（计算机系统结构专业论文）ngi中abc支持型重路由机制的设计与仿真实现.pdf

0 ，轴n 专 参二熬廖葭。 ， ， 0二；”0， ：， i i ii ii lll l i ii l li lllll ；y 18 4 4 719 at h e s i sf o rt h ed e g r e eo fm a s t e r i nc o m p u t e ra r c h i t e c t u r e d e s i g na n ds i m u l a t e di m p l e m e n t a t i o no f r e r o u t i n gm e c h a n i s mw i t ha b c s u p p o r t e d i nn g i b ys u ny o u z h i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n gx i n g w e i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 ， 1， p￥f ；爹， h零 譬l q 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：翻、芡志， 日 期：2 啦“ 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年衫一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：初、丧志 签字日期：加眵、形 导师签名： 签字日期： 加。夙以 ，f ijiq-i 1 1 _ _ r r 分吖f 、- ，i 从 l 、 东北大学硕士学位论文摘要 n g i 中a b c 支持型重路由机制的设计与仿真实现 摘要 在下一代互联网n g i ( n e x tg e n e r a t i o ni n t e r n e t ) 中随时随地享受高质量的网 络服务已经成为人们迫切的要求，这就要求n g i 在通信开始和进行期间支持用户 总最佳连接a b c ( a l w a y sb e s tc o n n e c t e d ) ，允许用户以最优方式连接并使用服务。 但由于用户在移动的过程中发生切换，将会导致通信中断与分组丢失，影响到用 户的服务质量q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 。因此，本文设计了一种支持a b c 的重路 由机制来有效保障用户的q o s 。 首先，为了使重路由机制更好地支持a b c ，在计算用户偏好时还加入了用户 对于蜂窝覆盖范围与蜂窝发射功率的偏好，这样就能有效地保证用户在高速运动 中或者剩余电量较低时的q o s 。其次，网络提供商针对用户应用类型提供若干个 服务策略，每种服务策略的最终定价由带宽单价与该种策略对应的浮动单价共同 决定。 为了使重路由之后的q o s 得到保障，结合层次蜂窝结构，本文将资源预留分 为两种类型，即垂直预留与水平预留。垂直预留主要是针对蜂窝内部用户的效用 降低而为用户选择一个使用户效用最大的蜂窝作为垂直预留目标蜂窝。水平预留 主要是使用用户当前的运动参数计算其可能到达的蜂窝的访问概率，并将访问概 率较大的蜂窝作为水平预留目标蜂窝。 为了使得重路由机制快速有效，尽可能降低开销，本文设计的重路由机制需 要资源预留作为辅助。在满足优化目标的同时，通过从原接入路由器逆向寻找一 个交叉路由器，在交叉路由器与新接入路由器之间进行局部路径重建。因此，极 大地减少了需要进行资源预留的链路数。 基于n s 2 仿真实现了上述机制，并进行了性能评价，结果表明，本文设计的 机制是可行和有效的。 关键词：下一代互联网；总最佳连接；重路由；服务质量；资源预留 - i 卜 ， 罨嚣嚣#；：轧”；l龟， i 舻 110 爷“f 0 0 拇。 一0 l q l 。， y 东北大学硕士学位论文 d e s i g n a n ds i m u l a t e d i m p l e m e n t a t i o no f r e r o u t i n g m e c h a n i s mw i t ha b c s u p p o r t e d i nn g i a b s t r a c t i th a sb e e nt h eu r g e n td e m a n dt oe n j o yt h eh i g hq u a l i t yn e t w o r ks e r v i c ea n yt i m e a n da n yp