CN102625378B - 一种异构无线网络快速切换协议流程 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异构无线网络快速切换协议流程，该流程的主要实现过程包括：移动终端周期性地向无线接入网发送移动终端相关信息报告；网络侧的无线接入网重构管理器预测用户的运动轨迹；在移动终端需要发起切换以维持业务连续性时，结合预测的运动信息与网络拓扑信息，确定候选网络集合；由当前网络的无线接入网重构管理器预先为移动终端选定目标网络，同时通知目标网络为移动终端预留所需资源；移动终端监测当前网络和目标网络的接收信号强度，确定最佳切换触发时间；切换触发后，移动终端首先与目标网络建立链接，随后释放原有链路资源。本发明可以减少异构无线网络间切换的切换时延，提高切换成功率，保证业务服务质量和连续性。

Description

一种异构无线网络快速切换协议流程

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种异构无线网络快速切换协议流程，可支持移动终端在异构无线网络间的快速切换。

背景技术

近年来，随着半导体技术、微电子技术和计算机技术的发展，各种无线通信技术也快速发展，更高的传输速率、更大的系统容量、更高的服务质量以及更加合理高效的资源使用是未来移动通信系统的发展趋势。随着通信技术的不断发展，各种无线接入网络纷纷涌现，如WLAN、WiMAX、UMTS、Bluetooth等，它们与传统的蜂窝网络一起，组成了一个统一而又复杂的异构无线网络环境。与此同时，人们对无线网络服务的期望也越来越高，希望能够随时随地快速接入到网络中并获得较好的服务，即所谓的ABC(Always Best Connected)。当用户移出当前网络的覆盖范围时，MT(Mobile Terminal，移动终端)需要将正在通信的链路切换到另一个网络中去，从而保证用户正在进行业务的连续性。合适的切换协议流程能够缩短切换过程中的时延，从而保证用户的QoS(Quality of Service，服务质量)连续性，为用户提供无缝体验。因此，设计一种合适的快速切换协议流程是实现用户在未来复杂的异构无线网络环境中随时随地获得高质量服务的关键技术之一。

通常，整个切换协议流程主要包括切换初始化阶段、切换准备阶段和切换执行阶段。切换初始化阶段主要完成系统发现，确定候选网络集合等；切换准备阶段主要是选择目标网络、确定切换触发时间等；切换执行阶段主要是与目标网络建立链接，随后释放原有链路资源等。这三个阶段的耗时共同组成了切换总时延，同时这三个阶段中的具体实现过程会影响到用户在切换过程中的服务质量。

认知无线网络是一个具有自我感知、自我判断和自我决策能力的网络系统，它能够自主地感知当前网络的状况，并且通过感知到的信息，对整个通信网络系统进行规划并做出合理的决策。在一个认知无线网络环境中，移动终端和基站都具有认知功能，能够感知环境信息。因此，基于有效的认知资源管理架构，设计合理的切换协议流程，充分利用认知能力，综合考虑用户的服务体验以及网络的资源使用情况等因素，可以实现用户QoS保障与网络资源使用率的提高。

近几年，许多专家学者对异构无线网络间的切换协议进行了大量研究，大体可分为两个方向：基于MIP(Mobile Internet Protocol，移动IP)的切换机制和基于端到端的切换机制。基于MIP的切换机制是在MIP(如MIPv4、MIPv6)的基础上，通过在网络路由模块上增加移动代理功能(如家乡代理HA和外地代理FA)，实现移动终端在不同网络间的切换，其操作主要集中在网络层以下，该方案虽然能够实现移动终端在不同网络间的移动性支持，但是其需要在相应的网络设备上增添移动性代理等附加功能，加大了网络的复杂性，同时在切换过程中会引入较大的延迟。基于端到端的切换机制主要包括传输层方法、应用层方法和介于传输层和网络层之间的方法。传输层的方法主要是通过更改现有传输层协议(如TCP、UDP协议)来实现系统间的切换，其优点在于不需要路由模块的移动代理功能便可以实现端到端控制，能够大幅度地提高网络性能，但是需要重新编写现有的协议，工作难度较高，任务量较大。应用层方法是在传输层之上添加新的会话层协议来实现的，这种方法灵活性高且功能强大，可以实现真正的个人移动，但是同样需要对现有网络协议进行修改。介于传输层和网络层之间的方法通过在传输层和网络层之间添加切换探测和连接管理功能模块，实现移动终端在异构无线网络间的无缝切换，该方法同样存在需要修改现有的网络协议的问题。总体来讲，基于具体高层协议的优化，其通用性较差，并且会引入较大的切换时延，此外，不稳定的无线链路状态、有限的移动终端资源以及由于用户在网络间移动所带来的无线链路特征的变化，都会影响切换的性能。

