異構無線網路接入選擇演算法

A. 路由器原理和常用的路由協議及演算法的介紹

近十年來，隨著計算機網路規模的不斷擴大，大型互聯網路（如Internet）的迅猛發展，路由技術在網路技術中已逐漸成為關鍵部分，路由器也隨之成為最重要的網路設備。用戶的需求推動著路由技術的發展和路由器的普及，人們已經不滿足於僅在本地網路上共享信息，而希望最大限度地利用全球各個地區、各種類型的網路資源。而在目前的情況下，任何一個有一定規模的計算機網路（如企業網、校園網、智能大廈等），無論採用的是快速以大網技術、FDDI技術，還是ATM技術，都離不開路由器，否則就無法正常運作和管理。

1、網路互連

把自己的網路同其它的網路互連起來，從網路中獲取更多的信息和向網路發布自己的消息，是網路互連的最主要的動力。網路的互連有多種方式，其中使用最多的是網橋互連和路由器互連。

1.1 網橋互連的網路

網橋工作在OSI模型中的第二層，即鏈路層。完成數據幀（frame）的轉發，主要目的是在連接的網路間提供透明的通信。網橋的轉發是依據數據幀中的源地址和目的地址來判斷一個幀是否應轉發和轉發到哪個埠。幀中的地址稱為「MAC」地址或「硬體」地址，一般就是網卡所帶的地址。

網橋的作用是把兩個或多個網路互連起來，提供透明的通信。網路上的設備看不到網橋的存在，設備之間的通信就如同在一個網上一樣方便。由於網橋是在數據幀上進行轉發的，因此只能連接相同或相似的網路（相同或相似結構的數據幀），如乙太網之間、乙太網與令牌環（tokenring）之間的互連，對於不同類型的網路（數據幀結構不同），如乙太網與X.25之間，網橋就無能為力了。

網橋擴大了網路的規模，提高了網路的性能，給網路應用帶來了方便，在以前的網路中，網橋的應用較為廣泛。但網橋互連也帶來了不少問題：一個是廣播風暴，網橋不阻擋網路中廣播消息，當網路的規模較大時（幾個網橋，多個乙太網段），有可能引起廣播風暴（broadcastingstorm），導致整個網路全被廣播信息充滿，直至完全癱瘓。第二個問題是，當與外部網路互連時，網橋會把內部和外部網路合二為一，成為一個網，雙方都自動向對方完全開放自己的網路資源。這種互連方式在與外部網路互連時顯然是難以接受的。問題的主要根源是網橋只是最大限度地把網路溝通，而不管傳送的信息是什麼。

1.2 路由器互連網路

路由器互連與網路的協議有關，我們討論限於TCP／IP網路的情況。

路由器工作在OSI模型中的第三層，即網路層。路由器利用網路層定義的「邏輯」上的網路地址（即IP地址）來區別不同的網路，實現網路的互連和隔離，保持各個網路的獨立性。路由器不轉發廣播消息，而把廣播消息限制在各自的網路內部。發送到其他網路的數據茵先被送到路由器，再由路由器轉發出去。

IP路由器只轉發IP分組，把其餘的部分擋在網內（包括廣播），從而保持各個網路具有相對的獨立性，這樣可以組成具有許多網路（子網）互連的大型的網路。由於是在網路層的互連，路由器可方便地連接不同類型的網路，只要網路層運行的是IP協議，通過路由器就可互連起來。

網路中的設備用它們的網路地址（TCP／IP網路中為IP地址）互相通信。IP地址是與硬體地址無關的「邏輯」地址。路由器只根據IP地址來轉發數據。IP地址的結構有兩部分，一部分定義網路號，另一部分定義網路內的主機號。目前，在Internet網路中採用子網掩碼來確定IP地址中網路地址和主機地址。子網掩碼與IP地址一樣也是32bit，並且兩者是一一對應的，並規定，子網掩碼中數字為「1」所對應的IP地址中的部分為網路號，為「0」所對應的則為主機號。網路號和主機號合起來，才構成一個完整的IP地址。同一個網路中的主機IP地址，其網路號必須是相同的，這個網路稱為IP子網。

通信只能在具有相同網路號的IP地址之間進行，要與其它IP子網的主機進行通信，則必須經過同一網路上的某個路由器或網關（gateway）出去。不同網路號的IP地址不能直接通信，即使它們接在一起，也不能通信。

路由器有多個埠，用於連接多個IP子網。每個埠的IP地址的網路號要求與所連接的IP子網的網路號相同。不同的埠為不同的網路號，對應不同的IP子網，這樣才能使各子網中的主機通過自己子網的IP地址把要求出去的IP分組送到路由器上。

