《集成Ad Hoc和移动蜂窝网络系统的切换算法》由会员分享，可在线阅读，更多相关《集成Ad Hoc和移动蜂窝网络系统的切换算法（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、摘要:传统切换算法不能适应多准则切换的要求，基于多准则切换算法的实现越来越重要， 必须发展新的技术来提高切换算法的有效性，在用户满意度和网络效率间形成平衡。智能和 优化切换算法对像集成自组网(Ad hoc)和蜂窝网络结构的混合网络具有很好的适应性和鲁 棒性，能够根据未来混合网络中的各种业务类型的服务质量需求、网络状态以及移动节点条 件等多种因素的变化进行自适应切换，可以运用这些智能优化算法来进行更加有效的切换判 决，从而提咼系统的性能。更进一步的研究方向是在集成Ad hoc和蜂窝网络的环境下，使 用智能或优化技术设计垂直切换算法来提高系统整体性能。蜂窝网络能够提供普遍的覆盖和高的移动性支持，而
2、自组织(Ad hoc)可以在通信热点 地区提供高的数据传输速率。因而蜂窝网络和Ad hoc被认为是两种互补的系统。将这两种 网络相互融合可以提高各自的性能。通过Ad hoc中继，相当于延伸了蜂窝网的空中接口， 从而扩展了蜂窝网的覆盖范围；由于可以通过多跳中继接入蜂窝网络，从而可以减小移动终 端的发射功率；通过中继可以减小小区间和小区内的干扰，从而可以提高系统的容量，解决 热点地区的负载均衡问题。图1显示了集成Ad hoc和移动蜂窝网络的一些场景。图1中的移 动节点可以通过两跳中继的方法接入基站，场景1的移动节点通过中继可以减少发射功率， 并且可以提高它的数据传送速率；而在场景2中处在死区覆盖范
3、围的节点可以通过中继节点 接入到基站中，从而延伸基站的覆盖范围，提高整个系统的稳定性和鲁棒性。为了在Ad hoc和移动蜂窝网络这种集成环境中为用户提供一个透明和自配置的服 务，需要解决一些特定的问题。一个基本的问题是选择何种技术(或通信接口)为一个特定的应用开始一个连接的建 立？另一个问题是何时转换一个运行中的连接从一个接口到另一个上(即垂直切换)。在支持 Ad hoc方式的蜂窝移动通信系统中，切换问题是系统实现的关键技术之一。由于蜂窝网络 和Ad hoc是两种不同类型的系统，在这种异类网络中进行切换比在一般的同类网络中切换 要复杂得多，需要考虑移动节点在何时进行切换以及进行何种类型的切换等问
4、题。移动用户 的档案(例如价格、数据传输率、电池寿命、业务类型和移动模式等)和网络状态(例如信号 强度、链路质量、可获得的带宽，拥塞状态等)可以用于帮助接入网的选择和切换。所以通 过设计有效的切换算法，除了可以满足用户需求的目标以外，对于特定技术的选择或执行一 个垂直切换的决定同样可以增强整个系统的性能或实现负载平衡的功能。1 Ad Hoc与蜂窝网络融合的研究现状随着移动通信技术的发展，网络正一步步向下一代移动因特网发展，即将蜂窝移动网 络、Ad hoc、无线局域网(WLAN)等无线网络和有线因特网连接起来为用户提供咏远在线”、 尽可能高速的数据速率以及动态的网络接入。Ad hoc网络和蜂窝网
5、络相结合后的无线网络 具有许多性能优势，因而也成为目前移动通信领域研究的热点之一。现阶段，对于无线网络 融合的研究主要集中在任意两种网络的融合，主要的研究方向是蜂窝网络和WLAN及蜂窝 网和Ad hoc的融合。其中，蜂窝网络和WLAN作为已经较成熟的网络是目前网络融合中比 较常用的方式，而蜂窝网络和Ad hoc的融合由于Ad hoc的自组织和自维护性能受到了广 泛的关注。目前，国内外的研究组织已经就Ad hoc网络(MANET)与蜂窝移动通信系统的结 合问题开展了一些研究1。随机驱动多址接入(ODMA)2 是在第三代移动通信系统中引入自组织网络的一种尝 试。由于信道的路径损耗，在蜂窝小区边界处
