從3G向4G發(fā)展的無線通信網(wǎng)絡(luò)，覆蓋技術(shù)種類廣泛，每一網(wǎng)絡(luò)都具有自身特有的優(yōu)勢(shì)和不足[1]。運(yùn)營商和用戶對(duì)無線頻譜資源的需求相互對(duì)立，一方面運(yùn)營商要求在容量有限的通信系統(tǒng)接納更多的用戶；另一方面用戶要求獲得帶寬大、實(shí)時(shí)的服務(wù)質(zhì)量。由此可以看出，運(yùn)營商需要在有效利用有限頻譜資源的同時(shí)，滿足用戶的服務(wù)要求，這是一個(gè)需要折中選擇的問題[2]。
    目前，基于不同通信網(wǎng)絡(luò)的下一代無線通信系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)無縫垂直切換，其分析模型研究主要采用區(qū)分不同業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)，結(jié)合不同網(wǎng)絡(luò)信道的分配機(jī)制，建立業(yè)務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型[3-4]。對(duì)于垂直切換判決機(jī)制，一類為利用可得到的各種參數(shù)(包括可用帶寬、接入開銷、發(fā)射功率以及延時(shí)等)執(zhí)行嚴(yán)格的切換判決[5]；另一類采用模糊邏輯算法執(zhí)行切換判決[6-8]，通過用戶參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)來體現(xiàn)移動(dòng)性和異構(gòu)性，但是該方法不能動(dòng)態(tài)調(diào)整可用信道的分配。LEE H等提出一種可調(diào)節(jié)資源分配算法(AREAS)[9]，在實(shí)現(xiàn)提升頻譜利用率的同時(shí)，保持較低的阻塞率和掉話率，但是該算法針對(duì)的是水平切換。本文提出一種聯(lián)合無線資源分配機(jī)制的垂直切換算法(VHO-J)，利用動(dòng)態(tài)信道分配機(jī)制、區(qū)分業(yè)務(wù)類型的準(zhǔn)入控制和負(fù)載均衡機(jī)制，實(shí)現(xiàn)垂直切換的有效執(zhí)行。
1 垂直切換的業(yè)務(wù)劃分
    目前3G通信標(biāo)準(zhǔn)將系統(tǒng)業(yè)務(wù)劃分為會(huì)話類、流類、交互類和后臺(tái)類4種，交互類業(yè)務(wù)和后臺(tái)類業(yè)務(wù)對(duì)延時(shí)、誤碼率和抖動(dòng)要求低，兩者的傳輸速率接近，速率范圍為5~100 kb/s，在此將其記為第一類(T1);而流類業(yè)務(wù)對(duì)這三個(gè)指標(biāo)要求次之，速率范圍為32~384 kb/s，記為第二類(T2);會(huì)話類業(yè)務(wù)對(duì)其要求最高，其中會(huì)話類業(yè)務(wù)的語音電話和視頻電話的傳輸速率相差較大，前者速率范圍為15~25 kb/s，后者速率范圍為256~384 kb/s，則將其記為第三類(T3)和第四類(T4)。T1和T2的最大最小速率差異大，其帶寬波動(dòng)適應(yīng)性強(qiáng)；而T3的最大最小速率差異小，其帶寬波動(dòng)適應(yīng)性較差。則在呼叫接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，各個(gè)業(yè)務(wù)的接入優(yōu)先級(jí)由高到低的順序?yàn)門3、T4、T2和T1。
2 基于聯(lián)合無線資源管理的改進(jìn)型VHO算法(VHO-J)
    為了提高無線異構(gòu)環(huán)境的切換和新呼服務(wù)質(zhì)量，提出一種聯(lián)合負(fù)載均衡控制、帶寬借用的改進(jìn)型VHO算法(VHO-J)，針對(duì)新呼、向上垂直切換呼叫、向下垂直切換呼叫三類業(yè)務(wù)采用不同的準(zhǔn)入控制，聯(lián)合負(fù)載均衡控制、帶寬借用實(shí)現(xiàn)性能顯著改善的垂直切換。
    定義：(1)向上垂直切換(VHO-1)：從WLAN到UMTS的切換；    (2)向下垂直切換(VHO-2)：從UMTS到WLAN的切換。
    VHO-J算法首先完成系統(tǒng)信息的初始化，即測(cè)量?jī)蓚€(gè)網(wǎng)絡(luò)的初始負(fù)載量；隨后更新系統(tǒng)信息，包括更新用戶的新位置、移動(dòng)速度以及網(wǎng)絡(luò)帶寬變化，對(duì)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載和帶寬進(jìn)行相應(yīng)的更新；接著對(duì)新呼、VHO-1、VHO-2三個(gè)不同業(yè)務(wù)采用聯(lián)合負(fù)載均衡、準(zhǔn)入控制和帶寬借用機(jī)制按照不同業(yè)務(wù)要求，執(zhí)行相應(yīng)的切換判決；從而移動(dòng)用戶完成通信。
