異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)負載均衡控制策略與算法分析

1、第一章引言自上世紀末以來，面臨互聯(lián)網(wǎng)的嚴峻挑戰(zhàn)，通信網(wǎng)經(jīng)歷了歷史性的變革，確定了以ip 為核心的下一代網(wǎng)絡(luò)(ngn)的演進方向。多年來，ngn技術(shù)不斷發(fā)展和完善，其核心 目標(biāo)就是借鑒和繼承互聯(lián)網(wǎng)和傳統(tǒng)電信網(wǎng)技術(shù)，摒棄按業(yè)務(wù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)思路，實現(xiàn)可 運營、可管理、可贏利的網(wǎng)絡(luò)融合。其發(fā)展歷程包含兩個層面的融合，首先是網(wǎng)絡(luò)層面的 融合，眾多分離的業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)關(guān)接入ip分組網(wǎng)絡(luò)，最終目標(biāo)是一個統(tǒng)一的全ip網(wǎng)絡(luò)， 該網(wǎng)絡(luò)利用移動ip (mip)技術(shù)支持用戶的全球移動性。其次是更深層次的業(yè)務(wù)融合，通 過引入信息網(wǎng)絡(luò)的中間件技術(shù)和api技術(shù)，實現(xiàn)通信網(wǎng)的開放和網(wǎng)絡(luò)層與業(yè)務(wù)層的分離， 最終目標(biāo)是一個全業(yè)

2、務(wù)的ip通信網(wǎng)。各種寬帶無線接入技術(shù)不斷出現(xiàn)，由于其優(yōu)異的性能和相對低廉的成木正日益受到市 場的青睞，得到非常廣泛的應(yīng)用，形成了覆蓋范圍越來越廣的包含多種無線接入技術(shù)的異 構(gòu)無線接入環(huán)境。未來多無線電環(huán)境的異構(gòu)性體現(xiàn)在三個方面。首先是無線接入技術(shù)(rat) 的異構(gòu)性。近年來業(yè)界提出了許多富有競爭力的rat,它們采用不同的技術(shù)、呈現(xiàn)不同的 性能、面向不同的應(yīng)用、覆蓋不同的范圍，典型的技術(shù)包括2g/3g/e3g、wimax、wifi、 uwb、bluetooth等，按其作用范圍劃分分別屬于wwan、wman、wlan和wpan技 術(shù)。其次是組網(wǎng)方式的界構(gòu)性。除了經(jīng)由bs/ap接入的單跳式無線網(wǎng)絡(luò)以

3、外，還有多跳式 的無線自組織網(wǎng)(manet)和網(wǎng)狀網(wǎng)，這些網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍可能互相重疊，面向不同的應(yīng) 用場景或互補組網(wǎng)，其中多跳網(wǎng)絡(luò)除了物理層和鏈路層技術(shù)以外，還有其自身的路由技術(shù) 和分布協(xié)同的控制方式，和依賴于基礎(chǔ)設(shè)施集中控制的蜂窩通信網(wǎng)有很大的不同。第三是 通信終端的異構(gòu)性。由于業(yè)務(wù)應(yīng)用的多樣性以及ic技術(shù)的不斷提升，通信終端已從常規(guī) 的便攜式電腦、手機等擴展到各種類型的信息終端、娛樂終端、移動辦公終端、嵌入式終 端等，它們具有不同程度的智能，就異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合而言，這些終端必須是多模終端。顯然， 要將這樣的異構(gòu)接入環(huán)境融合成為一個統(tǒng)一的系統(tǒng)，有許多值得研究的技術(shù)熱點。1.1課題背景無線業(yè)務(wù)迅速增

4、長，各種無線標(biāo)準(zhǔn)與網(wǎng)絡(luò)相繼出現(xiàn)，有許多適用于不同領(lǐng)域的寬帶無 線標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋了小型無線家庭網(wǎng)絡(luò)、wlan、wimax、無線廣域網(wǎng)等多個方面。下一代 的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是寬帶移動無線接入和界構(gòu)分布的網(wǎng)絡(luò)，是各種無線接入技術(shù)(geran、南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第一章引言utran、e-utran. wlan、wtmax等）、多類業(yè)務(wù)并存與融合的異構(gòu)型混合網(wǎng)絡(luò)。 不同接入技術(shù)互聯(lián)互通，系統(tǒng)將演化為基于公共核心網(wǎng)的“全ip"網(wǎng)絡(luò)，同時用戶終端也向 多種無線模式配置演化，可以工作在不同制式的網(wǎng)絡(luò)。在異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)中，用戶基于統(tǒng)一綜合的網(wǎng)絡(luò)平臺，通過不同的終端進行通信, 任何時候、任何地點

5、都可以享受無縫的通信服務(wù)，目前對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的研究主要集中在 以下幾個方面：（1）垂直切換技術(shù)：現(xiàn)有水平切換的準(zhǔn)則均為無線信號的質(zhì)量，且實際應(yīng)用大多為 最簡單的信號強度準(zhǔn)則。但是在多無線電環(huán)境下，不同無線接入系統(tǒng)的覆蓋范圍往往是重 疊的，引起切換的原因除了信號下降以外，還可能是岀于改善性能、負荷均衡等多種因素 的考慮。在涉及白組織網(wǎng)絡(luò)的情況下，除了鏈路層的因素以外，還需考慮白組織網(wǎng)絡(luò)的路 由問題。因此，垂直切換本質(zhì)上是一個多判據(jù)的決策優(yōu)化問題，不但涉及多個無線接入系 統(tǒng)，而且涉及無線鏈路、網(wǎng)絡(luò)層、管理平面等多個層面，遠較水平切換復(fù)雜。（2）融合網(wǎng)絡(luò)qos保障技術(shù)：任何通信網(wǎng)的基本功能歸根結(jié)底就

6、是為應(yīng)用提供可 靠、安全和可信的連接，確保應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量（qos）。這樣的qos保障是端到端的，其 實現(xiàn)需要從底層直至應(yīng)用層的多層協(xié)作，以及傳送、控制、管理平面的多平面協(xié)作。目前, 對于面向固定網(wǎng)的ngn的qos研究己經(jīng)取得比較多的成果，但是對于涉及無線接口的端 到端qos問題還有待研究解決。首先，由于無線鏈路的i古i有質(zhì)量缺陷，無線接口通常是 qos的瓶頸，特別是在多無線電異構(gòu)接入環(huán)境下，垂肓切換過程中的性能下降將會嚴重影 響通信質(zhì)量，因此qos應(yīng)是切換技術(shù)研究需要考慮的重要因素。其次，原先針對固定網(wǎng) 絡(luò)環(huán)境設(shè)計的傳輸層技術(shù)直接用于無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境將會有嚴重的問題，特別是tcp協(xié)議，由 無線傳輸

7、和接口切換引起的丟包和時延導(dǎo)致的虛假擁塞將觸發(fā)tcp的慢啟動過程，致使 qos進一步惡化。對此，學(xué)術(shù)界作了很多研究，提出了改進技術(shù)。（3）終端重配置技術(shù)：異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)中的終端應(yīng)具有支持多種無線接口的能力，并 體現(xiàn)跨層優(yōu)化的技術(shù)，一般文獻上均假定其為能接入多個無線網(wǎng)絡(luò)的多模終端。為了能更 靈活地自適應(yīng)多無線電環(huán)境，接入未知的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，近年來國際上開始硏究將軟件無線電（sdr）技術(shù)引入無線終端和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的開發(fā)，提出可重配置終端的概念。進一步考慮， 為了能充分利用共享的無線資源，提升異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的容量，又將重配置概念引入網(wǎng) 絡(luò)，提岀了網(wǎng)絡(luò)重配置的概念。終端重配置和網(wǎng)絡(luò)重配置的引入無疑將提高異構(gòu)網(wǎng)

