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(上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院,上海 200234)

一種基于周期自適應(yīng)的垂直切換算法

李 洋,張靜*

(上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院,上海200234)

提出了一種基于周期自適應(yīng)的垂直切換算法.在切換發(fā)起階段,移動終端會根據(jù)接收信號的強(qiáng)度不斷調(diào)整接口的激活間隔時間,掃描可能存在的無線信號.在切換判決階段,采用多屬性判決法對每種網(wǎng)絡(luò)的綜合性能進(jìn)行判斷.仿真表明,相比于傳統(tǒng)方案中以固定周期掃描無線信號,提出的方案在節(jié)省終端功率的基礎(chǔ)上能夠更及時地發(fā)現(xiàn)新的無線網(wǎng)絡(luò),并能更快地接入綜合性能最好的網(wǎng)絡(luò).

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò); 垂直切換; 多屬性

0 引 言

近年來,隨著信息時代的到來,移動通信的發(fā)展也非常迅猛.除了全球通用的公共移動通信蜂窩系統(tǒng)(UMTS)之外,各種新興的無線接入網(wǎng)絡(luò)不斷出現(xiàn),包括無線局域網(wǎng)(WLAN)、全球微波互聯(lián)接入技術(shù)(WiMAX)以及藍(lán)牙(Bluetooth)[1-2]等.不同的無線網(wǎng)絡(luò)在帶寬、傳輸時延、覆蓋范圍等方面都存在差異,為了滿足任何用戶在任何地點(diǎn)、任何時間都能無縫接入無線網(wǎng)絡(luò),無線網(wǎng)絡(luò)間的互通和融合將是必然的趨勢[3].

垂直切換是研究異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù),移動終端如何發(fā)現(xiàn)新的無線網(wǎng)絡(luò),并在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的多個網(wǎng)絡(luò)中選擇最佳網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行切換控制是移動性管理的關(guān)鍵問題.目前,已經(jīng)有學(xué)者提出了多種網(wǎng)絡(luò)搜索方法.文獻(xiàn)[4]研究了周期性的激活終端接口以掃描可能存在的新的無線信號.它是基于移動端接收來自各種網(wǎng)絡(luò)的廣播信息.多模終端必須激活多模接口,接口會以一定周期掃描附近的無線信號,這樣便可以搜索到潛在的無線網(wǎng)絡(luò).然而,隨之而來的一個問題是,接口的激活周期為多長時間是合適的.當(dāng)周期很大時,掃描次數(shù)就會減少,優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省終端功率.但也可能導(dǎo)致切換延遲.當(dāng)周期過小時,掃描次數(shù)就會增加,可以及時的發(fā)現(xiàn)新的無線網(wǎng)絡(luò),但也可能會造成終端功率的浪費(fèi).文獻(xiàn)[5]針對周期激活終端接口存在的弊端,提出了Network Discovery algorithm with Motion Detection(NDMD)算法,NDMD算法可以通過接收信號強(qiáng)度(RSS)來預(yù)測移動端的移動位置及趨勢,使得終端在將要進(jìn)入新的無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍內(nèi),及時觸發(fā)終端接口,掃描信號,這樣便可以極大地節(jié)省不必要的功率損耗.然而,這種算法容易受預(yù)測精度的影響,如果預(yù)測出現(xiàn)了很大的誤差,會對切換判決造成不可逆的影響.文獻(xiàn)[6]中提出了通過部署Location Service Server(LSS)來通知移動端附近的無線網(wǎng)絡(luò)信息.移動端可以通過查詢LSS獲取附近的網(wǎng)絡(luò)信息.這種方法在很大程度上降低了移動終端接口被激活的時間和頻率,同時也降低了功耗,但是,LSS需要一定的硬件設(shè)備支持,實(shí)際中很少使用.

