专利名称：一种异构无线网络快速切换协议流程的制作方法
技术领域：
本发明属于通信技术领域，涉及ー种异构无线网络快速切换协议流程，可支持移动终端在异构无线网络间的快速切換。
背景技术：
近年来，随着半导体技术、微电子技术和计算机技术的发展，各种无线通信技术也快速发展，更高的传输速率、更大的系统容量、更高的服务质量以及更加合理高效的资源使用是未来移动通信系统的发展趋势。随着通信技术的不断发展，各种无线接入网络纷纷涌现，如WLAN、WiMAX、UMTS、Bluetooth等，它们与传统的蜂窝网络一起，组成了ー个统一而又复杂的异构无线网络环境。与此同时，人们对无线网络服务的期望也越来越高，希望能够随时随地快速接入到网络中并获得较好的服务，即所谓的ABC(Always Best Connected)。当用户移出当前网络的覆盖范围吋，MT (Mobile Terminal，移动终端)需要将正在通信的链路切换到另一个网络中去，从而保证用户正在进行业务的连续性。合适的切换协议流程能够缩短切换过程中的时延，从而保证用户的QoS(Quality of Service,服务质量)连续性,为用户提供无缝体验。因此，设计ー种合适的快速切换协议流程是实现用户在未来复杂的异构无线网络环境中随时随地获得高质量服务的关键技术之一。通常，整个切换协议流程主要包括切換初始化阶段、切換准备阶段和切換执行阶段。切換初始化阶段主要完成系统发现，确定候选网络集合等；切換准备阶段主要是选择目标网络、确定切換触发时间等；切換执行阶段主要是与目标网络建立链接，随后释放原有链路资源等。这三个阶段的耗时共同组成了切换总时延，同时这三个阶段中的具体实现过程会影响到用户在切换过程中的服务质量。认知无线网络是ー个具有自我感知、自我判断和自我决策能力的网络系统，它能够自主地感知当前网络的状况，并且通过感知到的信息，对整个通信网络系统进行规划并做出合理的决策。在一个认知无线网络环境中，移动终端和基站都具有认知功能，能够感知环境信息。因此，基于有效的认知资源管理架构，设计合理的切换协议流程，充分利用认知能力，综合考虑用户的服务体验以及网络的资源使用情况等因素，可以实现用户QoS保障与网络资源使用率的提高。近几年，许多专家学者对异构无线网络间的切換协议进行了大量研究，大体可分为两个方向基于MIP (Mobile Internet Protocol,移动IP)的切换机制和基于端到端的切换机制。基于MIP的切换机制是在MIP (如MIPv4、MIPv6)的基础上，通过在网络路由模块上增加移动代理功能(如家乡代理HA和外地代理FA)，实现移动终端在不同网络间的切换，其操作主要集中在网络层以下，该方案里然能够实现移动终端在不同网络间的移动性支持，但是其需要在相应的网络设备上增添移动性代理等附加功能，加大了网络的复杂性，同时在切换过程中会引入较大的延迟。基于端到端的切換机制主要包括传输层方法、应用层方法和介于传输层和网络层之间的方法。传输层的方法主要是通过更改现有传输层协议(如TCP、UDP协议)来实现系统间的切換，其优点在于不需要路由模块的移动代理功能便可以实现端到端控制，能够大幅度地提高网络性能，但是需要重新编写现有的协议，工作难度较高，任务量较大。应用层方法是在传输层之上添加新的会话层协议来实现的，这种方法灵活性高且功能強大，可以实现真正的个人移动，但是同样需要对现有网络协议进行修改。介于传输层和网络层之间的方法通过在传输层和网络层之间添加切換探测和连接管理功能模块，实现移动终端在异构无线网络间的无缝切换，该方法同样存在需要修改现有的网络协议的问题。总体来讲，基于具体高层协议的优化，其通用性较差，并且会引入较大的切换时延，此外，不稳定的无线链路状态、有限的移动终端资源以及由于用户在网络间移动所带来的无线链路特征的变化，都会影响切换的性能。F. Cacace 等人 2006 年在 Proceedings of the 4th international workshopon Wireless mobile applications and services on WLAN hotspots 发表的((ManagingMobility and Adaptation in Upcoming 802.21 Enabled Devices)) 一文中提出了通过对服务连续性、移动性策略、节省功耗以及应用层的自适应支持合并的机制来优化切換的方案，文中提出使用移动性管理模块来实现上述各个功能的合井，这样减小了 802. X网络之 间和802. X与非802. X网络之间的切換时延。