高武奇 范 菲

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 西安 710032)

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基于多業(yè)務(wù)類型的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)切換算法*

高武奇 范 菲

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 西安 710032)

為解決異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)在傳輸不同類型數(shù)據(jù)過程中的切換問題，提出了一種基于多業(yè)務(wù)類型的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)切換算法。該算法根據(jù)傳輸業(yè)務(wù)類型的優(yōu)先級及其實(shí)時性，將業(yè)務(wù)類型分為實(shí)時業(yè)務(wù)和非實(shí)時業(yè)務(wù)。通過對可用帶寬、網(wǎng)絡(luò)時延等判決參數(shù)的分析及切換判決參數(shù)滿意程度的計算，設(shè)計出基于多業(yè)務(wù)類型的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)切換算法。該算法可以根據(jù)不同的業(yè)務(wù)類型選擇最佳的傳輸網(wǎng)絡(luò)，改善網(wǎng)絡(luò)擁堵現(xiàn)象，減少切換時延，充分發(fā)揮異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢。

異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò); 切換; 業(yè)務(wù)類型; 滿意程度

Class Number TN92

1 引言

近年來，隨著無線通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，多種無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式相繼出現(xiàn)。為了使網(wǎng)絡(luò)傳輸更加方便快捷，異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)將多種類型、具有不同網(wǎng)絡(luò)管理方案的傳輸網(wǎng)絡(luò)融合在一起。若要在異構(gòu)傳輸網(wǎng)絡(luò)間要保持網(wǎng)絡(luò)通信的連續(xù)性，就需要使各種無線傳輸技術(shù)能夠集成和協(xié)調(diào)[1]。因而，在使用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)時，如何選擇最有效、最合適的傳輸網(wǎng)絡(luò),保證無線網(wǎng)絡(luò)間的無縫切換已經(jīng)成為現(xiàn)今異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域所要解決的重要問題。

考慮到網(wǎng)絡(luò)信號強(qiáng)度、覆蓋范圍、可用帶寬等因素對異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)之間切換的影響，需要采用對切換具有高要求的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)切換算法。該算法的實(shí)現(xiàn)過程包括如下三個階段[3]：切換監(jiān)測階段、切換策略判決階段以及切換執(zhí)行階段。

1) 切換監(jiān)測階段：移動終端對當(dāng)前可接入的無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行周期性的搜索，并將收集到的有關(guān)無線網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的信息收集起來。

2) 切換策略判決階段：根據(jù)切換監(jiān)測階段得到的各個無線網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)相關(guān)信息，以及用戶喜好、傳輸數(shù)據(jù)類型等來選擇最佳網(wǎng)絡(luò)，即就是做出最優(yōu)的切換策略判決。切換策略判決模型如下圖1所示：

3) 切換執(zhí)行階段：移動終端斷開現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)連接，將當(dāng)前的會話切入到所建立的新的網(wǎng)絡(luò)連接中，完成當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)和在切換策略判決階段所判決出的最優(yōu)的目標(biāo)切換網(wǎng)絡(luò)之間的切換。

圖1 切換策略判決模型

2 相關(guān)研究

異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)，它主要是能隨時為用戶提供最高效的數(shù)據(jù)傳輸方式[7]。對于異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)切換，國內(nèi)外研究人員已經(jīng)對此做出了大量研究，也提出了很多不同的無線網(wǎng)絡(luò)切換算法。主要有：

1) 基于代價函數(shù)的切換算法[2]：該算法是一種策略驅(qū)動，將用戶在某個網(wǎng)絡(luò)中的總收益表示為一個代價函數(shù)。根據(jù)代價函數(shù)大小來決定網(wǎng)絡(luò)的性能，即代價函數(shù)越小，網(wǎng)絡(luò)性能越好。

2) 基于多屬性決策的切換算法[4]：把網(wǎng)絡(luò)切換看作是多屬性的決策問題，將網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商或者移動終端看作決策者，通過對切換判決參數(shù)的分析與計算，再進(jìn)行方案排序的決策。

3) 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯的切換算法：通過計算隸屬函數(shù)，考慮切換階段的不確定因素，比如：用戶偏好以及停留時間，將其進(jìn)行模糊化處理，得到量化的具體數(shù)值，然后再進(jìn)行比較，從而選擇出最優(yōu)的目標(biāo)切換網(wǎng)絡(luò)。

