一種異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的多屬性垂直切換方案

紀(jì)曉龍,張 靜

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

0 引 言

新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)融合了多種不同的接入網(wǎng)絡(luò).這些網(wǎng)絡(luò)在覆蓋范圍、帶寬、傳輸速率以及費用等方面有著互補的特點,例如,通用移動通信系統(tǒng)(UMTS)能夠提供寬廣的覆蓋范圍,但傳輸速率低,接入費用相對昂貴;而全球微波互聯(lián)接入(WiMAX)具有高的傳輸速率和低的接入費用,但覆蓋范圍較小.當(dāng)移動終端在不同無線網(wǎng)絡(luò)間漫游時,要求能夠?qū)崿F(xiàn)最佳網(wǎng)絡(luò)的判斷并進行無縫隙的切換,移動終端切換的標(biāo)準(zhǔn)主要考慮網(wǎng)絡(luò)條件、業(yè)務(wù)類型、通信代價和用戶偏好等多方面的因素.

在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的垂直切換主要包括發(fā)起、判決和執(zhí)行,目前已提出了較多算法.文獻[1]提出了相對接收信號強度(RSS)的概念,通過比較不同網(wǎng)絡(luò)的RSS來判決用戶是否切換,大多應(yīng)用于水平切換.垂直切換往往需要綜合考慮多個因素來判決是否切換,是多屬性判決問題.文獻[2]在UMTS和無線局域網(wǎng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,采用描述網(wǎng)絡(luò)性能和服務(wù)質(zhì)量的代價函數(shù)選擇首選網(wǎng)絡(luò),利用基于信號強度累積量和距離準(zhǔn)則的聯(lián)合優(yōu)化策略進行判決.文獻[3]提出了一種基于SINR和層次分析法的簡單加權(quán)垂直切換算法,綜合考慮了多屬性服務(wù)質(zhì)量,根據(jù)不同業(yè)務(wù)特點確定各屬性間的關(guān)系.文獻[4]僅依靠模糊邏輯的方法考慮RSS、可用帶寬(BA)和網(wǎng)絡(luò)開銷得到切換判決值,有時不能對網(wǎng)絡(luò)作出合理的選擇.文獻[5]提出了針對車載終端的代價函數(shù)值和可變的速度自適應(yīng)垂直切換算法,提高了候選網(wǎng)絡(luò)集的更新速度,減少了切換次數(shù),保證切換的有效性和公平性,然而依靠代價函數(shù)的方法往往實時性較差,難以適應(yīng)不斷變化的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài).

本文作者給出了一種基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的多屬性垂直切換算法.考慮到無線網(wǎng)絡(luò)中的RSS和可用帶寬(BA)具有動態(tài)變化的特點,采用了模糊邏輯對RSS和BA作預(yù)判決,繼而,該算法采用了綜合信噪比(SNR)、時延(ND),價格(C)和用戶偏好(UP)的代價函數(shù)以選擇最優(yōu)網(wǎng)絡(luò),這4個參數(shù)的權(quán)重由層次分析法獲得.同時,該算法還考慮約束條件來避免發(fā)生乒乓效應(yīng).仿真結(jié)果表明,該算法能夠有效地消除乒乓效應(yīng),減少功率消耗,提高切換效率.

1 垂直切換算法

1.1 系統(tǒng)模型

考慮UMTS與WiMAX重疊覆蓋的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,如圖1所示.在UMTS蜂窩覆蓋小區(qū)的邊緣還分布有WiMAX網(wǎng)絡(luò).假設(shè)某一具有雙模功能的移動終端(MS)通常處于UMTS網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍之內(nèi),即它可以接收到UMTS網(wǎng)絡(luò)提供的信號完成通信服務(wù).而當(dāng)該終端位于小區(qū)邊緣處于兩種無線網(wǎng)絡(luò)的重疊覆蓋區(qū)域時,它可以根據(jù)自身的業(yè)務(wù)需求類型來選擇是否執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)間的切換.通常,由于不同的無線網(wǎng)絡(luò)采用不同的頻率,信道傳播模型也不相同[6],如UMTS網(wǎng)絡(luò)的頻率為2 GHz,采用Cost231-Hata模型;WiMAX的頻率為3.5 GHz,采用的是SUI模型,移動終端在執(zhí)行切換前所檢測出的網(wǎng)絡(luò)接收信號強度以及信噪比將有較大差異.

圖1 UMTS/WiMAX異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

1.2 模糊邏輯處理

移動終端在決定何時需要越區(qū)切換時,通常需要根據(jù)其所接收到的RSS來確定.同時,對于它的不同的業(yè)務(wù)需求,需要系統(tǒng)分配不同的BA,也是它決定自身是否需要切換的依據(jù).由于RSS和BA會隨著移動終端位置和用戶數(shù)量的變化而變化,都是動態(tài)變化的參數(shù).可采用模糊邏輯將其模糊處理,將參數(shù)分成若干個語言變量區(qū)間,進而降低切換次數(shù)和切換的復(fù)雜性.

