趙倩麗，曾興斌，何加銘

(寧波大學信息科學與工程學院，浙江寧波 315211)

0 引言

在未來的異構無線環(huán)境中，接入網(wǎng)絡將顯著呈現(xiàn)異構性的特點。為了充分利用不同接入網(wǎng)絡的特點，向用戶提供 5W(Whoever、Whenever、Wherever、Whomever、Whatever)的服務，并且能滿足用戶對業(yè)務帶寬化、個人化和智能化的要求。異構網(wǎng)絡的融合可以實現(xiàn)各個網(wǎng)絡的優(yōu)勢互補，而垂直切換是異構融合網(wǎng)絡的核心技術，垂直切換性能優(yōu)化隨之也成為一個重要的問題。

垂直切換判決算法中需要考慮影響切換性能的多種因素，如應用需求、用戶喜好、終端能力、網(wǎng)絡費用及其QoS性能等，所以無法設定一個通用的決策方法?？紤]到終端應用的實際需求和用戶的偏好等因素，現(xiàn)有以終端為中心的代價函數(shù)不能滿足終端應用的要求。下面介紹一種綜合考慮終端電池電量和用戶喜好等多應用并且保證服務質(zhì)量的垂直切換判決算法。

1 自適應垂直切換判決算法

目前無線通信網(wǎng)主要分為2類:一類是以3G網(wǎng)絡為代表的蜂窩網(wǎng)絡;另一類則是以WLAN為代表的無線局域網(wǎng)［1］。下文將論述移動終端(Mobile Terminal，MT)在這2類網(wǎng)絡之間的切換。

1.1 對候選網(wǎng)絡QoS判斷的代價函數(shù)

合理并且高效的代價函數(shù)是異構網(wǎng)絡間進行準確、快速垂直切換的前提條件，因此合理的代價函數(shù)設計尤為重要。

假設移動終端有N個可接入的候選網(wǎng)絡，QoS最優(yōu)的網(wǎng)絡為最優(yōu)目標接入網(wǎng)絡，即該候選網(wǎng)絡的代價函數(shù)值最小。

fn為網(wǎng)絡n的代價函數(shù)，它表示移動終端從網(wǎng)絡n獲得的所有應用付出的代價表示移動終端在網(wǎng)絡n獲得應用a的代價函數(shù)［2］。代價愈小愈好，所以將最優(yōu)網(wǎng)絡n表示為min{n|fn}，最優(yōu)網(wǎng)絡n由以下公式確定:

式中，fn為網(wǎng)絡n的代價函數(shù)。它包含了應用服務中各個應用的代價，如果考慮到各個應用的優(yōu)先級，將式(1)更新為式(3):

式中，Pa表示應用a的優(yōu)先級由以下公式給出:

考慮到代價函數(shù)中的網(wǎng)絡參數(shù)需要加權相加，但是網(wǎng)絡參數(shù)的取值范圍差異較大，如果直接進行加權，網(wǎng)絡參數(shù)對代價函數(shù)取值產(chǎn)生的影響將會有很大差異。為解決上述問題，將對網(wǎng)絡參數(shù)進行歸一化［3，4］，所有網(wǎng)絡參數(shù)歸一化后的取值范圍都相同，網(wǎng)絡參數(shù)的重要性由權值來體現(xiàn)。

1.2 垂直切換判決方案

垂直切換判決算法引入電池電量門限。當移動終端剩余電量高于電量門限時，移動終端處于高電量狀態(tài);否則移動終端處于低電量狀態(tài)［6］。當處于高電量狀態(tài)時候，垂直切換考慮多種切換因素。但是處于低電量狀態(tài)時候，主要考慮電量因素，應選擇候選網(wǎng)絡中帶寬大的網(wǎng)絡接入，這樣可以減少業(yè)務消耗時間，防止由于電量耗盡造成的業(yè)務阻塞。