2.1 區(qū)分業(yè)務(wù)類型的負(fù)載均衡機(jī)制
    在UMTS和WLAN兩種網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載差異很大時(shí)，VHO-J采用的負(fù)載均衡機(jī)制允許重載網(wǎng)絡(luò)的合適業(yè)務(wù)強(qiáng)制切換至輕載網(wǎng)絡(luò)，以減輕重載網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷，即用戶在UMTS向WLAN方向移動(dòng)時(shí),將T3業(yè)務(wù)強(qiáng)制切換到WLAN，因?yàn)門3在接入過程中不會(huì)主動(dòng)選擇WLAN；而在WLAN向UMTS方向移動(dòng)時(shí),用戶會(huì)優(yōu)先把T3業(yè)務(wù)切換回UMTS，同時(shí)將延遲不敏感且?guī)捳加眯〉腡1業(yè)務(wù)切換至UMTS。其他情況發(fā)生時(shí)，不執(zhí)行負(fù)載均衡。
    為了提高VHO-J的執(zhí)行速度，負(fù)載均衡機(jī)制采用固定門限，即UMTS網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬(BWa)低于其總帶寬(BWu)的20%為重載狀態(tài)。而可用帶寬大于總帶寬的50%為輕負(fù)載?？紤]到WLAN需要為其他固定設(shè)備提供無線服務(wù)，則其可用帶寬小于其總帶寬(BWu)的60%時(shí)為重載,當(dāng)可用帶寬量高于總帶寬的80%時(shí)為輕載狀態(tài)。
2.2 準(zhǔn)入控制機(jī)制
    對(duì)于新呼、VHO-1和VHO-2三種業(yè)務(wù),需要根據(jù)不同業(yè)務(wù)的接入優(yōu)先級(jí)，決定接入控制的處理。由于中斷正在進(jìn)行的通話比拒絕一個(gè)新呼更讓用戶不滿，即依據(jù)用戶效用的觀點(diǎn)，切換比新呼應(yīng)有更高的接入優(yōu)先級(jí)，則VHO-J的準(zhǔn)入機(jī)制首先滿足切換業(yè)務(wù)最小帶寬的需要，然后再接入新呼。VHO-1和VHO-2根據(jù)不同業(yè)務(wù)執(zhí)行不同的切換策略，并且聯(lián)合帶寬借用方法，則具體執(zhí)行機(jī)制見2.3節(jié)。根據(jù)業(yè)務(wù)類型的不同，新呼的接入機(jī)制如下：
    (1)T1和T2首選WLAN，UMTS次之，接入帶寬按照最大帶寬、平均帶寬、最小帶寬的順序依次嘗試接入，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬無法滿足最小帶寬時(shí),則新呼發(fā)生阻塞；
    (2)T3業(yè)務(wù)首選UMTS，當(dāng)UMTS可用帶寬不能滿足最小帶寬時(shí)，則嘗試接入WLAN，如果WLAN未覆蓋該用戶，則執(zhí)行帶寬借用；
    (3)T4業(yè)務(wù)按照(1)執(zhí)行接入，區(qū)別在于當(dāng)UMTS不能提供最小帶寬時(shí)，用戶可以執(zhí)行帶寬借用機(jī)制。
2.3 聯(lián)合帶寬借用的垂直切換機(jī)制
    VHO-1算法(如圖1)根據(jù)不同業(yè)務(wù)執(zhí)行相應(yīng)接入機(jī)制，T1和T2按照平均帶寬(BWavg)、最小帶寬(BWmin)逐級(jí)嘗試接入U(xiǎn)MTS；T3和T4逐級(jí)按照最大帶寬(BWmax)、平均帶寬、最小帶寬嘗試接入U(xiǎn)MTS。若UMTS的可用帶寬未滿足業(yè)務(wù)的最小帶寬,因此T1和T2將掉話，而T3、T4業(yè)務(wù)啟動(dòng)帶寬借用。由于非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)能夠適應(yīng)帶寬的短時(shí)波動(dòng),因此VHO-J的帶寬借用機(jī)制要求T1和T2不能進(jìn)行帶寬借用，允許T3、T4借用T1或者T2的帶寬，這里T3、T4借用的帶寬是業(yè)務(wù)最小帶寬。帶寬借用機(jī)制要求把網(wǎng)絡(luò)中所有使用最大帶寬的T1業(yè)務(wù)降為平均帶寬；若不能滿足切換用戶，把所有使用最大帶寬的T2業(yè)務(wù)降為平均帶寬；若依然不能滿足，把所有占用平均帶寬的T1業(yè)務(wù)降為最小帶寬；若還不能滿足，把所有占用平均帶寬的T2業(yè)務(wù)降為最小帶寬；若依然不能滿足，則帶寬借用失敗。

