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1、前言随着通信技术、计算机技术、集成电路的进步，以及人类对信息通信需要求的扩张，用户对移动性的而垂直切换又作为无线异构网的基要求越来越高，大量的PC机、笔记本、PAD、智能手机、传感器等各类终端，提出了包括目前的移动电话到移动上网、移动商务、移动计算等一系列新需求。未来的信息通信社会中，移动性的目标就是要实现“5W”通信 ，即任何时候、任何地方、与任何人 以及相关的物进行任何形式的通信。为了 适应不同的需求，各具特色的无线接入网络技术层出不穷，包括无线个域网、无线局域网、无线城域网、无线广域网、卫星网络，以及Ad Hoc网络、无线传感器网络等无线基础设施网络。在这些应用背景、目标、发展方向、系统
2、结构覆盖范围、通信协议、链路特性、应用场景和业务提供能力等方面各不同的异构接入网络，以及未来可能应新的需求产生的各种新型接入网络技术，共同为用户提供广泛在的接入网络环境。用户可以通过多模终端、或通过基于软件无线电技术的共享MAC层协议实现跨频接入、或通过多个终端构成个域网的技术，实现多种渠道的信息传递和通信。为了满足用户的移动性需求，向用户提供跨泛在、异构网络的无缝业务，支持用户跨泛在、异构网络的无缝漫游和切换，支持泛在、异构的移动性管理技术成为未来基于全IP架构的泛在网络中必须解决的问题。 移动性管理技术最初源自蜂窝移动通信网络。在技术演进过程中，未来的移动性管理技术所涉及的研究背景扩展至各
3、种无线接入技术在内的泛在、异构网络环境。同时，业务、网络、终端之间的关系也经历了从独立到融合再到协同的发展过程。这些研究背景的变迁也给移动性管理技术带来了全新的挑战。 切换历来是移动性管理中的关键技术之一，跨越异构接入网络的垂直切换更是未来泛在网络移动性管理中的研究重点，用于保证用户跨越异构网络移动时的会话连续性。在未来泛在、异构的网络环境中，切换种类也由于网络的异构性、应用场景的多样性而变得丰富多彩，并且具有了一些新的特征，例如，允许用户根据个人偏好或QoS的考虑主动发起切换，切换中允许用户参与控制等。本文用三章对无线异构网中的垂直切换技术中的切换规则进行了阐述，第一章主要介绍无线异构网，对
4、无线异构网进行了综述，并提出现在遇到的一些问题，最后对未来无线异构网的发展进行了阐述；第二章介绍移动性管理技术，明确垂直切换技术在其中的地位和作用；第三章介绍无线异构网中的垂直切换技术以及垂直切换的最优算法。第一章 无线异构网1.1无线异构网的简介 随着人类社会和经济的不断发展，信息交换和传输已经成为人们生活中与衣食住行一样必不可少的部分。为了实现此目的，无线通信技术在近20年内呈现出异常繁荣的景象，也带来了多种类型无线通信网络的发展和共存，这些无线通信网被统一称为无线异构网络（wireless heterogeneous network）。 目前已经有不少于25种的无线异构网络投入商用，为人
5、民提供无线通信服务，其中包括GSM、RPRS、EDGE、WMTS、CDMA2000、HSDPA、IEEE802.11a/b/g/n、WIMAX、DECT蓝牙、RFID、UWB、T-DMB、DVB-T、DVB-H以及其他技术等。此外，还有层出不穷的无线通信系统即将或在不远的未来进入商用，如802.20/802.16M、wirelessHD、LTE、4G和无线传感网络等。各种无线异构网络的发展如图1所示，这些无线异构网络面向不同的应用场景和目标用户，在全球不同地区和国家有着广泛的市场应用，尤其是GSM/GPRS/EDGE/UMTS/CDMA2000/PHS/WLAN和WIMAX等无线网络，已经给全
6、球的电信用户带来了丰富多彩的通信体验。但是由于这些网络各自的技术特点，他们从底层的接入方式到高层的资源管理与控制等技术都不尽相同，彼此互不兼容，给用户和电信运营商带来了很多烦恼：用户要写到适用于不同网络的终端，正在进行的业务不能在不同的网络间保持连续；运营商们则要为如何整合网络资源、降低运营成本和提高客户满意度大伤脑筋。1.2 无线异构网面临的问题与挑战 针对不同的无线频段特性、迥异的组网接入技术和多样的业务需求，不同无线技术所使用的空中接口设计及相关协议在实现方式上具有差异性和不可兼容性。这也使得目前各种无线异构网络和通信系统面临一系列的问题与挑战，主要体现在频道资源、组网接入技术、业务需求
