《一种基于UMTS和WLAN的自适应垂直切换方法.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种基于UMTS和WLAN的自适应垂直切换方法.pdf（10页完整版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 103024845 A (43)申请公布日 2013.04.03 CN 103024845 A *CN103024845A* (21)申请号 201210543680.2 (22)申请日 2012.12.14 H04W 36/14(2009.01) H04W 36/30(2009.01) (71)申请人 南京邮电大学 地址 210003 江苏省南京市鼓楼区新模范马 路 66 号 (72)发明人 张晖 金玲 杨龙祥 朱洪波 (74)专利代理机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 代理人 朱小兵 (54) 发明名称 一种基于 UMTS 和 WLAN 的自适应垂直。
2、切换方 法 (57) 摘要 本发明提出一种基于 UMTS 和 WLAN 的自适应 垂直切换方法， 包括移动台移入 WLAN 过程和移动 台移出 WLAN 过程 ； 移动台移入 WLAN 过程中， 计 算补偿时间进而求出自适应速度门限， 更加准确 合理地进行切换判决， 有效降低乒乓效应和切换 中断概率 ； 移动台移出 WLAN 过程中， 根据用户可 容忍的连接中断概率求解自适应的 RSS 门限， 能 够有效降低连接中断概率， 且能根据业务需要， 折 中考虑连接中断和 WLAN 使用率 ； 所述方法非常简 单、 易于实现， 具有很好的应用前景。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 。
3、6 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 1 页 1/2 页 2 1.一种基于UMTS和WLAN的自适应垂直切换方法， 其特征在于， 所述方法包括移动台移 入 WLAN 过程和移动台移出 WLAN 过程 ； 其过程分别为 ： 1） ， 移动台移入 WLAN 过程， 设定移动台移入 WLAN 的条件为 ： 其中，为接收信号强度 RSS 在 k 时刻抽样平均值 ;RSSmin为移动台能够与 WLAN 通 信的接收信号强度的最小值， v为移动台移动速度， vmax为速度门限 ； 定义T为切换造成系 统开销的补偿时间 ；。
4、 由此， 需要确定速度门限值 vmax， 其步骤如下 ： 步骤 A， 计算补偿时间 T， 定义网络资源函数 ： fn=w1lnCn+w2lnEn(n=1,2) 其中， C1、 C2分别为 WLAN 和 UMTS 网络可提供的速率， E1、 E2为两个网络对移动台的计费 参数 ； f1、 f2为 UMTS 和 WLAN 网络的资源函数， wi,i 1,2， 且满足 步骤 A-1， 计算切换增益函数 f， 定义切换时系统信道和信令开销为 f3； 则 ： 其中， f 越大， 切换增益越大 ； 步骤 A-2， 计算补偿时间 T ： 步骤 B， 计算不必要切换概率对应的速度上限 v1， 定义 pa为不必。
5、要切换概率 ； 表达式 为 ： pa=P(t1+2+T) 其中， t 为移动台在 WLAN 内的驻留时间， 1为移动台移入、 2移出 WLAN 的切换时延 ； 则， 不必要切换概率 pa： 其中， R 为移动台能够与 WLAN 通信的最远距离 ； 进一步， 不必要切换概率对应的速度上限 v1为 ： 步骤 C， 计算切换失败概率对应的速度上限 v2， 定义 pf为切换失败概率， 表达式为 ： pf=p(t2) 则， 切换失败概率 pf： 权 利 要 求 书 CN 103024845 A 2 2/2 页 3 进一步， 切换失败概率对应的速度上限 v2为 ： 步骤 D， 计算移动台移入 WLAN 过。
