異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合

1、通信網(wǎng)論文論文題目：異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合問題專業(yè)老師：蔡征宇學(xué)生學(xué)號(hào)：*學(xué)生姓名：*異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合問題通信技術(shù)近些年來得到了迅猛發(fā)展，層出不窮的無線通信系統(tǒng)為用戶提供了異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，包括無線個(gè)域網(wǎng)(如Bluetooth)、無線局域網(wǎng)(如Wi-Fi)、無線城域網(wǎng)(如WiMAX)、公眾移動(dòng)通信網(wǎng)(如2G、3G)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，以及AdHoc網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。盡管這些無線網(wǎng)絡(luò)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(wù)，但是，要實(shí)現(xiàn)真正意義的自組織、自適應(yīng)，并且實(shí)現(xiàn)具有端到端服務(wù)質(zhì)量(QoS)保證的服務(wù)，還需要充分利用不同網(wǎng)絡(luò)間的互補(bǔ)特性，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的有機(jī)融合。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合是

2、下一代網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)下，一個(gè)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(shí)間任何地點(diǎn)都能獲得具有QoS保證的服務(wù)。異構(gòu)環(huán)境下具備QoS保證的關(guān)鍵技術(shù)研究無論是對(duì)于最優(yōu)化異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的資源，還是對(duì)于接入網(wǎng)絡(luò)之間協(xié)同工作方式的設(shè)計(jì)，都是非常必要的，已成為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的一個(gè)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(gòu)資源分配和網(wǎng)絡(luò)選擇等資源管理算法方面。傳統(tǒng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的資源管理算法已經(jīng)被廣泛地研究并取得了豐碩的成果，但是在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)中的資源管理由于各網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性、用戶的移動(dòng)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

3、戰(zhàn)。在保證不同用戶QoS的同時(shí)，能否擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍并實(shí)現(xiàn)無縫連接以及能否提高通信容量，是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合能否成功的關(guān)鍵，也是不同網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營者是否愿意將網(wǎng)絡(luò)相互融合的前提，因而，通信容量分析是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合研究的另一個(gè)重點(diǎn)。1具有QoS保證的資源管理技術(shù)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源管理技術(shù)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(gòu)資源分配算法和網(wǎng)絡(luò)選擇算法等方面。呼叫接入控制算法的研究傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的呼叫接入控制算法已經(jīng)得到了廣泛的研究。不同于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)中多種無線接入技術(shù)的存在以及多媒體應(yīng)用的不同QoS要求，給設(shè)計(jì)有效的CAC算法帶來極大的挑戰(zhàn)。各網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)特性異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)具有多

4、種無線接入技術(shù)，不同的無線接入網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出異構(gòu)特性。如蜂窩網(wǎng)絡(luò)是有基礎(chǔ)設(shè)施的無線網(wǎng)絡(luò)，基站控制和管理各移動(dòng)用戶對(duì)信道資源的接入，向用戶提供具有QoS保證的服務(wù)。而IEEE802.11無線局域網(wǎng)(WLAN)則采用了載波偵聽多點(diǎn)接入/沖突避免(CSMA/CA)的信道資源接入方式，盡管IEEE802.11e標(biāo)準(zhǔn)考慮了實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的信道資源接入，增強(qiáng)了對(duì)QoS的保證，但是與蜂窩網(wǎng)絡(luò)相比，只是提供了對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)相對(duì)較弱的QoS支持。由于用戶在具有異構(gòu)特性的網(wǎng)絡(luò)間的移動(dòng)產(chǎn)生了垂直切換，在設(shè)計(jì)CAC算法時(shí)應(yīng)該考慮到這一特殊的切換呼叫類型，確定該類切換的優(yōu)先級(jí)，推導(dǎo)和計(jì)算出該類切換的中斷概率。垂直切換中斷概率成為異構(gòu)

5、網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)的一個(gè)重要性能指標(biāo)，應(yīng)該限制在可接受的范圍內(nèi)。用戶移動(dòng)性具有大范圍覆蓋的網(wǎng)絡(luò)中用戶通常移動(dòng)速率較高，而應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境的無線局域網(wǎng)、無線個(gè)域網(wǎng)等短距離通信網(wǎng)絡(luò)中的用戶通常移動(dòng)速率較低或者處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。因而，在融合了多個(gè)網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下，傳統(tǒng)的用戶均勻移動(dòng)模型已經(jīng)不再合適，需要考慮不同覆蓋區(qū)域內(nèi)用戶的不同移動(dòng)性。多種業(yè)務(wù)類型異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)提供了多種業(yè)務(wù)類型，不同類型的業(yè)務(wù)需要不同的QoS保證。語音、視頻等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)是時(shí)延敏感而分組丟失可承受的，非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)是分組丟失敏感而中等時(shí)延敏感的，文件傳輸?shù)缺M力而為業(yè)務(wù)是分組丟失敏感但對(duì)時(shí)延相對(duì)不敏感的。不同的網(wǎng)絡(luò)對(duì)不同的業(yè)務(wù)有不同的支持能力。蜂窩

