無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換理論與技術(shù)研究

范毓林

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種無線接入技術(shù)層出不窮，多種無線網(wǎng)絡(luò)同時(shí)存在。本文對(duì)異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)垂直切換的概念進(jìn)行了闡述，并對(duì)常見的垂直切換算法進(jìn)行分類研究。

關(guān)鍵詞：無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò);垂直切換;技術(shù)研究

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）04-0025-02

1 垂直切換的意義和概念

為了滿足通信業(yè)務(wù)需求的多樣化，給用戶提供最好的通信服務(wù)質(zhì)量，不同架構(gòu)、不同特點(diǎn)的無線網(wǎng)絡(luò)的互通和融合將是必然的趨勢(shì)[1]。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)狀況的復(fù)雜性和異構(gòu)性使得用戶需要頻繁的變換網(wǎng)絡(luò)歸屬和管理域，所以如何為用戶無縫的提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，無論用戶處于何種位置和條件下，都可以根據(jù)目前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，自適應(yīng)的采取最佳接入方式為用戶提供最佳體驗(yàn)并根據(jù)用戶位置和業(yè)務(wù)情況在不同接入方式間進(jìn)行平滑切換是必須要解決的關(guān)鍵問題。移動(dòng)性管理技術(shù)正是解決這些問題的關(guān)鍵技術(shù)。

切換管理是移動(dòng)性管理的重要組成部分之一[2]。網(wǎng)絡(luò)切換從不同角度可以分為不同類別，其中按照網(wǎng)絡(luò)類型可以分為水平切換（horizontal handoff）和垂直切換（vertical handoff）。當(dāng)切換發(fā)生在同種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)下的不同接入點(diǎn)之間時(shí)稱為水平切換。當(dāng)切換發(fā)生在不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)接入點(diǎn)之間時(shí)稱為垂直切換，如圖1所示。

因?yàn)楫悩?gòu)網(wǎng)絡(luò)主要研究不同類型的網(wǎng)絡(luò)接入方式之間的通信，所以異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的切換管理問題主要是垂直切換的問題。

2 垂直切換的過程

垂直切換過程可分為網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)、切換判決和切換執(zhí)行三個(gè)環(huán)節(jié)[3]。

在網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)階段，移動(dòng)設(shè)備的任務(wù)是搜索并發(fā)現(xiàn)當(dāng)前可用的無線網(wǎng)絡(luò)。裝備了多個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)接口的移動(dòng)設(shè)備必須激活這些接口，才可以接收到不同網(wǎng)絡(luò)定時(shí)發(fā)送的廣播消息，如WLAN網(wǎng)絡(luò)中的信標(biāo)幀消息等。但是如果使這些網(wǎng)絡(luò)接口一直處于激活狀態(tài)，則會(huì)不斷消耗移動(dòng)設(shè)備的能量。對(duì)于能量受限的移動(dòng)設(shè)備來說，網(wǎng)絡(luò)的發(fā)現(xiàn)時(shí)間和能量消耗兩個(gè)非常重要但又彼此矛盾的參數(shù)。比較可行的解決辦法是移動(dòng)終端定時(shí)開啟網(wǎng)絡(luò)接口開搜索可用網(wǎng)絡(luò)。這種方法可以有效降低終端能耗并兼顧網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)效率，關(guān)鍵在于如何確定恰當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)接口開啟時(shí)間間隔以達(dá)到兩者之間良好的平衡?？傊?，網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)階段的目標(biāo)就是在盡可能短的時(shí)間內(nèi)，以最小的能量消耗代價(jià)獲取到及時(shí)有效的可接入網(wǎng)絡(luò)信息。

3 常見的垂直切換算法

在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合領(lǐng)域的研究中，關(guān)于垂直切換算法的研究一直都是焦點(diǎn)問題之一，對(duì)于國(guó)內(nèi)外常見的垂直切換算法，總結(jié)如下：

3.1 基于單因素的垂直切換算法

比較有代表性的基于單因素的垂直切換算法有基于RSS的垂直切換算法：比如以接收器接收到的RSS作為依據(jù)的遲滯電平算法，當(dāng)新接收的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到接入要求并且比已接入網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)強(qiáng)度大于設(shè)定的閾值時(shí)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)切換;還有通過計(jì)算平均RSS，再結(jié)合移動(dòng)用戶距離和中斷概率進(jìn)行接入選擇。

