楊 明 極， 邵 丹， 劉 愷 懌

( 哈爾濱理工大學 測控技術(shù)與通信工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150080 )

0 引 言

移動通信技術(shù)的飛速發(fā)展大大提高了人們的生活質(zhì)量和生活效率，移動通信的發(fā)展趨勢將是多種通信技術(shù)彼此支持、取長補短、相互嵌入。為達到移動端通信的高效性，網(wǎng)絡(luò)切換就成為多種網(wǎng)絡(luò)融合的重要基礎(chǔ)。由于移動終端的移動性會致使終端在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中切換次數(shù)過多，導致網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性下降，嚴重影響網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量[1]，因此，網(wǎng)絡(luò)切換的問題得到了業(yè)界的高度關(guān)注，并成為學術(shù)研究的熱點話題。

基于接收信號強度[2]確定網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的權(quán)重，使用模糊分析方法得到切換評估值，但是沒有考慮移動終端的運動趨勢。馬彬等[3]提出的算法利用最近一段時間內(nèi)獲得的信號抽樣值，根據(jù)接收信號的變化趨勢，得出終端的移動方向、速度及網(wǎng)絡(luò)維持時間等相關(guān)信息，取得了一定的效果，但是沒有考慮到誤碼率和信號傳輸效率等因素。鄧中亮等[4]利用移動終端當前位置、運動速度與徑向運動角度擴展的算法，取得了較好的研究成果，但是單一的參數(shù)條件和模糊度策略以及加權(quán)算法都不能解決終端在網(wǎng)絡(luò)中的選擇及需求。本研究以WAVE、WiMAX和LTE為研究對象，提出了一種基于優(yōu)先移動客戶終端的切換算法。

1 切換技術(shù)概述

切換是指移動客戶終端在移動過程中或者業(yè)務(wù)進行中，由于的移動客戶終端的移動性質(zhì)，引起連接方式改變的行為[5]。引起網(wǎng)絡(luò)切換最主要的原因是當前網(wǎng)絡(luò)不能滿足需求，且當前網(wǎng)絡(luò)外還有其他可選擇的網(wǎng)絡(luò)，為了保證網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性，網(wǎng)絡(luò)擇優(yōu)選擇更適合網(wǎng)絡(luò)[6]。

水平切換和垂直切換的區(qū)分條件是移動客戶終端切換網(wǎng)絡(luò)前后，是否改變了網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)[7-9]。移動客戶終端切換后仍然保持切換前同樣的網(wǎng)絡(luò)，只是在不同接入點(access point，AP)之間切換，則稱為水平切換(horizontal handoff，HH)[10-11]。例如：GSM內(nèi)不同的基站之間的切換。水平切換是通過比較接入點的信號強度來決定是否切換，或根據(jù)接收到的信號是否達到閾值來衡量是否切換。當移動客戶終端切換到不同類型的網(wǎng)絡(luò)時則被稱為垂直切換(vertical handoff，VH)[12]，垂直切換錯綜復雜，因為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下接入點過多，信號質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)資費、移動趨勢、用戶偏好以及業(yè)務(wù)類型都可以決定切換的發(fā)生。垂直切換不僅可以保證網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)，而且移動客戶終端作為切換條件決定切換判決過程[13-14]。

切換過程可分為切換預測、切換判決和切換執(zhí)行3個階段[15]。切換預測是收集以及測量與切換有關(guān)的所有信號參數(shù)，如信號強度、傳輸速率、誤碼率、網(wǎng)絡(luò)阻塞率等[16-17]。切換判決是通過得出結(jié)果進行比對，通過移動客戶終端判決來衡量切換與否，擇優(yōu)網(wǎng)絡(luò)進行連接。切換執(zhí)行是退出連接中的網(wǎng)絡(luò)，接入目標網(wǎng)絡(luò)。切換過程有一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)就是切換決策，網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量和穩(wěn)定情況取決于切換決策，而不好的決策會降低通信效率和服務(wù)質(zhì)量，甚至導致連接中斷。

2 異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的基本參數(shù)