l a c ei nn g i ( n e x tg e n e r a t i o ni n t e m e t ) ，w h i c hi n d i c a t e st h a tn g im u s t s u p p o r ta b c ( a l w a y sb e s tc o n n e c t e d ) a tt h eb e g i n n i n g o fa n d d u r i n g t h e c o m m u n i c a t i o ni no r d e rt oa l l o wu s e r sb o t ht oc o n n e c ta n du s es e r v i c e si nt h eb e s tw a y h o w e v e r , h a n d o f fc a u s e db yu s e r sm o v e m e n tw i l l l e a dt ot h e i n t e r r u p t i o no f c o m m u n i c a t i o na n dl o s so f p a c k e t s ，w h i c hb r i n g sg r e a ti n f l u e n c eo nu s e r sq o s i nt h i s t h e s i s ，ar e r o u t i n gm e c h a n i s mw i t ha b cs u p p o r t e di sd e s i g n e d , t oe n s u r eu s e r sq o s e f f e c t i v e l y f i r s t , c e l lc o v e r a g ea n dt r a n s m i t t i n gp o w e ra r ea d d e di n t ou s e rp r e f e r e n c et o s u p p o r ta b ci nt h er e r o u t i n gm e c h a n i s m i nt h i sw a y , u s e r sq o sc a nb ee f f e c t i v e l y g u a r a n t e e dw h e nh eo rs h ei sm o v i n gw i t hh i g h e rs p e e do rl o w e rr e m a i n i n gb a t t e r y c a p a c i t y s e c o n d ，s e v e r a ls e r v i c ep o l i c i e sa r eo f f e r e db yn e t w o r kp r o v i d e r sa c c o r d i n g t ou s e r sa p p l i c a t i o nt y p ea n dt h ef i n a lp r i c i n go fe a c hs e r v i c ep o l i c yi sj o i n t l y d e t e r m i n e db yt h eb a n d w i d t h p r i c ea n df l o a t i n gp r i c e a c c o r d i n gt ot h eh i e r a r c h i c a lc e l ls t r u c t u r e ，r e s o u r c er e s e r v a t i o ni sd i v i d e di n t o t w ot y p e s ，t h a ti s ，v e r t i c a la n dh o r i z o n t a lr e s e r v a t i o nt og u a r a n t e eq o sa f t e rr e r o u t i n g v e r t i c a lr e s e r v a t i o ni sm a i n l yd e s i g n e dw h e nt h eu t i l i t yo fu s e rl o c a t e di nt h ec e l l s i n n e rs e c t i o ni sd e c r e a s e da n dt h ec e l lw h i c hc a nm a x i m i z eu s e r su t i l i t yw i l lb e s e l e c t e da