2、路由原理

當IP子網中的一台主機發送IP分組給同一IP子網的另一台主機時，它將直接把IP分組送到網路上，對方就能收到。而要送給不同IP於網上的主機時，它要選擇一個能到達目的子網上的路由器，把IP分組送給該路由器，由路由器負責把IP分組送到目的地。如果沒有找到這樣的路由器，主機就把IP分組送給一個稱為「預設網關（defaultgateway）」的路由器上。「預設網關」是每台主機上的一個配置參數，它是接在同一個網路上的某個路由器埠的IP地址。

路由器轉發IP分組時，只根據IP分組目的IP地址的網路號部分，選擇合適的埠，把IP分組送出去。同主機一樣，路由器也要判定埠所接的是否是目的子網，如果是，就直接把分組通過埠送到網路上，否則，也要選擇下一個路由器來傳送分組。路由器也有它的預設網關，用來傳送不知道往哪兒送的IP分組。這樣，通過路由器把知道如何傳送的IP分組正確轉發出去，不知道的IP分組送給「預設網關」路由器，這樣一級級地傳送，IP分組最終將送到目的地，送不到目的地的IP分組則被網路丟棄了。

目前TCP／IP網路，全部是通過路由器互連起來的，Internet就是成千上萬個IP子網通過路由器互連起來的國際性網路。這種網路稱為以路由器為基礎的網路（routerbasednetwork），形成了以路由器為節點的「網間網」。在「網間網」中，路由器不僅負責對IP分組的轉發，還要負責與別的路由器進行聯絡，共同確定「網間網」的路由選擇和維護路由表。

路由動作包括兩項基本內容：尋徑和轉發。尋徑即判定到達目的地的最佳路徑，由路由選擇演算法來實現。由於涉及到不同的路由選擇協議和路由選擇演算法，要相對復雜一些。為了判定最佳路徑，路由選擇演算法必須啟動並維護包含路由信息的路由表，其中路由信息依賴於所用的路由選擇演算法而不盡相同。路由選擇演算法將收集到的不同信息填入路由表中，根據路由表可將目的網路與下一站（nexthop）的關系告訴路由器。路由器間互通信息進行路由更新，更新維護路由表使之正確反映網路的拓撲變化，並由路由器根據量度來決定最佳路徑。這就是路由選擇協議（routingprotocol），例如路由信息協議（RIP）、開放式最短路徑優先協議（OSPF）和邊界網關協議（BGP）等。

轉發即沿尋徑好的最佳路徑傳送信息分組。路由器首先在路由表中查找，判明是否知道如何將分組發送到下一個站點（路由器或主機），如果路由器不知道如何發送分組，通常將該分組丟棄；否則就根據路由表的相應表項將分組發送到下一個站點，如果目的網路直接與路由器相連，路由器就把分組直接送到相應的埠上。這就是路由轉發協議（routedprotocol）。

路由轉發協議和路由選擇協議是相互配合又相互獨立的概念，前者使用後者維護的路由表，同時後者要利用前者提供的功能來發布路由協議數據分組。下文中提到的路由協議，除非特別說明，都是指路由選擇協議，這也是普遍的習慣。

3、路由協議

典型的路由選擇方式有兩種：靜態路由和動態路由。

靜態路由是在路由器中設置的固定的路由表。除非網路管理員干預，否則靜態路由不會發生變化。由於靜態路由不能對網路的改變作出反映，一般用於網路規模不大、拓撲結構固定的網路中。靜態路由的優點是簡單、高效、可靠。在所有的路由中，靜態路由優先順序最高。當動態路由與靜態路由發生沖突時，以靜態路由為准。

動態路由是網路中的路由器之間相互通信，傳遞路由信息，利用收到的路由信息更新路由器表的過程。它能實時地適應網路結構的變化。如果路由更新信息表明發生了網路變化，路由選擇軟體就會重新計算路由，並發出新的路由更新信息。這些信息通過各個網路，引起各路由器重新啟動其路由演算法，並更新各自的路由表以動態地反映網路拓撲變化。動態路由適用於網路規模大、網路拓撲復雜的網路。當然，各種動態路由協議會不同程度地佔用網路帶寬和CPU資源。

靜態路由和動態路由有各自的特點和適用范圍，因此在網路中動態路由通常作為靜態路由的補充。當一個分組在路由器中進行尋徑時，路由器首先查找靜態路由，如果查到則根據相應的靜態路由轉發分組；否則再查找動態路由。

根據是否在一個自治域內部使用，動態路由協議分為內部網關協議（IGP）和外部網關協議（EGP）。這里的自治域指一個具有統一管理機構、統一路由策略的網路。自治域內部採用的路由選擇協議稱為內部網關協議，常用的'有RIP、OSPF；外部網關協議主要用於多個自治域之間的路由選擇，常用的是BGP和BGP-4。下面分別進行簡要介紹。

