垂直切换范文

垂直切换范文（精选7篇）

垂直切换 第1篇

一、传统基于代价函数的垂直切换机制的操作过程

传统基于代价函数的垂直切换机制的具体操作步骤如下:

Step 1:设置网络参数的权值。移动用户通过切换系统的图形用户接口(GUI)设置每个网络参数的权值,权值之和等于1。GUI是移动节点的切换主程序提供给移动用户设置网络参数权值的人机交互窗口。如图1所示。

Step 2:获取网络带宽、能量消耗及收费等网络参数值。

Step 3:计算每个可接入网络的代价值。代价函数以网络带宽、能量消耗和收费等网络参数为函数因子,其表达式如下:

其中,fn表示第n个网络的代价值,Bn,Pn,Cn分别为第n个网络的网络带宽、能量消耗及收费。Wb,Wp,Wc分别为网络带宽、能量消耗及收费等网络参数的权值,权值之和等于1。

Step 4:比较不同可接入网络的代价值。假设当前接入网络的网络带宽、能量消耗及收费分别为B1,P1,C1。某一个新的可接入网络的网络带宽、能量消耗及收费分别为B2,P2,C2。根据式子(1)可推出:

根据式子(4.2)(4.3)可知:

由式子(4)得:若f1-f2大于0,则新的可接入网络的Qo S高于当前接入网络;若f1-f2等于0,则两种网络有同样的Qo S;f1-f2小于0,则当前接入网络的Qo S高于新的可接入网络。

Step 5:计算稳定周期,启动计时器。若发现有新的可接入网络的函数代价值小于当前接入网络的函数代价值,则计算稳定周期,同时启动计时器,开始从0计时。

二、传统基于代价函数的垂直切换机制的分析

传统基于代价函数的垂直切换机制(TCFVHS)综合运用网络带宽、能量消耗及收费等网络参数对可接入网络进行评估与选择,克服了标准移动IP代理搜索机制的缺陷,增强移动节点对切换目标网络选择的准确性,从而减少不必要的切换。

然而,传统基于代价函数的垂直切换机制也存在一些不足。代价函数方程式的设计对切换决策影响很大,设计合适与否直接影响移动节点对切换目标网络的有效选择。现有的代价函数通过对网络带宽、能量消耗及收费等网络参数进行加权求和,来选择切换目标网络,但其没有考虑移动节点当前通信应用程序的实际Qo S要求。

同时,权值往往由移动用户根据自己喜好、经验随意设定,主观性比较强。在复杂的异构网络环境下,这不能客观反映可接入网络的网络条件及移动用户的真正需求。而且,代价函数还需要结合稳定周期或驻留计时器才能真正发挥切换决策的作用。

摘要：针对传统基于代价函数的垂直切换机制的不足,文章研究了一种新的基于代价函数的垂直切换算法,该算法采用面向当前应用程序的代价函数对可接入网络进行评估与选择,并结合稳定周期,移动节点的移动速度和所处位置自动调整切换执行时间,使移动节点能够自适应的进行切换。

关键词：代价函数,垂直切换,异构网络

参考文献

[1]毛旭,陈前斌,唐伦.异构网络垂直切换技术[J].通信技术,2007(06).

垂直切换 第2篇

泛在的异构网络环境以及移动终端的多网络接口化趋势,共同为用户提供高质量的接入服务,满足用户日益增长的通信信息需求。为了实现用户跨异构网络的会话连续性与无缝性,垂直切换成为亟需解决的重要问题之一。

在当前研究中,学者们针对垂直切换决策提出了各种不同的方法。其中,文献[1]侧重研究如何降低终端的能耗,以及确定恰当的切换触发时间。文献[2-3]侧重于基于多参数的如带宽、延时、丢包率、费用等参数选择恰当的切换目标网络。然而目前大多研究都是针对网络性能优劣,缺乏对当前应用的考虑。不同的应用有不同的Qo S需求,如何选择能够满足当前应用的最佳目标网络是一个关键问题。本文基于传输层协议m SCTP(mobile Stream Control Transmission Protocol)[4],综合考虑应用、终端及用户等多个因素,提出一种面向应用的垂直切换决策方法。通过仿真证明了所提出的切换决策方法的优势。

2. 采用的数学方法

2.1 改进的层次分析法IAHP

层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)是由美国运筹学家Thomas L.Satty提出的一种权重决策分析方法。AHP首先将复杂的问题分解成目标层、准则层和决策层,对准则层的各因素进行两两比较建立判别矩阵,计算该判别矩阵的最大特征值和对应的正交特征向量,然后进行一致性检测,若矩阵未通过一致性检测,则需要对判别矩阵进行调整,若通过,则正交特征向量各分量就是该层所需占的权重,有了这些权重,就可以结合实际数据通过加权平均或灰关联分析评价不同方案的性能,为选择最优方案提供依据。

AHP法中的一致性检验必不可少,可是较为繁琐,在实际应用中一般都凭借主观估计来调整判别矩阵,带有盲目性,且某些时候在对判别矩阵进行多次调整才能通过一致性检验。本章采用文献[5]中介绍的一种改进的AHP法(Improved AHP,IAHP),利用最优传递矩阵的概念,对AHP法进行改进,使之自然满足一致性要求,直接求出权重值,跳过一致性检验,从而大大地简化了计算量。IAHP法流程图如图1所示。

2.2 灰关联分析法

灰关联分析法(Grey Relational Analysis,GRA)是分析离散序列相关等级的有效方法,用于选择出最佳序列,被广泛应用于项目选择、因子评估等。GRA步骤如下:

(1)序列标准化

假定需要比较n个序列(X1,X2,,Xn),每个序列有k个元素,即Xi=(xi(1),xi(2),xi(k)),i=1,2,,n,这些序列的元素标准化值的计算分为元素值越大越好和越小越好两种情况,分别为:

其中li=max(x1(j),x2(j),xn(j)),Si=min(x1(j),x2(j),xn(j))。

(2)灰关联系数GRC计算

定义理想序列X0={x0(1),x0(2),,x0(k)},即所有Qo S参数的理想值的标准化序列。计算GRC:

其中;△i(j)=|xo*(j)-xi*(j)|;△max(j)=max(i,j)△i(j)=maximaxj△i(j)为两极最大差;△min(j)=min(i,j)△i(j)=miniminj△i(j)为两极最小差;ε为分辨系数,一般取值范围为(0,1)。GRC越大,该序列越佳。

3. 面向应用的垂直切换决策方法.

3.1 移动终端系统结构

在终端系统中实现切换控制功能,移动终端系统结构如图2所示。

图2中右侧为垂直切换管理架构,主要包含切换管理、切换执行、网络检测、应用需求、用户参数、算法执行六个模块。网络检测模块用于发现终端所在位置的可用网络,为切换管理模块提供备选网络列表,并实时监测与网络相关的Qo S参数。应用需求模块主要是针对应用特性,当启动新应用或变更应用时,若当前网络不能同时支持所有应用的Qo S需求,则向切换管理模块提交Qo S需求参数,启动垂直切换。切换管理模块判断是否存在一个网络能够支持应用需求模块提出的Qo S需求,若存在则执行网络选择算法选择最佳网络。算法执行模块基于IAHP-GAR,结合用户输入参数与网络检测获取的参数选择最佳网络,并将算法结果返回给切换管理模块。

3.2 切换目标网络选择算法

对于不同的应用,甚至对于不同的用户,不同的Qo S参数的重要程度各不相同。本文采用IAHP算法来计算各个参数的相对权重,基本原理如前述。建立的层次结构如图3所示。

在执行网络选择算法时,首先获取相关Qo S参数,一方面将各Qo S参数标准化获得业务质量参数,另一方面根据改进的层次分析法IAHP确定Qo S各参数的质量权重,最后利用灰关联分析法GRA计算出各个网络的GRC值,具有最大GRC值的网络作为最佳网络。五种Qo S参数按照获取途径可以分为两类:用户输入和网络检测。Qo S参数中的传输延时、丢包率、传输带宽会因网络状态的变化而变化,因此需要网络检测模块进行动态检测。

而用户输入部分包括Qo S参数中的恒定不变部分,由用户根据实际网络情况自行定义。

对于网络安全性及资费都是定性描述,无法用一个精确值表示,但大多数垂直切换算法都是以精确数值为基础的,因此在进行垂直切换前需要将这类模糊性的定性属性精确数值化。本文采用Chen&Hwang提出的模糊语意转换尺度表中的第三类,将“非常差”、“较差”、“一般”、“较好”、“非常好”五个语意变数转换为三角模糊数(ai,bi,ci),其中1燮i燮5,再采用Teng&Tzeng所提出的重心法进行解模糊化,由此得到网络安全性和资费在不同网络中的精确值:DFUMTS(安全性)=0.75,DFWLAN(安全性)=0.5,DFUMTS(资费)=0.5,DFWLAN(资费)=0.25。但Qo S参数的实际值意义不大,需要将实际值进行横向归一化,求取参数的横向归一化值,如表1所示。

3.3 Qo S参数评价体系建立

采用IAHP法,确定Qo S参数的相对权值。数值选取的依据要根据不同应用的特点来区别对待,根据3GPP针对移动网络业务的标准,可以将移动业务分为四种类型:会话类业务、交互类业务、流业务、背景业务。由于会话类业务在通信业务中占的比重较大,所以在本文中以会话类业务作为代表考虑。

根据ITU-T建议,会话类业务对实时性要求很高,在构造判断矩阵时实时性属性权重最高,其次是可靠性和吞吐量。安全性与资费则取决于用户自定义。建立的初始判断矩阵为:

最优传递矩阵为:

拟优一致矩阵为:

从而计算出权重向量为:

得到会话类业务延时、丢包率、传输带宽、安全性、资费的权重值分别为0.4786、0.2570、0.1531、0.0668、0.0445。

4. 仿真与结果

仿真采用NS2 2.30,由于原SCTP只针对有线网络环境设计,无法支持无线环境,因此首先对SCTP模块和TCL脚本进行修改,使其能工作于无线链路上,并具有一定的Qo S参数测量功能。仿真基于WLAN/UMTS网络场景,由于NS2中未集成任何UMTS模块,因此采用现有WLAN模块模拟UMTS网络,可以大大简化其无线接入网的协议栈。同时,为了突出本文中所提出垂直切换决策方法的面向应用特性,设计节点移动场景将WLAN和UMTS网络的中心都位于x轴上,坐标分别为(100,0)和(200,0)。移动节点MN从原点出发,以恒定1m/s的速度直线运动。50s时,MN移动到WLAN覆盖区域,150s时离开WLAN网络。

为了更好地突出本文中所提出基于多属性垂直切换决策方法的面向应用特性,在仿真中添加背景流量,并且动态设置链路的时延,使WLAN和UMTS网络提供的Qo S参数值可变。仿真中不同网络的带宽和时延波动情况如图4和图5所示。

基于上述仿真场景,通过本文所提出的切换决策方法进行仿真试验,并与基于RSS的切换决策方法进行对比。

如图6所示,采用IAHP-GAR决策方法进行了四次切换,分别发生在第50、84、103、150秒。其中第50秒和150秒MN分别进入和离开WLAN网络覆盖范围。会话类业务实时性要求较高,结合WLAN和UMTS的带宽和时延波动进行分析。如图5所示,WLAN在73-104s以一定波动性在实时性上劣于UMTS。但MN在84秒才切换到UMTS网络,因为在IAHP-GAR决策方法中,针对会话类业务主要考虑实时性,同时也考虑了吞吐量、可靠性、安全性与资费。在73-83s间WLAN网络在带宽上占绝对优势,如图4,因此不进行切换操作。103s后由于WLAN时延降低,其综合参数评价已优于UMTS,于是切换到WLAN网络。

而根据基于RSS的切换决策,速度为1m/s的MN在57.4秒时从UMTS切换到WLAN,在142.6秒时切换回UMTS网络。在57.4-142.6s间一直处于WLAN网络中,并未考虑当前网络对应用的影响。

由以上分析可知,本文所提出的垂直切换决策方法可以根据当前不同应用类型对Qo S的不同需求,选择最恰当的网络进行切换。

通过对仿真数据进行统计分析,基于IAHP-GRA决策方法和RSS决策方法的语音业务端到端平均时延如图7所示。

对于语音业务,时延是最重要的性能指标,相比RSS决策方法,本文所提出的垂直切换决策方法能够得到较小的平均端到端时延,很好地表明了本文中所提出的垂直切换决策方法不会造成应用性能的降低。

5. 结束语

本文提出的面向应用、基于IAHP-GRA的垂直切换决策方法,充分考虑不同业务类型对Qo S的不同需求,采用网络检测和用户输入两种手段获取Qo S参数,并利用改进的层次分析法和灰关联分析法相结合,选择最佳目标网络。仿真结果表明,本文所提出的垂直切换决策方法能从当前应用出发,综合考虑多个参数,选择最佳网络进行切换,并且不会造成性能的降低。

参考文献

[1]Mehbodniya A.,Chitizadeh J..An intelligent vertical handoff algorithm for next generation wireless networks.Second IFIP International Conference on Wireless and Optical Communications Networks(WOCN2005).2005:244-249.

[2]Wenhui Zhang.Handover decision using fuzzy MADM in hetero-geneous networks.IEEE Wireless Communications and Networking Con-ference(WCNC2004).2004:635-658.

[3]Q.Song,A.Jamalipour.A Network Selection Mechanism for Next Generation Networks.IEEE International Conference on Communi-cation(ICC2005).2005,2:1418-1422.

[4]Natarajan P.,Baker F.,Amer P.D.,Leighton J.T..SCTP:What,Why,and How.IEEE Internet Computing.2009.13:81-85.

垂直切换 第3篇

为不断满足日益增长的各种无线通信需求,发展出了许多采用不同无线接入技术,适用于各种场合的无线接入网络。其中两种应用广泛又比较具有代表性的接入网络分别是网络覆盖范围较大,对移动性的支持较好,但传输带宽比较小的UMTS网络以及用于热点地区覆盖,且传输带宽较大的WLAN网络。因此,为了更好地利用现有无线接入网资源提高通信服务质量,进行UMTS/WLAN网络间垂直切换的研究就显得很有必要。垂直切换与水平切换相对应,是依据接入点改变前后所采用的接入技术的异同而进行的分类,UMTS/WLAN网络间的切换就属于垂直切换。其中,从下层的、覆盖范围小的WLAN网络到上层的、覆盖范围大的UMTS网络的切换,称为向上垂直切换;反之则称为向下垂直切换。本文主要研究UMTS/WLAN网络间垂直切换的实现过程,分析其所产生的无线传输延迟,并提出了降低延迟的改进方案。

1 UMTS/WLAN垂直切换研究概况

截止到目前为止,对于垂直切换的实现方法,研究的比较多的有三种:应用MIP协议的网络层解决方案、应用mSCTP协议的传输层上的解决方案以及应用移动SIP协议的应用层上的解决方案。其中,MIP从路由角度解决移动性的问题,是目前在网络层支持终端移动性的典型协议[1] ;MSCTP通过多家乡性和动态地址配置特性,在传输层实现端到端的移动性支持[2];移动SIP则是通过对呼叫过程中终端移动性的支持实现垂直切换,是应用层上垂直切换技术的代表[3]。

本文研究UMTS/WLAN垂直切换,设定UMTS网络与WLAN网络间的耦合方式为松耦合[4],移动终端MT从家乡网络中移动到外地网络,并与通信节点CN进行通信。其中,MT在家乡网络中有一个家乡代理HA,在外地网络中有一个外地代理FA,用于完成地址请求,注册等操作。移动终端MT进入到外地网络之后,开始执行具体的切换流程,即向家乡代理注册转交地址、设置主地址、发送re-INVITE消息之前,均需与外地代理FA建立数据链接并激活一个地址F-IP。MT可以通过主动的方式自行配置一个地址,或者即由被动的方式由外地网络代理FA分配一个地址,但不论是通过主动方式(向外地代理请求状态信息、地址重复验证等)还是被动方式,获得外地网络地址的过程总会产生一定的延迟。当切换到UMTS网络中时,这个延迟为TGET-UIP,同理切换到WLAN网络中时则为TGET-WIP。

UMTS/WLAN网络间垂直切换延迟,即移动终端在家乡网络内接收到来自通信节点的最后一个分组与移动终端在外地网络中接收到来自通信节点的第一个分组之间的时间间隔,主要由切换控制信令在UMTS或WLAN网络中传输造成的无线传输延迟以及在切换实体(终端,服务器等)中等待响应、进行处理所造成的系统处理延迟所构成。后者由于受到网络使用环境、终端、服务器的性能及所采用的协议、路由算法等影响,很难进行横向的分析比较;并且在未发生拥塞、正常运行的情况下,系统处理延迟在垂直切换延迟中所占比例较无线传输延迟要小的多。所以,本文研究的重点就放在了切换控制信令在无线网络中传输所产生的无线传输延迟上。

2 UMTS/WLAN网络间垂直切换流程与延迟分析

2.1 网络层上应用MIP协议执行垂直切换

Internet上常规的路由算法通常都是将目的地址是MT的家乡地址的分组转发到MT的家乡代理HA上,MIP也是在遵守这样的路由机制,并确保MT与CN正常通信的前提下,执行垂直切换。

采用MIP进行向上垂直切换的无线传输延迟TMIP_W-U为:

TMIP_W-U==TGET-UIP + WBU + WBA + UBU + UBA。

采用MIP进行向下垂直切换的无线传输延迟TMIP_U-W为:

TMIP_U-W==TGET-WIP + UBU + UBA + WBU + WBA。

式中,UBU表示绑定更新消息(BU)在UMTS网络中传输所产生的延迟,WBU表示该消息在WLAN网络中传输所造成的延迟。以下用法也是如此。

从上式可以看出,基于MIP的垂直切换其时延主要来自转交地址的获取与移动终端注册的过程,一对注册请求消息BU与注册请求确认消息BA其长度总和为640比特,在无线网络中传输特别是在UMTS低带宽网络中传输所造成的无线传输延迟将会很大。基于MIPv4无须对通信节点CN注册时,采用NS2网络仿真软件仿真的结果,其向上切换延迟为1.220 s,向下切换的延迟为2.143 s[5]。

2.2 传输层上应用移动STCP协议执行垂直切换

由于SCTP的多家乡性及多关联性,假设移动终端MT拥有两个接口,分别是UMTS及WLAN接口,可分别对应H-IP(本地网络地址)以及F-IP(外地网络地址), 通信节点CN只有一个地址为F-IP,UMTS/WLAN网络耦合方式仍为松耦合。

采用mSCTP进行向上垂直切换的无线传输延迟TmSCTP_W-U为:

采用mSCTP进行向下垂直切换的无线传输延迟TmSCTP_U-W为:

