摘要：随着移动通信技术的发展，不同接入技术的融合是通信行业的发展趋势，因此异构网络的的切换以及网络的选择已经成为了研究的重点。传统的异构网络切换算法仅仅考虑信号质量（RSS）的比较，不适用于复杂的异构网络。针对传统的切换算法进行改进，改进的新算法综合考虑目标网络信号强度（RSS）和目标网络负载，将网络移入和移出门限作为切换判决的首要条件，将网络负载作为切换判决的次要条件。通过建模仿真对传统切换算法和改进算法进行对比，分析结果得出改进切换算法在切换成功率和切换次数上都有所改善，能够有效地减少业务中断及乒乓效应，同时并未过度地提高算法的复杂度。
关键词：异构网络；门限；负载；RSS
中图分类号：TN929.5文献标识码：A文章编号：1005-3824（2014）04-0001-05
0引言
随着移动通信技术的高速发展， 下一代移动通信系统的特征是各种无线网络接入技术同时并存， 功能上能够相互补充，并且集成到统一的网络环境中。然而由于不同的网络在时延、带宽、移动性支持和服务质量（QoS）等方面存在差异，因此对于一种无线网络来说， 很难同时满足覆盖范围大、传输时延低、带宽高、成本低等要求，这就为多网融合的设计提出了较高的要求。同时，在设计异构多模终端接入选择策略时，保证用户始终接入最优的网络，保证网络整体资源的有效利用，也是十分关键的一方面。因此，整合不同无线网络接入技术到一个网络环境中，在研究异构无线网络融合上至关重要，也是最具有挑战性的研究方向[1]。
为了实现异构无线网络技术的融合，首先需要解决的问题就是移动性管理，移动性管理主要包括位置更新、切换管理和漫游等方面， 其中最为关键的技术就是切换管理。
1异构网概述
移动终端在同一种网络之间的切换称为水平切换，在不同接入网络之间的切换则称为垂直切换。而异构网络的垂直切换是无线网络融合的最为关键的技术之一。同时异构网络中多种网络并存、重叠覆盖的场景为切换控制的设计提出了新的要求。在异构网络中，因为不同的网络接入技术在信号强度等方面不具有可比性，所以以往水平切换中的控制方案无法满足垂直切换的特点和要求，不能够从实质上解决异构无线网络间的垂直切换问题，需要针对垂直切换的特殊性和复杂性做特别的研究。
1.1垂直切换过程
从切换目标网络的覆盖范围上划分，垂直切换也可以分为下行垂直切换和上行垂直切换，下行垂直切换是指终端从覆盖范围大的网络切换到覆盖范围小的网络，上行垂直切换则是相反的过程[2]。
异构网络中的垂直切换主要分为3个阶段：系统发现阶段、系统的切换判决阶段和切换执行阶段。
1） 系统发现阶段完成的工作主要是发现新的候选网络。
2） 系统的切换判决阶段是当移动终端根据切换判决策略和算法，完成判决操作，决定是否切换和切换到哪个候选网络。切换判决的参考因素有很多，包括信号强度、资费和用户偏好等，判决的内容又包括目标网络的选择、切换机制的选择和切换时间的选择。
3） 切换的执行阶段是完成所有判决操作之后，移动终端完成网络的切换。
异构网络的切换要求与传统网络并不完全一样。在水平切换中，如果有多个候选网络，为了使移动终端处于最优的网络，只要满足计时周期的要求，移动终端就会发起切换的请求。然而，在异构网络中，候选网络的多样性和复杂性造成切换的复杂度提高，同时切换成功率与水平切换相比低了很多，因此，在异构网络中，切换的次数应该少一点最合适，这样能够减少不必要的切换，保证网络不出现中断，这是垂直切换和水平切换其中的一个不同点。
1.2垂直切换要求
垂直切换作为多种网络接入技术融合的基础，需要保证网络性能和用户服务质量。主要的要求有可靠性、无缝连接、干扰防止、负载均衡和切换次数等。
2相关研究
目前针对异构网络的垂直切换算法的研究主要分为以下几方面：
一、基于代价函数的垂直切换判决算法[35]，其中又包括基于回报函数的切换判决算法和基于成本函数的切换判决算法。文献[3]提出了一种基于信号强度累积量和距离准则的联合优化策略的代价函数。