F.Cacace等人2006年在Proceedings of the 4th international workshop on Wireless mobileapplications and services on WLAN hotspots发表的《Managing Mobility and Adaptation inUpcoming 802.21 Enabled Devices》一文中提出了通过对服务连续性、移动性策略、节省功耗以及应用层的自适应支持合并的机制来优化切换的方案，文中提出使用移动性管理模块来实现上述各个功能的合并，这样减小了802.x网络之间和802.x与非802.x网络之间的切换时延。尽管通过仿真证明，该方案与没有采用这种机制的方法相比，切换时延缩短了75％，但是该方案的适用范围有限，不适用于其他无线网络技术，同时其对移动性管理模块的高要求，一般设备很难实现。A.Dutta等人2006年在World Telecommunication Congress发表的《Secured Seamless Convergence across Heterogeneous Access Networks》一文中提出采用快速重认证机制可以实现无缝切换，其原理是通过预认证、预配置机制和隧道技术来减少切换时延和丢包率。但是该方案主要是针对特定移动性协议具体过程的改进，需要提供隧道技术来控制丢包率，而且需要移动用户端和无线网络端的软硬件支持，实现难度较大，通用性不好。

从上面的分析可以看出，现有的各种异构无线网络切换协议通用性较差，会引入较大的切换时延，大多需要修改现有的网络协议和相应的网络设备的支持，工作量和难度都比较大，尚无方案充分利用认知无线网络的认知功能来支持切换协议流程。

发明内容

为了解决上述技术问题，克服现有异构无线网络切换协议的不足，本发明提供一种异构无线网络快速切换协议流程，该流程通过对认知资源管理架构中认知功能管理实体的合理使用，合理安排调度切换各阶段的相关操作，实现切换的性能优化：第一，通过NRM(NetworkReconfiguration Manager，网络重构管理器)、RNRM(RAN Reconfiguration Manager，无线接入网重构管理器)及TRM(Terminal Reconfiguration Manager，终端重构管理器)的信息交互，实现对全局信息的掌握；第二，在切换准备过程中，收集各候选网络详细参数信息和MT的业务需求信息，当无线接入网需要同时向终端侧和网络侧请求信息时，将传统的串行操作方式改为并行执行，缩短了切换准备时间；第三，将资源预留机制从切换执行阶段提前到切换准备阶段，提早通知目标网络为MT预留资源，最大限度地规避资源预留不及时对通信产生的负面影响，提高了切换接入成功概率。

其技术方案如下：

一种异构无线网络快速切换协议流程，包括以下步骤：

1)当前网络的RMC(RAN Measurement Collector，无线接入网信息搜集器)和终端侧的TMC(Terminal Measurement Collector，终端信息搜集器)周期性地感知各自的周围环境，并将周围环境信息提供给相关信息处理模块，MT周期性地通过RE(Radio Enabler，无线使能器)将其状态信息与周围环境信息发送到当前网络的RNRM；

2)当前网络的RNRM根据MT上报的信息，预测MT的运动轨迹；

3)当发现MT需要发起切换以维持业务连续性时，由当前网络的RNRM向其上级的NRM请求周围网络信息，结合预测的运动信息与网络拓扑信息，确定候选网络集合；

4)根据候选网络集合，当前网络的RNRM向TRM和其上级的NRM分别发送QoS需求信息请求和QoS保障能力信息请求，而后根据响应信息进行网络可用性检测，最终确定目标网络；

5)当前网络的RNRM向MT发送目标网络的相关信息，同时向目标网络所在域的NRM发送资源预留请求，目标网络在收到资源预留请求后采用相应措施为MT预留资源，MT在收到目标网络选择结果后，周期性地监测当前和目标网络的信号质量，确定最佳切换触发时间；

