异构无线网络融合切换算法研究

董春利 王莉

摘 要：异构无线网络融合和泛在化是未来宽带无线通信发展的必然趋势。文章首先概述了移动性管理；然后对切换进行了分类，讨论了各种切换策略；最后讨论了混合网络垂直切换策略，不同网络间的快速无缝切换是未来异构无线网络的一个极大挑战。

关键词：异构无线网络；移动性管理；切换类型；垂直切换

移动通信和宽带无线网络日益融合，而不同类型的无线网络又相互融合，未来信息社会正经历着异构融合和泛在化的演变，已成为宽带无线通信发展的必然趋势[1-2]。目前，通信网、互联网与广电网的融合已成为当下的发展潮流。4G将把无线通信技术推向一个高峰，这个高峰不仅是空中接口上的，在系统、业务应用、移动计算等方面也会有不同的特征。从技术驱动变革为需求牵引，将会加速移动通信产业发展模式的深刻变革。下一代移动通信系统将会和宽带无线网络结合在一起，形成前所未有的结构。下一代无线网络结构如图1所示。

伴随着支持高数据速率，多媒体服务和覆盖，智能移动终端具有互操作性的空中接口和灵活的软件组件和基于IP的应用的若干个无线技术的出现，为移动用户产生了任何时间、任何地方和任何类型的服务连接平台。4G无线系统致力于全球无线连接[3- 4]。全球漫游和高数据速率服务提升了之前版本的4G无线网络[5]。4G系统的设计目标是提供给移动终端在异构网络中的无缝移动，提供服务的连续性，同时保证服务的质量。4G系统的架构目标，包括非常平滑和自适应收敛的，支持多个移动终端和网络的技术，内置的无缝接入的潜力。更多的提供多样化服务的无线技术的应用和实施，增加了切换过程的复杂性，却提高了系统性能，同样也是十分重要。

1 移动性管理

跟踪移动用户的位置，使呼叫和其他服务具有连续性是移动性管理的目标。移动性管理是位置管理和切换管理的结合。切换管理保证了移动终端在漫游过程中，改变接触点（基站）的同时保持服务的连续性[4]。影响切换管理的因素是移动性场景、网络条件、用户偏好、最佳网络选择和执行协议的网络选择策略（切换决策技术）。

每个移动性场景不是系统内部漫游，就是跨系统间漫游。水平切换发生在系统内部漫游时，移动终端从某个领域的接入路由器分离，登记接入到另一个领域的接入路由器。而垂直切换发生在跨系统间漫游时，为了获得移动用户要求的服务类型和质量的合适连接，移动终端在不同的网络技术之间移动。

无缝网络切换是垂直切换管理的挑战。接收信号强度的评价不足以作垂直切换判决，额外的参数，如网络条件、服务类型、网络覆盖、成本、功率消耗和用户偏好都应考虑[6]。找到合适的时间进行切换对切换非常关键。切换机制可用两个方式控制，网络控制或者是移动终端控制机制。网络控制切换策略不能确定越区切换的正确时间，因为它们没有当前的移动终端最新信息的情况。而且网络控制机制不适合垂直切换的执行，因为该网络不可能知道所有其它网络的特点。移动控制切换决策方案对垂直切换不是最优的，因为移动终端更了解自己目前的情况。图2描述了各种网络最小数据速率的异质性。

宽带移动通信与宽带无线接入的区别日趋模糊，互联网、移动通信和数字化的广播电视网将在业务、网络和终端3个层面不断融合。当通话中的用户进入极端建筑物时，移动信号质量很差，移动终端可切换至各种其它网络，如WLAN；用户在保持通话状态下，如果下载或传输文件，数据传输可切换至速度更快的无线数据传输网络，如WiMAX。

2 切换类型

为了保持移动用户不中断通信，当移动台从一个小区移动到另一个小区时，进行的信道切换称为越区切换[7- 8]。切换是保证移动用户在移动状态下实现不间断通信。

按照移动终端环境切换可分为5种类型，硬切换、软切换、接力切换、快速切换和平滑切换。按照谁控制切换决策，切换可分为4种类型。切换类型如表1所示。

切换管理策略设计目标如下：（1）设计的切换过程的算法应该是非常快速的，以避免移动终端通过任何种类的服务降级或中断。（2）减少切换总数，减少切换总时间花费。（3）在切换过程中全部数量的信息损失，应该被减少到最小程度。（4）新呼叫阻塞概率应降低。（5）应提高整个切换过程中的功率保护。（6）网络资源的使用应该尽快。（7）越区切换算法的上下文感知的同时，优先考虑用户的喜好。（8）越区切换越可靠，意味着切换发生时，所提供的服务越令人满意。（9）越区切换算法应灵活，可扩展和安全。

2.1 硬切换和软切换

硬切换和软切换是移动通信常见的切换类型。硬切换是在进入一个新的小区，先中断与旧基站的连接，然后再与新基站建立连接。软切换是先与新基站建立连接，再中断与旧基站的连接。另外，更软切换是一种蜂窝内的切换，发生在2个扇区或3个扇区之间。硬切换主要是FDMA和TDMA移动通信系统使用，软切换和更软切换在CDMA系统中使用。

2.2 接力切换

接力切换精确地利用定位技术，在对移动台进行定位的基础上，再辅助以移动台距离和方位信息，判断移动台的位置，是否进入到了相邻基站的区域。实现接力切换要有以下条件：网络要准备获得移动台的位置信息，包括移动台的信号到达方向以及移动台与基站的距离。