3.2 基于效用函數(shù)的垂直切換算法

基于效用函數(shù)的垂直切換算法主要思想是設(shè)計(jì)效用函數(shù)，將進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接入選擇時(shí)需要考慮的各個(gè)因素，例如RSS、可用帶寬、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、終端移動(dòng)速度、服務(wù)價(jià)格等作為輸入?yún)?shù)，將移動(dòng)終端采集到的各個(gè)參數(shù)的值代入效用函數(shù)得到效用值，并選擇效用值最高的網(wǎng)絡(luò)。比如通過凸優(yōu)化理論求解最大化用戶傳輸速率的效用函數(shù)，同時(shí)考慮了分配帶寬資源的約束條件，根據(jù)用戶業(yè)務(wù)的帶寬需求和網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際可用帶寬獲得最大化傳輸速率。還有研究者通過一種基于權(quán)值可變的終端代價(jià)函數(shù)的介入選擇算法，以解決網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)階段RSS測(cè)量不確定性、候選網(wǎng)絡(luò)更新不及時(shí)等問題。該算法綜合考慮網(wǎng)絡(luò)屬性和用戶偏好，靈活改變代價(jià)函數(shù)的權(quán)值，計(jì)算代價(jià)函數(shù)值最小的網(wǎng)絡(luò)作為接入網(wǎng)絡(luò)。還有人考慮了多模終端發(fā)射功率和候選網(wǎng)絡(luò)帶寬資源作為效用函數(shù)的參數(shù)，反映了移動(dòng)終端能力的差異性。

3.3 基于多屬性決策的垂直切換算法

多屬性決策（MADM，Multiple Attribute Decision Making）利用網(wǎng)絡(luò)信息和用戶偏好等，通過多屬性決策算法對(duì)待接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行排序從而得到最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)。多屬性決策決策算法包括：

簡(jiǎn)單加權(quán)法（SAW，Simple Additive Weighting）通過設(shè)定各屬性的權(quán)重，計(jì)算候選網(wǎng)絡(luò)的線性加權(quán)和來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)選擇。比如利用來自WLAN和WCDMA的SINR，用戶所需帶寬，用戶流量成本和可接入網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬等因素構(gòu)建屬性矩陣，由AHP方法的特征值法來確定權(quán)重向量，最后通過SAW方法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)選擇。

層次分析法（AHP，Analytic Hierarchy Process）是一種定量與定性相結(jié)合的多目標(biāo)系統(tǒng)分析方法。層次分析法已經(jīng)被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域的多屬性判決問題中。層次分析法首先利用經(jīng)驗(yàn)或其他方法得到各個(gè)候選網(wǎng)絡(luò)對(duì)每個(gè)決策因素的權(quán)重，然后根據(jù)每個(gè)決策因素相對(duì)于總決策條件的相對(duì)權(quán)重，得到各個(gè)候選網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于總決策條件的權(quán)重，從而得到最優(yōu)方案。有研究者采用層次分析法，選擇信號(hào)強(qiáng)度，傳輸時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)貸款三種關(guān)鍵因素作為決策因素，計(jì)算出各個(gè)候選網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重，然后再考慮用戶喜好等因素，結(jié)合簡(jiǎn)單加權(quán)法對(duì)信息進(jìn)行綜合分析，最后選擇最優(yōu)接入網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)語

本文首先介紹了異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)垂直切換的基本概念、意義、垂直切換的分類和切換的基本過程。接下來分類總結(jié)了現(xiàn)有的垂直切換算法，包括基于單因素的垂直切換算法、基于效用函數(shù)的垂直切換算法、基于多屬性決策的垂直切換算法、基于模糊邏輯的垂直切換算法，對(duì)每一種算法的原理都進(jìn)行了詳細(xì)的解釋，對(duì)無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的垂直切換理論與技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。

參考文獻(xiàn)

[1] 賀昕，李斌.異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)切換技術(shù)[M].北京郵電大學(xué)出版社，2008.

[2] 胡海波.無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展綜述[J].現(xiàn)代電信科技，2009，39（12）：19-22.