本文作者提出一種周期自適應(yīng)垂直切換算法.根據(jù)終端接收到的信號強(qiáng)度的大小不斷調(diào)整終端接口的掃描周期,在節(jié)省終端功率的基礎(chǔ)上能夠盡快發(fā)現(xiàn)新的網(wǎng)絡(luò).當(dāng)新的網(wǎng)絡(luò)在預(yù)設(shè)的時間段內(nèi)性能較好且比較穩(wěn)定時,則進(jìn)入切換判決階段,采用多屬性(接收信號強(qiáng)度、可用帶寬、時延等網(wǎng)絡(luò)屬性)判斷不同網(wǎng)絡(luò)的綜合性能,選擇性能最佳的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行切換.

1 垂直切換算法

1.1網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)方案都是移動終端以固定周期激活多模接口,接口周期性地掃描附近可用的無線信號.但是周期設(shè)置為多大較為合適,并沒有一個確切的標(biāo)準(zhǔn)或答案.周期過大,會導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)新網(wǎng)絡(luò)時間變長.周期過小會導(dǎo)致終端頻繁的觸發(fā)接口掃描無線信號,造成終端功率的大量損耗.如何平衡二者的矛盾,也是本研究的重點(diǎn).

和一般切換策略相同的是,為了避免乒乓效應(yīng)引入計(jì)時器,即在一定時間內(nèi),如果新網(wǎng)絡(luò)的性能持續(xù)地比當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的性能好,才考慮觸發(fā)整個切換機(jī)制.

(1)

圖1 網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)流程

1.2切換判決

當(dāng)發(fā)現(xiàn)了信號性能更好且更穩(wěn)定的新網(wǎng)絡(luò)時,至少存在多個可接入無線網(wǎng)絡(luò),移動終端需要進(jìn)行切換選擇.網(wǎng)絡(luò)選擇流程如圖2所示.

圖2 網(wǎng)絡(luò)選擇流程

在網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)的過程中,僅根據(jù)接收信號強(qiáng)度的大小確定是否有可用的無線網(wǎng)絡(luò).但是,進(jìn)行切換選擇的時候不能僅僅考慮RSS,還需要考慮如帶寬、時延、用戶偏好等屬性來評判每個網(wǎng)絡(luò)的綜合性能,從而能更好地滿足用戶的QoS.采用基于加權(quán)法的多屬性判決法,網(wǎng)絡(luò)的性能函數(shù)

(2)

則最優(yōu)的切換目標(biāo)

(3)

其中,Fj表示第j個候選網(wǎng)絡(luò)(j=1,2,…,N),pij表示第j個網(wǎng)絡(luò)的第i個屬性參數(shù)值.

切換判決階段接口的掃描周期仍然是不斷變化的,但此時依賴于網(wǎng)絡(luò)的綜合性能而不是RSS.新的網(wǎng)絡(luò)綜合性能較好時,掃描周期應(yīng)該變小以及時的接入性能可能更好的網(wǎng)絡(luò),反之當(dāng)新的網(wǎng)絡(luò)綜合性能較差時(仍然大于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)綜合性能Fing)則掃描周期變長.如果在計(jì)時器設(shè)置的時間段內(nèi),Fnew小于Fing,則計(jì)時器重新置0,掃描周期重新變成T1max,這樣做能夠確保新的網(wǎng)絡(luò)綜合性能較穩(wěn)定時才能被選擇.掃描周期的變化規(guī)律為:

(4)

2 仿真分析

LTE和WLAN網(wǎng)絡(luò)的重疊覆蓋場景如圖3所示.移動終端始終在UMTS網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍之內(nèi),在LTE蜂窩覆蓋范圍的邊緣還有4個WLAN網(wǎng)絡(luò).以O(shè)點(diǎn)為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系,基站的坐標(biāo)分別為(0,0)和(250,250).LTE的載波頻率是2000 MHz,WLAN的載波頻率是2400 MHz,發(fā)送功率分別是1 W和0.5 W.WLAN的覆蓋半徑是200 m,LTE覆蓋半徑是1.5 km.移動終端從O點(diǎn)向右下方的WLAN直線移動.其他參數(shù)的設(shè)置如表1所示.

