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翻译2
南京邮电大学通达学院
毕业设计（论文）外文资料翻译
学院：
通达学院
专 业：
网络工程
学生姓名：
班级学号：
外文出处：
HandoffsinFourth
GenerationHeterogeneousNetworks
附件：
1.外文资料翻译译文；2.外文原文
指导教师评价：
1．翻译内容与课题的结合度：
□优□良□中□差
2．翻译内容的准确、流畅：
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□优□良□中□差
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指导教师签名：
年 月 日
附件1：
外文资料翻译译文
4G异构网络的切换
加拿大安大略省圭尔夫大学加拿大安大略省皇后大学
摘 要:
移动无线网络日益盛行之时，不同网络之间融合的挑战摆在面前。
4G无线通信整合了大多数异构网络的无线技术，在走向通用的无缝接入方面迈向了一大步。
无缝移动通信面临的主要挑战之一是可靠的水平（网间）切换和垂直（网内）切换机制的有效性。
有效的切换机制提高了服务质量提供了无缝移动通信。
本文提出了新颖不同的切换并讨论了4G切换的相关问题。
本为给出了令人满意的切换特性。
切换判决，无线链路传输和信道分配在整个切换过程中分步描述。
本文还给出了一种能够让终端去分配权重给不同网络参数的垂直切换判决函数。
一、引言
首先，第二代第三代移动通信系统依赖于无线频谱的利用，这些频谱要么被公共使用要么被批准在各个地区由一些小数量的服务提供商和网络运营商使用。
带宽和覆盖范围的差异导致发展多网络接口终端的必要性，多网络接口终端可以使用不同网络服务提供的多样性。
4G无线通信融合了大多数异构网络的无线技术，在通用的无缝接入方面和通过无缝移动通信进行泛在计算方面迈向了一大步[1]。
即使4G当前没有明确定义，仍然有很多当前的展望描述了新一代无线技术的景象。
基于移动通信浮现的趋势，4G拥有更多的带宽和数率以及更平滑快捷的切换，集中致力于减少差错服务和允许通过多种无线网络的无缝切换。
关键概念是使用已存在的移动技术整合4G性能。
网络管理，对于不同的接入系统如垂直和水平切换还有无缝移动性、服务质量、可靠性和安全性，很有必要。
下面的文章内容如下。
给出了一种新的用于切换的分类层次。
对异构无线网络中各种切换判决因子的全面研究进行解释，解释和定量地评估本文提到垂直切换函数（VHDF）。
提供所述解决方案的性能评估及文章概要。
二、切换的分类
大体上，每个移动终端（节点）总是归类于至少一种网络接入点即基站。
每一个基站的服务区定义为它的小区。
每个小区的大小和外形依赖于网络类型、基站大小、基站的传输和接收功率。
通常相同类型的小区以这样一种方式彼此相邻和重叠，大多数时间内任一移动终端所处的覆盖面积超过一个基站。
另一方面，异构网络的小区相互覆盖。
因此，移动主机的关键问题是要时不时地做出选择，哪个网络的哪个基站来处理具体移动主机的信号传输和接收以及必要时切换信号的传输。
如图1所示，基于几种因素给出了切换的分类。
网络类型不再是唯一的切换分类的因素。
这个切换的分类因素有很多组成包含涉及的管理区域、连接和使用的频率数。
下图是基于它们的切换类型的分类因素。
图1：
切换的分类树
2.1因素一：
涉及的网络类型：
这是最普遍的分类因素。
切换能被分为水平切换或者垂直切换。
这主要看切换是发生在同种网络类型之间还是不同网络类型之间。
水平切换：
移动终端在支持相同网络技术的接入点之间的切换过程，例如，从802.11b基站到地理上相邻802.11b基站的信号传输的转变就是水平切换过程。
垂直切换：
移动终端在支持不同网络技术的接入点之间的切换过程，例如，从802.11b基站到重叠覆盖蜂窝网络的信号传输的转变就是垂直切换过程。
