基于灰色關(guān)聯(lián)分析的多網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)模型*

王曉莉， 楊晴雯， 劉淑嫻

(新疆大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 烏魯木齊 830046)

無線網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)與日益更新的移動(dòng)無線接入技術(shù)在用戶的活動(dòng)區(qū)域交叉使用，由于兩者覆蓋能力、商業(yè)定位不同，技術(shù)各有特點(diǎn)，形成了多樣化的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)共同生存的局面[1].隨著無線網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展，基于單個(gè)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)選擇方法已經(jīng)無法根據(jù)業(yè)務(wù)需要滿足用戶的要求.接近理想方案的序數(shù)偏好方法TOPSIS(technique for order preference by similarity to ideal solution)中心思想是假設(shè)一個(gè)正理想方案和一個(gè)負(fù)理想方案，通過檢測候選方案與正理想方案、負(fù)理想方案的距離來進(jìn)行排序.若候選方案最靠近正理想方案同時(shí)又最遠(yuǎn)離負(fù)理想方案，則為最佳方案；否則為最差方案.異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)在相互融合的大前提下已經(jīng)成為整合異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的主要方法，同時(shí)異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的融合也可以帶動(dòng)新一代無線接入技術(shù)的改革與發(fā)展[2].為了使業(yè)務(wù)類型多樣化以滿足用戶的需求，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)需要在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)交叉覆蓋的情景下合理選擇，這就使得無線資源的管理熱點(diǎn)定焦在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)選擇接入技術(shù)上.同時(shí)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)選擇的算法也在隨著技術(shù)的發(fā)展逐步多樣化[3]，在保證能量消耗的大背景下，利用多網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)可使異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)得到高效利用，為用戶提供高吞吐量，使用戶得到更優(yōu)質(zhì)的服務(wù).

1 多網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)模型

多模終端擁有多網(wǎng)絡(luò)接入性能，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 多網(wǎng)絡(luò)接入功能模塊框架Fig.1 Function module framework for multi-network access

模塊框架主要包括接口控制、信息處理、連接用戶與網(wǎng)絡(luò)以及控制多接入等4個(gè)模塊，各個(gè)模塊的具體功能如下：

1) 接口控制模塊.模塊主要用于信息搜集，包括接收信號(hào)強(qiáng)度(received signal strength，RSS)以及網(wǎng)絡(luò)的可用信道(available channel，AC)等[4]，RSS之外的信息其不負(fù)責(zé)處理，而是發(fā)送到信息處理模塊.網(wǎng)絡(luò)接口的啟動(dòng)與關(guān)閉是通過該模塊比較RSS與接收信號(hào)門閾值來進(jìn)行控制的，當(dāng)高于RSS門閾值時(shí)，該網(wǎng)絡(luò)的終端接口將被啟動(dòng)，反之則將被關(guān)閉.

2) 信息處理模塊.模塊依照接口以及用戶與網(wǎng)絡(luò)信息模塊供給信息計(jì)算信息量以及負(fù)載等參數(shù).

3) 用戶與網(wǎng)絡(luò)信息模塊.模塊用于保存無線網(wǎng)絡(luò)接入費(fèi)用、可接入信道數(shù)目以及用戶喜好等信息.

4) 多接入控制模塊.模塊挑選可用無線網(wǎng)絡(luò)并成立可用網(wǎng)絡(luò)集合，之后選定最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)集合.最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)集合的選定是通過相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)選擇算法進(jìn)行的，且可以有單、多個(gè)網(wǎng)絡(luò).最小化信息的傳輸時(shí)延主要是因?yàn)橐苿?dòng)終端的多模塊匯集到移動(dòng)終端網(wǎng)絡(luò)單元，且各模塊有著高度關(guān)聯(lián).

2 構(gòu)建多網(wǎng)絡(luò)接入?yún)?shù)矩陣

利用多屬性決策理論來尋找多網(wǎng)絡(luò)接入中異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)接入最優(yōu)解.多屬性決策的屬性參數(shù)有：接入網(wǎng)絡(luò)的信息量、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡程度、接入網(wǎng)絡(luò)的消耗以及網(wǎng)絡(luò)接入的成本[5].獲得合適的接入網(wǎng)絡(luò)集合，構(gòu)建相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)矩陣，明確網(wǎng)絡(luò)屬性相對(duì)權(quán)重向量，同時(shí)利用灰色關(guān)聯(lián)分析算法鎖定最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)，這樣便可以建立多屬性的決策模型.