8、絡(luò)的靈 活性和有效性，它們構(gòu)成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的一個重要的前沿研究內(nèi)容。（4）聯(lián)合無線資源管理技術(shù)：聯(lián)合無線資源管理包括準(zhǔn)入控制、負載均衡、分組調(diào) 度、動態(tài)信道分配、功率控制、擁塞控制等，相關(guān)算法的研究與實現(xiàn)一直是工業(yè)學(xué)術(shù)界的南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第一章引言熱點研究領(lǐng)域。當(dāng)前，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合無線資源管理的研究已經(jīng)吸引了廣泛的關(guān)注。在聯(lián) 合無線資源管理的研究中，異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中的負載均衡和聯(lián)合接納控制一直是學(xué)術(shù)界的研 究熱點，而這兩點也正是木論文研究的主要內(nèi)容。12研究意義因為每種無線接入技術(shù)都存在一些固有缺陷，例如蜂窩網(wǎng)的小區(qū)干擾、wlan覆蓋范 圍有限、各種無線網(wǎng)絡(luò)可能存在著通信盲區(qū)等等，

9、因此未來的網(wǎng)絡(luò)強調(diào)不同系統(tǒng)之間的互 聯(lián)互通，以保證用戶能夠跨過這些異構(gòu)的無線接入技術(shù)實現(xiàn)漫游。在當(dāng)前以及未來各種無 線網(wǎng)絡(luò)并存的環(huán)境中，不同的無線接入技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)覆蓋、業(yè)務(wù)支持能力、使用成本上都有 很大的差異，而h不同的業(yè)務(wù)對qos有著不同的要求。因此運營商必須要對整個系統(tǒng)進 行優(yōu)化控制，合理分配網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負載。在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，一個必須要考慮并解決的關(guān)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(wù)。異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化資源分配以及網(wǎng) 絡(luò)負載均衡問題使得異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中具備qos保證的關(guān)鍵技術(shù)研究變得非常必要，已成為下 一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的重要方面。冃前研究主要集屮在接納控制

10、、垂直切換、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源 分配和網(wǎng)絡(luò)選擇等資源管理算法上面。傳統(tǒng)移動通信網(wǎng)絡(luò)的資源管理分配算法己經(jīng)被廣泛 研究并取得了豐碩成果，而在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)屮的資源管理以及負載均衡問題由于各網(wǎng) 絡(luò)的異構(gòu)性、用戶的移動性、資源和用戶需求的多樣性以及不確定性，給課題的研究帶來 了很大的挑戰(zhàn)。3gpp組織對自組網(wǎng)絡(luò)(son, self-organized network) r，1的研究中，把son的主要功 能 劃分為自配置(self-configuration)> 自優(yōu)化(self-optimization)和自恢復(fù)(self-healing) 三個方面，而把負載均衡歸屬于自優(yōu)化中的與切換相關(guān)的一個很

11、重要優(yōu)化問題進行研究。在下一代無線網(wǎng)絡(luò)中，負載均衡策略對于提高整個異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的資源利用率以及為 用戶提供qos保證具有至關(guān)重要的意義。盡管各種單一的無線接入系統(tǒng)屮的負載均衡策 略的設(shè)計目標(biāo)是相似的，但是當(dāng)這些無線網(wǎng)絡(luò)融合成一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)時，如果不對系統(tǒng)中 原有的負載均衡策略進行聯(lián)合管理與協(xié)調(diào)，那么就會降低無線網(wǎng)絡(luò)的資源利用率和移動用 戶的qoso因此為了在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中充分利用各系統(tǒng)無線資源和向用戶提供qos保證， 對異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的的融合及負載均衡機制的研究是非常有必要的。在通信熱點地區(qū)，可能會出現(xiàn)用戶業(yè)務(wù)比較密集，業(yè)務(wù)流量較犬，新呼叫的阻塞率或 者切換失敗率以及掉話率很高的情況，而對于非熱

12、點小區(qū)，可能會出現(xiàn)業(yè)務(wù)流量很低，資源過剩的情況。這樣整個系統(tǒng)資源并未充分利用，而且沒有為用戶提供很好的服務(wù)保證， 因此造成系統(tǒng)資源利用率很低，整個系統(tǒng)性能下降。因此，通過引入負載均衡機制，在重 載小區(qū)和輕載小區(qū)之間進行合理的均衡，在用戶期望的qos水平依然被滿足的情況下， 可以改善服務(wù)等級(gos, grade of service)參數(shù)，如阻塞率和掉話率，從而提高異構(gòu)無線 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的資源利用率，增加網(wǎng)絡(luò)容量，為用戶提供更好的服務(wù)，提高系統(tǒng)的整體性能。 因此對負載均衡控制機制和算法的研究有著很大的實際意義。1.3論文主要內(nèi)容和本人主要工作木課題來源于國家自然科學(xué)基金項目基于跨層跨系統(tǒng)合作的異構(gòu)

13、網(wǎng)絡(luò)融合關(guān)鍵技術(shù) 研究下的子課題“異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合無線資源管理相關(guān)技術(shù)研究”。研究目標(biāo)是通過對當(dāng)前異 構(gòu)融合無線網(wǎng)絡(luò)無線資源管理及son中負載均衡相關(guān)機制的研究，以及對負載均衡控制 策略和算法的總結(jié)，提出自己的負載均衡機制和算法，以提高異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的資源利 用率，增加網(wǎng)絡(luò)容量，為用戶提供更好的服務(wù)，提高系統(tǒng)的整體性能。該選題的研究內(nèi)容 是深入了解當(dāng)前多種無線網(wǎng)絡(luò)并存的架構(gòu)，認真學(xué)習(xí)無線資源管理尤其是負載均衡機制等 相關(guān)內(nèi)容，了解802.21> lte/sae提出的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，以及son中提出的負載均 衡機制，調(diào)研和總結(jié)學(xué)術(shù)界有關(guān)學(xué)者提出的無線資源管理及負載均衡控制策略和算法，最 后

14、提岀適合界構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的負載均衡機制或算法，并給岀仿真結(jié)果。研究過程分為以下四 個階段：第一階段，研究總結(jié)lte/sae和802.21提出的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)。第二階段，研究 總結(jié)無線資源管理中的負載均衡、垂直切換以及負載均衡的概念以及它們之間的相互關(guān)系。第三階段，研究負載均衡的機制和方法。第四階段，提岀適合于異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的負載均衡算法和機制，并對所提算法和機制進 行仿真。論文結(jié)構(gòu)安排如下：第二章主要介紹當(dāng)前3gpp組織以及802委員會對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合所作的研究以及他們 分別所提出的基于3gpp核心網(wǎng)的和基于802.21協(xié)議的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)。第三章主要介紹無線資源管理的相關(guān)概念，總結(jié)負載均衡的各種