6、網(wǎng)絡(luò)能夠提供對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的有效支持，保證其實(shí)時(shí)性，但是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸速率較低；WLAN等短距離通信網(wǎng)絡(luò)提供了較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，但是對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的支持有待于進(jìn)一步提高?？鐚釉O(shè)計(jì)在基于分組交換的無線網(wǎng)絡(luò)中，使用相關(guān)層優(yōu)化必將會(huì)提高系統(tǒng)性能。因而，在研究異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)CAC算法時(shí)，應(yīng)該通過跨層設(shè)計(jì)來評(píng)估呼叫級(jí)(呼叫阻塞率、被迫中斷概率)和分組級(jí)的QoS性能。目前，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)中CAC算法的研究主要集中在蜂窩/WLAN融合系統(tǒng)中的呼叫接入控制。在WLAN優(yōu)先算法中，語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的不同特點(diǎn)沒有被充分考慮。蜂窩/WLAN融合系統(tǒng)的兩層CAC算法中，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

7、慮到WLAN中的呼叫。這些已經(jīng)提出的算法沒有能夠綜合考慮前面敘述的4個(gè)方面，因此適用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)的CAC算法具有廣闊的研究空間。垂直切換算法的研究用戶在不同網(wǎng)絡(luò)之間的移動(dòng)稱為垂直移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無縫垂直移動(dòng)的最大挑戰(zhàn)在于垂直切換。垂直切換就是在移動(dòng)終端改變接入點(diǎn)時(shí)保持用戶持續(xù)通信的過程。在多網(wǎng)融合的環(huán)境中，傳統(tǒng)的采取比較信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行切換的決策方法已經(jīng)不足以進(jìn)行垂直切換。由于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)的特殊性，垂直切換決策除了需考慮信號(hào)強(qiáng)度外，還需考慮以下幾個(gè)因素：(1)業(yè)務(wù)類型不同的業(yè)務(wù)有不同的可靠性、時(shí)延以及數(shù)據(jù)率的要求，需要不同的QoS保證。(2)網(wǎng)絡(luò)條件由于垂直切換的發(fā)生將影響異構(gòu)資源之間的平衡，

8、這就要求在設(shè)計(jì)垂直切換策略時(shí)需要利用系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)側(cè)信息，如網(wǎng)絡(luò)可用帶寬、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、擁塞狀況等，從而有效避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，在不同網(wǎng)絡(luò)間實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡。(3)系統(tǒng)性能為了保證系統(tǒng)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(shù)。(4)移動(dòng)終端狀態(tài)如移動(dòng)速率、移動(dòng)模式、移動(dòng)方向以及位置信息等。(5)價(jià)格由于不同的網(wǎng)絡(luò)使用不同的計(jì)費(fèi)方式與資費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，因而價(jià)格是影響切換決策的一個(gè)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難以在保證用戶需求的同時(shí)兼顧網(wǎng)絡(luò)側(cè)尤其是異構(gòu)資源的調(diào)整。3GPP研究的通用無

9、線資源管理(CRRM)局限性在于：接入網(wǎng)絡(luò)選擇僅考慮網(wǎng)絡(luò)負(fù)載因素；僅針對(duì)通用移動(dòng)通信系統(tǒng)(UMTS)、GSM/EDGE無線接入網(wǎng)絡(luò)(GERAN)等蜂窩網(wǎng)絡(luò)，大大降低了對(duì)異構(gòu)資源的管理調(diào)控能力。因此，人們?cè)谠O(shè)計(jì)垂直切換算法時(shí)應(yīng)能綜合考慮上述多個(gè)方面的因素，既兼顧切換時(shí)的QoS，同時(shí)考慮切換時(shí)及切換后異構(gòu)資源的調(diào)整和分配。綜合考慮多個(gè)決策因素將會(huì)增加切換過程的復(fù)雜度，使得切換決策過程更加困難。多屬性決策以及代價(jià)函數(shù)等理論能夠同時(shí)評(píng)估不同的決策因素，可用于設(shè)計(jì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的垂直切換策略，以達(dá)到保證用戶的QoS以及異構(gòu)資源優(yōu)化分配的雙重目標(biāo)。異構(gòu)資源分配算法的研究2.5G以及3G公眾移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)通常采用