由于mSCTP的多关联性及多家乡性,使得采用mSCTP执行垂直切换时,切换延迟的计算可以从获取外地网络地址之后开始,使得其无线传输延迟的主要构成为mSCTP动态地址重配置的过程。而一对ASCONF与ASCONF-ACK消息,其大小为256比特,由无线传输延迟的表达式可以看出,向上垂直切换中,只有CN向MT发送确认设置主地址的ASCONF-ACK消息是在传输带宽较低的UMTS网络中进行的,而向下垂直切换则正好相反,使用NS2仿真的结果也表明,向上垂直切换的延迟为0.205 s,远小于向下垂直切换的1.106 s[5]。

2.3 应用层上应用移动SIP协议执行垂直切换

移动SIP作为一个应用层协议,主要依靠底层的协议和机制来处理物理网络链接。当呼叫中发生跨网络移动时,MT在外地网络中建立起数据链接,获得一个新的F-IP之后,会话地址也由MT@HOME变为MT@FOREIGN,将通过重发一个re-INVITE消息来修改会话属性以继续进行通话,主要流程如图3。

采用移动SIP进行向上垂直切换的无线传输延迟TSIP_W-U为:

TSIP_W-U=TGET-UIP + Ure-INVITE + U200OK + UACK。

采用移动SIP进行向下垂直切换的无线传输延迟TSIP_U-W为:

TSIP_U-W=TGET-WIP + Wre-INVITE + W200OK + WACK。

移动SIP作为一个应用层协议,在发送re-INVITE请求之前,需要依靠底层的协议和机制来建立数据链接和激活地址,其所产生的延迟分别为TGET-UIP与TGET-WIP。通常在相对传输带宽较低的UMTS网络中为一个通用分组无线服务(General Packet Radio Service,GPRS)的无线接入所造成的延迟要大于在相对传输带宽较高的WLAN网络中采用动态地址冲配置协议(Dynamic Host Configuration Protocol, DHCP)获取地址所造成的延迟[6,7]。通常,为UMTS网络的一个无线接入的延迟大概是1.5 s,而对于11Mbps的WLAN,其延迟只有毫秒级[8]。除此之外,由于采用移动SIP进行向下垂直切换,re-INVITE请求及其相应确认消息均在WLAN网络中传输,导致采用移动SIP进行垂直切换时,向下切换所产生的无线传输延迟也要远小于向上切换所产生的无线传输延迟。经研究[9]表明,在WLAN网络环境下进行切换时,最小的信令时间延迟(从开始地址切换到SIP注册完成)为170 ms左右。

3 方案改进与小结

通过上述切换流程与延迟的分析可以看出:采用MIP或mSCTP进行UMTS/WALN垂直切换,向UMTS网络切换的延迟均小于切换到WLAN网络中的延迟,即TMIP_W-U < TMIP_U-W ,TmSCTP_W-U < TmSCTP_U-W 。这是因为在向UMTS网络切换时,完成MIP的代理发现及注册过程,以及mSCTP的动态地址重配置过程均由WLAN的高传输带宽所完成;而采用移动SIP进行垂直切换时,切换到WLAN网络中的延迟要远小于切换到UMTS网络中的延迟,即TSIP_U-W <TSIP_W-U 。这是因为移动SIP的底层接入到WLAN网络所造成的延迟较小,以及切换到WLAN网络时切换信令主要在WLAN网络中进行。

为有效降低切换延迟,提高切换质量,可以采取优化切换流程,尽量通过WALN高传输带宽传输切换控制信令以及采取软切换等方法。具体如下:

(1)对于MIP,若MT切换前已经在与CN进行通信,可以通过在获得转交地址之后立刻发送绑定更新消息BU给CN以继续进行通话的方式,来降低MT与CN通信中所感受到的切换延迟,特别是向下垂直切换中所感受到的切换延迟,TMIP_U-W=TGET-WIP + WBU + WBA ,即切换的无线传输延迟主要由TGET-WIP以及在有着高传输带宽,可靠无线链路发送一对BU,BA消息所构成。当然,先向CN而不是HA注册可能也会导致其他通信节点对MT的通信请求被搁置,增加了数据包丢失的风险;

(2)对于mSCTP与移动SIP,由于mSCTP的多关联性多家乡性以及其支持软切换的特性,对UMTS/WLAN网络间的移动性支持较好,但其向WLAN网络切换的延迟较高甚至达到秒级(为了确保延迟敏感业务的服务质量,理想上最大切换延迟100 ms～200 ms 间),而移动SIP在向 WLAN网络切换时很有优势,延迟大约为170 ms。如果能够取长补短,在终端能够支持的情况下,用移动SIP来改进mSCTP的向下垂直切换,避开使用低传输带宽的UMTS网络进行动态地址重配置,可以使得向UMTS网络的切换延迟与向WLAN网络的切换延迟更为平衡(均为200 ms左右),提高总体切换质量。

4 总结

本文着重从切换中的无线传输延迟入手,分别直观地比较分析了基于三种不同协议所进行垂直切换的切换时延。 其中,基于MIP和mSCTP进行的垂直切换,向上垂直切换的延迟要小于向下垂直切换,通过改变基于MIP进行切换的注册策略,还可以进一步降低其无线传输延迟;基于SIP进行的垂直切换,其向下垂直切换要远小于向上垂直切换,且具有一定的优势,可用其去改进mSCTP的向下垂直切换;基于MIP及基于SIP的垂直切换方式,倘若可以采取通过在获取外地网络地址之后才开始进行切换等软切换方式,可进一步降低切换延迟。通过以上对垂直切换的分析,寻找降低切换延迟的方法,达到提高切换质量的目的。

参考文献

[1] Perkins C.IP mobility support for IPv6.RFC 3775,2004

[2] Stewart R.Stream control transmission protocol.RFC 2960,2000

[3] Wu W,Banerjee N,Basu K.SIP-based vertical handoff betweenWWANS and WLANS.IEEE Wireless Communications Magazine,2005;(3):66—72

[4] Ma Li,Yu Fei,Leung C M.A new method to support UMTS/WLANvertical handover using SCTP.IEEE Wireless Communications,2004;(9):44—51

[5]叶磊,陈山枝,时岩.mSCTP实现UMTS/WLAN网络间垂直切换的研究.2006北京地区高校研究生学术交流会—通信与信息技术会议论文集(上);北京:北京邮电大学出版社,2006

[6] Chen Jenjee,Tseng Yuchee,Lee Hungwei.A seamless handoffmechanism for DHCP-based IEEE 802.11 WLANS.CommunicationsLetters(IEEE),2007;11(8):665—667

[7] Mason P C,Cullen J M,Lobley N C.UMTS architectures.IEEEElectronic Library,1996

[8]刘会玉.基于SIP的WWANS和WLANS之间的垂直切换.电信快报,2009;(1):42—45

垂直切换 第4篇

随着无线通信技术以及计算机网络技术的高速发展。在下一代网络(Next Generation Network,NGN)中将呈现一种不可避免的“5W”趋势,即实现任何人在任何时间、任何地方与任何人进行任何形式的通信。为了适应不同的用户应用需求,各种各样的无线网络接入技术[1]层出不穷,如蜂窝移动通信网络(2G、3G、后3G)、短距离接入网络(WLAN、蓝牙)、WiMAX、卫星网络,以及Ad Hoc网络、无线传感器网络等无基础设施网络。然而任何一种单一的无线接入网络都无法提供无处不在的网络覆盖和全方位的服务。为了满足用户的通信需求,需要保证用户在不同网络间的应用无缝性,异构网络间的垂直切换成为亟需解决的重要问题之一。传统的切换管理的研究仅仅集中在单一网络环境中,因此在现有异构网络环境下需要重新设计终端的移动管理模块,使得多模终端在进行垂直切换时能够随着网络的异构性、应用场景的多样性而变得多样化,甚至允许用户根据个人偏好、应用QoS等因素的考虑主动发起切换。这就带来了切换性能的巨大挑战。IETF在2000年定义的SCTP[2](Stream Control Transmission Protocol)类似于TCP,能够提供面向连接的、可靠的服务,并且提供与TCP相似但有所增强的流量控制和拥塞控制机制。专家又在SCTP的基础上扩展了动态地址重配置功能,即移动SCTP[3](mSCTP)。但mSCTP同SCTP一样无法避免切换到新路径上的慢启动现象导致的吞吐量骤降,以及由于原无线信号的迅速衰减使得SACK丢失导致的多余重传的现象。本文基于mSCTP,引入一种垂直切换性能优化改良方案mSCTP-IPVHO(Improvement Program for Vertical Handover Performance Optimization based on mSCTP)。通过WLAN/UMTS网络环境中的仿真表明,mSCTP-IPVHO可以跳过新路径的慢启动阶段,有效降低切换的时延,并减少不必要的数据重传,提高切换的吞吐量。

1 mSCTP的垂直切换性能分析

UMTS与IEEE 802.11 WLAN网络是部署最为广泛的两种无线接入网络,众多切换研究[4,5]都在此网络环境中展开。因此,在对基于mSCTP的垂直切换进行性能分析时也采用WLAN/UMTS场景。

1.1 mSCTP的垂直切换过程

本文假设移动节点MN与一个通信对端CN连接,MN同时拥有2个接口,分别是UMTS及WLAN接口,其IP地址分别为UMTS_IP及WLAN_IP,且MN从访问WLAN网络移动到UMTS网络(垂直向上切换),网络拓扑图如图1所示。

基于mSCTP的垂直切换的过程[6]如下:

1) 初始化连接。MN初始化与CN连接,由MN的WLAN_IP和CN的CN-IP组成SCTP关联,即SCTP初始化程序将WLAN_IP设置为其主IP地址,并通过WLAN_IP与CN通信。

2) 向SCTP关联动态添加新IP地址。假定MN可以通过IP地址获取机制从UMTS网络获得一个新的IP地址UMTS_IP,MN通过发送带有Add IP Address参数的ASCONF消息通知CN。CN收到此消息后,向MN返回一个确认消息ASCONF-ACK。

3) 改变主IP地址。当MN继续移动,MN需使用新的主IP地址。这时需要一个专门的规则来触发主IP地址的变化,满足规则后,MN通过向CN发送带有Set Primary Address参数的ASCONF消息将UMTS_IP设置为其主IP地址。CN收到此消息后,向MN返回一个确认消息ASCONF-ACK。MN即可通过UMTS网络与CN进行通信。

4) 删除不可用的IP地址。当MN移出WLAN网络覆盖区域,WLAN_IP变得不可用时,MN须将地址列表中的WLAN_IP地址删除,通过发送带有Delete IP Address参数的ASCONF消息实现。之后CN会向MN返回一个确认消息。当MN(或CN)成功地从UMTS网络接收到CN(或MN)发送的第一个数据包时,切换完成。

1.2 mSCTP的垂直切换性能仿真

大量文献研究表明对于同种协议,垂直向上切换的性能要明显劣于垂直向下切换[7],因此,在针对切换性能的优化问题上,重点通过NS2(Network Simulator,version 2)仿真分析垂直向上切换,即WLANUMTS垂直切换。NS2 2.30中的SCTP模块[8]支持SCTP关联建立、多宿主性、数据块传输、接收到数据块确认、数据重传计时器管理、流标识符TSN与流顺序号SSN、SCTP慢启动与拥塞控制等功能。

1.2.1 垂直切换仿真设计

mSCTP垂直向上切换的仿真场景如图1所示。可以看出该场景是由无线和有线并存的网络环境。为了突出在无线异构网络中切换执行过程中性能情况,有线链路的带宽均设为20 Mbit/s,时延设为1 ms,从而可以忽略有线链路对切换性能的影响。仿真时间设为20 s,移动节点MN在10 s时从WLAN网络切换到UMTS网络。仿真中WLAN和UMTS模块参数配置如表1所示。

图2显示的是mSCTP垂直切换过程的拥塞窗口(Cwnd)变化情况,可以明显看出当MN在10 s从WLAN网络切换到UMTS网络时,拥塞窗口骤然降低到近乎0,之后再渐增大。

mSCTP的拥塞控制机制类似TCP,包括慢启动、拥塞避免、快速重传等。当一个移动节点移动到一个新的区域时,mSCTP关联将从旧路径切换到新路径上,mSCTP将通过慢启动探测新路径的可用带宽,如图2所示,拥塞窗口骤然降低到近乎0就是由于切换到新路径后的慢启动现象导致的。这一过程会导致吞吐量的急剧降低,并对切换性能和当前应用造成较大的影响。

2 mSCTP的垂直切换性能优化改良方案

基于mSCTP的垂直切换执行过程中存在的问题进行分析,从流量及拥塞控制改进的角度,引入一种基于mSCTP的垂直切换性能优化改良方案(Improvement Program for Vertical Handover Performance Optimization based on mSCTP,mSCTP-IPVHO),通过重设初始拥塞窗口和避免多余重传,实现垂直切换性能的优化。

2.1 初始拥塞窗口重设机制RICW

如前所述,当mSCTP关联从旧路径切换到新路径上时,关联进入慢启动阶段,初始拥塞窗口会重设分组,而初始拥塞窗口的大小直接决定切换初始传输速率的高低。为了解决这一问题,可以将新路径的初始拥塞窗口重设为适当值,从而使关联跳过慢启动过程,直接进入拥塞避免阶段,达到优化切换性能的效果。然而,基于mSCTP的垂直切换中为新主路径的初始拥塞窗口设置一个适当的值并不容易。拥塞窗口太小会导致慢启动,而拥塞窗口太大可能会产生大量数据包,从而造成网络拥塞。

适当的初始拥塞窗口应当由新路径上的可用带宽决定。本文基于Packet-Pair带宽估计算法思想[8],引入初始拥塞窗口重设机制(Reset Initial Congestion Window,RICW),利用不同探测包到达对端的时间差估算备用路径的可用带宽,然后在切换执行前根据带宽估算重设新路径上的初始拥塞窗口值。

Packet-Pair带宽估计算法中采用两个连续的探测包,当探测包通过一段链路,链路的瓶颈效应会导致这两个探测包在不同的时间到达目的端。

路径可用带宽可估算为

Bestimation =$\frac{S{}_{\text{Η}\text{B}}}{\text{Δ}t}(1)$

式中:SHB是Heartbeat包的大小;Δt是指两个探测包到达目的端的时间间隔。

在本文中利用SCTP Heartbeat包作为探测包,当新路径的接口一旦激活,MN立即通过新路径发送两个Heartbeat探测包到对端。这两个探测包应足够大以保证瓶颈效应[9],此处将其大小设置为最大传输单元MTU。而对端CN在收到每一个包后都会返回ACK包,ACK包应尽可能小以保证快速反应时间。

依据估算的可用带宽,切换执行后重新设置初始拥塞窗口为

Cwnd=Bestimation RTT (2)

式中:RTT指的是新路径上的往返时间。需要指出的是,当带宽估算由于探测包丢失而失败时,仍然采用标准SCTP新路径的初始拥塞窗口设置和慢启动。

引入RICW机制后,针对拥塞窗口变化情况再进行仿真。仿真结果如图3所示。

通过图2与图3对比,可以看出引入初始拥塞窗口重设机制后,mSCTP关联在切换到新路径后,拥塞窗口并未骤然降低到近乎0,跳过了用于探测带宽的慢启动阶段,从而有效提高了吞吐量。

2.2 多余重传避免机制URA

本文对切换执行时的TSN(Transmission Sequence Number)情况进行分析,从图4中可以看出切换后出现了数据包重传现象(TSN1063～TSN1081)。

若网络发生拥塞或数据丢失,mSCTP会执行相应的重传和拥塞避免机制。根据图4,由于MN于10 s时从WLAN覆盖区域离开,WLAN无线信号迅速衰减,在切换前已经收到TSN1063～TSN1081,但无法再通过WLAN网络给CN发送证实消息。CN在10.001 7 s开始通过UMTS网络向MN发送数据包,原标准mSCTP的新路径初始拥塞窗口为Cwnd=2,只发送2个数据包,但由于采用了初始拥塞窗口重设机制RICW,因此CN根据拥塞窗口情况发送了从TSN1082开始的多个数据包。MN在第10.182 9 s通过UMTS收到第一组数据包,发现当前的累积值为1 062,认为TSN1063～TSN1081的数据包丢失,立即返回SACK通知CN。当丢失报告次数达到4次时,CN将重发TSN1063～TSN1081数据包。而实际上,在网络中并没有发生数据丢失,因此数据包重传是不必要的。针对此问题,引入一种避免多余重传机制(Unnecessary Retransmission Avoiding,URA)。

针对上面分析的切换执行完毕后SACK丢失从而导致的多余重传现象,MN可以通过切换执行完成后立即告知CN最后接收到的数据包序列的方式,使CN可以避免由于SACK丢失而引发的不必要重传,并直接进行连续有效的数据包传输。

首先需要对切换执行完成的时间概念进行界定。mSCTP对SCTP进行了动态地址重配置扩展,引入了两种新控制块类型,即ASCONF和ASCONF-ACK,用于动态添加、删除IP地址以及设置主IP地址。在1.1节中介绍了基于mSCTP的垂直切换整个过程,当MN决策切换后通过向CN发送ASCONF消息设置主IP地址,当收到确认消息ASCONF-ACK后,MN和CN可以通过新路径进行数据传输,认为此时切换执行完成。因此MN可以在收到ASCONF-ACK后将最后接收到的数据包序列号告知CN。

在此仍然沿用ASCONF和ASCONF-ACK控制块,引入一个新的参数Last Data Chunk Received,用于携带在旧路径上最后收到的数据包的TSN。为了与现有系统兼容,将类型设置为0xC008。如图5所示。

CN从MN处接收到ASCONF后,开始等待确认消息。切换执行后,MN在接收到ASCONF-ACK便立即发送带有Last Data Chunk Received参数的ASCONF给CN。CN可以直接进行连续有效数据包TSN1082的传输,避免产生多余重传。采用多余重传避免机制URA后,对切换执行的TSN情况进行仿真分析,仿真结果如图6所示。

图6与图4相比,引入多余重传避免机制URA后,有效减少了不必要的重传现象。引入新参数Last Data Chunk Received的ASCONF告知CN继续传送正确的连续数据块,从而避免已收到数据块的不必要重传,有效减少了时延,提高了链路利用率。

3 小结

本文对基于mSCTP的垂直切换过程进行了仿真分析,发现存在两种现象导致切换性能的严重降低:1) 切换到新路径上后的慢启动现象导致整个关联的吞吐量骤然降低到近乎0;2) 由于切换执行造成SACK丢失从而导致多余重传。针对这两个问题,引入一种垂直切换性能优化复合方案mSCTP-IPVHO,其中包含两种机制,即避免多余重传机制URA和初始拥塞窗口重设机制RICW。仿真表明mSCTP-IPVHO可以有效降低切换时延,并减少不必要的重传,提高切换吞吐量,改善切换性能。

摘要：基于mSCTP,通过分析影响垂直切换性能的两个问题,即切换到新路径上的慢启动现象导致的吞吐量骤降,以及由于原无线信号的迅速衰减使得SACK丢失导致的多余重传,引入一种垂直切换性能优化的改良方案mSCTP-IPVHO。通过仿真表明,mSCTP-IPVHO能在一定程度上优化异构网络垂直切换性能。

关键词：垂直切换,异构网络,移动流控制传输协议,切换性能,mSCTP-IPVHO

参考文献

[1]CHEN W T,SHU Y Y.Active application oriented vertical handoff innext-generation wireless networks[C]//Proc.2005 IEEE Wireless Com-munications and Networking Conference.[S.l.]:IEEE Press,2005:1383-1388.

