移動終端在異構無線網絡中的接入方法

楊 明 極， 邵 丹， 劉 愷 懌

( 哈爾濱理工大學 測控技術與通信工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150080 )

0 引 言

移動通信技術的飛速發(fā)展大大提高了人們的生活質量和生活效率，移動通信的發(fā)展趨勢將是多種通信技術彼此支持、取長補短、相互嵌入。為達到移動端通信的高效性，網絡切換就成為多種網絡融合的重要基礎。由于移動終端的移動性會致使終端在異構無線網絡中切換次數(shù)過多，導致網絡的穩(wěn)定性下降，嚴重影響網絡的傳輸質量[1]，因此，網絡切換的問題得到了業(yè)界的高度關注，并成為學術研究的熱點話題。

基于接收信號強度[2]確定網絡服務質量的權重，使用模糊分析方法得到切換評估值，但是沒有考慮移動終端的運動趨勢。馬彬等[3]提出的算法利用最近一段時間內獲得的信號抽樣值，根據(jù)接收信號的變化趨勢，得出終端的移動方向、速度及網絡維持時間等相關信息，取得了一定的效果，但是沒有考慮到誤碼率和信號傳輸效率等因素。鄧中亮等[4]利用移動終端當前位置、運動速度與徑向運動角度擴展的算法，取得了較好的研究成果，但是單一的參數(shù)條件和模糊度策略以及加權算法都不能解決終端在網絡中的選擇及需求。本研究以WAVE、WiMAX和LTE為研究對象，提出了一種基于優(yōu)先移動客戶終端的切換算法。

1 切換技術概述

切換是指移動客戶終端在移動過程中或者業(yè)務進行中，由于的移動客戶終端的移動性質，引起連接方式改變的行為[5]。引起網絡切換最主要的原因是當前網絡不能滿足需求，且當前網絡外還有其他可選擇的網絡，為了保證網絡的連續(xù)性，網絡擇優(yōu)選擇更適合網絡[6]。

水平切換和垂直切換的區(qū)分條件是移動客戶終端切換網絡前后，是否改變了網絡的性質[7-9]。移動客戶終端切換后仍然保持切換前同樣的網絡，只是在不同接入點(access point，AP)之間切換，則稱為水平切換(horizontal handoff，HH)[10-11]。例如：GSM內不同的基站之間的切換。水平切換是通過比較接入點的信號強度來決定是否切換，或根據(jù)接收到的信號是否達到閾值來衡量是否切換。當移動客戶終端切換到不同類型的網絡時則被稱為垂直切換(vertical handoff，VH)[12]，垂直切換錯綜復雜，因為異構網絡環(huán)境下接入點過多，信號質量、網絡資費、移動趨勢、用戶偏好以及業(yè)務類型都可以決定切換的發(fā)生。垂直切換不僅可以保證網絡的連續(xù)，而且移動客戶終端作為切換條件決定切換判決過程[13-14]。

切換過程可分為切換預測、切換判決和切換執(zhí)行3個階段[15]。切換預測是收集以及測量與切換有關的所有信號參數(shù)，如信號強度、傳輸速率、誤碼率、網絡阻塞率等[16-17]。切換判決是通過得出結果進行比對，通過移動客戶終端判決來衡量切換與否，擇優(yōu)網絡進行連接。切換執(zhí)行是退出連接中的網絡，接入目標網絡。切換過程有一個至關重要的環(huán)節(jié)就是切換決策，網絡的質量和穩(wěn)定情況取決于切換決策，而不好的決策會降低通信效率和服務質量，甚至導致連接中斷。

2 異構無線網絡的基本參數(shù)

2.1 信號強度

信號強度是信號質量的最基礎的標準之一，也是垂直切換的先驗條件，其計算公式為

RSS(s)=K1-K2lgs+u(x)

(1)

式中：K1、K2為網絡路徑損失因子，s為移動客戶端與AP的距離，u(x)為服從(0,σ1)的白噪聲。

當預切換網絡的信號強度達到最小信號強度的閾值時，認為達到切換要求，否則不可做切換。

ΔRSS=RSSs-RSSt

(2)

式中：RSSs為可能接入網絡的信號強度，RSSt為接入網絡的信號閾值。

ΔRSS=0，網絡滿足切換條件的臨界值。

2.2 最大傳輸速率

根據(jù)香農定理可得傳輸速率為

C=Wlb(1+S/N)

