（计算机科学与技术专业论文）异构无线网络中的接纳控制与垂直切换研究.pdf

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 j 华l 日期 丝 二 生 三 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 适用本授权书 本人签名 理 壶 导师签名 日期 趁2 墨磊 2 壁 一 日期 二生f 签 圣旦 r e s e a r c ho nt h ea d m i s s i o nc o n t r o la n d v e r t i c a lh a n d o f fi nh e t e r o g e n e o u s w i r e l e s sn e t w o r k s b y d e n g q i a n g ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f d o c t o ro fp h i l o s o p h y c o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y a t s t a t ek e yl a b o r a t o r yo fs w i t c h i n ga n dn e t w o r k i n gt e c h n o l o g y b e u i n gu n e r s n yo fp o s t sa n dt e l e c o m m u n i c a t i o n s b e u i n g s u p e r v i s o r p r o f c h e ns h a n z h i s p e c i a l t y c o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y r e s e a r c ha r e a r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t m a y8 2 0 1 0 北京邮电大学博士论文 中文摘要 中文摘要 随着无线通信技术的快速发展 各种层出不穷的无线技术共同为用户提供 泛在 异构的网络环境 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 种无线网络就必然要融合到一起协同工作 形成一个统一的异构无线网络系统 无线资源管理技术的成功与否直接决定了系统性能 需要首先解决许多关键性 的技术问题 本文重点研究了其中的接纳控制技术和垂直切换技术 异构无线网络在异构接入技术 重叠网络架构 多业务流量负载以及用户 移动性等方面的特点给无线资源管理带来了新的机遇和挑战 传统的无线资源 管理技术已经无法满足异构网络环境下的各种需求 利用重叠网络架构实现异 构网络间的负载均衡一直是研究的热点问题 不同接入网络在业务能力和技术 方面有很大区别 而终端用户业务类型多样化也是未来发展的一个趋势 如何 根据各接入网络技术特点和网络状态接纳不同业务类型的用户 在保证其服务 质量的同时最优化无线资源的利用也是一个极具挑战性的问题 此外 垂直切 换技术与联合无线资源管理关系紧密 使用垂直切换技术优化无线资源管理 提高用户满意度 实现负载均衡并提高系统吞吐量也是研究者重点关注的问题 认知无线电通过支持多个空中接口和协议来提高频谱利用率 促进异构无线网 络融合 而接纳控制技术是保证频谱资源最优化利用的关键实现技术 本文围 绕这些有待解决的问题和关键技术 进行如下四个方面的研究 1 基于异构无线网络的重叠网络架构 提出一种联合垂直切换的接纳控 制机制 从运营商角度出发 将垂直切换作为一种无线资源管理工具来优化联 合接纳控制机制 为保证切换用户的性能 将服务质量参数建模为链路效用函 数 切换信令开销建模为代价函数 使用效用函数作为垂直切换的触发条件 在此基础上提出了联合垂直切换的接纳控制机制 并对平均网络收益和阻塞率 等性能指标进行了建模分析 仿真比较了联合垂直切换的接纳控制机制与贪婪 接纳控制机制和基于门限值接纳控制机制的性能 考虑了实时和非实时两种典 型切换用户类型对接纳控制机制的影响 结果表明 联合垂直切换的接纳控制 机制能够有效减轻网络拥塞 实现负载均衡 提高整个网络系统的收益 2 基于异构无线网络的互补特性和用户业务类型多样化 对异构无线网 络中区分业务类型的联合接纳控制机制进行研究 基于半马尔可夫决策过程理 论 提出异构无线网络中区分业务类型的接纳控制理论模型 规定了不同类型 业务的接纳控制行为并推导了系统状态转移概率 并进一步从用户角度对不同 北京邮电大学博士论文中文摘要 类型业务服务质量要求和网络状态之间关系进行分析 提出一种基于模糊逻辑 的接纳效用评估方法 在保证各类业务接入和切换成功率的基础上 推导出接 纳效用最大的最优接纳控制策略 仿真结果表明 基于模糊逻辑的接纳效用评 估能够有效反映网络状态动态变化对接纳控制的影响 最优接纳控制策略在平 均接纳效用方面明显优于不考虑业务区分的接纳控制机制 并且能严格保证各 类业务的接入和切换成功率 3 从用户的角度出发 提出一种基于效用的垂直切换机制为用户选择更 好的接入网络以满足其服务质量要求 同时优化异构无线网络资源的使用 切 换过程中的性能指标用收益函数表示 信令代价和连接的阻塞率用损失函数表 示 切换过程中获得的净收益用利润函数表示 垂直切换触发规则和切换决策 算法充分考虑不同类型业务的特性 并以获得最大利润作为决策依据 通过对 实时和非实时两类业务进行仿真 其结果表明基于效用的垂直切换机制能够有 效降低连接阻塞率和掉话率 减小切换次数 而且使用垂直切换技术可以有效 提高系统吞吐量 实现异构网络间负载均衡 4 在认知无线电网络中 当授权用户的频带未被使用时 认知用户将利 用该频带进行通信 从而提高频带资源的利用率 缓解日益匮乏的频谱资源 