當(dāng)移動(dòng)用戶所在的區(qū)域?yàn)楫悩?gòu)無線網(wǎng)絡(luò)交叉覆蓋區(qū)域時(shí)，重點(diǎn)是先從所有的無線網(wǎng)絡(luò)中挑選有價(jià)值的網(wǎng)絡(luò)集合，也就是可接入的網(wǎng)絡(luò)集合(available network set，ANS)[6].移動(dòng)終端接口的控制模塊中可以選定接入網(wǎng)絡(luò)集合，同開普勒效應(yīng)相似，在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍內(nèi)，當(dāng)終端距離無線接入點(diǎn)(access point，AP)較遠(yuǎn)時(shí)，接收到相對(duì)較弱的信號(hào).在這樣的背景下，需要消耗很多的發(fā)射能量才可以滿足終端多網(wǎng)絡(luò)的連接，相對(duì)于連接單網(wǎng)絡(luò)需要消耗更多的能量.為了解決終端能耗過度損耗的問題，可以對(duì)接入網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行門閾值限定，以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的篩選.

將接收的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)門閾值用TRSS表示，接收所有高于門閾值的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，且這些信號(hào)被終端模塊歸入到可接入網(wǎng)絡(luò)集合中，該集合用GANS表示.當(dāng)移動(dòng)終端處在N個(gè)異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的狀況時(shí)，可接入的網(wǎng)絡(luò)集合為

GANS={i|Bi(t)≥TiRSS，i∈(1，N)}

(1)

式中，Bi(t)為接口控制模塊檢測信息.

假設(shè)M為滿足門閾值的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量，同時(shí)，M

(2)

式中：α為信息量的使用率；W為終端可以使用的網(wǎng)絡(luò)寬帶；D為高斯白噪聲的功率(均方值為0，方差為5).則目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)集合可接入信息量為

(3)

負(fù)載均衡程度表達(dá)式為

(4)

各個(gè)網(wǎng)絡(luò)接入的總代價(jià)表示為

(5)

式中，NC為單個(gè)網(wǎng)絡(luò)接入代價(jià).

網(wǎng)絡(luò)接入消耗表示為

(6)

(Xij)E×E

(7)

式中，E為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的總數(shù).

3 灰色關(guān)聯(lián)分析算法

灰色關(guān)聯(lián)分析算法(greyrelationalanalysis，GRA)[7]可以相對(duì)較好地完成離散序列間關(guān)聯(lián)程度的分析.網(wǎng)絡(luò)參數(shù)是通過接口模塊對(duì)用戶及網(wǎng)絡(luò)信息模塊周期性檢測獲得的，因此，其在時(shí)間上是呈離散狀態(tài)且是連續(xù)變換的.將這些網(wǎng)絡(luò)參數(shù)集合劃分成不同等級(jí)[8]，并將等級(jí)最高的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)篩選出來作為最優(yōu)接入網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)，然后利用網(wǎng)絡(luò)參數(shù)對(duì)其進(jìn)行歸一化處理.

灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)可以用局部灰色關(guān)聯(lián)等級(jí)來計(jì)算，其表達(dá)式為

(8)

灰色關(guān)聯(lián)等級(jí)計(jì)算表達(dá)式為

(9)

式中，w為各個(gè)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)相應(yīng)的權(quán)重值，則最佳網(wǎng)絡(luò)集定義為

(10)

本文算法總流程如下：

1) 接口模塊主要用來搜集每個(gè)網(wǎng)絡(luò)基站的接收信號(hào)強(qiáng)度，同時(shí)搜集可接入信道參數(shù)，對(duì)于搜集范圍以外的信號(hào)將發(fā)送到信息處理模塊，接口模塊不對(duì)這些信息做任何處理.

2) 接口模塊確定可接入網(wǎng)絡(luò)集合后，將接收信號(hào)強(qiáng)度與存儲(chǔ)用戶進(jìn)行比對(duì)，同時(shí)完成與其門閾值的比對(duì).當(dāng)RSS比門閾值高時(shí)，將接收入網(wǎng)絡(luò)集合，同時(shí)對(duì)應(yīng)的終端接口也將被啟動(dòng)，以預(yù)備網(wǎng)絡(luò)連接.

3) 獲得可接入網(wǎng)絡(luò)集合后完成單/多網(wǎng)絡(luò)接入狀況分析，選定目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)集合，其中每個(gè)元素分別表示不同網(wǎng)絡(luò)連接的可能.

4) 將目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)集合的各個(gè)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)搜集后，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)參數(shù)矩陣，同時(shí)在用戶、網(wǎng)絡(luò)信息模塊中選獲網(wǎng)絡(luò)參數(shù)權(quán)重向量.

5) 利用灰色關(guān)聯(lián)分析算法對(duì)以上信息進(jìn)行處理，選定最優(yōu)網(wǎng)絡(luò).