水平和垂直切换在后面的章节中会详细讨论。
2.2因素二：
使用的频率
频间切换：
移动终端穿越在相同频率上运行的接入点之间的切换过程。
这种切换的典型例子就是FDD的CDMA网络。
频内切换：
移动终端穿越在不同频率上运行的接入点之间的切换过程。
这种切换的典型例子就是TDD的CDMA网络和只支持GSM蜂窝系统的切换类型。
2.3因素三：
涉及连接数
切换被分为硬切换，软切换和更软切换。
硬切换：
在硬切换中，目标基站无线链路建立的同时释放原基站的无线链路。
也就是说，使用硬切换时，在任何时间，移动节点只能同一个基站保持连接。
软切换：
与硬切换相比，在软切换中，移动节点在重叠覆盖的切换区内和不少于2个基站保持连接，并且不会释放任何信号直到某信号低于给定的阀门值。
当移动节点在相同频率上运行的小区间移动时可能会发生软切换。
更软切换：
除了移动终端在同一个接入节点的无线链路上交换连接这点特性之外，更软切换同软切换很类似。
2.4因素四：
涉及的管理区域
管理区域是由同一个管理者管理的一组系统和网络。
管理区域在4G无线网络如不同的网络中扮演重要的角色，不同的网络都有不同的管理者。
因此，根据管理区域划分的切换类型是一个很重要的研究问题。
管理域之内的切换：
移动节点在相同管理域管理的不同网络（支持相同或不同类型网络接口）之间切换过程。
管理域之间的切换：
移动节点在不同管理域管理的不同网络（支持相同或不同类型网络接口）之间切换过程。
2.5因素五：
切换的必要性
基于需要而划分的切换
强制切换：
在有些情况下，为了避免掉线，有必要将移动终端的连接转移到另一个接入点。
自愿切换：
在其他情况下，连接的转移是可选择的，对于提高服务质量不确定。
自愿切换和强制切换在以后的章节中详细讨论。
2.6因素六：
用户控制允许
切换可分为主动的和被动的。
主动切换：
在主动切换中，移动终端用户可以选择何时切换。
这种切换判决基于用户事先设定好的参数。
主动切换是4G无线网络系统的基本特点之一。
被动切换：
用户不控制切换过程。
这种类型的切换在前3代无线通信系统中最为普遍。
三、4G异构网络的切换
如上面讨论的，切换可以定义为不同小区之间传输信号的转移。
切换机制要求当设备移动时保持连接性，同时对正在进行的转移减少干扰。
因此，切换必须表现出低的反应时间，保持最小的数据丢失和测量大的网络。
切换机制在蜂窝网络中已经彻底地研究和配置过，比如无线广域网（WWANs），在无线局域网（WLANs）中的重要性也逐渐提高。
如图2，切换可划分为水平切换和垂直切换。
水平切换是从一个基站到地理上相邻且支持相同技术基站的信号传输的转变，如用户漫游时。
水平切换也被当作技术内切换提及。
每当一个移动蜂窝主机从一个小区穿越相邻小区（支持相同技术），网络通常会自动地从一个基站到另一个基站交换覆盖责任。
每一次基站的改变，还有交换手续和方法都认为是水平切换。
在一个运行良好的网络中，切换会平滑而有效的发生，没有通信上的不通畅，也没有不确定性，即不知道哪个基站应该接管这个移动节点。
移动用户不需要涉及水平切换的发生，对切换过程也没有感觉，在任何时间也不涉及识别到底哪个基站正在处理信号。
水平切换是范围最为广泛的切换定义，是由于其在这个领域里的广泛研究在最近很多年一直在进行。
另一方面，垂直切换更多的是最近提出而令人振奋的切换机制，让大家感觉将来的通信方式会很美好。
水平切换是处于相同无线网络接口服务的基站之间的切换，而垂直切换发生在不同网络接口之间，这些接口通常代表了不同的技术[2]。
垂直切换体系和机制在IEEE802.21标准中将扮演主要角色，并为4G重叠多网络环境的融合铺平道路。
有两种垂直切换类型：
向上和向下。
向上垂直切换[3]是漫游到一个覆盖更大带宽较低的区域如蜂窝网络，向下垂直切换是漫游到一个覆盖更小带宽较大的区域。