圖3 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景

表1 仿真參數(shù)

根據(jù)提出的基于周期自適應(yīng)方案和設(shè)置的參數(shù)值,得到圖4,5,6的仿真結(jié)果.

圖4 不同激活周期的激活次數(shù)

圖5 不同激活周期的網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)時間

圖6 切換時間對比

從圖4可以看出,周期自適應(yīng)切換算法的接口激活次數(shù)比周期5 s和7 s的激活次數(shù)要少,但要比激活周期為9 s多.但隨著速度的不斷變快,周期自適應(yīng)的激活次數(shù)越來越接近于周期為9 s的激活次數(shù),即在節(jié)省功率方面越來越好,但是新網(wǎng)絡(luò)的發(fā)現(xiàn)時間并沒有因此而變慢,尤其是當(dāng)速度大于1.2 m/s時,其發(fā)現(xiàn)性新網(wǎng)絡(luò)的時間是最少的.所以,基于周期自適應(yīng)切換算法不僅能夠減少功率的損耗,又能盡快地發(fā)現(xiàn)新的無線網(wǎng)絡(luò).當(dāng)移動速度較大時,提出的算法在發(fā)現(xiàn)新的網(wǎng)絡(luò)方面性能更佳.

圖6是當(dāng)移動端的移動速度r=2 m/s時,不同的接口激活周期對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)切換時間.從圖6中可以明顯的看出,相比于傳統(tǒng)的方法,提出的算法接入到WLAN的時間最短,享受高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)時間最長.因此,提出的垂直切換算法可以減少切換的延遲,提高服務(wù)質(zhì)量.

3 結(jié) 論

本文作者針對傳統(tǒng)的固定周期接口激活方案存在的弊端,提出了一種基于周期自適應(yīng)的垂直切換算法.在網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)階段,移動終端會根據(jù)接收到的信號強(qiáng)度不斷改變接口的激活周期,在網(wǎng)絡(luò)選擇階段,采用多屬性判決法對已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)的綜合性能進(jìn)行判斷,選擇性能最佳的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行切換.仿真表明,提出的方法相比于傳統(tǒng)的方法,在節(jié)省終端電量的基礎(chǔ)上能夠盡快發(fā)現(xiàn)新網(wǎng)絡(luò),并能及時地接入可以提供熱點(diǎn)覆蓋的WLAN網(wǎng)絡(luò),提供給用戶最好的無線接入環(huán)境.

[1] 劉勝美,孟慶民,潘甦,等.異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中基于SINR和層次分析法的SAW垂直切換算法研究 [J].電子與信息學(xué),2011,33(1):235-239.

Liu S M,Meng Q M,Pan S,et al.A SAW vertical handoff algorithm based on SINR and AHP for heterogeneous wireless networks [J].Journal of Electronics and Information Technology,2011,33(1):235-239.

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(責(zé)任編輯：包震宇)

Averticalhandoffschemebasedonadaptiveperiod

Li Yang,ZhangJing*

(The College of Information Mechanical and Electrical Engineering,Shanghai Normal University,Shanghai200234,China)

This paper presents a periodic adaptive vertical handoff scheme.In the phase of handoff initiation,the mobile terminal will adjust the interfaces activating interval to scan the potential new wireless signals according to the

Signals Strength.In the phase of handoff decision,multiple attribute judgment method are adopted to judge the comprehensive perfomance of each network.The simulation shows that the proposed scheme can discover new wireless networks access the network that has the best comprehensive performance saving consumed power.

heterogeneous network; vertical handoff; multiple attribute

2015-12-23

國家自然科學(xué)基金(61101209);上海師范大學(xué)校級項(xiàng)目(DYL201406)

李 洋 (1990-),男,碩士研究生,主要從事無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)方面的研究.E-mail:1178643766@qq.com

導(dǎo)師簡介: 張 靜 (1974-),女,副教授,主要從事無線通信、信號編解碼、5G方面的研究.E-mail:jannety@shnu.edu.cn

TN929.5

:A

:1000-5137(2017)04-0542-05

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