下一代異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)切換機(jī)制研究.pdf

1、手持移動終端(Mobile Terminals，MT)同時運(yùn)行于蜂窩網(wǎng)絡(luò)和無線局域網(wǎng)(WLAN)能力的發(fā)展是下一代綜合網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)重要一步。移動終端(MT)能夠根據(jù)用戶的偏好和網(wǎng)絡(luò)的有效性在這兩種網(wǎng)絡(luò)之中選擇一個更好的。
　　在存在兩種網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境中，移動終端(MT)可以根據(jù)兩種不同需求選擇連接方式：是提供更好的服務(wù)質(zhì)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?yàn)槟軌蛱峁└玫膸?，消費(fèi)也更少

2、。但是當(dāng)連接WLAN的時候，移動終端(MT)因?yàn)槠湟苿拥奶匦钥赡軙庥鲂盘枏?qiáng)度的降級并導(dǎo)致QoS的降低，甚至丟失服務(wù)。因此需要在合適的時間觸發(fā)垂直切換(比如網(wǎng)絡(luò)間切換)到蜂窩網(wǎng)絡(luò)來保證服務(wù)。當(dāng)WLAN的信號重新恢復(fù)，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(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)中選擇最佳的網(wǎng)絡(luò)連接。本論文的重點(diǎn)在于設(shè)計(jì)

3、垂直切換的算法和構(gòu)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(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中核心的組件。這些算法需要被設(shè)計(jì)成能夠滿足寬范圍的應(yīng)用程序服務(wù)質(zhì)量(QoS)的需求的同時，允許在多種接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。
　

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(biāo)準(zhǔn)。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(shù)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(shù)。而切換決策通過比較候選網(wǎng)絡(luò)的成本函數(shù)結(jié)果來做出。
　　以用戶為中心的方法：在考慮不同的評價標(biāo)準(zhǔn)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(shù)。
　　以用戶為中心的方法

5、：在考慮不同的評價標(biāo)準(zhǔn)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(shù)。
　　首先，本論文探討了切換失敗，以及在切換過程中出現(xiàn)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(jì)(Handover Necessity Estimation，HNE)算法。該算法的目的在于減少無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)的垂直切換決策算法：(a)基于傳播時

6、間的計(jì)算方法；(b)基于時間門限的計(jì)算方法。
　　基于時間門限的計(jì)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(shè)計(jì)需要切換錯誤率在1%以下，那么時間門限就必須調(diào)節(jié)到使得切換出錯率降到1%以下。時間門限中的T1參數(shù)是用來做切換決策的，當(dāng)傳播時間大于T1時，MT將要發(fā)起切換進(jìn)程，切換失敗一般發(fā)生WLAN中，主要是因?yàn)閭鞑r間小于蜂窩網(wǎng)到WLAN的切換延時。
　　傳播時間估計(jì)的目的在于減少不必要的切換。這依賴于

7、估計(jì)WLAN的傳播時間和計(jì)算時間門限值(tWLAN)。只有當(dāng)WLAN可用和估計(jì)的WLAN內(nèi)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(wǎng)的切換只有在WLAN信號強(qiáng)度不斷降低和當(dāng)移動終端到達(dá)小區(qū)邊界時才進(jìn)行。
　　使用MATLAB作為實(shí)驗(yàn)平臺，隨機(jī)在WLAN覆蓋域內(nèi)產(chǎn)生10000個速度在3.6 km/h到100 km/h運(yùn)動的MT，并有著2km/h的加速度。對于每個MT的運(yùn)動方向全部采用隨機(jī)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(qiáng)度(Received Signal Strength，RSS)閾值的方法，當(dāng)WLAN的RSS到達(dá)一個閾值時，初始化蜂窩網(wǎng)絡(luò)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(yīng)”發(fā)生。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明HNE能夠減少80%以上切換錯誤和不必要切換的出現(xiàn)。當(dāng)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(fèi)和連

9、接斷開的問題，過晚的切換觸發(fā)會導(dǎo)致連接的斷開，而過早的觸發(fā)會導(dǎo)致有效WLAN資源的浪費(fèi)，因此提出了一個垂直切換估計(jì)(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(wǎng)絡(luò)切換到時估計(jì)最優(yōu)的切換觸發(fā)點(diǎn)。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(jié)果中，該算法在MATLAB仿真中與其他的兩個方法進(jìn)行了比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(fèi)，質(zhì)量，能耗以及用戶配置文件。引入了訪問節(jié)點(diǎn)最佳適應(yīng)權(quán)重(Access Point BestSatisfied Weights APBSW)用以選擇訪問的網(wǎng)絡(luò)

