CN1794681A - 基于定位信息的在3g网络和wifi网络间的切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种在3G网络和WIFI网络间的切换方法，基于网络和终端共同提供的周期测量的位置信息，并利用由此而来的移动台速度、方向角度信息，将蜂窝网络和WIFI网络之间的切换区分为不同类型，进行切换判决，可以提高异构网络间切换的效率，减小不必要的切换次数(乒乓效应)、切换失败概率、呼叫阻塞概率，并减少信令负载以及缩短切换时间。

Description

基于定位信息的在3G网络和WIFI网络间的切换方法

技术领域：

本发明涉及通信技术的切换方法，特别是一种基于定位信息的在3G网络和WIFI网络间的切换方法。

背景技术：

各种异构网络的互联互通是未来通信网络的主要特征，以GPRS以及3G为基础的移动通信网络，能够提供大规模的网络覆盖，而WIFI无线局域网作为一种高速无线网络正在一些热点地区得到越来越多的应用。移动终端在移动过程中往往同时检测到多种类型无线网络覆盖，选择哪一个归属网络，以及何时进行切换非常重要。要提高切换的速度，减小切换的时延，但是如果不能保证切换的目标以及时机是最佳的，即使有较低的切换时延，同样会产生较多的切换次数等，造成巨大的无线资源浪费和信令开销。因此，如何能够保证移动终端准确的选择切换的目标和时间具有举足轻重的作用。

现有各种切换方式和算法主要解决两个问题，一个是切换判决问题，另一个是资源分配问题，但是目前研究主要还是集中在同种网络之间的切换策略和算法。

1、切换判决问题方法：

(1)有门限的相对信号强度—在此方式中，当服务基站的平均信号强度降低到某门限以下，并且接近基站的平均信号强度大于它，就开始进行切换。在此方法中需要恰当地选择门限。理想情况下，在两个基站的中点从两个基站接收的信号强度相等。如果选择的门限值高于此信号强度，就会出现类似相对信号强度的效果。如果选择的门限值低于此信号强度，移动设备将推迟切换，直到服务基站的信号强度经过此门限值。如果选择的门限值远低于此信号强度，切换延时将很高。这将降低通信链路的质量并导致呼叫中断。

(2)有滞后的相对信号强度—在此方式中，只有新基站的信号强度比服务基站的信号强度高出一个滞后范围时才开始进行切换。它预防了乒乓效应，但当服务基站的信号强度足够强时，它也产生不必要的切换。

(3)有滞后和门限的相对信号强度—在此方式中，只有服务基站的信号强度降低到门限以下，并且新基站的信号强度比它高出一个滞后范围时才开始进行切换。当服务基站的信号强度能够提供所需的质量要求时，使用此方式可以进一步降低不必要的切换。

(4)位置辅助的切换算法—理想的切换是根据移动设备的位置在蜂窝边界进行切换，但由于慢衰落和快衰落使接收的信号电平产生波动，很难实现精确的切换。信号的波动可能使切换过早或过晚，这将产生不必要的切换或使切换强迫中断。预先知道一些移动设备的实际位置，将帮助进行更精确的切换。可以使用多种方法估计移动设备与BSS间的距离。一般假设距离信息的精度是变化的，是一个静态随机变量。位置辅助的切换算法降低了平均切换次数，改善了切换性能。而位置辅助的多值逻辑切换算法可以自适应地响应接收信号强度、移动设备位置和时间的连续变化，并进行调节，改善切换性能。

(5)方向偏置切换算法—方向偏置切换算法也需要移动用户理想的方向信息，它鼓励切换到用户正在接近的基站，而阻止切换到用户正在远离的基站。

(6)基于Bayes准则最小化的切换判决—此切换判决方式使用检测估计技术中通用的Bayes准则，在切换判决前进行一个额外的步骤，实时计算与MS和BS之间距离进行比较的两个门限。这些门限对使两个互相冲突的准则最小、并在它们之间进行最好的折衷是最优的。两个冲突的准则是不必要切换数和呼叫损失数。

资源分配问题方法可分为：无优先级方式、预留信道方式、优先级方式及信道借用方式等。

针对现有技术中各方法存在的种种问题和不足，需要提出一种简单有效地在3G网络和WIFI网络间的切换方法，以实现真正的无缝切换。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是提出一种在3G网络和WIFI网络间的切换方法，基于网络和终端共同提供的周期测量的位置信息，并利用由此而来的移动台速度、方向角度信息，将蜂窝网络和WIFI网络之间的切换区分为不同类型，进行切换判决，可以提高异构网络间切换的效率，减小不必要的切换次数(乒乓效应)、切换失败概率、呼叫阻塞概率，并减少信令负载以及缩短切换时间。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