st h et a r g e tc e l lf o rv e r t i c a lr e s e r v a t i o n v i s i t i n gp r o b a b i l i t i e so ft h ec e l l s w h i c hc a nb er e a c h e db yu s e ri sc o m p u t e dw i t hu s e r sc u r r e n tm o t i o np a r a m e t e r sa n d t h ec e l l sw i t hh i g h e rp r o b a b i l i t i e sw i l lb ec h o s e na st h et a r g e tc e l l sf o rh o r i z o n t a l r e s e r v a t i o n 。 r e r o u t i n gs h o u l db ea i d e db yr e s o u r c er e s e r v a t i o nt ob e c o m ef a s ta n de f f e c t i v e w i t hl o w e ro v e r h e a d s w h i l es a t i s f y i n gt h eo p t i m a lg o a l ，ac r o s sr o u t e ri sf o u n do u t f r o mt h ep r e v i o u sa c c e s sr o u t e rr e v e r s e l y a f t e rt h a t ，l o c a lp a t hr e e s t a b l i s h m e n ti sm a d e b e t w e e nt h ec r o s sr o u t e ra n dt h en e wa c c e s sr o u t e r t h e r e f o r e ，t h en u m b e ro fl i n k s r e q u i r i n gr e s o u r c er e s e r v a t i o ni sg r e a t l yr e d u c e d t h em e c h a n i s ma b o v ei si m p l e m e n t e db a s e do i lt h en s 2 s i m u l a t i n gp l a t f o r m a n d i i 卜 东北大学硕士学位论文垒! ! 堕! _ _ 一一 t h er e s u l t sa r ea n a l y z e da n ds h o wt h a tt h em e c h a n i s m i sf e a s i b l ea n de f f e c t i v e k e y w o r d s ：n e x tg e n e r a t i o ni n t e r n e t ；a l w a y sb e s t c o n n e c t e d ；r e r o u t i n g ；q u a l i t y o f s e r v i c e ；r e s o u r c er e s e r v a t i o n i v 吨 p ， 0 争 p ， p 。l 0 _ * 竹 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要】0 【 a b s t r a c t 1 i 第1 章绪论1 1 1n g i 1 1 1 1n g i 概述1 1 1 2n g i 主要特征2 1 1 3n g i 体系结构2 1 2 总最佳连接4 1 3 切换管理4 1 3 1 切换管理概述。4 1 3 2 切换类型5 1 3 3 切换触发因素。5 1 3 4 切换过程6 1 4 重路由6 1 4 1 资源预留与运动预测7 1 4 2 重路由机制8 1 4 3a b c 支持型重路由机制需求分析9 1 5 课题来源。