10、干擾受限以及基于保護(hù)信道的資源分配方案。然而，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)中的資源分配算法需要有效地控制實(shí)時(shí)、非實(shí)時(shí)等多種業(yè)務(wù)的無線資源接入，需要能有效處理突發(fā)業(yè)務(wù)、分組交換連接中數(shù)據(jù)分組隨機(jī)到達(dá)以及數(shù)目隨機(jī)變化等情況；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中用戶需求具有多樣性，網(wǎng)絡(luò)信道質(zhì)量具有可變性；不同的無線網(wǎng)絡(luò)分別由各自的運(yùn)營商經(jīng)營，這樣的經(jīng)營模式在今后很長的時(shí)間內(nèi)將無法改變，決定了這些網(wǎng)絡(luò)更有可能采取一種松耦合的融合方式。因此，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)應(yīng)該采用新穎的分布式動(dòng)態(tài)信道資源分配算法。動(dòng)態(tài)自適應(yīng)的信道資源分配算法根據(jù)用戶的QoS要求和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整帶寬分配，在網(wǎng)絡(luò)狀況允許時(shí)，給用戶呼叫分配更多的信道資源，以提升用戶的Qo

11、S保證；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，通過減少對(duì)系統(tǒng)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(tǒng)的呼叫阻塞率和被迫中斷概率，提高系統(tǒng)資源的使用率和用戶的QoS。系統(tǒng)模型的建立對(duì)于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中信道分配算法的深入分析至關(guān)重要。目前在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源分配的研究中，還沒有提出完整的具有一般性的系統(tǒng)模型。大部分文獻(xiàn)使用仿真的方法進(jìn)行分析，或者僅對(duì)融合系統(tǒng)中的分立網(wǎng)絡(luò)分別進(jìn)行建模?？梢岳枚嗑S馬爾可夫模型、矩陣運(yùn)算以及排隊(duì)論等數(shù)學(xué)方法，對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)建立多維多域的系統(tǒng)模型，獲得不同算法下該系統(tǒng)模型的各個(gè)狀態(tài)，進(jìn)一步推導(dǎo)系統(tǒng)的性能，比較不同算法的優(yōu)劣。網(wǎng)絡(luò)選擇算法的研究異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)中的用戶選擇網(wǎng)絡(luò)通常有3個(gè)

12、步驟：收集影響最終決定的必要信息，如：用戶喜好、業(yè)務(wù)類型以及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)等。將上述信息輸入到網(wǎng)絡(luò)選擇算法中，網(wǎng)絡(luò)選擇算法應(yīng)該以使用戶在任何時(shí)間任何地點(diǎn)都能獲得最好的QoS保證為依據(jù)。根據(jù)算法的輸出結(jié)果來選擇網(wǎng)絡(luò)。許多研究者已經(jīng)提出了網(wǎng)絡(luò)接入選擇算法，然而，這些算法只考慮用戶側(cè)或者只考慮總體網(wǎng)絡(luò)容量，僅適用于單用戶情形，多用戶在異構(gòu)環(huán)境下的接入網(wǎng)選擇方面并沒有成熟的處t*|TJ_*上理方案。針對(duì)現(xiàn)有算法不適用于多用戶存在情況，以及缺乏對(duì)異構(gòu)資源影響的考慮，需要細(xì)致分析異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)選擇的需求和特點(diǎn)，從多層協(xié)調(diào)(物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層)的思想出發(fā)研究相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息模型。由于受各異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)特征

13、的影響，采用傳統(tǒng)的單目標(biāo)決策理論，僅僅優(yōu)化某一種性能指標(biāo)很難找到一種完備的方案使得在接入選擇時(shí)各用戶要求的多個(gè)目標(biāo)同時(shí)達(dá)到最優(yōu)?？梢詫⒃擃悊栴}看作是多目標(biāo)優(yōu)化的問題，因此可以引入多目標(biāo)決策理論，考慮如何在有限資源的限制條件下找到一個(gè)平衡方案。亦即在做接入選擇時(shí)在多種方案的有效解之間進(jìn)行權(quán)衡，從而找出最終的滿意解。其優(yōu)點(diǎn)在于：可設(shè)計(jì)為多用戶共同決策的接入網(wǎng)絡(luò)選擇算法，以提高算法對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的適應(yīng)能力，具有可擴(kuò)性；可利用實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)資源狀態(tài)作為決策目標(biāo)，從而有利于異構(gòu)資源的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)。2異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合中的通信容量在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)中使用新穎的多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，增加系統(tǒng)通信容量和吞吐量