網(wǎng)絡中有數(shù)據(jù)和語音業(yè)務。數(shù)據(jù)業(yè)務需要的帶寬比較大，語音業(yè)務需要的帶寬相對較小。雖然數(shù)據(jù)業(yè)務可以接入3G網(wǎng)絡，但是它更傾向于帶寬大(如WLAN)的網(wǎng)絡。垂直切換方案流程圖如圖1所示。

圖1 垂直切換方案流程圖

如果移動終端剩余電量低，則應考慮切換至帶寬大(覆蓋范圍小)的接入網(wǎng)絡，以減小終端的發(fā)送和接收功耗，這樣有利于終端工作時間的延長。定義接入網(wǎng)絡j對終端t當前剩余電量的適合度如下［7］。

這里u是所有候選網(wǎng)絡按覆蓋范圍從小到大排列時各接入網(wǎng)絡的序號，1≤u≤N。Ect表示移動終端當前剩余電量，Et表示電池閥值。

如果移動終端的運動速度過快，為減少切換次數(shù)，則選擇切換至覆蓋范圍大的接入網(wǎng)絡。定義接入網(wǎng)絡j對終端t用戶當前運動速度的適合度如下:

這里，v是所有候選網(wǎng)絡按覆蓋范圍從大到小排列時各接入網(wǎng)絡的序號，1≤v≤N。Vct表示移動終端當前運動速度，Vjt表示網(wǎng)絡j對應的速度閥值。根據(jù)終端當前的移動速度對候選網(wǎng)絡進行篩選，然后再比較這些候選網(wǎng)絡進行代價函數(shù)值，按照一定的方案來確定最優(yōu)目標切換網(wǎng)絡［8］。

2 仿真與分析

為了評估切換算法的性能，設計了一種切換場景:WLAN和3G網(wǎng)絡邊緣的隨機運動場景。為了簡化模型，只考慮切換過程中的垂直切換，如圖2所示，移動終端B從WLAN通信范圍移動出去后，為了保證通信的持續(xù)性可以切換到3G網(wǎng)絡。而移動終端E從3G網(wǎng)絡移動出去后可以切換到WLAN網(wǎng)絡享受高帶寬傳輸速率的服務。

圖2 3G-WLAN網(wǎng)絡切換場景

當移動終端B從WLAN網(wǎng)絡移出至3G網(wǎng)絡的覆蓋范圍時，因WLAN網(wǎng)絡的通信范圍有限，移動終端需要發(fā)起切換，即從WLAN切換至3G網(wǎng)絡。移動終端首先檢測到接入點的信號強度在減弱，然后判斷終端當前的電池電量是否滿足發(fā)起切換的要求，然后再最終決定是否進行切換，如果終端有足夠的電池電量，則不考慮能量的消耗接入最優(yōu)網(wǎng)絡，進行切換。如果終端能量有限或者不足，從人性化角度考慮則詢問用戶，是否進行切換以獲得更好服務，或者嚴禁進行切換，以延長移動終端的使用時間。預判決先通過終端能量消耗比值進行功耗判斷，進行功耗判斷后，若繼續(xù)進行判決，則通過設定各個候選網(wǎng)絡的速度閥值作為判斷依據(jù)，進行速度篩選。如果當前用戶的速度超過了某個候選網(wǎng)絡預設的最高速度，即當前用戶終端在很短的時間內(nèi)移出該候選網(wǎng)絡覆蓋范圍，則排除該候選網(wǎng)絡，可有效解決乒乓效應。例如對于高速運動的用戶終端，蜂窩網(wǎng)相比WLAN是更佳的候選網(wǎng)絡。