向下垂直切换的时间急迫性较小，因为移动设备能总是保持同更大覆盖网络的连接而可以不切换。
3.1无缝切换
4G的革命性驱动之一是，技术之间会相互弥补以致于提供泛在的高速无线移动终端连接[4]。
在这样一个环境中，有必要支持移动终端的无缝切换而没有对正在进行的任务造成中断。
因此，穿越不同无线网络之间无缝切换的需求变得日益重要。
而有线网络能够有规则地获得大的带宽和持续的接入到因特网，无线网络对移动的用户来说将使得他们接入到各种服务成为可能。
因此，低延时和最小丢包率的无缝切换已成为至关重要的因素，尤其是对那些想接收持续而可靠服务的移动用户来说。
提供无缝切换的关键辅助之一是能够在任何时间正确地决定是否执行垂直切换。
完成这个问题要考虑两个问题：
垂直切换判决的网络条件和连接维持[5]。
这两个问题对于能够在不同网络接口间无缝移动来说是紧紧联系一起的。
为获得实际的垂直切换，网络状态应该能够被合适的公制切换手段时时地获得。
信号强度在水平切换中是主要的切换公制计量，但是不能够应用在垂直切换判决中，因为异构网络的覆盖特性和不同网络使用的不同物理技术。
因而，一个很自然的问题出现，切换判决应该考虑什么样的因素。
下章节将讨论令人满意的切换特性，水平和垂直切换手续，详细地讨论刚刚提到的垂直切换特点，阐述他们在4G切换机制中的重要性。
3.2令人满意的切换特点
一种有效的切换算法能可以通过权衡不同的运行特点以达到很多令人满意的特点。
任何一种切换算法的某些主要的得意特点描述如下（参考图3）。
3.2.1可靠性：
切换算法应当是可靠的。
这意味着切换后通话应该有很好的质量。
很多因素有助于决定候选基站的潜在服务质量。
这些因素包括信干比（SIR）、信噪比（SNR）、接收信号强度（RSS）、误码率（BER）。
很多更重要的因素在下节中讨论。
3.2.2无缝连接：
切换算法应当很快以致移动设备不会经历服务质量下降或中断。
服务下降可能是由于信号强度的持续下降或者共道干扰（CCI）的增加。
服务中断可能是由于“断了再连”或者网络中实施的硬切换方法。
3.2.3干扰防止：
切换算法应该可以避免高干扰。
共道干扰是由于终端在相同的信道中传输信号引起。
这通常由运行在相同信道上相邻的有害源引起。
另一方面，信道间干扰由终端在相邻信道中传输信号引起。
CCI和邻道干扰会严重地限制了无线网络的传输率。
无线局域网比无线广域网要受到更多的干扰。
原因是，大多数现在已用的网络产品都遵循802.11标准，这个标准是运行在公用的2.4GHz和5.2GHz频带上。
因此，运行在这个频带上的设备对所有不同种类的噪音和干扰都是敞开的，这些噪音和干扰有各种来源如其他合法的802.11网络到蓝牙设备或者运行在相同频带上的无绳电话。
蜂窝网络经过多年的管理已经解决了很多的干扰问题，虽然随着WLAN技术的进步，干扰会最终完全消除，在从WWAN到WLAN的切换发生前，对网络检查以确保CCI或者临道干扰不会特别地降低网络的服务质量是要重点关注的。
3.2.4负载平衡：
切换算法应该可以均衡小区流量，不管是相同或者不同网络类型。
这有助于消除从相邻小区借用空闲信道的必要，这可以简化小区规划和运行和减少新通话调度的可能性。
3.2.5提高性能：
切换数量应该最小化。
过多的水平切换或垂直切换导致繁重的切换过程负担和差劲的通信质量。
在切换场景中，切换尝试越多，呼叫被拒绝接入信道的可能性就越大，从而导致更高的切换呼叫丢失可能性。
太多数量的水平切换尝试会导致切换请求处理的更长延时，这会迫使信号增强以减少过长处于低服务质量的时间。
此外，如果充足的SIR信干比没有达到的话呼叫就会放弃。
切换算法要求网络资源将呼叫与目标基站连接起来。
因而，最小化切换数量会减少交换负载。
不必要的切换应该防止，尤其是当当前基站可以提供满意的服务质量而没有干扰其他移动设备和基站时。
在异构网络环境中，选择最佳网络的挑战是主要问题。
与强信号的无线局域网相比，一个在石灰石建筑内的弱信号局域网内会提供更好的性能。
