異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合切換算法研究

董春利 王莉

摘 要：異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合和泛在化是未來寬帶無線通信發(fā)展的必然趨勢(shì)。文章首先概述了移動(dòng)性管理；然后對(duì)切換進(jìn)行了分類，討論了各種切換策略；最后討論了混合網(wǎng)絡(luò)垂直切換策略，不同網(wǎng)絡(luò)間的快速無縫切換是未來異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)極大挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)；移動(dòng)性管理；切換類型；垂直切換

移動(dòng)通信和寬帶無線網(wǎng)絡(luò)日益融合，而不同類型的無線網(wǎng)絡(luò)又相互融合，未來信息社會(huì)正經(jīng)歷著異構(gòu)融合和泛在化的演變，已成為寬帶無線通信發(fā)展的必然趨勢(shì)[1-2]。目前，通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)與廣電網(wǎng)的融合已成為當(dāng)下的發(fā)展潮流。4G將把無線通信技術(shù)推向一個(gè)高峰，這個(gè)高峰不僅是空中接口上的，在系統(tǒng)、業(yè)務(wù)應(yīng)用、移動(dòng)計(jì)算等方面也會(huì)有不同的特征。從技術(shù)驅(qū)動(dòng)變革為需求牽引，將會(huì)加速移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式的深刻變革。下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)將會(huì)和寬帶無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在一起，形成前所未有的結(jié)構(gòu)。下一代無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

伴隨著支持高數(shù)據(jù)速率，多媒體服務(wù)和覆蓋，智能移動(dòng)終端具有互操作性的空中接口和靈活的軟件組件和基于IP的應(yīng)用的若干個(gè)無線技術(shù)的出現(xiàn)，為移動(dòng)用戶產(chǎn)生了任何時(shí)間、任何地方和任何類型的服務(wù)連接平臺(tái)。4G無線系統(tǒng)致力于全球無線連接[3- 4]。全球漫游和高數(shù)據(jù)速率服務(wù)提升了之前版本的4G無線網(wǎng)絡(luò)[5]。4G系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供給移動(dòng)終端在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的無縫移動(dòng)，提供服務(wù)的連續(xù)性，同時(shí)保證服務(wù)的質(zhì)量。4G系統(tǒng)的架構(gòu)目標(biāo)，包括非常平滑和自適應(yīng)收斂的，支持多個(gè)移動(dòng)終端和網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，內(nèi)置的無縫接入的潛力。更多的提供多樣化服務(wù)的無線技術(shù)的應(yīng)用和實(shí)施，增加了切換過程的復(fù)雜性，卻提高了系統(tǒng)性能，同樣也是十分重要。

1 移動(dòng)性管理

跟蹤移動(dòng)用戶的位置，使呼叫和其他服務(wù)具有連續(xù)性是移動(dòng)性管理的目標(biāo)。移動(dòng)性管理是位置管理和切換管理的結(jié)合。切換管理保證了移動(dòng)終端在漫游過程中，改變接觸點(diǎn)（基站）的同時(shí)保持服務(wù)的連續(xù)性[4]。影響切換管理的因素是移動(dòng)性場(chǎng)景、網(wǎng)絡(luò)條件、用戶偏好、最佳網(wǎng)絡(luò)選擇和執(zhí)行協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)選擇策略（切換決策技術(shù)）。

每個(gè)移動(dòng)性場(chǎng)景不是系統(tǒng)內(nèi)部漫游，就是跨系統(tǒng)間漫游。水平切換發(fā)生在系統(tǒng)內(nèi)部漫游時(shí)，移動(dòng)終端從某個(gè)領(lǐng)域的接入路由器分離，登記接入到另一個(gè)領(lǐng)域的接入路由器。而垂直切換發(fā)生在跨系統(tǒng)間漫游時(shí)，為了獲得移動(dòng)用戶要求的服務(wù)類型和質(zhì)量的合適連接，移動(dòng)終端在不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之間移動(dòng)。

無縫網(wǎng)絡(luò)切換是垂直切換管理的挑戰(zhàn)。接收信號(hào)強(qiáng)度的評(píng)價(jià)不足以作垂直切換判決，額外的參數(shù)，如網(wǎng)絡(luò)條件、服務(wù)類型、網(wǎng)絡(luò)覆蓋、成本、功率消耗和用戶偏好都應(yīng)考慮[6]。找到合適的時(shí)間進(jìn)行切換對(duì)切換非常關(guān)鍵。切換機(jī)制可用兩個(gè)方式控制，網(wǎng)絡(luò)控制或者是移動(dòng)終端控制機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)控制切換策略不能確定越區(qū)切換的正確時(shí)間，因?yàn)樗鼈儧]有當(dāng)前的移動(dòng)終端最新信息的情況。而且網(wǎng)絡(luò)控制機(jī)制不適合垂直切換的執(zhí)行，因?yàn)樵摼W(wǎng)絡(luò)不可能知道所有其它網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。移動(dòng)控制切換決策方案對(duì)垂直切換不是最優(yōu)的，因?yàn)橐苿?dòng)終端更了解自己目前的情況。圖2描述了各種網(wǎng)絡(luò)最小數(shù)據(jù)速率的異質(zhì)性。

