移動通信切換算法研究

金　山,倪淑燕,吳翔宇

(裝備學院　a.研究生管理大隊; b.光電裝備系,北京　101416)

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移動通信切換算法研究

金山a,倪淑燕b,吳翔宇a

(裝備學院a.研究生管理大隊; b.光電裝備系,北京101416)

摘要：切換技術是保證移動通信QoS的重要手段。切換過程中，切換的觸發及切換目標小區的選取需要通過切換判決算法來確定。分析了現有的切換判決算法對切換判決的算法優化研究的重要意義，針對同構網絡和異構網絡中，不同的切換判決環境，分別對水平切換和垂直切換的切換判決算法研究情況進行了總結。在分析傳統切換判決算法的基礎上，總結了當前的一些新算法。對這些算法可能存在的優缺點進行了分析，并指出了切換判決過程中需要注意的問題，總結切換判決算法的研究趨勢。

關鍵詞：移動通信；切換判決算法；水平切換；垂直切換

本文引用格式：金山,倪淑燕,吳翔宇.移動通信切換算法研究[J].兵器裝備工程學報，2016(1):151-154.

Citation format:JIN Shan，NI Shu-yan, WU Xiang-yu.Mobile Communication Handover Algorithm Research[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(1):151-154.

移動通信系統包括移動衛星通信系統、平流層通信系統、蜂窩移動通信系統、無線局域網等[1]。切換過程是移動通信系統中最重要的過程之一，它不僅影響著小區邊界處的呼叫服務質量(QoS)，還影響著整個通信系統的無線資源管理和分配情況。因此，合理的切換技術是保證移動通信過程中通信品質的有效手段。

為了降低切換過程對用戶QoS的影響，針對不同網絡的特點，人們對切換過程進行了大量的研究工作。按照切換流程，對可優化的步驟進行優化處理。切換技術的研究主要從以下3方面展開：

1) 在鏈路層，對切換觸發和目標小區選取的算法進行研究；

2) 在網絡層對信令交互過程和移動IP切換技術進行研究；

3) 對切換過程中的信道分配策略進行研究。

切換判決算法是切換過程中的重要一環，本研究將對當前的切換判決算法研究情況進行歸納，總結切換判決算法的研究趨勢。

1切換技術

切換是指在移動通信的過程中，在保證通信不間斷的前提下，將一個正處于呼叫建立狀態或通話狀態的移動用戶轉換到新的業務信道上的過程[2]。引起切換的原因有很多，最主要的原因是當前通信鏈路不能滿足需求，而在當前通信鏈路之外還有其他可提供服務的小區。為了提高QoS，保證通信的連續性，終端或基站開始初始化新連接[3]。

切換過程可分為3個階段：切換測量、切換判決和切換執行，如圖1所示。切換測量階段主要負責完成測量和收集與切換有關的信號參數，如導頻強度等。切換判決階段是根據收集到的測量參數，通過相應的判決準則來判斷是否需要進行切換，并選擇合適的目標小區，請求分配網絡資源。切換執行階段斷開與源小區間的鏈路，接入到目標小區[4]。因此，各種切換方式和切換算法主要是為了解決兩個問題，即有限資源的分配問題和切換判決問題。

圖1　切換判決的3個階段

網絡切換有多種類型，按照不同的標準，可以有多種分類方式，常見的分類方式如圖2所示[5]。

圖2　網絡切換分類

按照切換網絡類型分，可分為垂直切換和水平切換。水平切換是指同一類型的網絡之間的切換，比如GSM網絡中不同小區之間的切換；相反，垂直切換是指不同類型的網絡之間的切換，比如WLAN接入點與蜂窩網基站間的切換。

按切換執行方式，可分為硬切換、軟切換和接力切換。硬切換是指移動終端在與新網絡建立無線連接前先斷開與原接入網絡間的通信鏈路，是一個先斷開后連接的過程；而軟切換是指移動終端在與新的網絡建立連接時，不釋放與原接入網絡的連接，當與新連接網絡建立穩定的通信之后，再斷開與原接入網絡的連接，是一個先連接后斷開的過程，這樣可以保持切換過程中通信的連續性，缺點是使信道的資源利用率有所下降；接力切換是在TD-SCDMA系統中提出，它根據移動臺的方位信息與切換算法，把待切換的移動終端切換到新的小區[6]。

2同構網絡切換判決算法

乒乓切換是所有切換算法中需要考慮解決的一個問題。乒乓切換是指在臨近的小區覆蓋重疊區域，由于兩者的信號強度差不多，用戶終端會在兩者之間頻繁的進行切換，對系統的資源造成浪費。解決乒乓切換的方法之一是通過設置較高的切換參數，增加切換的難度[7]。

2.1基于接收信號強度(RSS)的切換判決算法

接收信號強度(RSS)是同構網絡最為常用的切換判決準則，以RSS為切換判決準則的常用的切換判決算法主要有5種：RSS算法，RSST算法，RSSH算法，RSSTH算法、駐留定時器法[8]。

