蜂窝网有着较低的带宽但辐射范围很广,相比较而言无线局域网(WLAN)则有着较高的带宽和较窄的辐射范围。最新的发展趋势表明基于3G标准和无线局域网的蜂窝网络为用户提供了多种多样的服务。事实上,当用户访问不同层次架构的网络时可以自动从一种网络标准迁移到另一种标准,比如从802.11网到3G网络、4G网络,这仅仅取决于可利用的资源和Qos要求,不需要任何人为的干涉。目前,即使是从WLAN到通用移动通信系统(UMTS)或从UMTS到WLAN的转换在信息技术中也得到了广泛的应用,但数据质量传输服务的下降以及通信阻塞的发生不可避免。本篇论文的重点就在于解决这些在网络通信中的关键问题。在介绍我的工作之前,文章首先对WLAN和蜂窝网做了简单介绍,既对LAN的优势进行了总结也详细阐述了WLAN标准,这里我们保留了轻量级架构模型,因为它允许单个设备上的无线应用协议这样使得问题很简单。随着各种标准的不断应用,我们知道IEEE802.11b标准是通用的WLAN标准,最先在WiFi(无线保真)中得到应用,后来推广到应用802.11,802.11a,802.11b网络。我们认为不管WLAN的方便性能及成本如何,在无线网络中的无线电波可能引起网络阻塞并且UMTS或蜂窝网为广大手机用户通信提供的便利好于GSM技术。另外,本文也对其他相关的工作展开了探讨,如早前用于WLAN性能估计的技术方法,用于WLAN/UMTS整合技术和性能分析的一些方法等等,本文都做了相关的介绍。论文主要做了如下四个方面的贡献：1.提出了一种新的方法来评价和改善WLAN性能首先,我们提出了一些方法通过OPNET Modeler9.1工具(数据率,分段阈值、缓冲区大小三个参数影响的方法以及基于吞吐量,访问延迟,重传机制,流量负载,队列大小等物理特征的一些机制)来改善WLAN通信的性能。也就是我们提出了用数据率、物理特征、分段阈值三种方法来改善及评估WLAN,性能分析则是通过参数分析如吞吐量,访问延迟,重传次数以及丢失的数据包来评价的。通过OPNET仿真结果显示,增加传输的数据率,提高吞吐量,优化访问延迟,减少重传次数都是很好的优化无线局域网的方法,另外优化物理层特性也能很好的提高WLAN的性能。事实上,在物理层进行红外编码在提高吞吐量,优化访问延迟,减少重传次数等参数问题上远远好于进行跳频编码。仿真结果还表明,分段阈值可以大大方便无线局域网中的数据转换。2.采用三种方法对WLAN和3G网络交互应用进行了相关的性能分析在这里,我们利用三种方法(Mobile IP,网关和仿真器)整合了WLAN和3G网络,并且基于UMTS-WLAN交互策略中的垂直切换延迟对三种方法的性能进行了分析,从OPNET Modeler11.5仿真结果来分析得到一种最合适的整合WLAN和3G网络的方法。另外,我们描述了基于这三种方法评估UMTS-WLAN交互性能所面临的最主要的问题。Mobile IP方法是其中最简单应用于多个分层架构网络的方法,仿真结果显示使用这种方法得到的结果有着最大的延迟,不能提供实时服务及应用；而采用网关的方法则需要较短的延迟,使得两种网络能各自独立的工作且实现它们之间的自由切换,这种方法目前大量运用于当前的网络之中；仿真器的方法用最小的时延得到了最佳的性能,但这种方法缺乏灵活性,使得两种网络之间的连接过于紧凑。仿真结果显示使用仿真器的方法使得两种网络是紧耦合还是松耦合的方式主要取决于用户是否通过UMTS的核心网络进行通信。事实上,紧耦合一个最主要的缺陷在于当WLAN中的数据通过UMTS网络时,这些数据可能引起UMTS网络中出现一个瓶颈。另外紧耦合的方法很难处理不同无线网络中的协议栈,需要适应不同网络类型之间的整合等问题,这就使得松耦合的方式占据了优势,使其在网络整合中得到了广泛的应用。尽管如此,松耦合的方式也存在一些局限性,它最大的不便在于通过因特网来整合两种不同的网络。