對于以上所介紹的幾種切換算法，雖然它們在實(shí)際應(yīng)用中都有各自的優(yōu)勢，但卻沒有考慮到用戶要傳輸?shù)亩喾N業(yè)務(wù)類型會引起傳輸網(wǎng)絡(luò)的擁堵現(xiàn)象。不同的業(yè)務(wù)類型對網(wǎng)絡(luò)各個切換參數(shù)的要求是不同的，因而在本文中提出一種區(qū)分傳輸業(yè)務(wù)類型的切換算法，該算法在保證移動終端服務(wù)質(zhì)量的前提下，可以根據(jù)用戶的需求以及所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型來選擇合適的目標(biāo)切換策略，能有效地提高異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)之間的傳輸性能，保證用戶可以切換到最佳的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。

3 判決參數(shù)分析

對于基于多業(yè)務(wù)類型的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)切換算法，在其切換策略判決階段[9]，相關(guān)的參數(shù)主要有：

1) 與網(wǎng)絡(luò)性能及移動終端有關(guān)的參數(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)可用帶寬、誤比特率(Bit-Error-Rate)、丟包率、優(yōu)先級、網(wǎng)絡(luò)連接時延、接收信號強(qiáng)度(RSS，Received Signal Strength)、信號噪聲干噪比(SINR,Signal-to-interference and Noise Ratio)、移動終端的移動特性等。

2) 與用戶喜好程度有關(guān)的主觀參數(shù)。包括用戶偏好度、網(wǎng)絡(luò)資費(fèi)、服務(wù)費(fèi)用等。

4 判決參數(shù)處理

在切換策略判決階段，為了確定要切換的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，就需要對不同網(wǎng)絡(luò)各自的性能進(jìn)行分析比較，但由于各個網(wǎng)絡(luò)它們各自的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)不同，因而在比較網(wǎng)絡(luò)性能之前，要對判決參數(shù)進(jìn)行參數(shù)歸一化處理，這樣才能使它們之間的比較更加公平，可以更好地為切換階段選出要切換的最佳目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)[6]。對接收信號強(qiáng)度、可用帶寬等參數(shù)的歸一化處理過程如下。

4.1 接收信號強(qiáng)度(RSS)

接收信號強(qiáng)度(RSS)是基于業(yè)務(wù)類型的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)切換算法中要考慮的重要參數(shù)[5]。信號在傳輸?shù)倪^程中，由于衰落快慢等原因，引起正在通信的網(wǎng)絡(luò)信號穩(wěn)定度發(fā)生波動，因而移動終端最終接收到的不同無線網(wǎng)絡(luò)的RSS就會有很大差別。通過對不同網(wǎng)絡(luò)的RSS和最大信號強(qiáng)度進(jìn)行歸一化處理，來比較無線網(wǎng)絡(luò)的接收信號強(qiáng)度在網(wǎng)絡(luò)切換的判決中的情形。把歸一化的網(wǎng)絡(luò)Ni的接收信號強(qiáng)度RSS，定義為

4.2 網(wǎng)絡(luò)可用帶寬

網(wǎng)絡(luò)可用帶寬表示各個網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能，無線網(wǎng)絡(luò)所提供的可用帶寬更是一個重要的參數(shù)。很多不同帶寬的網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)絡(luò)融合形成異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)，為了在眾多不同的無線網(wǎng)絡(luò)中選擇出最佳的切換網(wǎng)絡(luò)，需要將這些無線網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬進(jìn)行歸一化處理，進(jìn)而比較不同無線網(wǎng)絡(luò)的性能。方法如下

其中，Gi為當(dāng)前的可用帶寬占網(wǎng)絡(luò)Ni總帶寬的比例；B為網(wǎng)絡(luò)Ni的總帶寬；Bi為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)Ni的可用帶寬。

4.3 網(wǎng)絡(luò)連接時延

網(wǎng)絡(luò)連接時延對移動終端用戶的服務(wù)質(zhì)量會產(chǎn)生很大影響，因而它也是在切換策略判決階段所要考慮的重要參數(shù)。由于不同無線網(wǎng)絡(luò)的用戶需求和采用的管理機(jī)制不同，因而網(wǎng)絡(luò)時延也有所不同，在選擇目標(biāo)切換網(wǎng)絡(luò)時，要對網(wǎng)絡(luò)連接時延的參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，具體方法如下：

