从3G向4G发展的无线通信网络，覆盖技术种类广泛，每一网络都具有自身特有的优势和不足[1]。运营商和用户对无线频谱资源的需求相互对立，一方面运营商要求在容量有限的通信系统接纳更多的用户；另一方面用户要求获得带宽大、实时的服务质量。由此可以看出，运营商需要在有效利用有限频谱资源的同时，满足用户的服务要求，这是一个需要折中选择的问题[2]。
    目前，基于不同通信网络的下一代无线通信系统要求实现无缝垂直切换，其分析模型研究主要采用区分不同业务的优先级，结合不同网络信道的分配机制，建立业务状态转移模型[3-4]。对于垂直切换判决机制，一类为利用可得到的各种参数(包括可用带宽、接入开销、发射功率以及延时等)执行严格的切换判决[5]；另一类采用模糊逻辑算法执行切换判决[6-8]，通过用户参数和网络参数来体现移动性和异构性，但是该方法不能动态调整可用信道的分配。LEE H等提出一种可调节资源分配算法(AREAS)[9]，在实现提升频谱利用率的同时，保持较低的阻塞率和掉话率，但是该算法针对的是水平切换。本文提出一种联合无线资源分配机制的垂直切换算法(VHO-J)，利用动态信道分配机制、区分业务类型的准入控制和负载均衡机制，实现垂直切换的有效执行。
1 垂直切换的业务划分
    目前3G通信标准将系统业务划分为会话类、流类、交互类和后台类4种，交互类业务和后台类业务对延时、误码率和抖动要求低，两者的传输速率接近，速率范围为5~100 kb/s，在此将其记为第一类(T1);而流类业务对这三个指标要求次之，速率范围为32~384 kb/s，记为第二类(T2);会话类业务对其要求最高，其中会话类业务的语音电话和视频电话的传输速率相差较大，前者速率范围为15~25 kb/s，后者速率范围为256~384 kb/s，则将其记为第三类(T3)和第四类(T4)。T1和T2的最大最小速率差异大，其带宽波动适应性强；而T3的最大最小速率差异小，其带宽波动适应性较差。则在呼叫接入网络时，各个业务的接入优先级由高到低的顺序为T3、T4、T2和T1。
2 基于联合无线资源管理的改进型VHO算法(VHO-J)
    为了提高无线异构环境的切换和新呼服务质量，提出一种联合负载均衡控制、带宽借用的改进型VHO算法(VHO-J)，针对新呼、向上垂直切换呼叫、向下垂直切换呼叫三类业务采用不同的准入控制，联合负载均衡控制、带宽借用实现性能显著改善的垂直切换。
    定义：(1)向上垂直切换(VHO-1)：从WLAN到UMTS的切换；    (2)向下垂直切换(VHO-2)：从UMTS到WLAN的切换。
    VHO-J算法首先完成系统信息的初始化，即测量两个网络的初始负载量；随后更新系统信息，包括更新用户的新位置、移动速度以及网络带宽变化，对两个网络的负载和带宽进行相应的更新；接着对新呼、VHO-1、VHO-2三个不同业务采用联合负载均衡、准入控制和带宽借用机制按照不同业务要求，执行相应的切换判决；从而移动用户完成通信。
2.1 区分业务类型的负载均衡机制
    在UMTS和WLAN两种网络的负载差异很大时，VHO-J采用的负载均衡机制允许重载网络的合适业务强制切换至轻载网络，以减轻重载网络的负荷，即用户在UMTS向WLAN方向移动时,将T3业务强制切换到WLAN，因为T3在接入过程中不会主动选择WLAN；而在WLAN向UMTS方向移动时,用户会优先把T3业务切换回UMTS，同时将延迟不敏感且带宽占用小的T1业务切换至UMTS。其他情况发生时，不执行负载均衡。
    为了提高VHO-J的执行速度，负载均衡机制采用固定门限，即UMTS网络的可用带宽(BWa)低于其总带宽(BWu)的20%为重载状态。而可用带宽大于总带宽的50%为轻负载。考虑到WLAN需要为其他固定设备提供无线服务，则其可用带宽小于其总带宽(BWu)的60%时为重载,当可用带宽量高于总带宽的80%时为轻载状态。
2.2 准入控制机制
    对于新呼、VHO-1和VHO-2三种业务,需要根据不同业务的接入优先级，决定接入控制的处理。由于中断正在进行的通话比拒绝一个新呼更让用户不满，即依据用户效用的观点，切换比新呼应有更高的接入优先级，则VHO-J的准入机制首先满足切换业务最小带宽的需要，然后再接入新呼。VHO-1和VHO-2根据不同业务执行不同的切换策略，并且联合带宽借用方法，则具体执行机制见2.3节。根据业务类型的不同，新呼的接入机制如下：
    (1)T1和T2首选WLAN，UMTS次之，接入带宽按照最大带宽、平均带宽、最小带宽的顺序依次尝试接入，当网络的可用带宽无法满足最小带宽时,则新呼发生阻塞；
    (2)T3业务首选UMTS，当UMTS可用带宽不能满足最小带宽时，则尝试接入WLAN，如果WLAN未覆盖该用户，则执行带宽借用；
    (3)T4业务按照(1)执行接入，区别在于当UMTS不能提供最小带宽时，用户可以执行带宽借用机制。
2.3 联合带宽借用的垂直切换机制
    VHO-1算法(如图1)根据不同业务执行相应接入机制，T1和T2按照平均带宽(BWavg)、最小带宽(BWmin)逐级尝试接入UMTS；T3和T4逐级按照最大带宽(BWmax)、平均带宽、最小带宽尝试接入UMTS。若UMTS的可用带宽未满足业务的最小带宽,因此T1和T2将掉话，而T3、T4业务启动带宽借用。由于非实时数据业务能够适应带宽的短时波动,因此VHO-J的带宽借用机制要求T1和T2不能进行带宽借用，允许T3、T4借用T1或者T2的带宽，这里T3、T4借用的带宽是业务最小带宽。带宽借用机制要求把网络中所有使用最大带宽的T1业务降为平均带宽；若不能满足切换用户，把所有使用最大带宽的T2业务降为平均带宽；若依然不能满足，把所有占用平均带宽的T1业务降为最小带宽；若还不能满足，把所有占用平均带宽的T2业务降为最小带宽；若依然不能满足，则带宽借用失败。