15、實現(xiàn)架構(gòu)、機制和方 法。第四章提岀異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中基于強制切換的負載均衡機制和算法，并對所提算法進行南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第一章引言了仿真驗證和分析。第五章提出異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中基于負載均衡的聯(lián)合接納控制機制，并對 提出的機制進行仿真驗證和分析。第二章異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)研究21概述下一代異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是各種無線接入技術(shù)的異構(gòu)融合環(huán)境，強調(diào)不同系統(tǒng)之間的 互聯(lián)互通，以保證用戶能夠跨過這些異構(gòu)的無線接入技術(shù)實現(xiàn)漫游，保證任何時候任何地 點能夠為任何用戶提供任何服務(wù)。對于應(yīng)當(dāng)采用何種方式實現(xiàn)異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通， 不同的組織提出了不同的解決方法o3gpp通過把各種無線接入技術(shù)都接入到3gpp的核

16、心 網(wǎng)來實現(xiàn)互通，而802.21則給出了與接入技術(shù)無關(guān)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合策略。在保持現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完整性的基礎(chǔ)上，通過增加某些中間節(jié)點可以實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò) 的互聯(lián)互通，根據(jù)增加屮間節(jié)點的位置不同，異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的融合模式可以分為緊耦合模 式和松耦合模式兩種。所謂緊耦合模式，就是在網(wǎng)絡(luò)融合中，使一個網(wǎng)絡(luò)(如網(wǎng)絡(luò)a) 完全成為另一個網(wǎng)絡(luò)(網(wǎng)絡(luò)b)的一部分，在結(jié)構(gòu)上，僅增加少量網(wǎng)元或在現(xiàn)有網(wǎng)元上僅 增加必要的功能模塊以實現(xiàn)兩個網(wǎng)絡(luò)的互通；在功能上，使網(wǎng)絡(luò)a實現(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò)b所支持的 所有功能；在管理上，這兩個網(wǎng)絡(luò)可以位于同一個管理域，由同一運營商統(tǒng)一維護和管理。 所謂松耦合模式，就是兩個網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通需要第三方

17、網(wǎng)絡(luò)輔助完成，在結(jié)構(gòu)上仍然保持 各自獨立的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和協(xié)議。3gpp提出的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合方案，把各種非3gpp接入網(wǎng)絡(luò)(wimax、wlan等)都 接入其核心網(wǎng)，因此屬于緊耦合模式的融合方案。而基于ieee 802.21的融合架構(gòu)是媒體 獨立的融合架構(gòu)，則屬于松耦合模式，接下來2.2和2.3節(jié)中將對這兩種融合架構(gòu)進行詳 細介紹。2.2 3gpp提出的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)3gpp將無線接入網(wǎng)分為3gpp網(wǎng)絡(luò)和非3gpp網(wǎng)絡(luò)。其中，gsm/gprs、 wcdma/td-scdma及l(fā)te接入到演進分組核心網(wǎng)(epc)稱為3gpp接入方式；非 3gpp接入方式則主要包括1eee8021 ( wlan )、i

18、eee802.16 ( wimax )以及 cdmalx、cdma2000 等接入類型"j業(yè)務(wù)架構(gòu)演進(sae, service architecture evolution)是3gpp的一個研究項目，目標(biāo) 是為3gpp系統(tǒng)向高數(shù)據(jù)率、低延遲、針對分組優(yōu)化的演進開發(fā)一個支持多射頻接入技術(shù) (rat)的系統(tǒng)架構(gòu)，該架構(gòu)應(yīng)支持多種無線接入技術(shù)接入一個統(tǒng)一的核心網(wǎng)，并支持它們之間的無縫漫游與切換，保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性。文獻6中對3gpp提出的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)進行總結(jié)，具體如圖21所示:非3gpp接 入圖21 3gpp提出的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu) 從該架構(gòu)我們可以看出，3gpp 除了支持 3gpp 接

19、入網(wǎng)（geran、utran、e-utran）接入它的核心網(wǎng)epc之外，還支持非3gpp接入網(wǎng)如wimax、wlan等接入其核心網(wǎng)， 這是一種緊耦合的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合模式。在3gpp核心網(wǎng)中，有三個重要的功能實體：mme、s-gw和pgw,這三個功能實 體的功能分別為：mme負責(zé)與用戶和會話管理有關(guān)的控制平面功能；s-gw是連接 e-utran的分組數(shù)據(jù)接口的終點。當(dāng)移動終端在e-utran中的不同基站z間移動時， 服務(wù)網(wǎng)關(guān)用作本地的移動錨點，當(dāng)終端在e-utran與其他的3gpp網(wǎng)絡(luò)間移動時，分組 通過服務(wù)網(wǎng)關(guān)進行路由；p-gw （分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)）是連接外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的錨點，還支 持策略增強功能

20、以及分組過濾和增強計費功能。對于架構(gòu)中的各個接口及其功能，具體描述如下：s1：位于mme/s-gw和e-utran之間，支持e-utran和epc之間的控制平面業(yè)務(wù)。 s2a：在pdn-gw和可信任的非3gpp ip接入之間，給用戶平面提供相關(guān)的控制和移動性 支持。s2b：在epdg和pdn-gw之間，給用戶平面提供相關(guān)的控制和移動性支持。s3：位于mme和2g/3gsgsn之間，支持以空閑狀態(tài)或激活狀態(tài)在系統(tǒng)間移動的用戶和 承載信息的交互。s4：位于sgw和2g/3gsgsn之間，支持系統(tǒng)間移動的用戶平面數(shù)據(jù)傳輸。s5：位于s-gw和pdn-gw之間，支持承載管理和用戶平面數(shù)據(jù)隧道傳輸。s6

21、a： mme和hss之間接口用于認證和授權(quán)。gx：位于pdn網(wǎng)關(guān)和pcrf之間，支持從pcrf到epc的策略和計費規(guī)則傳遞過程。s11：位于mme和sgw之間，支持承載管理。sgi：位于pdn gw和分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間。分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)可以是運營商的公網(wǎng)，也可以是 私網(wǎng)，或者是運營商內(nèi)部的一個網(wǎng)絡(luò)，如提供ims業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)。為了能夠更好地實現(xiàn) 不同無線接入技術(shù)之間的互聯(lián)互通，3gpp還提出了在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，新增一個網(wǎng)絡(luò)實體"接入網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)和選擇功能”(andsf, access network discovery and selection function), andsf包括數(shù)據(jù)管理和控制功能

22、，提供系統(tǒng)間移動性策略和接入網(wǎng) 發(fā)現(xiàn)信息。用戶設(shè)備通過和網(wǎng)絡(luò)側(cè)的andsf功能實體進行交互，可以獲得有效的接入網(wǎng) 絡(luò)信息；ue可以保留和使用這些andsf提供的接入網(wǎng)絡(luò)信息直到收到下一次更新信息。 這樣，ue就不需要通過不斷地周期性掃描發(fā)現(xiàn)周圍存在哪些可用網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省了終端電量， 同吋也降低了終端設(shè)計的復(fù)雜度。2.3基于802.21的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)未來的無線通信要求從wlan、3g到wimax都可實現(xiàn)語咅與數(shù)據(jù)傳輸，ii能無縫 融合oieee 802.21的目的是使移動終端在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間漫游吋能自動選擇最佳網(wǎng)絡(luò)連接類型 并無縫切換。通過802.21,移動終端在漫游過程中可隨時發(fā)現(xiàn)周圉的可用網(wǎng)絡(luò)，

