從3G向4G發展的無線通信網絡，覆蓋技術種類廣泛，每一網絡都具有自身特有的優勢和不足[1]。運營商和用戶對無線頻譜資源的需求相互對立，一方面運營商要求在容量有限的通信系統接納更多的用戶；另一方面用戶要求獲得帶寬大、實時的服務質量。由此可以看出，運營商需要在有效利用有限頻譜資源的同時，滿足用戶的服務要求，這是一個需要折中選擇的問題[2]。
    目前，基于不同通信網絡的下一代無線通信系統要求實現無縫垂直切換，其分析模型研究主要采用區分不同業務的優先級，結合不同網絡信道的分配機制，建立業務狀態轉移模型[3-4]。對于垂直切換判決機制，一類為利用可得到的各種參數(包括可用帶寬、接入開銷、發射功率以及延時等)執行嚴格的切換判決[5]；另一類采用模糊邏輯算法執行切換判決[6-8]，通過用戶參數和網絡參數來體現移動性和異構性，但是該方法不能動態調整可用信道的分配。LEE H等提出一種可調節資源分配算法(AREAS)[9]，在實現提升頻譜利用率的同時，保持較低的阻塞率和掉話率，但是該算法針對的是水平切換。本文提出一種聯合無線資源分配機制的垂直切換算法(VHO-J)，利用動態信道分配機制、區分業務類型的準入控制和負載均衡機制，實現垂直切換的有效執行。
1 垂直切換的業務劃分
    目前3G通信標準將系統業務劃分為會話類、流類、交互類和后臺類4種，交互類業務和后臺類業務對延時、誤碼率和抖動要求低，兩者的傳輸速率接近，速率范圍為5~100 kb/s，在此將其記為第一類(T1);而流類業務對這三個指標要求次之，速率范圍為32~384 kb/s，記為第二類(T2);會話類業務對其要求最高，其中會話類業務的語音電話和視頻電話的傳輸速率相差較大，前者速率范圍為15~25 kb/s，后者速率范圍為256~384 kb/s，則將其記為第三類(T3)和第四類(T4)。T1和T2的最大最小速率差異大，其帶寬波動適應性強；而T3的最大最小速率差異小，其帶寬波動適應性較差。則在呼叫接入網絡時，各個業務的接入優先級由高到低的順序為T3、T4、T2和T1。
2 基于聯合無線資源管理的改進型VHO算法(VHO-J)
    為了提高無線異構環境的切換和新呼服務質量，提出一種聯合負載均衡控制、帶寬借用的改進型VHO算法(VHO-J)，針對新呼、向上垂直切換呼叫、向下垂直切換呼叫三類業務采用不同的準入控制，聯合負載均衡控制、帶寬借用實現性能顯著改善的垂直切換。
    定義：(1)向上垂直切換(VHO-1)：從WLAN到UMTS的切換；    (2)向下垂直切換(VHO-2)：從UMTS到WLAN的切換。
    VHO-J算法首先完成系統信息的初始化，即測量兩個網絡的初始負載量；隨后更新系統信息，包括更新用戶的新位置、移動速度以及網絡帶寬變化，對兩個網絡的負載和帶寬進行相應的更新；接著對新呼、VHO-1、VHO-2三個不同業務采用聯合負載均衡、準入控制和帶寬借用機制按照不同業務要求，執行相應的切換判決；從而移動用戶完成通信。
2.1 區分業務類型的負載均衡機制
    在UMTS和WLAN兩種網絡的負載差異很大時，VHO-J采用的負載均衡機制允許重載網絡的合適業務強制切換至輕載網絡，以減輕重載網絡的負荷，即用戶在UMTS向WLAN方向移動時,將T3業務強制切換到WLAN，因為T3在接入過程中不會主動選擇WLAN；而在WLAN向UMTS方向移動時,用戶會優先把T3業務切換回UMTS，同時將延遲不敏感且帶寬占用小的T1業務切換至UMTS。其他情況發生時，不執行負載均衡。
    為了提高VHO-J的執行速度，負載均衡機制采用固定門限，即UMTS網絡的可用帶寬(BWa)低于其總帶寬(BWu)的20%為重載狀態。而可用帶寬大于總帶寬的50%為輕負載。考慮到WLAN需要為其他固定設備提供無線服務，則其可用帶寬小于其總帶寬(BWu)的60%時為重載,當可用帶寬量高于總帶寬的80%時為輕載狀態。
2.2 準入控制機制
    對于新呼、VHO-1和VHO-2三種業務,需要根據不同業務的接入優先級，決定接入控制的處理。由于中斷正在進行的通話比拒絕一個新呼更讓用戶不滿，即依據用戶效用的觀點，切換比新呼應有更高的接入優先級，則VHO-J的準入機制首先滿足切換業務最小帶寬的需要，然后再接入新呼。VHO-1和VHO-2根據不同業務執行不同的切換策略，并且聯合帶寬借用方法，則具體執行機制見2.3節。根據業務類型的不同，新呼的接入機制如下：
    (1)T1和T2首選WLAN，UMTS次之，接入帶寬按照最大帶寬、平均帶寬、最小帶寬的順序依次嘗試接入，當網絡的可用帶寬無法滿足最小帶寬時,則新呼發生阻塞；
    (2)T3業務首選UMTS，當UMTS可用帶寬不能滿足最小帶寬時，則嘗試接入WLAN，如果WLAN未覆蓋該用戶，則執行帶寬借用；
    (3)T4業務按照(1)執行接入，區別在于當UMTS不能提供最小帶寬時，用戶可以執行帶寬借用機制。
2.3 聯合帶寬借用的垂直切換機制
    VHO-1算法(如圖1)根據不同業務執行相應接入機制，T1和T2按照平均帶寬(BWavg)、最小帶寬(BWmin)逐級嘗試接入UMTS；T3和T4逐級按照最大帶寬(BWmax)、平均帶寬、最小帶寬嘗試接入UMTS。若UMTS的可用帶寬未滿足業務的最小帶寬,因此T1和T2將掉話，而T3、T4業務啟動帶寬借用。由于非實時數據業務能夠適應帶寬的短時波動,因此VHO-J的帶寬借用機制要求T1和T2不能進行帶寬借用，允許T3、T4借用T1或者T2的帶寬，這里T3、T4借用的帶寬是業務最小帶寬。帶寬借用機制要求把網絡中所有使用最大帶寬的T1業務降為平均帶寬；若不能滿足切換用戶，把所有使用最大帶寬的T2業務降為平均帶寬；若依然不能滿足，把所有占用平均帶寬的T1業務降為最小帶寬；若還不能滿足，把所有占用平均帶寬的T2業務降為最小帶寬；若依然不能滿足，則帶寬借用失敗。

