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1、前言随着通信技术、计算机技术、集成电路的进步，以及人类对信息通信需要求的扩张，用户对移动性的而垂直切换又作为无线异构网的基要求越来越高，大量的PC机、笔记本、PAD、智能手机、传感器等各类终端，提出了包括目前的移动电话到移动上网、移动商务、移动计算等一系列新需求。未来的信息通信社会中，移动性的目标就是要实现“5W”通信 ，即任何时候、任何地方、与任何人 以及相关的物进行任何形式的通信。为了 适应不同的需求，各具特色的无线接入网络技术层出不穷，包括无线个域网、无线局域网、无线城域网、无线广域网、卫星网络，以及Ad Hoc网络、无线传感器网络等无线基础设施网络。在这些应用背景、目标、发展方向、系统
2、结构覆盖范围、通信协议、链路特性、应用场景和业务提供能力等方面各不同的异构接入网络，以及未来可能应新的需求产生的各种新型接入网络技术，共同为用户提供广泛在的接入网络环境。用户可以通过多模终端、或通过基于软件无线电技术的共享MAC层协议实现跨频接入、或通过多个终端构成个域网的技术，实现多种渠道的信息传递和通信。为了满足用户的移动性需求，向用户提供跨泛在、异构网络的无缝业务，支持用户跨泛在、异构网络的无缝漫游和切换，支持泛在、异构的移动性管理技术成为未来基于全IP架构的泛在网络中必须解决的问题。 移动性管理技术最初源自蜂窝移动通信网络。在技术演进过程中，未来的移动性管理技术所涉及的研究背景扩展至各
3、种无线接入技术在内的泛在、异构网络环境。同时，业务、网络、终端之间的关系也经历了从独立到融合再到协同的发展过程。这些研究背景的变迁也给移动性管理技术带来了全新的挑战。 切换历来是移动性管理中的关键技术之一，跨越异构接入网络的垂直切换更是未来泛在网络移动性管理中的研究重点，用于保证用户跨越异构网络移动时的会话连续性。在未来泛在、异构的网络环境中，切换种类也由于网络的异构性、应用场景的多样性而变得丰富多彩，并且具有了一些新的特征，例如，允许用户根据个人偏好或QoS的考虑主动发起切换，切换中允许用户参与控制等。本文用三章对无线异构网中的垂直切换技术中的切换规则进行了阐述，第一章主要介绍无线异构网，对
4、无线异构网进行了综述，并提出现在遇到的一些问题，最后对未来无线异构网的发展进行了阐述；第二章介绍移动性管理技术，明确垂直切换技术在其中的地位和作用；第三章介绍无线异构网中的垂直切换技术以及垂直切换的最优算法。第一章 无线异构网1.1无线异构网的简介 随着人类社会和经济的不断发展，信息交换和传输已经成为人们生活中与衣食住行一样必不可少的部分。为了实现此目的，无线通信技术在近20年内呈现出异常繁荣的景象，也带来了多种类型无线通信网络的发展和共存，这些无线通信网被统一称为无线异构网络（wireless heterogeneous network）。 目前已经有不少于25种的无线异构网络投入商用，为人
5、民提供无线通信服务，其中包括GSM、RPRS、EDGE、WMTS、CDMA2000、HSDPA、IEEE802.11a/b/g/n、WIMAX、DECT蓝牙、RFID、UWB、T-DMB、DVB-T、DVB-H以及其他技术等。此外，还有层出不穷的无线通信系统即将或在不远的未来进入商用，如802.20/802.16M、wirelessHD、LTE、4G和无线传感网络等。各种无线异构网络的发展如图1所示，这些无线异构网络面向不同的应用场景和目标用户，在全球不同地区和国家有着广泛的市场应用，尤其是GSM/GPRS/EDGE/UMTS/CDMA2000/PHS/WLAN和WIMAX等无线网络，已经给全