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(dāng)?shù)纳舷挛男畔?appropriatecontext information)，從而滿足用戶的偏好。仿真的結(jié)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(xiàn)。
　　此外，通過使用對文本信息，用戶喜好和服務(wù)需求等指標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的權(quán)衡來評估每個接入網(wǎng)絡(luò)從而實(shí)現(xiàn)算法對決策的選擇。由于加權(quán)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(diǎn)滿足我們假設(shè)條件的計(jì)算方法。
　　使用了四種用戶偏好指標(biāo)來制定切換決策：信號強(qiáng)度(RSS)，代價(cost)，質(zhì)量(quality)，和生存時間(lifetime)。我們定義了四種相應(yīng)的接入點(diǎn)權(quán)值，即RSS(APRW)，cost(APCW)，quality(APQW)，and lifetime(APLW)。APRV是由RSSI來計(jì)算出來的。
　　如果用戶需要使

13、用具有高QoS的應(yīng)用，同時不考慮網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用，同時需要較低的網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用與有著最大APCW的AP點(diǎn)。因此，我們我們定義了滿足權(quán)值的最佳接入點(diǎn)(APBSW)來解決這些問題。APBSW代表特定AP根據(jù)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(jù)模糊目標(biāo)和模糊限制來進(jìn)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(yùn)行如下：
　　首先，用戶在移動設(shè)備上啟動應(yīng)用，然后選擇網(wǎng)絡(luò)。然后，移動設(shè)備從網(wǎng)絡(luò)接口管理找出一系列的候選AP并加載當(dāng)前應(yīng)用的政策和當(dāng)點(diǎn)文本。如果有合適的應(yīng)用政策在政策庫中，那么其將被選中。反之，將加載默認(rèn)政策。之后，服務(wù)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(jì)算所有剩余候選AP的APBS

15、W值，然后選取最滿足但前應(yīng)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(jìn)行向新的Ap的切換，這一過程將不停的在預(yù)定義的超時范圍內(nèi)進(jìn)行重復(fù)。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(fù)維護(hù)反饋環(huán)路來評估當(dāng)前連接的AP，如果連接的AP存在，那么網(wǎng)絡(luò)選擇任務(wù)將停止。然后計(jì)算相應(yīng)的APBSW，如果，當(dāng)前的AP低于預(yù)定義的門限值

16、，網(wǎng)絡(luò)選擇任務(wù)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(jìn)行機(jī)會的使用現(xiàn)存的無線頻譜的條件。這種新的網(wǎng)絡(luò)規(guī)程是有關(guān)動態(tài)頻譜接入(DSA)和認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的。我們研究了認(rèn)知無線電的特點(diǎn)，并提出了算法來進(jìn)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(yīng)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(jù)經(jīng)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(chǎn)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(yuǎn)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(nèi)的子載波之間的頻譜距離。
　　本文提出了一種新穎的在認(rèn)知無線電(CR)中根據(jù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在CR環(huán)境下我們的方案比經(jīng)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(jìn)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(wǎng)絡(luò)的更高傳輸容量。
　　切換必要性估計(jì)(Handover Necessity Estimation，HNE)算法。該算法的目的在于減少無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)的垂直切換決策算法

19、：(a)基于固定接收信號強(qiáng)度(Received Signal Strength，RSS)閾值的方法，當(dāng)WLAN的RSS到達(dá)一個閾值時，初始化蜂窩網(wǎng)絡(luò)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(yīng)”發(fā)生。
　　其次，本文研究了切換過程中資源浪費(fèi)和連接斷開的問題，過晚的切換觸發(fā)會導(dǎo)致連接的斷開，而過早的觸發(fā)會導(dǎo)致有效WLAN資源的浪費(fèi)，因此提出了一個垂直切換估計(jì)(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(wǎng)絡(luò)切換到時估計(jì)最優(yōu)的切換觸發(fā)點(diǎn)。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(jié)果中，該算法在MATLAB仿真中與其他的兩個方法進(jìn)行了比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(fèi)，質(zhì)量，能耗以及用戶配置文件。引入了訪問節(jié)點(diǎn)最佳適應(yīng)權(quán)重(Access Point BestSatisfied Weights APBSW)用以選擇訪問的網(wǎng)絡(luò)；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(dāng)?shù)纳舷挛男畔?appropriatecont