10 第2 章模型设计l l 2 1 网络模型1 1 2 1 1 链路描述一1 1 2 1 2 蜂窝描述13 2 1 3 移动终端描述1 6 2 2 数学模型17 2 2 1 用户q o s 满意度计算18 2 2 2 成本与定价2 0 2 2 3 效用计算2 2 2 2 4 博弈分析2 3 第3 章基于运动预测的资源预留机制设计2 5 3 1 预留候选蜂窝的发现2 5 3 1 1 蜂窝发现的触发条件2 5 3 1 2 预留候选蜂窝的发现过程2 6 3 2 目标蜂窝选取与参数计算31 3 2 1 目标蜂窝选取：31 叫一 东北大学硕士学位论文 3 2 2 参数计算3 2 3 3 资源预留与q o s 协商3 3 3 3 1 资源预留3 3 3 3 2q o s 协商3 4 3 4 资源预留结果生成3 5 3 5 基于运动预测的资源预留流程3 5 第4 章在线快速q o s 重路由机制设计3 7 4 1 概述3 7 4 2 重路由触发条件3 7 4 3 上下文转移3 8 4 3 1 上下文转移的定义3 8 4 3 2 上下文转移的分类3 8 4 3 3 上下文转移对重路由的意义3 9 4 4 算法流程4 0 4 4 1 相关定义4 0 4 4 2 上下文转移处理流程4 2 4 4 3 重路由算法流程4 3 4 4 4n g i 中a b c 支持型重路由机制的总体流程4 5 、 第5 章仿真实现与性能评价。4 7 5 1 仿真环境4 7 5 1 1n s 2 仿真平台简介4 7 5 1 2n s 2 仿真环境的总体结构4 8 5 1 3 利用n s 2 进行仿真的方法和一般过程。4 9 5 2 仿真实现4 9 5 2 1 资源预留机制仿真实现4 9 5 2 2 重路由机制仿真实现5 0 5 3 性能评价51 5 3 1 拓扑用例5 l 5 3 2 运行用例5 6 5 3 3 基准算法5 7 5 3 4 资源预留性能评价6 0 5 3 5 重路由性能评价。6 6 第6 章结束语7 5 参考文献7 7 致谢8l 攻读硕士期间发表的论文8 3 v i 一 夸 1 ，i - p - j - 争 一 - 。 p 。 0 i 、 。7 一 - q _ 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1n g i 1 1 1n g i 概述 第1 章绪论 自从第一代互联网出现以来，以其为代表的信息网络已经渗透到社会生活的各个领 域，成为现代信息社会最重要的基础设施之一。然而，随着网络规模的持续膨胀和新的 网络应用需求不断增长，网络节点数目呈现出几何级数的增长，随之而来的是口地址 空间正变得日趋紧张。此外，目前的互联网在可扩展性、服务质量保证、网络安全和移 动性支持等方面还面临许多挑战。 下一代互联网n g i ( n e x tg e n e r a t i o ni n t e m e t ) 1 - 3 】就是为了解决目前互联网所存在 的上述问题而提出的。它是采用i p v 6 技术的高速互联网，使用i p v 6 协议，能提供更大 的m 地址空间，约为现有互联网的1 0 2 9 倍；数据传输速度更快，主干网和城域网传输 速率将比现在的互联网提高1 0 0 到1 0 0 0 倍；更安全可信；支持大规模实时交互式的网 络视频通信；支持大规模移动和漫游服务：更易于管理等【4 】。 n g i 是一个建立在i p 技术基础上的新型公共网络，能够容纳各种形式的信息，在 统一的管理平台下，实现音频、视频、数据信号的传输和管理，提供各种宽带应用和传 统电信业务，是一个真正实现宽带窄带一体化、有线无线一体化、有源无源一体化、传 输接入一体化的综合业务网络【5 j ，如图1 1 所示，它把不同的网络技术有机融合在一起， 使得在进行数据通信时，就好像在使用一个网络，即各个网络之间协作细节对于用户来 说完全透明。 图1 1 下一代互联网 f i g 1 1n e x tg e n e r a t i o ni n t e m e t 一1 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 2n g i 主要特征 n g i 的特征是“更大、更快、更安全、更及时、更方便、更可管理和更有效”嘲。 “更大”指的是n g i 将逐渐放弃i p v 4 ，启用i p v 6 地址协议，使得n g i 具有无比巨大的 地址空间和网络规模，接入网络的终端种类和数量以及应用都将极其广泛；“更快 指 的是实现1 0 0 m b p s 以上的端到端高性能通信；“更安全”指的是具有数据加密的功能； “更及时 是指n g i 可以提供组播和q o s 的传输控制等功能，开发出大规模实时交互 应用；“更方便指n g i 必须能够支持更方便、快捷的接入方式，支持终端的无线接入 和移动通信等；“更可管理 指可实现有序的管理和及时的维护；“更有效 指更有效的 运营和更有效的盈利模式。基于以上特点，未来的互联网将更方便，更及时，真正的数 字化生活即将来临。用户可以随时随地用任何一种方式高速上网，任何可能的东西都会 成为网络化生活的一部分。