为保证授权用户接入成功率的同时最大化接纳认知用户的网络收益 提出一种 适用于认知无线电网络的最优接纳控制机制 该机制被建模为半马尔可夫决策 过程 定义了授权用户和认知用户的状态空间和接纳控制行为空间 推导了系 统状态转移概率和网络收益函数 最后采用线性规划算法求解最优的接纳控制 策略 并证明了该算法的收敛性 仿真结果表明 相比于完全共享接纳控制机 制和基于门限值的接纳控制机制 最优接纳控制机制能够极大提高认知用户网 络收益 并能严格保证授权用户接入成功率 关键词 异构无线网络资源管理接纳控制垂直切换认知无线电 i i 北京邮电大学博十论文a b s t r a c t a b s t r a c t w i t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s v a r i o u se m e r g i n g w i r e l e s s t e c h n o l o g i e st o g e t h e rp r o v i d eu b i q u i t o u sa n dh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k e n v i r o n m e n tf o ru s e r s i no r d e rt or e a l i z et h ef i n a l g o a lo ff u t u r ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s a c c o m m o d a t er a p i d l yi n c r e a s i n gm o b i l eu s e l 怎a n do f f e rm u l t i m e d i a t r a f f i cs e r v i c e sw i t hh i g hq u a l i t y d i f f e r e n tw i r e l e s sn e t w o r k so v e r l a i de a c ho t h e r m u s tb ei n t e g r a t e dt oc o o p e r a t ea n df o r ma nu n i f o r m h e t e r o g e n e o u ss y s t e m e f f e c t i v er a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t r r m t e c h n o l o g i e sa r en e e d e dt oi m p r o v e s y s t e mp e r f o r m a n c eb y m a x i m i z i n gt h eo v e r a l ls y s t e mc a p a c i t ya n dm a i n t a i n i n gt h e q u a l i t y o fs e r v i c e q o s t h ea d m i s s i o nc o n t r o la n dv e r t i c a lh a n d o f fa l e e m p h a t i c a l l ys t u d i e d i nt h i st h e s i s t h eh e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g y o v e r l a i dn e t w o r ka r c h i t e c t u r e m u l t i s e r v i c et r a f f i ca n du s e rm o b i l i t yp o s eg r e a to p p o r t u n i t i e sa n dc h a l l e n g e st o r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t a n dt h et r a d i t i o n a lr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t t e c h n o l o g i e sc a nn o tf u l f i l lt h er e q u i r e m e n t so fh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s e x p l o i t i n g t h eo v e r l a i dn e t w o r ka r c h i t e c t u r et ob a l a n c et h en e t w o r kl o a dh a sa l w a y sb e e nah o t i s s u e d i f f e r e n ta c c e s sn e t w o r k sp r e s e n tp e r f e c t l yc o m p l e m e n t a r yc h a r a c t e r i s t i c si n t e r m so fs e r v i c ec a p a b i l i t ya n dt e c h n o l o g y a n ds e r v i c ed i v e r s i t yi sb e c o m i n gat r e n d i nf u t u r e w h i c ht o g e t h e r p r e s e n tg r e a tc h a l l e n g e st oa d m i s s i o n c o n t r 0 1 t