尽管通过仿真证明，该方案与没有采用这种机制的方法相比，切換时延缩短了 75%，但是该方案的适用范围有限，不适用于其他无线网络技木，同时其对移动性管理模块的高要求，一般设备很难实现。A. Dutta等人2006年在 World Telecommunication しongress 发表的((secured Seamless Convergence acrossHeterogeneous Access Networks》一文中提出采用快速重认证机制可以实现无缝切换,其原理是通过预认证、预配置机制和隧道技术来減少切换时延和丢包率。但是该方案主要是针对特定移动性协议具体过程的改进，需要提供隧道技术来控制丢包率，而且需要移动用户端和无线网络端的软硬件支持，实现难度较大，通用性不好。从上面的分析可以看出，现有的各种异构无线网络切换协议通用性较差，会引入较大的切换时延，大多需要修改现有的网络协议和相应的网络设备的支持，工作量和难度都比较大，尚无方案充分利用认知无线网络的认知功能来支持切换协议流程。
发明内容
为了解决上述技术问题，克服现有异构无线网络切换协议的不足，本发明提供一种异构无线网络快速切换协议流程，该流程通过对认知资源管理架构中认知功能管理实体的合理使用，合理安排调度切换各阶段的相关操作，实现切換的性能优化第一，通过NRM(Network Reconfiguration Manager,网络重构管理器)、RNRM(RAN ReconfigurationManager,无线接入网重构管理器)及TRM (Terminal Reconfiguration Manager,终端重构管理器)的信息交互，实现对全局信息的掌握；第二，在切換准备过程中，收集各候选网络详细參数信息和MT的业务需求信息，当无线接入网需要同时向终端侧和网络侧请求信息吋，将传统的串行操作方式改为并行执行，缩短了切換准备时间；第三，将资源预留机制从切换执行阶段提前到切換准备阶段，提早通知目标网络为MT预留资源，最大限度地规避资源预留不及时对通信产生的负面影响，提高了切換接入成功概率。其技术方案如下ー种异构无线网络快速切换协议流程，包括以下步骤I)当前网络的RMC(RAN Measurement Collector,无线接入网信息搜集器)和终端侧的TMC (Terminal Measurement Collector,终端信息搜集器)周期性地感知各自的周围环境，并将周围环境信息提供给相关信息处理模块，MT周期性地通过RE (Radio EnabIer，无线使能器)将其状态信息与周围环境信息发送到当前网络的RNRM ；2)当前网络的RNRM根据MT上报的信息，预测MT的运动轨迹；3)当发现MT需要发起切换以维持业务连续性时，由当前网络的RNRM向其上级的NRM请求周围网络信息，结合预测的运动信息与网络拓扑信息，确定候选网络集合；4)根据候选网络集合，当前网络的RNRM向TRM和其上级的NRM分别发送QoS需求信息请求和QoS保障能力信息请求，而后根据响应信息进行网络可用性检测，最終确定目标网络；5)当前网络的RNRM向MT发送目标网络的相关信息，同时向目标网络所在域的NRM发送资源预留请求，目标 网络在收到资源预留请求后采用相应措施为MT预留资源，MT在收到目标网络选择结果后，周期性地监测当前和目标网络的信号质量，确定最佳切換触发时间；6)切换执行，TRC (Terminal Reconfiguration Controller,终端重构控制器)和RRC (RAN Reconfiguration Controller,无线接入网重构控制器)分别控制MT和网络重构，MT首先与目标网络建立新链接，随后与原来网络断开链接。与现有技术相比，本发明的有益效果(I)本发明利用认知资源管理架构中认知功能管理实体，掌握信息更全面，以便合理地做出决策，更好地支持异构无线网络间的快速切換。(2)本发明主要由认知功能管理实体RNRM、NRM和TRM管理整个切换过程，在切换准备阶段，当RNRM需要同时获取終端和网络的相关信息吋，将传统的串行操作方式改为并行执行，缩短了切換准备时间。(3)本发明由于将资源预留机制从切换执行阶段提前至切換准备阶段，提早通知目标网络为MT预留所需资源，最大限度地规避资源预留不及时对通信产生的负面影响，堤高了 MT的切換接入成功概率，保证了 QoS连续性，可实现快速切換。