6)切换执行，TRC(Terminal Reconfiguration Controller，终端重构控制器)和RRC(RANReconfiguration Controller，无线接入网重构控制器)分别控制MT和网络重构，MT首先与目标网络建立新链接，随后与原来网络断开链接。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)本发明利用认知资源管理架构中认知功能管理实体，掌握信息更全面，以便合理地做出决策，更好地支持异构无线网络间的快速切换。

(2)本发明主要由认知功能管理实体RNRM、NRM和TRM管理整个切换过程，在切换准备阶段，当RNRM需要同时获取终端和网络的相关信息时，将传统的串行操作方式改为并行执行，缩短了切换准备时间。

(3)本发明由于将资源预留机制从切换执行阶段提前至切换准备阶段，提早通知目标网络为MT预留所需资源，最大限度地规避资源预留不及时对通信产生的负面影响，提高了MT的切换接入成功概率，保证了QoS连续性，可实现快速切换。

附图说明

图1为本发明技术方案的流程图；

图2是本发明的移动终端移动场景图；

图3是本发明的快速切换协议流程图；

图4是本发明的仿真用户移动场景图；

图5是本发明的仿真网络信号状态图；

图6是在上行切换过程中本发明与传统切换协议的平均切换耗时性能比较图；

图7是在下行切换过程中本发明与传统切换协议的平均切换耗时性能比较图；

图8是本发明与传统切换协议的切换接入成功概率性能比较图。

具体实施方式

下面结合附图具体实施方式对本发明的方法作进一步详细地说明。

参照图1，一种异构无线网络快速切换协议流程，包括以下步骤：

MT周期性地向发送终端相关信息报告，当前网络的RNRM预测MT的运动轨迹；在MT需要发起切换以维持业务连续性时，由当前网络的RNRM预先为MT选定目标网络，同时通知目标网络为MT预留所需资源，如果目标网络没有足够的空闲资源，则可以采用负载均衡技术将一部分用户切出当前网络或者根据业务优先级挂起部分业务，预留出足够的空闲资源；MT监测当前网络和目标网络的接收信号强度，选择合适的时间触发切换执行过程；切换触发后，MT首先与目标网络建立链接，随后释放原有链路资源，以保证用户所要求的服务质量。在切换准备阶段，当RNRM需要同时获取终端侧和网络侧的相关信息时，本发明采取并行执行的方式，缩短切换准备时间。此外，在确定目标网络之后，立刻采用资源预留机制提前为MT预留资源，而不像以往方案中，直到切换执行时才进行资源预留，保证MT在接入目标网络时有足够的资源可用，从而提高了切换成功率。图2是本发明的移动终端移动场景图，从图中可以看出，网络侧NRM1和RNRM1共同管理着WiMAX网络资源，而对于WLAN网络，其网络管理者为NRM2和RNRM2。假设MT起初通过WiMAX网络进行通信，在移动过程中，由于用户移动，靠近当前网络覆盖范围边界时，链路质量下降，无法继续满足用户的业务需求，因此需要向WLAN网络发起切换以保持MT的业务连续性。

参照图3，本发明的切换协议流程，具体实现过程如下：

(1)网络监测阶段：TMC收集终端的环境信息，该信息随后提供给TRM进行分析处理。同时，RMC收集静态和动态的网络环境信息，并将其提供给RNRM进行分析处理，通过TRM和RNRM之间的信息交互，RNRM制定无线资源选择策略，并确定其约束条件。随后，将决策结果发送给TRM，TRM根据接收到的策略和约束信息，进行相应的操作。上述这些过程都是周期性执行的，通过终端和网络的相关认知功能管理实体获得信息并交互。

(2)切换初始化阶段：当前服务的RNRM1通过分析MT周期性上报的信息，在MT可能即将离开当前覆盖小区的服务范围，或者由于用户业务改变而当前服务小区不能满足其服务需求时，提前进行切换初始化操作。RNRM1根据终端上报的位置等信息，进行移动性预测，得到MT的移动速度、移动方向和未来的运动轨迹等信息。同时，由于RNRM1仅掌握其所管辖的WiMAX网络的相关信息，对于其它周边网络的信息，需要向其上层的管理者NRM1发送请求消息进行索取。NRM1发现MT周围存在WLAN网络后，向WLAN网络的管理者NRM2和RNRM2发送网络信息请求消息，待RNRM1收到网络信息响应后，结合MT运动信息，确定候选网络集合(WiMAX+WLAN)，完成网络发现过程。

