【正文】 圍內(nèi)，就盡可能地接入到覆蓋范圍比較小帶寬資源比較豐富的WLAN中。硬切換策略的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度通常都比較低，在特定的網(wǎng)絡(luò)條件和業(yè)務(wù)需求下能夠取得不錯(cuò)的性能。但是，由于上述這些硬判決策略都忽略了異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中系統(tǒng)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化，以及不同用戶在業(yè)務(wù)需求和終端狀態(tài)等方面的差異性，所以無法在動(dòng)態(tài)變化著的系統(tǒng)條件下滿足多模終端的個(gè)性化業(yè)務(wù)需求。在垂直切換決策中，應(yīng)根據(jù)當(dāng)前可用網(wǎng)絡(luò)的不同狀況和特性、當(dāng)前所運(yùn)行的業(yè)務(wù)的不同特點(diǎn)和需求，以及終端的特性與偏好，進(jìn)行綜合判斷，是一個(gè)多屬性決策問題。表23換決策中需要考慮的各種因素進(jìn)行了總結(jié)。表23垂直切換決策因素類別決策因素靜態(tài)因素動(dòng)態(tài)因素網(wǎng)絡(luò)層面網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商、網(wǎng)絡(luò)配置、網(wǎng)絡(luò)類型、覆蓋范圍、地理信息、帶寬和時(shí)延當(dāng)前可用狀態(tài)、信號(hào)強(qiáng)度、鏈路質(zhì)量、流量負(fù)載、當(dāng)前帶寬和時(shí)延應(yīng)用層面應(yīng)用特性、業(yè)務(wù)類型、服務(wù)費(fèi)用、安全因素資源分配、帶寬分配、擁塞狀態(tài)、優(yōu)先級(jí)用戶層面用戶屬性、用戶偏好、終端特性、電池能量用戶移動(dòng)速度、位置、用戶行為的歷史信息由于垂直切換決策是多標(biāo)準(zhǔn)決策問題，決策中涉及的因素多樣化、度量值又各不相同，如何根據(jù)這些因素進(jìn)行統(tǒng)一、綜合的決策和判斷，研究者們提出了各種不同的方法。如研究如何降低終端的能耗，以及確定恰當(dāng)?shù)挠|發(fā)時(shí)間，切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的選擇策略等，將對一些經(jīng)典的垂直切換決策算法進(jìn)行歸類和描述。(3)切換執(zhí)行切換執(zhí)行階段通過某些垂直切換支持協(xié)議完成切換的實(shí)施過程，將正在進(jìn)行的通信會(huì)話從切換前網(wǎng)絡(luò)中的接入點(diǎn)轉(zhuǎn)移至目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中的新接入點(diǎn)。垂直切換要保證與底層接入技術(shù)的無關(guān)性。鏈路層的垂直切換技術(shù)以通用鏈路層(GLL)為代表。GLL可以看作在原有的協(xié)議層上增加的一個(gè)新的通信層，用來為不同的無線接入機(jī)制提供統(tǒng)一的鏈路層數(shù)據(jù)處理功能。引入通用鏈路層的好處主要是為提供給用戶更好的服務(wù)質(zhì)量，并為在網(wǎng)絡(luò)間提高資源的有效利用提供基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)層的垂直切換技術(shù)以移動(dòng)IP(Mobile IP，MIP)為代表。MIP從路由角度解決移動(dòng)性的問題，是目前在網(wǎng)絡(luò)層支持終端移動(dòng)性的典型協(xié)議，也因此可以作為網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)垂直切換的典型技術(shù)。傳輸層的垂直切換技術(shù)分為兩類。一是基于TCP(Transmission Conirol Protocol，傳輸控制協(xié)議)的改進(jìn)。二是提出新的、支持切換的傳輸層協(xié)議。移動(dòng)SCTP是這類技術(shù)的代表，通過多家鄉(xiāng)性和動(dòng)態(tài)地址配置特性，在傳輸層實(shí)現(xiàn)端到端的移動(dòng)性支持?，F(xiàn)有研究包括mSCTP實(shí)現(xiàn)垂直切換的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、信令流程及性能仿真和分析。應(yīng)用層的垂直切換技術(shù)以會(huì)話初始協(xié)議(SIP)為代表，利用SIP對呼叫過程中終端移動(dòng)性的支持實(shí)現(xiàn)垂直切換。