異構網絡融合中的ＱｏＳ與通信容量研究

摘要：使任何用戶在任何時間任何地點都能獲得具有服務質量(QoS)保證的服務，同時提高網絡的覆蓋范圍和通信容量，是異構網絡融合必須考慮并解決的關鍵問題。異構環境下具有QoS保證的關鍵技術研究以及通信容量分析是異構網絡融合的重要研究內容。異構網絡融合中具有QoS保證的關鍵技術研究主要在呼叫接入控制(CAC)算法、垂直切換算法、異構資源分配算法和網絡選擇算法等無線資源管理算法方面。在異構網絡融合系統中使用新穎的多跳網絡結構可以擴大網絡的覆蓋范圍，降低傳輸功率，增加系統通信容量和吞吐量。

關鍵詞：異構網絡融合；服務質量；資源管理；通信容量；多跳

無線通信技術近些年來得到了迅猛發展，層出不窮的無線通信系統為用戶提供了異構的網絡環境，包括無線個域網(如Bluetooth)、無線局域網(如Wi-Fi)、無線城域網(如WiMAX)、公眾移動通信網(如2G、3G)、衛星網絡，以及Ad Hoc網絡、無線傳感器網絡等。盡管這些無線網絡為用戶提供了多種多樣的通信方式、接入手段和無處不在的接入服務，但是，要實現真正意義的自組織、自適應，并且實現具有端到端服務質量(QoS)保證的服務，還需要充分利用不同網絡間的互補特性，實現異構無線網絡技術的有機融合。

異構網絡融合是下一代網絡發展的必然趨勢。在異構網絡融合架構下，一個必須要考慮并解決的關鍵問題是：如何使任何用戶在任何時間任何地點都能獲得具有QoS保證的服務。異構環境下具備QoS保證的關鍵技術研究無論是對于最優化異構網絡的資源，還是對于接入網絡之間協同工作方式的設計，都是非常必要的，已成為異構網絡融合的一個重要研究方面。目前的研究主要集中在呼叫接入控制(CAC)、垂直切換、異構資源分配和網絡選擇等資源管理算法方面。傳統移動通信網絡的資源管理算法已經被廣泛地研究并取得了豐碩的成果，但是在異構網絡融合系統中的資源管理由于各網絡的異構性、用戶的移動性、資源和用戶需求的多樣性和不確定性，給該課題的研究帶來了極大的挑戰。

在保證不同用戶QoS的同時，能否擴大網絡的覆蓋范圍并實現無縫連接以及能否提高通信容量，是異構網絡融合能否成功的關鍵，也是不同網絡運營者是否愿意將網絡相互融合的前提，因而，通信容量分析是異構網絡融合研究的另一個重點。

1 具有QoS保證的資源管理技術

對于異構網絡資源管理技術的研究，目前主要集中在呼叫接入控制算法、垂直切換算法、異構資源分配算法和網絡選擇算法等方面。

1.1 呼叫接入控制算法的研究

傳統蜂窩網絡中的呼叫接入控制算法已經得到了廣泛的研究。不同于蜂窩網絡，異構網絡融合系統中多種無線接入技術的存在以及多媒體應用的不同QoS要求，給設計有效的CAC算法帶來極大的挑戰。

(1)各網絡的異構特性

異構網絡融合系統具有多種無線接入技術，不同的無線接入網絡呈現出異構特性。如蜂窩網絡是有基礎設施的無線網絡，基站控制和管理各移動用戶對信道資源的接入，向用戶提供具有QoS保證的服務。而IEEE 802.11無線局域網(WLAN)則采用了載波偵聽多點接入/沖突避免(CSMA/CA)的信道資源接入方式，盡管IEEE 802.11e標準考慮了實時業務的信道資源接入，增強了對QoS的保證，但是與蜂窩網絡相比，只是提供了對實時業務相對較弱的QoS支持。由于用戶在具有異構特性的網絡間的移動產生了垂直切換，在設計CAC算法時應該考慮到這一特殊的切換呼叫類型，確定該類切換的優先級，推導和計算出該類切換的中斷概率。垂直切換中斷概率成為異構網絡融合系統的一個重要性能指標，應該限制在可接受的范圍內。