4 實(shí)驗(yàn)分析

本文多網(wǎng)絡(luò)接入場景以及設(shè)定的參數(shù)分別如圖2及表1所示.

圖2 場景設(shè)定(單位：m)Fig.2 Scene settings (unit：m)

同單網(wǎng)絡(luò)[9]及傳統(tǒng)TOPSIS算法[10]相比較，本文算法接入數(shù)據(jù)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.由圖3可知，起初網(wǎng)絡(luò)資源豐富，用戶雖然不斷增多，但各個(gè)用戶都有同時(shí)接入多個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的趨勢(shì)，這樣使得平均接入數(shù)據(jù)量也不斷增加.但在網(wǎng)絡(luò)信道數(shù)量有限的情況下，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)用戶繼續(xù)增加時(shí)，用戶選擇多個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)同時(shí)接入的趨勢(shì)也相應(yīng)減小，用戶對(duì)無線信道的競爭也逐步加劇，這就使得網(wǎng)絡(luò)平均數(shù)據(jù)接入量到達(dá)峰頂后都出現(xiàn)下降，用戶接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)堵塞情況越來越嚴(yán)重.當(dāng)用戶進(jìn)網(wǎng)數(shù)量進(jìn)一步增加時(shí)，網(wǎng)絡(luò)便進(jìn)入滿負(fù)荷工作狀態(tài).而灰色關(guān)聯(lián)分析算法則展現(xiàn)出更優(yōu)越的網(wǎng)絡(luò)接入數(shù)據(jù)量性能.

表1 參數(shù)設(shè)置Tab.1 Parameter settings

圖3 接入吞吐量實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Experimental results of access throughput

同單網(wǎng)絡(luò)及傳統(tǒng)TOPSIS算法相比較，本文算法單位帶寬平均接入代價(jià)對(duì)比結(jié)果如圖4所示.

圖4 單位帶寬的平均接入代價(jià)結(jié)果Fig.4 Average access cost results of unit bandwidth

單位帶寬接入代價(jià)可以用數(shù)據(jù)使用的價(jià)格來表示[11].根據(jù)圖4可知，單位帶寬的用戶平均接入代價(jià)隨著用戶數(shù)量的逐漸增多而迅速擴(kuò)大，隨之達(dá)到平穩(wěn).多網(wǎng)絡(luò)接入在用戶數(shù)量相對(duì)很少的狀況下是非常受歡迎的，接入代價(jià)也因此在很大程度上得到提高.然后，網(wǎng)絡(luò)選擇的規(guī)模隨著用戶數(shù)量的進(jìn)一步增加而逐漸達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，接入方式也逐漸穩(wěn)定，因此，接入代價(jià)在達(dá)到一定用戶數(shù)后將逐漸保持不變.同其他兩種算法相比，本文算法在單位帶寬平均接入代價(jià)方面擁有相對(duì)更加全面的優(yōu)勢(shì).

同單網(wǎng)絡(luò)及傳統(tǒng)TOPSIS算法相比較，本文算法單位帶寬的接入消耗量實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果分別如圖5、6所示.

圖5 單位帶寬的接入功耗Fig.5 Access power consumption of unit bandwidth

圖6 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載Fig.6 Network load

單位帶寬的平均接入功耗隨著用戶數(shù)量的增多迅速增加后達(dá)到平穩(wěn)，接入功耗在達(dá)到一定用戶數(shù)后將逐漸保持不變；當(dāng)入網(wǎng)用戶不斷增加時(shí)，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載也隨之增加，這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)用戶增多，使得網(wǎng)絡(luò)接入隨之增加，這樣便會(huì)有更加嚴(yán)峻的網(wǎng)路資源爭奪，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載也越來越大.而相比其他兩種算法，灰色關(guān)聯(lián)分析算法在接入功耗與網(wǎng)絡(luò)負(fù)載性能方面優(yōu)勢(shì)更為明顯.

5 結(jié) 論

針對(duì)目前網(wǎng)絡(luò)選擇算法的不足，提出了基于灰色關(guān)聯(lián)分析的多網(wǎng)絡(luò)接入算法.通過判定接收信號(hào)強(qiáng)度，為處于異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的移動(dòng)終端提供可接入的網(wǎng)絡(luò)資源.充分兼顧單/多網(wǎng)絡(luò)接入的狀況，結(jié)合可接入網(wǎng)絡(luò)集合，構(gòu)建了多網(wǎng)絡(luò)接入?yún)?shù)矩陣.對(duì)該算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明，與單網(wǎng)絡(luò)及傳統(tǒng)TOPSIS算法相比，本文提出的多網(wǎng)絡(luò)同時(shí)連接算法可以明顯提升網(wǎng)絡(luò)性能，為用戶提供滿意的服務(wù).