異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)間垂直切換的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)出合適的切換算法，以滿足用戶在不同狀態(tài)下的QoS要求垂直切換算法的關(guān)鍵是要解決跨異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換過程中非期望的數(shù)據(jù)傳輸性能下降(包括數(shù)據(jù)丟失)和切換時(shí)延的問題。因此，垂直切換算法主要包括切換時(shí)刻的判決和切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的選擇兩方面?，F(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)的切換算法主要是為同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的語音業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)的，語音業(yè)務(wù)一般使用電路交換，其允許短暫錯(cuò)誤的發(fā)生，切換算法的目標(biāo)是有較低的呼叫阻塞率和強(qiáng)迫中止率，同時(shí)要滿足絕對時(shí)延限制的要求。下一代網(wǎng)絡(luò)不僅僅網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是異構(gòu)的，而且業(yè)務(wù)類型將更多趨向基于IP的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)不能容忍錯(cuò)誤的發(fā)生，對時(shí)延限制的要求通常是統(tǒng)計(jì)意義上的平均時(shí)延。用于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的切換算法的目標(biāo)除了保證平均時(shí)延要求外，更主要的是降低丟包率以實(shí)現(xiàn)無損切換。下面將首先介紹經(jīng)典的基于接收信號(hào)強(qiáng)度的水平切換算法及其改進(jìn)算法，然后討論了該類算法在垂直切換中的不足并總結(jié)了垂直切換算法的要求，最后介紹了目前廣泛研究的多屬性垂直切換決策算法。(l)基于接收信號(hào)強(qiáng)度的切換算法在無線網(wǎng)絡(luò)中信號(hào)質(zhì)量及其相關(guān)信息在切換觸發(fā)中有著重要意義，因此有大量基于接收信號(hào)強(qiáng)度(RSS，Received Signal Strength)的切換觸發(fā)模型及相關(guān)分析。用戶終端通過采集接收信號(hào)強(qiáng)度差值來觸發(fā)切換。研究表明，僅使用作為切換決策依據(jù)容易導(dǎo)致切換過程中的乒乓效用，為此研究者們提出了遲滯電平(Hysteresis)和駐留時(shí)間(Dwelling Timer)兩種改進(jìn)算法。試驗(yàn)表明，基于遲滯電平的方法在移動(dòng)終端處于高速狀態(tài)下會(huì)取得相對較好的性能，而基于駐留時(shí)間的方法在移動(dòng)終端處于低速狀態(tài)下可取得較好的性能。因此，有研究者將二者結(jié)合進(jìn)一步提出自適應(yīng)的算法。該算法實(shí)際上是對駐留時(shí)間設(shè)置的折衷考慮，如果時(shí)間間隔太短，則不能有效消除信號(hào)波動(dòng)，如果時(shí)間間隔太長，會(huì)增加切換時(shí)延。雖然基于接收信號(hào)強(qiáng)度的切換算法包括了切換時(shí)刻的判決和切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的選擇，但是其對目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的選擇是簡單機(jī)械的，只比較接收信號(hào)強(qiáng)度值(或由接收信號(hào)強(qiáng)度所映射的網(wǎng)絡(luò)屬性值)的大小并根據(jù)其變化進(jìn)行切換時(shí)刻的判決，而未考慮其它因素的共同影響。因此該類算法一般只適用于水平切換。另一方面，對于水平切換，由于是同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，不存在目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的選擇，只是目標(biāo)小區(qū)的選擇，因此水平切換算法強(qiáng)調(diào)的是對切換時(shí)刻的判決，由于各蜂窩小區(qū)的重疊區(qū)域范圍是有限的，切換時(shí)間過于提前，可能目標(biāo)小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度較小，鏈路質(zhì)量不穩(wěn)定，而切換時(shí)間過于滯后，則可能原小區(qū)的信號(hào)衰減過大，甚至低于接收門限值，上述兩種情況都會(huì)引起通信性能下降甚至通信強(qiáng)迫中斷。