(2)用戶移動性

具有大范圍覆蓋的網絡中用戶通常移動速率較高，而應用于室內環境的無線局域網、無線個域網等短距離通信網絡中的用戶通常移動速率較低或者處于相對靜止狀態。因而，在融合了多個網絡的環境下，傳統的用戶均勻移動模型已經不再合適，需要考慮不同覆蓋區域內用戶的不同移動性。

(3)多種業務類型

異構網絡融合系統提供了多種業務類型，不同類型的業務需要不同的QoS保證。語音、視頻等實時業務是時延敏感而分組丟失可承受的，非實時業務是分組丟失敏感而中等時延敏感的，文件傳輸等盡力而為業務是分組丟失敏感但對時延相對不敏感的。不同的網絡對不同的業務有不同的支持能力。蜂窩網絡能夠提供對實時業務的有效支持，保證其實時性，但是數據業務的傳輸速率較低；WLAN等短距離通信網絡提供了較高的數據傳輸速率，但是對實時業務的支持有待于進一步提高。

(4)跨層設計

在基于分組交換的無線網絡中，使用相關層優化必將會提高系統性能。因而，在研究異構網絡CAC算法時，應該通過跨層設計來評估呼叫級(呼叫阻塞率、被迫中斷概率)和分組級的QoS性能。

目前，異構網絡融合系統中CAC算法的研究主要集中在蜂窩/WLAN融合系統中的呼叫接入控制。文獻[1]提出了WLAN優先的算法，在WLAN優先算法中，語音和數據業務的不同特點沒有被充分考慮。文獻[2]提出了蜂窩/WLAN融合系統的兩層CAC算法，并進行分析。在無線接入部分的CAC只考慮了蜂窩中呼叫的接納情況，而沒有考慮到WLAN中的呼叫。這些已經提出的算法沒有能夠綜合考慮前面敘述的4個方面，因此適用于異構網絡融合系統的CAC算法具有廣闊的研究空間。

1.2 垂直切換算法的研究

用戶在不同網絡之間的移動稱為垂直移動，實現無縫垂直移動的最大挑戰在于垂直切換。垂直切換就是在移動終端改變接入點時保持用戶持續通信的過程。在多網融合的環境中，傳統的采取比較信號強度進行切換的決策方法已經不足以進行垂直切換。由于異構網絡融合系統的特殊性，垂直切換決策除了需考慮信號強度外，還需考慮以下幾個因素：

(1)業務類型

不同的業務有不同的可靠性、時延以及數據率的要求，需要不同的QoS保證。

(2)網絡條件

由于垂直切換的發生將影響異構資源之間的平衡，這就要求在設計垂直切換策略時需要利用系統的網絡側信息，如網絡可用帶寬、網絡延時、擁塞狀況等，從而有效避免網絡擁塞，在不同網絡間實現負載平衡。

(3)系統性能

為了保證系統性能，需要考慮信道傳播特性、路徑損耗、共信道干擾、信噪比(SNR)以及誤比特率(BER)等性能參數。

(4)移動終端狀態

如移動速率、移動模式、移動方向以及位置信息等。

(5)價格

由于不同的網絡使用不同的計費方式與資費標準，因而價格是影響切換決策的一個重要因素。

(6)用戶的喜好

不同用戶的喜好不一樣，因此用戶的喜好也是影響切換決策的因素之一。

目前的垂直切換算法研究主要集中于基于策略[3-4]及基于模糊邏輯理論[5-6]的決策策略設計上，難以在保證用戶需求的同時兼顧網絡側尤其是異構資源的調整。3GPP研究的通用無線資源管理(CRRM)局限性在于：接入網絡選擇僅考慮網絡負載因素；僅針對通用移動通信系統(UMTS)、GSM/EDGE無線接入網絡(GERAN)等蜂窩網絡，大大降低了對異構資源的管理調控能力。

