陳　雯， 豐文斌， 廖小飛， 余海翔

(東華大學 a. 數(shù)字化紡織服裝技術教育部工程研究中心；b. 信息科學與技術學院，上海 201620)

異構無線網(wǎng)絡接入控制演示平臺的實現(xiàn)

陳雯a， 豐文斌b， 廖小飛a， 余海翔b

(東華大學 a. 數(shù)字化紡織服裝技術教育部工程研究中心；b. 信息科學與技術學院，上海 201620)

為優(yōu)化網(wǎng)絡資源利用和用戶體驗，提出一種基于業(yè)務特性和網(wǎng)絡負載的網(wǎng)絡重配置方案.方案選取網(wǎng)絡參數(shù)中的優(yōu)勢決策因子，通過層次分析法構造的效用函數(shù)得出網(wǎng)絡優(yōu)先級，再通過構造負載優(yōu)化函數(shù)最終選擇接入網(wǎng)絡.最后結合實際異構無線網(wǎng)絡環(huán)境，運行多種軟硬件技術，設計并實現(xiàn)了運行該接入控制策略的演示平臺，并通過測試驗證了方案的可行性.

異構無線網(wǎng)絡； 接入控制； 演示平臺； 軟硬件技術

當前各種無線接入技術(radio access technologies, RATs)異構共存，蜂窩通信技術(2G/3G/LTE)不斷演進，以無線局域網(wǎng)技術(wireless local area networks, WLAN)為代表的無線寬帶接入技術飛速發(fā)展.聯(lián)合無線資源管理(joint radio resource management, JRRM)能對異構環(huán)境下的無線資源進行管理和控制，實現(xiàn)擴展業(yè)務范圍、優(yōu)化無線資源利用率的目的.JRRM中的聯(lián)合會話控制(joint session admission control, JOSAC)，即如何保證用戶在充分利用網(wǎng)絡資源的同時選擇最優(yōu)的網(wǎng)絡接入，是目前相關工程和科研領域的熱點問題之一.

演示平臺的設計與實現(xiàn)能夠直觀地體現(xiàn)JOSAC對網(wǎng)絡資源的高效利用與最優(yōu)網(wǎng)絡的選擇效果.文獻[1]提出了一種異構網(wǎng)絡無線資源管理平臺的設計方案，并搭建了試驗系統(tǒng)，但該設計方案側重于宏觀調控異構網(wǎng)絡資源的分布表現(xiàn)，對具體的多?？蛻舳说慕尤肭闆r未做詳細闡述.文獻[2]提出一種基于有效重配置策略的多模終端的設計方案，實現(xiàn)了多?？蛻舳说闹貥嬤x擇，但方案中未對多媒體業(yè)務模塊進行開發(fā)，無法演示業(yè)務在網(wǎng)絡選擇過程中的性能表現(xiàn).

網(wǎng)絡選擇接入算法作為演示平臺的核心部分之一，用以實現(xiàn)網(wǎng)絡重構演示.目前主要的網(wǎng)絡選擇接入算法有基于多屬性決策[3]和基于數(shù)學模型[4]的選擇接入算法[5].基于多屬性決策因素的選擇算法有如文獻[6]提出的一種在3G/WLAN情景下，根據(jù)網(wǎng)絡的狀態(tài)信息、用戶偏好、用戶業(yè)務特征等參數(shù)采用模糊層次分析法進行網(wǎng)絡選擇，但其沒有充分考慮網(wǎng)絡負載均衡，會出現(xiàn)網(wǎng)絡之間負載差距較大的問題.基于數(shù)學模型的選擇接入算法存在建模復雜、對硬件要求高、實現(xiàn)困難的特點.文獻[7]提出一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的選擇接入算法，將信號強度、網(wǎng)絡負載等網(wǎng)絡參數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練數(shù)據(jù)，但隨請求數(shù)目與備選網(wǎng)絡數(shù)目的增加，該算法的復雜度劇烈增長，導致網(wǎng)絡選擇效用降低.為兼顧決策因素和減少計算開銷，本文選取對網(wǎng)絡選擇影響較大的優(yōu)勢決策因子設計網(wǎng)絡選擇接入算法.在異構網(wǎng)絡中，小流量、高速率、廣域移動性的數(shù)據(jù)業(yè)務在3G網(wǎng)絡中表現(xiàn)良好，而流量大、速率高、局域型強的業(yè)務適合WLAN網(wǎng)絡.網(wǎng)絡帶寬與網(wǎng)絡負載對宏觀網(wǎng)絡運行影響較大.此外，網(wǎng)絡偏好體現(xiàn)了用戶對網(wǎng)絡的依賴性，引入該屬性可以減少在網(wǎng)絡選擇過程中的乒乓效應.因此，優(yōu)勢決策因子包括業(yè)務類型、網(wǎng)絡偏好、網(wǎng)絡帶寬、網(wǎng)絡可用負載.