寬帶移動(dòng)通信與寬帶無線接入的區(qū)別日趨模糊，互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信和數(shù)字化的廣播電視網(wǎng)將在業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)和終端3個(gè)層面不斷融合。當(dāng)通話中的用戶進(jìn)入極端建筑物時(shí)，移動(dòng)信號(hào)質(zhì)量很差，移動(dòng)終端可切換至各種其它網(wǎng)絡(luò)，如WLAN；用戶在保持通話狀態(tài)下，如果下載或傳輸文件，數(shù)據(jù)傳輸可切換至速度更快的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，如WiMAX。

2 切換類型

為了保持移動(dòng)用戶不中斷通信，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)從一個(gè)小區(qū)移動(dòng)到另一個(gè)小區(qū)時(shí)，進(jìn)行的信道切換稱為越區(qū)切換[7- 8]。切換是保證移動(dòng)用戶在移動(dòng)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)不間斷通信。

按照移動(dòng)終端環(huán)境切換可分為5種類型，硬切換、軟切換、接力切換、快速切換和平滑切換。按照誰控制切換決策，切換可分為4種類型。切換類型如表1所示。

切換管理策略設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：（1）設(shè)計(jì)的切換過程的算法應(yīng)該是非?？焖俚?，以避免移動(dòng)終端通過任何種類的服務(wù)降級(jí)或中斷。（2）減少切換總數(shù)，減少切換總時(shí)間花費(fèi)。（3）在切換過程中全部數(shù)量的信息損失，應(yīng)該被減少到最小程度。（4）新呼叫阻塞概率應(yīng)降低。（5）應(yīng)提高整個(gè)切換過程中的功率保護(hù)。（6）網(wǎng)絡(luò)資源的使用應(yīng)該盡快。（7）越區(qū)切換算法的上下文感知的同時(shí)，優(yōu)先考慮用戶的喜好。（8）越區(qū)切換越可靠，意味著切換發(fā)生時(shí)，所提供的服務(wù)越令人滿意。（9）越區(qū)切換算法應(yīng)靈活，可擴(kuò)展和安全。

2.1 硬切換和軟切換

硬切換和軟切換是移動(dòng)通信常見的切換類型。硬切換是在進(jìn)入一個(gè)新的小區(qū)，先中斷與舊基站的連接，然后再與新基站建立連接。軟切換是先與新基站建立連接，再中斷與舊基站的連接。另外，更軟切換是一種蜂窩內(nèi)的切換，發(fā)生在2個(gè)扇區(qū)或3個(gè)扇區(qū)之間。硬切換主要是FDMA和TDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)使用，軟切換和更軟切換在CDMA系統(tǒng)中使用。

2.2 接力切換

接力切換精確地利用定位技術(shù)，在對(duì)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行定位的基礎(chǔ)上，再輔助以移動(dòng)臺(tái)距離和方位信息，判斷移動(dòng)臺(tái)的位置，是否進(jìn)入到了相鄰基站的區(qū)域。實(shí)現(xiàn)接力切換要有以下條件：網(wǎng)絡(luò)要準(zhǔn)備獲得移動(dòng)臺(tái)的位置信息，包括移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)到達(dá)方向以及移動(dòng)臺(tái)與基站的距離。

接力切換的切換過程如下：先將上行鏈路轉(zhuǎn)移到目標(biāo)小區(qū)，下行鏈路與原小區(qū)仍保持連接，然后與新基站進(jìn)行短時(shí)間的通信過程后，再將下行鏈路連接到目標(biāo)小區(qū)，接力切換完成。接力切換是一種具有穩(wěn)定性能的優(yōu)化的切換方法。TD-SCDMA中采用了接力切換。

2.3 前向切換和后向切換

如果移動(dòng)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)之間，和切換相關(guān)的信息，由舊的路徑進(jìn)行傳輸，則稱為后向切換。切換由基站發(fā)起。在GSM系統(tǒng)中使用此方法，與切換過程有關(guān)的所有信息通過舊基站交換。

如果移動(dòng)設(shè)備將相關(guān)信息直接送給新基站，這種切換方式為前向切換。目的基站將建立新鏈路，切換也由目的基站發(fā)起。

前向切換要比后向切換快。前向切換的缺點(diǎn)是：很難恢復(fù)失敗的前向切換，舊的連接可能丟失，很難支持加密的連續(xù)性，密鑰必須傳送到新基站。

2.4 快速切換

無線局域網(wǎng)中的切換技術(shù)，是基于移動(dòng)IPv6技術(shù)的，快速切換和平滑切換是它的2種切換類型[7-8]。

快速切換指低延時(shí)，它的基本過程是提前注冊(cè)，與前一個(gè)網(wǎng)絡(luò)保持通信，在與新的網(wǎng)絡(luò)切換還沒有完成時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)快速切換?？焖偾袚Q有預(yù)先切換，基于隧道的切換2種機(jī)制。