2.1 信號強度

信號強度是信號質(zhì)量的最基礎(chǔ)的標準之一，也是垂直切換的先驗條件，其計算公式為

RSS(s)=K1-K2lgs+u(x)

(1)

式中：K1、K2為網(wǎng)絡(luò)路徑損失因子，s為移動客戶端與AP的距離，u(x)為服從(0,σ1)的白噪聲。

當預切換網(wǎng)絡(luò)的信號強度達到最小信號強度的閾值時，認為達到切換要求，否則不可做切換。

ΔRSS=RSSs-RSSt

(2)

式中：RSSs為可能接入網(wǎng)絡(luò)的信號強度，RSSt為接入網(wǎng)絡(luò)的信號閾值。

ΔRSS=0，網(wǎng)絡(luò)滿足切換條件的臨界值。

2.2 最大傳輸速率

根據(jù)香農(nóng)定理可得傳輸速率為

C=Wlb(1+S/N)

(3)

式中：W為頻帶寬度，S/N為信噪比(singal noise ratio，SNR)。預切換網(wǎng)絡(luò)中信號的最大傳輸速率達到網(wǎng)絡(luò)要求的最小傳輸速率的閾值時，認為達到切換的臨近條件。

ΔC=Cs-Ct

(4)

式中：Cs是預計要接入網(wǎng)絡(luò)的最大傳輸速率，Ct是網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的閾值。當ΔC>0時，網(wǎng)絡(luò)滿足切換條件。

2.3 誤碼率

當誤碼率(error ratio，ER)低于一定閾值時，網(wǎng)絡(luò)可以滿足切換條件，否則網(wǎng)絡(luò)不能達到業(yè)務(wù)需求，不可作為切換選擇。為計算ER，假定服從高斯白噪聲，移動客戶終端與基站的距離為di時，ER是關(guān)于SNR的正態(tài)分布函數(shù)，

對應(yīng)i點的誤碼率為

(5)

則基于誤碼率的切換條件可以表示為

Δγ=τ-ER

(6)

式中：ER是預測接入網(wǎng)絡(luò)的誤碼率，τ是終端業(yè)務(wù)允許的最大誤碼率，只有當Δγ≥0時才可以滿足切換條件。

2.4 網(wǎng)絡(luò)阻塞率

網(wǎng)絡(luò)阻塞是當某個區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的信道全部被占用后，導致移動客戶終端開始新的業(yè)務(wù)時，不能再進行業(yè)務(wù)的現(xiàn)象。接入的信道數(shù)取決于通信的各個性能值，根據(jù)文獻[18-19]給出i個信道已用的概率

(7)

式中：i=0，1，2，…，m；m為網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)可切換的網(wǎng)絡(luò)的總數(shù)量；X為車輛終端到達接入點的概率陣，X=(a1，a2，…，an)；θ為n×1階一維向量；Y為業(yè)務(wù)狀態(tài)陣，可表示為

式中：aij為狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率，ui為終端的離開率。

網(wǎng)絡(luò)阻塞率的閾值為ε，則

Δλ=ε-ui

(8)

當Δλ>0時，網(wǎng)絡(luò)滿足切換條件，其切換概率

P(i)=P(ΔRSS>0， ΔC>0，Δγ>0，Δλ>0)

3 移動客戶終端分析

3.1 移動客戶終端行駛趨勢

移動客戶終端在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的切換過程需要考慮終端的移動趨勢及移動趨勢對切換的干擾，而移動客戶終端的移動性，致使移動端的移動速度、移動趨勢、終端與基站的距離都會影響終端對網(wǎng)絡(luò)的選擇[20]。對移動客戶端的移動趨勢進行分析，首先分析移動客戶終端到接入點的距離；其次根據(jù)移動趨勢對網(wǎng)絡(luò)切換的影響；最后采用累計變化的距離進行來分析與計算，對基站和移動客戶終端的情況進行判決。

通常假定行駛過程中短時間的移動趨勢為直線，移動趨勢和基站之間的關(guān)系如圖1所示。通過公式(1)可推出公式(9)，得到接入點與移動客戶終端的距離差s。

(9)