因此，人們在設計垂直切換算法時應能綜合考慮上述多個方面的因素，既兼顧切換時的QoS，同時考慮切換時及切換后異構資源的調整和分配。綜合考慮多個決策因素將會增加切換過程的復雜度，使得切換決策過程更加困難。多屬性決策以及代價函數[7]等理論能夠同時評估不同的決策因素，可用于設計異構網絡間的垂直切換策略，以達到保證用戶的QoS以及異構資源優化分配的雙重目標。

1.3 異構資源分配算法的研究

2.5G以及3G公眾移動通信網絡通常采用干擾受限以及基于保護信道的資源分配方案。然而，異構網絡融合系統中的資源分配算法需要有效地控制實時、非實時等多種業務的無線資源接入，需要能有效處理突發業務、分組交換連接中數據分組隨機到達以及數目隨機變化等情況；異構網絡系統中用戶需求具有多樣性，網絡信道質量具有可變性；不同的無線網絡分別由各自的運營商經營，這樣的經營模式在今后很長的時間內將無法改變，決定了這些網絡更有可能采取一種松耦合的融合方式。因此，異構網絡融合系統應該采用新穎的分布式動態信道資源分配算法。

動態自適應的信道資源分配算法根據用戶的QoS要求和網絡狀態動態調整帶寬分配，在網絡狀況允許時，給用戶呼叫分配更多的信道資源，以提升用戶的QoS保證；當網絡擁塞時，通過減少對系統中已接納的呼叫的信道分配來容納更多的呼叫，從而降低系統的呼叫阻塞率和被迫中斷概率，提高系統資源的使用率和用戶的QoS。

系統模型的建立對于異構網絡環境中信道分配算法的深入分析至關重要。目前在異構網絡資源分配的研究中，還沒有提出完整的具有一般性的系統模型。大部分文獻使用仿真的方法進行分析，或者僅對融合系統中的分立網絡分別進行建模。可以利用多維馬爾可夫模型、矩陣運算以及排隊論等數學方法，對異構網絡融合系統建立多維多域的系統模型，獲得不同算法下該系統模型的各個狀態，進一步推導系統的性能，比較不同算法的優劣。

1.4 網絡選擇算法的研究

異構網絡融合系統中的用戶選擇網絡通常有3個步驟：

(1)收集影響最終決定的必要信息，如：用戶喜好、業務類型以及網絡狀態等。

(2)將上述信息輸入到網絡選擇算法中，網絡選擇算法應該以使用戶在任何時間任何地點都能獲得最好的QoS保證為依據。

(3)根據算法的輸出結果來選擇網絡。

許多研究者已經提出了網絡接入選擇算法，如隨機接入[8]，高帶寬優先[9]等。然而，這些算法只考慮用戶側或者只考慮總體網絡容量，僅適用于單用戶情形，多用戶在異構環境下的接入網選擇方面并沒有成熟的處理方案。

針對現有算法不適用于多用戶存在情況，以及缺乏對異構資源影響的考慮，需要細致分析異構網絡環境中網絡選擇的需求和特點，從多層協調(物理層、鏈路層、網絡層、應用層)的思想出發研究相應的數據信息模型。由于受各異構網絡特征的影響，采用傳統的單目標決策理論，僅僅優化某一種性能指標很難找到一種完備的方案使得在接入選擇時各用戶要求的多個目標同時達到最優。可以將該類問題看作是多目標優化的問題，因此可以引入多目標決策理論，考慮如何在有限資源的限制條件下找到一個平衡方案。亦即在作接入選擇時在多種方案的有效解之間進行權衡，從而找出最終的滿意解。其優點在于：可設計為多用戶共同決策的接入網絡選擇算法，以提高算法對異構網絡環境的適應能力，具有可擴性；可利用實時的網絡資源狀態作為決策目標，從而有利于異構資源的動態協調。

2 異構網絡融合中的通信容量

在異構網絡融合系統中使用新穎的多跳網絡結構可以擴大網絡的覆蓋范圍，增加系統通信容量和吞吐量，因此成為近年來國內外研究的新熱點。關于異構網絡融合系統通信容量的研究，目前主要集中在基于蜂窩結構的公眾移動通信網絡中引入Ad Hoc網絡方面。