綜上所述，本文提出一種基于層次分析法(AHP)和負載均衡控制的網(wǎng)絡重配置(network reconfiguration management, NRM)策略指導業(yè)務選擇接入網(wǎng)絡，同時改進并搭建了一種用于模擬真實異構無線網(wǎng)絡環(huán)境下多媒體業(yè)務選擇網(wǎng)絡接入的演示平臺，旨在優(yōu)化網(wǎng)絡資源利用率和多媒體業(yè)務體驗.其中，層次分析法用于確定優(yōu)勢決策因子的絕對權重，構造效用函數(shù)獲得備選網(wǎng)絡的接入優(yōu)先級，再由網(wǎng)絡帶寬與網(wǎng)絡負載確定的均衡效用函數(shù)確定網(wǎng)絡接入觸發(fā)門限，實現(xiàn)最優(yōu)網(wǎng)絡接入.最后，闡述了NRM策略并介紹了演示平臺軟硬件設計的關鍵技術，并驗證本重配置管理策略的可行性.

1　重配置網(wǎng)絡管理策略

假設用戶處在m個無線網(wǎng)絡重疊覆蓋區(qū)域中，當用戶發(fā)起多媒體業(yè)務(語音通信、網(wǎng)頁瀏覽、視頻播放)接入請求時，將觸發(fā)網(wǎng)絡接入選擇機制.本文的重配置策略步驟如下所述.

(1) 異構網(wǎng)絡中對于不同的判決準則，各指標的量綱差異很大，不能直接用于計算.為消除原始屬性值量綱的影響，運用線性刻度轉換的方法對網(wǎng)絡參數(shù)進行無量綱化處理，如式(1)所示.

(1)

其中：Bi， Li， Hi分別為網(wǎng)絡i的網(wǎng)絡帶寬、可用負載、網(wǎng)絡偏好的原始屬性值；fBi,fLi,fHi分別為經(jīng)過無量綱化后的網(wǎng)絡帶寬、可用負載、網(wǎng)絡偏好的指標值；i為當前進行無量綱化處理的網(wǎng)絡；j為備選m個網(wǎng)絡中屬性值最大的網(wǎng)絡.

(2) 針對業(yè)務類型，可以將其分為實時業(yè)務(語音)和非實時業(yè)務(網(wǎng)頁、視頻)，非實時業(yè)務具有一定的數(shù)據(jù)突發(fā)性，對網(wǎng)絡帶寬、可用負載要求較高，而實時業(yè)務對帶寬、可用負載要求較低.依據(jù) 1～9 標度法，屬性越重要，賦值越高的原則，定義非實時業(yè)務和實時業(yè)務的網(wǎng)絡帶寬B、可用負載L和網(wǎng)絡偏好H的重要性比值分別如表1和2所示.

表1　非實時業(yè)務的屬性比值Table 1　Attribute ratio of non real-time business

表2　實時業(yè)務的屬性比值Table 2　Attribute ratio of real-time business

(3) 由表1和2構建的非實時業(yè)務和實時業(yè)務的網(wǎng)絡參數(shù)判決矩陣A1和A2，求取判決矩陣A1和A2的最大特征根λmax1和λmax2及所對應的特征向量，歸一化后得到實時業(yè)務和非實時業(yè)務的絕對權重為ωt和ωnt.