不同网络之间切换等级会对移动终端造成非常不同的服务质量，如从WLAN的11Mb/s切换到GSM的9.6kb/s。
这或许有其他因素如经济差异，这差异不会发生在个人网络中，一些网络的收费是按分钟或按流量的。
3.3切换过程
水平切换和垂直切换处理都由三部分组成：
切换判决，无线链路转移和信道分配[7]。
在这节中，讨论每一个部分并描述其在4G切换中扮演的角色。
3.3.1切换判决
水平切换判决主要依赖于有将接收信号强度反映的信道质量和目标基站可用的资源。
很多系统的干扰是有限的，意味着信号强度可作为信道质量的指示。
如果相邻基站的RSS超过当前基站的RSS一个预设的门槛值时就执行切换。
在垂直切换中，很多网络特性对是否执行切换都有影响。
这些特性的大部分在水平切换是不必要的。
事实上（如上面的解释），水平切换只考虑信号强度和可用信道[8]。
下列特点是刚刚提到的品质，对垂直切换判决非常重要。
如图4，根据他们的适当度和应用性进行了分类。
服务质量：
在更好条件和更高性能是切换网络通畅会提高服务水平。
传输率，错误率和其他特点能够被测量以至于来决定哪一个网络可提供更高的持续连接保证。
服务费用：
用户不同服务的费用是个主要问题，有时候成为网络选择的决定性因素。
不同带宽的无线互联网服务供应商和蜂窝网络服务运营商会提供各种资费计划方案和选择，这可能会影响用户的网络选择和切换判决。
安全：
任何无线技术天生就具有风险。
一些风险和有线网络是一样的；一些风险通过无线连接会加剧；而一些风险是新产生的。
或许在无线网络中最显著的风险源是技术的根本通信媒介，无线电波对入侵者是开放的，使得它逻辑上等同于停车场的以太网接口。
功率需求：
无线设备运行在有限的电池电源上。
当功率需求水平下降时，低功耗的网络切换能延长使用时间。
例如，如果终端电池快要耗尽了，从WLAN切换到WWAN是明智的选择。
事实上是这样，当终端在蜂窝网络中，终端大部分时间里是空闲的。
但是，给定一个不可知的不稳定的传输特性的WLAN，终端不能够在数据包传输之间待命，因为这里没有设定数据传输到达的时间，数据包时偶发地到达的。
自主切换：
通过自主切换，用户在垂直切换判决中涉及到，并最终决定是否切换，不管网络条件如何。
通过许可用户选择网络，系统可适应用户的特别要求。
速度：
速度因素在垂直切换判决中比水平切换有很大的权重和强制性的影响。
因为异构网络的覆盖结构，当终端高速移动时切换到内嵌的网络中是鼓励这么做的，因为在随后很短的时间内就会切换回原来的网络。
3.3.2无线链路转换
无线链路转换是切换过程的第二部分，它是指在新基站为一个呼叫建立连接链路。
无线链路从旧基站转换到新基站。
如果无线链路转换是在当前服务小区内，即小区内切换，不需要新链路转转换操作。
从一个小区到另一个小区的切换，即小区间切换，要进行重选路由操作把终端当前通信路径连接到新基站。
一旦需要进行切换，切换方案会随着把呼叫转移到新链路的方法而改变。
目前已知的方法是前向和后向切换。
后向切换中，原服务基站为切换作准备，并且直到新基站的控制单元确保资源分配才接入目的基站。
在前向切换中切换过程由目标基站启动，且在切换的初始阶段不依赖旧基站。
这两种方法都有各自的优缺点，后向切换的优点是信令信息通过现存的无线链路传输，因此，再切换的初始阶段不需要确定一个新的信令信道。
然而，它的缺点是当信道质量迅速恶化时切换有可能不成功。
至今大多数蜂窝网中仍采用这种切换。
相反，前向切换速度较快，但问题是它的切换可靠性较低。
3.3.3信道分配
切换的最后阶段是信道分配，它是由新基站的资源分配组成。
如果一个新的呼叫准许接入网络，呼叫准许接入算法根据当前可用的资源，QoS要求，和它对当前连接的QoS影响（新连接可能会对现存的连接产生影响）来决定是否接受这个呼叫。
信道分配是CAC和资源管理的一部分，因此这里不做进一步详细讨论。