上式中的時延歸一化方法可以很好來比較不同無線網(wǎng)絡(luò)地時延問題，以選出最優(yōu)的目標(biāo)切換網(wǎng)絡(luò)。其中，Ud為當(dāng)前業(yè)務(wù)的最大連接時延；Ld為當(dāng)前業(yè)務(wù)的最小連接時延；da為目標(biāo)切換網(wǎng)絡(luò)的連接時延。

5 切換算法流程

5.1 業(yè)務(wù)優(yōu)先級

業(yè)務(wù)優(yōu)先級，即在傳輸多種業(yè)務(wù)類型數(shù)據(jù)時，所要遵循的優(yōu)先規(guī)則。在傳輸業(yè)務(wù)到達(dá)之后，引入業(yè)務(wù)類型優(yōu)先級的思想，先區(qū)分出該傳輸業(yè)務(wù)是否具有優(yōu)先級[14]，并對具有優(yōu)先級的傳輸業(yè)務(wù)，如語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，進(jìn)行實(shí)時業(yè)務(wù)和非實(shí)時業(yè)務(wù)的分類以及排隊，進(jìn)而選擇出最佳的目標(biāo)切換網(wǎng)絡(luò)；而對于所傳輸業(yè)務(wù)之間不具有優(yōu)先級的業(yè)務(wù)類型，通過對各判決參數(shù)如：可用帶寬、網(wǎng)絡(luò)時延、接收信號強(qiáng)度等網(wǎng)絡(luò)滿意程度的計算，來選擇出最優(yōu)的切換網(wǎng)絡(luò)。

5.2 實(shí)時業(yè)務(wù)與非實(shí)時業(yè)務(wù)

在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中，不同的業(yè)務(wù)類型的特性有所不同，為了保證不同業(yè)務(wù)類型的無線網(wǎng)絡(luò)在切換判決過程中的服務(wù)質(zhì)量，應(yīng)該對各種不同類型的業(yè)務(wù)采用不同的傳輸方式[12]。根據(jù)不同業(yè)務(wù)在帶寬和時延上的不同要求，將所有的業(yè)務(wù)分為包含會話和視頻業(yè)務(wù)的實(shí)時業(yè)務(wù)以及包括數(shù)據(jù)、網(wǎng)頁瀏覽和后臺業(yè)務(wù)的非實(shí)時業(yè)務(wù)。

5.3 切換算法流程圖

在基于多種業(yè)務(wù)類型下，該異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)切換算法流程圖如圖2所示。

圖2 切換算法流程圖

5.4 切換判決策略

在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)切換算法中，實(shí)時業(yè)務(wù)和非實(shí)時業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)切換判決策略階段對判決參數(shù)的要求是不同的[11]。為了區(qū)別它們對不同判決參數(shù)的需求程度，可以給這些判決參數(shù)賦上權(quán)值[8]，利用對切換參數(shù)的滿意程度(Satisfaction)、切換時延(Network Hand off Delay, NHD)以及對當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況的滿意程度計算出切換判決值[13](Switch judgment value,SJV)。

對于一個判決參數(shù)m，將傳輸業(yè)務(wù)對其的滿意程度用μmH，μmM,μmL來表示。而對于一個無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，可以將判決參數(shù)S表示成如式(1)所示的矩陣。

S=(SmH,n,SmM,n,SmL,n)Τ

(1)

(2)

式中：

T=(t1,t2,t3)t1

(3)

Q=(q1,q2,q3)q1>q2>q3

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

網(wǎng)絡(luò)的滿意程度可以表示為

(14)

則目標(biāo)(target)切換網(wǎng)絡(luò)和當(dāng)前(current)網(wǎng)絡(luò)的滿意程度如式(15)和(16)所示：

目標(biāo)切換網(wǎng)絡(luò)滿意度：

(15)

當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)滿意度：

(16)

那么，一個無線網(wǎng)絡(luò)無線切換時，它的切換參數(shù)判決值(SJV)可以表示為

SJVn=W·Sn,

(17)

(18)

那么，目標(biāo)切換網(wǎng)絡(luò)和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的切換判決值如式(19)和(20)：