因为在这种情况下,信号需要传输很长的距离这样会引起较大的时延,因此,松耦合的方式不能提供实时性能。另外,切换在WLAN-UMTS整合中的Qos评价指标中非常关键,松耦合在两种不同网络间切换时需要较长的延迟且具有较高的丢包率,因此我们将研究重点集中于WLAN和UMTS网络之间的切换上。采用松耦合的方式是一种最简单的应用在分层网络上交互的方法,但需要较长的时延,同时我们注意到时延在WLAN-UMTS整合的Qos要求中有着很重要的意义。3.提出一种新的方法(IQCS)对WLAN和3G/4G网络进行垂直分析。这里我们提出了一种新的方法(执行Qos控制机制),我们介绍了执行Qos控制机制(IQCS)的每一个步骤且通过OPNET Modeler11.5仿真器在IQCS之下分析从WLAN到UMTS的切换输出。由于我们的方法基于Qos管理机制,我们也通过ETSI设计网络架构对整合WLAN和UMTS网络中的Qos问题及整合802.11和蜂窝网进行了分析。采用松耦合和紧耦合两种不同的方法对WLAN和蜂窝网进行了整合。松耦合就像其名字所述,它在这两种不同网络间有着较少的整合。在这种方案下,WLAN和蜂窝网络是两种分开的接口网络,WLAN接口网络依附于因特网,蜂窝网络则是核心网络,通常情况下接口网络没有任何意义,但核心网络则是相互连接在一起,不需要修改UMTS核心网络,一种WLAN和3G/4G网络之间的松耦合可以利用已知的机制来满足用户的需求。例如采用认证、授权、计费(AAA)服务来满足用户对这些网络的订阅,时延Mobile IP来方便用户在不同的接口网络之间进行切换。这种方案的好处在于使得核心网络有最小的改变以达到减少成本的目的。当我们认识到松耦合是一种最简单的在不同层次网络中执行策略和标准之后,我们的时延和仿真都将使用基于松耦合的架构。我们提出的协议模型支持用户间的实时传输,它既具有WLAN高速率的特征也有3G网络覆盖面广的特征。仿真结果显示,在具有较低垂直切换丢弃概率和阻塞概率的前提下,实现多框架的方法比没有实现多框架的方法在对最终用户保证Qos的前提下能提供更好的性能。在整合网络时既然提到了Qos问题,与同类的无线网络不同,整合WLAN和UMTS网络时的Qos有一些基本的瓶颈：首先,WLAN和UMTS在无线电接口上有着不同的传输速率,WLAN能提供11Mb/s到54Mb/S的速率,而UMTS的速率在车上时为144kb/s,行人的速率在384kb/s,最快室内的速度也只有2mb/s,所以在切换这两种网络时很难保持Qos的一致。如果我们仅仅维持在UMTS上的Qos而不管WLAN,则WLAN高速率的特性我们就完全没有应用了。另一方面,如果我们在UMTS网络中使用WLAN的参数,那么这个连接根本就不成立。因此,保持一个合理的Qos,我们需要考虑两种不同网络之间不同的传输速率特别是在有切换动作产生的时候。第二个限制在于WLAN是在自由的ISM带宽上传输,尽管有一些技术如采用传播频谱的方式来减少干涉但WLAN网络仍然有着很多不可控制的干涉因素。这些超出能量控制和难以保证Qos等问题在一定条件下是很难解决的。在包交换网络中为了保证Qos,必须采用某种机制控制网速在一定的阈值之下以保证系统提供满意的性能。第三个瓶颈在于3G/4G网络是在合理且小心的计划下设计完成在其之上有着成熟的控制算法,有着很好的Qos水平,而WLAN网络则需面临各种不同的复杂的外部环境,很难达到前者的Qos水平,为了解决这一问题我们提出了一种新的控制Qos的方法。我们所提出的Qos架构假设有一个包在UMTS网络和核心网络间交换,使其扮演GPRS网络与其它核心网络进行包交换时一样的角色。众所周知,因特网在管理个人流量和资源保留时有一些基本的可扩展的限制,它的衍生体,在较粗糙的服务保障前提下提供可扩展性问题的优化方法。为了有效的使用蜂窝网中广泛的资源同时维持较好的服务质量,我们采用基于保留的系统。