3.1 RIP路由協議

RIP協議最初是為Xerox網路系統的Xeroxparc通用協議而設計的，是Internet中常用的路由協議。RIP採用距離向量演算法，即路由器根據距離選擇路由，所以也稱為距離向量協議。路由器收集所有可到達目的地的不同路徑，並且保存有關到達每個目的地的最少站點數的路徑信息，除到達目的地的最佳路徑外，任何其它信息均予以丟棄。同時路由器也把所收集的路由信息用RIP協議通知相鄰的其它路由器。這樣，正確的路由信息逐漸擴散到了全網。

RIP使用非常廣泛，它簡單、可靠，便於配置。但是RIP只適用於小型的同構網路，因為它允許的最大站點數為15，任何超過15個站點的目的地均被標記為不可達。而且RIP每隔30s一次的路由信息廣播也是造成網路的廣播風暴的重要原因之一。

3.2 OSPF路由協議

80年代中期，RIP已不能適應大規模異構網路的互連，0SPF隨之產生。它是網間工程任務組織（1ETF）的內部網關協議工作組為IP網路而開發的一種路由協議。

0SPF是一種基於鏈路狀態的路由協議，需要每個路由器向其同一管理域的所有其它路由器發送鏈路狀態廣播信息。在OSPF的鏈路狀態廣播中包括所有介面信息、所有的量度和其它一些變數。利用0SPF的路由器首先必須收集有關的鏈路狀態信息，並根據一定的演算法計算出到每個節點的最短路徑。而基於距離向量的路由協議僅向其鄰接路由器發送有關路由更新信息。

與RIP不同，OSPF將一個自治域再劃分為區，相應地即有兩種類型的路由選擇方式：當源和目的地在同一區時，採用區內路由選擇；當源和目的地在不同區時，則採用區間路由選擇。這就大大減少了網路開銷，並增加了網路的穩定性。當一個區內的路由器出了故障時並不影響自治域內其它區路由器的正常工作，這也給網路的管理、維護帶來方便。

3.3 BGP和BGP-4路由協議

BGP是為TCP／IP互聯網設計的外部網關協議，用於多個自治域之間。它既不是基於純粹的鏈路狀態演算法，也不是基於純粹的距離向量演算法。它的主要功能是與其它自治域的BGP交換網路可達信息。各個自治域可以運行不同的內部網關協議。BGP更新信息包括網路號／自治域路徑的成對信息。自治域路徑包括到達某個特定網路須經過的自治域串，這些更新信息通過TCP傳送出去，以保證傳輸的可靠性。

為了滿足Internet日益擴大的需要，BGP還在不斷地發展。在最新的BGp4中，還可以將相似路由合並為一條路由。

3.4 路由表項的優先問題

在一個路由器中，可同時配置靜態路由和一種或多種動態路由。它們各自維護的路由表都提供給轉發程序，但這些路由表的表項間可能會發生沖突。這種沖突可通過配置各路由表的優先順序來解決。通常靜態路由具有默認的最高優先順序，當其它路由表表項與它矛盾時，均按靜態路由轉發。

4、路由演算法

路由演算法在路由協議中起著至關重要的作用，採用何種演算法往往決定了最終的尋徑結果，因此選擇路由演算法一定要仔細。通常需要綜合考慮以下幾個設計目標：

——（1）最優化：指路由演算法選擇最佳路徑的能力。

——（2）簡潔性：演算法設計簡潔，利用最少的軟體和開銷，提供最有效的功能。

——（3）堅固性：路由演算法處於非正常或不可預料的環境時，如硬體故障、負載過高或操作失誤時，都能正確運行。由於路由器分布在網路聯接點上，所以在它們出故障時會產生嚴重後果。最好的路由器演算法通常能經受時間的考驗，並在各種網路環境下被證實是可靠的。

——（4）快速收斂：收斂是在最佳路徑的判斷上所有路由器達到一致的過程。當某個網路事件引起路由可用或不可用時，路由器就發出更新信息。路由更新信息遍及整個網路，引發重新計算最佳路徑，最終達到所有路由器一致公認的最佳路徑。收斂慢的路由演算法會造成路徑循環或網路中斷。

——（5）靈活性：路由演算法可以快速、准確地適應各種網路環境。例如，某個網段發生故障，路由演算法要能很快發現故障，並為使用該網段的所有路由選擇另一條最佳路徑。

路由演算法按照種類可分為以下幾種：靜態和動態、單路和多路、平等和分級、源路由和透明路由、域內和域間、鏈路狀態和距離向量。前面幾種的特點與字面意思基本一致，下面著重介紹鏈路狀態和距離向量演算法。