23、并根據(jù)當(dāng) 前業(yè)務(wù)需要改變網(wǎng)絡(luò)使用狀態(tài)。802.21是實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)融合愿景的關(guān)鍵技術(shù)。ieee 802.2117,1291 中提出的與媒體無關(guān)的切換(mih, media independent handover)方 案，在開放系統(tǒng)互聯(lián)(osi)協(xié)議棧的第2、第3層之間定義了一個新的mih子層，用于 屏 蔽不同的mac層所帶來的差異，從而在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)終端的移動性。mih能為 更高的網(wǎng)絡(luò)層提供鏈路層信息及其他相關(guān)網(wǎng)絡(luò)信息，以最優(yōu)化異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的效能。2.3.1 mih通信模型圖2-2給出的mih通信模型說明了 mih功能在網(wǎng)絡(luò)中的不同角色以及它們之間的通 信關(guān)系。終端側(cè)mih網(wǎng)絡(luò)實體2-2

24、mih通信模型圖22中，mih業(yè)務(wù)點(pos, point of service)是位于網(wǎng)絡(luò)側(cè)的mih功能實體，與 mn上的mih功能模塊交互mih消息。同一 mih網(wǎng)絡(luò)實體對每個具有mih功能的mn 都包含一個明確的mih pos以便交換mih信息。同一 mih pos可服務(wù)于多個mih業(yè)務(wù)。 同一 mih網(wǎng)絡(luò)實體可包含多個mih pos,根據(jù)訂閱或漫游條件分別為mn提供不同的mih 業(yè)務(wù)組合。二層接入點(l2 poa, l2 point of attachment)是指鏈路上的網(wǎng)絡(luò)側(cè)端點(如 ap或bs),鏈路側(cè)的另一端為移動節(jié)點mno這里的網(wǎng)絡(luò)可以是子網(wǎng)、子網(wǎng)+vlan、或 廣播域、路由

25、域。在鏈路交換事件(link_switch_event)中，移動節(jié)點的服務(wù)接入點(poa) 是鏈路交換事件發(fā)生之前的接入點，而目標(biāo)poa則為鏈路交換事件發(fā)牛之后的接入點。mih功能之間可以根據(jù)各種不同的目的進行通信。移動終端mn通過mih業(yè)務(wù)點交 換mih信息。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的實體與支持mih功能的mn直接通信時，該網(wǎng)絡(luò)實體就變成一 個mih業(yè)務(wù)接入點poso在具有mih代理的通信模型中，mih網(wǎng)絡(luò)實體與mih代理交互 信息，并不直接與mn通信。同一網(wǎng)絡(luò)實體可仍然作為其它mn的mih pos使用。一個具有mih能力的mn,其接口并不完全用于mih通信。例如，一個mn同時配 置了 802.3、802.

26、11、802.16的l2接口，802.3接口可僅用于系統(tǒng)管理和維護操作，而802.11 和802.16接口用于提供mih服務(wù)。mn可使用l2傳輸與同時作為其poa的mih pos交 換mih信息，而使用l3傳輸與并不與poa位于同一網(wǎng)絡(luò)實體的mih pos交換mih信息。圖2-2中各個參考點的說明如下：r1參考點：r1參考點指示的mih過程發(fā)生在移動節(jié)點mn上的mih功能與同時作 為mn的服務(wù)poa的網(wǎng)絡(luò)實體上的mih pos之間。r1可以包括l2和l3接口以及l(fā)3之 上的通信接口。r2參考點:r2參考點指示的m1h過程發(fā)生在移動節(jié)點mn上的mih功能與備選poa 的網(wǎng)絡(luò)實體上的mih pos

27、之間。r2可以包括l2和l3接口以及l(fā)3之上的通信接口。r3參考點：r3參考點指示的mih過程發(fā)生在移動節(jié)點mn上的mih功能與非poa 的網(wǎng)絡(luò)實體上的mih pos z間。r3可以包括l3接口及其z上的通信接口。r4參考點：r4參考點指示的mih過程發(fā)生在網(wǎng)絡(luò)實體內(nèi)的mih pos與另一網(wǎng)絡(luò)實 體內(nèi)非poamih功能實體之間。r4可以包括l3接口及其之上的通信接口。r5參考點：r5參考點指在不同的網(wǎng)絡(luò)實體內(nèi)mih pos之間的mih過程。r5可以 包括l3接口以及其之上的通信接口。2.3.2 mih邏輯網(wǎng)絡(luò)參考模型mih邏輯網(wǎng)絡(luò)參考模型如圖2-3所示。具有mih能力的移動節(jié)點支持多種接入技術(shù)

28、。 每種接入技術(shù)通告其mih能力或響應(yīng)mih終端的請求。圖中，mn通過周期性訪問其服 務(wù)提供商的媒體無關(guān)信息服務(wù)(miis, media independent information service)獲取有關(guān)信 息(如新漫游列表、優(yōu)先級及其他有關(guān)使用接入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的信息)。移動節(jié)點也可以通過 訪問網(wǎng)絡(luò)pos,從訪問網(wǎng)絡(luò)中獲取有關(guān)訪問網(wǎng)絡(luò)的信息。在網(wǎng)絡(luò)側(cè)，mih pos的位置并不 是確定的，可根據(jù)運營商布置的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境或mih結(jié)構(gòu)而變化。mih pos可與poa相鄰， 或pos和poa位于家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)或訪問網(wǎng)絡(luò)的同一節(jié)點上。拜訪m1hpos信息服 務(wù)器r4/r5拜訪核心網(wǎng)3/r4/r5r1/r2/r3

29、wlan poa接入網(wǎng)iv-aaar3/r4zr5r3/r4/r5k4/r5r1/r2/r3h-aaainternetr3/r4/r5v-aaar1/r2/r3歸屬mihpos信息服接入網(wǎng)4802.3 poa有線連接 _c802ju_cn接入網(wǎng)2w max poar3/r4/r!歸屬核心網(wǎng)芹訪核心網(wǎng)r3/r1/r5r1vaaa拜訪核心網(wǎng)接入網(wǎng)cellular圖2-3邏輯網(wǎng)絡(luò)參考模型圖23中，mn內(nèi)的mih實體通過rl、r2或r3參考點與mih網(wǎng)絡(luò)實體通信，兩個 網(wǎng)絡(luò)實體之間通過r4或r5參考點通信。當(dāng)服務(wù)接入網(wǎng)絡(luò)中的poa同時具有mih功能時, rl參考點在poa處結(jié)束，而r3參考點在訪問核心

30、網(wǎng)或家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)的任何非poa mih網(wǎng)絡(luò) 實體處結(jié)束。具有mih能力的poa也可以通過r3或r4參考點與其他mih網(wǎng)絡(luò)實體通 信。具有mih能力的mn也可以通過r2參考點與位于備選接入網(wǎng)絡(luò)的其他poa進行mih 通信，以便獲得關(guān)于備選網(wǎng)絡(luò)的信息。在圖中，蜂駕接入網(wǎng)作為家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)，由家鄉(xiāng)運營商管理。蜂貫漫游可能跨越不同的蜂 窩接入網(wǎng)或其他網(wǎng)絡(luò)。對于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，poa的定義和位置由運營商決定，如bs、rnc、 ggsn或pdsn等，它可位于訪問網(wǎng)絡(luò)或家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)。因此，當(dāng)mih poa位于ggsn/pdsn 時，rl在蜂窩家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)束了 mih pos和poa,家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)使用r3和r4接口訪問其他 mih實體