在WLAN中保留是通过HCF到WLAN来实现的,而UMTS则通过基站的功能来实现,文章对以上两种组件做出了分析。我们提出的新的方法包括：Qos策略供给,降解文档,Qos连接接纳控制(CAC), Qos移动管理模块和Qos检测。对于Qos策略供给,带Qos要求的用户上下文首先被送入策略供给模块(PPM)处理,它同时包含了用户信息和传输的类信息；接着带降解文本的Qos信号生成并同时发送给用户和连接接纳控制模块(CAC)。当数据流已传输完毕,流量仪表计算其时间属性是否满足Qos的要求。假设所建立的最终用户Qos文本不满足要求,检测部分将状态信息传给CAC或其他组件来触发特殊的处理。这种回馈机制使得Qos能实现在不同网络间的自动变换。用户的检测对CAC上的Qos有着重大的影响,这就需要调用检测管理模块(MMM)。在蜂窝和WLAN整合网络中,当移动节点进入热点区域或离开热点区域时可能发生切换动作,这是因为热点区域通常覆盖的是蜂窝网,实际的切换是不需要发生的,这就取决于用户的最终决定,这就分为触发切换和可取的切换(DH)两种。节点会因切换而变得不同,这是因为移动节点可以同时连接在WLAN和蜂窝网上,因此系统并不是实时关键的,当移动节点进入WLAN时,一个可取的切换就发生了,这就意味着数据的路径可以改变,在此之前的数据流所建立的Qos都将改变。一种较简单的解决此类问题的方法是在一定节点进入WLAN之前生成一个新的WLAN保留区,由于DH的时间容忍特性而使得这种方法可行。另外意识到无线连接带宽将自动提高,新的提交的Qos文件可以考虑用户的订阅状态并给出合适的要求。一种普通的切换发生在有移动节点从WLAN进入蜂窝网的时候,必须产生一个新的预留区。实际切换时间需保持连续以提供无缝服务,在WLAN中用户订阅的网络资源超出了UMTS的范围,那么发生的丢弃切换将频繁发生。这就需要采用一种合理的机制嵌入到CAC和检测管理模块之间用来通过降解文档的定义降低用户的Qos要求。因此系统性能在可接受的Qos范围内得到有效的提高。4.将我们IQCS方法与另外两种不同的方法进行对比这个部分将我们所提出的方法与基于SCTP的VHO机制以及基于策略的Qos方法进行对比。基于SCTP的VHO机制,基于策略的Qos方法以及我们所提出的方法有着共同的目标,那就是最小化服务质量的衰退。在这里将我们所提出的算法与其他方法主要是在WLAN和UMTS交互切换过程中(也就是在不同网络间的切换尽量做到无缝和有效)的服务质量衰退问题进行对比。因此,我们选择之前的基于SCTP的VHO机制和基于策略的Qos方法用于UMTS-WLAN系统。以上提到的三种方法都是为了解决当前交互网络中存在的一些问题,如UMTS核心网络中的阻塞问题,最小化服务质量衰减问题等等。另一方面,也是如何在分层环境下(WLAN和UMTS)保证Qos的重要解决方案。尽管这些方法都有着最小化服务质量衰减的共同目标,但他们有着不同的性能指标。从我们的分析结果看来,我们所提出的方法扩大了通信负载条件下的可利用率减少了丢包率和访问阻塞率,是在实时环境下最简单可行的方法也是最可靠的。整篇论文,为了引出本研究所做出的贡献,我们描述了从WLAN的发展历史到第一台电话机发明以来对蜂窝网通信的评价标准直到现在应用的4G蜂窝网络,也对现在出现的一些新型技术做了简单介绍,另外也简单阐述了垂直切换这个重要概念。在第一章,我们重点介绍了WLAN技术和蜂窝网络这两个重要概念,首先我们描述了WLAN架构,无线LAN组件,操作模式,拓扑结构,介绍了无线LAN的优势和WLAN标准。随着各种不同标准的引出我们强调IEEE802.11b是当前应用最广的WLAN标准,且最先使用此标准的是WiFi,紧接着将802.11a和802.11b合并成802.11标准。不管WLAN所提供的便利性和成本如何,在无线网络中无线电波将造成网络传输的阻塞。