h e a d m i s s i o nc o n t r o li sb a s e do nt h ea b o v ec h a r a c t e r i s t i c sa n dn e t w o r ks t a t e s a n dn e e d s t og u a r a n t e et h eq o so fm u l t i s e r v i c eu s e r sw h i l eo p t i m i z i n gt h eu t i l i z a t i o no fr a d i o r e s o u r c e i na d d i t i o n v e r t i c a lh a n d o f fa n dj o i n tr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n ta r ei n c l o s er e l a t i o n s h i p o p t i m i z i n gr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t 析t l lv e r t i c a lh a n d o f ft o i m p r o v eu s e rs a t i s f a c t i o n n e t w o r kl o a db a l a n c ea n di m p r o v es y s t e mt h r o u g h p u ti s a l s oaf o c u s e di s s u e s p e c t r u me f f i c i e n c yi si m p r o v e db yc o g n i t i v er a d i ot e c h n o l o g y t oe n h a n c et h ec o n v e r g e n c eo f h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s a n da d m i s s i o nc o n t r o li sk e y t e c h n o l o g yt oi m p l e m e n to p t i m a ls p e c t r u mr e s o u r c eu t i l i z a t i o n t h i st h e s i sf o c u s e s o nt h e s eo u t s t a n d i n gi s s u e sa n dk e yt e c h n o l o g i e s t h er e s e a r c hc o n d u c t e di nt h e f o l l o w i n gf o u ra s p e c t s 1 aj o i n ta d m i s s i o nc o n t r o ls c h e m ew i t hv e r t i c a lh a n d o f fi sp r o p o s e db a s e do n t h eo v e r l a i dn e t w o r ka r c h i t e c t u r e f r o mt h ev i e wo fo p e r a t o r v e r t i c a lh a n d o f fi s u t i l i z e da sar e s o u r c em a n a g e m e n tt o o lt oe n h a n c et h ej o i n ta d m i s s i o nc o n t r 0 1 t o i i i 北京邮电大学博士论文a b s t r a c t g u a r a n t e et h ep e r f o r m a n c eo fv e r t i c a lh a n d o f fu s e r t h en e t w o r kr e s o u r c e sa r e c a p t u r e db yal i n ku t i l i t yf u n c t i o n a n das i g n a l i n gc o s ti su s e dt om o d e lt h es i g n a l i n g l o a d i n c u r r e do nt h en e t w o r kw h e nv e r t i c a lh a n d o f fi s p e r f o r m e d t h eu t i l i t y f u n c t i o ni su s e dt ob et h et r i g g e ro fv e r t i c a lh a n d o f f t h ea v e r a g er e w a r da n d b l o c k i n gp r o b a b i l i t i e sa r em o d e l e dt oa n a l y z et h ep r o p o s e ds c h e m e r e a l t i m ea n d n o nr e a l t i m ea p p l i c a t i o n sa r ec o n s i d e r e di nt h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n a n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h ep r o p o s e ds c h e m ec a ne f f i c i e n t l yr e l i e v et h e c o n g