除此之外，其高度融合的特征还包含以下几个方面【_ 7 】： ( 1 ) 技术融合：电信技术、数据通信技术、移动通信技术、有线电视技术及计算 机技术相互融合，出现了大量的混合各种技术的产品，如路由器支持话音、交换机提供 分组接口等。 ( 2 ) 网络融合：传统独立的网络，固定与移动网络、话音和数据网络开始融合， 逐步形成一个统一的网络。 ( 3 ) 业务融合：未来的电信经营格局绝对不是数据和话音的地位之争，而更多的 是数据、话音两种业务的融合和促进；同时，图像业务也会成为未来电信业务的有机组 成部分，从而形成话音、数据、图像三种在传统意义上完全不同的业务模式的全面融合。 大量话音、数据、视频融合的业务，如v o d 、v o i p 、i p 智能网、w e b 呼叫中心等业务 不断广泛应用，网络融合使得网络业务表现更为丰富。 ( 4 ) 产业融合：网络融合和业务融合必然导致传统的电信业、移动通信业、有线 电视业、数据通信业和信息服务业的融合，数据通信厂商、计算机厂商开始进入电信制 造业，传统电信厂商大量收购数据厂商。 1 1 3n g i 体系结构 各种网络技术的不断完善客观上要求n g i 将不同的网络技术相融合，形成一个全 i p 的无缝的通信环境。新型的网络技术，如3 g 、卫星等的相互融合与互动演进使得n g i 必然成为地面与天空、固定与移动网络相结合的综合性一体化网络。n g i 不仅需要支持 高带宽数据传输，还要支持用户在多个有线的、无线的集成网络中的漫游。 n g i 是建立在各种有线、无线网络上的一个全i p 网络。该全i p 网络是由多种异构 网络共同融合而成的。普遍存在的信息交换要求下一代互联网支持“5 w ，即使任何人 _ 2 一 | ，嘻 p ， 陬 、i t 、啊 - “ t - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( w h o e v e r ) 随时( w h e n e v e r ) 随地( w h e r e v e r ) 能同任何人( w h o e v e r ) 实现任何方 式( w h a t e v e r ) 的信息通信【3 】。因此，n g i 需要将各种接入技术取长补短，保证在满足 用户个性化q o s 需求的前提下在不同的网络中自由切换，以支持用户无缝全球漫游【9 j ， 使得用户在进行数据通信时，感觉就好像在使用一个网络。 n g l 分为核心网部分和接入网部分。 对于n g i 的核心网部分而言，路由是发生在异构网络相互交叠的网络环境下，所 以要考虑端到端路径中路由方式切换的问题。由于两网络节点之间可以同时存在多种网 络连接方式，所以使得网络节点在转发数据包时可以有多种选择。例如，某网络节点在 有线链路中收到的数据包，当它发现下一段有线链路发生故障或存在拥塞问题时，节点 将会通过其它的方式继续转发数据包，比如3 g 网络或卫星网络等。 在n g i 的接入网部分中，每种无线网络都以蜂窝为基础，其中，把固网看作是“泛 化蜂窝 。把n g i 看成由“泛化蜂窝 、家居蜂窝( h o m ec e l l ) 、微微蜂窝( p i c oc e l l ) 、 微蜂窝( m i c r oc e l l ) 、宏蜂窝( m a c r oc e l l ) 和卫星蜂窝( 卫星波束) 等组成的层次结构 网络。其中，家居蜂窝覆盖范围最小，属于“室内型( i n d o o r ) ；微蜂窝和宏蜂窝能覆 盖较大的地理区域，属于“室外型 ( o u t d o o r ) ；卫星蜂窝的覆盖范围最大。对蜂窝进行 这样的细致划分是为了减小频率重用距离，增加无线频谱的重用率，增加信道容量。这 些不同种类的蜂窝融合在一起形成了层次蜂窝结构，如图1 2 所示【l o 】。 图1 2 n g i 层次蜂窝结构 ， f i g 1 2n e x tg e n e r a t i o ni n t e m e th i e r a r c h i c a lc e l ls t r u c t u r e 该结构下不同种类蜂窝的覆盖区域是有交叠的。在这样的背景下，不难看出，在一 些异构网络交叠覆盖的区域，就应该有很多种采用不同协议的接入技术。对于用户而言； 、- 3 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 则可以通过配置包含多种接入技术接口的“智能”终端，实现在不同的接入技术之间的 无缝切换，以保证用户在任意时刻都可以使用至少一种网络接入技术来进行通信，甚至 可以同时使用两种技术进行通信。 