    與VHO-1的目標(biāo)不同，VHO-2算法(如圖2所示)的目標(biāo)是優(yōu)化業(yè)務(wù)性能，即業(yè)務(wù)能夠獲得更好的帶寬，VHO-2不會(huì)出現(xiàn)掉話。當(dāng)WLAN的可用帶寬僅為最小帶寬時(shí)，所有業(yè)務(wù)都不必執(zhí)行切換。當(dāng)WLAN的可用帶寬充足時(shí)，T1、T2和T4會(huì)主動(dòng)切換至接WLAN以獲得更大帶寬，而T3不會(huì)為了獲得更高帶寬切換至WLAN。

3 仿真模型與結(jié)果分析
3.1 網(wǎng)絡(luò)模型和業(yè)務(wù)模型
    3GPP 制定的3G-WLAN 互通規(guī)范以保證下一代無線移動(dòng)通信系統(tǒng)在分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下的業(yè)務(wù)連續(xù)性和無縫切換為目標(biāo)，規(guī)范中研究的切換包括UMTS 到WLAN 和WLAN 到UMTS，與本算法的VHO-1和VHO-2相對(duì)應(yīng)。按照如圖3所示的無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中主機(jī)的移動(dòng)場(chǎng)景，仿真實(shí)驗(yàn)采用UMTS和WLAN的網(wǎng)絡(luò)覆蓋半徑分別為500 m和250 m、網(wǎng)絡(luò)最大帶寬分別為11 MB和2 MB，通過Matlab數(shù)值實(shí)驗(yàn)分析VHO-J算法的切換性能。
    UMTS和WLAN中4種業(yè)務(wù)的到達(dá)函數(shù)和服務(wù)時(shí)間函數(shù)為泊松流，其相關(guān)參數(shù)見表1。VHO-J算法的性能指標(biāo)為阻塞率、掉話率，仿真實(shí)驗(yàn)考察20 min內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況，以10 s為抽樣周期，負(fù)載均衡函數(shù)采樣周期為30 s。
3.2 VHO-J算法的仿真和分析
3.2.1 阻塞率
    VHO-J算法為T3、T4業(yè)務(wù)提供帶寬借用機(jī)制，分配資源優(yōu)先級(jí)由高到低的順序?yàn)門3、T4、T2和T1，而T4的傳輸帶寬最大,T1的傳輸帶寬最小，則T3具有最小的阻塞率，T1業(yè)務(wù)的阻塞率略高于T3；T4業(yè)務(wù)由于自身帶寬占用量大，在負(fù)載重的情況下阻塞率很大；T2業(yè)務(wù)與T4業(yè)務(wù)具有相似的阻塞率,如圖4所示。

3.2.2 掉話率
    由于VHO-J算法的準(zhǔn)入控制給予切換業(yè)務(wù)比新呼更高的接入優(yōu)先級(jí)，切換呼叫能夠優(yōu)先分配到帶寬，而新呼在剩余可用帶寬中獲得信道資源，因此4種業(yè)務(wù)的掉話率明顯低于阻塞率(如圖5所示)，同時(shí)這也是造成網(wǎng)絡(luò)阻塞率較高的原因。T3業(yè)務(wù)具有帶寬分配的最高優(yōu)先級(jí)，而且?guī)捫枨蟮?，則其掉話率很低，幾乎不發(fā)生掉話；T4業(yè)務(wù)的掉話率高于T1和T2業(yè)務(wù)，這也歸咎于T4的帶寬占用量最大，因此發(fā)生阻塞和掉話的概率明顯增加。
3.3 VHO-J算法與AREAS算法的對(duì)比分析
3.3.1 阻塞率
    AREAS算法對(duì)每種業(yè)務(wù)都支持借用帶寬，而VHO-J算法僅允許T3、T4采用帶寬借用，顯然AREAS算法的新呼能夠獲得更多的帶寬資源，這以降低T3、T4業(yè)務(wù)的傳輸性能為代價(jià)。由圖6可以看出，VHO-J算法中T1的阻塞率明顯高于AREAS，T3反之，其原因是T3在VHO-J具有最高的接入優(yōu)先級(jí)；另一方面，由于T1的帶寬要求遠(yuǎn)低于T3，這就產(chǎn)生AREAS算法T1業(yè)務(wù)的阻塞率最低的結(jié)果。

3.3.2 掉話率
    由于VHO-J算法的切換業(yè)務(wù)具有分配帶寬資源的優(yōu)先級(jí)，所以AREAS算法的切換和新呼具有相同等級(jí)。由圖7看到，VHO-J算法的T1和T3的掉話率都低于AREAS，而且VHO-J算法的掉話率明顯低于其阻塞率，而AREAS算法的掉話率與阻塞率基本相同。這樣從用戶角度出發(fā)，會(huì)更滿意VHO-J算法。

    本文提出一種區(qū)分業(yè)務(wù)類型的垂直切換算法(VHO-J)，通過聯(lián)合準(zhǔn)入控制、切換管理、帶寬借用的無線資源管理技術(shù)，在UMTS和WLAN互通的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型上實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證該算法。同時(shí)，建立基于Matlab的無線資源管理模塊化平臺(tái)，分析VHO-J算法的通信性能，并與AREAS算法的阻塞率和掉話率進(jìn)行對(duì)比分析，得到的性能分析結(jié)果是VHO-J算法的掉話率明顯低于AREAS算法，這是以犧牲T1和T2的阻塞率為代價(jià)，T3業(yè)務(wù)的接入優(yōu)先級(jí)最高，其阻塞率也得到保證?？傊?，VHO-J算法的切換性能好，適合支持多業(yè)務(wù)通信的無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。
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