鏈路狀態演算法（也稱最短路徑演算法）發送路由信息到互聯網上所有的結點，然而對於每個路由器，僅發送它的路由表中描述了其自身鏈路狀態的那一部分。距離向量演算法（也稱為Bellman-Ford演算法）則要求每個路由器發送其路由表全部或部分信息，但僅發送到鄰近結點上。從本質上來說，鏈路狀態演算法將少量更新信息發送至網路各處，而距離向量演算法發送大量更新信息至鄰接路由器。

由於鏈路狀態演算法收斂更快，因此它在一定程度上比距離向量演算法更不易產生路由循環。但另一方面，鏈路狀態演算法要求比距離向量演算法有更強的CPU能力和更多的內存空間，因此鏈路狀態演算法將會在實現時顯得更昂貴一些。除了這些區別，兩種演算法在大多數環境下都能很好地運行。

最後需要指出的是，路由演算法使用了許多種不同的度量標准去決定最佳路徑。復雜的路由演算法可能採用多種度量來選擇路由，通過一定的加權運算，將它們合並為單個的復合度量、再填入路由表中，作為尋徑的標准。通常所使用的度量有：路徑長度、可靠性、時延、帶寬、負載、通信成本等。

5、新一代路由器

由於多媒體等應用在網路中的發展，以及ATM、快速乙太網等新技術的不斷採用，網路的帶寬與速率飛速提高，傳統的路由器已不能滿足人們對路由器的性能要求。因為傳統路由器的分組轉發的設計與實現均基於軟體，在轉發過程中對分組的處理要經過許多環節，轉發過程復雜，使得分組轉發的速率較慢。另外，由於路由器是網路互連的關鍵設備，是網路與其它網路進行通信的一個「關口」，對其安全性有很高的要求，因此路由器中各種附加的安全措施增加了CPU的負擔，這樣就使得路由器成為整個互聯網上的「瓶頸」。

傳統的路由器在轉發每一個分組時，都要進行一系列的復雜操作，包括路由查找、訪問控製表匹配、地址解析、優先順序管理以及其它的附加操作。這一系列的操作大大影響了路由器的性能與效率，降低了分組轉發速率和轉發的吞吐量，增加了CPU的負擔。而經過路由器的前後分組間的相關性很大，具有相同目的地址和源地址的分組往往連續到達，這為分組的快速轉發提供了實現的可能與依據。新一代路由器，如IPSwitch、TagSwitch等，就是採用這一設計思想用硬體來實現快速轉發，大大提高了路由器的性能與效率。

新一代路由器使用轉發緩存來簡化分組的轉發操作。在快速轉發過程中，只需對一組具有相同目的地址和源地址的分組的前幾個分組進行傳統的路由轉發處理，並把成功轉發的分組的目的地址、源地址和下一網關地址（下一路由器地址）放人轉發緩存中。當其後的分組要進行轉發時，茵先查看轉發緩存，如果該分組的目的地址和源地址與轉發緩存中的匹配，則直接根據轉發緩存中的下一網關地址進行轉發，而無須經過傳統的復雜操作，大大減輕了路由器的負擔，達到了提高路由器吞吐量的目標。

B. 什麼是 網路的異構性

異構網路(Heterogeneous Network）是一種類型的網路，其是由不同製造商生產的計算機，網路設備和系統組成的，大部分情況下運行在不同的協議上支持不同的功能或應用。

所謂異構是指兩個或以上的無線通信系統採用了不同的接入技術，或者是採用相同的無線接入技術但屬於不同的無線運營商。利用現有的多種無線通信系統，通過系統間融合的方式源脊並，使多系統之間取長補短是滿足未來移動通信業務需求一種有效手段，能雹跡夠綜合發揮各自的優勢。

(2)異構無線網路接入選擇演算法擴展閱讀：

異構網路的融合結構中，通常野談有三種類型的融合方案，分別是松耦合結構、緊耦合結構、超緊耦合結構。

超緊耦合是通過連接到相同的BSC上與不同的無線接入技術（Radio Access Technology，RAT）進行融合。網路的狀態信息是局部的，不需要通過額外的請求來獲得信息，可以應用在當網路之間是重疊覆蓋的情況下。

與其他的耦合方案相比，超緊耦合方案的切換時延很短，因為中間涉及到的網路實體少。但是由於這兩種RAT完全不同，因此實現超緊耦合方式就需要對應用在BSC上的處理過程進行很多修改。

在緊耦合結構中，不同的RATs通過CN進行融合，耦合結點可以是MSC或者PDSN。在圖2.2中，MSC或者PDSN都是負責WWAN和WLAN的連接管理、認證和定價，因此WLAN路由器需要實現相關的WWAN協議。

