下一代異構無線網絡切換機制研究.pdf

1、手持移動終端(Mobile Terminals，MT)同時運行于蜂窩網絡和無線局域網(WLAN)能力的發(fā)展是下一代綜合網絡的演進重要一步。移動終端(MT)能夠根據用戶的偏好和網絡的有效性在這兩種網絡之中選擇一個更好的。
　　在存在兩種網絡的環(huán)境中，移動終端(MT)可以根據兩種不同需求選擇連接方式：是提供更好的服務質量(QoS)，還是消耗更少的電池電能。WLAN在信號足夠好的時候，往往是人們的首選，因為能夠提供更好的帶寬，消費也更少

2、。但是當連接WLAN的時候，移動終端(MT)因為其移動的特性可能會遭遇信號強度的降級并導致QoS的降低，甚至丟失服務。因此需要在合適的時間觸發(fā)垂直切換(比如網絡間切換)到蜂窩網絡來保證服務。當WLAN的信號重新恢復，移動終端(MT)必須能夠快速的切換回WLAN從而繼續(xù)利用其優(yōu)越的性能。一個切換的過程可以分為三個階段：鄰蜂窩網絡發(fā)現和測量，切換決策和切換執(zhí)行。VHD算法幫助移動終端在所有的候選網絡中選擇最佳的網絡連接。本論文的重點在于設計

3、垂直切換的算法和構建性能評價體系。
　　垂直切換決策(VHD)算法是將要到來得4G異構網絡體系結構中核心的組件。這些算法需要被設計成能夠滿足寬范圍的應用程序服務質量(QoS)的需求的同時，允許在多種接入網絡技術之間的無縫漫游。
　　有很多方法可以對VHD算法分類。而在這篇論文中，VHD算法被基于切換決策評價標準以及使用的處理方法分成四個種類。
　　基于RSS的算法：在這種算法中RSS是主要的切換決策評價標準。
　

4、　基于帶寬的算法：在這種算法中可用帶寬是主要的切換決策評價標準。在一些算法中，決策過程中同時使用了帶寬和RSS信息。
　　基于成本函數的算法：在這樣算法使用了集中考慮貨幣成本，安全性，帶寬和能耗等尺度的一個成本函數。而切換決策通過比較候選網絡的成本函數結果來做出。
　　以用戶為中心的方法：在考慮不同的評價標準的垂直切換決策中，用戶偏好，無論是成本還是Qos，都是以用戶為中心的策略中最重要的參數。
　　以用戶為中心的方法

5、：在考慮不同的評價標準的垂直切換決策中，用戶偏好，無論是成本還是Qos，都是以用戶為中心的策略中最重要的參數。
　　首先，本論文探討了切換失敗，以及在切換過程中出現的不必要切換的問題。提出了一個新的垂直切換決策算法-切換必要性估計(Handover Necessity Estimation，HNE)算法。該算法的目的在于減少無線異構網絡中的切換失敗和不必要切換。HNE算法基于兩個部分提出了多標準的垂直切換決策算法：(a)基于傳播時

6、間的計算方法；(b)基于時間門限的計算方法。
　　基于時間門限的計算方法在于在一定的理想的門限下限制并保持一定的切換錯誤。例如系統(tǒng)設計需要切換錯誤率在1%以下，那么時間門限就必須調節(jié)到使得切換出錯率降到1%以下。時間門限中的T1參數是用來做切換決策的，當傳播時間大于T1時，MT將要發(fā)起切換進程，切換失敗一般發(fā)生WLAN中，主要是因為傳播時間小于蜂窩網到WLAN的切換延時。
　　傳播時間估計的目的在于減少不必要的切換。這依賴于

7、估計WLAN的傳播時間和計算時間門限值(tWLAN)。只有當WLAN可用和估計的WLAN內的傳播時間大于時間門限時，向WLAN的切換才會激發(fā)。想蜂窩網的切換只有在WLAN信號強度不斷降低和當移動終端到達小區(qū)邊界時才進行。
　　使用MATLAB作為實驗平臺，隨機在WLAN覆蓋域內產生10000個速度在3.6 km/h到100 km/h運動的MT，并有著2km/h的加速度。對于每個MT的運動方向全部采用隨機化處理。
　　這種方法

