多制式异构网中的协作式无线资源管理理论分析

目录

1.联合无线资源管理

2.接纳控制

3.垂直切换技术

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       随着无线通信技术的不断发展，新的无线接入技术不断涌现和长期共存，它们具有共同重复的覆盖范围，为网络中的用户提供接入服务。然而，不同的无线接入技术具有不同的特性，例如带宽、系统容量、覆盖范围、时延要求等。如何利用多种RAT的不同特性，协同地为用户提供服务保障，就需要对现有无线资源管理进行研究与分析。下面章节将详细介绍传统无线资源管理、联合无线资源管理及协作式无线资源管理。

1.联合无线资源管理

       相比传统的无线资源管理来说，未来的异构网络中的无线资源管理将在以下两个方面进行扩展。其一，网络资源组成有所扩展，主要表现在网络资源及其耦合关系方面有所扩展。其二，网络资源分配和利用情况有所扩展。

      联合无线资源管理 (Joint Radio Resource Management，JRRM)是基于不同的无线接入技术，采用紧耦合的方式进行统一的集中管理，在不同的无线接入技术上具有一个集中的联合控制实体，主要用来进行联合的接入控制、资源调度和负载均衡等，其核心思想是在不同的RAT上增加集中式的联合控制实体。在网络性能方面[8]，主要是对异构网络的频谱资源的优化，降低每个实体单元的处理复杂度，目的是使网络容量和覆盖范围得到扩展，从而提升无线资源的利用率。联合无线资源管理按照管理的方式，可分为以下三种：

集中式联合无线资源管理

       集中式指的是在各种无线接入网络中提供一个集中控制实体[9]，该实体可以收集多个网络的无线网络资源情况，并且能够对收集到的无线资源进行统一的管理和调度，使得整体网络资源能最大化使用，比较适合紧耦合的融合架构，如下图所示：

分布式联合无线资源管理

       分布式指的是没有一个集中的控制实体来统一协调各个无线接入网络[10]，控制功能被分散在每一个无线接入网络中，如下图所示。

协作式无线资源管理

       协作式无线资源管理(CRRM，Cooperative Radio Resource Management)的出现是为了更好地解决现有不同RAT的无线资源管理的相对独立性，使其能充分发挥异构无线网络资源的互补优势以获取更高的系统资源利用率。采用协作式无线资源管理的主要优点是可以通过负载均衡机制来提高异构网络的资源利用率，为不同业务类型的请求，选择最合适的网络进行接入，从而提升用户满意度和网络资源利用率。协作式无线资源管理主要内容包括联合接纳控制、垂直切换、联合资源分配等，通过影响相关性能的参数，来判断该无线资源管理的有效性和高效性，如图所示为协作式无线资源管理模型：

      目前大多异构无线网络资源管理的主要是针对算法的改良和性能指标的优化，主要表现在、时延、用户体验、网络资源等方面[14]。在未来的发展中，无线资源管理不仅要设计相关的解决算法，更要从架构上进行调整，基于不同的架构会有不同的应用前景，同时要不同的异构无线网络进行融合，实现网络自适应调度与管理功能。

2.接纳控制

       接纳控制策略，不仅可以快速做出接纳判决，并且可以为用户选择更好的目标接入网络，保障了用户的服务质量，同时使各网络资源得到了有效利用，从而使得网络资源利用率得到提升。接纳控制策略的好坏，将直接影响到用户的服务质量。根据不同的接纳控制策略，可以为不同场景的用户提供业务QoS保障。

       在接纳控制过程中，需要有相应的接纳控制策略机制进行判决。传统的接纳控制策略并没有考虑到异构无线环境中不同网络间的差异，且无法适应异构融合网络中多接入技术、多业务的特点，以至于不能有效协调多网络间的资源，从而不能很好地提升系统整体性能。因此，迫切需要研究基于异构无线网络的联合接纳控制机制，一方面解决单接入网络系统容量有限的问题，另一方面对使用多接入网络的系统性能进行优化，并为垂直切换提供解决方案。