與超緊耦合相比，這個系統僅需要對現有接入網路進行很小的修改，因此它非常容易實現。與超緊耦合相比，在切換過程中，由於涉及到很多網路的實體，因此這種方案的VHO時延增加了。

在松耦合的異構網路中，MSC與WLAN都經過通用介面與公共的Internet進行交互信息，來保持服務的連續性。但是由於每個網路需要執行網路的連接和會話的激活過程，因此這種方案執行切換時會導致時延很大。

對於超緊耦合和緊耦合方式的異構網路融合結構中，網路選擇演算法通常可以安排在耦合節點上，即分別是BSC和CN。但是對於松耦合方式，網路選擇演算法可以應用在移動終端。

C. 異構網路的異構網路的背景介紹

圖1.1中給出了移動通信技術的發展過程，可以看出隨著技術的改進，數據傳輸速率有著顯著的提高，為用戶提供大數據量的多媒體通信業務提供了堅實基礎。到目前為止，移動通信系統已經發展到第四代，下面將簡單介紹這四代移動通信的發展歷程。
第一代模擬蜂窩系統（1G）開始於上個世紀80年代被用於大規模民用，主要用於提供模擬語音業務，採用的是模擬語音調制技術和頻分多址技術（Frequency Division Multiple Access，FDMA），數據傳輸速率約為2.4kbps。其中代表性的系統有北美的高級行動電話業務（Advanced Mobile Phone Service，AMPS）、英國的全入網通信系統技術（Total Access Communications System，TACS）和北歐的行動電話（Nordic Mobile Telephone，NMT）等等。由於受到傳輸帶寬的限制，不能進行長途漫遊，僅是一種區域性的移動通信系統。另外第一代的通信系統的缺點還包括制式太多而且互不兼容、容量有限、保密性差和通信質量不高等。因此促使了第二代數字移動通信系統（2G）的發展。
第二代數字移動通信系統完成了從模擬到數字的轉變，從而為用戶提供數字語音業務。第二代移動通信技術可以分成兩種，第一種是基於時分多址接入（Time Division Multiple Access，TDMA）的全球數字移動通信系統（Global System for Mobile，GSM）和基於碼分多址接入（Code Division Multiple Access，CDMA）的IS-95系統（例如CDMA one）。
第三代移動通信系統（3G）是由日益成熟的第二代移動通信系統發展而來，其目的是提供高速數據蜂窩移動通信技術。主要的3G技術標准有四個：歐洲電信標准協會（European Telecommunications Standard Institute，ETSI）提出的WCDMA（Wideband CDMA）、北美提出的從CDMA one演進而來的CDMA2000、具有中國知識產權的時分同步的碼分多址技術（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，TD-SCDMA），和在2007年國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）會議上通過的全球微波互聯接入（Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX）。第三代移動通信的最高數據傳輸速率可以達到2Mbps，因此可以提供相當高速的數據傳輸業務，例如多媒體、視頻和數據等。
長期演進（Long Term Evolution，LTE）項目是3G的演進，採用的主要技術是正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）和MIMO（Multiple-Input Multiple-Out-put），能夠在20MHz的帶寬下提供上行50Mbps和下行100Mbps的峰值速率。LTE又被成為3.9G移動通信技術。LTE-Advanced是LTE的升級版，它被稱為4G的標准，它有兩種制式，一種是TDD，TD-SCDMA可以演化成TDD制式，並且HSPA+（High Speed Packet Access）直接進入LTE，另一種是FDD制式，WCDMA可以演進成FDD制式。
第四代移動通信系統（4G）除了要提供更高的帶寬外，還要保證任何人在任何時間、任何地點以任何方式與任何人進行通信，用戶無需考慮網路傳輸的實現細節。從GSM到第四代，所有的技術不可能一夜間都實現，這些技術將會同時存在為用戶提供服務。為了實現第四代移動通信的目標，就需要將這些不同的無線通信系統融合在一起，形成一個異構無線網路（Heterogeneous Wireless Networks，HWNs）通信系統，從而為用戶提供無縫切換和服務質量（Quality of Service，QoS）保證。因此下一代移動通信網路將是異構網路，異構網路的融合是下一代網路研究的熱點，也是本文研究的主要內容。