[2]IETF RFC-2960,Stream control transmission protocol[S].2001.

[3]PHATAK D S,GOFF T.A novel mechanism for data streaming acrossmultiple IP links for improving throughput and reliability in mobile envi-ronments[C]//Proc.IEEE INFOCOM2002.New York,USA:IEEEPress,2002:773-781.

[4]叶磊.UMTS/WLAN网络间基于移动IP和移动SCTP垂直切换的研究[D].北京:北京邮电大学,2007.

[5]MA L,YU F,LEUNG V C M.Modeling SCTP throughput in integratedWLAN/Cellular network[C]//Proc.IEEE International Conference onCommunications.[S.l.]:IEEE Press,2005:3445-3449.

[6]EZZOUHAIRI A,QUINTERO V,PIERRE S.A new SCTP mobilityscheme supporting vertical handover[C]//Proc.Wireless and MobileComputing,Networking and Communications.[S.l.]:IEEE Press,2006:205-211.

[7]吴燕玲,胡良兰,孙兴春.基于SCTP协议垂直切换的研究[J].东莞理工学院学报,2008,15(3):83-86.

[8]NS-2 SCTP module[EB/OL].[2011-11-22].http://pel.cis.udel.edu.

[9]LAI K,BAKER M.Measuring bandwidth[C]//Proc.IEEE INFOCOM’99.[S.l.]:IEEE Press,1999:235-245.

垂直切换 第5篇

下一代通信系统是多种无线接入技术并存、互补的融合系统[1]。如图1所示, WLAN (Wireless Local Area Networks) 、GM-PRS (GEO-Mobile Packet Radio Service) 、GPRS (General Packet Radio Service) 等各种接入技术通过相互补充的方式服务不同的用户, 未来的移动终端将具备多模网络接口。

同步轨道卫星网络和蜂窝网络是当前移动通信的重要组成部分, 这两者特点各不相同, 在不同的领域有各自的优势和不足[2,3]。蜂窝网络容量大、延时低、小区密集、信号强度高, 但其小区覆盖范围小, 无法为高速用户提供稳定的服务;同步轨道卫星网络点波束覆盖范围大, 能减少高速用户不必要的切换[4], 但其容量有限、延时较大[5]。因此, 同步轨道卫星网络和蜂窝网络在容量、覆盖范围、终端速度等方面具有很高的互补性, 将两者融合在一起能有效利用各自的优点, 为用户提供更好的服务。

为了保障用户的连续通信能力, 异构网络中的切换问题成为了近些年来研究的热点。同步轨道卫星/蜂窝网络中, 既存在同一种网络间的切换, 即水平切换, 也存在不同网络间的切换, 即垂直切换。而高效准确的垂直切换是保证终端Qo S (Quality of Service) 、提高网络性能的关键之一。

文献[6]首次提出了基于代价函数的垂直切换策略, 但该策略只考虑功率、带宽、花费三个参数, 并且各参数的权值固定, 不能满足各种业务的需求。文献[7]在进行切换代价的计算时, 各参数的权值可变, 但是没有将终端速度作为切换判决的参数。

针对同步轨道卫星/蜂窝网络的特点, 本文将根据垂直切换的基本流程, 分析垂直切换的决策参数, 着重考虑终端移动速度, 提出一种面向网络收益的垂直切换判决算法NROV, 该算法基于用户需求动态改变各参数的权重, 计算候选网络的评分, 最后基于收益考虑进行最终的切换判决。

1 同步轨道卫星/蜂窝网络垂直切换

本文以同步轨道卫星数据业务服务GMPRS与地面蜂窝数据业务GPRS垂直切换为例, 介绍异构网络中切换的基本流程和切换决策参数。

1.1 垂直切换基本流程

垂直切换过程包括3个步骤[8,9]:网络发现、切换判决、切换执行。其中, 切换判决是核心步骤。

(1) 切换判决过程

在切换判决过程中, 终端物理层收集当前网络和其他可达网络的信号强度RSS (Received Signal Strength) 等信息, 生成测量报告。

以分组传输模式下的终端为例:网络通过分组随路控制信道PACCH发送分组测量命令消息, 通知终端开始测量过程, 该消息中包含终端的可达网络列表;终端收到该消息后, 存储测量命令参数, 利用同步信道与各可达网络同步, 并执行网络控制测量命令, 在分组公共控制信道PCCCH上测量各项决策参数, 形成测试报告, 通过PACCH返回。

网络端利用切换判决算法判断是否进行切换, 并决定切换的目标网络。

(2) 切换执行过程

当前服务网络向终端发送包含目标网络相关信息的切换指令。终端收到切换指令后, 向当前服务网络确认此次跨网切换, 由网络端的上层协议执行切换过程:当前服务网络向目标网络申请切换所需资源;目标网络收到请求后分配信道资源。当终端接收到网络端的切换确认消息后, 解析目标网络的信道参数, 配置物理层参数, 接入新网络, 并在新网络上提交切换结束命令;原网络将释放旧链路资源, 至此切换结束。

1.2 切换决策参数

在3GPP (the 3rdGeneration Partnership Project) 标准[10]中, 测量报告的参数分为网络端参数和终端参数。异构网络中, 为了切换至最佳网络, 应综合考虑各网络端与终端的参数。网络端参数通常包括覆盖范围、信号强度、可用带宽、延迟、服务价格、安全等级等。例如, 各网络的收费标准通常不同, 用户倾向于收费较低的网络;传输重要信息的用户, 则倾向于选择安全等级较高的网络。而终端相关参数通常包括电量、用户偏好、移动速度等。例如, 各网络服务功耗通常不同, 电量有限的终端通常倾向于功耗较低的网络;为了让网络更好地满足用户的要求[11], 用户偏好参数能让用户直接参与并影响垂直切换决策。

决策参数的选择直接影响切换质量 (切换频率、网络收益等) 。传统的垂直切换算法[4]未考虑终端速度, 而随着高速用户 (高铁) 的增多, 会使得接入蜂窝网络的高速用户在小区间频繁切换。而同步轨道卫星单波束覆盖范围大, 接入同步轨道卫星网络可以有效缓解频繁切换对网络造成的压力。如图2所示, 以260 km/h为切换阈值, 考虑速度的切换算法能减少终端平均切换次数。另一方面, 低速终端在蜂窝网络小区边缘移动时, 终端的RSS波动较大, 降低了终端服务质量, 此时可考虑接入RSS相对稳定的卫星网络。

因此, 针对同步轨道卫星/蜂窝网络的特点, 本文选择RSS、带宽、价格、信令数、速度等作为切换决策参数, 在此基础上提出面向网络收益的垂直切换算法。

2 面向网络收益的垂直切换算法

切换是一个双向选择的过程:用户终端根据需求选择最优切换顺序;网络端则根据当前网络容量及收益, 选择接受部分用户的切换请求。因此, 本算法分为基于用户需求的候选网络评分与基于网络收益的切换判决。

2.1 基于用户需求的候选网络评分

不同用户对RSS、带宽、价格、信令数、速度的通信需求不同, 该需求主要体现在各参数的重要程度上, 而重要程度可以通过参数的权重表示。在此基础上, 网络的评分可通过对归一化的网络参数加权求和得到。

首先, 设切换决策参数为{a1, a2, , an} (n∈N+) , eij为ai相对aj的重要程度[12], 则eji=1/eij;采用K (K∈N+) 个等级量化该重要程度, 则eij的取值集合为{1/K, 1/ (K-1) , , 1, , K-1, K}。高速用户可将速度相对其他参数的重要程度设为K, 以强调速度在切换决策中的重要程度。为了保证所有eij的合理性, 在设置e的值时利用eij=eikekj作为参考。由此得到一个n阶重要程度矩阵E:

设切换决策参数的权重为wi (i∈[1, n]) , 将所有的权重组合成列向量, 构成权重向量w, wT=[w1, w2, , wn]。由于重要程度是用权重来衡量, 因而矩阵E又可表示为:

由式 (1) 、式 (2) 可得式 (3) :

另外, 对于n阶重要程度矩阵E, 当其元素取值合理时, 则存在非零向量v使得式 (4) 成立, 其中λ为特征值, v为对应特征值λ的特征向量。

对比式 (3) 、式 (4) 可知, 权重向量w等于归一化的特征向量v。因此, 依据用户需求构造出矩阵E后, 求得其特征向量, 即可求出决策参数的权重向量。

然后, 利用权重向量对网络进行评分。所有候选网络可以用一系列决策参数离散序列值描述, 例如网络i的参数序列Ni={fi1, fi2, , fin} (i∈[1, m], m∈N+) 。由于各决策参数单位不同, 在进行评分前需要对参数归一化处理。首先将这些参数分为两类:越大越好 (bigger better) 的参数 (如RSS) 、越小越好 (smaller better) 的参数 (如价格) 。将各候选网络决策参数分别针对上述分类采用式 (5) 、式 (6) 归一化:

其中:

将所有参数进行归一化后得到具有可比性的网络序列Ni*={f*i1, f*i2, , f*in}, 将此序列与权重向量依式 (7) 加权求和即得网络i的得分:

最后, 对用户所有候选网络求其得分, 并将各网络按得分递减排序, 得到网络序列{N1, N2, , Nm}。此序列即为用户满意度从高到低的网络序列。在本文算法中, 用户将根据序列依次向各网络发出切换请求。

考虑一个由同步轨道卫星网络、蜂窝网络共同覆盖的区域, 两个网络分别用GEO、CEL标识, 以终端速度260 km/h为例, 网络参数见表1所示。

采用式 (5) 、式 (6) 对上述网络参数进行归一化, 基于用户需求, 构造如下重要程度矩阵E:

则权重向量为:

根据以上数据, 计算得到同步轨道卫星网络与蜂窝网络评分为{0.8302, 0.5077}。因此, 最优的切换顺序为同步轨道卫星网络、蜂窝网络。

2.2 基于网络收益的切换判决

在整个异构网络系统中, 各网络的维护成本、容量不同。例如, 同步轨道卫星网络中资源有限、多波束天线的维护成本高, 因而需要考虑其网络收益, 合理规划进行切换的用户。

设整个系统提供L级Qo S服务, 容量为网络中无线资源单元RRU (Radio Resource Unit) 的个数Ttotal;用户价值是为相应等级Qo S服务所付的资费gk, 所占据资源数为rk。设请求Qo S等级k的用户总数为tk, 网络接受第k级Qo S服务用户数为ck, 则问题可描述为:

目标函数:

约束条件:

采用动态规划方法求解该问题。构造 (L+1) (Ttotal+1) 的二维矩阵G作为最大收益表, gkj (k∈[0, L], j∈[0, Ttotal]) 表示网络容量为j时的最大收益。计算G中的数值:

递推方程:

初始条件:

由此可知, gL, Ttotal即为所求的网络最大收益值, 而对应的接受切换用户集合可用回溯法查询最大收益表得到:若gkj等于gk-1, j, 则表示网络未接受请求Qo S等级为k任何用户的切换请求;否则, 表示网络接受了请求Qo S等级为k用户的切换请求。

2.3 算法实现

如果用户坚持切换到评分最高的网络, 会出现部分网络满负荷部分网络空闲的情况。因此, 规定用户按评分值递减的顺序依次尝试切换, 直到能被某个网络接纳, 表2是算法实现。

3 仿真实验

3.1 仿真平台与参数

实验采用Qual Net仿真软件[13]搭建仿真平台, 对同步轨道卫星/蜂窝网络垂直切换进行模拟。仿真场景中存在同步轨道卫星、地面信关站、地面基站、移动终端三种节点。终端运动速度范围为[50, 500], 单位为km/h, 终端数目范围为[10, 100]。随着终端的移动, 它将在同步轨道卫星网络GEO与蜂窝网络CEL覆盖的区域中进行切换。其中, GEO的波束半径为145 km, CEL的小区半径为1.5 km;GEO、CEL的网络资源数分别为Tg=120、Tc=80, 整个系统能提供4个Qo S等级, GEO能提供Qo S2、Qo S3、Qo S4, 对应的网络收益分别为0.4、0.8、1.2, 所占资源数分别为3、4、8;CEL能提供Qo S1、Qo S2, 对应的网络收益分别为0.01、0.5, 所占资源数分别为1、3。为了对比, 采用灰度关联分析法GRA (Gray Relational Analysis) [12]对网络进行评分排序。根据用户速度的比例, 实验中采用两种场景:高速用户的比例为50%;高速用户的比例为60%。

3.2 仿真结果分析

首先, 检验两种方法中网络评分与终端速度大小的关系, 如图3所示。随着终端速度增大, NROV算法与GRA方法中GEO网络的评分都随之上升, 而CEL网络的评分急剧下降, 因此对高速用户而言同步轨道卫星网络将是其最优选择;但是, 相对GRA方法, NROV算法的曲线更陡峭, 对速度更敏感。因而, NROV算法更适用于速度重要的场景。

其次, 对比NROV算法与传统算法TRD中网络的收益, 如图4所示。在两种场景下, 给定数量的用户分别进行网络评分, 网络依据收益选择性接收切换请求。当用户数较少时, 网络资源较充裕, 因而两种算法的网络收益相同;随着用户数增多, NROV算法中网络基于收益对切换用户进行选择, 系统的网络收益高于传统算法的网络收益。并且, 随着用户增多, 收益增长越来越慢。

最后, 切换成功率是衡量切换算法的重要参数, 其定义为成功进行切换的用户数/总切换请求数。在NROV算法中, 当用户的最优切换选择被网络拒绝时, 用户还将转而尝试其次优选择, 使得整个候选系统能尽可能接收用户切换请求, 从而切换成功率较高。图5中给出了两种场景中NROV算法与传统算法的用户切换成功率。在曲线的开始阶段, 用户数较少, 网络剩余承载能力较大, 因而能接受所有用户的切换请求;随着用户数目增多, 系统的资源减少, 网络部分接受用户请求, 使得切换成功率减小。但相对传统算法, NROV算法仍保持了较高的切换成功率。图6是两种场景下切换入最优网络、次优网络的用户比例。从图中可知, NROV算法能保证85%以上的用户切换到最佳网络。

4 结语

下一代通信系统是多种网络融合在一起的异构网络系统。为了使网络能够满足用户的不同需求, 高效的垂直切换判决算法是保证终端服务质量与网络性能的关键之一。本文针对同步轨道卫星/蜂窝网络的特点, 分析了垂直切换的基本流程及影响垂直切换判决的参数, 考虑了终端移动速度, 提出了一种面向网络收益的垂直切换判决算法, 该算法基于用户需求动态改变各参数的权重, 计算所有候选网络的评分, 最后由网络端基于收益考虑进行最终的切换判决。仿真结果表明, 相比于传统算法, 该算法保证了网络收益, 提高了切换成功率。

摘要：通过分析同步轨道卫星/蜂窝网络中影响垂直切换的决策参数, 考虑终端移动速度, 提出一种面向网络收益的垂直切换判决算法NROV。NROV算法基于用户需求对决策参数权重进行设定并对候选网络评分, 形成切换请求, 然后采用动态规划方法最大化网络收益, 获得最终的切换判决。仿真结果表明, 相对于传统算法而言, NROV算法能在考虑用户满意度的同时, 保证网络收益, 提高切换成功率。

垂直切换 第6篇

在未来的异构无线环境中,接入网络将显著呈现异构性的特点。为了充分利用不同接入网络的特点,向用户提供5W(Whoever、Whenever、Wherever、Whomever、Whatever)的服务,并且能满足用户对业务带宽化、个人化和智能化的要求。异构网络的融合可以实现各个网络的优势互补,而垂直切换是异构融合网络的核心技术,垂直切换性能优化随之也成为一个重要的问题。

垂直切换判决算法中需要考虑影响切换性能的多种因素,如应用需求、用户喜好、终端能力、网络费用及其QoS性能等,所以无法设定一个通用的决策方法。考虑到终端应用的实际需求和用户的偏好等因素,现有以终端为中心的代价函数不能满足终端应用的要求。下面介绍一种综合考虑终端电池电量和用户喜好等多应用并且保证服务质量的垂直切换判决算法。

1 自适应垂直切换判决算法

目前无线通信网主要分为2类:一类是以3G网络为代表的蜂窝网络;另一类则是以WLAN为代表的无线局域网[1]。下文将论述移动终端( Mobile Terminal,MT)在这2类网络之间的切换。

1.1 对候选网络QoS 判断的代价函数

合理并且高效的代价函数是异构网络间进行准确、快速垂直切换的前提条件,因此合理的代价函数设计尤为重要。

假设移动终端有N个可接入的候选网络,QoS最优的网络为最优目标接入网络,即该候选网络的代价函数值最小。

$f{}^n={\displaystyle \sum _{a}f}{}_a^n$。 (1)

fn为网络n的代价函数,它表示移动终端从网络n 获得的所有应用付出的代价。f${}_a^n$表示移动终端在网络n获得应用a的代价函数[2]。代价愈小愈好,所以将最优网络n表示为min{n|fn},最优网络n 由以下公式确定:

$n\_opt=\left\{n|\underset{1n/{\rm N}}{{\displaystyle \min }}f{}^n\right\}$, (2)

式中,fn为网络n的代价函数。它包含了应用服务中各个应用的代价,如果考虑到各个应用的优先级,将式(1)更新为式(3):

$f{}^n={\displaystyle \sum _{a}f}{}_a^{n}p{}_a$, (3)

式中,Pa表示应用a的优先级,f${}_a^n$由以下公式给出:

f${}_a^n$=CnaEnaQ${}_a^n$, (4)

式中,C${}_a^n$是网络n的使用费用,使用费用越高,网络n的代价函数越大。E${}_a^n$是网络n对移动终端提供应用a时的网络消除因子。如果网络n不满足应用a的要求,则E${}_a^n$取一个很大的值,将此网络排除在目标切换网络之外,Q${}_a^n$表示的是网络n对移动终端提供应用a 时的QoS。其中E${}_a^n$由以下公式给出:

$E{}_a^n={\displaystyle \prod _{i}E}{}_{a,i}^n$, (5)