    與VHO-1的目標不同，VHO-2算法(如圖2所示)的目標是優化業務性能，即業務能夠獲得更好的帶寬，VHO-2不會出現掉話。當WLAN的可用帶寬僅為最小帶寬時，所有業務都不必執行切換。當WLAN的可用帶寬充足時，T1、T2和T4會主動切換至接WLAN以獲得更大帶寬，而T3不會為了獲得更高帶寬切換至WLAN。

3 仿真模型與結果分析
3.1 網絡模型和業務模型
    3GPP 制定的3G-WLAN 互通規范以保證下一代無線移動通信系統在分層異構網絡下的業務連續性和無縫切換為目標，規范中研究的切換包括UMTS 到WLAN 和WLAN 到UMTS，與本算法的VHO-1和VHO-2相對應。按照如圖3所示的無線異構網絡中主機的移動場景，仿真實驗采用UMTS和WLAN的網絡覆蓋半徑分別為500 m和250 m、網絡最大帶寬分別為11 MB和2 MB，通過Matlab數值實驗分析VHO-J算法的切換性能。
    UMTS和WLAN中4種業務的到達函數和服務時間函數為泊松流，其相關參數見表1。VHO-J算法的性能指標為阻塞率、掉話率，仿真實驗考察20 min內的網絡運行狀況，以10 s為抽樣周期，負載均衡函數采樣周期為30 s。
3.2 VHO-J算法的仿真和分析
3.2.1 阻塞率
    VHO-J算法為T3、T4業務提供帶寬借用機制，分配資源優先級由高到低的順序為T3、T4、T2和T1，而T4的傳輸帶寬最大,T1的傳輸帶寬最小，則T3具有最小的阻塞率，T1業務的阻塞率略高于T3；T4業務由于自身帶寬占用量大，在負載重的情況下阻塞率很大；T2業務與T4業務具有相似的阻塞率,如圖4所示。

3.2.2 掉話率
    由于VHO-J算法的準入控制給予切換業務比新呼更高的接入優先級，切換呼叫能夠優先分配到帶寬，而新呼在剩余可用帶寬中獲得信道資源，因此4種業務的掉話率明顯低于阻塞率(如圖5所示)，同時這也是造成網絡阻塞率較高的原因。T3業務具有帶寬分配的最高優先級，而且帶寬需求低，則其掉話率很低，幾乎不發生掉話；T4業務的掉話率高于T1和T2業務，這也歸咎于T4的帶寬占用量最大，因此發生阻塞和掉話的概率明顯增加。
3.3 VHO-J算法與AREAS算法的對比分析
3.3.1 阻塞率
    AREAS算法對每種業務都支持借用帶寬，而VHO-J算法僅允許T3、T4采用帶寬借用，顯然AREAS算法的新呼能夠獲得更多的帶寬資源，這以降低T3、T4業務的傳輸性能為代價。由圖6可以看出，VHO-J算法中T1的阻塞率明顯高于AREAS，T3反之，其原因是T3在VHO-J具有最高的接入優先級；另一方面，由于T1的帶寬要求遠低于T3，這就產生AREAS算法T1業務的阻塞率最低的結果。

3.3.2 掉話率
    由于VHO-J算法的切換業務具有分配帶寬資源的優先級，所以AREAS算法的切換和新呼具有相同等級。由圖7看到，VHO-J算法的T1和T3的掉話率都低于AREAS，而且VHO-J算法的掉話率明顯低于其阻塞率，而AREAS算法的掉話率與阻塞率基本相同。這樣從用戶角度出發，會更滿意VHO-J算法。

    本文提出一種區分業務類型的垂直切換算法(VHO-J)，通過聯合準入控制、切換管理、帶寬借用的無線資源管理技術，在UMTS和WLAN互通的異構網絡模型上實現并驗證該算法。同時，建立基于Matlab的無線資源管理模塊化平臺，分析VHO-J算法的通信性能，并與AREAS算法的阻塞率和掉話率進行對比分析，得到的性能分析結果是VHO-J算法的掉話率明顯低于AREAS算法，這是以犧牲T1和T2的阻塞率為代價，T3業務的接入優先級最高，其阻塞率也得到保證。總之，VHO-J算法的切換性能好，適合支持多業務通信的無線異構網絡。
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