    与VHO-1的目标不同，VHO-2算法(如图2所示)的目标是优化业务性能，即业务能够获得更好的带宽，VHO-2不会出现掉话。当WLAN的可用带宽仅为最小带宽时，所有业务都不必执行切换。当WLAN的可用带宽充足时，T1、T2和T4会主动切换至接WLAN以获得更大带宽，而T3不会为了获得更高带宽切换至WLAN。

3 仿真模型与结果分析
3.1 网络模型和业务模型
    3GPP 制定的3G-WLAN 互通规范以保证下一代无线移动通信系统在分层异构网络下的业务连续性和无缝切换为目标，规范中研究的切换包括UMTS 到WLAN 和WLAN 到UMTS，与本算法的VHO-1和VHO-2相对应。按照如图3所示的无线异构网络中主机的移动场景，仿真实验采用UMTS和WLAN的网络覆盖半径分别为500 m和250 m、网络最大带宽分别为11 MB和2 MB，通过Matlab数值实验分析VHO-J算法的切换性能。
    UMTS和WLAN中4种业务的到达函数和服务时间函数为泊松流，其相关参数见表1。VHO-J算法的性能指标为阻塞率、掉话率，仿真实验考察20 min内的网络运行状况，以10 s为抽样周期，负载均衡函数采样周期为30 s。
3.2 VHO-J算法的仿真和分析
3.2.1 阻塞率
    VHO-J算法为T3、T4业务提供带宽借用机制，分配资源优先级由高到低的顺序为T3、T4、T2和T1，而T4的传输带宽最大,T1的传输带宽最小，则T3具有最小的阻塞率，T1业务的阻塞率略高于T3；T4业务由于自身带宽占用量大，在负载重的情况下阻塞率很大；T2业务与T4业务具有相似的阻塞率,如图4所示。

3.2.2 掉话率
    由于VHO-J算法的准入控制给予切换业务比新呼更高的接入优先级，切换呼叫能够优先分配到带宽，而新呼在剩余可用带宽中获得信道资源，因此4种业务的掉话率明显低于阻塞率(如图5所示)，同时这也是造成网络阻塞率较高的原因。T3业务具有带宽分配的最高优先级，而且带宽需求低，则其掉话率很低，几乎不发生掉话；T4业务的掉话率高于T1和T2业务，这也归咎于T4的带宽占用量最大，因此发生阻塞和掉话的概率明显增加。
3.3 VHO-J算法与AREAS算法的对比分析
3.3.1 阻塞率
    AREAS算法对每种业务都支持借用带宽，而VHO-J算法仅允许T3、T4采用带宽借用，显然AREAS算法的新呼能够获得更多的带宽资源，这以降低T3、T4业务的传输性能为代价。由图6可以看出，VHO-J算法中T1的阻塞率明显高于AREAS，T3反之，其原因是T3在VHO-J具有最高的接入优先级；另一方面，由于T1的带宽要求远低于T3，这就产生AREAS算法T1业务的阻塞率最低的结果。

3.3.2 掉话率
    由于VHO-J算法的切换业务具有分配带宽资源的优先级，所以AREAS算法的切换和新呼具有相同等级。由图7看到，VHO-J算法的T1和T3的掉话率都低于AREAS，而且VHO-J算法的掉话率明显低于其阻塞率，而AREAS算法的掉话率与阻塞率基本相同。这样从用户角度出发，会更满意VHO-J算法。

    本文提出一种区分业务类型的垂直切换算法(VHO-J)，通过联合准入控制、切换管理、带宽借用的无线资源管理技术，在UMTS和WLAN互通的异构网络模型上实现并验证该算法。同时，建立基于Matlab的无线资源管理模块化平台，分析VHO-J算法的通信性能，并与AREAS算法的阻塞率和掉话率进行对比分析，得到的性能分析结果是VHO-J算法的掉话率明显低于AREAS算法，这是以牺牲T1和T2的阻塞率为代价，T3业务的接入优先级最高，其阻塞率也得到保证。总之，VHO-J算法的切换性能好，适合支持多业务通信的无线异构网络。
参考文献
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