基于終端與基站之間距離的切換研究中，如圖1所示，當移動客戶終端行駛至①時，與接入點A的距離sA1小于接入點B距離sB1會直接切入到A網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)切入的最優(yōu)方式是移動客戶終端與基站距離差最小。但是，移動客戶終端的高速移動性引起了另一個問題：移動客戶終端在當前網(wǎng)絡(luò)中維持的時間是否最優(yōu)。當移動客戶終端行駛到位置②，移動客戶終端與A的距離差在增大，與B的距離差在減小，移動客戶終端的移動導致距離差變化，當sA2>sB2，根據(jù)距離的優(yōu)先決策，則會再次進行網(wǎng)絡(luò)切換。

根據(jù)距離累計和的方法，在設(shè)定的時間Td內(nèi)，移動客戶端接收到的n次信號強度分別為RSSi(i=1，2，3，…，n)，計算移動客戶端與基站的距離si，進而推算出設(shè)定時間Td內(nèi)，獲取n+1次采樣距離si的變化累加和Δsd。

(9)

圖1 移動終端的行駛趨勢

當Δsd<0時，即可認定移動客戶終端是離開基站的趨勢，當Δsd>0時，則認定移動客戶終端漸漸駛近基站點。移動客戶終端在駛近一個基站點，連接基站的網(wǎng)絡(luò)連接時間要大于移動客戶終端駛離基站的網(wǎng)絡(luò)連接時間，這種方法大大降低了切換次數(shù)。其中Δsd表示預測切換網(wǎng)絡(luò)Td內(nèi)的累積變化距離和。其切換概率為

P=p(ΔRSS>0，ΔC>0，Δγ>0，η>0，Δsd>0)

移動客戶終端在路面上是變速運動的，一般在研究移動客戶終端的速度時，取一個固定時間周期內(nèi)移動客戶終端的平均速度。移動客戶終端的測速功能可以實現(xiàn)在時間Td內(nèi)采樣獲取n個瞬間時速的值，并通過瞬時值求出均值。

式中，vi為第i個移動終端的速度采樣值。

圖2為網(wǎng)絡(luò)維持時間的預測模型，圖2中A點為移動客戶終端進行切換后連接到最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)的位置，間隔時間t后到達位置點B，當下網(wǎng)絡(luò)維持時間

在移動客戶終端通過網(wǎng)絡(luò)選擇時，假設(shè)有m個網(wǎng)絡(luò)作為目標切換網(wǎng)絡(luò)，有n個網(wǎng)絡(luò)的切換概率大于不發(fā)生網(wǎng)絡(luò)切換的概率，為避免移動客戶終端的運動方向發(fā)生改變而導致的過多的切換，通過基站與移動客戶終端的距離和運動的平均速度來決定下次切換的基礎(chǔ)條件。其切換概率

P=max {t1p(1),t2p(2),…,tnp(n)}

圖2 網(wǎng)絡(luò)維持時間模型

3.2 終端幾種業(yè)務(wù)狀態(tài)

3.2.1 優(yōu)先網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)性

移動客戶終端為了避免網(wǎng)絡(luò)發(fā)生切換，需要在某個網(wǎng)絡(luò)下維持一段時間。當用戶端選擇優(yōu)先網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)性，優(yōu)先網(wǎng)絡(luò)持續(xù)時間的最優(yōu)切入概率為

Pt=max(Pt1,Pt2,…,Ptn)

預切換網(wǎng)絡(luò)的切換概率Pt大于網(wǎng)絡(luò)正連接的概率Pnc，即Pt>Pnc，則換到預切換的網(wǎng)絡(luò)，否則繼續(xù)保持網(wǎng)絡(luò)[14-15]。

3.2.2 優(yōu)先網(wǎng)絡(luò)的帶寬

移動客戶終端需要接入的網(wǎng)絡(luò)在傳輸速率上有較高的效率。優(yōu)先網(wǎng)絡(luò)帶寬的最優(yōu)切入概率

Ps=max(Ps1,Ps2,…,Psn)