e s t i o n b a l a n c et h el o a da n di m p r o v et h eo v e r a l ln e t w o r kr e w a r d 2 s e r v i c e d i f f e r e n t i a t e da d m i s s i o nc o n t r o l i ss t u d i e di n h e t e r o g e n e o u s w i r e l e s sn e t w o r k sb a s e do nt h ec o m p l e m e n t a r yc h a r a c t e r i s t i c so fe a c ha c c e s s n e t w o r ka n dm u l t i s e r v i c et r a 伍cu s e r s at h e o r e t i c a lm o d e lo fa d m i s s i o nc o n t r o l w i n ld i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e si sp r o p o s e do nb a s i so fs e m i m a r k o vd e c i s i o np r o c e s s e s t h e o r y i nw h i c ht h ea d m i s s i o na c t i o n sa r es p e c i f i e df o re a c ht r a f f i cs e r v i c ea n d s y s t e ms t a t et r a n s i t i o np r o b a b i l i t i e s a r ef o r m u l a t e d f u r t h e r m o r e af u z z yl o g i c a d m i s s i o n u t i l i t y e v a l u a t i o nm e t h o di s p r e s e n t e db a s e d o nt h e a n a l y s i s o f r e l a t i o n s h i po fq o sr e q u i r e m e n t sa n dn e t w o r ks t a t e t h e nt h eo p t i m a la d m i s s i o n c o n t r o lp o l i c yt h a tm a x i m i z e so v e r a l lu t i l i t yw i t hn e wa n dh a n d o f fc a l lb l o c k i n g p r o b a b i l i t yc o n s t r a i n t si sf o r m u l a t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sr e v e a l t h a tn e t w o r k d y n a m i c sc a nb ec a p t u r e db yt h ep r o p o s e du t i l i t ye v a l u a t i o nm e t h o d a n dt h e a v e r a g eu t i l i t ye a r n e di nt h eo p t i m a la d m i s s i o nc o n t r o lp o l i c yi ss i g n i f i c a n t l yl a r g e r t h a nt w oo t h e rs c h e m e si nw h i c hs e r v i c ed i f f e r e n t i a t i o na n dm o b i l i t ya r en o t c o n s i d e r e d i na d d i t i o n t h en e wa n dh a n d o f fc a l lb l o c k i n gp r o b a b i l i t yc a nb es t r i c t l y c o n s t r a i n e d 3 au t i l i t y b a s e dv e r t i c a lh a n d o f fs c h e m ei sp r o p o s e dt o f u l f i l lt h eq o s r e q u i r e m e n t so fh a n d o f fu s e r s a n dt oo p t i m i z et h eu t i l i z a t i o no fr a d i or e s o u r c ei n h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s p e r f o r m a n c em e t r i c so fn e t w o r k sa r ed e n o t e db yar e w a r d f u n c t i o n a n do v e r h e a do fs w i t c h i n gs i g n a l i n ga n db l o c k i n gr a t ea r ed e p i c t e db ya l o s sf u n c t i o n t h en e tr e w a r do fn e t w o r k sg a i ni nt h ep r o c e s so fh a n d o f fi sp r e s e