8、是用來與另外的兩種方法來比較的：(a)基于固定接收信號強度(Received Signal Strength，RSS)閾值的方法，當WLAN的RSS到達一個閾值時，初始化蜂窩網絡和WLAN直接的切換；(b)基于滯后的方法，引入滯后來防止的“乒乓效應”發(fā)生。實驗結果表明HNE能夠減少80%以上切換錯誤和不必要切換的出現。當MT的速度高到100km/h時HNE將有著比另外兩種方法更好的性能。
　　其次，本文研究了切換過程中資源浪費和連

9、接斷開的問題，過晚的切換觸發(fā)會導致連接的斷開，而過早的觸發(fā)會導致有效WLAN資源的浪費，因此提出了一個垂直切換估計(Vertical handover triggering estimation，VHTE)方法。該方法嘗試在移動終端(MT)需要從WLAN切換回蜂窩網絡切換到時估計最優(yōu)的切換觸發(fā)點。用戶可以WHTE方法來控制連接斷開概率與WLAN利用率之間的平衡。在仿真結果中，該算法在MATLAB仿真中與其他的兩個方法進行了比較，實驗結果

10、表明VHTE方法能夠提供一個更靈活的選擇，無論是提高WLAN的利用率還是降低連接斷開的概率。
　　再次，本文提出一個名為用戶偏好切換(User Preferences Handoff，UPHO)的算法。該算法不僅考慮之前的切換決策因素(RSS)，而且考慮了用戶偏好，即依照消費，質量，能耗以及用戶配置文件。引入了訪問節(jié)點最佳適應權重(Access Point BestSatisfied Weights APBSW)用以選擇訪問的網絡

11、；UPHO算法使用模糊邏輯推理系統(tǒng)(fuzzy logic-based inference system)來處理所有適當的上下文信息(appropriatecontext information)，從而滿足用戶的偏好。仿真的結果表明UPHO算法在滿足用戶偏好方面比其他的算法有更好的變現。
　　此外，通過使用對文本信息，用戶喜好和服務需求等指標進行相應的權衡來評估每個接入網絡從而實現算法對決策的選擇。由于加權能夠使得決策方法更好的適

12、用于終端用戶，我們定義了如何去評估和測量每個AP的方法以及終端節(jié)點滿足我們假設條件的計算方法。
　　使用了四種用戶偏好指標來制定切換決策：信號強度(RSS)，代價(cost)，質量(quality)，和生存時間(lifetime)。我們定義了四種相應的接入點權值，即RSS(APRW)，cost(APCW)，quality(APQW)，and lifetime(APLW)。APRV是由RSSI來計算出來的。
　　如果用戶需要使

13、用具有高QoS的應用，同時不考慮網絡的價格，那么具有最大APQW的AP為最優(yōu)選擇，但是如果用戶需要使用具有高QoS的應用，同時需要較低的網絡價格的話，那么具有最大APQW的AP將不是最優(yōu)的選擇，同理APCW可能會是很低以至于不能被接受。這同時可以被應用與有著最大APCW的AP點。因此，我們我們定義了滿足權值的最佳接入點(APBSW)來解決這些問題。APBSW代表特定AP根據其用戶資料滿足終端用戶需求的程度。在決定滿足端用戶需求的AP時，

14、APBSW根據模糊目標和模糊限制來進行決策制定，同時要考慮合適的模糊決策制定操作方法。我們的算法運行如下：
　　首先，用戶在移動設備上啟動應用，然后選擇網絡。然后，移動設備從網絡接口管理找出一系列的候選AP并加載當前應用的政策和當點文本。如果有合適的應用政策在政策庫中，那么其將被選中。反之，將加載默認政策。之后，服務級別贊同過濾器(SLAF)和SF被用于移除不支持SLA和用戶速度需求的AP。之后，我們計算所有剩余候選AP的APBS

