适用于分析WLAN与UMTS网络(3G/4G)间的垂直切换性能的Qos控制方案实现

摘要

通常，无线域网提供的带宽较高，覆盖范围较小，而蜂窝网络提供的带宽较小，覆盖范围较大。目前发展趋势表明以3G标准为基础的蜂窝网络和无线局域网（WLANs）共同为终端用户提供多媒体服务。然而，当用户在这些异构网络之间移动的时候，他们必须能够根据资源的可用性及QoS要求不需要用户的干预而能够自动而且透明地从一种接入技术切换到另一种接入技术（如：从802.11网络到3G或4G网络）。上述两种网络之间的数据转发称为垂直切换。特别指出，垂直切换是指为了保持通信不中断而自动从一种接入技术转换到另一种接入技术。与在使用同一技术的不同无线接入点之间的横向切换不同点在于：垂直切换包括改变接入网络的数据链路层。
　　本文主要包括三方面的研究。第一，我们借助建模工具OPNET9.1提出了一个算法来提高WLAN连接性能。第二，我们为3G网络和WLAN提出了一个整体架构。最后，本文实现了QoS的控制方案的组件，并且我们使用OPNET11.5仿真了通过本文的QoS控制方案连接起来的WLAN和UMTS（3G/4G）网络，着重分析了实验数据。
　　在本文中，为体现本文的贡献，我们首先回顾了WLAN的历史，然后叙述了蜂窝通信从第一台电话的发明到蜂窝网络通信采用的最新技术（4G）之间的发展历史，同时也叙述了一些新兴技术，我们在通过对本文的最重要部分--垂直切换做出定义而对其进行了介绍。
　　其次，我们概述了作为我们研究的重要组成部分的WLAN技术，在这章中，我首先阐述了WLAN的架构，然后我们描述了无线局域网的各个组成部分、各种工作模式以及各种拓扑结构。我们介绍了无线局域网的优点以及运用于WLAN的各种协议。根据考虑到的协议之间的多样性，我们指出IEEE802.11b是最流行的无线局域网协议，而且术语WiFi（WirelessFidelity）最初就是为这个协议而引入的，但是后来这个术语是指包括802.11a、802.11b在内的任何一种802.11网络。在同一章中，我们指出虽然WLAN的产品应用广泛、成本低，但是在无线网络中使用的电磁信号带来了黑客入侵的风险。最后，在本章中，对无线局域网的评估和改进进行了分析，从而提出作为无线局域网的性能指标的主要网络参数。然后借助先进的建模工具OPNET9.1提出了一种算法来改进WLAN连接的性能。OPNET仿真结果显示提高数据率可以优化无线局域网的性能提高数据率可以优化网络的吞吐量、媒介访问时延以及和重传次数。仿真结果也显示帧的分割上限非常有利于无线局域网中的数据传输。在第三章中，如：
　　，我们像以前介绍WLAN一样简介了蜂窝网络（UMTS）。UMTS也是我们研究内容中的关键部分，在垂直切换中发挥了重要作用。与其它解决方案相比，蜂窝网络提供了很多优点（如：容量更大、能耗更低、覆盖区域更大）。UMTS系统与GRPS使用相同的核心网络以及全新的无线信号接口。与有线网络相比，无线蜂窝网络有很多局限，而且安全问题在UMTs中仍然很严重，因为蜂窝网络也很容易遭到攻击。3G和4G安全架构具有身份认证、安全性及完整性等特点。另外WAP协议使用TLS、WTLS、SSL等网络安全层为HTTP通信提供了一个安全通道。虽然UMTS具有很好的安全性，但是不断有新安全问题出现，而且研究人员也积极地不断为这些问题寻找新的、更好的解决方案。
　　在第四章中，我们提出了一个完美地整合WLAN和UMTS的算法，我们通过三种方法描述了评价UTMS、WLAN的互联性能时涉及的主要问题。移动IP方法是最容易的调度策略或实现异构网络互连的协议标准。WLAN/UMTS系统的缺点是切换时延较长，从而可能不能提供实时服务或应用。网关方法的切换时延相对移动IP方法较短，网关使两个网络能够独立地运行，并且支持系统间的移动，竞争方法在切换时延方面的性能最好，但是，由于两个网络是紧耦合的，这种方法的灵活性较差。其中，紧耦合与松耦合之间的主要区别是：用户的通信是否使用UTMS的核心网络实现的。
　　在第五章中，本文指出垂直切换是新兴无线网络技术中的一个重要部分。在垂直切换技术中，有几个开放性的问题必须在多个不同网络（如：WLAN和UMTS）的整体上进行深入的研究。通常，切换失败是在切换还没来得及之前，目标蜂窝中没有新资源或者无线链路信号下降到不可接受的水平。
　　在第六章，我们试图找出在垂直切换中服务质量的下降原因，并且在一个实现的QoS控制方案中提出了在切换过程中保证最小质量水平的改进方案。我们提出的模型采用了高数据率的WLAN系统以及大覆盖范围的3G和4G系统的优点，可以支持用户传输自适应的实时数据流。
　　最后，我们在建模工具OPNET11.5中仿真了最后一个算法，仿真结果显示：在保证用户可接受的服务质量水平的前提下，在垂直切换失败可能性以及呼叫阻塞可能性方面，自适应的多媒体框架的性能比非自适应性方法的