n t e d b yt h ep r o f i tf u n c t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tt r a f f i c sa r ec o n s i d e r e di nt h e v e r t i c a lh a n d o f ft r i g g e rr u l e sa n dd e c i s i o na l g o r i t h m a n dt h et a r g e ti st of i n dt h e n e t w o r kt h a to b t a i n st h em a x i m u mp r o f i t t h r o u g hr e a l t i m ea n dn o nr e a l t i m e s i m u l a t i o no ft h et w ot r a f f i c s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e ds c h e m eg a i n sl o w e r b l o c k i n gr a t e d r o p p i n gr a t ea n dh a n d o f ft i m e s f u r t h e r m o r e t h es y s t e mt h r o u g h p u t i si m p r o v e da n dn e t w o r k1 0 a di sb a l a n c e d i v 北京邮电人学博士论文 4 c o g n i t i v er a d i oi se x p e c t e dt os o l v et h es p e c t r u ms c a r c i t yp r o b l e mb y e n a b l i n gu n l i c e n s e ds e c o n d a r yu s e r s s u s t oo p p o r t u n i s t i c a l l yu t i l i z et h el i c e n s e d s p e c t r u mw h e n e v e ri t i sl e f tu n u s e db yl e g a c yp r i m a r yu s e r s p u s a no p t i m a l a d m i s s i o nc o n t r o ls c h e m ei nc o g n i t i v er a d i on e t w o r k si sp r o p o s e d w h i c hm a x i m i z e s t h es u sn e t w o r kr e v e n u ew i t hb l o c k i n gp r o b a b i l i t yc o n s t r a i n t so v e rt h ep u s t h e o p t i m a ls c h e m ei sf o r m u l a t e da sas e m i m a r k o vd e c i s i o np r o c e s s e s t h es t a t es p a c e a n da c t i o ns p a c eo fp u sa n ds u sa r ef i r s t l yd e f i n e d a n dt h e nt h es t a t et r a n s i t i o n p r o b a b i l i t i e s a n dr e w a r df u n c t i o na r e d e r i v e d l a s t l y t h el i n e a rp r o g r a m m i n g a l g o r i t h mi sp r e s e n t e dt o o b t a i nt h e o p t i m a l a d m i s s i o nc o n t r o lp o l i c y t h e c o n v e r g e n c eo fl i n e a rp r o g r a m m i n ga l g o r i t h mi sa l s op r o v e d s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a t t h ep r o p o s e ds c h e m ea c h i e v e sm o r er e w a r dt h a nt h ec o m p l e t es h a r i n g s c h e m ea n dt h r e s h o l d b a s e ds c h e m e a n dt h ep u s b l o c k i n gp r o b a b i l i t yc a l lb es t r i c t l y c o n s t r a i n e d k e y w o r d s h e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e t w o r k r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t a d m i s s i o nc o n t r o l v e r t i c a lh a n d o f f c o g n i t i v er a d i o v 北京邮电大学博士论文 目录 目录 中文摘要 i a b s t r a c t i i i 目录 i 第1 章绪论 l 1 1 研究背景 l 