6、球的电信用户带来了丰富多彩的通信体验。但是由于这些网络各自的技术特点，他们从底层的接入方式到高层的资源管理与控制等技术都不尽相同，彼此互不兼容，给用户和电信运营商带来了很多烦恼：用户要写到适用于不同网络的终端，正在进行的业务不能在不同的网络间保持连续；运营商们则要为如何整合网络资源、降低运营成本和提高客户满意度大伤脑筋。1.2 无线异构网面临的问题与挑战 针对不同的无线频段特性、迥异的组网接入技术和多样的业务需求，不同无线技术所使用的空中接口设计及相关协议在实现方式上具有差异性和不可兼容性。这也使得目前各种无线异构网络和通信系统面临一系列的问题与挑战，主要体现在频道资源、组网接入技术、业务需求
7、、移动终端和运营管理等方面。 以上几个方面交叉联系、相互影响，构成了无线网络的异构性，也对网络的稳定性、可靠性和高效性带来了挑战，这种异构性带来的移动性管理技术、端到端的QoS保证、和安全性能是为了无线通信系统亟需解决的问题。1.2.1 移动性管理技术 移动性管理技术，尤其是切换技术，是实现异构网融合的关键技术之一。过去对切换管理技术的研究多集中在单一通信系统内，从用户的主角出发，主要保证语音业务和低速率业务的延续性和可靠性。在异构网络环境下，还需要从网络的角度重新设计切换管理方案，以实现网络之间和网络资源以满足用户对多业务的需求。因此，如何设计出高灵活性、低复杂度的网络结构和综合考虑多种异构
8、网络参数的切换算是当前研究的重点和难点。1.2.2 端到端的QoS保证 由于异构网络的融合是完全基于IP的，因此对于任意具有IP互联能力的通话终端，端到端的呼叫不仅会跨越不同所有者的网络，采用不同接入技术，而且不同网络的QoS支持能力与QoS控制策略可能在呼叫发起之前获知。因此，在异构移动网络中提供完善的端到端QoS保证首先需要提供基于IP的QoS协商与联合资源分配机制，另外，不同网络的QoS信息应该能够在同一体系中被表示与计算。可以引入跨层的反馈交互机制，最终实现自适应的端到端QoS保证。 异构环境下具备QoS保证的关键技术研究，无论是优化异构网络的资源，还是对接入网络之间协议同工作方式的设
9、计，都是非常重要的，已成为异构网络融合的重要研究内容。目前的研究主要集中在呼叫接入控制、垂直切换、异构资源分配和网络选择等资源管理算法方面。 传统移动通信网络的资源管理算法已经被广泛地研究并取得了丰硕的成功，但是在异构网络融合系统中的资源管理由于网络的异构性、用户的移动性、资源和用户需求的多样性和不确定性，给该课题的研究带来了极大地挑战。1.2.3 安全问题 同所有的网络一样，安全问题同样式无线异构网络发展过程中所必须关注的一个重要问题。异构网络融合了各自网络的优点，也必然将相应缺点带进融合网络中。异构网络除存在原有各自网络所固有的安全需求外，还将面临一系列新的安全问题，如网间安全和安全协议的
10、无缝衔接，以及提供多样化的新业务所带来的新的安全需求等。1.3 无线异构网之间的协作 未来的移动通信将为用户提供多层次的服务，具备如下特征：是一个开放的系统，不但网络运营商和服务商可为用户提供服务，终端用户也可为其他用户提供服务；网络运营商们可以通过协商实现频谱资源的动态分配，提高频谱的利用率；用户可以无缝的漫游与多运营商和多种无线及接入的环境中，以最优的价格，获得满意的服务；服务商将得益于用户群的扩大，在提供需求服务的同时，获得大的收益。 目前无线通信的形式种类繁多，各具特点，但却没有一种单一的无线通信方式能够为用户提供一个高带宽、广地理覆盖以及综合了语音、数据和 多媒体业务的综合网络。因此
11、，未来的通信网络必然是一个异构型的体系结构，各种无线接入网通过多种不同的接入技术接入到基于全IP化的公共核心网。 异构网络的融合可极大地提升单个网络的性能，在支持传统业务的同时也为引入新的服务创造了条件，这种技术已经成为支持异构互连和协调应用的新一代无线移动网络的热点技术。1.3.1 3G与WLAN的融合 3G网络采用宏区、微区和微微区的分层结构，每个区又采用多载频技术。微区和微微区的基站采用小区扇形极化和多输入技术，可以在较小覆盖区内提供额外信道容量，解决用户高速率视频流业务的增长。3G通用移动通信系统的3GPP组织启动3GPP/WLAN交互结构作为3GPP的附加标准，给3GPP用户提供公众