二、基于多属性决策理论的垂直切换判决算法[67]，其中又包括简单加权法、层次分析法和逼近理想解排序法。文献[7]给出了基于层次分析法的多网融合下的网络选择算法：第一层的决策参数包括吞吐量、时效性、成本、安全性和可靠性；第二层时效性参数包括延迟、响应时间和时延抖动，可靠性参数包括误码率、突发错误、平均重传次数及丢包率。
三、基于模糊逻辑的接入网络选择算法[812]。文献[11]中将当前RSS、预测RSS、系统带宽及终端速度等因素作为模糊逻辑处理系统的输入量。利用模糊逻辑方法对信息进行模糊处理，分别得到WLAN和UMTS 2个网络信息参量的隶属度，经过隶属度的归一化处理及量化，由模糊逻辑控制器得到目标网络的综合性能评估值，选取评估值最大的网络为最优目标网络。
在异构网络中，移动终端不仅要处理同种接入技术之间的切换请求，同时还要处理不同接入技术的切换，在面对候选目标网络过多的情况下，如果终端使用太过于复杂的算法来进行切换的判决，就可能消耗大量的计算资源，同时还会造成较大的电量消耗。因此综合考虑之下，适用于异构网络的切换判决算法应该尽可能地简单，过于复杂的切换判决算法并不一定适用。在本文中，对LTE和WLAN的重叠场景进行研究，改进的新算法只考虑目标网络信号强度（RSS）、移入和移出门限以及目标网络的负载，降低了算法的复杂度。
3改进的切换算法
在传统的垂直切换判决算法中，仅仅考虑信号强度（RSS），即把LTE网络和WLAN网络的信号强度做比较，并加入了迟滞门限作为切换的判决条件。然而由于蜂窝网与WLAN网络在覆盖范围和发射功率等方面均差别很大，因此移动终端接收到的来自2种网络的信号强度相差较大。若直接比较2个网络的RSS值，对于垂直切换来说并不公平。所以本文在传统算法的基础上，提出了改进的方法，以WLAN网络的移入门限RSSin和移出门限RSSout作为切换判决的首要条件[13]。 当WLAN网络在一个计时器周期内的平均信号强度RSSWLAN大于移入门限RSSin时，移动终端发起从LTE到WLAN的切换请求。
当WLAN网络在一个计时器周期内的平均信号强度RSSWLAN小于移出门限RSSout时，移动终端发起从WLAN到LTE的切换请求。
同时将目标网络的负载状况作为用于切换判决的次要条件，这是因为负载状况与切换的成功率和网络的性能息息相关。当目标网络的负载较小时，发起切换的成功率较高并且目标网络的性能较好，此时允许终端切换；当目标网络负载过大时，切换的成功率较低且目标网络环境恶劣，此时拒绝切换请求。
传统切换算法的判决如下
只有在信号强度满足条件的情况下，才进行上报，减轻因频繁上报产生的较多的网络信令； 只有在满足负载不过大的前提下，才将目标网络作为候选网络，减轻了传统算法中只考虑信号的强度所造成的乒乓效应。考虑目标网络的负载状况则提高了了切换的成功率，降低了因为切换失败所引起的业务中断概率，图2为改进的换算法流程。
4.1仿真场景
为了评估改进的切换算法性能，设计了一种仿真场景，假设WLAN和LTE网络在边缘区域重叠覆盖，移动终端（mobile terminal，MT）在边缘区域的范围内做随机运动，模型如图3 所示。为了简化仿真，只考虑运动过程中的垂直切换。
在此场景中，假设移动终端在WLAN 和LTE网络的重叠区域中自A 点做无停留的随机运动。设MT的移动速度v=10 m/s，从A点开始做随机运动。若果MT在随机运动过程中跑出LTE和WLAN的重叠区域，则仿真终止。
4.2参数设置
用于异构网络的切换判决参数的设置十分关键。滞后余量H选择太小，会增大WLAN切换到LTE的概率，而过大则会增大LTE切换到WLAN的概率；对于计时器周期的选择，则主要考虑避免乒乓效应，取值过小效果不明显，若取值过大则可能导致业务的中断。移入门限RSSin和移出门限RSSout如果选择不合适，可能导致移动终端长时间驻扎在较差的网络中。表1参数设置