7、、移动终端和运营管理等方面。 以上几个方面交叉联系、相互影响，构成了无线网络的异构性，也对网络的稳定性、可靠性和高效性带来了挑战，这种异构性带来的移动性管理技术、端到端的QoS保证、和安全性能是为了无线通信系统亟需解决的问题。1.2.1 移动性管理技术 移动性管理技术，尤其是切换技术，是实现异构网融合的关键技术之一。过去对切换管理技术的研究多集中在单一通信系统内，从用户的主角出发，主要保证语音业务和低速率业务的延续性和可靠性。在异构网络环境下，还需要从网络的角度重新设计切换管理方案，以实现网络之间和网络资源以满足用户对多业务的需求。因此，如何设计出高灵活性、低复杂度的网络结构和综合考虑多种异构
8、网络参数的切换算是当前研究的重点和难点。1.2.2 端到端的QoS保证 由于异构网络的融合是完全基于IP的，因此对于任意具有IP互联能力的通话终端，端到端的呼叫不仅会跨越不同所有者的网络，采用不同接入技术，而且不同网络的QoS支持能力与QoS控制策略可能在呼叫发起之前获知。因此，在异构移动网络中提供完善的端到端QoS保证首先需要提供基于IP的QoS协商与联合资源分配机制，另外，不同网络的QoS信息应该能够在同一体系中被表示与计算。可以引入跨层的反馈交互机制，最终实现自适应的端到端QoS保证。 异构环境下具备QoS保证的关键技术研究，无论是优化异构网络的资源，还是对接入网络之间协议同工作方式的设
9、计，都是非常重要的，已成为异构网络融合的重要研究内容。目前的研究主要集中在呼叫接入控制、垂直切换、异构资源分配和网络选择等资源管理算法方面。 传统移动通信网络的资源管理算法已经被广泛地研究并取得了丰硕的成功，但是在异构网络融合系统中的资源管理由于网络的异构性、用户的移动性、资源和用户需求的多样性和不确定性，给该课题的研究带来了极大地挑战。1.2.3 安全问题 同所有的网络一样，安全问题同样式无线异构网络发展过程中所必须关注的一个重要问题。异构网络融合了各自网络的优点，也必然将相应缺点带进融合网络中。异构网络除存在原有各自网络所固有的安全需求外，还将面临一系列新的安全问题，如网间安全和安全协议的
10、无缝衔接，以及提供多样化的新业务所带来的新的安全需求等。1.3 无线异构网之间的协作 未来的移动通信将为用户提供多层次的服务，具备如下特征：是一个开放的系统，不但网络运营商和服务商可为用户提供服务，终端用户也可为其他用户提供服务；网络运营商们可以通过协商实现频谱资源的动态分配，提高频谱的利用率；用户可以无缝的漫游与多运营商和多种无线及接入的环境中，以最优的价格，获得满意的服务；服务商将得益于用户群的扩大，在提供需求服务的同时，获得大的收益。 目前无线通信的形式种类繁多，各具特点，但却没有一种单一的无线通信方式能够为用户提供一个高带宽、广地理覆盖以及综合了语音、数据和 多媒体业务的综合网络。因此
11、，未来的通信网络必然是一个异构型的体系结构，各种无线接入网通过多种不同的接入技术接入到基于全IP化的公共核心网。 异构网络的融合可极大地提升单个网络的性能，在支持传统业务的同时也为引入新的服务创造了条件，这种技术已经成为支持异构互连和协调应用的新一代无线移动网络的热点技术。1.3.1 3G与WLAN的融合 3G网络采用宏区、微区和微微区的分层结构，每个区又采用多载频技术。微区和微微区的基站采用小区扇形极化和多输入技术，可以在较小覆盖区内提供额外信道容量，解决用户高速率视频流业务的增长。3G通用移动通信系统的3GPP组织启动3GPP/WLAN交互结构作为3GPP的附加标准，给3GPP用户提供公众
12、无线局域网接入业务。WLAN采用小区扇形极化和MIMO技术，可在室内50米或室外100米半径覆盖区内提供额外信道容量，WLAN的主要优点是配置低，无线接入成本仅占3G基站的很小一部分，有力地促进了无线接入市场的发展。 3G/WLAN双模终端可提供无处不在、带宽可变、可保证QoS的多种高速率业务。3G网络和WLAN的主要区别是终端在移动条件下，3G终端可广泛地进行配置，而WLAN终端的配置受位置和移动速度的影响。对于电信运营商来说，WLAN的定位主要是作为高速有线接入技术的补充，逐渐也成为蜂窝移动通信的补充。同时，WLAN与蜂窝移动通信也存在少量的竞争。一方面，用于WLAN的IP话音终端已经进入