UMTS系统使用与GPRS类似的核心网络并且使用新的无线接口,与无线网络不同,无线蜂窝网络由于其公开性有着更多的限制和安全问题,使得3G/4G安全架构提供了诸如身份验证、保密性、完整性等安全机制。WAP协议使用网络安全层如TLS/WTLS/SSL来为HTTP通信提供安全通道。尽管UMTS提供了安全性能,但也面临着新的亟需研究者来解决的问题。文章还就一些如评价和提高WLAN性能、如何整合WLAN/UMTS网络及其性能分析、分层架构网络中的垂直切换分析研究等相关工作进行了讨论。我们通过OPNET9.1仿真给出的结果显示可以通过提高数据传输率的方式来改善WLAN的性能。假设数据传输率从1mbps提高到11Mbps,相应的吞吐量将提高27%到30%。同时根据理论公式的证明,我们提高数据传输率,所接收的数据也会增加。文中方案1与方案2相比较其平均访问时延也会相应的减少。在600s的仿真时间内,方案2开始时访问时延与方案1相当,接着出现线性增长,但最后其访问时延比方案一要长90%-95%。这是由于在高速率传输过程中,数据在缓冲区停留的时间较短因而得到了非常好的结果。同样在方案一中由于数据准确的传输,相比较方案2而言减少了69%的重传数据。事实上,增加数据传输速率是一种很好的优化无线局域网性能的方法,数据传输率提高了,相应的吞吐量也就增加了,而访问延迟减小了,也大大减少了重传的次数。对于吞吐量、重传次数和访问延迟三个物理特性,仿真结果显示采用红外编码的方式是一种最好的技术,跳频的方法是这三种中最差的,而直接序列编码的方式则介于两者之间。跳频方法与直接序列编码的方式在吞吐量和延迟方面差别并不大,这是由他们的编码差异仅仅为15%-17%而决定的,但在重传率方面,直接编码的方式比跳频方法要好了40%-43%。另外,对于这三个参数红外编码是最好的选择变量的方法。对于吞吐量,红外编码的方式优于跳频方法和直接编码30-33%。在仿真的最后,红外编码的方式存在70%-75%的吞吐量的变化,其性能要比直接编码的方式好60-62%,其减少率相当于跳频编码的78%-80%。在600秒的仿真时间内,对于WLAN中的整体延迟,红外编码的方式要优于跳频及直接序列编码方法的85%-90%,但红外编码的延迟存在着波动。由以上可知,调整物理层的特征可以很大程度上的提高WLAN的性能,采用分段阈值的方法则可以方便在无线局域网中的数据转换。如果缓存大小加大,则重传次数将会降低,在仿真的初期,文中方案7重传次数比方案6少了30%-35%,但到最后其重传次数达到与其相等的次数。队列的大小随着缓存的增加也会相应的减小,这是因为较大的缓存发送包所用的时间较短,所以队列在较大缓存区内可以持续不断的建立。我们的仿真结果与真实情况仅仅相差1-1.5%。以上情况说明采用分段的机制可以方便无线局域网数据之间的转换。最后因本文的第一条贡献,采用数据率、物理特征和分段阈值这三种方法来提高WLAN性能是非常重要的,它可以用于无线局域网的评估及改善。通过第一个贡献,我们知道可以通过吞吐量、访问延迟、重传的次数、丢失的数据包来分析WLAN的性能。OPNET仿真结果显示,增加数据率是一种优化无线局域网性能的方法,同样也可以优化吞吐量、访问延迟以及重传次数来达到相同的目的。优化物理层特征,可以很大程度上改善WLAN的性能,事实上,若评价WLAN的关键点在吞吐量、访问延迟、重传次数之上,则在物理层采用红外编码的方式是最好的方法,跳频的方式却并不适用。仿真结果显示在无线局域网中采用分段阈值的方法可以很好的方便数据之间的转换。通过上述描述可以得知有三种整合WLAN和UMTS网络的方式：Mobile IP,网关和仿真器的方法。OPNET仿真结果显示Mobile IP的方法是最简单的实现分层网络的整合的方法,仿真结果同时也指出这种方法有着较长的切换延迟不能提供达到预期目标的Qos。我们描述了评估UMTS-WLAN网络性能的方法有三种,Mobile IP是最简单的处理分层网络的方式。