图I为本发明技术方案的流程图；图2是本发明的移动终端移动场景图；图3是本发明的快速切换协议流程图；图4是本发明的仿真用户移动场景图；图5是本发明的仿真网络信号状态图；图6是在上行切换过程中本发明与传统切换协议的平均切换耗时性能比较图；图7是在下行切换过程中本发明与传统切换协议的平均切换耗时性能比较图；图8是本发明与传统切换协议的切換接入成功概率性能比较图。
具体实施例方式下面结合附图具体实施方式
对本发明的方法作进ー步详细地说明。參照图1，ー种异构无线网络快速切换协议流程，包括以下步骤
MT周期性地向发送终 端相关信息报告，当前网络的RNRM预测MT的运动轨迹；在MT需要发起切换以维持业务连续性吋，由当前网络的RNRM预先为MT选定目标网络，同时通知目标网络为MT预留所需资源，如果目标网络没有足够的空闲资源，则可以采用负载均衡技术将一部分用户切出当前网络或者根据业务优先级挂起部分业务，预留出足够的空闲资源；MT监测当前网络和目标网络的接收信号強度，选择合适的时间触发切換执行过程；切换触发后，MT首先与目标网络建立链接，随后释放原有链路资源，以保证用户所要求的服务质量。在切換准备阶段，当RNRM需要同时获取终端侧和网络侧的相关信息时，本发明采取并行执行的方式，缩短切换准备时间。此外，在确定目标网络之后，立刻采用资源预留机制提前为MT预留资源，而不像以往方案中，直到切换执行时才进行资源预留，保证MT在接入目标网络时有足够的资源可用，从而提高了切換成功率。图2是本发明的移动终端移动场景图，从图中可以看出，网络侧NRMl和RNRMl共同管理着WiMAX网络资源，而对于WLAN网络，其网络管理者为NRM2和RNRM2。假设MT起初通过WiMAX网络进行通信，在移动过程中，由于用户移动，靠近当前网络覆盖范围边界吋，链路质量下降，无法继续满足用户的业务需求，因此需要向WLAN网络发起切换以保持MT的业务连续性。參照图3，本发明的切换协议流程，具体实现过程如下(I)网络监测阶段TMC收集终端的环境信息，该信息随后提供给TRM进行分析处理。同吋，RMC收集静态和动态的网络环境信息，并将其提供给RNRM进行分析处理，通过TRM和RNRM之间的信息交互，RNRM制定无线资源选择策略，并确定其约束条件。随后，将决策结果发送给TRM，TRM根据接收到的策略和约束信息，进行相应的操作。上述这些过程都是周期性执行的，通过终端和网络的相关认知功能管理实体获得信息并交互。(2)切換初始化阶段当前服务的RNRMl通过分析MT周期性上报的信息，在MT可能即将离开当前覆盖小区的服务范围，或者由于用户业务改变而当前服务小区不能满足其服务需求吋，提前进行切换初始化操作。RNRMl根据终端上报的位置等信息，进行移动性预测，得到MT的移动速度、移动方向和未来的运动轨迹等信息。同吋，由于RNRMl仅掌握其所管辖的WiMAX网络的相关信息，对于其它周边网络的信息，需要向其上层的管理者NRMl发送请求消息进行索取。NRMl发现MT周围存在WLAN网络后，向WLAN网络的管理者NRM2和RNRM2发送网络信息请求消息，待RNRMl收到网络信息响应后，结合MT运动信息，确定候选网络集合(WiMAX+WLAN)，完成网络发现过程。(3)切換准备阶段在确定候选网络集合后，需要进行切换准备操作，其中包括检测网络可用性、确定目标网络、预留网络资源和确定触发时间等过程。首先，RNRMl对候选网络进行检测网络可用性。RNRMl向MT发送所需QoS信息请求消息，获取终端所要求的QoS约束条件，同时向各个候选网络发送QoS保障能力信息请求消息，获取各个网络所支持的QoS信息；其次，RNRMl根据终端和各候选网络发回的响应消息，检测各个候选网络是否能够保证用户的QoS需求，RNRMl根据检测结果，结合用户喜好、安全性、功率损耗等參数确定目标网络(此处为WLAN)。然后，RNRMl向终端发送目标网络相关信息，移动终端周期性地监测目标网络WLAN和当前网络WiMAX的信号強度，根据专利《基于自回归模型预测的用户切换触发时间选择方法》中所提出的切換触发时间选择方法，确定最佳切换触发时间。同吋，RNRMl向目标网络WLAN的管理者NRM2和RNRM2发送资源预留请求。RNRM2收到该请求消息后，采用合适的资源预留方案，在WLAN网络中为该MT预留一定的网络资源，同时设定资源预留时间，避免因切換MT长时间未接入目标网络而造成资源的浪费；随后经过相反的路径，将资源预留响应发回给RNRMl。(4)切換执行阶段触发切换后，TRM命令終端重构控制器TRC进行终端重构，TRC完成终端的重构后，向TRM发回重构确认消息。