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異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)融合切換算法探索論文
摘要：異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)融合和泛在化是未來(lái)寬帶無(wú)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(wú)縫切換是未來(lái)異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)極大挑戰(zhàn)。
關(guān)鍵詞:異構(gòu)無(wú)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)日益融合，而不同類型的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)又相互融合，未來(lái)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)線系統(tǒng)致力于全球無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)縫接入的潛力。更多的提供多樣化服務(wù)的無(wú)線技術(shù)的應(yīng)用和實(shí)施，增加了切換過(guò)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(guò)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(wú)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](méi)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(wú)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(wú)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(shuí)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(guò)程的算法應(yīng)該是非�？焖俚�，以避免移動(dòng)終端通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程有關(guān)的所有信息通過(guò)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(wú)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(guò)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(méi)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(méi)有完成注冊(cè)、沒(méi)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(guò)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(guò)來(lái)。
3混合網(wǎng)絡(luò)垂直切換策略
異構(gòu)無(wú)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(lái)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(guò)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(yǔ)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(yǔ)
異構(gòu)無(wú)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(wú)縫漫游所需的基本特征。垂直切換判決是提供無(wú)縫服務(wù)的核心問(wèn)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(guò)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(guò)程中的2個(gè)關(guān)鍵問(wèn)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(wèn)題是：誰(shuí)控制和誰(shuí)輔助切換過(guò)程。切換過(guò)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(wèn)題。
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