(3)

式中：W為頻帶寬度，S/N為信噪比(singal noise ratio，SNR)。預切換網絡中信號的最大傳輸速率達到網絡要求的最小傳輸速率的閾值時，認為達到切換的臨近條件。

ΔC=Cs-Ct

(4)

式中：Cs是預計要接入網絡的最大傳輸速率，Ct是網絡傳輸速率的閾值。當ΔC>0時，網絡滿足切換條件。

2.3 誤碼率

當誤碼率(error ratio，ER)低于一定閾值時，網絡可以滿足切換條件，否則網絡不能達到業(yè)務需求，不可作為切換選擇。為計算ER，假定服從高斯白噪聲，移動客戶終端與基站的距離為di時，ER是關于SNR的正態(tài)分布函數(shù)，

對應i點的誤碼率為

(5)

則基于誤碼率的切換條件可以表示為

Δγ=τ-ER

(6)

式中：ER是預測接入網絡的誤碼率，τ是終端業(yè)務允許的最大誤碼率，只有當Δγ≥0時才可以滿足切換條件。

2.4 網絡阻塞率

網絡阻塞是當某個區(qū)域網絡的信道全部被占用后，導致移動客戶終端開始新的業(yè)務時，不能再進行業(yè)務的現(xiàn)象。接入的信道數(shù)取決于通信的各個性能值，根據(jù)文獻[18-19]給出i個信道已用的概率

(7)

式中：i=0，1，2，…，m；m為網絡覆蓋范圍內可切換的網絡的總數(shù)量；X為車輛終端到達接入點的概率陣，X=(a1，a2，…，an)；θ為n×1階一維向量；Y為業(yè)務狀態(tài)陣，可表示為

式中：aij為狀態(tài)轉移概率，ui為終端的離開率。

網絡阻塞率的閾值為ε，則

Δλ=ε-ui

(8)

當Δλ>0時，網絡滿足切換條件，其切換概率

P(i)=P(ΔRSS>0， ΔC>0，Δγ>0，Δλ>0)

3 移動客戶終端分析

3.1 移動客戶終端行駛趨勢

移動客戶終端在異構網絡中的切換過程需要考慮終端的移動趨勢及移動趨勢對切換的干擾，而移動客戶終端的移動性，致使移動端的移動速度、移動趨勢、終端與基站的距離都會影響終端對網絡的選擇[20]。對移動客戶端的移動趨勢進行分析，首先分析移動客戶終端到接入點的距離；其次根據(jù)移動趨勢對網絡切換的影響；最后采用累計變化的距離進行來分析與計算，對基站和移動客戶終端的情況進行判決。

通常假定行駛過程中短時間的移動趨勢為直線，移動趨勢和基站之間的關系如圖1所示。通過公式(1)可推出公式(9)，得到接入點與移動客戶終端的距離差s。

(9)

基于終端與基站之間距離的切換研究中，如圖1所示，當移動客戶終端行駛至①時，與接入點A的距離sA1小于接入點B距離sB1會直接切入到A網絡中，網絡切入的最優(yōu)方式是移動客戶終端與基站距離差最小。但是，移動客戶終端的高速移動性引起了另一個問題：移動客戶終端在當前網絡中維持的時間是否最優(yōu)。當移動客戶終端行駛到位置②，移動客戶終端與A的距離差在增大，與B的距離差在減小，移動客戶終端的移動導致距離差變化，當sA2>sB2，根據(jù)距離的優(yōu)先決策，則會再次進行網絡切換。

根據(jù)距離累計和的方法，在設定的時間Td內，移動客戶端接收到的n次信號強度分別為RSSi(i=1，2，3，…，n)，計算移動客戶端與基站的距離si，進而推算出設定時間Td內，獲取n+1次采樣距離si的變化累加和Δsd。

(9)

圖1 移動終端的行駛趨勢

當Δsd<0時，即可認定移動客戶終端是離開基站的趨勢，當Δsd>0時，則認定移動客戶終端漸漸駛近基站點。移動客戶終端在駛近一個基站點，連接基站的網絡連接時間要大于移動客戶終端駛離基站的網絡連接時間，這種方法大大降低了切換次數(shù)。其中Δsd表示預測切換網絡Td內的累積變化距離和。其切換概率為

P=p(ΔRSS>0，ΔC>0，Δγ>0，η>0，Δsd>0)