式中,E${}_{a,i}^n$表示的是对于网络n向移动终端提供应用a时,网络参数Xi(例如时延、带宽等)是否能满足该应用的最低要求。E${}_{a,i}^n$是与具体应用所要求达到的最小Xi有关,E${}_{a,i}^n$由以下公式给出:

$E{}_{a,i}^n=\frac{1}{{\rm I}{}_{a,i}^n}$, (6)

式中,I${}_{a,i}^n$定义如下:

${\rm I}{}_{a,i}^n=\{\begin{array}{l}0‚\text{如}\text{果}Xi\text{不}\text{满}\text{足}\text{要}\text{求}\\ 1‚\text{如}\text{果}Xi\text{满}\text{足}\text{要}\text{求}\end{array}$。 (7)

考虑到代价函数中的网络参数需要加权相加,但是网络参数的取值范围差异较大,如果直接进行加权,网络参数对代价函数取值产生的影响将会有很大差异。为解决上述问题,将对网络参数进行归一化[3,4],所有网络参数归一化后的取值范围都相同,网络参数的重要性由权值来体现。

$Q{}_a^n={\displaystyle \sum _{i}W}{}_{a,i}^{n}Q{}_{a,i}^n$, (8)

式中,满足${\displaystyle \sum _{i}W}{}_{a,i}^n=1$。

Q${}_a^n$由归一化后的网络参数Q${}_{a,i}^n$和对应权值W${}_{a,i}^n$构成。例如网络n的可用带宽为Bn,考虑到带宽越大越好,等价于带宽愈大切换付出的代价越小,则归一化带宽为ln(1/Bn)。权值与用户和网络有关,体现的是服务质量对用户和网络的重要性。例如移动终端的某个应用要求低功耗和低时延,但是考虑到移动终端电池容量有限,因而低功耗比低时延更加重要,网络参数时延的权值就应该比网络参数功耗的权值要小。

1.2 垂直切换判决方案

垂直切换判决算法引入电池电量门限。当移动终端剩余电量高于电量门限时,移动终端处于高电量状态;否则移动终端处于低电量状态[6]。当处于高电量状态时候,垂直切换考虑多种切换因素。但是处于低电量状态时候,主要考虑电量因素,应选择候选网络中带宽大的网络接入,这样可以减少业务消耗时间,防止由于电量耗尽造成的业务阻塞。

网络中有数据和语音业务。数据业务需要的带宽比较大,语音业务需要的带宽相对较小。虽然数据业务可以接入3G网络,但是它更倾向于带宽大(如WLAN)的网络。垂直切换方案流程图如图1所示。

如果移动终端剩余电量低,则应考虑切换至带宽大(覆盖范围小)的接入网络,以减小终端的发送和接收功耗,这样有利于终端工作时间的延长。定义接入网络j对终端t当前剩余电量的适合度如下[7]。

$B{}_{tj}=\{\begin{array}{l}\frac{1}{u{}^2},E{}_{ct}E{}_t\\ 1,\text{否}\text{则}\end{array}$。 (9)

这里u是所有候选网络按覆盖范围从小到大排列时各接入网络的序号,1uN。Ect表示移动终端当前剩余电量,Et表示电池阀值。

如果移动终端的运动速度过快,为减少切换次数,则选择切换至覆盖范围大的接入网络。定义接入网络j对终端t用户当前运动速度的适合度如下:

$S{}_{\text{t}\text{j}}=\{\begin{array}{l}\frac{1}{v{}^2},V{}_{\text{c}\text{t}}V{}_{\text{j}\text{t}}\\ 0,\text{否}\text{则}\end{array}$。 (10)

这里,v是所有候选网络按覆盖范围从大到小排列时各接入网络的序号,1vN。Vct表示移动终端当前运动速度,Vjt表示网络j对应的速度阀值。根据终端当前的移动速度对候选网络进行筛选,然后再比较这些候选网络进行代价函数值,按照一定的方案来确定最优目标切换网络[8]。

2 仿真与分析

为了评估切换算法的性能,设计了一种切换场景:WLAN和3G网络边缘的随机运动场景。为了简化模型,只考虑切换过程中的垂直切换,如图2所示,移动终端B从WLAN通信范围移动出去后,为了保证通信的持续性可以切换到3G网络。而移动终端E从3G网络移动出去后可以切换到WLAN网络享受高带宽传输速率的服务。

当移动终端B从WLAN网络移出至3G网络的覆盖范围时,因WLAN网络的通信范围有限,移动终端需要发起切换,即从WLAN切换至3G网络。移动终端首先检测到接入点的信号强度在减弱,然后判断终端当前的电池电量是否满足发起切换的要求,然后再最终决定是否进行切换,如果终端有足够的电池电量,则不考虑能量的消耗接入最优网络,进行切换。如果终端能量有限或者不足,从人性化角度考虑则询问用户,是否进行切换以获得更好服务,或者严禁进行切换,以延长移动终端的使用时间。预判决先通过终端能量消耗比值进行功耗判断,进行功耗判断后,若继续进行判决,则通过设定各个候选网络的速度阀值作为判断依据,进行速度筛选。如果当前用户的速度超过了某个候选网络预设的最高速度,即当前用户终端在很短的时间内移出该候选网络覆盖范围,则排除该候选网络,可有效解决乒乓效应。例如对于高速运动的用户终端,蜂窝网相比WLAN是更佳的候选网络。

切换性能的优劣直接影响终端的通信质量,也是保证终端用户享受优质服务的关键。而切换性能的评价指标一般有两个:一是切换的平均次数,二是呼叫阻塞率。本文在WLAN和3G组成的异构网络仿真环境下,对文献[9]提出的算法与本文提出的切换判决算法在切换次数、当前终端电池剩余电量等方面进行仿真分析与比较。假设3G网络的网络半径为1 500 m,WLAN网络半径为500 m,用户速度服从均匀分布。平均服务时间服从指数分布。电池电量门限为0.5,QoS参数的权值大小如表1所示。

算法描述:

WC表示从WLAN切换到3G;CW表示从3G切换到WLAN。

为了描述方便,将文献[9]的算法用Compared表示,本文提出的算法用Proposed表示。由图3可知,Proposed算法与Compared算法在呼叫到达率较小时候差别不明显,但由于本文提出算法将切换语音呼叫留在原网络,呼叫到达率增大后,与Compared算法相比,Proposed算法能很好地减少平均切换次数,避免了乒乓效应。由图4看出,Proposed算法由于在切换判决时候考虑了终端当前电池电量,在终端当前剩余电量方面明显优于Compared算法,图4的曲线正好验证了这一点。

3 结束语

研究了综合电池电量、速度等因素的切换判决策略,根据电池电量的变化趋势动态执行不用的切换决策。首先根据终端当前移动速度对候选网络进行初步筛选,这样可以有效地减少了不必要的切换,较好地保证了切换的有效性,然后根据代价函数为移动终端精准选择出最优目标切换网络,执行切换时充分考虑了网络环境、终端能力、业务需求和用户喜好因素,较好地保证了切换因素的全面性和切换的精确性。在切换预判决时考虑终端当前的电池电量因素,仿真结果表明这样做可以有效地延长终端的工作时间,有效地缓解了因电量不足而造成的业务阻塞问题,进而保证切换过程中业务的服务质量。因此在现实生活中更具实际的应用价值。

摘要：在未来的异构环境中,网络间的垂直切换将对QoS保证产生重要影响。针对移动终端在异构网络间切换不理想的问题,提出了一种自适应的垂直切换判决算法。采用基于用户多应用的代价函数对接入网络进行评估与选择,综合考虑移动终端当前的电池电量,判断当前业务是否需要进行网络切换,使移动终端能自适应地进行切换判决。仿真结果表明,该算法可以有效地延长移动终端的工作时间,减少乒乓效应,提高系统的切换性能,改善业务的QoS。

关键词：垂直切换,无线异构网络,网络代价函数,电池电量

参考文献

[1]张丽丽,刘大鹏,杨帆.一种新的无线异构网络的自适应垂直切换算法[J].信息技术,2011,06(0004):4-6.

[2]ZFU F,MACNAIR J.Optimizations for Vertical HandoffDecision Algorithm[C]∥Proc of IEEE Wireless Commu-nication and Networking conference,2004:867-872.

[3]XIN G,TANG R X,SONG N B,DONG W Y.EnhancedApplication-driven Vertical Handoff Decision Scheme for4G Wireless Networks[J].IEEE,2007,5(07):1771-1774.

[4]CHEN W T,LIU J C,HUANG H K.An Adaptive Schemefor Vertical Handoff in Wireless Overlay Networks[C]∥Ministry of Education and the National Science Council,Taiwan,China,2004:541-545.

[5]MAO X,CHEN Q B,TANG L.Vertical Handoff Technolo-gy for Heterogeneous Network[J].Communication tech-nology,2007,26(6):24-26.

[6]王伟,景志宏,陈鹏.异构无线系统中一种改进的垂直切换方案[J].计算机应用研究,2011,05(28):1861-1865.

[7]王兴伟,郭磊,李雪娇.一种智能ABC支持型QoS切换决策机制[J].电子学报,2011,04(39):01-09.

[8]FANG Z,JANISE M N.Multiservice Vertical HandoffDecision Algorithms[J].EURASIP Journal on WirelessCommunications and Networking,2006,13(25861):1-13.