若Ps>Pnc，則切換到預切換的網(wǎng)絡(luò)，否則繼續(xù)保持網(wǎng)絡(luò)。

3.2.3 優(yōu)先網(wǎng)絡(luò)的費用

一般情況下，LTE的費用略高。

3.2.4 優(yōu)先客戶端的業(yè)務(wù)

優(yōu)先客戶端的業(yè)務(wù)，即含會話業(yè)務(wù)和不含會話業(yè)務(wù)。含會話業(yè)務(wù)的通信需要極高的實時性，所以需要接入點與移動車輛終端之間通信的延時性、抖動性要低，此類業(yè)務(wù)有語音會話、多媒體會議等。含有會話的網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)先級由高到低為LTE、WiMAX、WLAN，不含會話時，網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)先級為WLAN、WiMAX、LTE。

3.3 基于條件概率的垂直切換

理想的切換是切入后網(wǎng)絡(luò)達到最優(yōu)?；跅l件概率算法提出更合適的決策，達到更理想的狀態(tài)。假定Pc為網(wǎng)絡(luò)發(fā)生切換的概率，假定Pnc為網(wǎng)絡(luò)不發(fā)生切換的概率，其中Pc+Pnc=1，通常當Pc-Pnc>0網(wǎng)絡(luò)發(fā)生切換，此種辦法無法達到擇優(yōu)的效果，于是引入基于優(yōu)先條件來決策切換。

3.4 基于條件概率的網(wǎng)絡(luò)區(qū)分

對范圍內(nèi)多個網(wǎng)絡(luò)是否可以進行切換，將進行基于條件概率切換方法，假設(shè)事件為x1、x2、x3連接到3個網(wǎng)絡(luò)X1、X2、X3，且網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)優(yōu)先級由高至低順序為X1、X2、X3，對應(yīng)的概率為p(x1)>p(x2)>p(x3)。

對應(yīng)的條件概率為：p(Xi/Y)是網(wǎng)絡(luò)發(fā)生切換的情況下連接網(wǎng)絡(luò)Xi的條件概率，p(Xi/N)是網(wǎng)絡(luò)不發(fā)生切換的情況下Xi的切換概率。p(Y/xi)-p(N/xi)>0，則推出網(wǎng)絡(luò)切入Xi，反之維持當前網(wǎng)絡(luò)，不做網(wǎng)絡(luò)切換。比較聯(lián)合概率p(xi,N)=p(xi)p(N/xi)與p(xi,Y)=p(xi)p(Y/xi) 的大小，基于網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)設(shè)定系數(shù)

σ=p(xi,N)-p(xi,Y)

通過判斷σ是否大于零區(qū)別是否滿足切換需求，當σ>0，判定網(wǎng)絡(luò)滿足切換條件，否則網(wǎng)絡(luò)不滿足切換條件。

3.5 基于條件概率的網(wǎng)絡(luò)判定

當出現(xiàn)n個網(wǎng)絡(luò)同時滿足需求的情況下，基于條件概率的最優(yōu)決策：

(1)如果p(x1/Y)>p(x2/Y)且p(x1/Y)>p(x3/Y)，則切換選擇X1網(wǎng)絡(luò)；

(2)如果p(x2/Y)>p(x3/Y)且p(x2/Y)>p(x1/Y)，則切換選擇X2網(wǎng)絡(luò)；

(3)如果p(x3/Y)>p(x1/Y)且p(x3/Y)>p(x2/Y)，則切換選擇X3網(wǎng)絡(luò)。

通過對可選網(wǎng)絡(luò)的比較分析，選擇出最適合的網(wǎng)絡(luò)，此方法適用于3種網(wǎng)絡(luò)，也適用于3種以上的網(wǎng)絡(luò)。

4 仿真實驗及分析

通過仿真，對移動客戶終端在高速移動的過程中的切換方法進行驗證，具體包括：垂直和水平的切換次數(shù)、網(wǎng)絡(luò)持續(xù)穩(wěn)定時間、基本參數(shù)的概率、基于客戶端優(yōu)先決策的方法等。