異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中的垂直切換與水平切換有著本質(zhì)區(qū)別，對于垂直切換，其強(qiáng)調(diào)的不是物理鏈路切換，而是強(qiáng)調(diào)高層邏輯接口切換，其著眼點(diǎn)不是依據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行切換判決，而是依據(jù)用戶需求、業(yè)務(wù)類型、網(wǎng)絡(luò)屬性和狀態(tài)、移動(dòng)終端狀態(tài)等多方面因素進(jìn)行切換判決。垂直切換算法的關(guān)鍵是對異構(gòu)的切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的選擇。在水平切換中，切換目標(biāo)小區(qū)的選擇必須是最佳的，而垂直切換算法的目標(biāo)是要選擇最合適的網(wǎng)絡(luò)而非性能最佳的網(wǎng)絡(luò)為切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，其需要進(jìn)行多屬性切換。由于垂直切換決策是多標(biāo)準(zhǔn)決策問題，決策中涉及的因素多樣化、度量值又各不相同，如何根據(jù)這些因素進(jìn)行統(tǒng)一、綜合的決策和判斷，研究者們提出了各種不同的方法。下面介紹一些經(jīng)典垂直切換算法:(2)多屬性垂直切換決策算法①基于簡單加權(quán)和的方法這種方法采用各種因素的線性組合，為決策中要涉及的每種因素分配相應(yīng)的權(quán)重值，選擇加權(quán)和最高的網(wǎng)絡(luò)為切換的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)?？墒剑?1）如表示為: 式（21）其中，是垂直切換決策涉及的因素i對應(yīng)的度量值，為其相應(yīng)的權(quán)重值②基于模糊推理的方法由于垂直切換決策中涉及的因素多，其中一些難以量化，可以采用基于模糊推理的方法進(jìn)行決策。將切換決策中需要考慮的因素作為模糊推理系統(tǒng)的輸入，首先經(jīng)過模糊化，然后根據(jù)規(guī)則庫中定義的對應(yīng)不同輸入組合的規(guī)則，得到模糊化的切換決策結(jié)果，再經(jīng)過決策結(jié)果的解模糊，得到是否執(zhí)行切換的最終決策結(jié)果。③基于策略的方法基于RFc2753中定義的策略框架結(jié)構(gòu)，包括策略數(shù)據(jù)庫(Policy DB)、策略執(zhí)行點(diǎn)(PEP，policy Enforeement Point)和策略決策點(diǎn)(PDP，Poliey Deeision Point)等主要部分。根據(jù)策略庫中所定義的策略和規(guī)則，由PDP進(jìn)行切換決策，PEP負(fù)責(zé)執(zhí)行PDP和PEP是駐留在某網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的功能模塊。對于NCHO和MAHO方式，該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)，對于MCHO方式，則是移動(dòng)終端。④基于層次分析法(AHP，Analytieal Hierarehy Proeess)的方法層次分析法是多屬性決策中的常用方法之一，將之應(yīng)用于垂直切換決策，包括以下幾個(gè)步驟:首先將切換決策目標(biāo)分解成若干準(zhǔn)則，并與可用網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層的層次結(jié)構(gòu)。然后，構(gòu)造各個(gè)準(zhǔn)則之間的兩兩比較矩陣，并據(jù)此計(jì)算各個(gè)決策因素的相對權(quán)重。最后計(jì)算每個(gè)可用網(wǎng)絡(luò)所對應(yīng)的加權(quán)和，并據(jù)之選擇切換的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。 第三章 垂直切換算法仿真設(shè)計(jì)移動(dòng)通信系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，為了對這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的性能進(jìn)行較為精確的描述，就需要通過仿真來模擬這個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部工作機(jī)制，模擬它所承載的業(yè)務(wù)，通過這種方式來觀察這個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。另外，仿真也可以用作理論研究的輔助工具之一。利用仿真對新的算法和方案作定性或定量的分析。通信系統(tǒng)仿真通常分為鏈路級(jí)仿真與系統(tǒng)級(jí)仿真兩大類。鏈路級(jí)仿真關(guān)注的是基站和移動(dòng)終端之間的單一通信鏈路。