目標(biāo)切換網(wǎng)絡(luò)：

(19)

當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)：

(20)其中，假設(shè)各無線網(wǎng)絡(luò)切換參數(shù)的加權(quán)值為W=(wS,wR,wBE,wB,wD,wL,wP,wC,wCo)，它們滿足：

wS+wR+wBE+wB+wD+wL+wP+wC+wCo=1

(21)

對于主要包括語音、視頻業(yè)務(wù)等的實(shí)時業(yè)務(wù)，由于它自身的特性，對傳輸?shù)膶?shí)時性要求特別高，因而它的切換判決參數(shù)就主要集中在網(wǎng)絡(luò)可用帶寬、接收信號強(qiáng)度、網(wǎng)絡(luò)時延和信號噪聲干噪比上，且所占權(quán)重比較大，而丟包率、用戶偏好、網(wǎng)絡(luò)資費(fèi)、服務(wù)費(fèi)用等的權(quán)重就相對較小[10]。即：

wS,wR,wBE,wB,wD>wL,wP,wC,wCo

而對于主要是數(shù)據(jù)、網(wǎng)頁瀏覽和后臺業(yè)務(wù)等的非實(shí)時業(yè)務(wù)，對實(shí)時性要求不像實(shí)時業(yè)務(wù)那樣高，所以網(wǎng)絡(luò)可用帶寬、用戶偏好度、網(wǎng)絡(luò)資費(fèi)等所占的權(quán)重要比接收信號強(qiáng)度、網(wǎng)絡(luò)時延等的權(quán)重要大[15]。其關(guān)系如下式所示：

wB,wL,wP,wC,wCo>wS,wR,wBE,wD

6 結(jié)語

本文通過對異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)在融合時所存在的問題、異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)切換時的判決參數(shù)歸一化處理，以及業(yè)務(wù)類型的分析與介紹，提出了一種基于多業(yè)務(wù)類型的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)切換算法，該算法首先引入業(yè)務(wù)優(yōu)先級的思想，先區(qū)分業(yè)務(wù)之間是否具有優(yōu)先級，再對具有優(yōu)先級的業(yè)務(wù)進(jìn)行實(shí)時業(yè)務(wù)和非實(shí)時業(yè)務(wù)區(qū)分，然后分別對兩種業(yè)務(wù)類型下的切換判決參數(shù)進(jìn)行研究與選取，通過對切換判決值、切換判決參數(shù)的滿意度等的計算，選擇出最佳切換網(wǎng)絡(luò)；而對于所傳輸業(yè)務(wù)之間不具有優(yōu)先級的業(yè)務(wù)類型，通過對各判決參數(shù)如：可用帶寬、網(wǎng)絡(luò)時延等網(wǎng)絡(luò)滿意程度的計算，來選擇出最優(yōu)的目標(biāo)切換網(wǎng)絡(luò)。

該切換算法可以對不同的業(yè)務(wù)類型，有效地選擇出最優(yōu)的目標(biāo)切換網(wǎng)絡(luò)，解決了多種業(yè)務(wù)傳輸時所造成的網(wǎng)絡(luò)擁堵現(xiàn)象，有效保證了在網(wǎng)絡(luò)切換時的服務(wù)質(zhì)量，有利于網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化調(diào)控。

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A Switching Algorithm of Heterogeneous Network Based on The Business Types

GAO Wuqi FAN Fei

(School of Electronic Information Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an 710032)

In order to solve the heterogeneous wireless network in different types of data transmission in the process of switch network problems.This paper puts forward a kind of heterogeneous wireless network switching algorithm that based on the business types.The algorithm uses the transfer business types of priorities and its real-time performance, and it can be divided into real-time and non real-time business.Through the analysis of available bandwidth,packet loss rate and delay，and using the switch decision parameter of satisfaction, the heterogeneous wireless network switching algorithm based on the business types is designed. It can choose the best network according to different types of business,which can improve the network congestion phenomenon,reduce switching time delay and give full play to the advantages of heterogeneous network.

heterogeneous wireless network, switch, type of business, satisfaction

2016年5月4日,

2016年6月17日

高武奇,男,博士，副教授，研究方向：電子信息與通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。范菲,女，碩士研究生,研究方向：電子信息與通信技術(shù)。

TN92

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.11.008