13、市场，这对蜂窝移动通信有一部分替代作用。另一方面，随着蜂窝蜂窝移动通信部分取代。但总体来说，二者是共存的关系，就目前而言，3G网络提供语音业务，而WLAN主要提供数据业务，二者具有一定的互补性。目前欧洲电信标准化组织和其它一些标准化组织已经对蜂窝通信网络与WLAN的融合进行了相应的研究。例如WLAN的标准化组织联立了联合无线互通工作组来处理蜂窝通信网络与WLAN的互通机制。大量的标准化活动由3GPP来实现，旨在促进蜂窝通信网络与WLAN技术互通的标准化进展。1.3.2 TD-SCDMA 与WIMAX（全球微波互连技术）的融合 TD-SCDMA是具有中国自主知识产权的3G技术，有巨大的国内市场为
14、支持，拥有较宽松的国内和国际频谱资源以及包括TDD自身优势在内的先进的系统结构等以系列优势。而WIMAX最主要的优势在其成熟的产业链及芯片技术的支撑。因此从宽带无线移动通信的中长期目标来看，推进TD-SCDMA和WIMAX的互补、融合及合作共赢工作，有重要的现实价值与战略意义。TDSCDMA和WiMAX系统在底层技术巨大的差异。WiMAX技术采用的OFDMOFDMA/MIMO技术等，已经是LTE及4G系统公认的先技术。同时，WiMAX技术的商用实施在LTE之前，这就为同是TDD方式的TDSCDMA向LTE演进提供了难得的经验。TDSCDMA和WiMAX网间有很强的互补性，若TDSCDMA能在保
15、持自己势技术的同时，吸收融合WiMAX的先进技术，使得两者技术互相融合和促进，则有望加速推动TDSCDMA由3G系统向E3G以及未来的4G系统的演进，为用户提供更高品质的服务。当然，这种技术融合的过程是长期的。就TD-SCDMA与WiMAX的较低层次的协同融合而言，首先可按ETSI提议的松、紧耦合模式进行构网络融合。对松耦合模式，WiMAX系统网关可通Gi接口与TDSCDMA系统相连接；对紧耦合模式，WiMAX通过Gb接口与TDSCDMA系统相连时整个系统屏蔽了WiMAX特性，把WiMAX视为个单独的基站子系统。WiMAX系统可直接使用些标TDSCDMA的鉴权、计费和认证子系统协同工作。TDS
16、CDMA与WiMAX都是基于TDD方式为空中接口的融合提供了一定的可行性保障。如果了联TDSCDMA能够成功吸收WiMAX的先进技术，并在此基础上继续对其他先进技术博采众长，形成以主要TDDOFDM等技术为主要特征的、并与其它各种先蜂进技术有机结合的底层关键技术，可大幅度提升系统的性能，支持更高速率的数据服务、更高质量的实时语音服务以及更高的用户移动性，顺利完成中国自己的E3G、LTE和4G的演进。目前，3GP技工作组、TDSCDMA论坛和WiMAX论坛网络工作组都在研究TDSCDMA以及3G与WiMAX合的方案，以提高TDSCDMA与WiMAX之的性能。1.4未来无线异构网的发展趋势随着无线
17、技术的迅速发展，未来通信网络越来越发异构化，各网络将经历从隔离到互通、从互通到协同的演进，通过网络间的融合与协助，对分离的、局部的优势能力与资源进行有序的整合，最终使系统拥有自愈、自管理、自发现、自规划、自调整和自优化等一系列智能化功能。当然，无线异构同时也遇到了一系列的问题与挑战。 最大限度利用运营商所持有频谱的能力，提高频谱使用效率和用户吞吐量 使更多的企业进入移动通信领域，加剧移动通信市场竞争，对电信监管 带来新的挑战 。网络开放成为未来无线通信必然的发展趋势，随着无线电频率的日趋紧张，很多想进入该领域的企业苦于无可用的频率资源。 对现有移动通信网络的维护和管理带来新的挑战认知无线电技术
18、引入现有的移动通信网，在提升网络容量和覆盖能力的同时，也使得网络维护的负担加大。由于应用认知无线电技术后，认知移动用户可能会频繁地切换使用频率，使得网络控制系统的处理工作量加大，因此对网络的维护和管理将带来新的挑战。本章小结在过去的十几年里，全球移动通信发展迅速，除了单一的语音外，数据业务也获得了极大的增长。然而任何单一技术的无线网络都不能满足未来人们对移动通信以及普适计算的需求，以3G移动通信网络为代表的无线通信网络发展迅猛，逐步形成了3G-WLAN融合网络为代表的无线网络，本章就无线网络的发展，以及未来将会面临的问题与挑战进行了概述。第二章移动性管理概述垂直切换是支持泛在、异构的移动性管理