1) RSS算法：選擇信號最強的小區作為服務小區。RSS是最簡單的切換判決算法。算法的數學表達式如下：

(1)

式中:RSScandidate_BS表示候選小區的信號強度;RSScurrent_BS表示當前服務小區的信號強度;RSSi_BS表示接收到相鄰小區的信號強度。為了統一表述，本文中相關信號參數的定義與此相同。

2) RSST算法：由于RSS算法對避免乒乓切換的效果并不理想，研究人員在RSS算法的基礎上通過設置參數增加切換難度，避免乒乓切換的發生。RSST算法在RSS算法的基礎上，引入切換門限值。當接收到相鄰小區信號強度大于源小區信號強度，且源小區信號強度小于某一門限值或相鄰小區信號強度大于某一門限值時，從滿足條件的相鄰小區中選擇信號強度最大的作為切換的目標小區。算法的數學表達式如下：

(2)

式中，RSS_Threshold表示設置的切換門限值。

3) RSSH算法：該算法與RSST算法相似，都是引入切換門限值的限定，但門限值的引入方式不同。在當接收到相鄰小區的信號強度值高于接收到源小區信號強度及滯后余量的和時，從滿足條件的相鄰小區中選擇信號強度最大的小區作為切換目標小區。算法的數學表達式如下：

(3)

式中HYS表示設置的滯后余量值。

4) RSSTH算法：該算法綜合了RSST算法與RSSH算法的內容。當接收到源小區的信號強度值低于某一門限值或者接收到相鄰小區的信號強度值高于某門限值且接收到相鄰小區的信號強度值高于接收到源小區信號強度及滯后余量的和時，從滿足條件的相鄰小區中選擇信號強度值最大的小區作為切換目標小區。算法的數學表達式如下：

(4)

5) 駐留定時器法：該算法引入了延遲切換的概念。當信號強度滿足觸發切換的條件時，定時器開始計時，計時結束后若仍滿足觸發條件則進行切換判決，否則重新計數。駐留定時器法可以與以上4種方法中任意一種方法相結合。

2.2改進的切換判決算法

基于RSS的切換判決算法雖然引入了如駐留時間、信號強度門限值等限制條件，但這些參數值的設定通常是固定值，沒有考慮到各類終端可能存在高速移動的特點；僅考慮信號強度值作為判決準則，對目標小區的選擇缺乏全面考慮，容易造成切換小區過載以及用戶通信品質的下降。針對這些問題，出現了多種改進的切換判決算法，且絕大多數都利用了位置或速度信息作為輔助切換的條件。

文獻[9]中針對高空平臺網絡中高動態用戶高速運動的特點，根據高動態用戶的位置和速度信息設置動態的滯后余量值。而在切換小區的選擇過程中，在比較信號強度的同時，通過對候選小區進行能量感知，按照負載均衡的切換準則選取目標高空平臺。該算法對終端的移動速度和負載均衡性有較好的適應性。文獻[10]中針對無線寬帶網絡提出一種基于移動預測(PMBH)的切換算法。在不過分增加開銷的情況下，根據傳統的位置估計和跟蹤技術，提出邊界追蹤方案，利用運動狀態信息預測移動終端的運動特性，并將移動性作為輔助切換的判決條件。其仿真結果表明，該PMHO算法可以有效地減少切換的次數及移動終端掃描鄰區小區的個數。文獻[11]中針對高動態用戶在空天信息網絡中的越區切換提出了一種基于高動態終端軌跡預測的切換判決算法，利用GPS裝置獲取終端的運動信息，并對下一時刻的運動信息進行預測，利用預測值判斷是否需要觸發切換，根據角度信息進行目標小區的選取。文獻[12]中設計了一種基于覆蓋的切換，在小區覆蓋邊界預知的情況下，根據終端的位置和速度信息，在保證不發生越區掉線的條件下，盡可能在小區邊緣觸發切換。文獻[13]中提出一種基于模糊邏輯的切換判決算法，將用戶的位置和速度信息以及接收到的信號強度、小區的負載情況作為綜合判決條件，通過模糊推理系統進行切換判決。文獻[14]中針對高速鐵路通信提出了一種基于BP神經網絡的切換算法，建立滿意通信概率分析模型，以終端速度、信號強度和基站與終端之間的距離作為神經網絡的輸入參數，進行切換判決。在滿意通信概率模型下，計算獲得訓練集合，通過訓練獲得輸出最優的切換判決神經網絡。