6、只能支持相对较低的传输速率，ODMA通过无 线传输的多跳中继能够将时分双工(TDD)系统的高速率覆盖扩展到小区边界，从而减少了传 输功率和共信道干扰，增加系统容量和提高小区边界无线传输的有效性。文献3中提出了 一种在蜂窝GSM系统中引入Ad hoc网络的A-GSM体系结构。在A-GSM系统中，通过增加 中继功能来扩大系统的覆盖范围，从而有效地解决死区的问题，提高了系统的容量和对错误 链路的鲁棒性。其基本思想类似于ODMA系统，所不同的是A-GSM支持移动节点在基站覆 盖范围之外的通信，而ODMA不支持。Hongyi Wu等人在文献4提出了支持中继的蜂窝和 自组织集成系统(iCAR)的体系结构，
7、它是将蜂窝体系和Ad hoc中继技术集成来动态平衡负 载的有效方式。iCAR系统在地理区域内有一组Ad hoc中继站(ARS),移动节点和基站的信 号由ARS传递。每个ARS具有两个空中接口，一个与基站通信(称为蜂窝接口)，一个与移 动节点或其他ARS通信(称为中继接口)。iCAR系统使用ARS来平衡小区之间的流量负载， ARS能够将流量从一个过载的小区转移到一个没有拥塞的小区。Haiyun Luo等人在文献5 中提出了融合蜂窝网和自组网的无线网络框架(UCAN)的混合网络结构。UCAN的基本目标 是当在基站和移动节点之间的下行链路信号质量变差时，通过使用多跳路由来提高系统的吞 吐量。系统使用
8、了具有更好下行链路质量的代理节点来中继数据包到目的节点。在UCAN 中每个用户终端都具备两个空中接口，使其既支持3G蜂窝链路也支持基于IEEE 802.11的 点到点链路。文献6中提出的一种新型的系统：支持自组织中继的蜂窝系统(PARCEL)。它 是一种在现有蜂窝系统中引入自组网转发方式的新型网络结构。它在综合自组网和蜂窝网各 自优点的基础上，提出了一种在蜂窝网中引入自组网转发方式的网络结构。PARCEL的主要 目的是均衡业务负载，并且避免小区拥塞。以解决目前在蜂窝网中出现的“热点” (Hot-spot) 问题。2传统蜂窝网络的切换算法在蜂窝网络中，当移动终端(MT)移开一个基站时，信号水平将
9、会下降，并且需要切 换到另一个基站上。切换是一种机制，将在移动节点和对应终端之间正在进行中的连接从一 个连接点转移到另一个基站上7。在蜂窝网络中，连接点称为基站(BS)，在WLAN中，称 为接入点(AP)。切换算法可分为3个过程：切换发起、切换判决和切换执行。切换发起过程主要是指 系统通过对信号强度等参数的测量，得出是否需要进行切换的决定；切换判决过程是指系统 根据周围环境或用户选择的一些度量，通过一定的算法来判断选择哪一个网络作为切换的目 标；切换执行过程主要是指系统在切换过程中的无线链路传输和对切换呼叫的信道分配。切 换度量是所测量到的质量，它们给出一个是否需要切换的指示。在移动语音和移动
10、数据网络 中用于判断越区切换的各种度量标准8，包括：(1) 接收信号强度(RSS)、路径损耗、载干比(CIR)、信号干扰比(SIR)、误比特率(BER)、 误块率(BLER)、误符号率(SER)、功率预算和小区分级都被用作度量标准，它们单独或联合 用于特定的移动语音或数据网络中。(2) 为了避免“乒乓效应”，即由于从所有基站中所接收信号强度的快速波动而引起的 在两个基站之间的来回切换，算法中使用了额外的参数，例如，滞后余量、停留计时器和平 均窗口。额外的参数(当可以得到时)可以用来做出更加智能的判断。这种参数还包括了 MT 与接入点之间的距离、MS的速度、服务小区中的流量特性等等。切换算法的性
11、能9是由确定的性能测试结果决定的，在移动语音和数据网络中具有 不同的性能指标：(1) 在移动语音网络有关的性能测试中，移动语音网络有关的性能包括呼叫阻塞概率、 越区切换阻塞率、越区切换请求与执行之间的延时、呼叫中断概率等。越区切换率(每单位 时间越区切换的次数)与“乒乓效应”有关，在算法设计上通常都使不必要的越区切换次数最 小化。(2) 在移动数据网络的性能测试中，越区切换率的最小化是很重要的，但是还存在其 他一些问题，包括吞吐量最大化、在越区切换过程和完成之后维持服务质量(QoS)的保证。基于接收信号强度(RSS)的传统切换算法如图2所示，其中纵坐标代表移动节点从基站 1(BS1)和基站2(