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英文摘要

中文摘要

LIST OF FIGURES

LIST OF ABBREVIATIONS

Chapter 1:Introduction

1.1 WLAN History

1.2 Evolution of Cellular Communication

1.3 Emerging Technologies

1.4 The Concept of Cellular Networks

1.5 The different international organizations roles in cellular network

1.6 Vertical Handover concept

1.7 Thesis Contribution

1.8 Scope and structure of the thesis

1.9 Summary

Chapter 2:WLAN technology

2.1 Wireless LAN Components

2.2 Architecture of Wireless LAN

2.3 Wireless LAN Protocol Stack

2.4 WLAN Operating Modes or Network topologies

2.5 Benefits of wireless LAN Organizations

2.6 WLAN standards

2.7 Security Threats of WLAN

2.8 Evaluating and Improving Wireless Local Area Networks Performance

2.9 Summary

Chapter 3:Cellular Networks \(UMTS Technologies\)

3.1 UMTS Components

3.2 Architecture of UMTS

3.3 UMTS Protocol Stack and Interface

3.4 UMTS Domains

3.5 UMTS Services

3.6 Advantages of UMTS Technology

3.7 UMTS Network Level Security

3.8 UMTS QoS Parameter Mapping

3.9 WCDMA

3.10 Summary

Chapter 4:WLAN-UMTS Interworking Issues

4.1 Tow networks with complementarity features

4.2 WLAN-UMTS Interworking Problem Statement

4.3 WLAN-UMTS interworking requirement

4.4 OPNETTM Modeler 11.5 simulation

4.5 Performance Evaluation Analysis

4.6 Authentication Authorization and Accounting

4.7 Billing Analysis

4.8 Security Issues in UMTS-WLAN

4.9 Disadvantage of WLAN and UMTS Integration

4.10 Summary

Chapter 5:Vertical Handover between WLAN-UMTS Interworking

5.1 Classification of Handovers

5.2 Requirement for Handover Mechanism

5.3 Handover metrics

5.4 UMTS Handover Techniques

5.5 Vertical Handover Process

5.6 Mobility Management

5.7 Session Initiation Protocol \(SIP\)

5.8 Summary

Chapter 6:Vertical Handoff Analysis between WLAN and 3G/4G Networks under an Implemented QoS Control Scheme \(IQCS\)

6.1 Introduction

6.2 WLAN and UMTS Integrating Issues

6.3 Design and Implementation of QoS Control Scheme

6.4 Analysis of Experimental Results

6.5 Summary

Chapter 7:Conclusions and future works

7.1 Conclusions

7.2 Future Works

参考文献

致谢

Appendix A:Papers during Doctoral Study

Appendix B:Papers during Master Study