仿真结果显示它有着较长的切换时延,不能满足实时要求及相关方面的应用。比较而言,采用网关的方法有着较短的时延,使得两种不同网络之间相互独立且能实现他们之间的相互切换,是目前应用到真实网络环境中的普遍的方法。仿真器的方法在切换延迟上是具有最佳性能的方法,但这种方法由于实现两种网络间的紧耦合而缺乏灵活性。从仿真结果得知,松耦合和紧耦合最大的区别在于用户的通信是否穿过UMTS核心网络。其中松耦合是最简单的实现分层网络间整合的方式和标准,但它有着较长的时延。另外我们知道切换在WLAN-UMTS整合网络中Qos的要求上发挥着重要的作用。实际上我们通过仿真得到了多种分析和评价UMTS-WLAN整合网络的方法：采用Mobile IP分析,采用网关分析和采用仿真器的方法,这里我们将简单的将其进行了对比。UMTS/WLAN整合网络中垂直切换时延的数据在文中表中给出以比较他们之间的不同,该表格非常清晰的给出了结果,从中可以看出,Mobile IP的方法由于传输数据需要经过因特网(内部代理,外部代理)而得到了最差的性能,网关和仿真器方法则仅仅通过内部网交换信息,采用网关的方法的延迟仅仅比仿真器方法长一点点。但用户数量超过2000的时候我们知道Mobile IP的方法需要200ms的网络配置时间,这就使得该方法对某些实时要求的系统是不可接受的。当整合WLAN和UMTS网络时,认证、授权、计费(AAA)是必须考虑的因子,AAA管理机制在WLAN-UTMS整合网络中有着非常重要的地位。认证是从一个相互命名空间中预先存在的标签声明身份的行为,使其作为消息的发送者或通道的终点。授权是决定用户是否有着特殊的证书而具有特定的权利。这种特殊权利可以是,比如到资源的接口。计费则是用于收集资源消耗数据以用于趋势分析,能力规划,计费审计和成本分配,这三个原则适用于所有不同类型的网络,特别适用于作为公共网络的3G网络和采用IEEE802.11标准的局域网。但UMTS和WLAN网络有着不同的数据库和AAA程式。为了应用AAA策略,WLAN-UMTS整合的方法使用了通用用户使用模块(USIM)。整合UMTS和WLAN的一个好处在于通用计费,也就是用户将收到一个各种混杂网络使用情况的收费单。事实上,整合了3G和WLAN网络之后,我们必须提供相应的计费机制,这种计费机制能提供不可抵赖服务,这是非常重要的一点,特别是3G网络和WLAN网络被不同的运营商登陆的时候,若不能提出这样的机制,那不同的运营商之间可以相互欺骗,密谋计费支出,这就会造成一定程度上的混乱。这样就有两种不同的计费策略可供选择：事先支付和事后支付。在前一种计费策略下,用户必须预先支付一些钱,当这些用户使用网络服务时,主运营商将根据用户的诚信检测收费信息,当用户在诚信接口网络之外,这项网络服务也随之终止。在后一种策略下,用户与国内服务提供商签订计费协议,定期支付其使用费用。基于垂直切换分析的Qos分析与增强在WLAN和3G/4G网络中得到了广泛应用,我们在OPNET Modeler11.5工具平台下提出了新的方法(IQCS),结果显示在保证最终用户需求的Qos的前提下,采用执行多媒体架构的方法在保持可接受Qos与较低的垂直切换丢失概率和访问阻塞概率前提下性能优于非执行的方法。这就是说我们提出的方法(执行Qos控制机制：IQCS)在整合WLAN和UMTS的垂直切换输出上大大的提高了服务质量。通过这一部分仿真实验用来调查所提出的方法是怎样在整合3G/4G与WLAN网络时提高整体Qos的,我们设计的实验其访问到达时间服从独立的柏松分布,而每一个连接的会话时间服从指数分布。众所周知,丢失一个已连接的通信的开销大于拒绝一个新的连接,因此蜂窝网保留了一定的带宽用于切换访问以减少垂直切换丢失的概率。这一保留的所谓的守卫带宽既可以是动态的也可以是静态的,动态的方法通常在控制开销上优于静态的方法,而静态的方法往往由于其设计简单而受到更多的青睐。