1 2 本文的主要贡献 3 1 3 本文的组织结构 5 1 4 本章参考文献 5 第2 章异构无线网络资源管理技术概述 8 2 1 引言 8 2 2 异构无线网络融合架构 9 2 3 无线网络资源管理 1 3 2 3 1 移动通信网络资源管理 1 3 2 3 2 异构无线网络资源管理 1 7 2 3 2 1 异构无线网络资源管理的特点 1 7 2 3 2 2 异构无线网络资源管理研究进展 2 0 2 4 接纳控制 2 2 2 4 1 移动通信网络接纳控制 2 2 2 4 2 异构无线网络接纳控制 2 5 2 5 垂直切换 2 7 2 5 1 切换分类 2 7 2 5 2 切换阶段 2 8 2 5 3 切换算法 3 0 2 6 本章小结 3 2 2 7 本章参考文献 3 2 第3 章异构无线网络中联合垂直切换的接纳控制 3 8 3 1 引言 3 8 3 2 相关工作 4 0 3 3 系统模型 4 l 3 4 联合垂直切换的接纳控制 4 2 3 4 1 切换效用分析 4 2 3 4 2 联合接纳控制 4 5 3 4 3 性能分析 4 6 3 5 仿真与分析 4 8 3 5 1 参数设置 4 8 3 5 2 仿真结果 4 9 3 5 2 1 切换用户业务类型 4 9 3 5 2 2 网络参数 5 2 3 6 本章小结 5 4 3 7 本章参考文献 5 4 第4 章异构无线网络中区分业务类型的联合接纳控制 一5 7 4 1 引言 一5 7 北京邮电大学博 论文目录 4 2 相关工作 5 8 4 3 网络模型及容量区域分析 5 9 4 3 1w l a n 容量区域分析 6 0 4 3 2c d m a 蜂窝网络容量区域分析 6 l 4 4 区分业务接纳控制模型 6 l 4 4 1 状态空间 6 2 4 4 2 决策时刻和接纳控制行为 6 2 4 4 3 状态转移概率 6 4 4 4 4 策略及性能标准 6 5 4 5 接纳效用评估及最优接纳控制策略 6 5 4 5 1 基于模糊逻辑的接纳效用评估 6 6 4 5 2 最优接纳控制策略 6 7 4 6 仿真与分析 6 8 4 6 1 参数设置 6 8 4 6 2 仿真结果 7 0 4 7 本章小结 7 4 4 8 本章参考文献 7 5 第5 章异构无线网络中基于垂直切换的优化资源管理 7 8 5 1 引言 7 8 5 2 相关工作 一7 9 5 3 系统模型 8 0 5 3 1 状态空间集合 8 0 5 3 2 行动集合 8l 5 3 3 切换效用分析 8l 5 4 垂直切换决策 8 3 5 4 1 垂直切换触发规则 8 3 5 4 2 垂直切换决策算法 8 4 5 5 仿真与分析 8 5 5 5 1 参数设置 8 5 5 5 2 仿真结果 8 6 5 5 2 1 垂直切换算法 8 6 5 5 2 2 实时业务 8 8 5 5 2 3 非实时业务 9 0 5 6 本章小结 一9 l 5 7 本章参考文献 9 2 第6 章认知无线电网络中的最优接纳控制 9 4 6 1j i 言 9 4 6 2 相关工作 9 5 6 3 系统模型 9 6 6 4 半马尔可夫决策过程模型 9 7 6 4 1 系统状态和状态空间 9 8 6 4 2 接纳行为和行为空间 9 8 6 4 3 决策时刻 9 9 6 4 4 状态转移概率 9 9 i l 北京邮电大学博士论文 目录 6 4 5 收益和代价函数 9 9 6 5 线性规划算法 1 0 0 6 6 仿真与分析 1 0 1 6 6 1 参数设置 1 0 1 6 6 2 仿真结果 1 0 2 6 7 本章小结 1 0 5 6 8 本章参考文献 1 0 6 结束语 1 0 8 缩略词 1 1 0 致谢 11 2 个人简历及参加的科研工作 1 1 3 在攻博期间发表的文章 1 1 4 i i i 北京邮电大学博士论文 第1 章绪论 第1 章绪论 本章首先对论文选题依据和研究背景进行了归纳和总结 之后 对本论文的 主要贡献进行阐述 最后 介绍了论文的研究内容和组织结构 1 1 研究背景 随着无线通信业务需求的不断发展 各具特色的无线接入网络技术层出不 穷 包括无线个域网 w e a n w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k 无线局域网 w l a n w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k 无线城域网 w m a n w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e a n e t w o r k 无线广域n w m a n w i r e l e s sw i d ea r e an e t w o r k 卫星网络 以及 a dh o e 网络 无线传感器网络等无基础设施网络 这些在应用背景 目标 发 展方向 系统结构 覆盖范围 通信协议 链路特性 应用场景和业务提供能力 等方面各不相同的异构接入网络 以及未来可能应新的需求产生的各种新型接入 网络技术 共同为用户提供了泛在 异构的网络环境 l 训 各种异构无线网络将 经历从独立到互通 从互通到协同的演进 通过网络间的融合与协同 对分离的 局部的优势能力与资源进行有序的整合 为用户提供覆盖广 宽带 具有移动性 且费用低廉的接入服务 5 棚 用户可以通过多模终端 或通过基于软件无线电技 术 9 1 0 的共享m a c 层协议实现跨频段接入 或通过多个终端构成个域网的技术 实现多种渠道的信息传递和通信 如何利用异构无线网络在异构接入技术 l 重 叠网络架构 1 2 1 多业务流量负载 1 3 以及用户移动性 悼1 6 等方面的特点 在为用 户提供服务质量 q o s q u a l i t yo fs e r v i c e 保证的同时 最优化异构无线网络资源 利用成为未来异构无线网络中必须解决的重要问题之一 传统无线资源管理 r g m