19、中用于支持会话移动性的关键控制功能。本章简要介绍移动性管理技术，明确切换技术在其中的地位和作用。2.1 移动性管理技术的起源和发展移动性管理技术源自蜂窝移动通信系统。其中引入蜂窝小区的概念解决了公用移动通信系统要求容量大于频率资源有限的矛盾。也正是因为有了蜂窝小区，终端或用户的移动性带来了位置管理、切换控制、漫游与注册认证等一系移动通信列新问题，这正是蜂窝移动通信系统中移动性管理这一关键技术的基本研究内容。并且，随着蜂窝移动通信技术的更新换代，移动性管理技术也始终是其技术和标准演进中必不可少的组成部分。 除了电信网中与移动性管理相关的网络和系统外，日益增长的移动性需求和手机、掌上电脑、笔记本电
20、脑等移动终端的大量出现，使得因特网中原有的固定接入方式不再满足人们希望在任何地点、任何时候都能获得因特网服务的需求，因此提供移动的因特网技术研究的热点问题之一。 在未来无线移动通信中，将会是多种无线接入技术与制式共存，互不构成有机的整体，共同为用户提供无处不在、无时不在的泛在信息通信服务。相应地，移动性管理技术也应具有新的特性，支持用户跨越异构接入网络、跨越不同网络运营商、不同服务提供商的移动，保证用户的无缝业务访问和最佳服务体验。综上所述，移动性管理技术伴随着移动通信技术而产生、发展，随着技术与应用的反战，移动性已经成为人们迫切需求，移动性管理技术也已经不仅仅局限于移动通信技术，而是应该将其
21、放置于包含各种有线和无线网络、包括固定和移动接入的、未来泛在、异构、融合的网络环境中进行研究。移动性管理技术也不再是特点网络技术的一个侧面，而是涵盖业务、网络和终端等各个层面的一门综合技术。2.2移动性管理关键控制功能传统的蜂窝移动通信系统中的移动性管理技术主要包括位置管理和切换控制两项关键技。对于未来的移动性管理技术而言，为了支持泛在的异构的网络环境、支持用户跨越异构网络接入技术的漫游和移动，其中关键控制功能包括：安全机制、位置管理、切换控制和互操作控制。2.2.1 安全机制移动性管理技术中的安全机制包括四个部分的功能：关键数据保密性、注册认证管理、信令消息完整性、移动服务不可否人性。还负责
22、管理用户注册的身份信息和业务属性信息，包括两个重要功能：认证授权管理、业务属性管理。认证授权功能又分为：网络时的用户/终端认证授权、使用业务时的业务认证授权，涉及移动安全关联问题。认证负责验证确认移动目标的身份，授权功能负责检查确认移动目标是否有权限使用其所请求的接入或业务等，另外还有记账功能，用于记录用户使用的资源、进行的操作，以便进行分析、审计和计费。三者合起来即通常的AAA功能。业务管理实现对业务属性的注册、更新、查找。注销等功能。目前，只有2G、3G等蜂窝移动通信网中的移动性管理安全机制相对比较完备，对关键数据保密性、注册认证管理、信令消息完整性、移动服务不可否认性都有相应的机制保证。
23、而其他移动性管理技术中，大多只限于对注册认证管理的支持。2.2.2 位置管理 位置管理实现跟踪、存储、查找和更新移动目标的位置信息，包括两个重要功能：位置更新（或称位置注册）和位置查找（或称寻呼）。其中，位置更新由移动目标向网络系统报告其位置的变更，位置查找则是网络系统查找系统移动目标的位置。 位置管理需要位置数据库支撑，例如第二代移动通信网络中的方位位置寄存器（VLR）和归属位置寄存器（HLR），移动IP的家乡代理（HA）和外地代理（FA）以及SIP中的位置服务器等。位置数据库可采用层次型数据库、树形数据库和中心数据库结构。为了便于位置管理，通常将整个网络的覆盖区划分为若干个位置区（LA）与
24、寻呼区（PA）。位置区是指移动终端在其中移动而不需要更新数据库信息的区域，一旦移动终端跨越一个LA的边界时，就需要想系统更新位置信息。寻呼区是通信工程中，系统对移动终端进行广播查找的区域。位置管理的性能评价参数主要有更新消息开销、更新时延、寻呼信令开销、寻呼时延等。另外，位置更新与位置查找在占用系统资源方面是矛盾的，同时优化两者是一个NP问题，在协议设计和网络规划时需要对两者进行平衡折中。现实中，各种位置管理方案就是在两者的开销之间寻找平衡，以降低总的位置管理开销。2.2.3 切换控制 切换控制实现终端或用户移动过程中、网络接入点变化时的通信会话连续性，即实现当前的接入点提供的通信接入由另一个