6、程速度门限 vmax vmax=min(v1,v2) 根据上述步骤所得的 vmax及 RSSmin， 若移动台接收信号强度 RSS 在 k 时刻抽样平均值 及运动速度满足设定的条件， 则执行移动台移入 WLAN 过程 ； 2） ， 移动台移出 WLAN 过程， 移动台周期性测量接受信号强度 RSS， 计算平均值触 发切换的接收信号强度阀值为RSSth_out； 当时触发切换 ； 触发切换的接收信号 强度阀值 RSSth_out是动态变化的， RSSth_out确定步骤如下 ： 步骤 E， 计算所述触发切换时移动台与参考点的距离 d， 移动台接收信号功率 RSS 正好 下降到移出门限 RSSth。
7、_out时移动台触发切换， 根据设定的用户可容忍的连接中断概率 pd， 计 算 d ： 步骤F， 计算自适应门限值RSSth_out*， 当移动台移动到与参考点距离为d时， 接收信号功 率 RSS 正好下降到移出门限 RSSth_out*， 计算方法为 ： 其中,PTx是WLAN基站的发送功率， dref是参考点与基站的距离， PLref是参考点的路径损 耗， 是路径损耗指数， 城市环境通常取 2-4dB， d 是移动台与参考点的距离， f(， ) 代 表阴影衰落， 通常为均值为 0， 方差为 2的高斯分布 ； 步骤 G， 修正自适应门限值， 移动台接收到的信号强度 RSS 服从高斯分布， 置。
8、信水平取 0.05， 则自适应门限 RSSth_out*修正为 RSSth_out: RSSth_out RSSth_out*+5.88。 权 利 要 求 书 CN 103024845 A 3 1/6 页 4 一种基于 UMTS 和 WLAN 的自适应垂直切换方法 技术领域 0001 本发明属于移动通信技术领域， 具体指的是一种基于 UMTS 和 WLAN 的自适应垂直 切换方法。 背景技术 0002 随着无线网络和通信技术的快速发展， 出现了不同类型的无线网络系统， 有 WiMAX、 WMAN、 WiFi， UMTS、 WLAN 等。WLAN 能提供高带宽但覆盖范围有限， 而蜂窝网能提供广 。
9、域接入但接入速率较低， 所以可以利用 WLAN 例如 IEEE802.11 提供高带宽和 UMTS 提供大的 覆盖范围。 作为下一代网络发展的趋势， 异构网络融合是对不同网络的优点的整合， 以获得 最满意的 QoS。其中， 垂直切换的研究具有挑战性， 受到越来越多的关注。垂直切换包括网 络发现、 切换决策和切换执行， 而最关键的是切换的决策。 无缝切换要求无用户可察觉的连 接中断。为了达到这一目标， 提出有效的垂直切换方法很关键。 0003 垂直切换中评估链路质量最常用的是 RSS， 因为 RSS 的测量简单且方便。基于 RSS 的几种判决度量方法:相对RSS、 相对RSS加门限、 相对RSS。
10、加滞后余量、 相对RSS加滞后余 量加门限、 预测技术等 ； 尽管垂直切换的方法已经有很多研究， 但上述研究采用固定门限方 法。事实上， 网络上下文环境对切换判决的影响很重要。切换判决与很多参数有关， 移动台 的速度、 切换信令的延时、 接收信号强度RSS、 网络可提供的速率等。 需要综合考虑终端和网 络的上下文环境， 提出一种新的垂直切换方法。 发明内容 0004 本发明针对上述问题， 提出一种基于UMTS和WLAN的自适应垂直切换方法， 所述方 法综合考虑终端和网络的上下文环境， 利用概率理论求出基于补偿时间的自适应速度门限 和自适应RSS门限， 在移动台移入WLAN过程， 能有效降低乒乓。