31、(如家鄉(xiāng)或訪問mih信息服務(wù)器)。2.3.3 mih功能業(yè)務(wù)mih功能通過服務(wù)訪問點(sap)提供3類業(yè)務(wù)，如圖24所示：(i)媒體無關(guān)事件業(yè) 務(wù)(mies, media independent event service)； (2)媒體無關(guān)命令業(yè)務(wù)(mics, media independent command service ) ； ( 3 )媒體無關(guān)信息業(yè)務(wù)(miis , media independentinformation service）o圖2-4mih功能及業(yè)務(wù)媒體無關(guān)事件業(yè)務(wù)（mies）：負責(zé)檢測低層事件（如檢測出新鏈路、鏈路即斷等），這 些事件均是由低層產(chǎn)生、mihf傳遞的

32、；媒體無關(guān)命令業(yè)務(wù)（mics）：負責(zé)實現(xiàn)高層對低層的控制，高層可以有多種不同的命 令選擇，如設(shè)定鏈路參數(shù)閾值等。命令業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流與事件業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的方向相反；媒體無關(guān)信息業(yè)務(wù)（miis）：負責(zé)提供一定地理范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)信息（包括靜態(tài)的鏈路 信息及高層可用業(yè)務(wù)的信息），低層及高層均可以訪問miiso2.4本章小結(jié)下一代異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是寬帶移動無線接入和異構(gòu)分布的網(wǎng)絡(luò)，是各種無線接入技 術(shù)的異構(gòu)融合，強調(diào)不同系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通，以保證用戶能夠跨過這些異構(gòu)的無線接入 技術(shù)實現(xiàn)漫游。對于應(yīng)當(dāng)采用何種方式實現(xiàn)異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，不同的組織提出了 不同的解決方法。3gpp通過把各種無線接入技術(shù)都接入到3g

33、pp的核心網(wǎng)來實現(xiàn)互通，而 802.21則給出了與接入技術(shù)無關(guān)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合策略本章介紹了 lte/sae和802委員會兩個不同的組織分別提出的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合架構(gòu)的 研究成果。兩者都充分考慮了 ieee 802系列以及3gpp、3gpp2等規(guī)范中定義的各種無線 接入技術(shù)。lte/sae是3gpp提出的，因此其架構(gòu)和方案均是站在3gpp的角度提出的；mih是 由ieee 802.21工作組提岀用于解決802系列各種有線/無線、固定/移動網(wǎng)絡(luò)以及蜂窩移動 通信之間基于移動ip協(xié)議的漫游和切換問題，主要規(guī)范mac層，該標(biāo)準(zhǔn)符合ip化的技 術(shù)發(fā)展趨勢。第三章 無線資源管理及負載均衡機制和策略研究3.1

34、概述無線資源管理包括接納控制、負載均衡、分組調(diào)度、功率控制、擁塞控制等，相關(guān)算 法的研究與實現(xiàn)一直是學(xué)術(shù)界的熱點研究領(lǐng)域。傳統(tǒng)無線資源管理的資源管理算法各自作 業(yè)，盡力而為地為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)無線用戶終端提供業(yè)務(wù)質(zhì)量保證。未來的異構(gòu)無線資源管理則是 一組控制機制的集合，采用統(tǒng)一的方式進行管理，支持網(wǎng)絡(luò)信息共享、資源共享，從而實 現(xiàn)無線資源的聯(lián)合優(yōu)化管理。聯(lián)合無線資源管理實現(xiàn)無線資源的聯(lián)合優(yōu)化使用，主要完成 網(wǎng)絡(luò)間無線資源的協(xié)調(diào)管理，其目標(biāo)是擴展網(wǎng)絡(luò)容量和覆蓋范圍，最優(yōu)化無線資源的利用 率。3.2異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合資源管理異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合無線資源管理主要包括以下幾個方面：(1) 切換控制當(dāng)處于連接狀態(tài)的

35、移動臺從一個小區(qū)移動到另一個小區(qū)，或者移動臺 發(fā)現(xiàn)了新的可用網(wǎng)絡(luò)吋，都可能會涉及到切換過程。切換不僅影響服務(wù)質(zhì)量，還與系統(tǒng)的無線資源使用情 況有著密切的聯(lián)系。如果切換過程進行得不好的話，很可能造成小區(qū)過載或者終端掉話， 使網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量大大下降。(2) 接納控制接納控制的任務(wù)是接受或者拒絕新的無線承載的建立請求。為了做到 這一點，接納控制就要考慮系統(tǒng)中整體無線資源狀況、各種業(yè)務(wù)的qos要求和優(yōu)先級水平、正在進行的 會話業(yè)務(wù)的qos要求以及新的無線承載請求的qos要求。接納的冃的是確保高的無線資 源利用率，同時要保證止在進行會話的合適的qos,當(dāng)資源有限不允許接入時就拒絕新的 無線承載。(3) 動

36、態(tài)資源分配(dra)分組調(diào)度(ps)分組調(diào)度要解決的基本問題是：當(dāng)多 個分組業(yè)務(wù)流等待接受服務(wù)時，必須確定合理的服務(wù)規(guī)則，安排流的服務(wù)順序和服務(wù)時間，以滿足各個業(yè)務(wù)流的qos要求。qos性能參 數(shù)包括：吋延、抖動、吞吐量和丟包率等等。(4) 小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)(icic)小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)的任務(wù)是管理無線資源，以便小區(qū)間的干擾處于可控的范圍內(nèi)。icic 屬于多小區(qū)的無線資源管理，需要考慮到來自多個小區(qū)的信息（例如資源利用狀況和業(yè)務(wù) 負載情況）。上行和下行首選的icic算法是可以不同的。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)存在著多小區(qū)覆蓋的情 況時（例如小區(qū)邊緣、多小區(qū)同覆蓋等），需要對各個小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)實時資源進行協(xié)調(diào)（例 如負載失衡

37、、小區(qū)間干擾等），從而影響各個小區(qū)中相應(yīng)的調(diào)度。（5）負載均衡無線資源管理的一個重要任務(wù)是確保系統(tǒng)不過載并維持穩(wěn)定。負載均 衡功能用于處理多個小區(qū)間不均衡的業(yè)務(wù)量，通過均衡小區(qū)間不均衡的業(yè)務(wù)量分配，提高無線資源的利用 率，將正在進行中的會話的qos保持在一個合理的水平，降低掉話率。負載均衡算法可 能會導(dǎo)致部分終端進行切換或小區(qū)重選，以均衡小區(qū)間的負載狀況。相比傳統(tǒng)的具有典型意義的蜂窩網(wǎng)絡(luò)的無線資源管理的方式，未來的異構(gòu)無線資源管 理的模式不再局限于單一的集中式管理，而是可以采用集中式、分布式，以及介于兩者之 間的分級式的管理方式旳叭3.2.1集中式聯(lián)合無線資源管理圖31給岀了集中式聯(lián)合無線資源

38、資源管理的架構(gòu)，從圖中我們可以看岀，所謂集中 式無線資源管理，就是對于系統(tǒng)中不同的無線接入技術(shù)，在核心網(wǎng)側(cè)有一個集中控制的實 體。這個集屮控制實體收集它所管轄范圍內(nèi)的多個無線網(wǎng)絡(luò)的無線資源的使用情況，并對 這些無線資源進行統(tǒng)一的分配和管理。圖31集中式無線資源管理架構(gòu)集中式聯(lián)合無線資源管理在功能上可以劃分為兩個實體：集中管理實體和獨立執(zhí)行實 體。集中管理實體獨立于各種無線接入技術(shù)，是聯(lián)合無線資源管理的執(zhí)行點，主要執(zhí)行聯(lián) 合接納控制、聯(lián)合負載控制、聯(lián)合切換控制、聯(lián)合資源分配等。獨立執(zhí)行實體，即原來各無線接入網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部已有的無線資源管理實體，主要完成用戶業(yè)務(wù)相關(guān)的具體無線傳輸中所使用的無線資源分配并

