陶 洋，紀(jì)瑞娟，楊 理，王 進(jìn)

(重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065)

0 引 言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，各種無線接入技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，形成UMTS(universal mobile telecommunications system)、WLAN(wireless local area network)、WIMAX(worldwide interoperability for microwave access)等多種無線網(wǎng)絡(luò)并存的新局面[1]。在減少終端能耗的條件下通過網(wǎng)絡(luò)垂直切換技術(shù)[2]快速選擇合適的目標(biāo)接入網(wǎng)絡(luò)以確保用網(wǎng)需求成為用戶的基本要求。Yu HW等[3]提出使用固定掃描周期的方法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)，但固定的掃描周期并不能適用于不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。Huang Kaikai[4]提出使用分級掃描的方法，在一定程度上減少網(wǎng)絡(luò)掃描的次數(shù)，但是存在網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)不及時的問題。Li Yang等[5]提出根據(jù)搜索到的周圍新的無線網(wǎng)絡(luò)的(received signal strength，RSS)的變化來動態(tài)的調(diào)整網(wǎng)絡(luò)掃描周期，能夠在消耗較少的能量的前提下及時發(fā)現(xiàn)可用無線網(wǎng)絡(luò)。但是會導(dǎo)致終端在當(dāng)前接入網(wǎng)絡(luò)能夠滿足業(yè)務(wù)需求的情況下，進(jìn)行不必要的網(wǎng)絡(luò)切換，造成了不必要的能量消耗。

本文提出一種基于動態(tài)掃描周期的多屬性垂直切換算法。首先，在網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)階段根據(jù)終端當(dāng)前接入網(wǎng)絡(luò)的RSS變化和終端的速度動態(tài)調(diào)整掃描周期；其次，在網(wǎng)絡(luò)選擇階段采用多屬性判決法[6,7]綜合考慮多種網(wǎng)絡(luò)屬性，采用層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)和熵權(quán)法，綜合考慮主客觀因素，根據(jù)業(yè)務(wù)類型不同對各參考屬性進(jìn)行權(quán)值分配，并對各個備選網(wǎng)絡(luò)計算其效用值；最后，引入微小閾值讓移動終端盡可能長時間停留在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中，來避免終端在當(dāng)前接入網(wǎng)絡(luò)能夠滿足其基本需求時，盲目切換至比當(dāng)前接入網(wǎng)絡(luò)略好的新網(wǎng)絡(luò)，在平衡網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)效率和終端能量消耗的同時，進(jìn)一步避免了乒乓效應(yīng)，提高了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。

1 網(wǎng)絡(luò)垂直切換

垂直切換是因多模終端的移動或者業(yè)務(wù)發(fā)生變化，當(dāng)前接入網(wǎng)絡(luò)不能滿足用網(wǎng)需求，且多模終端周圍存在其它可用的無線網(wǎng)絡(luò)時，為保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的連續(xù)性，終端選擇接入到更加合適的無線網(wǎng)絡(luò)的過程。切換過程一般分為網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)選擇、網(wǎng)絡(luò)切換3個階段[8]。網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)階段是指多模終端不斷對周圍電磁環(huán)境進(jìn)行掃描，獲取周圍存在的無線網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)信息，如信號強(qiáng)度、可用帶寬、傳輸時延、誤碼率等[9,10]。網(wǎng)絡(luò)選擇是指終端根據(jù)搜索到的網(wǎng)絡(luò)信息，通過一定的判決標(biāo)準(zhǔn)，對不同的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對比，擇優(yōu)選擇出可用的無線網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)切換執(zhí)行階段是指終端斷開與當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的連接，并與新的無線網(wǎng)絡(luò)建立連接的過程。

為在減少終端能耗的情況下，及時檢測到周圍可用的無線網(wǎng)絡(luò)并從中快速選擇一個合適的接入網(wǎng)絡(luò)。首先，本文對終端的網(wǎng)絡(luò)掃描周期進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，減少了不必要的網(wǎng)絡(luò)掃描次數(shù)；其次，考慮不同通信業(yè)務(wù)類型對網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量有著不同的需求，在網(wǎng)絡(luò)選擇階段使用多屬性進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)判決，并使用層次分析法和熵權(quán)法確定不同業(yè)務(wù)類型的相關(guān)判決參數(shù)的權(quán)值分配；最后，為避免終端進(jìn)行不必要的切換引入微小閾值，對最終的接入網(wǎng)絡(luò)選擇進(jìn)行控制。整體的垂直切換算法如圖1所示。