系統(tǒng)級(jí)仿真的主要目的是系統(tǒng)容量分析和網(wǎng)絡(luò)覆蓋:規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。分析各種技術(shù)如干擾消除、切換對系統(tǒng)性能的影響；各種無線資源管理策略和算法性能的驗(yàn)證和改進(jìn)等等。好的鏈路級(jí)性能是達(dá)到好的系統(tǒng)級(jí)性能的必要條件但并不是充分條件。系統(tǒng)級(jí)性能與很多因素有關(guān)，例如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)選擇、用戶特性和業(yè)務(wù)特性等。無線資源管理(RRM)算法也對系統(tǒng)級(jí)性能起著至關(guān)重要的作用，例如接入控制!功率控制、調(diào)度算法、資源分配算法和切換策略等。系統(tǒng)級(jí)仿真的優(yōu)越性在于，通過仿真的方法可以快速而且低成本地預(yù)測系統(tǒng)的性能，降低風(fēng)險(xiǎn)。需要指出的是，為了系統(tǒng)的簡化和仿真時(shí)間上的考慮，系統(tǒng)級(jí)的仿真一般是上行和下行分離的，這在一定程度上限制了仿真的真實(shí)性。本文通過MATLAB工具對垂直切換機(jī)制進(jìn)行模擬。MATLAB是一種用于工程計(jì)算的高性能語言，它集中了計(jì)算功能、數(shù)據(jù)可視化功能和程序設(shè)計(jì)功能。在MATLAB中，由于其代碼編寫過程與數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程都采用習(xí)慣的數(shù)學(xué)描述方法，所以編程更加直觀和方便。MATLAB是一種以數(shù)組和矩陣為元素的工程計(jì)算語言，主要包括以下幾個(gè)部分:MATLAB語言!MATLAB工作環(huán)境、MATLAB句柄圖形控制系統(tǒng)、MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫、MATLAB工具箱和MATLAB的應(yīng)用程序接口。該軟件的主要特點(diǎn)為:(1)語言簡潔，代碼靈活，有著極其豐富的庫函數(shù)資源在程序設(shè)計(jì)中該軟件對代碼的書寫形式?jīng)]有嚴(yán)格的限制，同時(shí)利用豐富的庫函數(shù)簡化了子程序的編寫任務(wù)，利用極其豐富的庫函數(shù)可以使程序開發(fā)避免繁雜的子程序編程任務(wù)。同樣，由于庫函數(shù)都是由本領(lǐng)域的專家編寫，從而也避免了一些不必要的錯(cuò)誤，用戶不必?fù)?dān)心函數(shù)的可靠性問題。(2)豐富靈活的運(yùn)算符由于該軟件是用C語言開發(fā)出來的，因此該軟件提供了和C語言幾乎一樣多的運(yùn)算符，靈活使用這些運(yùn)算符將使程序變得極其簡短和靈活。(3)面向?qū)ο缶幊毯徒Y(jié)構(gòu)化的控制功能(4)程序設(shè)計(jì)自由度較大(5)程序可移植性好(6)強(qiáng)大的圖形功能(7)擁有分門別類的工具箱(8)開放性的共享源代碼由于對垂直切換機(jī)制的模擬需要通過大量的計(jì)算來完成，并且需要通過圖形來描述用戶切換次數(shù)、傳輸時(shí)延和服務(wù)速率，這樣M戶TLAB就成為了本研究中最好的模擬工具。論文的系統(tǒng)仿真用到了MATLAB的數(shù)值計(jì)算，程序編輯和調(diào)試，圖形處理等功能。(1)靜態(tài)仿真又稱“快照法抓拍法”。其原理是采用蒙特卡羅(Monte Carlo)方法，像用一部照相機(jī)對一個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行靜態(tài)的多次快照式抓拍再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。靜態(tài)仿真時(shí)，每間隔一段時(shí)間進(jìn)行一次快照抓拍，這樣每次抓拍是獨(dú)立的。每次抓拍中，移動(dòng)臺(tái)隨機(jī)分布于服務(wù)區(qū)中，通過迭代方式計(jì)算功率、干擾等指標(biāo)，并記錄下該瞬間的服務(wù)質(zhì)量。將多次獨(dú)立抓拍的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，其精度主要決定于抓拍的次數(shù)，次數(shù)過少，可信度就低，然而次數(shù)過多，復(fù)雜性又大大增加，因此必須適當(dāng)選取抓拍次數(shù)。在靜態(tài)仿真中時(shí)間是固定的，因此仿真速度較快仿真也比較容易。在靜態(tài)仿真的快照中不能仿真移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)等，因而需要通過一個(gè)動(dòng)態(tài)的仿真過程得到統(tǒng)計(jì)平均影響，然后在靜態(tài)仿真中加入這些因素對網(wǎng)絡(luò)的平均影響。