39、進行傳輸執(zhí)行?？梢哉f，集中式聯(lián)合無線資源管理是對資源的一種 集中控制，無線網(wǎng)絡(luò)側(cè)的獨立執(zhí)行實體向集中管理實體上報無線網(wǎng)絡(luò)中的資源信息和負載 信息，以便集中管理實體執(zhí)行統(tǒng)一的無線資源估計和分配，進而集中管理實體會把分配的 方案下發(fā)到無線側(cè)的各個獨立執(zhí)行實體中。3.2.2分布式聯(lián)合無線資源管理圖32給出了分布式無線資源管理模式，與集中式無線資源管理模式相比，分布式無 線資源管理模式?jīng)]有一個集中的管理實體來對各種無線接入網(wǎng)絡(luò)中的資源進行統(tǒng)一協(xié)調(diào) 控制。在這種模式下，統(tǒng)一的協(xié)調(diào)功能分散在各個地位對等的無線接入網(wǎng)絡(luò)中。不同的小 區(qū)間可以交互，從而獲得各個相鄰小區(qū)的資源分配情況和負載情況，根據(jù)小區(qū)自身資源

40、信 息以及鄰小區(qū)資源信息，對無線資源進行管理。分布式聯(lián)合無線資源管理一方面能夠降低 各個節(jié)點的計算復(fù)雜度，另一方面也增加了系統(tǒng)的冗余度。冗余度的增加意味著當(dāng)某些節(jié) 點發(fā)生故障時，不會對分布式節(jié)點的計算和管理產(chǎn)生破壞性影響。然而分布式管理機制不 具備集中管理實體，不能針對所有被管實體進行統(tǒng)一調(diào)整以及針對某些目標(biāo)進行統(tǒng)一計 算，從而在高效獲得系統(tǒng)的全局最優(yōu)方案方面具有一定難度。3.2.3混合式聯(lián)合無線資源管理在不少情況下，異構(gòu)無線資源管理可以采用如圖3-3所示的混合無線資源管理架構(gòu)。3.3 son中負載均衡的相關(guān)研究由上面3.2節(jié)的介紹可知，負載均衡是無線資源管理的一個重要組成部分，也是當(dāng)前 學(xué)者

41、研究的一項重要內(nèi)容。3gpp標(biāo)準(zhǔn)中提出了 son的概念，即自組網(wǎng)絡(luò)。在son中， 把負載均衡定義為：網(wǎng)絡(luò)可以以一種自動的方式（不需要人工干預(yù)）及時而準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)負 載不均衡的小區(qū)，從而采用一系列措施，來達到負載均衡的目的。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中一些小區(qū)的負載比它的鄰接小區(qū)的負載重時，負載失衡的現(xiàn)象就出現(xiàn)了。這 時，需要從重載小區(qū)中轉(zhuǎn)移一些負載到其它的輕載小區(qū)或者到使用其它無線接入技術(shù)的小 區(qū)。負載均衡可以改善gos參數(shù)，如阻塞率和掉話率，但同時也會改善或者影響到 qos（quality of service）參數(shù)，如吞吐量和時延等。當(dāng)然，用戶期望的qos水平依然要被 滿足。son中負載均衡的目標(biāo)有二：其一，不

42、需要通過人工干預(yù)就可以及吋而準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn) 負載不均衡的小區(qū)；其二，自動地采取一些措施，通過轉(zhuǎn)移負載到輕載小區(qū)來達到負載均 衡的目的。待轉(zhuǎn)移會話的選擇是基于無線傳播條件以及這些會話所占用的資源等因素來考 慮的。對于負載均衡機制來說，最重要的輸入?yún)?shù)是基站的測量值：某小區(qū)及其鄰近小區(qū)的上下行鏈路的負載測量值。（如正在進行的實時和非實時的 連接數(shù)目）資源利用率，如已占用的上下行鏈路資源與全部可用資源的比值。上下行鏈路qos參數(shù)。（吞吐量，吋延等）。gos參數(shù)。（阻塞率和調(diào)話率）。負載評估參數(shù)。（小區(qū)具有的可用容量）。執(zhí)行負載均衡需要一些參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)運營 商可以利用這些參數(shù)來控制負載均衡的過程。參數(shù)列表有

43、：在觸發(fā)負載均衡檢查之前，允許的負載最大值。也就是說，當(dāng)處于低等或中等負 載水平時，可以不觸發(fā)負載均衡。在觸發(fā)負載均衡z前，相比于鄰接小區(qū)，允許的最大負載不平衡程度。為解決負載不平衡，允許的最大交互次數(shù)。每次交互過程中，轉(zhuǎn)移的負載數(shù)量。負載均衡過程中將被優(yōu)化的參數(shù)有：處于active狀態(tài)終端的切換門限，如遲滯參數(shù)。處于idle狀態(tài)終端的小區(qū)重選參數(shù)?？刂菩^(qū)覆蓋范圍的參數(shù)，如天線傾斜、導(dǎo)頻功率等。負載均衡功能將執(zhí)行以 下動作：在同種無線接入技術(shù)之內(nèi)，或者在不同種無線接入技術(shù)之間，改變小區(qū)重選參數(shù)， 從而將處于idle狀態(tài)的終端轉(zhuǎn)移到輕載小區(qū)。在同種無線接入技術(shù)z內(nèi)，或者在不同種無線接入技術(shù)z間

44、，改變切換參數(shù)，從 而將處于active狀態(tài)的終端轉(zhuǎn)移到輕載小區(qū)。通過調(diào)整導(dǎo)頻功率，改變小區(qū)及其鄰接小區(qū)的覆蓋范圍。整個負載均衡優(yōu)化算法 執(zhí)行以下步驟：網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測分析負載均衡相關(guān)的測量值并與參考值進行比較。獲取最優(yōu)的參數(shù)，可能有一些交互步驟。配置這些優(yōu)化的參數(shù)。把受重配置影響的小區(qū)告之非鄰接小區(qū)。檢查重配置是否成功。通過執(zhí)行以上優(yōu)化算法，網(wǎng)絡(luò)可以以一種自動的方式及時而 準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)負載不均衡的小區(qū)，從而采用一系列措施解決負載不均衡現(xiàn)象。最終的目標(biāo)是：相比于靜態(tài)或者非優(yōu)化 的網(wǎng)絡(luò)容量，在網(wǎng)絡(luò)管理和任務(wù)優(yōu)化的過程屮，以最少的人工干預(yù)，獲得最大的系統(tǒng)容量。 盡管基站的廠商不同，但是測量值應(yīng)該具有相同的含