本发明提供一种在3G网络和WIFI网络间的切换方法，该方法是基于网络和终端共同提供的周期测量的位置信息实现的，包括如下步骤：

采用紧耦合的方法将3G网络和WIFI网络融合；

从系统定位信息中提取参数，随着每次定位测量信息而更新，存储于定位服务信息数据库中；

根据不同的切换场景区分切换类型；

设定和判决临界距离、出界距离；

执行切换。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

以精确的定位信息为依据，可以作很好的资源预留，(如在移动台从WIFI网络进入蜂窝网络时，可以根据临界位置信息在蜂窝网中预留信道以切换，提高切换成功率)。而且系统只在临界位置后触发切换判决流程，获取RSS等相关辅助信息，避免了以往方法中须一直利用RSS进行判决的弊端，简化了不必要的RSS比较。

克服RSS信息在快衰落情况下的变化抖动，以及NLOS情况(非视距情况)及角落效应时，信号传播受多径干扰严重而导致的突然恶化，从而对切换正确性、准确性的极大误判，此问题在城区范围中尤为严重。

根据网络的行为特性，可以采用多种模式的切换策略。如果移动台从蜂窝网切换到WIFI网络，为了尽快获得更高的带宽和性价比，采取信号强度达到一定要求即切换的快速切换策略；如果移动台从蜂窝网只是快速穿越WIFI网络，此时根据移动台在其中停留时间，可以采取不切换的策略以减少不必要的切换次数，并减少了网络信令负载；如果移动台从WIFI网络切换至3G蜂窝网络，采取设定迟滞值的方法，当蜂窝网络信号强度足够强时再进行切换，以提高移动台高带宽的服务时间，并限制了乒乓效应。

以往的限制乒乓效应的方法往往是采用在某次切换后加入定时器，从而限制移动台在一定时间方位内切换回原小区，此方法可能在一定程度上引起调话，因为移动台可能真实的返回原小区。本方法采用在切换前设定迟滞时间值，预防乒乓效应，可以得到更好的效果。

本方法能取得比现有技术更好的切换阻塞率、调话率、切换延时特性，有效的减少不必要的切换次数。更为关键的是，此方法是一个能同样适用于同构网络和异构网络的切换方法，对于未来的通信网络，提供了一个很好的解决方法。

附图说明：

图1是本发明3G网络和WIFI网络融合的结构示意图。

其中

MS：移动台              Mobile Station

AP：接入点              Access Point

RAN：无线接入网络       Radio Access Network

SGSN：GPRS服务支持节点  Serving GPRS Support Node

GGSN：GPRS网关支持节点 Gateway GPRS Support Node

HLR：归属位置寄存器    Home Location Register

图2是本发明不同切换类型的示意图。

图3是本发明异构网络中的临界距离和出界距离的示意图。

图4是本发明同构网络中的临界距离和出界距离的示意图。

图5是本发明切换和判决的流程图。

具体实施方式：

第三代移动通信系统和WIFI网络将能够为终端和基站(接入点)提供精确的位置信息。本发明提出的方法是基于定位信息的3G网络和WIFI网络间垂直切换，能充分利用终端和基站(接入点)的位置信息进行切换判决，可以提高异构网络间切换的效率，减小不必要的切换次数(乒乓效应)、切换失败概率、呼叫阻塞概率，并减少信令负载以及缩短切换时间。

本发明基于网络和终端共同提供的周期测量的位置信息，并利用由此而来的移动台速度、方向角度信息，将蜂窝网络和WIFI网络之间的切换区分为不同类型，在此基础上应用不同的切换策略进行3G网络和WIFI网络间的垂直切换。

本发明所提供的方法包括如下几个方面：

1、3G网络和WIFI网络融合方法

在本发明中采用紧耦合的方法，WIFI网络和3G无线接入网一样，通过Gb接口直接接入3G核心网络CN，WIFI网络的数据要到达外部数据网之前要经过CN。如图1所示，紧耦合方法中的WIFI网络的接入控制器通过Gb接口与SGSN相连，接入控制器为WIFI连入蜂窝核心网络提供了标准接口，对SGSN屏蔽了WIFI的特性，使得SGSN把WIFI看作是一个独立的基站子系统。WIFI和3G网络仅在无线接入部分存在差异，相互独立。(1)彼此可以实现无缝的服务连接，在两网覆盖范围之间移动时用户能够保持其数据会话的连续性(要求是双模终端)，并能提供相同的QoS保证；(2)可以直接利用3G蜂窝网络的AAA(authentication，authorization，accounting鉴权、认证和计费)体系；(3)还可以直接利用GPRS的核心网络资源、用户数据库等系统。