4.1 實驗建立

由圖3可知，移動客戶終端通過異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中行駛的過程為A由經(jīng)過①、②最后到達B，先是經(jīng)過4G和WiMAX多網(wǎng)絡(luò)中，后來經(jīng)過WAVE和4G的網(wǎng)絡(luò)中。A的位置為[40,210]，①的位置為[90,210]，②的位置為[90,170]，B的位置為[130,170]，WiMAX1基站位置為[50,230]，WiMAX2基站的位置為[80,240]，WiMAX3基站位置為[100,235]，WiMAX4基站的位置為[100,210]，其中WiMAX的覆蓋半徑10 km接入帶寬45 Mb/s，發(fā)送功率是25 dBm，路徑損失是35 dBm，參數(shù)σ1=8 dBm；WAVE覆蓋域內(nèi)的信號強度具有穩(wěn)定性，覆蓋半徑為1 km，接入帶寬為27 Mb/s，發(fā)送功率是10 dBm，路徑損失是20 dBm，參數(shù)σ1=8 dBm；LTE接入帶寬為2 Mb/s發(fā)送功率為43 dBm，路徑損失是33 dBm，參數(shù)σ1=6 dBm。假設(shè)①與②距離為8 km，移動客戶終端的速度為10 m/s。

1-WiMAX1；2-WiMAX2；3-WiMAX3；4-WiMAX4

圖3 實驗環(huán)境

Fig.3 Experimental environment

4.2 實驗結(jié)果及分析

4.2.1 切換分析

分別以移動客戶終端對網(wǎng)絡(luò)的要求做了4組實驗。(1)優(yōu)先基于移動客戶終端在網(wǎng)絡(luò)中維持時間的判決，全路程切換8次，其中垂直切換6次。(2)優(yōu)先基于移動客戶終端的網(wǎng)絡(luò)帶寬的判決，全路程一共切換9次，其中垂直切換7次。(3)優(yōu)先基于網(wǎng)絡(luò)費用的判決，全路程一共切換9次，其中垂直切換7次。(4)優(yōu)先基于移動客戶終端的業(yè)務(wù)判決，移動客戶終端行走一段距離后接入2 min的語音，全路程一共切換10次，其中垂直切換8次。實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 切換分析

4.2.2 數(shù)據(jù)平均傳輸速率

由圖5可知，隨著移動客戶終端移動速度逐漸變快，在網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)平均傳輸速率有所下降，但是，基于移動客戶終端的條件概率的切換方法始終是高于基于RSS的模糊度算法和基于SNR差值算法，證明了本實驗的算法提高了數(shù)據(jù)平均傳輸速率，給移動客戶終端提供了更好的服務(wù)。

圖5 數(shù)據(jù)平均傳輸速率

4.2.3 切換狀態(tài)分析

由圖6可知，隨著移動客戶終端移動速度逐漸變快，在網(wǎng)絡(luò)中切換的概率有所下降，但是，基于移動客戶終端的條件概率的切換方法始終是低于接入信號強度的切換和基于基礎(chǔ)狀態(tài)的切換，證明了本實驗的算法能夠降低一部分不必要的切換，使網(wǎng)絡(luò)效果相較于其他方式更好，給移動客戶終端提供了更優(yōu)質(zhì)的通信服務(wù)。

圖6 切換狀態(tài)分析

5 結(jié) 論

提出了一種基于移動客戶終端判決的切換方法，應(yīng)用于WAVE、WiMAX和LTE 3種通信技術(shù)。設(shè)定了接收到的信號強度、網(wǎng)絡(luò)傳輸速率、誤碼率、網(wǎng)絡(luò)阻塞率、終端行駛趨勢、網(wǎng)絡(luò)維持時間等條件為先驗概率；建立了多條件篩選的切換，通過移動終端的偏好和決策來決定最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)。仿真結(jié)果表明該方法適用于各種網(wǎng)絡(luò)及更多網(wǎng)絡(luò)中，能很好地避免網(wǎng)絡(luò)的過多切換，保證網(wǎng)絡(luò)的通暢性和實時性。

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