(2)動(dòng)態(tài)仿真動(dòng)態(tài)仿真是一種通過在連續(xù)時(shí)間上模擬移動(dòng)臺(tái)在網(wǎng)絡(luò)中的狀態(tài)來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析的方法它在連續(xù)時(shí)間上進(jìn)行仿真，并且此次的結(jié)果不依賴與前一個(gè)時(shí)間的結(jié)果。動(dòng)態(tài)仿真是一段連續(xù)時(shí)間內(nèi)對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的詳細(xì)描述，它考慮了無線資源管理命令的過程，以及業(yè)務(wù)的生成與結(jié)束過程。動(dòng)態(tài)仿真對于移動(dòng)臺(tái)側(cè)來說是用戶的業(yè)務(wù)過程以及狀態(tài)的仿真，對于網(wǎng)絡(luò)側(cè)來說是實(shí)時(shí)的無線資源管理仿真。動(dòng)態(tài)仿真可以較真實(shí)的反映用戶在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)行狀況，但該仿真具有較高的復(fù)雜度和需要較長的計(jì)算時(shí)間。動(dòng)態(tài)仿真與靜態(tài)仿真相比具有以下優(yōu)點(diǎn):可以更為精確地體現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征?？梢暂^準(zhǔn)確地模擬切換過程；可以更好地分析、檢驗(yàn)和改進(jìn)各種復(fù)雜的無線資源管理算法。(3)靜態(tài)分析靜態(tài)分析是使用確定的算法分析網(wǎng)絡(luò)的性能，重復(fù)這個(gè)分析過程會(huì)得到相同的結(jié)果。靜態(tài)分析法由于不去考慮仿真中涉及的所有因素，它可以快速的得到分析結(jié)果。因而靜態(tài)分析也可以在仿真之前進(jìn)行，從而得到對系統(tǒng)的一個(gè)初步估計(jì)。(4)事件仿真事件仿真中模擬了移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)性以及業(yè)務(wù)過程，同時(shí)業(yè)務(wù)質(zhì)量也被反映出來。與快照方式的靜態(tài)仿真相比，這種方法涉及到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程，例如用戶的移動(dòng)性等。與動(dòng)態(tài)仿真相比，事件仿真的時(shí)間采樣率要低，只是在事件發(fā)生的指定時(shí)間進(jìn)行仿真，對于業(yè)務(wù)過程的仿真也較動(dòng)態(tài)仿真低。兩種網(wǎng)絡(luò)共存的結(jié)構(gòu)模型示意圖如圖31所示，其中紅色圓圈部分為WIMAX熱點(diǎn)區(qū)域。LTE基站和WIMAX基站通常位于不同地點(diǎn)，分別如圖中點(diǎn)A和點(diǎn)B所示，分析方便，假設(shè)多模終端C沿著麗方向，以速度v移動(dòng)。當(dāng)C位于圖中的白色區(qū)域時(shí)，只能連接到LTE網(wǎng)絡(luò)，不需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)選擇。當(dāng)C位于灰色區(qū)域時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)要求，選擇連接到LTE網(wǎng)絡(luò)或WIMAX網(wǎng)絡(luò)。ACBWimaxLTEBSBS圖31 LTE和WIMAX共存結(jié)構(gòu)模型示意圖本文重點(diǎn)研究基于接收信號(hào)強(qiáng)度的切換算法。收到的信號(hào)強(qiáng)度直接反映了話音傳輸?shù)馁|(zhì)量。因此,依據(jù)信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行判決是一種常用基準(zhǔn)?；谇叭搜芯砍龅南旅媪鶊D加上自己對原有和自己程序的理解進(jìn)行圖的具體分析。本算法的講得就是根據(jù)它測量的是BS接收到的移動(dòng)臺(tái)信號(hào)的強(qiáng)度,當(dāng)測量值低于規(guī)定值時(shí)候, LTE和WIMAX兩網(wǎng)垂直切換程序啟動(dòng)，分別仿真出兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)間變化的接收信號(hào)強(qiáng)度變化圖和切換標(biāo)志變化圖。 LTE和WIMAX垂直切換仿真結(jié)果和分析算法涉及到的仿真包括：1. 接收信號(hào)的強(qiáng)度的設(shè)計(jì)。2. 大尺度衰落：路徑損耗。3. 小尺度衰落：利用jakes模型進(jìn)行仿真。4. 參數(shù)有：移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度為10m/s。LTE的載波頻率是2000MHz，Wimax的載波頻率是2500MHz，發(fā)射