12、BS2)所接收到的信号强度；横坐标代表切换的时间或移动节点从BS1到BS2 的移动距离。两条曲线的交叉点代表了从两个基站所接收到的相同的信号。(1) 基于相对信号强度(RSS)，选择具有最强接收信号的BS。(2) 基于RSS和阈值。如果一个新的BS的RSS超过了当前BS的RSS，并且当前BS 信号低于阈值T时，才可以进行越区切换。在图2中相应的阈值和切换点为(T1, A)、(T2, B)和(T3, D)。(3) 基于RSS和滞后余量。如果一个新的BS的RSS大于旧的BS的RSS加上滞后余 量之和(h )，就可以进行越区切换。在图2中相应的切换点为(C)。(4) 基于RSS、滞后余量和阈值。如果
13、一个新的BS的RSS大于旧的BS的RSS加上滞 后余量之和，并且当前BS信号强度低于阈值T时，才可以进行越区切换。在图2中相应的 阈值和切换点为(T3, D)。(5) 基于算法和停留计时器。有时停留计时器用于其他一些算法中。当满足算法的条 件时，计时器开始计时。如果在计时器到时期间，条件持续满足，才可以进行越区切换。在传统切换算法中，由于切换是根据RSS大小进行基站选择的，这样会引发太多不 必要的切换。因为如果当前的基站信号仍然足够强的时候，基于阈值的RSS切换算法允许 用户在当前信号足够微弱(低于一个阈值)，并且另一个基站信号更强的时候进行切换，但是 由于延迟会降低通信链路质量而导致呼叫丢失
14、。此外，还会引起对同信道用户的干扰。基于 滞后余量和阈值的RSS允许用户在新基站的信号强度足够大于当前基站时进行切换。这种 方法阻止了所谓的“乒乓效应”。但是缺点和基于阈值的RSS切换算法相同，由于切换延迟 较长而导致业务服务质量的下降。但是由于传统切换算法比较简单，实现起来比较容易，所 以目前大部分的无线系统仍采用这些算法。3集成Ad Hoc与蜂窝网络系统的切换算法目前，第四代移动通信系统(4G)虽然还没有形成统一的体系结构，但是它的基本设想 基于全IP结构，是可以在多种接入方式中灵活切换的多网络融合系统。接入网可以采用多 种协议(如MANET、IEEE 802.11、HIPERLAN2等)
15、，并且终端可以在各个接入网之间实现无 缝漫游和切换。在不同网络间的切换称为垂直切换。当不同的网络提供互相补充的服务时， 作为一种选择，垂直切换可能会被触发(甚至在当前系统的链路质量还没有下降的情况下)。因此，需要更加智能的切换算法来判决应该进行何种类型的切换。就像前面所提到的，在传统切换中的切换度量只考虑了信号强度和可获得的信道等信 息。在4G系统中，以下新的度量被建议和信号强度测量结合起来使用10-11。(1) 业务类型：不同业务需要可靠性、延迟和数据率的各种组合。(2) 货币成本：成本对于用户来说是一个主要的考虑因素，由于不同网络采用不同的 计费策略，会影响用户切换的选择。(3) 网络条件
16、：网络相关参数，例如通信量，可获得的带宽，网络延迟和拥塞对于网 络有效使用也许需要被考虑。使用网络信息进行切换的选择对于不同网络间的负载平衡、减 轻某个系统的拥塞情况也有帮助。(4) 系统性能：为了保证系统性能，在切换判决中采用了各种参数。例如信道传播特 性、路径损耗、信道间干扰、信噪比(SNR)和误比特率(BER)。此外，电池能量对某些用户 而言也许是另一个重要的因素。(5) 移动节点条件：移动节点条件包括动态的因素，例如速度、移动模式、移动的历 史记录和位置信息。(6) 用户喜好：对一种类型的系统和另一种相比较而言，用户喜好可以被用于迎合特 殊的需求。在蜂窝与WLAN集成网络中，由于WLAN能够提供较高的数据传输速率被用来与蜂 窝网进行融合，作为蜂窝网在热点地区的高速数据传输网，为用户提供高速数据服务。蜂窝 网络和WLAN相融合的主要系统是通用分组无线业务(GPRS)网与WLAN的融合以及通用移 动通信系统(UMTS