(4) 根據(jù)AHP的一致性檢驗方法，計算一致性指標CI，計算式如式(2)所示，查找 1～9 階矩陣的平均值隨機一致性指標RI[8]，計算經(jīng)過RI調整后的一致性比率CR，計算式如式(3)所示，當CR<0.1 時，判決矩陣的一致性可以接受.

(2)

(3)

(5) 構建效用函數(shù).采用線性加權法將所求得的權重向量與式(1)求得的各參數(shù)的屬性值加權，得到復合效用函數(shù)如式(4)和(5)，通過比較效用函數(shù)值的大小來確定備選網(wǎng)絡接入的優(yōu)先級.

U(i, t)=ωt·(fBifLifHi)T

(4)

U(i, nt)=ωnt·(fBifLifHi)T

(5)

其中:U(i,t)為網(wǎng)絡i對實時業(yè)務的效用函數(shù)值；U(i,nt)為網(wǎng)絡i對非實時業(yè)務的效用函數(shù)值.

(6) 不同類型的業(yè)務對網(wǎng)絡負載的增量是不同的，依據(jù)各網(wǎng)絡帶寬和業(yè)務特性，業(yè)務所占網(wǎng)絡帶寬與網(wǎng)絡的容限值可以被量化.為實現(xiàn)業(yè)務接入異構網(wǎng)絡間的均衡負載，定義基于網(wǎng)絡負載與網(wǎng)絡帶寬的均衡優(yōu)化函數(shù)如式(6)所示.

(6)

其中：假設新業(yè)務接入到網(wǎng)絡之中，則xj為新業(yè)務接入網(wǎng)絡i時網(wǎng)絡為j的負載；xi為新業(yè)務接入前網(wǎng)絡i的負載；WT,j為網(wǎng)絡j允許接入的最大負載；WT,i為網(wǎng)絡i允許接入的最大負載；ΔL為業(yè)務對負載的增量；k為可選網(wǎng)絡的總數(shù).當網(wǎng)絡G值超過預設接入門限Gth時，業(yè)務由該G值對應的網(wǎng)絡接入.如果所有網(wǎng)絡都小于門限值，則拒絕該業(yè)務請求.

2　系統(tǒng)架構與實現(xiàn)

2.1總體結構設計

本文的演示平臺包括具有多媒體演示功能的多?？蛻舳撕蛯崿F(xiàn)網(wǎng)絡重配置管理的NRM服務器.在不改變現(xiàn)有網(wǎng)絡體制結構的前提下，設計以個人計算機(PC)結合多個通信模塊作為硬件開發(fā)平臺，以Visual Studio 2008作為軟件開發(fā)平臺，通過串口通信、Active控件、網(wǎng)絡API函數(shù)、套接字通信等多種軟硬件技術相結合的方法，實現(xiàn)異構網(wǎng)絡間的兼容與協(xié)同工作.演示平臺系統(tǒng)的整體模塊結構如圖1所示.

圖1　系統(tǒng)模塊結構Fig.1　System function model structure

客戶端包括數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、業(yè)務演示模塊和網(wǎng)絡選擇模塊.(1)數(shù)據(jù)收發(fā)模塊: 實現(xiàn)發(fā)送業(yè)務請求和接收服務器處理結果的功能.依據(jù)終端所在網(wǎng)絡不同，信息傳輸媒介分為短信信道和WLAN網(wǎng)絡兩種.(2) 網(wǎng)絡選擇模塊：實現(xiàn)對各個異構網(wǎng)絡的連接與斷開的控制.(3)業(yè)務演示模塊：包括實現(xiàn)異構網(wǎng)絡選擇過程中用戶對多媒體業(yè)務(語音、網(wǎng)頁、視頻)體驗的3個子業(yè)務模塊.NRM服務器包括數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和業(yè)務處理模塊.數(shù)據(jù)收發(fā)模塊實現(xiàn)接收客戶端的業(yè)務請求與反饋決策結果的功能，該模塊同樣支持短信和WLAN網(wǎng)絡兩種傳輸媒介.業(yè)務處理模塊包括網(wǎng)絡監(jiān)測和運行網(wǎng)絡重配置選擇策略的兩個子模塊.