2.5 平滑切換

當(dāng)移動(dòng)終端進(jìn)入到一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)，在沒有完成注冊(cè)、沒有發(fā)完原先轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包前，會(huì)造成大量的數(shù)據(jù)包丟失。平滑切換可以有效降低IP數(shù)據(jù)包丟失率。這種切換方案通過一種緩存機(jī)制，移動(dòng)終端要求當(dāng)前子網(wǎng)的路由器先緩存它的數(shù)據(jù)包，完成注冊(cè)后，緩存的數(shù)據(jù)包可從剛才的路由器再轉(zhuǎn)發(fā)過來。

3 混合網(wǎng)絡(luò)垂直切換策略

異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)各層網(wǎng)絡(luò)間的垂直切換，如圖3所示。每個(gè)垂直切換判決策略分為2個(gè)階段：識(shí)別切換判決準(zhǔn)則和選擇決策策略實(shí)施。切換判決準(zhǔn)則包括監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)條件，給出一個(gè)切換必要性的標(biāo)志。切換判決準(zhǔn)則用來選擇最佳網(wǎng)絡(luò)。切換判決策略主要關(guān)注的是切換判決的順序、切換頻率、延遲引起的切換、切換過程中數(shù)據(jù)包丟失、越區(qū)切換后的整體服務(wù)質(zhì)量。切換決策策略可以在各種算法進(jìn)行設(shè)計(jì)，如消耗剩余算法、模式識(shí)別算法、模糊邏輯網(wǎng)絡(luò)算法、上下文感知算法、基于閾值的算法、位置感知算法、多屬性算法和基于函數(shù)的算法。雖然用多個(gè)決策標(biāo)準(zhǔn)和考慮用戶偏好，相應(yīng)地增加了越區(qū)切換策略設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，但是最優(yōu)性能卻是每個(gè)切換策略所追求的目標(biāo)。

各種垂直切換策略的研究表明，有效的垂直切換算法的設(shè)計(jì)要面對(duì)用戶滿意度[9]。用戶的偏好可能從服務(wù)到服務(wù)或應(yīng)用到應(yīng)用發(fā)生變化。每個(gè)垂直切換算法的目標(biāo)都應(yīng)該滿足用戶的偏好。

垂直切換算法的主要挑戰(zhàn)之一是“如何處理不精確的數(shù)據(jù)”。模糊邏輯或許是處理不精確的數(shù)據(jù)的理想選擇。雖然多屬性決策模型是被證明了的數(shù)學(xué)模型，提供精確的輸入數(shù)據(jù)對(duì)垂直切換是非常重要的。

另一個(gè)影響垂直切換算法的主要參數(shù)是語境信息。在垂直切換判決中，了解用戶訂閱網(wǎng)絡(luò)的上下文信息，移動(dòng)終端等信息也是非常重要的。

4 結(jié)語

異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)是具有互補(bǔ)性的多種網(wǎng)絡(luò)的融合，其目的是提供各種高質(zhì)量的服務(wù)。垂直切換是移動(dòng)終端跨越這些多服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中無縫漫游所需的基本特征。垂直切換判決是提供無縫服務(wù)的核心問題。在這個(gè)決策階段，應(yīng)考慮各種參數(shù)，如作為移動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的信息，用戶的偏好和服務(wù)質(zhì)量參數(shù)等。

本文對(duì)切換進(jìn)行了分類，討論了各種切換策略，從中可得出，一個(gè)有效的切換決策過程，先進(jìn)的分析策略是至關(guān)重要的，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源可以同時(shí)提高用戶的滿意度和成本的有效性。有效切換過程中的2個(gè)關(guān)鍵問題是，估計(jì)切換發(fā)生時(shí)最好的網(wǎng)絡(luò)和切換時(shí)的正確時(shí)間。其他需要考慮的重要問題是：誰控制和誰輔助切換過程。切換過程中的信息采集階段和性能評(píng)價(jià)框架也是需要處理的關(guān)鍵問題。

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Research on Handover Algorithms of Heterogeneous Wireless Networks Integration

Dong Chunli， Wang Li（College of Electronic Information Engineering， Nanjing Communications Institute of Technology， Nanjing 211188， China）

Abatract： The integration of heterogeneous wireless networks and ubiquitous networking is the inevitable trend of the development of broadband wireless communication in the future. The mobility management are discussed at first. Then the handoff is classified and various handoff strategies are discussed. Finally， the vertical handoff strategies of hybrid network are discussed. Quick and seamless handover between different networks is a great challenge of heterogeneous wireless networks in the future.

Key words： heterogeneous wireless networks； mobility management； handoff types； vertical handover