無線異構網絡垂直切換理論與技術研究

范毓林

摘要：隨著科學技術的發展和通信技術的不斷進步，各種無線接入技術層出不窮，多種無線網絡同時存在。本文對異構無線網絡垂直切換的概念進行了闡述，并對常見的垂直切換算法進行分類研究。

關鍵詞：無線異構網絡;垂直切換;技術研究

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）04-0025-02

1 垂直切換的意義和概念

為了滿足通信業務需求的多樣化，給用戶提供最好的通信服務質量，不同架構、不同特點的無線網絡的互通和融合將是必然的趨勢[1]。在異構網絡融合的環境下，網絡狀況的復雜性和異構性使得用戶需要頻繁的變換網絡歸屬和管理域，所以如何為用戶無縫的提供高質量的數據傳輸服務，無論用戶處于何種位置和條件下，都可以根據目前的網絡狀態，自適應的采取最佳接入方式為用戶提供最佳體驗并根據用戶位置和業務情況在不同接入方式間進行平滑切換是必須要解決的關鍵問題。移動性管理技術正是解決這些問題的關鍵技術。

切換管理是移動性管理的重要組成部分之一[2]。網絡切換從不同角度可以分為不同類別，其中按照網絡類型可以分為水平切換（horizontal handoff）和垂直切換（vertical handoff）。當切換發生在同種網絡技術下的不同接入點之間時稱為水平切換。當切換發生在不同網絡技術接入點之間時稱為垂直切換，如圖1所示。

因為異構網絡主要研究不同類型的網絡接入方式之間的通信，所以異構網絡的切換管理問題主要是垂直切換的問題。

2 垂直切換的過程

垂直切換過程可分為網絡發現、切換判決和切換執行三個環節[3]。

在網絡發現階段，移動設備的任務是搜索并發現當前可用的無線網絡。裝備了多個無線網絡接口的移動設備必須激活這些接口，才可以接收到不同網絡定時發送的廣播消息，如WLAN網絡中的信標幀消息等。但是如果使這些網絡接口一直處于激活狀態，則會不斷消耗移動設備的能量。對于能量受限的移動設備來說，網絡的發現時間和能量消耗兩個非常重要但又彼此矛盾的參數。比較可行的解決辦法是移動終端定時開啟網絡接口開搜索可用網絡。這種方法可以有效降低終端能耗并兼顧網絡發現效率，關鍵在于如何確定恰當的網絡接口開啟時間間隔以達到兩者之間良好的平衡。總之，網絡發現階段的目標就是在盡可能短的時間內，以最小的能量消耗代價獲取到及時有效的可接入網絡信息。

3 常見的垂直切換算法

在異構網絡融合領域的研究中，關于垂直切換算法的研究一直都是焦點問題之一，對于國內外常見的垂直切換算法，總結如下：

3.1 基于單因素的垂直切換算法

比較有代表性的基于單因素的垂直切換算法有基于RSS的垂直切換算法：比如以接收器接收到的RSS作為依據的遲滯電平算法，當新接收的網絡信號強度達到接入要求并且比已接入網絡的信號強度大于設定的閾值時發生網絡切換;還有通過計算平均RSS，再結合移動用戶距離和中斷概率進行接入選擇。

3.2 基于效用函數的垂直切換算法

基于效用函數的垂直切換算法主要思想是設計效用函數，將進行網絡接入選擇時需要考慮的各個因素，例如RSS、可用帶寬、網絡覆蓋范圍、終端移動速度、服務價格等作為輸入參數，將移動終端采集到的各個參數的值代入效用函數得到效用值，并選擇效用值最高的網絡。比如通過凸優化理論求解最大化用戶傳輸速率的效用函數，同時考慮了分配帶寬資源的約束條件，根據用戶業務的帶寬需求和網絡的實際可用帶寬獲得最大化傳輸速率。還有研究者通過一種基于權值可變的終端代價函數的介入選擇算法，以解決網絡發現階段RSS測量不確定性、候選網絡更新不及時等問題。該算法綜合考慮網絡屬性和用戶偏好，靈活改變代價函數的權值，計算代價函數值最小的網絡作為接入網絡。還有人考慮了多模終端發射功率和候選網絡帶寬資源作為效用函數的參數，反映了移動終端能力的差異性。

3.3 基于多屬性決策的垂直切換算法

多屬性決策（MADM，Multiple Attribute Decision Making）利用網絡信息和用戶偏好等，通過多屬性決策算法對待接入網絡進行排序從而得到最優網絡。多屬性決策決策算法包括：

簡單加權法（SAW，Simple Additive Weighting）通過設定各屬性的權重，計算候選網絡的線性加權和來進行網絡選擇。比如利用來自WLAN和WCDMA的SINR，用戶所需帶寬，用戶流量成本和可接入網絡的可用帶寬等因素構建屬性矩陣，由AHP方法的特征值法來確定權重向量，最后通過SAW方法進行網絡選擇。

層次分析法（AHP，Analytic Hierarchy Process）是一種定量與定性相結合的多目標系統分析方法。層次分析法已經被應用到各個領域的多屬性判決問題中。層次分析法首先利用經驗或其他方法得到各個候選網絡對每個決策因素的權重，然后根據每個決策因素相對于總決策條件的相對權重，得到各個候選網絡相對于總決策條件的權重，從而得到最優方案。有研究者采用層次分析法，選擇信號強度，傳輸時延和網絡貸款三種關鍵因素作為決策因素，計算出各個候選網絡的權重，然后再考慮用戶喜好等因素，結合簡單加權法對信息進行綜合分析，最后選擇最優接入網絡。

4 結語

本文首先介紹了異構無線網絡垂直切換的基本概念、意義、垂直切換的分類和切換的基本過程。接下來分類總結了現有的垂直切換算法，包括基于單因素的垂直切換算法、基于效用函數的垂直切換算法、基于多屬性決策的垂直切換算法、基于模糊邏輯的垂直切換算法，對每一種算法的原理都進行了詳細的解釋，對無線異構網絡的垂直切換理論與技術進行了簡要介紹。

參考文獻

[1] 賀昕，李斌.異構無線網絡切換技術[M].北京郵電大學出版社，2008.

[2] 胡海波.無線異構網絡發展綜述[J].現代電信科技，2009，39（12）：19-22.