移动通信切换算法研究

金　山,倪淑燕,吴翔宇

(装备学院　a.研究生管理大队; b.光电装备系,北京　101416)



移动通信切换算法研究

金山a,倪淑燕b,吴翔宇a

(装备学院a.研究生管理大队; b.光电装备系,北京101416)

摘要：切换技术是保证移动通信QoS的重要手段。切换过程中，切换的触发及切换目标小区的选取需要通过切换判决算法来确定。分析了现有的切换判决算法对切换判决的算法优化研究的重要意义，针对同构网络和异构网络中，不同的切换判决环境，分别对水平切换和垂直切换的切换判决算法研究情况进行了总结。在分析传统切换判决算法的基础上，总结了当前的一些新算法。对这些算法可能存在的优缺点进行了分析，并指出了切换判决过程中需要注意的问题，总结切换判决算法的研究趋势。

关键词：移动通信；切换判决算法；水平切换；垂直切换

本文引用格式：金山,倪淑燕,吴翔宇.移动通信切换算法研究[J].兵器装备工程学报，2016(1):151-154.

Citation format:JIN Shan，NI Shu-yan, WU Xiang-yu.Mobile Communication Handover Algorithm Research[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(1):151-154.

移动通信系统包括移动卫星通信系统、平流层通信系统、蜂窝移动通信系统、无线局域网等[1]。切换过程是移动通信系统中最重要的过程之一，它不仅影响着小区边界处的呼叫服务质量(QoS)，还影响着整个通信系统的无线资源管理和分配情况。因此，合理的切换技术是保证移动通信过程中通信品质的有效手段。

为了降低切换过程对用户QoS的影响，针对不同网络的特点，人们对切换过程进行了大量的研究工作。按照切换流程，对可优化的步骤进行优化处理。切换技术的研究主要从以下3方面展开：

1) 在链路层，对切换触发和目标小区选取的算法进行研究；

2) 在网络层对信令交互过程和移动IP切换技术进行研究；

3) 对切换过程中的信道分配策略进行研究。

切换判决算法是切换过程中的重要一环，本研究将对当前的切换判决算法研究情况进行归纳，总结切换判决算法的研究趋势。

1切换技术

切换是指在移动通信的过程中，在保证通信不间断的前提下，将一个正处于呼叫建立状态或通话状态的移动用户转换到新的业务信道上的过程[2]。引起切换的原因有很多，最主要的原因是当前通信链路不能满足需求，而在当前通信链路之外还有其他可提供服务的小区。为了提高QoS，保证通信的连续性，终端或基站开始初始化新连接[3]。

切换过程可分为3个阶段：切换测量、切换判决和切换执行，如图1所示。切换测量阶段主要负责完成测量和收集与切换有关的信号参数，如导频强度等。切换判决阶段是根据收集到的测量参数，通过相应的判决准则来判断是否需要进行切换，并选择合适的目标小区，请求分配网络资源。切换执行阶段断开与源小区间的链路，接入到目标小区[4]。因此，各种切换方式和切换算法主要是为了解决两个问题，即有限资源的分配问题和切换判决问题。

图1　切换判决的3个阶段

网络切换有多种类型，按照不同的标准，可以有多种分类方式，常见的分类方式如图2所示[5]。

图2　网络切换分类

按照切换网络类型分，可分为垂直切换和水平切换。水平切换是指同一类型的网络之间的切换，比如GSM网络中不同小区之间的切换；相反，垂直切换是指不同类型的网络之间的切换，比如WLAN接入点与蜂窝网基站间的切换。

按切换执行方式，可分为硬切换、软切换和接力切换。硬切换是指移动终端在与新网络建立无线连接前先断开与原接入网络间的通信链路，是一个先断开后连接的过程；而软切换是指移动终端在与新的网络建立连接时，不释放与原接入网络的连接，当与新连接网络建立稳定的通信之后，再断开与原接入网络的连接，是一个先连接后断开的过程，这样可以保持切换过程中通信的连续性，缺点是使信道的资源利用率有所下降；接力切换是在TD-SCDMA系统中提出，它根据移动台的方位信息与切换算法，把待切换的移动终端切换到新的小区[6]。

2同构网络切换判决算法

乒乓切换是所有切换算法中需要考虑解决的一个问题。乒乓切换是指在临近的小区覆盖重叠区域，由于两者的信号强度差不多，用户终端会在两者之间频繁的进行切换，对系统的资源造成浪费。解决乒乓切换的方法之一是通过设置较高的切换参数，增加切换的难度[7]。

2.1基于接收信号强度(RSS)的切换判决算法

接收信号强度(RSS)是同构网络最为常用的切换判决准则，以RSS为切换判决准则的常用的切换判决算法主要有5种：RSS算法，RSST算法，RSSH算法，RSSTH算法、驻留定时器法[8]。