2.2系統(tǒng)架構設計

當前移動終端具有高度集成的特點，無法滿足平臺對系統(tǒng)的定制與擴展要求，因此，本文設計的硬件平臺由PC和多個無線網(wǎng)絡接入模塊組合而成.搭建的網(wǎng)絡接入控制平臺系統(tǒng)架構如圖2所示.客戶終端硬件平臺由一臺PC、一個華為GT9000 GSM通信模塊、兩個華為MC323 CDMA通信模塊、一塊OURLink無線網(wǎng)卡組成.其中客戶端的GSM和CDMA通信模塊通過串口與PC相連接入中國聯(lián)通2G/3G網(wǎng)絡.GSM與其中一個CDMA模塊實現(xiàn)語音功能和短信發(fā)送功能，另一個CDMA模塊經(jīng)由PC端設置成調制解調器，通過撥號上網(wǎng)實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)業(yè)務.客戶端通過無線網(wǎng)卡接入WLAN網(wǎng)絡中.NRM服務器硬件平臺由一臺PC、一個華為GT9000 GSM模塊、一塊OURLink無線網(wǎng)卡組成.NRM服務器通過GSM模塊接入中國聯(lián)通2G網(wǎng)絡;NRM服務器通過無線網(wǎng)卡接入到WLAN網(wǎng)絡中.

圖2　演示平臺硬件架構Fig.2　Hardware architecture of demo platform

2.3客戶端技術實現(xiàn)

客戶端處于WLAN網(wǎng)絡時，通過基于TCP的SOCKET套接字方式與服務器端通信.客戶端處于蜂窩網(wǎng)絡時，微軟基礎類庫(microsoft foundation class, MFC)提供的MSCOMM[10]控件向通信模塊發(fā)送與短信有關的AT (attention)命令.該操作可以實現(xiàn)在GSM或CDMA網(wǎng)絡中短信的收發(fā)，完成與服務器的通信.關鍵系統(tǒng)函數(shù)和變量有：

{intsend(Socket s， const char *buf， int len， int flags);//Socket數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)

intrecv( Socket s， char FAR *buf， int len， int flags );//Socket數(shù)據(jù)接收函數(shù)

void CMscomm::put_Output(VARIANT newValue);//串口數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)

VARIANT CMscomm::get_Input(void);// 串口數(shù)據(jù)讀取函數(shù)

CStringgsmsend= ″AT+CMGS=″;//GSM中短信發(fā)送命令

CStringgsmrend=″ AT+CMGR=″；// GSM中短信接收命令

CStringcdmasend=″ AT^HCMGS″;//CDMA中短信發(fā)送命令

CStringcdmaread=″AT^HCMGR″;//CDMA中短信接收命令}

對于業(yè)務演示模塊，蜂窩網(wǎng)絡中的語音業(yè)務通過向串口模塊發(fā)送有關撥號的AT命令(GSM中為“ATD”，CDMA中為“AT+CDV”)來控制實現(xiàn)，在WLAN網(wǎng)絡中語音業(yè)務則通過調用Win 32中的Wave系列API函數(shù)完成語音的采集與播放，并經(jīng)由Socket完成傳輸.網(wǎng)頁瀏覽與視頻點播是通過調用MFC中的WebBrowser ActiveX插件實現(xiàn)的.對于網(wǎng)絡選擇模塊，MSCOMM控件中的put_PortOpen成員函數(shù)控制串口的通斷，進而實現(xiàn)對GSM/CDMA網(wǎng)絡接入選擇；Ras系列API函數(shù)[11]實現(xiàn)對于撥號上網(wǎng)的配置和連接控制.Native Wifi系列API函數(shù)能夠列出和控制網(wǎng)卡接口上可用無線接入點，并管理無線網(wǎng)絡配置信息.異構網(wǎng)絡的連接控制的關鍵網(wǎng)絡API函數(shù)有