25、新的接入点提供。切换控制包括三个功能：切换的准则、切换控制方式和切换时相关资源分配。切换准则是指何时何种条件下切换。切换控制方式是指在切换过程中，负责切换决策相关数据和信息的收集方及收集方式、切换的发起方等控制相关因素。切换时相关资源分配的典型例子包括蜂窝网中的射频和信道分配，移动IP的转交地址分配及IP地址绑定等。 切换性能评价参数包括切换成功率、掉话率、新呼叫阻塞率、平均切换次数、切换时延、强制中断率等。传统蜂窝移动通信网络中的切换控制主要支持用户在网络内部移动的会话移动性。而在未来泛在、异构网络环境中，除了各个网络内部的切换控制以外，还应包括跨越网络边界、跨越运营商以及跨越终端漫游时的切
26、换控制。相应地，切换具有了一些新的特征，也出现了多种不同的分类方法。根据设计的网络范围，可以分为网内切换和网间切换。根据涉及的接入技术是否同类，可以分为水平切换和垂直切换。2.2.4 互操作性控制 互操作控制是未来的移动性管理技术中所特有的功能，这是由于未来的移动性跨越各种异构网络、包含多种移动性目标和类型的。移动性管理技术中的互操作控制包括两个方面： 一是处理跨异构接入系统的移动性中由接入技术异构性带来 的差异。这一类互操作控制包括最佳网络选择、QoS适配。AAA机制等相关功能。（1）最佳网络选择：用户处于重叠层次网络环境中，通过不同的网接口，可能同时多种接入技术。此时，终端和网络应该能够基
27、于当前业务，从中选择最佳网络提供接入。并且，这里的选择应该基于链路质量、用户属性、业务类型、终端特性等多种因素的组合，进行综合评判的结果。（2）AAA机制：应该设计新的AAA机制，能够灵活适应多运营商环境保证安全行，并为跨越运营商漫游的用户提供计费机制（3）服务质量（QoS）适配：用户或终端在异构接入技术间漫游，不同接入技术间的链路质量差异大而且难以预测，必然因此造成QoS的较大波动。因此，需要QoS机制中增加相应的QOS映射和适配功能，以适应异构网络环境中漫游和切换的需求。 二是移动管理中的跨越设计。任何单层的移动性管理均不能很好地满足广泛移动性的功能及性能满足，需要通过跨越层技术，实现各层
28、方案的优势互补。传统协议层次设计方法，基本上是遵从严格的层次化结构，然而在无线和移动网络环静中，由于无线链路本身状态的不稳定性、移动终端无线资源的有限性以及网络间移动性所带来的无线链路特征的变化，仍然严格遵循分层结构，会带来性能方面的问题。因此，需要采用跨层设计方法，实现各层移动性管理技术的协调与配合以对移动管理进行功能和性能优化，以及通过跨层信息交互实现性能优化。2.3 本章小结移动性管理是未来泛在、异构网络中关键技术之一，本章介绍了移动性管理技术的起源与发展，然后概述了移动性管理技术的四个关键技术，明确了切换技术在其中的关键的、重要的地位。第三章 无线异构网中的垂直切换技术切换控制是移动管
29、理中的关键控制功能之一，也历来都是移动管理中的重要研究内容。在泛在、异构的网络环境中，切换控制技术的研究也从同种接入技术间的水平切换转移到了异类接入技术间的垂直切换3.1 垂直切换与水平切换垂直切换与水平切换相对应，是切换技术中依据接入点改变前后所采用接入技术的异同进行的分类。在未来由各种无线接入技术构成的无线重叠网络中，同类接入技术之间的切换成为水平切换，例如WLAN中不同AP之间的切换，GSM中不同基站、交换系统及运营商间的切换；不同类接入及时之间的切换成为垂直切换，如UMTS和WLAN之间切换。垂直切换中，切换前后的无线链路和接入网络存在明显的特征差异，因而垂直切换具有不对称性，根据垂直
30、切换方向的不同，又可分为向上切换和向下切换，从下层、覆盖范围小的昂立到上层的、覆盖范围大的网络切换，成为向上切换；反之为向下切换。除了切换过程中所涉及的接入网络技术是否同类，垂直切换与水平切换在很多方面还是存在着差异，包括：1）触发切换不原因不同。水平切换往往和终端移动引起的物理位置变化有关，是动态的。垂直切换强调接入点的变化，而接入点变化不一定由物理位置变化引起，还有可能又接入技术的变化引起的，因而可能是静态的。2）切换决策判决因素不同。水平切换的决策通常根据终端所接受到的物理信号强度及其变化指标（例如，带门限的RSS、带滞后余量RSS）和信道可用性进行。而在垂直切换中，由于切换前后的网络特
