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摘要 移动性管理技术是实现异构网络融合的关键技术之一，而切换管理对移动性管理显得尤为重要。针对未来异构网络的特点，本文研究了相应的切换机制，并对不同方案进行了比较分析。结果表明，两种混合式方案具有较好的切换性能，极具应用潜力。
1、引言
未来的移动通信环境将包括各种具有不同的传输速率、覆盖范围、系统容量及服务水平的无线接入网络。为了充分利用不同接入网络的特点，向用户提供无处不在的服务，并且能够满足用户对业务宽带化、个人化和智能化的要求，异构网络之间的协作和融合是目前人们关注的焦点。移动性管理技术，尤其是切换技术，是实现异构网融合的关键技术之一。
过去对切换管理技术的研究多集中在单一通信系统内，从用户的角度出发，主要保证了语音业务和低速率业务的延续性和质量。在异构网络环境下，还需要从网络的角度重新设计切换管理方案，以实现网络之间和网络内部的业务负载均衡，从而有效地利用网络资源以满足用户对多业务的需求，因此，如何设计出具有高灵活性、低复杂度的网络结构和综合考虑多种异构网络参数的切换算法是当前研究的重点和难点。3GPP和欧盟的WINNER项目（专门针对B3G/4G研究设立）均围绕上述两个方面进行了深入研究，提出了许多新的概念，但目前都处于理论研究阶段，还需进一步完善，其最终的研究结果将作为B3G/4G网络切换技术的主要候选技术。
B3G/4G网络将是一种融合了多种无线接入新技术的网络，其网络内部已经具有异构特性，本文以B3G/4G网络为代表，探讨了异构网络融合的各种切换机制。首先从网络架构的角度出发，引入新的节点，根据切换控制方式的不同分别介绍了分布式、集中式及混合式3种方案，并对其性能进行了对比分析，然后在不考虑网络架构及切换控制方案的情况下，从无线切换方式的角度出发，引入网关池的概念，分析比较了链路、IP及混合3种切换方式；最后对文章进行了总结。
2、几种切换控制方式的分析比较
可以将B3G/4G网络的接入网抽象为由网关、基站、中继节点、用户终端以及无线资源管理（RRM）服务器（根据切换方案的不同可选择采用）组成，如图1所示。该架构支持灵活的切换管理，分别可以通过分布式方案、集中式方案以及分布/集中混合式方案来实现。其中，网关、基站和RRM服务器是实现切换管理的关键节点。
图1 接入网抽象架构
网关是接入网与核心网的IP接口，对宏移动性管理和微移动性管理提供支持。网关控制着一组基站，当用户终端从该网关控制下的基站移动到另一网关控制下的基站（同一接入网内）或者其他接入网时，网关将参与切换管理。基站对处于活动和空闲状态下的用户终端进行基站间的切换管理，同时也负责基站控制下的中继节点间的切换管理。RRM服务器根据切换方案的不同可选择采用，它利用节点的负载信息进行资源分割并给出相应的切换指示。
（1）分布式方案
在该方案中，切换过程仅由用户终端当前所连接的基站负责执行，没有任何中央控制节点作出切换判决或者辅助作出切换判决，因此该方案不需要设置RRM服务器。当前基站的信息和信令通过基站间接口与相邻基站交互。当前基站通过实时业务度量（RTTM）机制得到负载相关信息，据此提供给用户终端切换所需的候选基站列表。切换过程如下：
●终端或者基站发起切换请求：
●当前基站与相邻基站通过基站间接口通信，获取RTTM；
●当前基站选定目标基站，作出切换判决；
●当前基站与目标基站进行通信，通知切换结束。
（2）集中式方案
该方案的基本思想是需要有一个中央控制节点，即RRM服务器负责切换判决。RRM服务器周期性地与基站进行通信，获取RTTM，从而随时能够获知基站的状态，判断其是否处于或者接近过载状态，向用户终端提供切换所需的候选基站列表。RRM服务器与基站间的通信也可以采取按需通信的方式，即如果有切换判决的需求，RRM服务器才从基站处获取RTTM。若采取周期性的通信方式，由于没有从基站处要求获取RTTM的时延，判决速度会加快，有利于减少切换时延。但是如果通信周期设置过长，RRM服务器中存储的基站状态跟不上基站目前的更新状态，会造成切换误操作；如果通信周期过短，会增加网络的信令开销，因此需要根据系统的需求对RRM服务器与基站的通信方式进行折中选取。
切换过程如下：
●基站、用户终端或RRM服务器发起切换请求；
●RRM服务器从基站处获取RTTM（或者查询已有的度量值）；
●RRM服务器选定目标基站，作出切换判决；
●RRM服务器与目标基站通信，通知切换结束。
（3）分布/集中混合式方案