11、效应和连接中断概率， 提升切 换效能 ； 在移动台移出 WLAN 过程， 能根据业务需要， 实现服务中断概率和 WLAN 使用率的良 好折中。 0005 为达到以上目的， 本发明采用的技术方案如下 ： 一种基于UMTS和WLAN的自适应垂 直切换方法， 所述方法包括移动台移入 WLAN 过程和移动台移出 WLAN 过程 ； 其过程分别为 ： 0006 1） ， 移动台移入 WLAN 过程， 设定移动台移入 WLAN 的条件为 ： 0007 0008 其中，为接收信号强度RSS在k时刻抽样平均值;RSSmin为移动台能够与WLAN 通信的接收信号强度的最小值， v为移动台移动速度， vmax为速。
12、度门限 ； 定义T为切换造成 系统开销的补偿时间 ； 由此， 需要确定 vmax， 其步骤如下 ： 0009 步骤 A， 计算补偿时间 T， 定义网络资源函数 ： 0010 fn=w1lnCn+w2lnEn(n=1,2) 0011 其中， C1、 C2分别为 WLAN 和 UMTS 网络可提供的速率， E1、 E2为两个网络对移动台的 说 明 书 CN 103024845 A 4 2/6 页 5 计费参数 ； f1、 f2为 UMTS 和 WLAN 网络的资源函数， wi,i 1,2， 且满足 0012 步骤A-1， 计算切换增益函数f， 定义切换时系统开销为f3， 包括信道和信令的开 销 ；。
13、 则 ： 0013 0014 其中， f 越大， 切换增益越大 ； 0015 步骤 A-2， 计算补偿时间 T ： 0016 0017 步骤 B， 计算不必要切换概率对应的速度的上限 v1， 定义 pa为不必要切换概率， 表 达式为 ： 0018 pa=P(t1+2+T) 0019 其中， 1移入、 2移出 WLAN 的时延， t 为移动台在 WLAN 内的运动时间 ； 0020 则， 不必要切换概率 pa： 0021 0022 其中， R 为移动台能够与 WLAN 通信的最远距离 ； 则不必要切换概率对应的速度的 上限为 ： 0023 0024 步骤 C， 计算切换失败概率， 定义 pf为切。
14、换失败概率， 表达式为 ： 0025 pf=p(t2) 0026 则， 切换失败概率 pf： 0027 0028 切换失败概率对应的速度上限 v2为 ： 0029 0030 步骤 D， 计算速度门限 vmax 0031 vmax=min(v1,v2) 0032 根据上述步骤所得的 vmax及 RSSmin， 若移动台接收信号强度 RSS 在 k 时刻抽样平均 值及运动速度满足设定的条件， 则执行移动台移入 WLAN 过程 ； 0033 2） ， 移动台移出 WLAN 过程， 方法为 ： 移动台周期性测量接受信号强度 RSS， 计算平 均值估计移动台移出 WLAN 时的切换信令时延 2和触发切换。
15、的接收信号强度阀值 RSSth_out； 当时触发切换 ； 触发切换的接收信号强度阀值 RSSth_out是动态变化 的， 其确定步骤如下 ： 说 明 书 CN 103024845 A 5 3/6 页 6 0034 步骤 E， 计算所述触发切换时移动台与参考点的距离 d， 移动台接收信号功率 RSS 正好下降到移出门限 RSSth_out时移动台触发切换， 根据设定的用户可容忍的连接中断概率 pd， 计算 d ： 0035 0036 步骤 F， 计算自适应门限值 RSSth_out， 当移动台移动到与参考点距离为 d 时， 接收信 号功率 RSS 正好下降到移出门限 RSSth_out， 计算。
16、方法为 ： 0037 0038 其中 ,PTx是 WLAN 基站的发送功率， dref是参考点与基站的距离， PLref是参考点的 路径损耗， 是路径损耗指数， 城市环境通常取 2-4dB， d 是移动台与参考点的距离， f(， ) 代表阴影衰落， 通常为均值为 0， 方差为 2的高斯分布 ； 0039 移动台接收到的信号强度 RSS 服从高斯分布， 有 N 个测量样本， 则 ， 2均已知， 令=RSSth_out， a为对 RSS 加权平均后阴影效应的方差， a 取值范围为 2,4dB 的常量， 这里取值为 a=3dB ； 定义为置信度水平取 0.05，则自 适应 RSS 门限修正为 : 0。