15、W值，然后選取最滿足但前應用和文本需求的AP。如果新的候選AP大于但前AP的APBSW值，我們將考慮切換開銷，如延時。我們通過門限值來控制切換開銷，不然將進行向新的Ap的切換，這一過程將不停的在預定義的超時范圍內進行重復。這是我們算法用來獲得自動管理的反饋控制環(huán)。
　　在連接到最好的AP后，重復維護反饋環(huán)路來評估當前連接的AP，如果連接的AP存在，那么網絡選擇任務將停止。然后計算相應的APBSW，如果，當前的AP低于預定義的門限值

16、，網絡選擇任務將重新開始同時所有的候選Aps將重新被評估并選擇最合適的AP。
　　實驗結果表明UPHO算法比其他的切換決策算法要好。
　　最后，有限的可用的頻帶和較低的頻譜利用率滿足了新的通信規(guī)程進行機會的使用現存的無線頻譜的條件。這種新的網絡規(guī)程是有關動態(tài)頻譜接入(DSA)和認知無線電網絡的。我們研究了認知無線電的特點，并提出了算法來進行二級用戶信道的分配。由SU子載波引起的PU的信道干擾是取決于與在相應子載波上的功率分配

17、和特定子載波和PU頻帶之間的頻譜寬度。根據經典功率加載方法由于更高的信道增益，更多的能量將需要被加載到子載波上。但是由于允許在SU子載波上傳播所產生的干擾是取決于位置和對于特定PU頻譜的子載波。對于干擾，離PU的頻帶較遠的子載波將要消耗更多的能量。因此需要一種審慎的加載政策來考慮子載波的衰減增益和在PU頻帶內的子載波之間的頻譜距離。
　　本文提出了一種新穎的在認知無線電(CR)中根據SU移動性選取功率分配的算法用來使得二級用戶獲得

18、最大的容量同時保證PU能夠在功率選取中承受最小的干擾。實驗結果表明在CR環(huán)境下我們的方案比經典方案有著較高的優(yōu)勢。具體來說，本文的方案能夠加載更多的能量進入SU的頻帶中為了能夠在給定的門限閾值下獲得專屬與PU網絡的更高傳輸容量。
　　切換必要性估計(Handover Necessity Estimation，HNE)算法。該算法的目的在于減少無線異構網絡中的切換失敗和不必要切換。HNE算法基于兩個部分提出了多標準的垂直切換決策算法

19、：(a)基于固定接收信號強度(Received Signal Strength，RSS)閾值的方法，當WLAN的RSS到達一個閾值時，初始化蜂窩網絡和WLAN直接的切換；(b)基于滯后的方法，引入滯后來防止的“乒乓效應”發(fā)生。
　　其次，本文研究了切換過程中資源浪費和連接斷開的問題，過晚的切換觸發(fā)會導致連接的斷開，而過早的觸發(fā)會導致有效WLAN資源的浪費，因此提出了一個垂直切換估計(Vertical handover trigge

20、ring estimation，VHTE)方法。該方法嘗試在移動終端(MT)需要從WLAN切換回蜂窩網絡切換到時估計最優(yōu)的切換觸發(fā)點。用戶可以WHTE方法來控制連接斷開概率與WLAN利用率之間的平衡。在仿真結果中，該算法在MATLAB仿真中與其他的兩個方法進行了比較，實驗結果表明VHTE方法能夠提供一個更靈活的選擇，無論是提高WLAN的利用率還是降低連接斷開的概率。
　　再次，本文提出一個名為用戶偏好切換(User Prefere

21、nces Handoff，UPHO)的算法。該算法不僅考慮之前的切換決策因素(RSS)，而且考慮了用戶偏好，即依照消費，質量，能耗以及用戶配置文件。引入了訪問節(jié)點最佳適應權重(Access Point BestSatisfied Weights APBSW)用以選擇訪問的網絡；UPHO算法使用模糊邏輯推理系統(tǒng)(fuzzy logic-based inference system)來處理所有適當的上下文信息(appropriatecont