圖1 垂直切換算法

2 網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)垂直切換過程在網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)階段存在對網(wǎng)絡(luò)掃描周期大小設(shè)定不合理的問題，若網(wǎng)絡(luò)掃描周期過小，雖然能夠及時發(fā)現(xiàn)周圍可用無線網(wǎng)絡(luò)，但是較多的網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)次數(shù)使終端能量消耗較多；反之若網(wǎng)絡(luò)的掃描周期過長，會導(dǎo)致終端不能夠及時發(fā)現(xiàn)可用的無線網(wǎng)絡(luò)，影響用戶的用網(wǎng)體驗(yàn)。為平衡網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)及時和減少終端能耗之間的關(guān)系，從終端狀況和當(dāng)前接入網(wǎng)絡(luò)狀況兩方面進(jìn)行考慮。首先，在移動終端方面，其速度為影響網(wǎng)絡(luò)掃描周期的因素，具體表現(xiàn)為當(dāng)終端的移動速度越大，網(wǎng)絡(luò)掃描周期應(yīng)越小，以防止終端不能夠及時發(fā)現(xiàn)可用的新網(wǎng)絡(luò)，造成網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)時延，降低切換效率；其次，在網(wǎng)絡(luò)方面，因RSS表征網(wǎng)絡(luò)提供基礎(chǔ)通信服務(wù)的能量，故采用終端接收到的當(dāng)前接入網(wǎng)絡(luò)的RSS為衡量當(dāng)前接入網(wǎng)絡(luò)狀況的指標(biāo)。具體來講當(dāng)前接入網(wǎng)絡(luò)的信號強(qiáng)度越小，則表示當(dāng)前接入網(wǎng)絡(luò)狀況越差，終端切換網(wǎng)絡(luò)的急迫性越強(qiáng)，所以需要加快網(wǎng)絡(luò)的掃描，相應(yīng)地減少網(wǎng)絡(luò)掃描周期。動態(tài)掃描周期Tcur計算方法如下

(1)

其中，Tmax、Tmin分別代表最大的網(wǎng)絡(luò)掃描周期和最小的網(wǎng)絡(luò)掃描周期，RSScur為終端接收到的當(dāng)前接入網(wǎng)絡(luò)的信號強(qiáng)度，RSSth為終端接入網(wǎng)絡(luò)的信號強(qiáng)度門限值，Vcur為終端當(dāng)前的移動速度，Vmax為設(shè)定的終端最大移動速度。

3 網(wǎng)絡(luò)選擇

對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)選擇是網(wǎng)絡(luò)切換過程中關(guān)鍵一環(huán)，由于多屬性判決方法與其它判決方法相比具有簡單明了且考慮全面能夠得到較好的效果等優(yōu)點(diǎn)被廣泛的使用[11]。提出融合AHP[12]、熵權(quán)法[13]和簡單加權(quán)法，針對終端進(jìn)行的業(yè)務(wù)類型對網(wǎng)絡(luò)的需求進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)選擇的優(yōu)化方案。首先利用AHP的層次模型確定參考屬性的主觀權(quán)重向量；然后利用熵權(quán)法確定屬性的客觀權(quán)重向量，在此基礎(chǔ)上利用簡單加權(quán)法各個網(wǎng)絡(luò)的效用函數(shù)；最后引入微小閾值對終端最終要進(jìn)行切換的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行確定。

不同的業(yè)務(wù)類型對網(wǎng)絡(luò)性能具有不同的要求，3GPP將移動網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)分成了4大類[14]：會話類、流媒體類、交互類、背景類。根據(jù)業(yè)務(wù)對時延敏感程度的不同將會話類和流媒體類歸為實(shí)時類業(yè)務(wù)，將交互類和背景類歸為非實(shí)時類業(yè)務(wù)。為簡單起見，對各類業(yè)務(wù)只進(jìn)行對實(shí)時類業(yè)務(wù)和非實(shí)時類業(yè)務(wù)區(qū)分。

其中網(wǎng)絡(luò)參考屬性的選擇的合適與否直接影響到網(wǎng)絡(luò)選擇的合理性。在多屬性判決法選擇網(wǎng)絡(luò)過程中，參考屬性的選擇并非越多越好[15]，應(yīng)選擇既能夠全面反映網(wǎng)絡(luò)性能和不同業(yè)務(wù)類型對網(wǎng)絡(luò)性能的要求，又不相互重疊的網(wǎng)絡(luò)屬性作為網(wǎng)絡(luò)選擇標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)以上分析，選取最能夠體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的5個參考屬性：接收信號強(qiáng)度RSS、可用帶寬(bandwidth，B)、時延(delay，D)、丟包率(packet loss rate，PLR)、抖動(jitter，J)作為網(wǎng)絡(luò)選擇的依據(jù)。

3.1 層次分析法確定主觀權(quán)值

如圖2所示，對目標(biāo)問題進(jìn)行層次化處理，建立典型的層次結(jié)構(gòu)模型。其中目標(biāo)層代表得到的最優(yōu)接入網(wǎng)絡(luò)；準(zhǔn)則層中設(shè)定影響網(wǎng)絡(luò)選擇的相關(guān)因素；方案層代表可選的備用網(wǎng)絡(luò)。