1 2 总最佳连接 考虑到n g i 是多种异构网络与技术相互融合的产物，为了能够确保用户得到满意 的服务，提出了总最佳连接a b c ( a l w a y sb e s tc o n n e c t e d ) 的概斜1 卜1 3 1 。n g i 环境下的 a b c 是指在多种网络接入方式并存的异构交叠网络环境下，使用户在任何时刻均能以 最适合其需要的方式选择最佳的设备和网络技术b 4 。 在n g i 中，a b c 是我们所希望和努力追求的。a b c 意味着网络要提供一套接入技 术和机制，允许用户能够一直使用最合适的可用技术，以达到使用最佳的服务。“最佳 通常由每个用户分别定义，作为其文档的一部分并且可以作为服务质量、成本、终端能 力、个人偏好等的函数【1 5 , 1 6 。在任何情况下，为了与用户文档一致，网络应当能够灵活 调整接入技术并激活合适的机制。同时应当尽可能地减少用户的干预，由此产生所谓的 “无形的网络 【i7 。 总最佳连接的概念允许用户使用最适合其需求的通信设备和接入技术为网络应用 建立连接，从而将蜂窝通信系统与蓝牙、无线局域网w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k ) 等接入技术相结合，尽可能地满足用户的需求。当然，这并不意味着要为用 户提供最高的q o s 保证，用户为此所付出的代价以及网络运营商的利益等也应该被纳 入考察因素之列。例如对于用户而言，使用w l a n 蜂窝虽然有可能享受比g p r s ( g e n e r a l p a c k e tr a d i os e r v i c e ) 蜂窝更高质量的服务，但是他也将为此付出更高的价格，而且随 着用户的移动还有可能产生较为频繁的切换。 1 3 切换管理 1 3 1 切换管理概述 切换管理是指移动终端在从一个接入点移动到另外一个接入点时保证通信正常进 行的过程。切换管理已经成为通信系统，特别是蜂窝网络( c e l l u l a rn e t w o r k ) 的一个关 键性问题。切换发生时，由于接入网络带宽、性能、负载和覆盖范围的不同，可能造成 正在进行的会话连接中断。在蜂窝通信系统的性能评价中，强迫中断正在进行的连接要 比阻塞新的连接更令人反感，因此当用户从一个接入网络切换到另一个网络时，要做出 很大的努力来保持当前正在进行的呼叫的连续性f 1 8 】。 为保证切换时会话连接的连续性，切换管理应该做到“无缝 与“前摄”。其中， - 4 一 一 静 ” j ； 节 i i 全 东北大学项士学位论文第1 章绪论 “无缝 是指切换对用户和上层应用来说是透明的，这两者不知道漫游事件的发生和处 理过程，它具体又可以包括“快速”( 指切换延迟低) 及“平滑 ( 指因切换而导致的分 组丢失率低) 两个方面；“前摄”是指在切换发生之前，切换管理所需要的接入网络特 性以及用户偏好等因素都已知，并可以迅速做出相应的切换决策。切换是一个重要的移 h动管理功能，也是移动通信系统的一个关键特征。切换管理对支持个人通信业务的全球 漫游至关重要，因为它会直接影响整个通信网络的性能。 1 3 2 切换类型 ( 1 ) 按照切换前后的网络类型分类【1 9 艺1 】 水平切换( 系统内切换或同层切换) ：指在采用相同网络技术的接入点之间进行的 切换。水平切换发生在无线网络相同类型的蜂窝之间。 垂直切换( 系统间切换或层间切换) ：指在采用不同网络技术的接入点之间进行的 切换。其中，垂直切换又可细分为上行垂直切换和下行垂直切换。垂直切换发生在无线 网络不同类型的蜂窝之间，这些蜂窝一般具有不同的带宽、数据传输速率等指标。由于 垂直切换所涉及的网络类型不同，因此，对于垂直切换的研究相比水平切换来说更具有 挑战性。 ( 2 ) 按照切换时连接的基站数量分类 软切换：在切换期间移动节点可以同时与两个以上的接入点进行通信。例如，当移 动节点具有多种类型的网络接口时，其在切换过程中就可以同时与多个接入点保持连 接。 硬切换：在切换期间移动节点只能同时与一个接入点进行通信。 ( 3 ) 按照切换决策的执行者分类 切换决策可以由移动终端控制，也可以由网络控制，或者由两个实体共同控制。当 由网络控制时，既可以由无线接入网r a n ( r a d i oa c c e s sn e t w o r k ) 来控制，也可由核 r 心网c n ( c o r en e t w o r k ) 来控制。一般来说，为减轻c n 的负担，切换决策通常只由 r a n 做决定。对移动通信网络，根据谁发起和执行切换，共可分为四种切换策略。这 q 四种策略分别是：移动设备控制的切换、网络控制的切换、移动设备辅助的切换、网络 辅助的切换。 1 3 3 切换触发因素 切换触发因素用于指示是否需要进行切换。传统的切换一般只考虑信号强度以及信 道可用性。