仿真实验在不同的通信负载情况下进行,我们将自己提出的方法与不执行多媒体服务的方法进行了对比。实验中,我们在同等条件下进入WLAN和UMTS,计算整个系统的性能优劣,在整合网络中提出的执行控制机制支持下比较带宽利用率,这里非执行控制机制是在不同通信负载条件下实验的。很明显,采用执行多媒体连接的方式优于非执行多媒体方式,且随着通信负载的增大,其优势更明显。执行多媒体方式能更好的利用带宽的原因在于我们所提出的机制允许网络通过降解文本自动调节Qos,为新的切换访问提供了适量的资源。理所当然,通过执行多媒体机制所产生的垂直切换丢失概率明显低于非执行多媒体的方式,当通信负载越大,其优势更加明显。这就说明我们所提出的方法在整合WLAN和蜂窝系统时降低了垂直切换丢失包的数量。除此之外,我们还给出了在采用多媒体连接和非多媒体连接时访问阻塞概率的情况。仿真结果显示,随着通信负载的增加其访问阻塞概率也相应的增加,相对而言,采用执行多媒体的方法明显的减少了访问阻塞的概率。最后,本研究提出了一种新的方法(执行Qos控制机制IQCS)在分层架构网络如UMTS和WLAN发生垂直切换时用来控制和增强Qos以最小化服务质量的降解。本论文我们基于ETSI所设计的网络架构提出了蜂窝网和WLAN网络的整合模型,这有效的整合了802.11和蜂窝网(松耦合方法)两种标准,我们将新方法作为IQCS中的一个组件对每一个步骤都进行了分析,通过仿真实验说明我们提出的系统是可靠的。我们所提出的方法支持实时属性,既可以利用WLAN系统中高速率的特点又可以利用3G/4G网络所具有的覆盖区域广等优点,仿真实验结果表明,执行多媒体架构的方式在具有较低垂直切换丢失率和访问阻塞概率的同时维持最终用户所要求的Qos前提下比非执行多媒体的方式具有更好的性能。这就是说IQCS在有垂直切换在分层网络中发生时,可以很好的提高服务质量。文章的最后,将基于SCTP的VHO机制和基于策略的Qos机制与我们提出的新的方法进行了对比。基于SCTP的VHO机制,基于策略的Qos机制以及我们提出的方法都有着最小化服务质量降解的目的,但却有着不同的性能。我们的目的是当有切换发生在WLAN和UMTS交互网络中时,与其他的能最小化服务质量降解也就是尽可能有效且无缝的实现切换的方法进行对比。因此,我们选择了基于SCTP的VHO机制和基于策略的Qos机制用于整合UMTS-WLAN系统。这里最主要的目的是设计一种UMTS/WLAN VHO机制来使得在两种网络间的切换尽可能的无缝且有效。使用SCTP的方式来支持UMTS/WLAN VHO其理论基础在于SCTP的多巢穴特征。从视图关联点来看,结点网络接口是否是同一种并不重要,接口都可以通过它的IP地址增加到当前的连接之中。M-SCTP在移动管理策略中提高了端到端的软件切换方案。对于在UMTS和WLAN交互环境中基于策略的Qos管理方式,用户可以在不同的环境例如公司、住宅、公共场所下使用UMTS网络,类似的WLAN网也可以在不同的诸如以上环境下使用,不同的环境可能牵涉到不同的管理域和不同的网络集成。例如在WLAN中不同的环境如公共场所、企业、住宅可能有着不同的安全机制和策略。基于策略的Qos管理架构在UMTS和WLAN交互网络中支持端到端Qos服务。以上提到了三种方法都是为了解决当前交互网络中存在的各种问题,如UMTS的阻塞问题,最小化服务质量降解问题等等。另一方面,如何保证在分层网络环境下的Qos也是我们面临的一个难题,尽管所有方法都为了最小化服务质量降解,但他们有着不同的性能,从这些方法的对比结果中可以看出,我们提出的IQCS方法与基于SCTP的VHO机制和基于策略的Qos机制相比,我们所提出来的方法允许较大的负载利用率,降低了丢失概率和访问阻塞概率,在实时环境中是最简单可行的,在最小化Qos降解问题上也是最可靠的。