17、040 0041 本发明的有益效果是 ： 本发明提出一种基于UMTS和WLAN的自适应垂直切换方法， 包括移动台移入 WLAN 过程和移动台移出 WLAN 过程 ； 移动台移入 WLAN 过程中， 计算补偿时 间进而求出自适应速度门限， 更加准确合理地进行切换判决， 有效降低乒乓效应和切换中 断概率 ； 移动台移出WLAN过程中， 根据用户可容忍的连接中断概率求解自适应的RSS门限， 能够有效降低连接中断概率， 且能根据业务需要， 折中考虑连接中断和 WLAN 使用率 ； 所述 方法非常简单、 易于实现， 具有很好的应用前景。 附图说明 0042 图 1 为 UMTS 和 WLAN 融合架构示。
18、意图。 0043 图 2 为垂直切换方法中移动台运动示意图。 0044 图 3 为基于 UMTS 和 WLAN 的自适应垂直切换方法流程图。 具体实施方式 0045 本发明所述的一种基于 UMTS 和 WLAN 的自适应垂直切换方法， 为了更加详细的说 明本发明， 下面结合附图举例说明。 如图1所示拓扑模型， 其中UMTS网络接入点为基站BS， WLAN网络接入点分别为AP， 移动台以恒定速度移入并移出WLAN。 所述方法实施例的操作流 程如图 3 所示， 包括移动台移入 WLAN 过程和移动台移出 WLAN 过程 ； 其过程分别为 ： 0046 1） ， 移动台移入WLAN过程， 移动台 （。
19、MN） 进入WLAN和UMTS网络重叠覆盖区域时， 检 测到 WLAN 可用即可判断是否接入。MN 移入 WLAN 需要考虑两个因素 ： 一是 WLAN 的可用性， 即 RSS 大于 MN 接口灵敏度 RSSmin； 二是切换的必要性 ； 由于 WLAN 覆盖范围有限， MN 的速度 是是否切换的重要因素。当 MN 运动速度较高 , 若切换到 WLAN， 会很快穿越 AP 点覆盖半径 范围重新切换回 UMTS 网络， 造成 乒乓效应 ， 导致 RSS 波动和核心网大量信令的交互， 影响 说 明 书 CN 103024845 A 6 4/6 页 7 业务的连续性， 浪费切换信令和网络资源。要避免。
20、此类不必要切换发生， 要求 MN 在 WLAN 有 一定的驻留时间 ； 当MN运动速度很大， 在WLAN内的运动时间小于切换信令时延， 切换失败。 因此， 当终端运动速度较小时， 切换到 WLAN 是可行的 ； 若速度较大， 仍驻留在 UMTS 网络。设 定移动台移入 WLAN 的条件为 ： 0047 0048 其中，为接收信号强度RSS在k时刻抽样平均值;RSSmin为移动台能够与WLAN 通信的接收信号强度的最小值， v为移动台移动速度， vmax为速度门限 ； 定义T为对切换造 成系统开销的补偿时间 ； 由此， 需要确定 vmax， 其步骤如下 ： 0049 步骤 A， 计算补偿时间 T。
21、， 定义网络资源函数 ： 0050 fn=w1lnCn+w2lnEn(n=1,2) 0051 其中， C1、 C2分别为 WLAN 和 UMTS 网络可提供的速率， E1、 E2为两个网络对移动台的 计费参数 ； f1、 f2为 UMTS 和 WLAN 网络的资源函数， wi,i 1,2， 且满足 0052 步骤A-1， 计算切换增益函数f， 定义切换时系统开销为f3， 包括信道和信令的开 销 ； 则 ： 0053 0054 其中， f 越大， 切换增益越大 ； 0055 步骤 A-2， 计算补偿时间 T ： 0056 0057 步骤 B， 计算不必要切换概率对应的速度的上限 v1， 定义 p。
22、a为不必要切换概率， 表 达式为 ： 0058 pa=P(t1+2+T) 0059 其中， t 为移动台在 WLAN 内的运动时间， T 为切换代价补偿时间， 1为移动台 移入、 2移出 WLAN 的切换时延 ； 0060 则， 不必要切换概率 pa： 0061 0062 其中， R 为移动台能够与 WLAN 通信的最远距离 ； 0063 则， 不必要切换概率对应的速度的上限为 ： 0064 0065 步骤 C， 计算切换失败概率对应的速度上限 v2， 定义 pf为切换失败概率， 表达式 为 ： 0066 pf=p(t2) 0067 则， 切换失败概率 pf： 说 明 书 CN 1030248。