31、征差异较大，网络间的RSS指标不具有可比较性，虽然可以分为不同的网络设置不同的切换门限值，但是只基于此进行垂直切换决策是不够的，还需要考虑与网络、应用、用户和终端相关的QoS、用户偏好、服务资费等多种因素，是典型的多标准决策问题。 3）切换控制方式不同。水平切换大多是由网络发起，终端是被动的。垂直切换中，用户可以根据偏好设置或者QoS的考虑，主动发起切换。4）切换中的链路实现不同。水平切换出现在同种接入技术之间，切换前后的无线链路采用相同的链路层技术，因此水平切换中的链路切换常在链路层实现。而垂直切换涉及各种异构的链路层接入技术，并且要保证独立与底层接入，因此，垂直切换中的链路转换在网络层及以
32、上层实现，网络层、传输层和应用层都有支持垂直切换的典型技术。比较项水平切换垂直切换涉及的接入技术同类接入技术异构接入技术切换触发原因终端动态移动引起的物理位置变化导致网络接入点的变化强调接入点的变化，可能由物理位置变化或接入技术变化引起切换决策因素主要基于对链路、尤其是接收信号强度的测量。综合考虑与用户、应用、网络、终端有关的各种因素切换控制方式常由网络控制，终端被动或完成辅助的测量工作常有用户或终端根据偏好或者QoS主动发起链路转换实现在链路层实现在网络层、传输层或应用层实现不对称性无有，分为向上切换和向下切换3.2 垂直切换的三个阶段 当用户的多模终端具备访问多个网络的能力时，就带来了在异
33、构无线网络中进行切换的问题。这种异构无线网络切换既包括在同种网络的不同小区之间的切换，也包括在不同网络的不同小区之间的切换。切换过程中，需要利用切换判决算法决定是否进行切换以及切换至何种网络或小区。在异构无线网络的切换判决中，不仅要考虑切换前后的网络或小区的信号强度是否符合切换要求，还需要综合考虑其他多种目标，如移动台的移动速度、切换前后各网络或小区的流量情况和切换前后网络或小区的收费差异等，可以说，仅靠单一目标(如接收信号强度)做出的切换判定未必是最优的选择。通常，一个异构网络之间的切换操作包括三个阶段:系统发现、切换判决、切换执行 垂直切换包括三个阶段，系统发现阶段用于发现当前可用的网络系
34、统，切换决策阶段用于确定恰当的切换目标网络和切换触发时间，切换执行阶段用于进行切换实施过程。3.2.1 系统发现 在系统发现阶段，移动节点搜索和发现当前可用的无线网络，其中，系统发现时间和终端的能耗是两个重要但相互矛盾的参数。一种系统发现方法基于不同网络接口上接到的广播信息。各种无线网络会定时不断发送广播消息，例如，GSM网络中的小区广播消息，WLAN中的信标帧。多网络接口终端根据不同接口上所接受到的广播消息，得知当前的可用网络。一种简单方法是，移动节点的所有网络接口始终保持激活状态。这样虽然可以保证快速的系统发现，却造成了移动终端较大的能耗。对于能量有限的终端而言，显然需要对此进行改进。改进
35、的方法是移动终端定时开启网络接口搜索可用网络。这种方法兼顾发现效率与终端能耗，但是需要确定恰当的网络接口开启时间间隔，在二者之间达到良好的平衡。另一种系统发现方法则是基于LSS（Locatiao service server）实现,LSS中存储了位于不同区域的各种无线网络的信息，基于移动终端的地理位置，向移动终端提供其周围可用的网络系统及其带宽、时延等参数。这种方法有效地节约了能耗，但是需要在LSS中保存每个网络系统的精确数据，数据库的建立和维护操作开销较大实现也比较困难。3.2.2 切换决策 切换决策用于决定移动节点在最恰当的时间切换至最恰当的网络。在切换技术中，常见的切换控制方式有移动终端
36、控制的切换（MCHO）、网络控制的切换（NCHO）和移动终端辅助的切换（MAHO），例如，欧洲的DECT和北美的PACS等数字无绳通信系统、WLAN系统采用MCHO方式，TACS及AMPS等模拟蜂窝移动通信网络均采用NCHO，而GSMPRS、CDMA等数字蜂窝移动通信网络通常采用MAHO方式。 垂直切换可以由网络、由终端、或者由二者共同发起。但是，因为垂直切换的判决因素包括不同网络状况和性能参数，只有移动终端可以方便地获取不同网络接口上的相关信息，显然NCHO方式不适合。另外MAHO方式通常由网络根据终端报告的各种信息进行总体的优化和控制，而垂直切换跨越异构网络，无法实现跨网络的总体控制。再考
