董春利 王莉

摘 要：異構無線網(wǎng)絡融合和泛在化是未來寬帶無線通信發(fā)展的必然趨勢。文章首先概述了移動性管理；然后對切換進行了分類，討論了各種切換策略；最后討論了混合網(wǎng)絡垂直切換策略，不同網(wǎng)絡間的快速無縫切換是未來異構無線網(wǎng)絡的一個極大挑戰(zhàn)。

關鍵詞：異構無線網(wǎng)絡；移動性管理；切換類型；垂直切換

移動通信和寬帶無線網(wǎng)絡日益融合，而不同類型的無線網(wǎng)絡又相互融合，未來信息社會正經(jīng)歷著異構融合和泛在化的演變，已成為寬帶無線通信發(fā)展的必然趨勢[1-2]。目前，通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)與廣電網(wǎng)的融合已成為當下的發(fā)展潮流。4G將把無線通信技術推向一個高峰，這個高峰不僅是空中接口上的，在系統(tǒng)、業(yè)務應用、移動計算等方面也會有不同的特征。從技術驅動變革為需求牽引，將會加速移動通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式的深刻變革。下一代移動通信系統(tǒng)將會和寬帶無線網(wǎng)絡結合在一起，形成前所未有的結構。下一代無線網(wǎng)絡結構如圖1所示。

伴隨著支持高數(shù)據(jù)速率，多媒體服務和覆蓋，智能移動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的應用的若干個無線技術的出現(xiàn)，為移動用戶產(chǎn)生了任何時間、任何地方和任何類型的服務連接平臺。4G無線系統(tǒng)致力于全球無線連接[3- 4]。全球漫游和高數(shù)據(jù)速率服務提升了之前版本的4G無線網(wǎng)絡[5]。4G系統(tǒng)的設計目標是提供給移動終端在異構網(wǎng)絡中的無縫移動，提供服務的連續(xù)性，同時保證服務的質量。4G系統(tǒng)的架構目標，包括非常平滑和自適應收斂的，支持多個移動終端和網(wǎng)絡的技術，內置的無縫接入的潛力。更多的提供多樣化服務的無線技術的應用和實施，增加了切換過程的復雜性，卻提高了系統(tǒng)性能，同樣也是十分重要。

1 移動性管理

跟蹤移動用戶的位置，使呼叫和其他服務具有連續(xù)性是移動性管理的目標。移動性管理是位置管理和切換管理的結合。切換管理保證了移動終端在漫游過程中，改變接觸點（基站）的同時保持服務的連續(xù)性[4]。影響切換管理的因素是移動性場景、網(wǎng)絡條件、用戶偏好、最佳網(wǎng)絡選擇和執(zhí)行協(xié)議的網(wǎng)絡選擇策略（切換決策技術）。

每個移動性場景不是系統(tǒng)內部漫游，就是跨系統(tǒng)間漫游。水平切換發(fā)生在系統(tǒng)內部漫游時，移動終端從某個領域的接入路由器分離，登記接入到另一個領域的接入路由器。而垂直切換發(fā)生在跨系統(tǒng)間漫游時，為了獲得移動用戶要求的服務類型和質量的合適連接，移動終端在不同的網(wǎng)絡技術之間移動。

無縫網(wǎng)絡切換是垂直切換管理的挑戰(zhàn)。接收信號強度的評價不足以作垂直切換判決，額外的參數(shù)，如網(wǎng)絡條件、服務類型、網(wǎng)絡覆蓋、成本、功率消耗和用戶偏好都應考慮[6]。找到合適的時間進行切換對切換非常關鍵。切換機制可用兩個方式控制，網(wǎng)絡控制或者是移動終端控制機制。網(wǎng)絡控制切換策略不能確定越區(qū)切換的正確時間，因為它們沒有當前的移動終端最新信息的情況。而且網(wǎng)絡控制機制不適合垂直切換的執(zhí)行，因為該網(wǎng)絡不可能知道所有其它網(wǎng)絡的特點。移動控制切換決策方案對垂直切換不是最優(yōu)的，因為移動終端更了解自己目前的情況。圖2描述了各種網(wǎng)絡最小數(shù)據(jù)速率的異質性。

寬帶移動通信與寬帶無線接入的區(qū)別日趨模糊，互聯(lián)網(wǎng)、移動通信和數(shù)字化的廣播電視網(wǎng)將在業(yè)務、網(wǎng)絡和終端3個層面不斷融合。當通話中的用戶進入極端建筑物時，移動信號質量很差，移動終端可切換至各種其它網(wǎng)絡，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線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，如WiMAX。

2 切換類型

為了保持移動用戶不中斷通信，當移動臺從一個小區(qū)移動到另一個小區(qū)時，進行的信道切換稱為越區(qū)切換[7- 8]。切換是保證移動用戶在移動狀態(tài)下實現(xiàn)不間斷通信。