2、用户移动模型

从系统定位信息中提取以下参数：位置坐标、移动台速度、移动方向角。

位置坐标记录：

时间	T1	T2	T3	T4	T5
						位置	L1＝(X1，Y1)	L2＝(X2，Y2)	L3＝(X3，Y3)	L4＝(X4，Y4)	L5＝(X5，Y5)

移动台速度平均估计值： $v=\frac{\stackrel{\‾}{L_4}-\stackrel{\‾}{L_2}}{2}$

其中： $\stackrel{\‾}{L_2}=\{L_1+L_2+L_3\}/3;\stackrel{\‾}{L_4}=\{L_3+L_4+L_5\}/3$

移动方向角估计： $\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\left(\frac{Y_2-Y_1}{X_2-X_1}\right)$

这些信息随着每次定位测量信息而更新，存储于定位服务信息数据库中。

3、区分切换类型

当在两种异构网络中进行切换处理时，将产生很大的核心网络数据负担和相应的信令负载增加，因此有必要根据实际情况减少不必要的切换，如果高速移动的终端穿越小范围覆盖的WIFI网络，可根据不同的切换场景采取不同的切换策略，区分切换类型十分必要。

如图2所示，在WIFI热点覆盖区域和3G蜂窝网络大范围覆盖的情况下，移动台可能处于以下几种情况：

(1)移动台从3G网络进入到某一WIFI网络；简称为“进入”方式；

(2)移动台退出WIFI网络，切换到3G网络；简称为“退出”方式；

(3)移动台从3G网络穿越WIFI网络并回到原3G网络；简称为“穿越”方式。

区分方式：

区分(1)(3)状态可直接从移动台当前所属的网络属性中判断。

而区分(2)状态可以为移动台设定一时间阈值σ，若移动台在WIFI网络中的预期停留时间小于σ，则不进行切换，移动台始终处于3G网络中。若大于，则可视为情况(1)进行切换后续处理。

σ值的设定可由移动台速度、方向角及WIFI网络覆盖区域的大小决定：

单接入点(AP)覆盖情况可直接由小区半径r获得移动台在网络中的最大停留时间 $t=\frac{2r\cos \mathrm{\θ}}{v_{\max }},$ 多接入点(AP)覆盖情况可由整体覆盖区域半径大小R相应获得。

在同构网络中，即3G蜂窝网络间或WIFI网络间，无须执行此区分。

4、临界距离、出界距离设定及判决

首先设定执行切换流程所需的距离阈值，也就是在一次切换过程中移动台的最大移动距离，此值是一个与移动台速度、角度相关的可变值。

如图3所示，在异构网络中：最大移动距离D＝d_max＝v_maxt_HO，t_HO＝t_WIFI+t_c+t_n，t_HO表示整个切换时间，t_WIFI表示WIFI网络切换处理时间，t_c表示接入控制器处理延时，t_n表示其它附加网络延时。速度v值可根据实时的位置信息进行估计获得。

再根据WIFI网络的覆盖区域，确定此-D：D区域分别为判决的临界距离、出界距离。

如图4所示，在同构网络中，以3G网络为例，WIFI类似：

最大移动距离d_max＝v_maxt_HO，t_HO＝t_3G+t_c+t_n，t_HO表示整个切换时间，t_3G表示3G网络切换处理时间，t_c表示接入控制器处理延时，t_n表示其它附加网络延时。速度v值可根据实时的位置信息进行估计获得。

再根据3G网络的覆盖区域，确定两相邻网络的边界r。最终选择-D:D区域分别为判决的临界距离、出界距离，D＝min{d_max，r^cosα}，其中r^cosα＞d_max

5、切换流程图及判决策略方法

下面以“进入”方式为例，说明具体切换判决流程

(1)获取定位信息：定位信息测量报告以τ时间间隔更新，并存储于定位服务数据库中；从数据库中读取的距离信息(即移动台与原基站距离及与将要加入的WIFI网络AP之间距离)。

(2)临界距离判决：进行临界距离判决及潜在的切换类型识别，判断移动台是否已进入切换判决区域。切换类型识别：根据前述方法，利用移动台速度、角度及WIFI小区覆盖大小信息进行识别归类。如果是，执行下一步(3)；如果不满足，回到上一步继续监测。