寬頻無線接入技術（Broadband Wireless Access，BWA）是繼1990年攜帶型無線電話和2000年Wi-Fi（Wireless Fidelity）出現之後的第三次無線革命，寬頻無線接入技術是在廣域上提供高速無線互聯網接入或者計算機網路接入的技術。寬頻無線接入技術的數據速率大致相當於一些有線網路，如非對稱數字用戶環路（Asymmetric Digital Subscriber Line，ADSL）或者電纜數據機，因此它通常是有線接入網路的重要補充。幾種重要的寬頻無線接入技術包括WLAN（Wireless Local Area Network）、WiMAX技術和WiBro（Wireless Broadband）等。WLAN通過擴頻或者OFDM等技術，來連接兩個或多個終端設備，並通過接入點來連接到寬頻互聯網上，大部分的WLAN技術是基於IEEE802.11標准。WLAN的優勢包括其費用很低和傳輸速度快。由於WLAN工作在非授權頻段，因此WLAN的發射功率很小，它覆蓋范圍也只有百米左右，能提供用戶在小范圍內移動時可以連接到網路上。而WiMAX可以在大范圍內提供高速數據業務，傳輸速率達到30至40兆比特每秒，2011年提高到了1Gbit/s，覆蓋的半徑最大可以達到50km。另外WiMAX可以支持一些低速移動的用戶，而且能夠提供多種多樣的服務，其資費也較WLAN高。由於BWA具有建網快、運營成本低、維護方便等優勢，因此它的發展速度非常迅速，為推動無處不在的互聯網接入和加強公共服務奠定重要的基礎。 表1.1給出了三種寬頻無線接入技術的主要參數，即WLAN、WiMAX和WiBro ；表1.2給出了三種3G技術的主要參數，即UMTS（Universal Mobile Telecommunications System）、EV-DO（Evolution dataOnly）以及HSDPA（High Speed Dlink Packet Access） 。比較這兩張表可以看出BWA與3G技術差別很大，例如BWA支持的數據傳輸速率幾十兆比特每秒，而3G只有幾兆比特每秒；從覆蓋范圍可以看出，3G網路的覆蓋范圍要大於BWA網路；從移動性還可以看出3G網路支持高速移動的用戶。因此可以看出每個網路都有它的優點和缺陷。
表1.1寬頻無線接入技術的主要參數 WLAN WiMAX WiBro 峰值速率 802.11a, g=54 Mbps DL:70 Mbps DL:18.4 Mbps 802.11b=11Mbps UL:70 Mbps UL:6.1 Mbps 帶寬 20MHz 5-6GHz 9MHz 多址方式 CSMA/CA OFDM/OFDMA OFDMA 雙工方式 TDD TDD TDD 移動性 低 低 低 覆蓋區域 小 中等 大 協議標准 IEEE802.11x 802.16 TTA&802.16e 目標市場 家庭/企業 家庭/企業 家庭/企業 表1.2 3G技術的主要參數 UMTS EV-DO HSDPA 峰值速率 DL:2 Mbps DL:3.1 Mbps DL:14 Mbps UL:2 Mbps UL:1.2 Mbps UL:2 Mbps 帶寬 5MHz 1.25GHz 5MHz 多址方式 CDMA CDMA CDMA 雙工方式 FDD FDD FDD 移動性 高 高 高 覆蓋區域 大 大 大 協議標准 3GPP 3GPP 3GPP 目標市場 公共 公共 公共 下一代無線網路是異構無線網路融合的重要原因是：基於異構網路融合，可以根據用戶的特點（例如車載用戶）、業務特點（例如實時性要求高）和網路的特點，來為用戶選擇合適的網路，提供更好的QoS。一般來說，廣域網覆蓋范圍大，但是數據傳輸速率低，而區域網正好相反。因此在實際應用中，多模終端可以根據自身的業務特點和移動性，來選擇合適的網路接入。與以往的同構網路不同，在異構網路環境下，用戶可以選擇服務代價小，同時又能滿足自身需求的網路進行接入。這是由於這些異構網路之間具有互補的特點，才使異構網路的融合顯得非常重要。因此一些組織提出了不同的網路融合標准，這些組織有3GPP（The 3rd Generation Partnership Project）、MIH（The IEEE 802.21 Media Independent Handover working group）和ETSI（The European Telecommunications Standards Institute）。
無線資源管理（Radio Resource Management，RRM）是異構網路中的一個重要研究課題，RRM的目標是高效利用受限的無線頻譜、傳輸功率以及無線網路的基礎設施。RRM技術包括呼叫接入控制（Call Admission Control，CAC）、水平或者垂直切換、負載均衡、信道分配和功率控制等。3GPP提出一種協同無線資源管理技術（Common Radio Resource Management，CRRM），它是通過利用CRRM伺服器對不同接入網路信息進行監測，合理的調度異構網路中的無線資源。除了協同無線資源管理演算法外，還有聯合無線資源管理演算法（Joint Radio Resource Management，JRRM）。這些技術實際上都是為異構網路提供統一的管理平台，以達到合理利用無線資源的目的。
網路選擇演算法是無線資源管理中一個研究熱點，網路選擇演算法通常可以分為呼叫接入網路選擇演算法和垂直網路切換選擇演算法。同構網路的接入和切換主要考慮接收信號的強度，而在異構網路中需要考慮不同接入網路之間的差異，因此需要考慮的因素很多，接收信號的強度只是其中的一個影響因素，其他因素如數據傳輸速率、價格、覆蓋范圍、實時性和用戶的移動性等。這些都是從用戶角度考慮的，如果從網路端考慮，就會涉及到提高系統的吞吐量，降低阻塞率以及均衡負載。因此網路選擇對於異構網路的融合起到了至關重要的影響。本文接下來部分將主要討論異構網路系統模型、無線資源管理、網路性能優化以及網路選擇演算法。