3異構網絡中的切換判決算法

當前通信網絡的發展趨勢是整合多種網絡，共享信息資源。因此，異構網絡間的垂直切換也成為目前切換研究的熱門方向。在異構無線網絡中，發生的切換可能存在于不同技術之間，由于網絡間的差異，單純基于RSS的方法顯然不再適用，切換判決需要利用多個不同的參數綜合分析，進而得到判決結果。例如網絡時延、移動速度、網絡負載等。此外，用戶也可以根據自己的網絡偏好選取不同的接入網絡。所以說，異構無線網絡中的切換判決從本質上講是一個多屬性判決的問題[15-17]。目前，針對異構網絡的切換判決策略研究主要有以下3類：

1) 基于信號強度比較的策略。該類策略繼承了水平網絡中基于接收信號強度比較的思想，通過垂直切換策略，做出切換判決[18-19]。

2) 基于人工智能和模糊理論的策略。將模糊理論和人工智能算法引入切換判決中，結合用戶特性和網絡性能等參數設計多維判決策略，根據設計的策略進行垂直切換判決[20-22]。

3) 基于代價函數的策略。該類策略在判決中除了考慮RSS和網絡可用性，還將數據傳輸率、用戶偏好、業務類型、移動速度以及可用帶寬等參數作為判決因子，通過構造代價函數計算出最優的切換目標網絡。構建代價函數的方法包括簡單加權法、逼近理想解的排序法、乘法指數加權法、灰度關聯分析法等[23-26]。

這3類算法均有各自的特點，如表1所示。

表1　3類垂直切換策略的性能比較

4切換判決算法中的問題

通過對不同網絡類型中切換判決算法的總結可以發現，在同構網絡中，傳統的基于RSS的切換判決算法操作簡單，但算法的性能上仍有很大的優化空間。固定門限值的設定對用戶的移動性缺乏考慮，當前移動終端的運動速度越來越高，如高速鐵路中用戶的移動速度可達350 km/h，越區時存在大量用戶并發切換的情況，速度對切換的影響顯然不能忽略。此外，為了滿足系統容量的要求，蜂窩半徑不斷減小，同樣增加了切換頻率和切換判決對速度和位置信息的敏感性。僅依靠信號強度對目標小區進行選取，容易造成網絡負載不均，進而影響網絡的整體性能。改進的算法中，利用位置和速度信息輔助判決成為主流方式。有些算法中要求對速度和位置信息進行預測，運動信息的預測精度將影響切換算法的性能。

通信網絡的發展趨勢是多網融合，要求切換算法應能夠支持用戶的多種不同業務及用戶的移動性，如何滿足不同用戶的需求是垂直切換算法必須考慮的問題。利用多個參數進行多屬性判決的方法已成為當前垂直切換算法的主要手段，其研究過程中存在以下問題:

1) 不同算法對于切換判決代價函數的設定及限定條件的優化選擇上存在較大差異。因此，對各算法的優劣評估難以形成統一標準；

2) 影響垂直切換算法性能的參數多，各參數之間關系復雜，可能存在既相互矛盾又相互依存的現象，因此如何詳細剖析各性能指標之間關系，如何選取限定條件及優化代價函數的設定，如何客觀地體現各個參數對算法性能的影響并實現合理的性能折衷，是算法設計中面臨的關鍵問題，同時也是當前較缺乏的研究。

5結論

切換判決算法一直是移動通信領域中的研究熱點。合理利用位置和速度信息將為同構網絡中優化切換判決的有效手段。對于垂直切換方式，切換算法的設計不僅要合理利用多種屬性值，還需要在算法的復雜度上進行折中考慮，使設計的算法滿足可操作性的原則。最優的切換過程不是基于某一層的優化，跨層優化的方案早已提出。因此，切換判決算法的研究也需要根據實際應用需要多層次考慮來提高切換性能。

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(責任編輯楊繼森)

【基礎理論與應用研究】

Mobile Communication Handover Algorithm Research

JIN Shana，NI Shu-yanb, WU Xiang-yua

(a. Department of Postgraduate Management; b.Department of Equipment Acquisition,

Equipment Academy, Beijing 101416, China)

Abstract:Handover technology is important means to assure the QoS for mobile communications. In the process, handover trigger and handover the target area’s selection were decided by handover decision algorithm. Summary of the existing handover decision algorithm is of great significance to handover decision algorithm optimization study. For homogeneous and heterogeneous networks, different switch ruling environment, respectively for level and vertical handover judgment algorithm research was summarized. On the basis of analyzing the traditional handover decision algorithm, we summarized some of the new algorithm put forward currently. Possible advantages and disadvantages of these algorithms were analyzed, and the problems that need to pay attention to in the process of handover decisions were pointed out, and the research trend of handover decision algorithm was summarized.

Key words:mobile communication; handover decision algorithm; horizontal handover; vertical handover

文章編號：1006-0707(2016)01-0151-04

中圖分類號：TN919

文獻標識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.01.036

作者簡介：金山(1990—)，男，碩士研究生，主要從事通信與信息系統研究。

收稿日期：2015-06-08；修回日期：2015-06-25