12、无线局域网接入业务。WLAN采用小区扇形极化和MIMO技术，可在室内50米或室外100米半径覆盖区内提供额外信道容量，WLAN的主要优点是配置低，无线接入成本仅占3G基站的很小一部分，有力地促进了无线接入市场的发展。 3G/WLAN双模终端可提供无处不在、带宽可变、可保证QoS的多种高速率业务。3G网络和WLAN的主要区别是终端在移动条件下，3G终端可广泛地进行配置，而WLAN终端的配置受位置和移动速度的影响。对于电信运营商来说，WLAN的定位主要是作为高速有线接入技术的补充，逐渐也成为蜂窝移动通信的补充。同时，WLAN与蜂窝移动通信也存在少量的竞争。一方面，用于WLAN的IP话音终端已经进入
13、市场，这对蜂窝移动通信有一部分替代作用。另一方面，随着蜂窝蜂窝移动通信部分取代。但总体来说，二者是共存的关系，就目前而言，3G网络提供语音业务，而WLAN主要提供数据业务，二者具有一定的互补性。目前欧洲电信标准化组织和其它一些标准化组织已经对蜂窝通信网络与WLAN的融合进行了相应的研究。例如WLAN的标准化组织联立了联合无线互通工作组来处理蜂窝通信网络与WLAN的互通机制。大量的标准化活动由3GPP来实现，旨在促进蜂窝通信网络与WLAN技术互通的标准化进展。1.3.2 TD-SCDMA 与WIMAX（全球微波互连技术）的融合 TD-SCDMA是具有中国自主知识产权的3G技术，有巨大的国内市场为
14、支持，拥有较宽松的国内和国际频谱资源以及包括TDD自身优势在内的先进的系统结构等以系列优势。而WIMAX最主要的优势在其成熟的产业链及芯片技术的支撑。因此从宽带无线移动通信的中长期目标来看，推进TD-SCDMA和WIMAX的互补、融合及合作共赢工作，有重要的现实价值与战略意义。TDSCDMA和WiMAX系统在底层技术巨大的差异。WiMAX技术采用的OFDMOFDMA/MIMO技术等，已经是LTE及4G系统公认的先技术。同时，WiMAX技术的商用实施在LTE之前，这就为同是TDD方式的TDSCDMA向LTE演进提供了难得的经验。TDSCDMA和WiMAX网间有很强的互补性，若TDSCDMA能在保
15、持自己势技术的同时，吸收融合WiMAX的先进技术，使得两者技术互相融合和促进，则有望加速推动TDSCDMA由3G系统向E3G以及未来的4G系统的演进，为用户提供更高品质的服务。当然，这种技术融合的过程是长期的。就TD-SCDMA与WiMAX的较低层次的协同融合而言，首先可按ETSI提议的松、紧耦合模式进行构网络融合。对松耦合模式，WiMAX系统网关可通Gi接口与TDSCDMA系统相连接；对紧耦合模式，WiMAX通过Gb接口与TDSCDMA系统相连时整个系统屏蔽了WiMAX特性，把WiMAX视为个单独的基站子系统。WiMAX系统可直接使用些标TDSCDMA的鉴权、计费和认证子系统协同工作。TDS
16、CDMA与WiMAX都是基于TDD方式为空中接口的融合提供了一定的可行性保障。如果了联TDSCDMA能够成功吸收WiMAX的先进技术，并在此基础上继续对其他先进技术博采众长，形成以主要TDDOFDM等技术为主要特征的、并与其它各种先蜂进技术有机结合的底层关键技术，可大幅度提升系统的性能，支持更高速率的数据服务、更高质量的实时语音服务以及更高的用户移动性，顺利完成中国自己的E3G、LTE和4G的演进。目前，3GP技工作组、TDSCDMA论坛和WiMAX论坛网络工作组都在研究TDSCDMA以及3G与WiMAX合的方案，以提高TDSCDMA与WiMAX之的性能。1.4未来无线异构网的发展趋势随着无线技术的迅速发展，未来通信网络越来越发异构化，各网络将经历从隔离到互通、从互通到协同的演进，通过网络间的融合与协助，对分离的、局部的优势能力与资源进行有序的整合，最终使系统拥有自愈、自
