陈 然， 令晓明

（兰州交通大学 光电技术与智能控制教育部重点实验室，甘肃 兰州730070）

0 引言

当前的切换实现主要是基于信号功率[1-3]。以现在广为流行的通用移动通信系统（UMTS）网络及无线局域网（WLAN）网络为例，由于UMTS在城市区域的覆盖范围非常大，若依据这种简单的切换标准，发生由UMTS到WLAN的切换几率则会非常小。同时，如果UMTS用户需要有较高的传输带宽那么实现由UMTS到WLAN的切换则可以提供满足服务质量的传输。因此，将覆盖范围大、移动性高，但带宽相对较低的UMTS网络与覆盖范围小，成本低，具有较高传输带宽的 WLAN网络融合在一起，不仅可以实现相应的覆盖范围，同时还可实现热点区域用户对高速传输数据的要求。可以说，将WLAN网络与UMTS网络融合在一起是基于市场的需求并且有很大的发展空间。

1 网络拓扑结构的设计

在设计UMTS-WLAN融合网络时，网络的结构是首先要考虑的。通常有两种结构：松耦合与紧耦合。在松耦合结构中，WLAN与UMTS是完全分离的。这种结构的优点是：热点区域可以独立的优化。另外，在松耦合结构下移动节点在不同网络间的切换大多是在Layer 3（网络层）进行，而完成网络层切换的主要是MIP（移动IP）。MIP的最大问题是存在较大的切换时延[4-5]。相应的在紧耦合结构中，WLAN网络作为UMTS网络的一部分可以使用UMTS主干网络的资源。如图1所示，WLAN AP（WLAN接入点）与SGSN（GPRS业务支持节点）相连。移动节点配置了两种接口：WLAN接口与UMTS接口，使其可以分别连接到两个网络内。

这里在紧耦合结构下提出从UMTS到WLAN的切换协议，并通过OPNET Modeler软件对切换时延进行仿真分析，说明紧耦合结构中无缝垂直切换可以降低切换时延。

图1 紧耦合结构下的网络拓扑

2 从UMTS到WLAN的切换

2.1 切换场景及过程

以某个地铁站部署WLAN网络为例，考虑其中2个AP（AP1，AP2）。移动节点的运动轨迹是，地铁进站，停留一段时间后又再度出站。在地铁站的周边是UMTS网络。假设某用户在乘坐地铁时使用其移动终端通过无线网络连接到因特网。当地铁进站时，用户由最初使用的UMTS网络切换到了 WLAN网络，在地铁出站时又从 WLAN网络切换回UMTS网络。在整个切换过程中，用户都保持对因特网的连接状态。其中UMTS与WLAN这两个不同网络间的切换称为垂直切换。

图2 切换场景

具体的切换过程为：首先移动节点通过Node B（节点B）经过UMTS接入因特网。当地铁进站时即由UMTS网络切换到WLAN网络，移动节点将执行从Node B到WLAN AP1的垂直切换。而后随着运动轨迹，将执行由WLAN AP1到WLAN AP2的水平切换。最后，当地铁出站时则要再次执行垂直切换，切换回UMTS网络。现考虑地铁进站的情况即从UMTS网络到WLAN网络的垂直切换。

2.2 垂直切换时的协议转换

垂直切换的协议转换过程可划分为三个部分：连接建立，切换过程及连接释放[6-7]。如图 3所示，实线箭头表示通过UMTS链路传输，虚线箭头代表通过WLAN传输。首先，当要执行由UMTS到WLAN的垂直切换时GPRS业务支持节点发出WLAN设备激活请求到移动节点。移动节点向AP1发送请求信息，AP1注册移动节点并确认相关请求。当完成这种确认后移动节点发送PDP（分组数据协议）文本请求信息到GPRS业务支持节点，目的是要建立与UMTS主干网的连接。而后GPRS业务支持节点发送PDP文本接收信息到移动节点，实现WLAN设备激活，至此完成了连接建立部分。然后，GPRS业务支持节点通过UMTS链路发送切换初始化信息到移动节点，移动节点通过 WLAN接口发送切换响应信息至 GPRS业务支持节点完成切换。最后，释放 UMTS RAB(UMTS无线接入承载)并关闭在移动节点中的 UMTS接口以节省能量。在本例中，PDP文本不直接由移动节点取消而是在接收到RAB释放响应时自动取消。

图3 UMTS到WLAN的切换协议

3 仿真结果

UMTS到 WLAN的垂直切换协议可通过 OPNET Modeler得到仿真验证。切换时延结果由图4所示，总的切换时延低于600 ms，其中包括正常传输分组时所需的连接建立和连接释放时间。连接建立时延大约是230 ms并且不能被降低。但是，与连接无关的切换时延本身却仅为100 ms。与MIP的平均切换时延1 219.3 ms[4]相比大大降低。

图4 UMTS到WLAN的切换时延

4 结语

这里介绍了在紧耦合结构下实现网络融合（WLAN AP融合进UMTS网络）的一种无缝垂直切换的方法。通过对切换协议的仿真，可知在紧耦合结构下的切换时延（约为100 ms）要远低于在松耦合结构下MIP的1219.3 ms切换时延。说明网络结构的耦合度越高，切换时延越小，越可以提供满足用户要求的传输服务。

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