1) RSS算法：选择信号最强的小区作为服务小区。RSS是最简单的切换判决算法。算法的数学表达式如下：

(1)

式中:RSScandidate_BS表示候选小区的信号强度;RSScurrent_BS表示当前服务小区的信号强度;RSSi_BS表示接收到相邻小区的信号强度。为了统一表述，本文中相关信号参数的定义与此相同。

2) RSST算法：由于RSS算法对避免乒乓切换的效果并不理想，研究人员在RSS算法的基础上通过设置参数增加切换难度，避免乒乓切换的发生。RSST算法在RSS算法的基础上，引入切换门限值。当接收到相邻小区信号强度大于源小区信号强度，且源小区信号强度小于某一门限值或相邻小区信号强度大于某一门限值时，从满足条件的相邻小区中选择信号强度最大的作为切换的目标小区。算法的数学表达式如下：

(2)

式中，RSS_Threshold表示设置的切换门限值。

3) RSSH算法：该算法与RSST算法相似，都是引入切换门限值的限定，但门限值的引入方式不同。在当接收到相邻小区的信号强度值高于接收到源小区信号强度及滞后余量的和时，从满足条件的相邻小区中选择信号强度最大的小区作为切换目标小区。算法的数学表达式如下：

(3)

式中HYS表示设置的滞后余量值。

4) RSSTH算法：该算法综合了RSST算法与RSSH算法的内容。当接收到源小区的信号强度值低于某一门限值或者接收到相邻小区的信号强度值高于某门限值且接收到相邻小区的信号强度值高于接收到源小区信号强度及滞后余量的和时，从满足条件的相邻小区中选择信号强度值最大的小区作为切换目标小区。算法的数学表达式如下：

(4)

5) 驻留定时器法：该算法引入了延迟切换的概念。当信号强度满足触发切换的条件时，定时器开始计时，计时结束后若仍满足触发条件则进行切换判决，否则重新计数。驻留定时器法可以与以上4种方法中任意一种方法相结合。

2.2改进的切换判决算法

基于RSS的切换判决算法虽然引入了如驻留时间、信号强度门限值等限制条件，但这些参数值的设定通常是固定值，没有考虑到各类终端可能存在高速移动的特点；仅考虑信号强度值作为判决准则，对目标小区的选择缺乏全面考虑，容易造成切换小区过载以及用户通信品质的下降。针对这些问题，出现了多种改进的切换判决算法，且绝大多数都利用了位置或速度信息作为辅助切换的条件。

文献[9]中针对高空平台网络中高动态用户高速运动的特点，根据高动态用户的位置和速度信息设置动态的滞后余量值。而在切换小区的选择过程中，在比较信号强度的同时，通过对候选小区进行能量感知，按照负载均衡的切换准则选取目标高空平台。该算法对终端的移动速度和负载均衡性有较好的适应性。文献[10]中针对无线宽带网络提出一种基于移动预测(PMBH)的切换算法。在不过分增加开销的情况下，根据传统的位置估计和跟踪技术，提出边界追踪方案，利用运动状态信息预测移动终端的运动特性，并将移动性作为辅助切换的判决条件。其仿真结果表明，该PMHO算法可以有效地减少切换的次数及移动终端扫描邻区小区的个数。文献[11]中针对高动态用户在空天信息网络中的越区切换提出了一种基于高动态终端轨迹预测的切换判决算法，利用GPS装置获取终端的运动信息，并对下一时刻的运动信息进行预测，利用预测值判断是否需要触发切换，根据角度信息进行目标小区的选取。文献[12]中设计了一种基于覆盖的切换，在小区覆盖边界预知的情况下，根据终端的位置和速度信息，在保证不发生越区掉线的条件下，尽可能在小区边缘触发切换。文献[13]中提出一种基于模糊逻辑的切换判决算法，将用户的位置和速度信息以及接收到的信号强度、小区的负载情况作为综合判决条件，通过模糊推理系统进行切换判决。文献[14]中针对高速铁路通信提出了一种基于BP神经网络的切换算法，建立满意通信概率分析模型，以终端速度、信号强度和基站与终端之间的距离作为神经网络的输入参数，进行切换判决。在满意通信概率模型下，计算获得训练集合，通过训练获得输出最优的切换判决神经网络。