首先,將RSS和BA作為輸入變量進行模糊邏輯處理,它包括3部分:模糊化、模糊推理、解模糊化.在模糊化過程中,將RSS和BA根據(jù)隸屬度函數(shù)轉(zhuǎn)化成論域[0,1]上的值,其中的隸屬度函數(shù)如圖2所示,對RSS模糊化后對應(yīng)5個語言變量,分別是非常低(VL)、低(L)、中(M)、高(H)、非常高(VH),BA對應(yīng)低、中、高3個語言變量,記為2個模糊集:U(RSS)=U(VL,L,M,H,VH)和U(BA)=U(L,M,H).每一個輸入?yún)?shù)都會對應(yīng)2個語言變量并且有相應(yīng)的隸屬度μ.同時,建立所輸出的切換值(HV)的語言變量并構(gòu)成輸出模糊集:U(HV)=U(VNS,NS,A,S,VS),其中,模糊集中的5個元素分別表示非常不滿意、不滿意、可以接受、滿意以及非常滿意.

然后,利用模糊規(guī)則進行模糊推理,模糊規(guī)則通常根據(jù)專家經(jīng)驗建立,如表1.基于該表IF-THEN結(jié)構(gòu)的模糊規(guī)則,運用最大-最小推理方法[7]找到指向輸出的同一語言變量的隸屬度最大值.其過程是:首先找出規(guī)則表中具有相同輸出的規(guī)則,如表1規(guī)則2～6,計算這些規(guī)則下RSS和BA的隸屬度,取每一條規(guī)則中最小的隸屬度值:

(1)

式(1)中:i是具有相同輸出語言變量的第i條規(guī)則.最后選擇μi中最大的隸屬度值作為該組相同輸出語言變量的推理值.

μg=max(μi),g∈U(HV).

(2)

在解模糊化過程中,采用重心法將模糊推理的輸出轉(zhuǎn)化為精確值,表達式如下:

(3)

圖2 隸屬度函數(shù)

表1 模糊推理規(guī)則

1.3 切換判決

1.3.1 代價函數(shù)

上述模糊邏輯只考慮了RSS和BA 2個網(wǎng)絡(luò)條件,然而,在進行垂直切換決策時,為使用戶得到更好的服務(wù),還要充分考慮信噪比、時延、費用和用戶的偏好,即垂直切換是一個多屬性決策的問題.因此,可以通過構(gòu)建代價函數(shù)來評估最佳的切換網(wǎng)絡(luò),假設(shè)要接入的網(wǎng)絡(luò)為n,則最優(yōu)網(wǎng)絡(luò):

(4)

(5)

En是網(wǎng)絡(luò)的消除因子,表示網(wǎng)絡(luò)參數(shù)pi是否滿足服務(wù)s的最低要求,其表示如下:

1.3.2 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)權(quán)重

式(5)中wi是網(wǎng)絡(luò)n中的第i個參數(shù)的權(quán)重,體現(xiàn)的是pi對網(wǎng)絡(luò)或用戶的重要性,可以通過層次分析的方法求得.作者將業(yè)務(wù)分為語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù).

首先,根據(jù)層次分析法中的1-9標(biāo)度法建立決策矩陣,然后進行一致性檢驗,如果一致性比例滿足CR<0.1,則通過檢驗[8].

CR=CI/RI,

CI=(λmax-N)/(N-1).

(6)

圖3 垂直切換算法流程圖

其中,CI是一致性指標(biāo),RI是判決矩陣平均一致性指標(biāo),λmax決策矩陣的最大特征值,N是參數(shù)的個數(shù).

最后,采用特征值法求權(quán)重:

Gwi=λmaxwi.

(7)

其中,G是判決矩陣,wi是λmax相對應(yīng)的特征向量,將wi歸一化即可得各參數(shù)的權(quán)重.

1.4 垂直切換算法流程

在建立的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,移動終端周期性地檢測當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)和目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的RSS和BA,將得到的參數(shù)值進行模糊處理,并判斷當(dāng)前的模糊判決值FDVC是否大于目標(biāo)的模糊判決值FDVT,如果大于,則終端繼續(xù)停留在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò),否則,進入代價函數(shù)模塊.在計算代價函數(shù)階段,計算SNR、ND、C、UP這些參數(shù)在網(wǎng)絡(luò)中的代價,選擇代價值小的網(wǎng)絡(luò)接入.

垂直切換算法基本流程如圖3所示.

2 仿真分析

仿真環(huán)境是在UMTS和WiMAX網(wǎng)絡(luò)融合的場景下,如圖1所示,其中,UMTS提供廣泛覆蓋,基站覆

表2 仿真參數(shù)表

蓋范圍為3 000 m;WiMAX支持熱點覆蓋,范圍為1 500 m.假設(shè)具有雙模功能的終端沿一條直線通過重疊覆蓋的區(qū)域,仿真中采用的移動速度的范圍為5～30 m/s,當(dāng)終端只處于UMTS網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域時,則選擇UMTS作為服務(wù)網(wǎng)絡(luò),當(dāng)終端處于重疊覆蓋區(qū)域時,則觸發(fā)垂直切換算法.所用到的仿真參數(shù)如表2.