(3)切换准备阶段：在确定候选网络集合后，需要进行切换准备操作，其中包括检测网络可用性、确定目标网络、预留网络资源和确定触发时间等过程。

首先，RNRM1对候选网络进行检测网络可用性。RNRM1向MT发送所需QoS信息请求消息，获取终端所要求的QoS约束条件，同时向各个候选网络发送QoS保障能力信息请求消息，获取各个网络所支持的QoS信息；

其次，RNRM1根据终端和各候选网络发回的响应消息，检测各个候选网络是否能够保证用户的QoS需求，RNRM1根据检测结果，结合用户喜好、安全性、功率损耗等参数确定目标网络(此处为WLAN)。

然后，RNRM1向终端发送目标网络相关信息，移动终端周期性地监测目标网络WLAN和当前网络WiMAX的信号强度，根据专利《基于自回归模型预测的用户切换触发时间选择方法》中所提出的切换触发时间选择方法，确定最佳切换触发时间。同时，RNRM1向目标网络WLAN的管理者NRM2和RNRM2发送资源预留请求。RNRM2收到该请求消息后，采用合适的资源预留方案，在WLAN网络中为该MT预留一定的网络资源，同时设定资源预留时间，避免因切换MT长时间未接入目标网络而造成资源的浪费；随后经过相反的路径，将资源预留响应发回给RNRM1。

(4)切换执行阶段：触发切换后，TRM命令终端重构控制器TRC进行终端重构，TRC完成终端的重构后，向TRM发回重构确认消息。然后，MT开始与目标网络WLAN建立新的链接，即向RNRM2发送新链路建立请求。RNRM2收到该请求后，通知无线接入网重构控制器RRC2进行WLAN基站的重构，并将重构确认消息返回给RNRM2。随后，RNRM2告知MT新链路建立成功。移动终端与WLAN基站建立好新链路后，就可以进行数据传输。最后，新链路稳定后，TRM请求RNRM1断开MT与WiMAX网络的旧链接。RNRM1收到该消息后，告知RRC1进行WiMAX基站重构，释放原来链路资源，并将断开链路资源响应反馈给MT。至此完成了整个切换过程。

以下对本发明的技术效果做进一步详细描述：

(1)仿真的系统参数

为了验证本发明切换性能，仿真的用户移动环境主要包括WLAN网络和WiMAX网络，其中各个网络所采用的信道模型及相关参数如下：

WiMAX网络信道传输采用Cost231-Hata模型，其模型如下所示：

L(dB)＝46.3+33.9lgf_c-13.82lgh_b-α(h_m)+(44.9-6.55lgh_b)lgd+K       <1>

其中：f_c为载波频率(MHz)，h_b为基站发射天线高度(m)，h_m为移动终端天线高度(m)，α(h_m)＝3.2[lg11.75h_m]²-4.97为市区天线校正因子(dB)，d为基站与移动终端之间的距离(km)，K为地域修正因子(dB)，仿真场景中所采用的具体参数如表1中所示。

表1WiMAX网络信道传输模型参数设置

WLAN网络采用Fritz路径损耗模型，其模型如下所示：

$\frac{P_r\left(d\right)}{P_r\left(d_0\right)}{|}_{\mathrm{dB}}=-10\mathrm{\&beta;}{\log }_{10}\left(\frac{d}{d_0}\right)---<2>$

$P_r\left(d_0\right)=\frac{p_t*G_t*G_r*{\mathrm{\&lambda;}}^2}{{\left(4\mathrm{\&pi;}\right)}^2*{d_0}^2*L}---<3>$

其中：d为基站与移动终端之间的距离(m)，d₀为近地参考距离(m)，P_r(d)为距基站距离d处的接收信号强度，P_r(d₀)为近地参考距离d₀处的接收信号强度，P_t为基站发射功率，G_t为基站天线增益，G_r为接收天线增益，λ为信号波长，L为系统损耗因子，仿真场景中所采用的具体参数如表2中所示。