3异构网络中的切换判决算法

当前通信网络的发展趋势是整合多种网络，共享信息资源。因此，异构网络间的垂直切换也成为目前切换研究的热门方向。在异构无线网络中，发生的切换可能存在于不同技术之间，由于网络间的差异，单纯基于RSS的方法显然不再适用，切换判决需要利用多个不同的参数综合分析，进而得到判决结果。例如网络时延、移动速度、网络负载等。此外，用户也可以根据自己的网络偏好选取不同的接入网络。所以说，异构无线网络中的切换判决从本质上讲是一个多属性判决的问题[15-17]。目前，针对异构网络的切换判决策略研究主要有以下3类：

1) 基于信号强度比较的策略。该类策略继承了水平网络中基于接收信号强度比较的思想，通过垂直切换策略，做出切换判决[18-19]。

2) 基于人工智能和模糊理论的策略。将模糊理论和人工智能算法引入切换判决中，结合用户特性和网络性能等参数设计多维判决策略，根据设计的策略进行垂直切换判决[20-22]。

3) 基于代价函数的策略。该类策略在判决中除了考虑RSS和网络可用性，还将数据传输率、用户偏好、业务类型、移动速度以及可用带宽等参数作为判决因子，通过构造代价函数计算出最优的切换目标网络。构建代价函数的方法包括简单加权法、逼近理想解的排序法、乘法指数加权法、灰度关联分析法等[23-26]。

这3类算法均有各自的特点，如表1所示。

表1　3类垂直切换策略的性能比较

4切换判决算法中的问题

通过对不同网络类型中切换判决算法的总结可以发现，在同构网络中，传统的基于RSS的切换判决算法操作简单，但算法的性能上仍有很大的优化空间。固定门限值的设定对用户的移动性缺乏考虑，当前移动终端的运动速度越来越高，如高速铁路中用户的移动速度可达350 km/h，越区时存在大量用户并发切换的情况，速度对切换的影响显然不能忽略。此外，为了满足系统容量的要求，蜂窝半径不断减小，同样增加了切换频率和切换判决对速度和位置信息的敏感性。仅依靠信号强度对目标小区进行选取，容易造成网络负载不均，进而影响网络的整体性能。改进的算法中，利用位置和速度信息辅助判决成为主流方式。有些算法中要求对速度和位置信息进行预测，运动信息的预测精度将影响切换算法的性能。

通信网络的发展趋势是多网融合，要求切换算法应能够支持用户的多种不同业务及用户的移动性，如何满足不同用户的需求是垂直切换算法必须考虑的问题。利用多个参数进行多属性判决的方法已成为当前垂直切换算法的主要手段，其研究过程中存在以下问题:

1) 不同算法对于切换判决代价函数的设定及限定条件的优化选择上存在较大差异。因此，对各算法的优劣评估难以形成统一标准；

2) 影响垂直切换算法性能的参数多，各参数之间关系复杂，可能存在既相互矛盾又相互依存的现象，因此如何详细剖析各性能指标之间关系，如何选取限定条件及优化代价函数的设定，如何客观地体现各个参数对算法性能的影响并实现合理的性能折衷，是算法设计中面临的关键问题，同时也是当前较缺乏的研究。

5结论

切换判决算法一直是移动通信领域中的研究热点。合理利用位置和速度信息将为同构网络中优化切换判决的有效手段。对于垂直切换方式，切换算法的设计不仅要合理利用多种属性值，还需要在算法的复杂度上进行折中考虑，使设计的算法满足可操作性的原则。最优的切换过程不是基于某一层的优化，跨层优化的方案早已提出。因此，切换判决算法的研究也需要根据实际应用需要多层次考虑来提高切换性能。

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(责任编辑杨继森)

【基础理论与应用研究】

Mobile Communication Handover Algorithm Research

JIN Shana，NI Shu-yanb, WU Xiang-yua

(a. Department of Postgraduate Management; b.Department of Equipment Acquisition,

Equipment Academy, Beijing 101416, China)

Abstract:Handover technology is important means to assure the QoS for mobile communications. In the process, handover trigger and handover the target area’s selection were decided by handover decision algorithm. Summary of the existing handover decision algorithm is of great significance to handover decision algorithm optimization study. For homogeneous and heterogeneous networks, different switch ruling environment, respectively for level and vertical handover judgment algorithm research was summarized. On the basis of analyzing the traditional handover decision algorithm, we summarized some of the new algorithm put forward currently. Possible advantages and disadvantages of these algorithms were analyzed, and the problems that need to pay attention to in the process of handover decisions were pointed out, and the research trend of handover decision algorithm was summarized.

Key words:mobile communication; handover decision algorithm; horizontal handover; vertical handover

文章编号：1006-0707(2016)01-0151-04

中图分类号：TN919

文献标识码：A

doi:10.11809/scbgxb2016.01.036

作者简介：金山(1990—)，男，硕士研究生，主要从事通信与信息系统研究。

收稿日期：2015-06-08；修回日期：2015-06-25