45、義，對于給定的情況應(yīng)該是相同的值。 所以在鄰接小區(qū)之間交互的負載測量值和資源利用率應(yīng)該標(biāo)準(zhǔn)化，這將在第四章中進行具 體介紹。-負載均衡自優(yōu)化算法自動調(diào)整的參數(shù)如下：觸發(fā)負載均衡時的負載數(shù)量，轉(zhuǎn)移到其他 小區(qū)的負載數(shù)量，負載轉(zhuǎn)移多久發(fā)生一次，釆取何種動作來轉(zhuǎn)移負載等等。這些負載均衡 參數(shù)的自動調(diào)整是基于網(wǎng)絡(luò)對于其負載情況的歷史測量值的，如gos、qos等等。當(dāng)鄰接 小區(qū)已經(jīng)擁塞不能再接納更多的呼叫時，考慮在過載小區(qū)及其鄰接小區(qū)臨時觸發(fā)中檔/低檔 /較低檔的比特速率（假設(shè)這樣并不會嚴重影響到qos/gos）o另外，對于負載均衡產(chǎn)生的 “連鎖反應(yīng)”，還需要決定“連鎖反應(yīng)”可以通過網(wǎng)絡(luò)傳播多遠（最多經(jīng)

46、過多少跳），并且討論 這個效應(yīng)是否合適。son中負載均衡的相關(guān)研究，對筆者課題研究提供了一個理論基礎(chǔ)， 對后續(xù)的研究有很大幫助。3.4異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中的負載均衡機制及策略異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合無線資源管理可以采取三種機制，負載均衡機制同樣分為集中 式、分布式和混合式三類。在集屮式的負載均衡系統(tǒng)屮，全局的負載信息被一個單獨的節(jié)點收集，該節(jié)點稱為中 央調(diào)度器。其它的節(jié)點均為局部節(jié)點，發(fā)送他們的負載狀態(tài)消息到中央調(diào)度器。所有的負 載均衡決定都由中央調(diào)度器根據(jù)收集來的消息加以定奪。集中式的負載均衡機制的主要問 題是可靠性相對較低。中央調(diào)度器一旦失效將使得負載均衡策略無法執(zhí)行。在分布式的負載均衡系統(tǒng)屮，每個節(jié)

47、點周期性地廣播各自的負載信息到其它的節(jié)點來 更新他們維護的局部負載表。使得每個節(jié)點都能夠不停地了解全局的系統(tǒng)負載狀態(tài)。該方 法的主要缺點是每個節(jié)點都需要了解新來的更新消息，而且需要產(chǎn)生自己的更新消息。而混合式就是將集屮式和分布式兩種策略結(jié)合起來。對于集屮式機制來說集屮控制 點可能成為整個網(wǎng)絡(luò)的性能瓶頸。而分布式機制中，在每個獨立的接入點中維護狀態(tài)信息，設(shè)計更為模塊化，便于升級，而口分布式的狀態(tài)維護 機制減少了網(wǎng)絡(luò)維護的開銷。因此目前比較受歡迎的是負載均衡機制是分布式。負載均衡可以分為兩種場景：使用不同載波或者屬于不同無線接入技術(shù)但是覆蓋相 同地理區(qū)域的重復(fù)覆蓋的小區(qū)簇；或者使用相同載波或無線接

48、入技術(shù)的相鄰小區(qū)簇。通過調(diào)研文獻發(fā)現(xiàn)，異構(gòu)重疊網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)負載均衡可以通過垂直切換、接納控制以及 參數(shù)優(yōu)化等方法來實現(xiàn)。（1）通過轉(zhuǎn)移負載到輕載小區(qū)，即通過垂宜切換 切換，就是指將一個正處于呼叫建 立狀態(tài)或忙狀態(tài)的ms轉(zhuǎn)移到新的業(yè)務(wù)信道上的過程。現(xiàn)有水平切換的準(zhǔn)則均為無線信號的質(zhì)量，且實際應(yīng)用大多為最簡單的信號強度準(zhǔn)則， 即只有當(dāng)服務(wù)基站的信號強度下降到一定的門限以下時需要發(fā)牛切換。垂直切換則是指發(fā) 牛在不同系統(tǒng)之間的切換。在多無線電環(huán)境下，不同無線接入系統(tǒng)的覆蓋范圍往往是重疊 的，引起切換的原因除了信號下降以外，還可能是出于改善性能、負荷均衡、網(wǎng)絡(luò)資費等 多種因素的考慮。當(dāng)在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)z間出現(xiàn)下

49、列情形時，發(fā)生垂直切換：1）當(dāng)用戶移出當(dāng)前服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，并將立即進入另一個覆蓋網(wǎng)絡(luò)時；2）當(dāng)用戶已連接到某一個網(wǎng)絡(luò)，但為了未來服務(wù)的需要選擇切換到另一個無線網(wǎng)絡(luò)；3）當(dāng)需要在不同系統(tǒng)z間分配整個網(wǎng)絡(luò)負載時（以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的性能），垂直切換是指過 載小區(qū)強行使某些移動臺轉(zhuǎn)移到鄰接的輕載小區(qū)。這里所說的垂直切換是由于負載均衡引 起的，而不是由于移動性管理引起的。第三種情況即是我們所說的當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)負載不平衡情況吋，通過垂直切換來轉(zhuǎn)移負 載，實現(xiàn)系統(tǒng)中負載均衡。（2）通過接納控制來實現(xiàn)負載均衡接納控制算法的功能就是在保證已有通信質(zhì)量的 基礎(chǔ)上判斷是否接納新的連接。當(dāng)業(yè)務(wù)連接的呼叫到達時，如果系統(tǒng)中有足夠的帶

50、寬供其使用，該呼叫將繼續(xù)下去；如果沒有 足夠的帶寬供其使用，該呼叫將被阻塞或加入隊列。接納控制可以防止用戶選擇一個重載 的接入網(wǎng)絡(luò)。接納控制需要考慮的因素有很多，我們可以把各個小區(qū)的負載情況作為其中 一個考慮因素，從而在接納控制的時候可控制各個小區(qū)的負載情況，在保證用戶業(yè)務(wù)qos 的前提下，控制各個小區(qū)，從而避免有些小區(qū)負載過重，有些小區(qū)負載過輕的情況發(fā)生， 進而實現(xiàn)負載均衡，提高系統(tǒng)整體的資源利用率。(3) 通過優(yōu)化小區(qū)相關(guān)參數(shù)實現(xiàn)負載均衡川自組網(wǎng)絡(luò)的研究屮，提出通過優(yōu)化小區(qū) 相關(guān)參數(shù)，也可以實現(xiàn)負載均衡，提高系統(tǒng)容量。該策略既可用于重疊覆蓋小區(qū)，也可用于相鄰小區(qū)。可以優(yōu)化的小區(qū)參數(shù)有：1)

51、 導(dǎo)頻功率輕載小區(qū)可通過提高高頻功率擴大覆蓋范圍，從而為重載小區(qū)分擔(dān)負載。具 體如圖3-5所示：2)切換門限重載小區(qū)可提高切換門限，以減少用戶切入該小區(qū)，具體流程見圖36。3)遲滯時間重載小區(qū)將減小用戶切換遲滯時間以使更多的用戶能夠更快地切換到其 他小區(qū)，具體流程見圖36。丿、負載不均衡？n開啟遲滯定時器負載依皿均衡?如果為過載小區(qū)， 提高切換門限，減 小用戶切換遲滯時 間如杲為輕載小區(qū)，提咼導(dǎo)頻功率遼負載均衡? y結(jié)朿決策實體圖3-6參數(shù)調(diào)整實現(xiàn)負載均衡4) qos調(diào)整：qos調(diào)整是指在無線網(wǎng)絡(luò)資源有限的情況下，當(dāng)用戶請求的qos等 級為可調(diào)的時候，基站可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負載狀況來調(diào)整業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)