表3和表4分別為根據(jù)1-9標(biāo)度法建立的語音業(yè)務(wù)決策矩陣和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)決策矩陣.對于語音業(yè)務(wù),由于要保證通信的連續(xù)性,所以網(wǎng)絡(luò)時延的權(quán)重比較大;而對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),因為會產(chǎn)生相對比較大的通信量,所以對價格費用比較敏感.從表3和表4中可以看出,他們的判決矩陣均具有滿意的一致性.

表3 語音業(yè)務(wù)判決矩陣

表4 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)判決矩陣

圖4 不同速率下的切換次數(shù)比較

圖4從移動終端在不同速度下的切換次數(shù)對提出的垂直切換算法進行了對比分析.對比的對象分別采用了基于RSS和SNR差值兩種切換觸發(fā)方式,切換判決采用了傳統(tǒng)的單門限切換判決方法和模糊切換判決方法.由圖4中可以看出,在采用了相同切換觸發(fā)方式的前提下,基于SNR差值的觸發(fā)可以更為有效地降低切換發(fā)生的次數(shù),原因是基于RSS的觸發(fā)方式只以當(dāng)前服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的信道情況為依據(jù),并不考慮目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的信道狀況,換句話說,在當(dāng)前服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的信道狀況比較差的情況下,目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的信道質(zhì)量也不一定能夠為用戶提供所需要的服務(wù).而以目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)與當(dāng)前服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的SNR差值作為切換觸發(fā)的條件則能夠同時考慮兩個網(wǎng)絡(luò)的信道質(zhì)量,只有當(dāng)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的信道質(zhì)量明顯好與當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)時,才會執(zhí)行切換,這樣才會使得用戶對切換做出更加精準(zhǔn)的判斷.采用模糊切換判決的方法也能顯著地減少切換次數(shù),抑制“乒乓效應(yīng)”的發(fā)生,這是因為模糊邏輯能夠同時處理多個輸入的網(wǎng)絡(luò)參數(shù),將確定值在對應(yīng)的范圍內(nèi)模糊化為語言變量,然后再綜合其他輸入的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)經(jīng)過模糊推理和解模糊化輸出網(wǎng)絡(luò)的性能值.基于模糊差值的切換判決方法既考慮了多個網(wǎng)絡(luò)參數(shù),同時又考慮了當(dāng)前服務(wù)網(wǎng)絡(luò)和目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的信道質(zhì)量,對切換判決具有更高的準(zhǔn)確性.通過仿真驗證了上述結(jié)論的正確性.

本章在提出算法的基礎(chǔ)上考慮了2種業(yè)務(wù):語音業(yè)務(wù)(Proposed-V)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(Proposed-D).該算法中考慮了更多的判決因素,包括客觀的基于模糊邏輯的預(yù)判決階段,以及基于代價函數(shù)的最終判決階段,其中代價函數(shù)的權(quán)重因子則帶有部分主觀的因素,因此,該算法更能夠準(zhǔn)確地對兩種網(wǎng)絡(luò)作出切換判決,同時也有效地降低了切換的次數(shù),減少了系統(tǒng)的開銷.

圖5和圖6是從移動終端在不同速度下的功率消耗方面對提出的算法進行了對比分析.從圖5中可以看出基于SNR差值(模糊)觸發(fā)的功率消耗比基于RSS(模糊)觸發(fā)的功率消耗要低,這是因為基于SNR的切換觸發(fā)更多的時間接入的是功耗相對較低的UMTS網(wǎng)絡(luò),而基于RSS的切換觸發(fā)則接入功耗相對要高的WiMAX網(wǎng)絡(luò)的時間則比基于SNR觸發(fā)的要多.從圖6中則可以看出,數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的功率消耗要高于語音業(yè)務(wù)的功率消耗,這是因為在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)下,移動終端更多的選擇能夠提供帶寬更高但功耗相對要高的WiMAX網(wǎng)絡(luò).

圖5 不同速率下的功率消耗對比

圖6 兩種業(yè)務(wù)在不同速度下的功率消耗

3 小 結(jié)

針對移動終端在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的切換問題,給出了一種基于UMTS/WiMAX網(wǎng)絡(luò)融合的多屬性垂直切換算法.該算法首先將具有動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)RSS和BA作為輸入?yún)?shù)進行模糊處理,得到網(wǎng)絡(luò)的預(yù)判決值;在預(yù)判決條件滿足的情況下,提出了基于代價函數(shù)的切換判決方法,該方法采用層次分析法計算代價函數(shù)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)SNR,ND,C,UP的相對權(quán)重,得到最終的切換判決值.另外,算法中還加入了約束條件,用來減少切換的次數(shù),提高系統(tǒng)的效率.

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