{voidCMscomm::put_PortOpen(BOOL newValue);//控制串口的通斷，1代表打開，0代表關閉

DWORD APIENTRY RasDialA ( LPRASDIALEXTENSIONS， LPCSTR，

LPRASDIALPARAMSA， DWORD，LPVOID， LPHRASCONN );//建立一個撥號上網(wǎng)連接

DWORD APIENTRY RasHangUpA( HRASCONN);//關閉一個撥號上網(wǎng)連接

DWORD WINAPI WlanConnect(HANDLE hClientHandle，CONST GUID

*pInterfaceGuid，CONST PWLAN_CONNECTION_PARAMETERS

pConnectionParameters，PVOID pReserved);//連接一個無線網(wǎng)絡

DWORD WINAPI WlanDisconnect(HANDLE hClientHandle，CONST GUID

*pInterfaceGuid，PVOID pReserved);//斷開一個無線網(wǎng)絡}

演示客戶端的工作流程如圖3所示.

圖3　客戶端工作流程圖Fig.3　Operation process chart of demo client

客戶端工作時，支持手動預先接入某一網(wǎng)絡.當用戶主動體驗業(yè)務時，客戶端會采集當前所在網(wǎng)絡、網(wǎng)絡覆蓋、業(yè)務類型、業(yè)務優(yōu)先級等網(wǎng)絡參數(shù).經(jīng)過數(shù)據(jù)編碼后，將其存儲在程序中自定義的結構體STRU_UE_REQUEST中，并寫入log文件備份在本地客戶端.系統(tǒng)將結構體信息封裝成CString類數(shù)據(jù)，經(jīng)由當前所處網(wǎng)絡進行發(fā)送.演示客戶端程序中，ListenThread線程監(jiān)聽NRM服務器反饋的重配置網(wǎng)絡結果：MSCOMM控件的OnComm事件函數(shù)在短信信道中響應接收;Socket中的recv函數(shù)在無線局域網(wǎng)中響應接收.通過網(wǎng)絡API函數(shù)控制各網(wǎng)絡的通斷，實現(xiàn)指定網(wǎng)絡的選擇接入，最后在對話框程序中完成功能業(yè)務的作業(yè).業(yè)務請求數(shù)據(jù)的結構體定義如下所示：

struct STRU_UE_REQUEST

{CString net_current;//當前網(wǎng)絡 bit5-GSM bit6-CDMA bit7-WLAN

CString net_reconfigurability ;//重配置網(wǎng)絡 bit5-GSM bit6-CDMA bit7-WLAN

int service_type;//業(yè)務類型0-VOICE 1-WEB 2-VIDEO

Char BytePreference;//歷史偏好 “1”-非偏好網(wǎng)絡 “2”-偏好網(wǎng)絡

};

2.4服務器技術實現(xiàn)

在NRM服務器的軟件平臺中，數(shù)據(jù)收發(fā)模塊在短信信道或套接字信道接收客戶端的業(yè)務請求，并基于相同信道將決策結果反饋回客戶端.依據(jù)各網(wǎng)絡帶寬和業(yè)務特性，業(yè)務所占網(wǎng)絡帶寬與網(wǎng)絡的容限值可以被量化.仿真時，系統(tǒng)在某一時刻各個網(wǎng)絡負載狀況、容限值及業(yè)務所占帶寬如表3所示.

表3　網(wǎng)絡負載和業(yè)務帶寬Table 3　Network load and service bandwidth

服務器的工作流程如圖4所示.NRM服務器定義的ListenThread線程在兩條信道中監(jiān)聽到從客戶端發(fā)來的業(yè)務請求，對收到的CString數(shù)據(jù)進行解析，把獲取到的網(wǎng)絡參數(shù)存儲到服務器的結構體STRUCT_NRM_RECEIVE中，其數(shù)據(jù)類型與STRU_UE_REQUEST相同.通過SendMessage函數(shù)通知給主對話框類，反饋到前端界面部分進行顯示.同時調用第1節(jié)中的網(wǎng)絡重配置管理策略所設計的函數(shù)，計算出最優(yōu)網(wǎng)絡并基于當前信道向客戶端發(fā)送反饋結果.如果網(wǎng)絡負載閾值未被觸發(fā)，則NRM服務器向客戶端發(fā)送錯誤報告.最后通過一個消息傳遞函數(shù)SendMessage通知給主對話框類，將網(wǎng)絡選擇結果與各網(wǎng)絡負載狀況在界面進行更新.