然后，MT开始与目标网络WLAN建立新的链接，即向RNRM2发送新链路建立请求。RNRM2收到该请求后，通知无线接入网重构控制器RRC2进行WLAN基站的重构，并将重构确认消息返回给RNRM2。随后，RNRM2告知MT新链路建立成功。移动终端与WLAN基站建立好新链路后，就可以进行数据传输。最后，新链路稳定后，TRM请求RNRMl断开MT与WiMAX网络的旧链接。RNRMl收到该消息后，告知RRCl进行WiMAX基站重构，释放原来链路资源，并将断开链路资源响应反馈给MT。至此完成了整个切换过程。以下对本发明的技术效果做进ー步详细描述(I)仿真的系统參数为了验证本发明切换性能，仿真的用户移动环境主要包括WLAN网络和WiMAX网络，其中各个网络所采用的信道模型及相关參数如下WiMAX网络信道传输采用Cost231-Hata模型，其模型如下所示L(dB) = 46. 3+33. 91gfc-13. 82Ighb-a (hm) + (44. 9-6. 55Ighb) lgd+K〈I〉其中f。为载波频率(MHz)，hb为基站发射天线高度(m)，hm为移动终端天线高度(m)，a (hm) = 3. 2[lgll. 75hm]2_4. 97为市区天线校正因子(dB)，d为基站与移动终端之间的距离(km)，K为地域修正因子(dB)，仿真场景中所采用的具体參数如表I中所示。表IWiMAX网络信道传输模型參数设置
权利要求
1.一种异构无线网络快速切换协议流程，包括网络监测阶段、切换初始化阶段、切换准备阶段、切换执行阶段 其中所述网络监测阶段，具体为 步骤I)当前网络的无线接入网信息搜集器(RMC)和终端信息搜集器(TMC)周期性地感知各自的周围环境，并将周围环境信息提供给相关信息处理模块，移动终端(MT)周期性地通过无线使能器(RE)将其状态信息与周围环境信息发送到当前网络的无线接入网重构管理器(RNRM)； 步骤2)当前网络的无线接入网重构管理器(RNRM)根据移动终端(MT)上报的信息，预测移动终端(MT)的运动轨迹，当发现移动终端(MT)需要发起切换以维持业务连续性时，进入切换初始化阶段； 所述切换初始化阶段，具体为 步骤3)当前网络的无线接入网重构管理器(RNRM)向其上级的网络重构管理器(NRM)请求周围网络信息，结合预测的移动终端(MT)运动信息与网络拓扑信息，确定候选网络集合； 所述切换准备阶段，具体为 步骤4)根据候选网络集合，当前网络的无线接入网重构管理器(RNRM)向终端重构管理器(TRM)和其上级的网络重构管理器(NRM)分别发送QoS需求信息请求和QoS保障能力信息请求，而后根据响应信息进行网络可用性预测，最终确定目标网络； 步骤5)当前网络的无线接入网重构管理器(RNRM)向移动终端(MT)发送目标网络的相关信息，同时向目标网络所在域的网络重构管理器(NRM)发送资源预留请求，目标网络在收到资源预留请求后采用相应机制预留资源，移动终端(MT)在收到目标网络选择结果后，周期性地监测当前和目标网络的信号质量，确定最佳切换触发时间； 所述切换执行阶段，具体为 步骤6)终端重构控制器(TRC)和无线接入网重构控制器(RRC)分别控制移动终端(MT)和网络重构，移动终端(MT)首先与目标网络建立新链接，随后与原来网络断开链接； 其特征在于，所述切换准备阶段步骤4)中QoS需求信息请求和QoS保障能力信息请求采用并行执行的方式通过不同的接口同时发送，步骤5)中的资源预留操作从切换执行阶段提前到切换准备阶段执行。
全文摘要
本发明公开了一种异构无线网络快速切换协议流程，该流程的主要实现过程包括移动终端周期性地向无线接入网发送移动终端相关信息报告；网络侧的无线接入网重构管理器预测用户的运动轨迹；在移动终端需要发起切换以维持业务连续性时，结合预测的运动信息与网络拓扑信息，确定候选网络集合；由当前网络的无线接入网重构管理器预先为移动终端选定目标网络，同时通知目标网络为移动终端预留所需资源；移动终端监测当前网络和目标网络的接收信号强度，确定最佳切换触发时间；切换触发后，移动终端首先与目标网络建立链接，随后释放原有链路资源。本发明可以减少异构无线网络间切换的切换时延，提高切换成功率，保证业务服务质量和连续性。
文档编号H04W36/00GK102625378SQ20121004861
公开日2012年8月1日 申请日期2012年2月29日 优先权日2012年2月29日
发明者侯蓉晖, 史亭文, 李建东, 李红艳, 赵林靖, 马英红, 黄金晶 申请人:西安电子科技大学