(3)RSS信息：分别获取原服务基站及新加入AP的接收信号强度RSS(Received Signal Strength)值。

(4)RSS差值判决：进行接收信号强度差值判决，即判断Rx_AP-Rx_c＞ε是否成立，Rx_AP表示从新的AP接入点接收到的信号强度，Rx_c表示从原蜂窝网络接收到的信号强度。如果成立，执行下一步；如果不满足，执行出界距离判决分支。

(5)出界距离判决：判断移动台是否已越过切换判决区域，完全进入WIFI网络覆盖区。如果是，直接执行切换；如果不满足，回到(3)。

(6)迟滞时间判决：对于“进入”模式，无须执行此模块，直接跳转下一步。对于“退出”模式，由计时器T进行计时，判断(4)中条件Rx_AP-Rx_c＞ε成立的时间是否大于设定值δ。δ值设置过小可能产生不必要的切换，产生乒乓效应；设置过大可能使得切换不及时导致链路中断，产生掉话或者数据包丢失；因此须根据实际情况在此两者之间作一个折中。

(7)执行切换：在同构网络中，只需修改相应的临界距离阈值即可。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

以精确的定位信息为依据，可以作很好的资源预留，(如在移动台从WIFI网络进入蜂窝网络时，可以根据临界位置信息在蜂窝网中预留信道以切换，提高切换成功率)。而且系统只在临界位置后触发切换判决流程，获取RSS等相关辅助信息，避免了以往方法中须一直利用RSS进行判决的弊端，简化了不必要的RSS比较。

克服RSS信息在快衰落情况下的变化抖动，以及NLOS情况(非视距情况)及角落效应时，信号传播受多径干扰严重而导致的突然恶化，从而对切换正确性、准确性的极大误判，此问题在城区范围中尤为严重。

根据网络的行为特性，可以采用多种模式的切换策略。如果移动台从蜂窝网切换到WIFI网络，为了尽快获得更高的带宽和性价比，采取信号强度达到一定要求即切换的快速切换策略；如果移动台从蜂窝网只是快速穿越WIFI网络，此时根据移动台在其中停留时间，可以采取不切换的策略以减少不必要的切换次数，并减少了网络信令负载；如果移动台从WIFI网络切换至3G蜂窝网络，采取设定迟滞值的方法，当蜂窝网络信号强度足够强时再进行切换，以提高移动台高带宽的服务时间，并限制了乒乓效应。

以往的限制乒乓效应的方法往往是采用在某次切换后加入定时器，从而限制移动台在一定时间方位内切换回原小区，此方法可能在一定程度上引起调话，因为移动台可能真实的返回原小区。本方法采用在切换前设定迟滞时间值，预防乒乓效应，可以得到更好的效果。

本方法能取得比现有技术更好的切换阻塞率、调话率、切换延时特性，有效的减少不必要的切换次数。更为关键的是，此方法是一个能同样适用于同构网络和异构网络的切换方法，对于未来的通信网络，提供了一个很好的解决方法。

综上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (9)

1、一种在3G网络和WIFI网络间的切换方法，该方法是基于网络和终端共同提供的周期测量的位置信息实现的，其特征在于：包括如下步骤：

采用紧耦合的方法将3G网络和WIFI网络融合；

从系统定位信息中提取参数，随着每次定位测量信息而更新，存储于定位服务信息数据库中；

根据不同的切换场景区分切换类型；

设定和判决临界距离、出界距离；

执行切换。

2、根据权利要求1所述的一种在3G网络和WIFI网络间的切换方法，其特征在于：所述紧耦合方法对于WIFI网络和3G无线接入网都是通过Gb接口直接接入3G核心网络CN，WIFI网络的数据要到达外部数据网之前要经过CN，WIFI网络的接入控制器通过Gb接口与SGSN相连，接入控制器为WIFI连入蜂窝核心网络提供了标准接口，对SGSN屏蔽了WIFI的特性，使得SGSN把WIFI看作是一个独立的基站子系统，WIFI和3G网络仅在无线接入部分存在差异，相互独立。