切換性能的優(yōu)劣直接影響終端的通信質(zhì)量，也是保證終端用戶享受優(yōu)質(zhì)服務的關鍵。而切換性能的評價指標一般有兩個:一是切換的平均次數(shù)，二是呼叫阻塞率。本文在WLAN和3G組成的異構網(wǎng)絡仿真環(huán)境下，對文獻［9］提出的算法與本文提出的切換判決算法在切換次數(shù)、當前終端電池剩余電量等方面進行仿真分析與比較。假設3G網(wǎng)絡的網(wǎng)絡半徑為1500 m，WLAN網(wǎng)絡半徑為500 m，用戶速度服從均勻分布。平均服務時間服從指數(shù)分布。電池電量門限為0.5，QoS參數(shù)的權值大小如表1所示。

表1 QoS參數(shù)的權值

算法描述:

WC表示從WLAN切換到3G;CW表示從3G切換到WLAN。

為了描述方便，將文獻［9］的算法用Compared表示，本文提出的算法用Proposed表示。由圖3可知，Proposed算法與Compared算法在呼叫到達率較小時候差別不明顯，但由于本文提出算法將切換語音呼叫留在原網(wǎng)絡，呼叫到達率增大后，與Compared算法相比，Proposed算法能很好地減少平均切換次數(shù)，避免了乒乓效應。由圖4看出，Proposed算法由于在切換判決時候考慮了終端當前電池電量，在終端當前剩余電量方面明顯優(yōu)于Compared算法，圖4的曲線正好驗證了這一點。

圖3 平均切換次數(shù)

圖4 終端剩余電量

3 結束語

研究了綜合電池電量、速度等因素的切換判決策略，根據(jù)電池電量的變化趨勢動態(tài)執(zhí)行不用的切換決策。首先根據(jù)終端當前移動速度對候選網(wǎng)絡進行初步篩選，這樣可以有效地減少了不必要的切換，較好地保證了切換的有效性，然后根據(jù)代價函數(shù)為移動終端精準選擇出最優(yōu)目標切換網(wǎng)絡，執(zhí)行切換時充分考慮了網(wǎng)絡環(huán)境、終端能力、業(yè)務需求和用戶喜好因素，較好地保證了切換因素的全面性和切換的精確性。在切換預判決時考慮終端當前的電池電量因素，仿真結果表明這樣做可以有效地延長終端的工作時間，有效地緩解了因電量不足而造成的業(yè)務阻塞問題，進而保證切換過程中業(yè)務的服務質(zhì)量。因此在現(xiàn)實生活中更具實際的應用價值。

［1］張麗麗，劉大鵬，楊帆.一種新的無線異構網(wǎng)絡的自適應垂直切換算法［J］.信息技術，2011，06(0004):4-6.

［2］ZFU F，MACNAIR J.Optimizations for Vertical Handoff Decision Algorithm［C］∥Proc of IEEE Wireless Communication and Networking conference，2004:867-872.

［3］XIN G，TANG R X，SONG N B，DONG W Y.Enhanced Application-driven Vertical Handoff Decision Scheme for 4G Wireless Networks［J］.IEEE，2007，5(07):1771-1774.

［4］CHEN W T，LIU J C，HUANG H K.An Adaptive Scheme for Vertical Handoff in Wireless Overlay Networks［C］∥Ministry of Education and the National Science Council，Taiwan，China，2004:541-545.

［5］MAO X，CHEN Q B，TANG L.Vertical Handoff Technology for Heterogeneous Network ［J］.Communication technology，2007，26(6):24-26.

［6］王偉，景志宏，陳鵬.異構無線系統(tǒng)中一種改進的垂直切換方案［J］.計算機應用研究，2011，05(28):1861-1865.

［7］王興偉，郭磊，李雪嬌.一種智能ABC支持型QoS切換決策機制［J］.電子學報，2011，04(39):01-09.

［8］FANG Z，JANISE M N.Multiservice Vertical Handoff Decision Algorithms［J］.EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking，2006，13(25861):1-13.

［9］LIU M，LI Z C，GUOX B.An Efficient Handoff Decision Algorithm for Vertical Handoff Between WWAN and WLAN［J］.Journal of Communication Science and Technology，2007，22(1):114-120.