D. 異構網路的網路選擇演算法的研究

異構網路中無線資源管理的一個重要研究方向就是網路選擇演算法，網路選擇演算法的研究很廣泛，這里給出了幾個典型的無線網路選擇演算法的類別。 預切換可以有效的減少不必要的切換，並為是否需要執行切換做好准備。通常情況下可以通過當前接收信號強度來預測將來接收信號強度的變化趨勢，來判斷是否需要執行切換。
文獻 中利用多項式回歸演算法對接收信號的強度進行預測，這種方法的計算復雜度較大。文獻 中，利用模糊神經網路來對接收信號強度進行預測，模糊神經網路的演算法最大的問題，收斂較慢，而且計算的復雜度高。文獻 中，利用的是最小二乘演算法（LMS）來預測接收的信號強度，通過迭代的方法，能夠達到快收斂，得到較好的預測。還有在文獻 中，直接採用接收信號強度的斜率來預測接收信號強度，用來估計終端在該網路中的生存時間，但是這種方法太簡單，精度不是很高。 在垂直切換的過程中，對於相同的切換場景，通常會出現現在的已出現過的切換條件，對於其垂直切換的結果，可以應用到當前條件下，這樣可以有效避免的重新執行切換決策所帶來的時延。
文獻[33]中，提出利用用戶連接信息（User Connection Profile，UCP）資料庫用來存儲以前的網路選擇事件。在終端需要執行垂直切換時，首先檢查資料庫中是否存在相同的網路選擇記錄，如果存在可以直接接入最合適的網路。在文獻[34]中，提出了將切換到該網路的持續服務時間和距離該網路的最後一次阻塞時間間隔作為歷史信息記錄下來，根據這些信息，選擇是否有必要進行切換。 由於用戶對網路參數的判斷往往是模糊的，而不是確切的概念，所以通常採用模糊邏輯對參數進行定量分析，將其應用到網路選擇中顯得更加合理。模糊系統組成通常有3個部分組成，分別是模糊化、模糊推理和去模糊化。對於去模糊化的方法通常採用中心平均去模糊化，最後得到網路性能的評價值，根據模糊系統所輸出的結果，選擇最適合的網路。
通常情況下，模糊邏輯與神經網路是相互結合起來應用的，通過模糊邏輯系統的推理規則，對神經網路進行訓練，得到訓練好的神經網路。在垂直切換的判決的時候，利用訓練好的神經網路，輸入相應網路的屬性參數，選擇最適合的網路接入。
基於模糊邏輯和神經網路的策略，可以對多種因素(尤其動態因素)進行動態地控制，並做出自適應的決策，可以有效提高網路選擇的合理性，但該策略最大的缺點是，演算法的實現較為復雜，在電池容量和處理能力均受限的移動設備上是不合適的。 在異構網路選擇中，博弈論是一個重要的研究方向。在博弈論的模型中，博弈中的參與者在追求自身利益最大化的同時，保證自身付出的代價盡量小。參與者的這兩種策略可以通過效用函數和代價函數來衡量。因此通過最大化效用函數和最小化代價函數，來追求利益的最大化。
文獻[36]中提出一種基於博弈論的定價策略和網路選擇方案，該方案中服務提供商（Service Providers，SPs）為了提高自己的利潤需要面臨競爭，它是通過用戶間的合作或者非合作博弈來獲得，在實際的異構網路場景下，用戶和服務提供商SPs之間可以利用博弈模型來表示。Dusit Niyato在文獻[37]中，通過競價機制來進行異構網路資源的管理，這里將業務分成兩種類型，一種是基本業務，另一種類似高質量業務，基本業務的價格是固定的，而高質量業務的價格是動態變化的，它是隨著服務提供商的競爭和合作而變化的。因此這里從合作博弈和非合作博弈兩方面來討論定價機制。Dusit Niyato在文獻[38]中基於進化博弈理論，來解決在帶寬受限情況下，用戶如何在重疊區域進行網路選擇。 網路選擇的目標通常是通過合理分配無線資源來最大化系統的吞吐量，或者最小化接入阻塞概率等，這樣就會涉及網路優化問題。