23、45 A 7 5/6 页 8 0068 0069 切换失败概率对应的速度上限 v2为 ： 0070 0071 步骤 D， 计算速度门限 vmax 0072 vmax=min(v1,v2) 0073 根据上述步骤所得的 vmax及 RSSmin， 若移动台接收信号强度 RSS 在 k 时刻抽样平均 值及运动速度满足设定的条件， 则执行移动台移入 WLAN 过程 ； 0074 2） ， 移动台移出 WLAN 过程， 移动台运动到 WLAN 的终端， 远离 AP 点运动到达 WLAN 覆盖边缘时， 须切换回 UMTS， 由于网络层及应用层 SIP 信令的交互需要时间 （定义为 2） ， 所以必须在链。
24、路层断开之前， 即 RSS 下降到接口灵敏度之前触发切换。一方面要保证连接 的连续性， 另一方面MN尽可能地最大化利用WLAN低代价高带宽的资源， 两者对于切换触发 时间的要求存在矛盾 ； 触发切换不能过早也不能过晚， 切换触发过早时， 浪费 WLAN 资源 ； 切 换触发过晚会造成连接中断， 影响用户的 QoS ； 当终端接收到 WLAN 的信号强度下降到门限 值时触发切换， 2时间后链路层断开， 接入 UMTS。 0075 移出 WLAN 时切换时刻的合理选择， 采用自适应的 RSS 门限方法， 设定用户可容忍 的连接中断概率pd， 门限根据WLAN半径、 终端运动速度、 切换时延和连接中。
25、断概率的要求自 适应变化。 0076 采用图 2 所示的运动示意图进行分析， 阴影部分为切换边界区域。设 MN 移动到与 AP 点相距为距离 d 的点 B 时， RSS 正好下降到移出门限 RSSth_out时 MN 触发切换。 0077 移动台移出 WLAN 方法为 ： 移动台周期性测量接受信号强度 RSS， 计算平均值 估计移动台移出 WLAN 时的切换信令时延 2和触发切换的接收信号强度阀值 RSSth_ out； 当 时触发切换 ； 触发切换的接收信号强度阀值 RSSth_out是动态变化的， 其 确定步骤如下 ： 0078 步骤 E， 计算所述触发切换时移动台与参考点的距离 d， 移。
26、动台接收信号功率 RSS 正好下降到移出门限 RSSth_out时移动台触发切换， 根据设定的用户可容忍的连接中断概率 pd， 计算 d ： 0079 0080 步骤 F， 计算自适应门限值 RSSth_out， 当移动台移动到与参考点距离为 d 时， 接收信 号功率 RSS 正好下降到移出门限 RSSth_out， 计算方法为 ： 0081 0082 其中 ,PTx是 WLAN 基站的发送功率， dref是参考点与基站的距离， PLref是参考点的 路径损耗， 是路径损耗指数， 城市环境通常取 2-4dB， d 是移动台与参考点的距离， f(， ) 代表阴影衰落， 通常为均值为 0， 方差为。
27、 2的高斯分布 ； 0083 移动台接收到的信号强度 RSS 服从高斯分布， 有 N 个测量样本， 则 说 明 书 CN 103024845 A 8 6/6 页 9 ， 2均已知， 令=RSSth_out， a为对 RSS 加权平均后阴影效应的方差， a 取值范围为 2,4dB 的常量， 这里取值为 a=3dB ； 定义为置信度水平取 0.05，则自 适应 RSS 门限修正为 : 0084 RSSth_out*=RSSth_out+1.96a=RSSth_out+5.88。 说 明 书 CN 103024845 A 9 1/1 页 10 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103024845 A 10 。