现的，是 潜在的可用接入路由器。另外，c a r d 协议允许移动节点发现一些符合特殊性能指标 的接入路由器，例如有特定带宽的接入路由器等等。不仅如此，c a r d 协议还允许接 入路由器广播并且维护他们的本地候选接入路由器表( 1 0 c a lc a r 乜b l e ) ，本地候选接 入路由器表中包含了候选路由器的性能信息。 为了实现以上的操作，c a r d 协议在移动节点和当前连接的接入路由器之间，以 及当前接入路由器和其他候选接入路由器之间，利用c a r dr e q u e s t 和c a r dr e p l y 两条消息传送协议相关信息。如下图所示： + 一一一一- 一一一一- 一+l a a r a rc j u t dr e q u e s t+ - 一- 一- - 一一一- + i c u r r e n t l 一一一一一一一一一一- 一一一- 一一一一- - 一一i c a r i i a r i 一一一一一一- - - 一一一一一一一一一一- 一li + - 一+ ( 2 a ) a r - a rc a r dr e p l y+ 一+ li 嘲一a r 哪- a r li c p a r dr e p l y 3 m ) c 置dr e q u e s tf 2 阻)v + - 一- - 一一。一一- 一一- + i m o b i l e i l n o d e i 一c a r di n i tt r i g g e r + - - + 1 m ) 图3 - 1c a r d 协议消息 当移动节点扫描到新的可用接入点的第二层网络标识，或者出现c a r d 初始触 发器的时候，移动节点可能会利用m n - a rc a r dr e q u e s t 消息向当前的接入路由器 发送一个或者多个第二层网络标识。如果移动节点除了逆地址解析之外还想要它的当 前接入路由器完成网络性能参数传递，那么它就会设置m n a rc a r dr e q u e s t 消息 当中的c f l a g 。如果c f l a g 没有被设置，那么接收m n a rc a r dr e q u e s t 消息的接 入路由器将只执行逆地址解析操作。移动节点当前的接入路由器根据本地候选接入路 由器表把新接入点的第二层标识转化为口地址，然后利用m n a rc a r dr e p l y 消息 把此信息返回给移动节点。如果m n a rc a r dr e q u e s t 消息中要求传送网络性能参 数，那么在m n - a rc a r dr e p l y 消息中还将附上网络性能参数信息。 对于a r - a r c a r d 协议，当路由器发现本地候选接入路由器表中的表项超时以 后，会向对等的路由器发送a r - a r c a r d r e q u e s t 请求消息，然后对等的路由器将利 第1 3 页 北京邮电大学碛士学位论文 下一代无线异构网络中网络接口选择策略的研究 用a r - a rc a r dr e p l y 消息把请求消息中请求传递的信息发送到发出请求的路由嚣。 为了支持移动节点获取候选接入路由器的地址和性能参数信息，在移动节点和当 前接入路由器之间传送的c a r dr e q u e 甜和c a r dr e p l y 消息可能包含一个或者多个 接入点的第二层网络标识以及相关联的候选接入路由器的口地址，有的时候，还会 包含候选接入路由器的性能参数信息。一个候选接入路由器的性能参数信息被定义为 一个列表，其中被一个表项都是一个属性数值对，这个列表被保存在消息参数的一 个“性能容器”当中。候选接入路由器的性能参数信息可以帮助移动节点在进行球 层切换的时候执行网络接口选择算法。当前的接入路由器会根据本地候选接入路由器 表返回移动节点所关心的性能参数，如果本地候选接入路由器表中没有相关的性能参 数信息，那么当前的接入路由器会给移动节点返回一条r e s o l v e re r r o r 信息 另外，c a r d 协议还支持移动节点把自己对接入路由器性能参数的选择偏好告知 给当前的接入路由器，这个选择偏好用一个属性( a t t r i b u t e ) 来表示，信息可以通过 m n - a rc a r dr e q u e s t 消息中的相关参数来传送。移动节点当前的接入路由器将根据 这些选择偏好信息对所有的候选接入路由器的性能参数信息进行一次过滤，只把符合 移动节点选择偏好属性要求的候选接入路由器的性