按照移動終端環(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。

切換管理策略設計目標如下：（1）設計的切換過程的算法應該是非常快速的，以避免移動終端通過任何種類的服務降級或中斷。（2）減少切換總數(shù)，減少切換總時間花費。（3）在切換過程中全部數(shù)量的信息損失，應該被減少到最小程度。（4）新呼叫阻塞概率應降低。（5）應提高整個切換過程中的功率保護。（6）網(wǎng)絡資源的使用應該盡快。（7）越區(qū)切換算法的上下文感知的同時，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，所提供的服務越令人滿意。（9）越區(qū)切換算法應靈活，可擴展和安全。

2.1 硬切換和軟切換

硬切換和軟切換是移動通信常見的切換類型。硬切換是在進入一個新的小區(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的切換，發(fā)生在2個扇區(qū)或3個扇區(qū)之間。硬切換主要是FDMA和TDMA移動通信系統(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，在對移動臺進行定位的基礎上，再輔助以移動臺距離和方位信息，判斷移動臺的位置，是否進入到了相鄰基站的區(qū)域。實現(xiàn)接力切換要有以下條件：網(wǎng)絡要準備獲得移動臺的位置信息，包括移動臺的信號到達方向以及移動臺與基站的距離。

接力切換的切換過程如下：先將上行鏈路轉移到目標小區(qū)，下行鏈路與原小區(qū)仍保持連接，然后與新基站進行短時間的通信過程后，再將下行鏈路連接到目標小區(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

如果移動設備和網(wǎng)絡之間，和切換相關的信息，由舊的路徑進行傳輸，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，與切換過程有關的所有信息通過舊基站交換。

如果移動設備將相關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。前向切換的缺點是：很難恢復失敗的前向切換，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

無線局域網(wǎng)中的切換技術，是基于移動IPv6技術的，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，它的基本過程是提前注冊，與前一個網(wǎng)絡保持通信，在與新的網(wǎng)絡切換還沒有完成時，就可以實現(xiàn)快速切換。快速切換有預先切換，基于隧道的切換2種機制。

2.5 平滑切換

當移動終端進入到一個新網(wǎng)絡，在沒有完成注冊、沒有發(fā)完原先轉發(fā)的數(shù)據(jù)包前，會造成大量的數(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。這種切換方案通過一種緩存機制，移動終端要求當前子網(wǎng)的路由器先緩存它的數(shù)據(jù)包，完成注冊后，緩存的數(shù)據(jù)包可從剛才的路由器再轉發(fā)過來。

3 混合網(wǎng)絡垂直切換策略

異構無線網(wǎng)絡各層網(wǎng)絡間的垂直切換，如圖3所示。每個垂直切換判決策略分為2個階段：識別切換判決準則和選擇決策策略實施。切換判決準則包括監(jiān)控網(wǎng)絡條件，給出一個切換必要性的標志。切換判決準則用來選擇最佳網(wǎng)絡。切換判決策略主要關注的是切換判決的順序、切換頻率、延遲引起的切換、切換過程中數(shù)據(jù)包丟失、越區(qū)切換后的整體服務質量。切換決策策略可以在各種算法進行設計，如消耗剩余算法、模式識別算法、模糊邏輯網(wǎng)絡算法、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。雖然用多個決策標準和考慮用戶偏好，相應地增加了越區(qū)切換策略設計的復雜性，但是最優(yōu)性能卻是每個切換策略所追求的目標。

各種垂直切換策略的研究表明，有效的垂直切換算法的設計要面對用戶滿意度[9]。用戶的偏好可能從服務到服務或應用到應用發(fā)生變化。每個垂直切換算法的目標都應該滿足用戶的偏好。

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)學模型，提供精確的輸入數(shù)據(jù)對垂直切換是非常重要的。

另一個影響垂直切換算法的主要參數(shù)是語境信息。在垂直切換判決中，了解用戶訂閱網(wǎng)絡的上下文信息，移動終端等信息也是非常重要的。

4 結語

異構無線網(wǎng)絡是具有互補性的多種網(wǎng)絡的融合，其目的是提供各種高質量的服務。垂直切換是移動終端跨越這些多服務網(wǎng)絡中無縫漫游所需的基本特征。垂直切換判決是提供無縫服務的核心問題。在這個決策階段，應考慮各種參數(shù)，如作為移動和網(wǎng)絡環(huán)境下的信息，用戶的偏好和服務質量參數(shù)等。

本文對切換進行了分類，討論了各種切換策略，從中可得出，一個有效的切換決策過程，先進的分析策略是至關重要的，充分利用網(wǎng)絡資源可以同時提高用戶的滿意度和成本的有效性。有效切換過程中的2個關鍵問題是，估計切換發(fā)生時最好的網(wǎng)絡和切換時的正確時間。其他需要考慮的重要問題是：誰控制和誰輔助切換過程。切換過程中的信息采集階段和性能評價框架也是需要處理的關鍵問題。

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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