3.4自愿切换和强制性切换
不同的切换方式是可以依照需要来区分的，为了说明这点，假设下面的切换场景。
在城市的中心通常有很多的基站，在相邻的基站之间通常有大量区域信号覆盖重叠了，假设一个基站已经是完全饱和了，如果加入更多的节点会导致性能和服务质量的下降，可以通过将其中一些节点重新分配到另一个基站来缓解拥塞。
在这种的情形下切换是可取的担不是强制行的。
相反，如果一个用户在高速行驶，脱离了以前的基站进入了邻基站，这适合切换就是必须的，否则连接就会断开。
垂直的切换可以是自愿的也可以是必须要做的，主要是取决于切换的指示。
当从WLAN中切换到蜂窝网中，切换的时延必须要短，那么首选的切换时刻就是信号强度减弱的时候。
在这种下如果是切换是强制的，那么连接就会中断。
强制的切换同样会涉及到FVHs,另一方面，由于蜂窝网覆盖的区域很大，切换时刻不是很关键，那么首选的由蜂窝网向区域网切换时刻是信号强度在区域网中达到可以接收水平的第一时刻，这种切换就是自愿的，切换的时间是很关键。
在许多公制测量情况下，如SNR和BER，意味着这种特定的网络是可靠的，能够提供高质量的服务。
在目前提出的垂直切换机制中[9]，这会很正常地导致一个网络的垂直切换。
但是，移动节点的位置和移动方向是经常被忽略的重要的因素。
有时候，节点的运动可能会显示这个用户可能会离开这个网络的覆盖区域。
因此，尽管新的网络是在一个健康的情况下，立即切换到这个新网络中，同样的可能立即被切换到旧的网络中去，是整个网络是无效的，可能会激怒用户。
四、垂直切换判决函数
在这节中，提出了垂直切换函数（VHDF）。
VHDF通过切换到特定的网络i来测量得到的改进。
目的在于利用图4中的一些参数以做出更明智的切换判决。
如之前的讨论，切换判决参数有助于决定哪个可用的网络最适合数据传送。
因为他们的重要性，VHDF选择下列网络参数：
•服务费用（C）:
不同服务的费用对用户来说是大问题，有时候成为网络选择的决定性因素。
•安全（S）:
当信息交换是保密时，具有高编密码的网络是首选。
•功率消耗（P）:
垂直切换到高功率消耗网络是不可取的，如果移动终端的电池近要耗尽或者电池寿命相对很短。
•网络条件（D）:
可用的带宽常用来指示网络条件，是一个主要因素，尤其是语音和视频流量。
•网络性能（F）:
在一些情况下干扰或者不稳定的网络连接会阻碍切换判决。
有关提及参数的更多信息，参阅前面的章节。
当移动终端在不同网络间漫游时，VHDF对所有可接入的网络都是可评估的。
基于用户特定的参数选择，VHDF评估值最高的网络对用户来说是最让人满意的。
网络质量Qi提供了某一网络合适的测量方法，通过下列函数测得：
为了顾及不同的网络环境，明显有必要衡量相关因素的作用在垂直切换判决上的大小，因此，引入不同的权重：
这里c,s,p,d和f分别是网络参数的权重。
这些权重都是小数（0到1之间）。
而且，所有5个权重加起来为1。
每一个权重在垂直切换判决参数的重要性是成比例的。
特殊因素的权重越大，因素对用户的重要性越大，反之则反。
这些权重通过用户界面从用户获得。
虽然在VHDF中加入了不同的因素以获得网络质量Qi，但是每一个网络参数都有不同的单位，这使得标准有其必要性。
最后n个网络的标准化公式如下：
假设移动终端侦测到新的网络。
终端就为当前的网络和新侦测到的网络计算网络质量Qi。
权重已经有固定值（但是不同），这些固定值分配优先权给不同的特点。
VHDF简单地用公式3计算Qi。
Qi值最高的网络是首先网络。
如果新网络接收一个更高的Qi，垂直切换发生；否则，终端同当前网络保持连接。
更详细的描述和垂直切换的执行判决机制，参阅[10]。
五、性能评估
VHDF的性能通过仿真来评估，其结果在本节予以给出和讨论。
评估VHDF的仿真模型在NS-2中有披露。
仿真的网络拓扑结构如图5显示。
网络拓扑结构建立在NS-2中以致移动终端和静态服务器都是无线连接于2个异构网络接口。