r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t 的目标是在有限带宽 的条件下 为网络内无线用户终端提供服务质量保障 其基本出发点是在网络话 务量分布不均匀 信道特性因信道衰弱和干扰而起伏变化的情况下 灵活分配和 动态调整无线传输部分和网络的可用资源 最大程度地提高无线资源利用率 防 止网络拥塞和保持尽可能小的信令负荷 传统意义上的无线资源管理包括接纳控 制 切换控制 功率控制 信道分配 调度技术 端到端q o s 无线资源预留和 自适应编码调制等关键技术 1 7 相关算法的研究与实现一直是工业和学术界的热 点研究领域 而异构无线网络资源管理不仅包含了同构网络无线资源管理的全部 体系 而且增加了新的研究内容 即面向集成和融合不同接入技术的综合无线接 入网络的联合资源管理 1 8 如联合的接纳控制 网络间的负载均衡 垂直切换和 无缝漫游 服务质量保证等异构网络特有的功能 此外 未来的无线资源管理还 包括对频谱的动态分配和规划 显然 在异构无线网络中 传统同构网络的 自 北京邮电大学博士论文第1 章绪论 治 的无线资源管理方法不能解决整个异构网络的资源配置和优化问题 需要进 一步研究能够综合考虑不同的接入网络 终端 服务及用户信息的无线资源管理 技术 对采用不同接入技术的异构网络设计易于控制和统一管理的多系统联合无 线资源管理架构 该类架构中同样需要解决诸如功率控制 信道分配 接纳控制 切换控制等无线资源管理的基本功能 同时还包括了实现联合接纳控制 网间负 载均衡 垂直切换和无缝漫游 服务质量保证等异构网络特有的功能 近年来 异构无线网络资源管理技术引起了越来越多的关注 相关研究成果 也日益丰富 各大国际标准组织 产业界的各大公司 以及很多相关研究组织都 把资源管理作为异构网络研究的重要组成部分 许多国际标准组织都在关注无线 资源管理技术的发展 3 g p p 在制定规范的时候就已经考虑了多种无线接入技术 共存的融合网络场景 并在规范 1 9 锄 中提出了公共无线资源管理 c r r m 的概念 通过c r r m 服务器对融合w c d m a g s m 等多种接入技术的异构网络进行全面 统一的资源管理 产业界的各大公司 包括爱立信 诺基亚 阿尔卡特 朗讯等 也都基于无线资源管理的产业背景和需求 分别进行了包括体系结构 资源管理 算法 移动终端设计等不同侧面的研究和试验 并积极参与到技术标准化的过程 中 成为无线资源管理技术发展的重要推动力量 如诺基亚公司的公共无线资源 管理系统 2 i 是c r r m 的典型实例 该方案将运营商的无线接入网络r a n 视为一 个整体 而不是彼此独立的接入系统的组合 目的是通过按功能分层的方法 使 得不同无线接入技术间实现最大程度的通用性 因此保证了能够极大程度的利用 运营商的空中接口资源 提高用户的通信速率 降低阻塞率 另外 许多研究组 织也在进行资源管理技术的研究 欧盟i s t 第六框架计划 f p 6 中的a m b i e n t n e t w o r k s 项卧2 2 j 主要研究不同接入网络在q o s 移动性 安全等方面的融合 并设计了跨越不同的空中接口的通用r r m 算法 m r r m 和通用链路层 g l l 在 该项目中 研究者还提出了未来异构网络环境中a l w a y sb e s tc o n n e c t e d a b c 2 3 的概念 当多模终端在不同运营商的系统之间 在同一个运营商不同类型的接入 网络之间移动的过程中 选择最合适的接入方式进行业务承载 f p 6 中的 e v e r e s t l 2 4 1 项目主要研究跨越异构接入网络的通用无线资源管理算法以及异构 环境下的端到端q o s 考虑u m t s 与w l a n 共存场景 并搭建验证平台 接纳控制是无线资源管理中的关键技术之一 负责对用户的接入请求进行准 许判决 决定是否允许系统为用户提供相应请求服务的无线资源管理技术 传统 的接纳控制策略 2 勉6 没有考虑到异构网络中不同网络间的差异 无法适应异构融 合网络中多接入技术 多业务的特点 异构无线网络的接纳控制 2 7 3 3 不仅同样存 在单接入网络系统容量有限的问题 而且增加了如何优化使用多接入网络和垂直 切换等问题 当新的连接到达时 异构网络的接纳控制策略需要判断发起连接请 2 北京邮电大学博士论文 第l 章绪论 求的网络和互联的其它网络是否有空闲资源 遵循怎样的策略机制来判决是否接 纳当前连接请求 以最优化整个异构网络系统资源的使用 此外 在异构无线网 络中 垂直切换可以作为一种流量动态调整的方式来改善网络性能并提高用户的 满意度 关于异构无线网络资源管理问题 尽管全球很多组织和研究机构都在努力探 索 并已提出了一些解决方案 但是面对未来多家网络运营商和业务提供商共存 的通信市场 以及多种异构网络和移动终端共存的通信环境 要想真正实现异构 无线网络资源的优化管理还有很多问题需要解决 因此 本论文开展的异构无线 网络资源管理研究是一个有价值的课题 具有理论和前瞻性科研意义 1 2 本文的主要贡献 异构无线网络中资源管理的关键技术至今还没有完善的解决方案 国内外针 对传统通信网络的资源管理技术进行了深入且有成效的研究 但异构无线网络环 境下的资源管理技术的研究则是一个较新的课题 本论文在及时跟踪国内外研究 发展动向的基础上 以解决异构无线网络中资源管理的关键技术为目标 从系统 方案和算法的角度出发 针对异构无线网络资源管理中的联合垂直切换的接纳控 制机制 区分业务类型的接纳控制机制 基于垂直切换的优化资源管理和认知无 线电网络中的最优接纳控制机制做了重点研究 并通过建立数学模型和计算机仿 真的方法分析验证了相应算法 机制 方法的有效性和性能 未来异构无线网络在异构接入技术 重叠网络架构 多业务流量负载以及用 户移动性等方面具有新特性 异构无线网络资源管理目前缺乏可以借鉴的先进理 论和算法机制 因此本论文针对上述问题 系统性地引入了交叉学科的先进计算 方法 效用理论 模糊理论 马尔可夫决