14、，因此成為近年來國內(nèi)外研究的新熱點(diǎn)。關(guān)于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)通信容量的研究，目前主要集中在基于蜂窩結(jié)構(gòu)的公眾移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中引入AdHoc網(wǎng)絡(luò)方面。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)存在一些問題，比如：當(dāng)某些地區(qū)的業(yè)務(wù)量突增而出現(xiàn)非平衡業(yè)務(wù)時(shí)，就會(huì)發(fā)生局部的阻塞，出現(xiàn)掉話、無法呼出的現(xiàn)象；當(dāng)正在通話過程中的用戶進(jìn)入蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋中的盲區(qū)”或當(dāng)前正處在盲區(qū)范圍內(nèi)的用戶發(fā)出一個(gè)新的呼叫請(qǐng)求時(shí)，由于不能接收到來自基站的通信信號(hào)而導(dǎo)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(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增加時(shí)，基站的覆蓋區(qū)域?qū)?huì)減小。通過在蜂窩系統(tǒng)中引入AdHoc網(wǎng)絡(luò)可以彌補(bǔ)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋缺陷問題，并且

15、可以通過傳輸功率和干擾來增加系統(tǒng)容量，解決熱點(diǎn)地區(qū)的負(fù)載均衡問題，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)量的分流。其原理示意圖如圖1所示。在圖1中，網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過多跳和中繼節(jié)點(diǎn)連接到公眾移動(dòng)通信網(wǎng)、電信網(wǎng)以及因特網(wǎng)中，也可以將某一擁塞區(qū)域(即熱區(qū)蜂窩)的基站的話務(wù)量通過自組織網(wǎng)絡(luò)的多跳功能而分流到鄰近比較空閑的基站，從而實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)量的均衡。山圖1利用加Hoc網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)渝星的均捕關(guān)于蜂窩系統(tǒng)中引入AdHoc網(wǎng)絡(luò)的研究得到了國際上眾多研究機(jī)構(gòu)和高校的關(guān)注。例如：由美國紐約國立大學(xué)布法羅分校設(shè)計(jì)的蜂窩和AdHoc中繼集成系統(tǒng)(iCAR)，使用AdHoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)解決蜂窩網(wǎng)絡(luò)中由不平衡的業(yè)務(wù)量引起的阻塞問題；由美國加州大學(xué)戴維

16、斯分校提出的移動(dòng)輔助數(shù)據(jù)前饋(MADF)方案，引入了轉(zhuǎn)發(fā)代理的概念，通過AdHoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將蜂窩網(wǎng)絡(luò)中擁擠小區(qū)的業(yè)務(wù)通過轉(zhuǎn)發(fā)分流到鄰近的非擁擠小區(qū)；隨機(jī)驅(qū)動(dòng)多址接入(ODMA)也是一種基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的多跳轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，用于在時(shí)分雙工(TDD)蜂窩網(wǎng)中小區(qū)的邊緣為移動(dòng)終端提供較高的數(shù)據(jù)速率，達(dá)到增加高速率數(shù)據(jù)服務(wù)范圍的目的。在蜂窩與AdHoc網(wǎng)絡(luò)融合的眾多方案中，中繼節(jié)點(diǎn)的選擇對(duì)于系統(tǒng)的通信容量有很大的影響。目前常用的中繼節(jié)點(diǎn)選擇方法有：選擇具有最低相關(guān)干擾的中繼節(jié)點(diǎn)，即選擇轉(zhuǎn)發(fā)后具有至基站最好的鏈路質(zhì)量的中繼節(jié)點(diǎn)，從而減少對(duì)相鄰蜂窩的干擾。選擇具有最好的鏈路增益的中繼節(jié)點(diǎn)。即選擇具有最好的至基站的鏈路增益的中繼節(jié)點(diǎn)。選擇具有最短距離的中繼節(jié)點(diǎn)，即選擇離基站最近的中繼節(jié)點(diǎn)。以上3種方法通常用于非熱區(qū)蜂窩中提高系統(tǒng)容量。此外中繼節(jié)點(diǎn)選擇方法還有選擇熱點(diǎn)區(qū)域之外的中繼節(jié)點(diǎn)，這種方法特別適合于緩解熱區(qū)蜂