隨著無線通信技術的發展，傳統蜂窩網絡存在一些問題，比如：當某些地區的業務量突增而出現非平衡業務時，就會發生局部的阻塞，出現掉話、無法呼出的現象；當正在通話過程中的用戶進入蜂窩網絡覆蓋中的“盲區”或當前正處在盲區范圍內的用戶發出一個新的呼叫請求時，由于不能接收到來自基站的通信信號而導致通信的中斷；此外，蜂窩通信中存在通信容量與覆蓋范圍的折衷問題，即當網絡負載增加時，基站的覆蓋區域將會減小[10]。

通過在蜂窩系統中引入Ad Hoc網絡可以彌補蜂窩網絡的覆蓋缺陷問題，并且可以通過降低傳輸功率和干擾來增加系統容量，解決熱點地區的負載均衡問題，實現業務量的分流。其原理示意圖如圖1所示。在圖1中，網絡中的移動節點通過多跳和中繼節點連接到公眾移動通信網、電信網以及因特網中，也可以將某一擁塞區域(即熱區蜂窩)的基站的話務量通過自組織網絡的多跳功能而分流到鄰近比較空閑的基站，從而實現業務量的均衡。

關于蜂窩系統中引入Ad Hoc網絡的研究得到了國際上眾多研究機構和高校的關注。例如：由美國紐約國立大學布法羅分校設計的蜂窩和Ad Hoc中繼集成系統(iCAR)[11]，使用Ad Hoc網絡技術解決蜂窩網絡中由不平衡的業務量引起的阻塞問題；由美國加州大學戴維斯分校提出的移動輔助數據前饋(MADF)方案[12]，引入了轉發代理的概念，通過Ad Hoc網絡技術將蜂窩網絡中擁擠小區的業務通過轉發分流到鄰近的非擁擠小區；隨機驅動多址接入(ODMA)也是一種基于蜂窩網絡的多跳轉發技術，用于在時分雙工(TDD)蜂窩網中小區的邊緣為移動終端提供較高的數據速率，達到增加高速率數據服務范圍的目的[13]。

在蜂窩與Ad Hoc網絡融合的眾多方案中，中繼節點的選擇對于系統的通信容量有很大的影響。目前常用的中繼節點選擇方法有：

(1)選擇具有最低相關干擾的中繼節點，即選擇轉發后具有至基站最好的鏈路質量的中繼節點，從而減少對相鄰蜂窩的干擾。

(2)選擇具有最好的鏈路增益的中繼節點。即選擇具有最好的至基站的鏈路增益的中繼節點。

(3)選擇具有最短距離的中繼節點，即選擇離基站最近的中繼節點。

以上3種方法通常用于非熱區蜂窩中提高系統容量。

此外中繼節點選擇方法還有選擇熱點區域之外的中繼節點，這種方法特別適合于緩解熱區蜂窩業務量擁塞。

以上這些方法也可結合使用，從而動態地適應網絡的變化，極大地增加蜂窩網絡熱點區域的通信容量。

3 結束語

為了適應不同的通信環境以及滿足用戶業務的寬帶化、個性化、智能化需求，異構網絡融合已經成為下一代通信網絡發展的必然趨勢。其中，具有QoS保證的關鍵技術與通信容量的研究是異構網絡融合中的關鍵課題。異構網絡資源的復雜性、網絡狀態的多樣性、各網絡的差異性等特點給研究帶來了一定的挑戰。然而，挑戰與機遇并存，在不久的將來，異構網絡融合技術的研究必將結出豐碩的成果，異構網絡融合技術將會成為未來網絡的主流技術之一。

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收稿日期：2008-03-17

夏瑋瑋，東南大學移動通信國家重點實驗室副研究員，在讀博士研究生。主要研究領域為寬帶移動通信網絡及異構網絡融合。先后參加國家“863”計劃項目、國家自然科學基金項目、江蘇省自然科學基金項目等近10項，獲得2項科研成果獎。已發表論文10余篇。

沈連豐，東南大學移動通信國家重點實驗室教授、博士生導師。近期研究方向為無線接入理論與技術、短距離無線通信網絡及異構網絡融合理論與技術等。已出版專著和教材8部、譯著5本，發表論文100余篇。