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)勢和不足[1],。運營商和用戶對無線頻譜資源的需求相互對立,，一方面運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,、實時的服務(wù)質(zhì)量,。由此可以看出，運營商需要在有效利用有限頻譜資源的同時,，滿足用戶的服務(wù)要求,，這是一個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，結(jié)合不同網(wǎng)絡(luò)信道的分配機制,，建立業(yè)務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型[3-4],。對于垂直切換判決機制，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)射功率以及延時等)執(zhí)行嚴格的切換判決[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)移動性和異構(gòu)性,，但是該方法不能動態(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],，在實現(xiàn)提升頻譜利用率的同時,，保持較低的阻塞率和掉話率，但是該算法針對的是水平切換,。本文提出一種聯(lián)合無線資源分配機制的垂直切換算法(VHO-J),，利用動態(tài)信道分配機制、區(qū)分業(yè)務(wù)類型的準入控制和負載均衡機制,，實現(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通信標準將系統(tǒng)業(yè)務(wù)劃分為會話類、流類,、交互類和后臺類4種,，交互類業(yè)務(wù)和后臺類業(yè)務(wù)對延時、誤碼率和抖動要求低,，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)對這三個指標要求次之,，速率范圍為32~384 kb/s,，記為第二類(T2);會話類業(yè)務(wù)對其要求最高,，其中會話類業(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,，其帶寬波動適應(yīng)性強,；而T3的最大最小速率差異小，其帶寬波動適應(yīng)性較差,。則在呼叫接入網(wǎng)絡(luò)時,，各個業(yè)務(wù)的接入優(yōu)先級由高到低的順序為T3、T4,、T2和T1,。
2 基于聯(lián)合無線資源管理的改進型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)合負載均衡控制,、帶寬借用的改進型VHO算法(VHO-J),，針對新呼、向上垂直切換呼叫,、向下垂直切換呼叫三類業(yè)務(wù)采用不同的準入控制,，聯(lián)合負載均衡控制、帶寬借用實現(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,，即測量兩個網(wǎng)絡(luò)的初始負載量,；隨后更新系統(tǒng)信息，包括更新用戶的新位置,、移動速度以及網(wǎng)絡(luò)帶寬變化,，對兩個網(wǎng)絡(luò)的負載和帶寬進行相應(yīng)的更新；接著對新呼,、VHO-1,、VHO-2三個不同業(yè)務(wù)采用聯(lián)合負載均衡、準入控制和帶寬借用機制按照不同業(yè)務(wù)要求,，執(zhí)行相應(yīng)的切換判決,；從而移動用戶完成通信。
2.1 區(qū)分業(yè)務(wù)類型的負載均衡機制
    在UMTS和WLAN兩種網(wǎng)絡(luò)的負載差異很大時,，VHO-J采用的負載均衡機制允許重載網(wǎng)絡(luò)的合適業(yè)務(wù)強制切換至輕載網(wǎng)絡(luò)，以減輕重載網(wǎng)絡(luò)的負荷,，即用戶在UMTS向WLAN方向移動時,將T3業(yè)務(wù)強制切換到WLAN,，因為T3在接入過程中不會主動選擇WLAN,；而在WLAN向UMTS方向移動時,用戶會優(yōu)先把T3業(yè)務(wù)切換回UMTS，同時將延遲不敏感且?guī)捳加眯〉腡1業(yè)務(wù)切換至UMTS,。其他情況發(fā)生時,，不執(zhí)行負載均衡。
    為了提高VHO-J的執(zhí)行速度,，負載均衡機制采用固定門限,，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%時為重載,當(dāng)可用帶寬量高于總帶寬的80%時為輕載狀態(tài),。
2.2 準入控制機制
    對于新呼,、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，決定接入控制的處理,。由于中斷正在進行的通話比拒絕一個新呼更讓用戶不滿,，即依據(jù)用戶效用的觀點，切換比新呼應(yīng)有更高的接入優(yōu)先級,，則VHO-J的準入機制首先滿足切換業(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)行機制見2.3節(jié)。根據(jù)業(yè)務(wù)類型的不同,，新呼的接入機制如下：
    (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,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，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,，用戶可以執(zhí)行帶寬借用機制。
2.3 聯(lián)合帶寬借用的垂直切換機制
    VHO-1算法(如圖1)根據(jù)不同業(yè)務(wù)執(zhí)行相應(yīng)接入機制,，T1和T2按照平均帶寬(BWavg),、最小帶寬(BWmin)逐級嘗試接入UMTS,；T3和T4逐級按照最大帶寬(BWmax)、平均帶寬,、最小帶寬嘗試接入UMTS,。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)啟動帶寬借用,。由于非實時數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)能夠適應(yīng)帶寬的短時波動,因此VHO-J的帶寬借用機制要求T1和T2不能進行帶寬借用，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的目標不同,，VHO-2算法(如圖2所示)的目標是優(yōu)化業(yè)務(wù)性能，即業(yè)務(wù)能夠獲得更好的帶寬,，VHO-2不會出現(xiàn)掉話,。當(dāng)WLAN的可用帶寬僅為最小帶寬時，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,，T1、T2和T4會主動切換至接WLAN以獲得更大帶寬,，而T3不會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，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相對應(yīng),。按照如圖3所示的無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中主機的移動場景，仿真實驗采用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)值實驗分析VHO-J算法的切換性能。
    UMTS和WLAN中4種業(yè)務(wù)的到達函數(shù)和服務(wù)時間函數(shù)為泊松流,，其相關(guān)參數(shù)見表1,。VHO-J算法的性能指標為阻塞率,、掉話率，仿真實驗考察20 min內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)運行狀況,，以10 s為抽樣周期，負載均衡函數(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)提供帶寬借用機制，分配資源優(yōu)先級由高到低的順序為T3,、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算法的準入控制給予切換業(yè)務(wù)比新呼更高的接入優(yōu)先級,，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，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算法的對比分析
3.3.1 阻塞率
    AREAS算法對每種業(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。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,；另一方面,，由于T1的帶寬要求遠低于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,，所以AREAS算法的切換和新呼具有相同等級,。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)模型上實現(xiàn)并驗證該算法,。同時,，建立基于Matlab的無線資源管理模塊化平臺，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行對比分析,，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,，T3業(yè)務(wù)的接入優(yōu)先級最高,，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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