在n g i 中，由于同时存在多种异构的网络，还需要同时考虑下面几个切换 - 5 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 触发因素。 ( 1 ) 成本 由于不同的网络运营商采用的计费策略一般不同，使得成本成为用户的一个主要考 虑的因素。网络运营商所采用的不同定价方案一定程度地将影响到用户的切换决策。 ( 2 ) 网络条件 一 为了有效地使用网络资源，一些与网络性能相关的重要参数，例如流量、可用带宽、 网络延时以及拥塞程度( 分组丢失率) 等也需要被考虑。将上述这些参数用于切换决策， 也可以起到平衡网络负载，缓解网络拥塞的作用。 ( 3 ) 电池电量 在某些情况下，移动终端的电池电量也可能成为一个重要的切换触发因素。例如， 随着移动终端的剩余电量的不断降低，用户此时可能会选择切换到功耗较低的蜂窝网 络，例如蓝牙网络。 ( 4 ) 应用类型 不同的应用类型对可靠性、延迟以及数据传输率的要求一般也不相同。用户移动终 端上正在运行的应用类型也将对切换决策产生影响。 ( 5 ) 用户状态 用户状态主要包括运动速度、运动模式以及位置等这些动态信息。 ( 6 ) 用户偏好 用户偏好可以用于满足用户对于某类网络或提供商的优先选择。 1 3 4 切换过程 切换过程分为两个阶段，切换判决阶段和切换执行阶段。切换判决阶段是根据所接 收的信号强度或其他准则判决是否需要进行切换，主要解决传播问题。切换执行阶段是 为切换请求分配网络资源，主要解决有限信道资源问题。因此，各种切换方式和算法主 要解决两个问题，一个是切换判决问题，另一个是资源分配问题。在切换判决问题中又 分为传播问题和判决准则问题 2 2 j 。 1 4 重路由 由于用户的移动，小区切换必然发生，造成原有路由失效。为了保证通信的连续性， 必须更新原有路由，即需要进行重路由【2 3 1 。此外，为了使重路由之后的q o s 得到保障， 需要在重路由之前利用资源预留对用户可能到达的蜂窝预留资源。而为了保证资源预留 的准确与有效，又需要运动预测技术进行辅助。 6 _ ， 7 、 p 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 4 1 资源预留与运动预测 1 4 1 1 资源预留 ( 1 ) 定义 资源预留幽的思想最初来源于最小带宽保障服务( g u a r a n t e e dm i n i i n u mc a p a c i t y s e r v i c e ) 。资源预留是指资源拥有者在资源请求者正式使用资源之前，为请求者预留请 求的资源，以保证所需的q o s 。预留的资源可以包括c p u 数目、存储空间、网络带宽、 软件使用许可证数目等。 ( 2 ) 分类 ， 目前，已经提出了多种端到端的资源预留机制【2 5 捌，从预留形式的不同方面可以进 行如下分类：一趟、两趟预留和三趟预留；集中式预留和分布式预留；固定预留 和协商预留；发送方发起的预留和接收方发起的预留。 ( 3 ) 基于运动预测的资源预留研究现状 目前，已经有了许多对于资源预留问题的相关研究，这些方法分别从不同的角度和 侧重点对这一问题进行了考虑。 文献 2 7 1 提出一个利用移动定位技术以及道路拓扑信息的预测性带宽预留方案。该 方案主要由两个模块组成。运动预测模块定义了由基站b s ( b a s es t a t i o n ) 负责的预测 任务。每个b s 周期性地产生一些在门限时间内可能发生切换的移动终端的预测4 元组。 动态带宽预留模块将使用由运动预测模块所产生的预测4 元组调节预留资源量。 文献【2 8 】提出基于用户运动的适应性资源预留和呼叫准入控制方案，该方案的关键 组件包括：基于运动历史记录对移动终端的预期运动距离e t d ( e x p e c t e dt r a v e l d i s t a n c e ) 进行估计；通过使用速度、方向和e t d 运动参数来计算移动终端的蜂窝访 问概率；由访问概率较高的蜂窝组成阴影聚簇。预留的资源量与阴影聚簇中蜂窝的访 问概率c v p ( c e l lv i s i t i n gp r o b a b i l i t y ) 成正比。 文献 2 9 】提出基于运动文档p r o f i l e 的预测性呼叫准入控制一资源预留p c a c r r 方 案用于预测移动用户未来路径。通过结合使用局部与全局运动文档较好地改进了获得的 结果。该方案的局限是时间间隔数能够影响性能，需要根据移动环境进行仔细选取。 1 4 1 2 运动预测 ( 1 ) 运动预测研究概述 移动终端的运动预测【3 0 。