圖4　服務器工作流程圖Fig.4　Operation process chart of server

3　測試結果

運行演示平臺，由圖5所示的演示客戶端運行圖可以看到，當前演示客戶端可以接入2G/3G/WLAN這3種網(wǎng)絡并預先手動接入3G網(wǎng)絡，用戶在客戶端體驗網(wǎng)頁業(yè)務時，按下“sendMessage”按鈕向服務器端發(fā)送業(yè)務請求.

圖5　演示客戶端截圖Fig.5　Screenshot of demo client

NRM服務器監(jiān)測到的界面如圖6所示.由圖6可以看出，當前客戶端所在網(wǎng)絡為CDMA，該區(qū)域可重配置的網(wǎng)絡有GSM/WLAN，業(yè)務請求為WEB型.重配置決策后，NRM服務器將WEB業(yè)務接入WLAN網(wǎng)絡，WLAN網(wǎng)絡的負載由1 200 KByte增加到1 264 KByte，客戶端接收到反饋后切換到WLAN網(wǎng)絡.在測試中，客戶端從CDMA網(wǎng)絡切換到輕負載的WLAN過程中，業(yè)務運行流暢、用戶體驗表現(xiàn)良好.

圖6　NRM服務器截圖Fig.6　Screenshot of NRM sever

不同時間段內執(zhí)行不同類型的業(yè)務時，各網(wǎng)絡業(yè)務流量的變化如圖7所示.由圖7的測試結果可知，本文所論述的方案是可行的.

圖7　業(yè)務流量圖Fig.7　Network traffic

4　結　語

本文基于異構網(wǎng)絡中聯(lián)合會話控制的設計思想，在現(xiàn)有的異構網(wǎng)絡環(huán)境下，通過多種軟硬件技術，設計并搭建了一種異構網(wǎng)絡協(xié)同工作的服務平臺，完成多種業(yè)務的演示.利用當前中國聯(lián)通2G/3G網(wǎng)絡以及WLAN技術，實現(xiàn)對常用多媒體業(yè)務的控制與接入，提高網(wǎng)絡利用率與用戶體驗.隨著4G技術的普及應用，集成更多的無線接入技術，并加入更加合理的網(wǎng)絡選擇管理機制可以深化該平臺的實際意義，這也是未來要繼續(xù)探討和研究的問題.

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Implementation of Demo Platform Based on an Access Control Scheme in Heterogeneous Wireless Network

CHENWena,FENGWen-binb,LIAOXiao-feia,YUHai-xiangb

(a.Engineering Research Center of Digitized Textile and Fashion Technology, Ministry of Education;b.College of Information Science and Technology, Donghua University, Shanghai 201620, China)

A network reconfiguration management scheme is proposed based on a combination of the characteristics of different network services and network load, which has a significant impact on resource utilization efficiency and QoS satisfaction. The dominant decision factors are selected in the scheme. The scheme is composed of two parts, one is the utility function based on analytic hierarchy process which calculates the priority list of access networks, the other is joint optimization function which decides the final access select network. Lastly, a demo platform of the network reconfiguration management scheme is designed with a variety of hardware and software technologies, considering the real heterogeneous wireless network. Then the feasibility of the scheme is verified through experiment.

heterogeneous wireless network; access control; demo platform; software and hardware technology

1671-0444(2015)03-0335-06

國家自然科學基金資助項目(61201249)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(14D110404)

陳雯(1977—)，女，湖南郴州人，副教授，博士，研究方向為無線網(wǎng)絡的資源管理.E-mail: chenwen@dhu.edu.cn

TP 311.1

A

投稿日期：2014-04-07