表2WLAN网络信道传输模型参数设置

(2)仿真过程与结果

首先，假设用户以2m/s的速度在如图4所示网络环境中沿着图中所示的运动轨迹匀速移动。在整个过程中，假设各个基站下的用户采用相同的业务，本发明中采用各个网络中当前的接入用户数和网络最大接入用户数的比值衡量各个网络的负载情况。图5为用户在移动过程中，各个网络的信号强度随时间变化的曲线。图中直线a表示用户链路质量即将下降门限，当网络信号强度低于该门限，并且网络信号持续下降时，则表示需要为用户准备切换资源。直线b是表示用户链路下降门限，当网络信号强度低于该门限，并且用户接收信号强度呈下降趋势时，表示用户业务受到严重影响，甚至发生服务中断。

其次，衡量采用提前准备切换资源的方法对切换耗时性能的影响。分别采用传统的切换协议流程和本发明的切换协议流程，进行多次用户移动性的仿真试验，衡量用户在切换过程中的平均耗时，得到如图6和图7所示结果。从图6和图7可以看出，采用本发明的切换协议流程，切换过程中的时延明显缩短。这是由于本发明充分利用了移动终端和网络的认知信息，提前准备切换资源，将无线接入网向终端侧和网络侧同时发送信息的过程从串行执行改为并行执行，缩短了切换时延。

最后，衡量在切换协议流程中采用资源预留的方法对切换成功率性能的影响。分别采用传统的切换协议流程和本发明的切换协议流程，进行多次用户移动性的仿真试验，衡量MT在切换过程中的切换接入成功概率，得到如图8所示结果。从图8可以看出，采用本发明的切换协议流程，使得MT的切换成功率明显提高。这是由于本发明在MT接入目标切换网络前，提前为MT在目标网络中预留所需资源，保证MT在接入目标网络时有足够的资源可用，从而提高了切换接入成功概率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，本发明通过对认知资源管理架构中认知功能管理实体的合理使用，合理安排调度切换各阶段的相关操作，实现切换的性能优化，认知功能管理架构与主流制式网络采用了相同的分层分布式设计思想，因而所提及的各认知功能管理实体可以很好地融入主流制式网络当中，从而使本发明的快速切换协议流程可以很好地执行，实现系统性能的提升。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种异构无线网络快速切换协议流程，包括网络监测阶段、切换初始化阶段、切换准备阶段、切换执行阶段：

其中所述网络监测阶段，具体为：

步骤1)当前网络的无线接入网信息搜集器RMC和终端信息搜集器TMC周期性地感知各自的周围环境，并将周围环境信息提供给相关信息处理模块，移动终端MT周期性地通过无线使能器RE将其状态信息与周围环境信息发送到当前网络的无线接入网重构管理器RNRM；

步骤2)当前网络的无线接入网重构管理器RNRM根据移动终端MT上报的信息，预测移动终端MT的运动轨迹，当发现移动终端MT需要发起切换以维持业务连续性时，进入切换初始化阶段；

所述切换初始化阶段，具体为：

步骤3)当前网络的无线接入网重构管理器RNRM向其上级的网络重构管理器NRM请求周围网络信息，结合预测的移动终端MT运动信息与网络拓扑信息，确定候选网络集合；

所述切换准备阶段，具体为：

步骤4)根据候选网络集合，当前网络的无线接入网重构管理器RNRM向终端重构管理器TRM和其上级的网络重构管理器NRM分别发送QoS需求信息请求和QoS保障能力信息请求，而后根据响应信息进行网络可用性预测，最终确定目标网络；

所述切换执行阶段，具体为：

步骤5)当前网络的无线接入网重构管理器RNRM向移动终端MT发送目标网络的相关信息，同时向目标网络所在域的网络重构管理器NRM发送资源预留请求，目标网络在收到资源预留请求后采用相应机制预留资源，移动终端MT在收到目标网络选择结果后，周期性地监测当前和目标网络的信号质量，确定最佳切换触发时间；

步骤6)终端重构控制器TRC和无线接入网重构控制器RRC分别控制移动终端MT和网络重构，移动终端MT首先与目标网络建立新链接，随后与原来网络断开链接；

其特征在于，所述切换准备阶段步骤4)中QoS需求信息请求和QoS保障能力信息请求采用并行执行的方式通过不同的接口同时发送，步骤5)中的资源预留操作从切换执行阶段提前到切换准备阶段执行。