3 2 1 是一个具有挑战意义的研究方向，根据预测得到的信息来 决定移动终端未来的位置和网络接入点可以为q o s 控制、降低系统开销、提高系统连 接质量和效率提供强有力的手段。 移动终端运动预测所研究的内容是通过某种方法决定其在会话期间将来所要移动 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 到的位置。有效的运动预测机制应该具备捕捉移动终端运动轨迹的能力。目前很多已经 提出的运动预测机制所考虑问题的角度有所不同，主要表现为以下几点： 在各种运动预测机制中，对“位置 概念的把握不同。 一些运动预测机制是基于某种已有的知识来完成的。 各种运动预测机制的侧重点有所不同，总体上分为两类：一类机制主要考虑某个 事件发生的时刻；另一类机制主要考虑某个时刻发生何种事件。 各种运动预测机制所刻画参数的粒度也各不相同。 ( 2 ) 运动预测方法分类 现有的运动预测方法大体可分为如下四类：通过比较用户监测到的周围蜂窝信号 或者周围蜂窝监测到的用户信号进行预测；根据运动概率模型进行预测；根据地理 信息进行预测；基于多个用户的移动行为集合进行预测。 ( 3 ) 运动预测的意义 在移动通信中，切换显著影响通信的有效性和可靠性。在进行资源预留时，引入运 动预测技术对需要资源预留的目标蜂窝进行预测，可以有效地提高移动用户对邻近蜂窝 进行资源预留的准确性，能够减少预留资源的闲置与浪费，提高蜂窝资源的使用率并降 低切换呼叫掉线率和新呼叫阻塞率。 1 4 2 重路由机制 重路由机制可以用于为移动用户切换后寻找一条新的路由路径，该路径应该满足移 动用户会话发起时的通信需求和有利于网络资源的合理利用，而且路径的重建应该具有 较小的信令开销和切换延迟。 目前，己经提出了多种重路由机制f 3 3 。5 1 ，比如完全重路由、部分重路由和组播重路 由等。 完全重路由是指在移动终端切换时，网络需要为一个连接的两端重新建立一条路 径。使用这种重路由机制，在移动终端每次发生切换时，网络总是选择一条从通信对端 到移动终端新服务小区的最优化路径，有利于网络资源的利用，其缺点是处理延迟和开 销比较大。 部分重路由是指在移动终端切换时，网络通过建立一条由原接入点到新接入点的路 径来延伸原有连接。如果移动终端的原接入点和新接入点彼此在逻辑上连接很短，则切 换过程可以很快完成，处理开销较小。但是当一个连接的保持时间很长时，用户切换的 次数可能会很多，这将导致出现一条很长的路径，不利于网络资源的利用，而且可能破 坏用户原有的延迟需求。部分重路由适合于移动用户的切换不是很频繁的情况。 基于组播的重路由的基本思想是在网络中设置一个组播源节点，在组播源节点到移 一8 一 q 蕾 、 、i 0 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 动终端的当前接入点和所有当前接入点的相邻接入点之间建立一棵组播树，通往移动主 机的数据被组播到移动终端当前接入点的所有相邻接入点并被缓存，这样当移动终端切 换到新的接入点时，所需的数据可以立即利用，切换延迟很小。切换发生后，新的邻居 接入点被加入组播树，不再是邻居的接入点退出组播树。快速切换带来的代价是严重的 带宽浪费。这种重路由机制适用于移动终端在较小范围内频繁切换的情形。 上述的重路由机制p 够7 】存在着以下一些问题： ( 1 ) 重路由路径可能大大偏离最优化的路径，如部分重路由。 ( 2 ) 重路由点到新接入点之间的距离可能十分长，导致重路由的处理延迟很大， 如完全重路由。 ( 3 ) 重路由依赖某种具体的协议，连接结构复杂，如基于组播的重路由。 ( 4 ) 网络资源利用率低，如部分重路由和基于组播的重路由。 1 4 3a b c 支持型重路由机制需求分析 1 4 3 1 信息的不精确性 随着网络规模的增大，网络类型的增加，对网络信息的精确描述变得十分困难，甚 至不可能做到。此外，由于无线信道本身的物理特性，无线链路的性能很容易受到各种 因素的影响，从而使得无线链路所能提供的带宽、延迟、丢包率等q o s 参数具有不确 定性。因此，各接入网络所能提供的资源以及用户所请求的资源都难以精确表示。 为了描述不精确的q o s 参数，本文采用了模糊数学中的区间概念。 1 4 3 2 用户偏好 、 n g i 是以无线接入技术为基础建立的多网融合、网络集成与网间协作环境，以向用 户提供最佳的用户体验为目标。其中，用户体验可以包括两方面的因素：一方面是客观 的端到端q o s ，另一方面是比较主观的用户偏好。n g i 研究的出发点和根本目的就是不 断发现和满足用户的通信需求，这既包括客观上的带宽、延迟、延迟抖动和出错率等 q o s 参数，同时也包括用户偏好等