垂直切换 第7篇

基于未来物联网信息通信场景, 未来的信息通信网是异构接入的, 随着移动通信与宽带无线接入的迅猛发展, 使得无所不在的普适计算逐渐成为可能, 最终将达到“任何人在任何时间、任何地点与任何人进行任何种类的信息交换”的理想诉求。因此多种无线接入技术、支持无逢的移动性和异构无线网络的融合, 成为物联网发展的重要支撑技术。

一、异构无线网络的切换

1. 水平切换与垂直切换

切换是移动性管理技术中的一项重要功能和独有特征。切换控制根据所涉及的接入技术的不同类型进行分类, 移动点在同构网络接入技术之间的切换称之为水平切换。移动点在异构网络接入技术之间的切换称为垂直切换。垂直切换有两种类型:上行垂直切换和下行垂直切换。上行垂直切换是指移动节点从覆盖范围小的小区切换到覆盖范围大的小区, 如UMTS蜂窝网;而下行垂直切换是指移动节点从覆盖范围大的小区切换到覆盖范围小的小区, 如WLAN。

2. 垂直切换过程

垂直切换是多网融合的基础, 也是未来移动通信的关键特征和核心技术。异构网络环境下的垂直切换过程通常包括3个阶段: (1) 切换发起阶段。即终端设备发现有新的可以切换的目标网络。 (2) 切换判决阶段。即终端设备决定需要进行切换操作, 根据接收信号强度、用户偏好等因素, 完成判决操作, 包括目标网络的选择、切换机制选择和切换时间选择等方面。 (3) 切换执行阶段。即完成切换判决结果之后执行垂直切换。以上3个阶段中并不是完全依照时间顺序执行, 根据不同的切换场景可能会有所不同。在垂直切换的全过程中, 切换判决最为关键。

3. 垂直切换的判决

目前, 针对垂直切换的研究成果颇为丰富, 综合文献所述, 大致将垂直切换的判决分为三类:

方法一:基于信号强度比较的切换判决。即在判决过程中, 将接入信号强度作为判决门限, 通过加入其他参数构成垂直切换策略, 完成移入移出操作。

方法二:基于移动终端侧的切换判决。即在判决过程中, 将接入信号强度、用户偏好以及可用带宽等性能指标作为各目标网络的判决因子, 通过构建代价函数, 计算评估出最优的切换目标网络。

方法三:基于多判据的切换判决。利用人工智能、灰色关联、模糊逻辑等相关知识, 组合多种参数如网络条件和移动性特征等参数, 设计出多维判决策略。

二、物联网异构融合的体系架构

1. 异构无线网络重叠覆盖的场景

物联网的发展必然导致异构网络间的互通和融合, 其基本特征是多种接入技术并存, 相互补充, 无缝集成。各种设备与2G/3G、WLAN、Wi MAX等各种无线网络连接。由于不同的信号覆盖, 可用的无线接入技术也在不断发生变化。目前, 广域覆盖、提供低带宽业务网络和局域覆盖、提供高速率高带宽业务网络两类无线网络系统形成重叠覆盖的架构。因此, 根据覆盖能力的大小, 相互重叠覆盖的异构无线网络场景, 是物联网发展的必然趋势。

2. UMTS与WLAN异构融合的体系架构

物联网的稳定运行依靠着整个异构网络的正常运行, 本文以UNTS和WLAN分别代表低带宽、广覆盖以及高带宽、低覆盖的无线接入技术作为研究对象, 其基本思路适用于其他异构无线网络。

UTMS作为完整的第三代移动通信技术, 能够提供广域覆盖并支持用户的全球漫游和快速移动, 但数据传输速率较低。WLAN是一种广泛采用的宽带无线接入技术, 有较高的数据传输速率, 但缺乏对漫游和移动性的支持。基于物联网的后向兼容性的需求, 实现UMTS和WLAN的互联互通, 以达到两种无线接入技术的优势互补, 满足无处不在的移动性要求。

欧洲电信标准协会 (ETSI) 定义了两种异构网络融合架构:松耦合与紧耦合。在松耦合方案中, WLAN通过网关GPRS节点和UMTS核心网连接, 两个系统结构上相对独立, 功能上相互补充, 彼此互不干扰。在紧耦合方案中, WLAN数据通过服务GPRS节点与UMTS核心网连接, WLAN是作为UMTS的一个无线接入网而存在, 两者的切换相当于在两个独立的小区间进行。UMTS和WLAN在逻辑上通过切换决策控制移动台接入Internet, 实现异构网络的融合。

三、联合垂直切换判决算法

1. 联合垂直切换判决代价函数

切换控制是在指定时刻计算进行垂直切换代价的控制单元, 对不同的网络条件具有不同的代价参数。代价函数的值越小, 则该网络的条件越好, 即低代价网络是首选网络。为了便于表示, 假设UMTS是网络1, WLAN是网络2, 构造代价函数为:

式中, wb+wr+wa=1;n为表示可用网络数量;Bn为可用带宽, Rn为平均接收信号强度, T_liven为用户应用满意度。经过计算, 从中选择代价函数值最小的网络作为最优切换目标。其中, f1表示UMTS的代价函数;f2表示WLAN的代价函数。

由上分析可以得出以下判决规则:当f1>f2时, 选择WLAN;当f1<f2时, 选择UMTS。

在设定的模型中, UMTS和WLAN网络重置覆盖, 采用移动IP进行位置管理。业务传输时, 应利用WLAN传输速率高和宽带宽的优点, 尽可能长时间地使用无线局域;切换判决时, 以该网络传输条件为依据。

移动台在WLAN的接入点 (AP) 和UMTS的BS之间保持固定方向匀速运动, 处于位置x时接收到WLAN的平均接收信号强度服从对数正态分布, 即假设WLAN的AP为运动的起始点, 则移动台与AP之间的距离d服从正态分布, 即d~N d, (cσtdn) 2。其中, σ2tdn为噪声延迟时间的标准差;c为光速。

移动台在AP和BS之间以匀速v运动, 以周期Ts进行抽样, 移动台的单位移动距离ds=v Ts, 可得:

在切换决策控制单元中引入一个切换计时器 (HT) , 采用通过计算在一个计时周期T= (T=LTs) 内, 通过计算累积接收信号强度:

式中, m为在一个计时周期内接收到的信号强度大于门限R的次数, 且1≤M≤L;km (m=1, 2, …, M) 为序列k的子列, 即S为M个服从正态分布随机变量的和。累积信号强度与能量门限Rs比较, 以此作为判决准则之一, 用来判断是否执行系统间的切换, 为系统间的切换提供一定的延迟时间以避免“乒乓效应”。

2. 联合垂直切换判决准则

UMTS和WLAN是两种不同的接入方式, 分别拥有不同的接收信号判决标准。根据WLAN本身具有较高的网络优先级的优点, 将WLAN的接收信号强度和累计信号强度作为切换判决条件。假设移动台进入WLAN和UMTS之间的过渡区, 并开始进行接收信号强度的检测。切换决策单元中切换计时器在以下两种情况下进行不同的触发。

(1) 移动台从UMTS切换到WLAN

如果移动台接收到WLAN的信号强度大于它的门限R, 则HT就触发开始计时, 则判断在HT的一个计周期To内, 的和是否大于能量门限Rs。其中为大于R的接收信号强度, Rs=RL/2, L=To/Ts。如果在一个计时周期To内的和大于Rs, 则执行从UMTS到WLAN的切换;否则将HT置零, 等待下次触发。当满足以下条件时, 发生从UMTS到WLAN的切换:

(2) 移动台从WLAN切换到UMTS

如果移动台接收到WLAN的信号强度小于它的门限R, 则HT就触发开始计时。如果在HT的一个计周期To内的和小于大于能量门限Rs, 则执行从WLAN到UMTS的切换。否则将定时器置零, 等待下次触发。切换机制表示为:

四、小结

在异构网络环境中, 传统的水平切换控制机制基于接收信号强度的比较并不适合垂直切换的要求。本文针对垂直切换的特殊性和复杂性展开深入系统的研究, 以UMTS和WLAN分别代表低带宽、广覆盖以及高带宽、低覆盖的无线接入, 来研究和分析垂直切换技术, 提出一种适用于物联网异构环境下的联合垂直判断切换算法, 以满足不同无线网络间无缝移动性管理的要求。

摘要：随着移动通信技术的飞速发展, 未来物联网移动信息通信场景将是由多种异构接入技术组成通信网络。本文通过研究无线网络的异构融合, 对垂直切换及判决过程进行详细分析, 以UTMS与WLAN两组异构网络融合为例, 基于代价函数提出联合垂直切换算法, 以满足物联网移动性管理的要求。

关键词：异构融合,物联网,垂直切换

参考文献

[1]Fathan S, Sherali Z.Mobility management across hybridwireless networks:trends and Challenges[J].IEEE ComputerCommunications, 2005, 29 (9) .

[2]李军, 异构无线网络融合理论与技术实现[M].电子工业出版社, 2009.

[3]Majiest A, Khalaj B H.An adaptive fuzzy logic based handoffalgorithm for interworking between WLANs and mobile networks[C]//Proc of the 13th IEEE In-ternational Symposium onPIMRC.Portugal;IEEE PIMRC, 2002.

[4]Wang H J, Katz R H, Giese J.Policy-enabled hand-offs acrossheterogeneous wireless networks[C]//Proc of the 2nd IEEEWMCSA.New Orleans, USA, IEEE Comp Soc Press, 1999.

[5]Zhao W, Tafazolli R, Evans B G.Internetwork hand-overperformance analysis in a GSM-Satellite integrated mobilecommunication system[J].IEEE Journal on Selected Areas inCommunications, 1997, 8 (15) .