      随着网络的不断发展，传统的接纳控制已不能适应当前多制式异构无线网络共存的环境，为了有效提高无线资源利用效率和用户服务满意度，有必要提出一种新的解决方案。新的解决方案应该包括对网络环境的异构化、用户业务的多样性、接纳控制多因素的考虑，联合无线资源管理在这种情况就被业界提出，下面将对联合接纳控制技术进行介绍。

      联合接纳控制是一种集中式的接纳控制，每一种无线接入技术（RAT，Radio Access Technology）由若干个基站（BS，Base Station）组成，每个BS根据需要，管理相应的多个小区，每个BS对所属的多个小区进行接纳控制，将网络信息上报到JAC实体，由JAC做出接纳判决，如下图所示：

3.垂直切换技术

      垂直切换是为了保证用户在异构无线网络环境中进行无缝漫游切换的关键技术，使用户能够在采用不同RAT的网络间进行切换，在多个不同RAT间进行负载协调，解决网络负载不均衡及网络拥塞问题。引起切换的原因主要表现在服务质量差、系统容量不足、信号强度较弱、信号质量太差、基站覆盖不够、干扰太多等。现有的垂直切换技术主要还是通过沿用水平切换中的算法和机制，通过对算法和机制的改进，以降低切换时延和改善网络负载不均衡的问题。

      垂直切换支持用户多模终端在异构网络之间的切换，从而保障业务的连续性和服务质量，使其始终在信号质量更好或传输带宽更大或覆盖范围更广的网络中运行。随着越来越多的用户拥有多个终端，垂直切换应该扩展至同一用户不同终端之间的切换。不同的接入网络可以提供不同的覆盖能力、带宽、服务质量(QoS)等，不同的终端设备同样也能为用户提供不同的处理能力、显示能力、电量支持等。因此，异构网络垂直切换的目标应该是使用户业务始终在最优网络和最优终端上执行。

      在垂直切换过程中，区别于水平切换最大的不同在于垂直切换可以主动发起切换，是由切换测量、切换判决、切换执行三个阶段组成，如下图所示：

现有的切换算法，主要表现在以下几方面：

基于接收信号强度的切换算法

       在无线网络中信号质量及其相关信息在切换触发中有着重要意义，因此有大量基于接收信号强度(Received Signal Strength，RSS)的切换触发模型及相关分析。用户终端通过采集接收信号强度差值来触发切换。研究表明，仅使用RSS作为切换决策依据容易导致切换过程中的乒乓效用。

多属性垂直切换决策算法

        垂直切换其着眼点不是依据接收信号强度进行切换判决，而是依据用户需求、业务类型、网络属性和状态、移动终端状态等多方面因素进行切换判决。垂直切换算法的关键是对异构的切换目标网络的选择。在水平切换中，切换目标小区的选择必须是最佳的，而垂直切换算法的目标是要选择最合适的网络而非性能最佳的网络为切换目标网络，其需要进行多属性切换。由于垂直切换决策是多标准决策问题，决策中涉及的因素多样化、度量值又各不相同，如何根据这些因素进行统一、综合的决策和判断，研究者们提出了各种不同的方法。

基于简单加权和的方法

       这种方法采用各种因素的线性组合，为决策中要涉及的每种因素分配相应的权重值，选择加权和最高的网络为切换的目标网络。

基于模糊推理的方法

       由于垂直切换决策中涉及的因素多，其中一些难以量化，可以采用基于模糊推理的方法进行决策。将切换决策中需要考虑的因素作为模糊推理系统的输入，首先经过模糊化，然后根据规则库中定义的对应不同输入组合的规则，得到模糊化的切换决策结果，再经过决策结果的解模糊，得到是否执行切换的最终决策结果。

基于层次分析法

       层次分析法是多属性决策中的常用方法之一，将之应用于垂直切换决策，包括以下几个步骤：首先将切换决策目标分解成若干准则，并与可用网络共同构成包括目标层、准则层和方案层的层次结构。然后，构造各个准则之间的两两比较矩阵，并据此计算各个决策因素的相对权重；最后计算每个可用网络所对应的加权和，并据之选择切换的目标网络。