移動客戶終端在路面上是變速運動的，一般在研究移動客戶終端的速度時，取一個固定時間周期內移動客戶終端的平均速度。移動客戶終端的測速功能可以實現(xiàn)在時間Td內采樣獲取n個瞬間時速的值，并通過瞬時值求出均值。

式中，vi為第i個移動終端的速度采樣值。

圖2為網絡維持時間的預測模型，圖2中A點為移動客戶終端進行切換后連接到最優(yōu)網絡的位置，間隔時間t后到達位置點B，當下網絡維持時間

在移動客戶終端通過網絡選擇時，假設有m個網絡作為目標切換網絡，有n個網絡的切換概率大于不發(fā)生網絡切換的概率，為避免移動客戶終端的運動方向發(fā)生改變而導致的過多的切換，通過基站與移動客戶終端的距離和運動的平均速度來決定下次切換的基礎條件。其切換概率

P=max {t1p(1),t2p(2),…,tnp(n)}

圖2 網絡維持時間模型

3.2 終端幾種業(yè)務狀態(tài)

3.2.1 優(yōu)先網絡的持續(xù)性

移動客戶終端為了避免網絡發(fā)生切換，需要在某個網絡下維持一段時間。當用戶端選擇優(yōu)先網絡的持續(xù)性，優(yōu)先網絡持續(xù)時間的最優(yōu)切入概率為

Pt=max(Pt1,Pt2,…,Ptn)

預切換網絡的切換概率Pt大于網絡正連接的概率Pnc，即Pt>Pnc，則換到預切換的網絡，否則繼續(xù)保持網絡[14-15]。

3.2.2 優(yōu)先網絡的帶寬

移動客戶終端需要接入的網絡在傳輸速率上有較高的效率。優(yōu)先網絡帶寬的最優(yōu)切入概率

Ps=max(Ps1,Ps2,…,Psn)

若Ps>Pnc，則切換到預切換的網絡，否則繼續(xù)保持網絡。

3.2.3 優(yōu)先網絡的費用

一般情況下，LTE的費用略高。

3.2.4 優(yōu)先客戶端的業(yè)務

優(yōu)先客戶端的業(yè)務，即含會話業(yè)務和不含會話業(yè)務。含會話業(yè)務的通信需要極高的實時性，所以需要接入點與移動車輛終端之間通信的延時性、抖動性要低，此類業(yè)務有語音會話、多媒體會議等。含有會話的網絡的優(yōu)先級由高到低為LTE、WiMAX、WLAN，不含會話時，網絡的優(yōu)先級為WLAN、WiMAX、LTE。

3.3 基于條件概率的垂直切換

理想的切換是切入后網絡達到最優(yōu)?；跅l件概率算法提出更合適的決策，達到更理想的狀態(tài)。假定Pc為網絡發(fā)生切換的概率，假定Pnc為網絡不發(fā)生切換的概率，其中Pc+Pnc=1，通常當Pc-Pnc>0網絡發(fā)生切換，此種辦法無法達到擇優(yōu)的效果，于是引入基于優(yōu)先條件來決策切換。

3.4 基于條件概率的網絡區(qū)分

對范圍內多個網絡是否可以進行切換，將進行基于條件概率切換方法，假設事件為x1、x2、x3連接到3個網絡X1、X2、X3，且網絡狀態(tài)優(yōu)先級由高至低順序為X1、X2、X3，對應的概率為p(x1)>p(x2)>p(x3)。

對應的條件概率為：p(Xi/Y)是網絡發(fā)生切換的情況下連接網絡Xi的條件概率，p(Xi/N)是網絡不發(fā)生切換的情況下Xi的切換概率。p(Y/xi)-p(N/xi)>0，則推出網絡切入Xi，反之維持當前網絡，不做網絡切換。比較聯(lián)合概率p(xi,N)=p(xi)p(N/xi)與p(xi,Y)=p(xi)p(Y/xi) 的大小，基于網絡的性質設定系數(shù)

σ=p(xi,N)-p(xi,Y)