接力切换的切换过程如下：先将上行链路转移到目标小区，下行链路与原小区仍保持连接，然后与新基站进行短时间的通信过程后，再将下行链路连接到目标小区，接力切换完成。接力切换是一种具有稳定性能的优化的切换方法。TD-SCDMA中采用了接力切换。

2.3 前向切换和后向切换

如果移动设备和网络之间，和切换相关的信息，由旧的路径进行传输，则称为后向切换。切换由基站发起。在GSM系统中使用此方法，与切换过程有关的所有信息通过旧基站交换。

如果移动设备将相关信息直接送给新基站，这种切换方式为前向切换。目的基站将建立新链路，切换也由目的基站发起。

前向切换要比后向切换快。前向切换的缺点是：很难恢复失败的前向切换，旧的连接可能丢失，很难支持加密的连续性，密钥必须传送到新基站。

2.4 快速切换

无线局域网中的切换技术，是基于移动IPv6技术的，快速切换和平滑切换是它的2种切换类型[7-8]。

快速切换指低延时，它的基本过程是提前注册，与前一个网络保持通信，在与新的网络切换还没有完成时，就可以实现快速切换。快速切换有预先切换，基于隧道的切换2种机制。

2.5 平滑切换

当移动终端进入到一个新网络，在没有完成注册、没有发完原先转发的数据包前，会造成大量的数据包丢失。平滑切换可以有效降低IP数据包丢失率。这种切换方案通过一种缓存机制，移动终端要求当前子网的路由器先缓存它的数据包，完成注册后，缓存的数据包可从刚才的路由器再转发过来。

3 混合网络垂直切换策略

异构无线网络各层网络间的垂直切换，如图3所示。每个垂直切换判决策略分为2个阶段：识别切换判决准则和选择决策策略实施。切换判决准则包括监控网络条件，给出一个切换必要性的标志。切换判决准则用来选择最佳网络。切换判决策略主要关注的是切换判决的顺序、切换频率、延迟引起的切换、切换过程中数据包丢失、越区切换后的整体服务质量。切换决策策略可以在各种算法进行设计，如消耗剩余算法、模式识别算法、模糊逻辑网络算法、上下文感知算法、基于阈值的算法、位置感知算法、多属性算法和基于函数的算法。虽然用多个决策标准和考虑用户偏好，相应地增加了越区切换策略设计的复杂性，但是最优性能却是每个切换策略所追求的目标。

各种垂直切换策略的研究表明，有效的垂直切换算法的设计要面对用户满意度[9]。用户的偏好可能从服务到服务或应用到应用发生变化。每个垂直切换算法的目标都应该满足用户的偏好。

垂直切换算法的主要挑战之一是“如何处理不精确的数据”。模糊逻辑或许是处理不精确的数据的理想选择。虽然多属性决策模型是被证明了的数学模型，提供精确的输入数据对垂直切换是非常重要的。

另一个影响垂直切换算法的主要参数是语境信息。在垂直切换判决中，了解用户订阅网络的上下文信息，移动终端等信息也是非常重要的。

4 结语

异构无线网络是具有互补性的多种网络的融合，其目的是提供各种高质量的服务。垂直切换是移动终端跨越这些多服务网络中无缝漫游所需的基本特征。垂直切换判决是提供无缝服务的核心问题。在这个决策阶段，应考虑各种参数，如作为移动和网络环境下的信息，用户的偏好和服务质量参数等。

本文对切换进行了分类，讨论了各种切换策略，从中可得出，一个有效的切换决策过程，先进的分析策略是至关重要的，充分利用网络资源可以同时提高用户的满意度和成本的有效性。有效切换过程中的2个关键问题是，估计切换发生时最好的网络和切换时的正确时间。其他需要考虑的重要问题是：谁控制和谁辅助切换过程。切换过程中的信息采集阶段和性能评价框架也是需要处理的关键问题。

[参考文献]

[1]Coulibaly Y， Kaddoum G， Ahmed M F A. Mobile Virtual Network Operator Strategy for Migration towards 4G[C]. International Conference on Information and Communication Technology Research，2015.

[2]Mirchandani V， Kibria M R， Jamalipour A. An Open System 4G/B3G Network Architecture[C].IEEE International Conference on Communications，2005.

[3]Shi K， Tang M， Wang Z. Research of Heterogeneous Network Protocol Data Fusion in Smart Home Control System Based on Spatial Outlier[C].Fourth International Conference on Instrumentation and Measurement， Computer， Communication and Control，2014.

[4]Akyildiz， Xie J， Mohanty S. A Survey of Mobility Management in Next Generation All IP Based Wireless Systems[J]. IEEE Wireless Communications，2004（4）：16-28.

[5]Dekleva S， Shim J P， Varshney U， et al. Evolution and Emerging Issues in Mobile Wireless Networks[J]. Communications of ACM，2007（6）：38-43.

[6]McNair J， Zhu Fang， Vertical Handoffs in Fourth Generation Multi Network Environments[J].IEEE Wireless Communications，2004（3）：8-15.

[7]Wang L， Feng X， Gan X， et al. Small Cell Switch Policy： A Reinforcement Learning Approach[C]. Sixth International Conference on Wireless Communications and Signal Processing，2014.

[8]Dong Y J， Huang K. Research on Switching Strategy of 3G/WiFi Combined Wireless Data Transmission[C].International Conference on Measurement， Information and Control， 2012.

[9]Dhanaraj Cheelu， Rajasekhara Babu M， Venkata Krishna P. A Study of Vertical Handoff Decision Strategies in Heterogeneous Wireless Networks[J].International Journal of Engineering and Technology， 2013（3）：2541-2554.

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