网络A代表WWAN，有384kb/s的低带宽。
网络B代表WLAN有1Mb/s带宽。
但是，每种连接都是独立的。
移动终端分享网络带宽和不同其他背景的流量资源。
当移动终端移动时，背景流量的是变化的；因此，两个网络的性能也是变化的。
因而，不可能预测两个网络中哪一个提供更高的带宽、更低的开销等等。
事实上，同单一网络保持连接并不见得会提供最可能好的性能。
网络B有较大的容量因此更能容忍背景流量和保持较好的性能。
网络B的费用也认为更贵因为其较好的QoS。
NS-2的指数流量资源常常产生背景流量。
个别的流量产生于两个网络中。
将流量分类为“没有”“轻微”“严重”和“振荡”。
移动终端有几种连接策略以选择何事计算VHDF：
终端同网络A连接或者切换到网络B。
最初，移动终端通过网络A接口同服务器连接（例如，最初的路径是从终端到网络A接口）。
第二路径从终端到网络B接口。
图6显示了背景流量对整个网络吞吐量的影响。
在这个试验中，用户的优先选择是获得最可能好的QoS，通过接收最大数量的带宽而不管其他因素如使用费用，安全和功率消耗。
因此，用户设定的VHDF是：
通过执行VHDF，在个案中系统设法增加了57.9%的吞吐量。
同保持网络A连接机制的比较，VHDF增加99.1%的吞吐量。
当背景流量变化时，使用VHDF显示出终端与网络A保持连接上有显著的提高。
总的来说，从获得的结果显示出，VHDF能明显的有助于更明智的切换判决和提高网络吞吐量。
六、概要
异构无线网络的整合是4G系统最可预见的特点之一。
这在通用无缝接入和泛在计算上迈出了一大步。
无缝移动的主要挑战之一是可靠的水平和垂直切换机制的可用性。
水平和垂直切换是未来4G通信的主体部分。
本文展现了切换不同侧面的指南，讨论切换设计和相关问题的性能。
讨论了一些切换机制最令人满意的特点。
切换分为自主切换和强制切换，给出了每种切换分类的场景。
最后，提出垂直切换判决函数VHDF，当在异构无线网络中漫游时。
通过仿真，证明了VHDF的有效性和可行性。
参考文献:
[1]Q.Zhangetal.,“EfficientMobilityManagementforVerticalHandoffbetweenWWANandWLAN,”IEEECommun.Mag.,vol.41,no.11,Nov.2003,pp.102–08.
[2]L.-J.Chenetal.,“ASmartDecisionModelforVerticalHandoff,”4thANWIREInt’l.Wksp.onWirelessInternetandReconfigurability,Athens,Greece,2004.
[3]R.Chakravortyetal.,“OnInter-networkHandoverPerformanceusingMobileIPv6.”Univ.ofCambridgeComp.Lab.,tech.rep.,June2003.
[4]J.McNairandF.Zhu,“VerticalHandoffsinFourth-GenerationMultinetworkEnvironments,”IEEEWirelessCommun.,vol.11,no.3,June2004,pp.8–15.
[5]C.Guoetal.,“ASeamlessandProactiveEnd-to-EndMobilitySolutionforRoamingAcrossHeterogeneousWirelessNetworks,”IEEEJSAC,vol.22,no.5,June2004,pp.834–48.
[6]N.NasserandH.Hassanein,“RadioResourceManagementAlgorithmsin
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