37、虑到网络边缘化和终端智能化的发展趋势，可以认为MCHO是垂直切换中最恰当的控制方式。很多研究中将切换决策功能放在移动终端中实现，使得终端可以基于某些因素主动发起切换。例如，可以基于服务资费，总是选择最低的网络；为了提高QoS,可以主动从低性能网络切换至高性能网络；为了提高网络资源的总体利用率，可以使用高带宽网络完成FTP、视频通信等应用，而使用低性能网络完成网页浏览。电子邮件等应用。 在垂直切换决策中，应根据当前可用网络的不同状况和特性、当前所运行的应用的不同特点和需求，以及用户和终端的特性与偏好，进行综合判断，是一个多标准决策问题。表中对垂直切换中需要考虑的各种因素进行了总结：类别决策因素静
38、态因素动态因素网络相关网络运营商、网络配置、网络类型、覆盖面积、地理信息、典型带宽和时延当前可用状态、信号强度、错误率或丢包率、流量负载、当前带宽和时延应用相关应用特性、服务费用、安全因素资源分配、优先级用户相关用户属性、用户偏好、终端特性用户移动速度、位置、用户行为的历史信息由于垂直切换决策是多标准决策问题，决策中涉及的因素多样化、度量值又各有不同，如何根据这些因素进行统一、综合决策和判断，研究者们提出了各种不同的方法。其中文献【12-14】侧重研究如何降低终端的能耗，以及确定恰当的切换触发事件。文献【5-6】侧重于研究切换目标网络的选择策略，所采用的典型多标准方法包括：基于简单加权和的方法
39、、基于模糊推理的方法、基于策略的方法、基于层次分析法的方法等。3.2.3 切换执行 切换执行阶段通过某些垂直切换支持协议完成切换实施过程，将正在进行的通话从切换钱网络中的接入点转移至目标网络中的新接入点。由于垂直切换要保证与底层接入技术的无关性，因此通常在网络层以及以上层实现。网络层地垂直切换技术以移动IP为代表。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，也因此可以作为网络层实现垂直切换的典型技术。文献【7-8】中分别研究了基于MIPv4和MIPv6的垂直切换。传输层地垂直切换技术分为两类。一是基于TCP协议的改进。例如，文献【9】中扩展了TCPheader的中
40、一个可选字段，用不同的值表示不同的切换状态（包括：无切换、水平切换和垂直切换）。接收方发送ACK消息时，根据决策的结果设置字段值。发送方数据之进行处理，在切换过程中短暂数据传输。在切换完成之后，若为水平切换，采用拥塞避免方式重启数据传输，拥塞窗口大小值与切换前相同：若为垂直切换，采用慢启动方式启动数据传输，cwnd值设置为1,。二是提出新的、支持切换的传输层协议。移动SCTP（mSCTP）是这类技术的的代表，通过多家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。文献【1】【2】研究了基于mSCTP实现垂直切换的系统结构、信令流程及性能仿真和分析。应用层地垂直切换技术以会话初始协议（SI
41、P）为代表，利用SIP对呼叫过程中终端移动性的支持实现垂直切换。3.3 垂直切换的新特征和性能要求 无缝的垂直切换期望的特性如图所示，其中，无缝的垂直切换应尽量使切换可靠性和切换性能最大化，使干扰和切换次数数最小化，而应尽量保持切换的无缝性和小区间的负载均衡。1 ）切换的可靠性：是指切换后应有较好的服务质量。很多因素可用于预测切换的服务质量，例如信扰比(SIR)信噪比（SNR）、接收信号强度（RSS）和误码率（BER）等。 2）切换的无缝性：是指切换应尽量使用户感受不到服务质量下降和服务中断。服务质量下降可能由持续的信号强度下降或同信道干扰引起，服务中断可能由硬切换或“先断后通”的切换方式引起
42、。 3）避免干扰：此处的干扰主要指CCI和信道间（ICI）干扰，它们能够严重影响无锡网络中的传输速率。不同类型的无线接入网络中存在的干扰程度并不相同，例如，WLAN比WWAN中干扰严重，这是由于WLAN使用无许可牌照的2.4GHz和5.2GHz频段（即非管制频段），因此很容易受到使用同一频段的其他802.11网络、蓝牙设备、无绳电话等的干扰。而WWAN使用的是管制频段，并且多年的运营和管理已经很好地解决其中存在的干扰问题。因此，在WWAN至WLAN的切换之前，应先确定WLAN中的CCI和ICI是否严重，是否会 影响服务质量。4）负载平衡：好的切换算法应保持小区(同种接入技术或异种接入技术)之间