通過判斷σ是否大于零區(qū)別是否滿足切換需求，當σ>0，判定網絡滿足切換條件，否則網絡不滿足切換條件。

3.5 基于條件概率的網絡判定

當出現(xiàn)n個網絡同時滿足需求的情況下，基于條件概率的最優(yōu)決策：

(1)如果p(x1/Y)>p(x2/Y)且p(x1/Y)>p(x3/Y)，則切換選擇X1網絡；

(2)如果p(x2/Y)>p(x3/Y)且p(x2/Y)>p(x1/Y)，則切換選擇X2網絡；

(3)如果p(x3/Y)>p(x1/Y)且p(x3/Y)>p(x2/Y)，則切換選擇X3網絡。

通過對可選網絡的比較分析，選擇出最適合的網絡，此方法適用于3種網絡，也適用于3種以上的網絡。

4 仿真實驗及分析

通過仿真，對移動客戶終端在高速移動的過程中的切換方法進行驗證，具體包括：垂直和水平的切換次數(shù)、網絡持續(xù)穩(wěn)定時間、基本參數(shù)的概率、基于客戶端優(yōu)先決策的方法等。

4.1 實驗建立

由圖3可知，移動客戶終端通過異構無線網絡中行駛的過程為A由經過①、②最后到達B，先是經過4G和WiMAX多網絡中，后來經過WAVE和4G的網絡中。A的位置為[40,210]，①的位置為[90,210]，②的位置為[90,170]，B的位置為[130,170]，WiMAX1基站位置為[50,230]，WiMAX2基站的位置為[80,240]，WiMAX3基站位置為[100,235]，WiMAX4基站的位置為[100,210]，其中WiMAX的覆蓋半徑10 km接入帶寬45 Mb/s，發(fā)送功率是25 dBm，路徑損失是35 dBm，參數(shù)σ1=8 dBm；WAVE覆蓋域內的信號強度具有穩(wěn)定性，覆蓋半徑為1 km，接入帶寬為27 Mb/s，發(fā)送功率是10 dBm，路徑損失是20 dBm，參數(shù)σ1=8 dBm；LTE接入帶寬為2 Mb/s發(fā)送功率為43 dBm，路徑損失是33 dBm，參數(shù)σ1=6 dBm。假設①與②距離為8 km，移動客戶終端的速度為10 m/s。

1-WiMAX1；2-WiMAX2；3-WiMAX3；4-WiMAX4

圖3 實驗環(huán)境

Fig.3 Experimental environment

4.2 實驗結果及分析

4.2.1 切換分析

分別以移動客戶終端對網絡的要求做了4組實驗。(1)優(yōu)先基于移動客戶終端在網絡中維持時間的判決，全路程切換8次，其中垂直切換6次。(2)優(yōu)先基于移動客戶終端的網絡帶寬的判決，全路程一共切換9次，其中垂直切換7次。(3)優(yōu)先基于網絡費用的判決，全路程一共切換9次，其中垂直切換7次。(4)優(yōu)先基于移動客戶終端的業(yè)務判決，移動客戶終端行走一段距離后接入2 min的語音，全路程一共切換10次，其中垂直切換8次。實驗結果如圖4所示。

圖4 切換分析

4.2.2 數(shù)據(jù)平均傳輸速率

由圖5可知，隨著移動客戶終端移動速度逐漸變快，在網絡中數(shù)據(jù)平均傳輸速率有所下降，但是，基于移動客戶終端的條件概率的切換方法始終是高于基于RSS的模糊度算法和基于SNR差值算法，證明了本實驗的算法提高了數(shù)據(jù)平均傳輸速率，給移動客戶終端提供了更好的服務。

圖5 數(shù)據(jù)平均傳輸速率

4.2.3 切換狀態(tài)分析

由圖6可知，隨著移動客戶終端移動速度逐漸變快，在網絡中切換的概率有所下降，但是，基于移動客戶終端的條件概率的切換方法始終是低于接入信號強度的切換和基于基礎狀態(tài)的切換，證明了本實驗的算法能夠降低一部分不必要的切換，使網絡效果相較于其他方式更好，給移動客戶終端提供了更優(yōu)質的通信服務。

圖6 切換狀態(tài)分析

5 結 論

提出了一種基于移動客戶終端判決的切換方法，應用于WAVE、WiMAX和LTE 3種通信技術。設定了接收到的信號強度、網絡傳輸速率、誤碼率、網絡阻塞率、終端行駛趨勢、網絡維持時間等條件為先驗概率；建立了多條件篩選的切換，通過移動終端的偏好和決策來決定最優(yōu)的網絡。仿真結果表明該方法適用于各種網絡及更多網絡中，能很好地避免網絡的過多切換，保證網絡的通暢性和實時性。

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