参数名参数值R（LTE） 600 mR（WLAN）200 mP（LTE）30 dBmP（WLAN）20 dBm滞后余量H-10 dBm参数名参数值移入门限RSSin-85 dBm移出门限RSSout-90 dBm时钟周期（T）1 s仿真次数（n）100
5仿真分析
用于对比的仿真参数有切换成功率和次数，这是因为切换次数是衡量切换算法的重要指标，能够反映切换算法的合理性。如果切换次数过多，会造成乒乓效应，大大影响通信质量。与通话阻塞相比，在通话过程中由于切换失败而造成的掉话更会引起用户的不满，因此切换成功率也是衡量切换性能的一项重要指标。取100次仿真，图4为其中一次仿真的切换次数对比图，上方曲线表示传统算法的切换次数，下方曲线表示改进算法的切换次数。
6结论
本文通过深入分析传统切换算法的不足之处，提出了改进的切换算法，因为改进算法未使用较复杂的算法，因此改进算法在复杂度上没有提升。通过建立模型进行仿真对比，验证了改进算法在切换次数和切换成功率上都有所改善，在一定程度上弥补了传统算法的不足之处。
改进算法并不是完美的，也存在不足之处。一是移入移出门限的设定，动态值门限在实际中更符合情况，因此如何将移入移出门限变为动态值是可以改进的地方；二是目标网络的选择，本文中改进的算法仅仅考虑了一种网络的切换门限，如果有多个候选网络都满足门限，对如何处理这种情况未做考虑；三是用于对比的仿真参数。除了切换成功率和切换次数之外，其余参数如切换时延、切换时间点等进行仿真；四是未考虑用户对网络的个人倾向问题。这几个问题将在后续研究中逐步地进行完善。
参考文献：
[1]贺昕，李斌.异构无线网络切换技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2008，4.
[2]李军.异构无线网络融合理论与技术实现[M].北京：电子工业出版社，2009，4.
[3]刘侠，蒋铃鸽，何晨.一种无线异构网络的垂直切换算法[J].上海交通大学学报，2006，40
（5）：742-746.
[4]STEVENS N E， LIN Y X， WONG V W S. An MDPBased vertical handoff decision algorithm for heterogeneous wireless networks[J].IEEE Trans Vehi Tech，2008，57
（2）：1243-1254.
[5]SHEN W， ZENG Q A. Costfunctionbased network selection strategy in integrated wireless and mobile networks[J]. IEEE Trans Vehi Tech， 2008， 57
（6）： 3778-3778.
[6]何振华，裴廷睿，曾文丽. 面向用户的异构网接入选择算法[J].计算机工程与应用，2010，46
（25）：109-145.
[7]王康，曾志民，冯春燕.一种多属性决策的异构网络选择算法[J].无线电工程，2009，39
（1）：13，35.
[8]沈东明. 无线异构网络中接入控制机制研究[D].北京邮电大学，2011.
[9]梁立涛，纪阳，张平. 基于模糊层次分析法的异构系统网络选择算法[J]. 北京邮电大学学报，2007，30
（2）：71-75.
[10]刘侠，蒋铃鸽，何晨. 一种基于模糊逻辑的预判决辅助垂直切换算法[J].电子学报，2007，35
（10）：1989-1993.
[11]张天魁，邱禹，冯春燕. 用于异构网络的差值门限模糊切换算法[J]. 西安电子科技大学学报：自然科学版，2011，38
（1）：165-170.
[12]柴蓉，肖敏，唐伦，等.异构网络垂直切换性能参数分析及算法研究[J]. 重庆邮电大学学报：自然科学版，2010，22
（1）：63-69.
[13]吴素珍. 异构网络垂直切换判决策略的研究[D]. 海口：海南大学，2011.