在该方案中，由当前基站作出切换判决，RRM服务器在必要的情况下对基站的切换判决起辅助作用。由于当前基站只能从其相邻基站获取信息，而RRM服务器能够从接入网内所有的基站处获取信息，因而对网络全局信息的把握更加全面，当出现当前基站或网关的容量达到上限或者过载的情况时，RRM服务器将会提供给当前基站可进行切换操作的候选基站—网关列表。结合从相邻基站处得到的候选列表，当前基站最后选定目标基站—网关，作出切换判决，实现了负载平衡和网络容量最大化。当网络处于低负载状况，当前基站无需请求RRM服务器进行辅助判决，直接进行快速高效的切换判决。
（4）方案比较
分布式方案由基站直接进行切换管理，大大降低了切换判决时延，减小了信令开销，但由于对网络全局信息缺乏足够的把握，不能实现最优的切换判决，从而对网络的容量和稳定性造成了负面影响。同时基站设备需要更加智能化，从而增加了基站设备的实现复杂度。集中式方案虽然能够充分利用全局网络资源，但是由于引入了RRM服务器，增加了切换判决时延和额外的信令开销。混合式方案根据网络负载和拥塞情况灵活选取切换管理方案，充分利用了分布式方案的快速判决和集中式方案的最优判决，在切换性能和设备复杂度上实现了折中。
3、几种无线切换方式的分析比较
（1）链路切换
当用户终端需要改变其附着的无线接入点（无线网络或基站等）时，将发生切换，而在切换完成之后用户终端仍然使用原有的IP地址进行通信，这种切换就被称为链路切换。由于用户终端的IP地址在切换前后没有发生变化，所以数据流也没有发生中断，只有数据包到达目标基站/无线网络的路由发生了变化。这是最常见也是最简单的切换方式，在传统网络中已被广泛使用，比如切换前后源接入点以及目标接入点属于相同的网络域。
（2）IP切换
IP切换是指切换完成后用户终端的IP地址发生了改变。当网关间进行负载均衡以及用户的接入网关发生变化时进行IP切换，为了保证在执行IP切换的过程中数据流不发生中断，必须使用移动IP等协议。
（3）链路/IP混合切换
相对于链路切换，IP切换有时延较高、信令开销较大等缺点。为了减少IP切换发生的次数，提高切换效率，在B3G/4G网络中引入了网关池的概念。将一组网关组合在一起，看作一个资源池，网关池将共享其所连接的基站池资源，如图2所示。当切换发生在同一个池内的基站之间时，网关通常不会发生改变并且用户仍使用原有IP地址。
图2 网关池的架构
这种池的概念使得每个网关可以与池内的每个基站相关联，避免了池内网关间的切换，并且池内的网关容量也可以方便地进行扩充。
链路/IP混合切换正是基于网关池的概念，把链路切换和IP切换进行整合。图3详细地描述了这种混合切换方式：用户终端所连接的基站发生了变化，即无线链路改变，须执行链路切换；同时用户终端又改变了附着的网关，需要改变IP地址，须执行IP切换，从全局观察即发生了链路/IP混合切换。如果混合切换过程在一步内完成，在短时间内会造成极大的网络信令开销，当网络负载较高时容易发生切换失败，因此链路/IP混合切换通常分两步完成。
图3 链路/IP混合切换
第一步：链路切换。用户终端切换到另一个基站，但网关没有改变，属于快速的链路切换，如图4所示。
图4 链路/IP混合切换（链路切换）
第二步：IP切换。当用户终端执行了上述过程并切换到新的基站后，开始切换到新的网关，由于进入了一个新的IP域，改变了IP地址，执行了IP切换，如图5所示。
图5 链路/IP混合切换（IP切换）
（4）切换方式比较
链路切换和IP切换是无线网络中两种基本的切换类型。链路切换虽具有低时延、低信令开销的优点，但是下一代无线网络是各种接入方式并存的异构网络，为了实现网络负载均衡，最大化网络资源利用率，IP切换不可避免。但IP切换具有时延较高，信令开销较大的缺点。利用网关池的概念，链路/IP混合切换方式减少了IP切换次数，既提高了切换效率，同时也保证了切换成功率。
4、结束语
本文介绍了B3G/4G网络中可能用到的几种切换管理机制，其中分布/集中混合式方案和链路/IP混合切换方式是比较理想的两种切换机制。分布/集中混合式方案着重从网络结构出发，引入中央控制节点使切换管理更加灵活，并在切换性能和复杂度之间实现了折中。链路/IP混合切换方式则引入网关池的概念，提高了切换效率和性能，实现了网关间负载均衡和网络资源利用率最大化。同时，分布/集中混合式方案可以用来更好地控制和管理链路/IP混合切换，将二者相结合将是解决未来异构网络融合中切换问题的重要手段。今后的工作重点将对混合切换方案进行优化，并结合具体的切换算法对方案的性能进行定量的仿真评估。