網路選擇演算法往往是一種多目標決策，用戶希望得到好的服務質量、價格便宜的網路、低的電池功率消耗等。對於多目標決策演算法，通常是不可能使得每個目標同時達到最優，通常的有三種做法：其一，把一些目標函數轉化為限制條件，從而減少目標函數數目；其二，將不同的目標函數規范化後，將規范化後的目標函數相加，得到一個目標函數，這樣就可以利用最優化的方法，得到最優問題的解；其三，將兩者結合起來使用。例如文獻[39]中，採用的是讓系統的帶寬受限，最大化網路內的所有用戶的手機使用時間，即將部分目標函數轉化為限制條件。文獻[40]中，採用的是讓用戶的使用的費用受限，最大化用戶的利益和最小化用戶的代價，這里採用的是上面介紹的第三種方法。 基於策略的網路選擇指的是按照預先規定好的策略進行相應的網路操作。在網路選擇中，通常需要考慮網路負荷、終端的移動性和業務特性等因素。如對於車載用戶通常選擇覆蓋范圍大的無線網路，如WCDMA、WiMAX等；對於實時性要求不高的業務，並且非車載用戶通常選擇WLAN接入。這些均是通過策略來進行網路選擇。
文獻[41, 42]提出了基於業務類型的網路選擇演算法，根據用戶的業務類型為用戶選擇合適的網路。文獻[35]提出基於負載均衡的網路選擇演算法，用戶選擇接入或切換到最小負載因子的網路。[43]提出了一種考慮用戶移動性和業務類型的網路選擇演算法。 多屬性判決策略（Multiple Attribute Decision Making，MADM）是目前垂直切換方面研究最多的領域。多屬性判決策略主要分為基於代價函數的方法和其他方法。
基於代價函數的方法
代價函數一般有兩種構造形式，一種是多屬性參數值的線性組合，如（2.1）式所示；另一種是多屬性參數值的權重指數乘積或者是屬性參數值的對數線性組合，如（2.2）式所示。
（2.1）
（2.2）
其中代表規范化的第個網路的第個屬性值，代表第個屬性的權值。對於屬性的規范化，首先對屬性進行分類，分為效益型、成本型等，然後根據不同的類型的，對參數進行歸一化，採用最多的是線性規范化、極差規范化和向量變換法。關於權值的確定可以分為簡單賦權法(Simple Additive Weighting，SAW)、層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）、熵權法、基於方差和均值賦權法。
(1) SAW：用戶根據自己的偏好，確定每個屬性的重要性，通常給出每個參數取值的具體參數值。
(2) AHP：首先分析評價系統中各要素之間關系，建立遞階層次結構；其次對同一層次的各要素之間的重要性進行兩兩比較，構造判斷矩陣；接著由每層判斷矩陣計算相對權重；最後計算系統總目標的合成總權重。
(3) 熵權法：通過求解候選網路中的同一屬性的熵值，熵值的大小表明網路同一屬性的參數值的差異，差別越大，說明該屬性對決策影響越大，相應權值的取值就越大。
(4) 基於方差和均值賦權法：通過求解候選網路中同一屬性參數的均值和方差，結合這兩個參數確定該屬性的重要性程度值，然後再對其進行歸一化，得到每個屬性的參數值。
其他方法
(1) 基於方差和均值賦權法：通過求解候選網路中同一屬性參數的均值和方差，結合這兩個參數確定該屬性的重要性程度值，然後再對其進行歸一化，得到每個屬性的參數值。
(2) 逼近理想解排序法（TOPSIS）:首先對參數進行歸一化，從網路的每組屬性參數值里選擇最好的參數組成最優的一組屬性參數，同樣也可以得到最差的一組屬性參數。將每個網路與這兩組參數比較，距離最優參數組越近，並且與最差組越遠，該網路為最合適的網路。
(3) 灰度關聯分析法（GRA）：首先對參數進行歸一化，再利用GRA方法，求得每個網路的每個屬性的關聯系數，然後求出每個網路總的關聯系數。根據每個網路總的關聯系數，選擇最適合的網路。
(4) 消去和選擇轉換法（ELECTRE）：首先對參數進行歸一化，構造加權的規范化矩陣，確定屬性一致集和不一致集。然後計算一致指數矩陣和劣勢矩陣，最後得到一致指數矩陣和不一致指數矩陣。根據這兩個矩陣，確定網路的優劣關系，選擇最適合的網路。
VIKOR：首先對參數進行歸一化，首先確定最優和最差屬性參數組，然後計算得到每個網路屬性的加權和屬性中最大的參數值，然後利用極差規范化對網路的加權和以及最大屬性值進行歸一化，最後利用歸一化的參數進行加權求和，依據這個值，選擇最合適的網路。