43、的负载平衡，这样有助于避免从相邻小区：“借道”空闲信道，从而简化了小区规划和运营，并降低新呼叫被阻塞的概率。5）优化性能：切换次数应尽量少。频繁地切换会带来大量的切换处理开销，并因此降低通信质量。在切换场景中，切换请求的次数越多，呼叫被拒绝的可能性就越大，并因此导致较高的切换失败概率。3.4 垂直切换中的关键技术3.4.1 切换性能优化 在现有研究中，无缝切换的切换性能目标包括快速切换和平滑切换两个方面，平滑切换是以最小化丢包率为目的的切换，不包含分组转发时延的概念；快速切换是以最小化切换时延为目的切换，不包含丢包率的概念；无缝切换综合了平滑切换和快速切换，指没有业务能力、安全或服务质量改变的
44、切换。在实际环境中，无缝切换可以定义为协议、应用或终端用户感知不到业务能力、安全和服务质量的变化。因此无缝的含义是与用户的要求相关的相对概念。相应地，切换性能的优化可以从降低切换时延和降低切换过程中的丢包两个方面入手。垂直切换技术是为了实现与底层接入技术的无关性，常常采用高层（网络层及以上）技术实现。但这种高层的通用性却会导致切换性能的损失，突出表现为切换时延比较大。另外，无线链路本身状态不稳定、移动终端无线资源的有限性，以及网络间移动性所带来的无线链路特征的变化，也会带来性能方面的问题。现有的很多切换优化机制基于局部移动性的思路，例如HMipv6等。但是，这类方法由于需要增加新的网络实体、增
45、加信令开销，以及设计跨越的问题，缺乏可扩展性。垂直切换性能的优化可以从以下几方面入手：（1）应用跨越层设计思想优化切换性能。跨越设计是一种协议设计方法学，它违背分层的通信参考模型，主动利用协议层次之间的相关性进行协议设计，以达到提高性能的目的。因此应用跨越设计技术，使上层与具体接入技术无关的移动性协议能够感知来自底层的、与接入技术密切相关的实时信息，从而达到通用性与优化性能的矛盾统一。 （2）从端到端的角度，将切换过程分为不同的阶段，分析切换时延的构成部分。例如，基于标准MIPv6的切换过程就可以分为链路层切换、路由发现、地址配置、移动检测、MIPv6注册等几个阶段。一方面可以从各个阶段入手，
46、进行相应机制的优化以缩短由该阶段带来的切换时延（例如，fastRA可以降低路由发现阶段的时常）。另一方面可以改变这些阶段间的串行关系，使其中的一些阶段并行完成，或将后面的阶段提前完成，从而缩短切换时延，例如预先签权。 （3）为了降低切换过程的丢包，可以从以下角度入手上述的切换过程的不同阶段中，分析可能带来切换丢包的过程，减少这些过程的时间长度，解可以在一定程度上降低切换过程的丢包。分组缓存和转发机制。将切换过程中收到的分组缓存，在切换完成之后再转发给移动节点。多播或双播。在切换过程中，通过多播或双播机制，数据同时发送给终端上新、旧网络接口。软切换。目前mSCTP协议支持软切换，MIP和SIP也
47、分别具有针对软切换的研究和扩展。 （4）除此之外，连接管理是垂直切换进行性能优化的另一种思路，其主要目的在于有效利用网络资源，提高端到端的吞吐量。连接管理的基本思路将移动性管理与宽带聚合技术相结合，会话移动性的研究内容由垂直切换中从多个接口中选择一个最佳网络接口变成从可用路径集中选择最佳子集，切换的粒度由网络接口变成了数据流级。连接管理比网络接口级的垂直切换更加灵活，也更加适应未来的普适计算环境。3.4.2 切换决策 垂直切换是典型的多标准决策问题。在垂直切换决策机制的研究中，需要解决如下问题： 1）决策属性集地定义和测量。对于易于采用数值表示的属性，如可用带宽。移动速度等，需要确定测量内容、
48、测量方法和测量结果上报方式。对于不易采用数值描述，如安全性，用户偏好等，需要给出客观、形式化的定义方法。另外，还要对于这些度量值不同的属性进行合理的规范化 2）决策目标的确定和决策方法的设计。设计高效、可行的垂直切换决策方法，实现异构接入网络间的合作，并能有效地减少不必要的切换、避免乒乓效应，同时，达到总体性能最优化和网络资源的有效利用。 3.4.3切换中的互操作控制垂直切换中的互操作控制主要解决异构网络间大的端到端QoS映射问题。垂直切换跨越异构网络系统，而这些异构系统分别使用不同的QoS体系结构与控制方式。在跨越异构网络的切换中，如何进行异构系统间的QoS、主要是端到端QoS的映射与反映射是最具有挑战性的问题之一，尤其在用户进行多次、双向切换和QoS的多次映射之后，仍然能够正确反应用户业务需求的QoS描述和QoS参数，从而获得业务所需资源，为用户提供有效地端到端QoS保证。同时，要尽量降低映射过程造成的业务中断时间和对业务QoS的影响。