3、根据权利要求1所述的一种在3G网络和WIFI网络间的切换方法，其特征在于：所述参数包括位置坐标、移动台速度、移动方向角。

4、根据权利要求1所述的一种在3G网络和WIFI网络间的切换方法，其特征在于：在WIFI热点覆盖区域和3G蜂窝网络大范围覆盖的情况下，当移动台从3G网络进入到某一WIFI网络或者移动台从3G网络穿越WIFI网络并回到原3G网络时，可直接从移动台当前所属的网络属性中判断，当移动台退出WIFI网络，切换到3G网络时，可以为移动台设定一时间阈值σ，若移动台在WIFI网络中的预期停留时间小于σ，则不进行切换，移动台始终处于3G网络中，若大于，则可视为移动台从3G网络进入到某一WIFI网络从而进行切换后续处理。

5、根据权利要求1或4所述的一种在3G网络和WIFI网络间的切换方法，其特征在于：当移动台退出WIFI网络，切换到3G网络时，可以为移动台设定一时间阈值σ，σ值的设定可由移动台速度、方向角及WIFI网络覆盖区域的大小决定：单接入点(AP)覆盖情况可直接由小区半径r获得移动台在网络中的最大停留时间 $t=\frac{2r\cos \mathrm{\θ}}{v_{\max }},$ 多接入点(AP)覆盖情况可由整体覆盖区域半径大小R相应获得。

6、根据权利要求1所述的一种在3G网络和WIFI网络间的切换方法，其特征在于：首先设定执行切换流程所需的距离阈值，也就是在一次切换过程中移动台的最大移动距离，此值是一个与移动台速度、角度相关的可变值，在异构网络中：最大移动距离D＝d_max＝v_maxt_HO，t_HO＝t_WIFI+t_c+t_n，t_HO表示整个切换时间，t_WIFI表示WIFI网络切换处理时间，t_c表示接入控制器处理延时，t_n表示其它附加网络延时，速度v值可根据实时的位置信息进行估计获得，再根据WIFI网络的覆盖区域，确定此-D：D区域分别为判决的临界距离、出界距离。

7、根据权利要求1或6所述的一种在3G网络和WIFI网络间的切换方法，其特征在于：在同构网络中，最大移动距离d_max＝v_maxt_HO，t_HO＝t_3G+t_c+t_n，t_HO表示整个切换时间，t_3G表示3G网络切换处理时间，t_c表示接入控制器处理延时，t_n表示其它附加网络延时，速度v值可根据实时的位置信息进行估计获得，再根据3G网络的覆盖区域，确定两相邻网络的边界r，最终选择-D：D区域分别为判决的临界距离、出界距离，D＝min{d_max，r^cosα}，其中r^cosα＞d_max。

8、根据权利要求1所述的一种在3G网络和WIFI网络间的切换方法，其特征在于：当移动台从3G网络进入到某一WIFI网络时，包括如下步骤：

获取定位信息；

临界距离判决；

RSS信息；

RSS差值判决；

出界距离判决；

迟滞时间判决；

执行切换。

9、根据权利要求1或8所述的一种在3G网络和WIFI网络间的切换方法，其特征在于：当移动台从3G网络进入到某一WIFI网络时，包括如下步骤：

(1)获取定位信息：定位信息测量报告以τ时间间隔更新，并存储于定位服务数据库中，从数据库中读取的距离信息，即移动台与原基站距离及与将要加入的WIFI网络AP之间距离；

(2)临界距离判决：进行临界距离判决及潜在的切换类型识别，判断移动台是否已进入切换判决区域，可利用移动台速度、角度及WIFI小区覆盖大小信息进行识别归类，如果是，执行下一步，如果不满足，回到上一步继续监测；

(3)RSS信息：分别获取原服务基站及新加入AP的接收信号强度RSS值；

(4)RSS差值判决：进行接收信号强度差值判决，即判断Rx_AP-Rx_c＞ε是否成立，Rx_AP表示从新的AP接入点接收到的信号强度，Rx_c表示从原蜂窝网络接收到的信号强度，如果成立，执行下一步，如果不满足，执行出界距离判决分支；

(5)出界距离判决：判断移动台是否已越过切换判决区域，完全进入WIFI网络覆盖区，如果是，直接执行切换，如果不满足，回到(3)；

(6)迟滞时间判决：对于“进入”模式，无须执行此模块，直接跳转下一步，对于“退出”模式，由计时器T进行计时，判断(4)中条件Rx_AP-Rx_c＞ε成立的时间是否大于设定值δ，δ值设置过小可能产生不必要的切换，产生乒乓效应，设置过大可能使得切换不及时导致链路中断，产生掉话或者数据包丢失，因此须根据实际情况在此两者之间作一个折中；

(7)执行切换：在同构网络中，只需修改相应的临界距离阈值即可。