52、量，使得一方面在網(wǎng)絡(luò) 負載較輕的時候可以以最佳的質(zhì)量提供接入服務(wù)，另一方面在負載較大的時候可以和用戶 協(xié)商，根據(jù)用戶提供的請求策略，適當(dāng)調(diào)整qos等級，以最大化網(wǎng)絡(luò)容量，為更多的用 戶提供服務(wù)。在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)負載均衡中，對于正在進行的服務(wù)，如果岀現(xiàn)本小區(qū)和相鄰 小區(qū)相比較負載不均的情況，或者同一個小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)不同接入技術(shù)之間的負載不均， 則可以根據(jù)用戶提供的請求策略調(diào)整qos等級，通過水平切換或者垂直切換將正在進行 的業(yè)務(wù)切換到鄰近小區(qū)或者不同的無線接入系統(tǒng)中。對于新的呼叫則需要接納控制機制的 配合執(zhí)行。以上給出的各種實現(xiàn)負載均衡的方法，如果相互之間能夠很好配合，將會更高效地合 理利用系統(tǒng)資

53、源。論文第四章和第五章將主要對第一種和第二種方法進行具體研究。3.5本章小結(jié)本章首先介紹了界構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合無線資源管理的主要內(nèi)容。聯(lián)合無線資源管理實現(xiàn) 無線資源的聯(lián)合優(yōu)化使用，主要完成網(wǎng)絡(luò)間無線資源的協(xié)調(diào)管理，其目標(biāo)是擴展網(wǎng)絡(luò)容量 和覆蓋范圍，最優(yōu)化無線資源的利用率，主要功能包含切換控制、接納控制、負載控制、 分組調(diào)度等等。然后介紹了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合無線資源管理的三種結(jié)構(gòu)：集中式、分布式和混 合式。接著介紹了 son中負載均衡相關(guān)的概念和定義，和聯(lián)合無線資源管理一樣也可分為 三種架構(gòu)：集中式、分布式和混合式，這三種架構(gòu)各有其優(yōu)缺點。集中式的負載均衡架構(gòu) 能夠?qū)ο到y(tǒng)中無線資源進行統(tǒng)一的管理，對系統(tǒng)負

54、載進行集中控制，這就使得這種模式最 容易達到全局資源最優(yōu)使用和最大化系統(tǒng)容量的冃標(biāo)，但是這種方式的靈活性比較差。分 布式負載均衡架構(gòu)可以很好地解決可擴展性的問題，具有比較高的靈活性，小區(qū)之間地位 對等，都分別通過和相鄰小區(qū)交互來獲得周圍可用小區(qū)的負載狀況，但是和集中式的方式 相比在總體性能上述是有所差距。混合式就是將這兩種方式結(jié)合起來。最后總結(jié)了文獻調(diào)研中所涉及的負載均衡的機制和方法：接納控制、垂直切換、參數(shù) 調(diào)整以及qos調(diào)整。當(dāng)然在實際系統(tǒng)中，各種方法是并存并且相互依賴的。第四章異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于強制切換的負載均衡算法研究4.1概述在下一代網(wǎng)絡(luò)中，不同的無線網(wǎng)絡(luò)，如gsm、wlan、gprs、

55、cdma2000、wcdma 等將共存，共同來提供無線接入。這些界構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)時常會有較大的重疊覆蓋區(qū)域。為了 滿足越來越多的通信服務(wù)需求以及為了服務(wù)更多的移動臺，不同的無線網(wǎng)絡(luò)必將互相協(xié) 作。在某些熱點區(qū)域或者當(dāng)大量的移動臺在少數(shù)的bs或ap下通信的吋候，某些小區(qū)將 出現(xiàn)過載的情況，但是其它小區(qū)卻依然輕載。為了增加整個系統(tǒng)的利用率從而盡可能地服 務(wù)更多的移動臺，不平衡的負載必須被分配到每個小區(qū)當(dāng)中。因此，負載均衡應(yīng)該被考慮 并執(zhí)行。負載均衡的任務(wù)是處理多個小區(qū)間業(yè)務(wù)負荷不均衡的分布。因此負載均衡的目的 是在確保高效利用無線資源和保證現(xiàn)有qos的前提下，改變小區(qū)負荷的分布情況。由于 業(yè)務(wù)負荷的重

56、新分布，負載均衡算法將可能會導(dǎo)致切換或小區(qū)重選判決。4.2負載均衡算法研究現(xiàn)狀4.2.1同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的負載均衡研究現(xiàn)狀傳統(tǒng)的負載均衡方法一般需要通過小區(qū)間的信道資源共享實現(xiàn)負載均衡，通常有兩種 方法：信道借用1°和負載轉(zhuǎn)移15161。信道借用主要指重載小區(qū)從輕載小區(qū)借用未被使用 的信道，而輕負載小區(qū)只能向重負載小區(qū)借出信道。負載轉(zhuǎn)移是指將重載小區(qū)部分用戶切 換到臨近輕載小區(qū)，實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)負載的均衡分布。對于信道借用，文獻12提出了三類信道分配方案：固定分配方案、動態(tài)分配方案、 靈活分配方案。固定分配方案：一些信道被永久地分配給每個小區(qū)。當(dāng)其它小區(qū)距離上述 小區(qū)足夠遠時，這些信道能夠被復(fù)

57、用，這些小區(qū)被稱為同頻小區(qū)。由于距離足夠遠，所以 同頻干擾可以忽略。雖然該方案非常簡單，但是如果呼叫數(shù)冃超過了已分配的信道數(shù)冃， 那些超出的呼叫將被阻塞。動態(tài)分配方案：信道按需分配，來源于一個全局的信道池。此 方案的缺點是在不同網(wǎng)元之間交互消息的開銷很大。靈活分配方案：結(jié)合了固定和動態(tài)的 分配方案。有一些固定的信道分配給每個小區(qū)，但是若出現(xiàn)短缺，還可以從全局的信道池 中分配。文獻12提出的負載均衡結(jié)合了信道分配和信道借用兩種技術(shù)，并且給岀了信道 分配，信道借用和信道釋放的算法。文獻13指出在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，意想不到的流量激增可 能發(fā)生在一個特定的小區(qū)當(dāng)中。為了減輕這種流量激增導(dǎo)致的過載情況，可以采

58、用頻帶遷移的方法，將所有的流量分成了 3組：切換流量（組1）、全新的呼叫流量（組2）以及因為負載均衡被其它小區(qū)請求的流 量（組3）。另外，每一個流量組都被分為了兩類：類1 （實吋數(shù)據(jù)）和類2（非實吋數(shù)據(jù)）。 根據(jù)小區(qū)的不同狀態(tài)將小區(qū)分為3類：p（peak）狀態(tài)、pp（potential_peak）狀態(tài)以及s（safe）狀 態(tài)。p小區(qū)是過載小區(qū)，為了實現(xiàn)負載均衡，需要進行頻帶遷移。pp小區(qū)不參與任何的頻 帶遷移一既不借出也不借入。這樣的小區(qū)處于中立的地位，防止小區(qū)在p和s狀態(tài)之間 來回往返。s小區(qū)有足夠的可用頻帶，因此p小區(qū)可以從s小區(qū)屮借頻帶。在頻帶遷移之 時，為了避免頻帶干擾，遷移的頻帶必須被鎖定，不僅在當(dāng)前簇的借出小區(qū)中而h在鄰接 簇的同頻復(fù)用小區(qū)中，該