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1、华中科技大学博士学位论文异构无线网络中切换技术研究姓名：贺锋申请学位级别：博士专业：信息与通信工程指导教师：黄本雄20090519I华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 摘摘 要要 随着 2G、3G 蜂窝无线网络以及 WLAN 和 WiMax 在世界范围内的广泛使用，下一代的无线网络必将是多种无线网络并存的异构网络。由于各种网络特性的较大差异，每种网络都有各自的适用业务和应用场合。如何充分利用泛在异构网络可能带来的比单一网络更好的服务成为异构网络概念提出以来的众多研究者追求的目标。异构网间的垂直切换、同构网内水平切换是移动通信中移动性管理的重要研究内容。下一代
2、的异构无线网络被广泛认为是基于 IP 核心网的松耦合架构。垂直切换决策的方式也从网络集中控制转到分布式的移动终端控制。本文分别研究了基于这样的异构网络架构下最佳网络选择和切换判决的问题。 异构网络的垂直切换问题比单一网络的切换更为复杂。垂直切换过程总体上可以分为最佳网络选择、切换判决以及切换信令协议交互三个主要步骤。最佳网络选择依据的是一些相对长期的网络性质参数，包括各网络的资费、带宽、端到端时延、安全性等。这些因素与终端的运动、所处的位置、无线信号的传播环境的短期变化关系不大。而在切换判决算法里主要考虑的是移动终端在短期内接收到的无线信号强度因为终端的移动和衰落而带来剧烈变化而引起的乒乓切换
3、和可能的连接中断问题。 网络条件、终端状态、用户意愿三方面是最佳网络选择决策必须要考虑的因素。这三方面的因素有任何的改变都可能重新触发一次网络选择。本文分析了现有异构无线网络最佳网络选择算法各自的特点及其不足，提出了资费敏感的最佳网络选择机制。在网络选择算法里没有加入信号强度变化情况，而将信号强度变化作为切换判决算法考虑的问题。针对资费这个特别的因素，本文设计了一个用户最大可接受费用等级参数，由用户直接输入相关费用控制参数，做到精确反映用户对于网络使用资费的承受能力。在对网络质量参数进行归一化量化比较时结合用户实际使用业务的内在 QoS 需求，提出了分段模糊归一化策略。归一化函数采取了根据用户
4、的业务实际 QoS 内在要求进行分档记分、超出业务实际需求的网络质量参数进行“封顶”II华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 的方式，保证了量化过程中各网络参数对决策结果贡献度的公平性。 本文详细分析了切换的判决问题。由于来自同一网络内不同基站或不同网络的基站信号强度因为距离和衰落的不同而不断变化，这使移动台需要不断改变服务基站以保持连接不被中断，同时又必须尽量减少乒乓切换的次数。切换判决要解决网络选择选定最好网络之后，何时发起切换到哪个邻小区的问题。在异构网络环境下，这邻小区也可能是异网的小区。由于传统纯粹基于接收信号强度的切换判决算法性能不佳，主要体现在过
5、多的乒乓切换，过多的频繁切换；不仅使系统信令负荷加重，切换时延也使用户得到的服务质量下降。在异构网络环境下，网间切换的时延和信令负荷比单一网络内的切换要大得多，切换判决的性能问题因此尤为突出。本文在分析了传统切换判决算法的不足之处基础上，提出利用已越来越普遍集成到移动终端的 GPS（Globe Positioning System）模块获取精确的位置、运动方向和速度信息，结合事先下载的运营商基站覆盖信息实现一种高效的切换。为了能够真正实现基于覆盖已知的切换，本文分析了无线传播的模型及其校正方法，并提出了计算小区边界的方法。仿真实验证明在相邻小区都对小区边界达到充分覆盖的条件下切换判决的性能相对
6、于传统纯粹基于接收功率的切换算法有显著提升。通过实测联通在华中科技大学西区的覆盖情况，证实了提出的算法在现网覆盖情况下的实用性。 针对于移动终端不具备 GPS 定位功能或在不能接收到 GPS 卫星信号的时候， 本文提出一种基于离基站距离和运动速度辅助的切换判决算法 (Distance and Velocity Assisted Handoff Decision Algorithm, DVAH )。根据移动终端的接收信号强度和当前小区无线传播模型参数，可以算出移动终端与基站的距离。由于慢衰落的影响，此估算的距离与实际可能会有很大差距。按一定的间隔不断采样接收信号强度 （包括当前基站以及各相邻基站
7、）同时按照传播模型转换成与基站的距离，对此距离进行直线拟合则可以得到两个估计参数：一个是初始距离1d，另一个是终端离开基站速度 v。DVAH 算法将估计得到的这两个参数结合小区的覆盖地图辅助进行切换判决。仿真实验证明 DVAH 的切换性能要明显好与纯基于接收信号强度的切换算法。 关键词：关键词：异构无线网络 垂直切换 网络选择 切换判决 III华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 Abstract With the deployment of 2G and 3G cellular networks and WLAN, WiMax world widely, t
8、he next generation wireless networks are envisioned as heterogeneous networks with all sorts of wireless networks coexisting. For the diversity of these networks, each network has its in point applications and scenarios. How to fully utilize ubiquitous hete-rogeneous networks potential advantages ha
9、s become many research personnels pursued goals. Vertical handoff among heterogeneous networks and horizontal handoff are impor-tant contents of mobility management in mobile communications. Next generation wire-less networks have been envisioned with all-IP-based loose-coupled architecture. Vertica
10、l handoff decision manner has transformed from network-controled to terminal-controled. In this thesis, we have studied the best network selection and handoff decision problems. Vertical handoff problem is more complex then horizontal handoff. Vertical handoff whole process can be divided into three
11、 main steps: best network selection, handoff deci-sion and handoff signalling protocol interworking. The factors that contribute to best net-work selection are relatively long time network characteristics, including money cost, bandwidth, end to end delay and security etc. These factors have low cor
12、relation with mo-bile terminals velocity, position and environments short time variable. While the main considerations of handoff decision are the ping-pong handoff and possible outages caused by drastic change of received signal strength (RSS) for the movements and fading. Network condition, termin
13、al and user perferences must be considered in best network selection decision. Any change in above three aspects may trigger one time network rese-lection process. This thesis analyses the features and drawbacks of published best network selection schemes and proposes a cost sensitive best network s
14、election scheme. The RSS changes have not been added into this selection scheme, but are considered in handoff de-cision algorithm. According to this special money cost factor, we design a user accepted maximal cost level parameter, this parameter is inputted by user to accurately fit users demand i
15、n cost. A fuzzy segmental normalization policy has been proposed when calculate the quality function value of different networks. The inner QoS demands of the application are considered in the marks of relative quality parameters. This normalization means has IV华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 go
16、od fairness among all networks quality parameters. This thesis analyses handoff decision problem. Because the RSSs that are from dif-ferent base stations vary greatly by distance and fading, mobile terminal has to keep con-nected and minimize the ping-pong times. Handoff decision should decide when to trigger the handoff and which is the best objective base station among many available base sta-tions . For the traditional handoff decision algorithms have poor performance, for