圖2 層次結(jié)構(gòu)模型

利用AHP確定各屬性權(quán)值步驟：

步驟1 對網(wǎng)絡(luò)選擇參考屬性進(jìn)行確定；

步驟2 構(gòu)造AHP判斷矩陣。對用戶終端當(dāng)前使用的業(yè)務(wù)類型進(jìn)行判斷，根據(jù)業(yè)務(wù)對時延的敏感程度不同將業(yè)務(wù)分為實(shí)時類業(yè)務(wù)和非實(shí)時性業(yè)務(wù)，根據(jù)業(yè)務(wù)類型采用按照1-9標(biāo)度法(標(biāo)度的定義見表1)對各屬性兩兩比較得到量化的判斷矩陣A=(aij)m×n， 其中aij為參數(shù)的相對重要程度；

表1 1-9標(biāo)度法

(2)

(3)

計算與特征向量對應(yīng)的最大特征根λmax的近似值

(4)

計算判斷矩陣的一致性指標(biāo)，檢驗(yàn)其一致性，公式為

(5)

其中，CI是一致性指標(biāo)，RI是隨機(jī)一致性指標(biāo)(平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI對照表見表2)，CR是一致性比率，n為考慮因素的個數(shù)。當(dāng)計算得到的一致性比率小于或等于0.1時矩陣的一致性是可以被接受的，以此來判斷兩兩比較的一致性程度是否達(dá)到了要求。

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI對照

RSSB D J PLR

(6)

(7)

RSS B D J PLR

(8)

(9)

3.2 熵權(quán)法確定客觀權(quán)值

利用熵權(quán)法確定客觀權(quán)值步驟：

步驟1 對網(wǎng)絡(luò)選擇參考屬性進(jìn)行確定，通過不斷地對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行掃描得到候選網(wǎng)絡(luò)實(shí)際性能參數(shù)(見表3)。

表3 候選網(wǎng)絡(luò)實(shí)際性能參數(shù)

步驟2 對各類參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，根據(jù)表3可知信號強(qiáng)度和可用帶寬為效益型參數(shù)，其余參數(shù)為成本型參數(shù)，根據(jù)參數(shù)的類型進(jìn)行歸一化處理，并得到指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化評估矩陣R。

效益型參數(shù)歸一化處理

(10)

成本型參數(shù)歸一化處理

(11)

(12)

步驟3 確定參考屬性的熵值，gij為網(wǎng)絡(luò)i中第j項(xiàng)參數(shù)在所有備選網(wǎng)絡(luò)中的比重，ej為第j項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)指標(biāo)的熵值

(13)

(14)

其中，k為常數(shù)，k>0，k=1/ln(N),N為備選網(wǎng)絡(luò)的個數(shù)，m為參考屬性的個數(shù)；

步驟4 利用熵值計算各個參考屬性的權(quán)值sj，第j項(xiàng)參數(shù)的差異系數(shù)為pj

(15)

(16)

從上式可用看出，對于第j項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，熵值越大，參數(shù)的值差異越小，對網(wǎng)絡(luò)選擇方案的影響越小，所賦予的權(quán)值就越小。

3.3 網(wǎng)絡(luò)判決

對于第j項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，記綜合主觀權(quán)值和客觀權(quán)值得到的綜合權(quán)值為Zj，利用簡單加權(quán)法得到的各個網(wǎng)絡(luò)的效用值為Fi

Zj=α·Wj+(1-α)sj

(17)

(18)

其中，α為加權(quán)因子，本文設(shè)α=0.5

(19)

(20)

記當(dāng)前接入網(wǎng)絡(luò)的效用函數(shù)為Fcur，如果Fmax等于Fcur或者 (Fmax/Fcur)≤δ， 則終端停留在當(dāng)前接入網(wǎng)絡(luò)，否則選擇效用函數(shù)最大的網(wǎng)絡(luò)為接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切換，該方法避免了終端盲目切換到比當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)略好一點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步減少了乒乓效應(yīng)，節(jié)約了終端能量。

4 仿真分析

4.1 仿真場景及相關(guān)參數(shù)

選取MATLAB軟件對所提算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。如圖3所示仿真實(shí)驗(yàn)在WLAN1、UMTS、WLAN2這3個網(wǎng)絡(luò)重疊覆蓋的環(huán)境下進(jìn)行，坐標(biāo)分別為(450,0)，(1500,0)，(2550,0)，其中設(shè)定WLAN1和WLAN1的覆蓋半徑為200 m，UMTS的覆蓋半徑為1500 m，終端從A(0，0)點(diǎn)，運(yùn)動到B(3000,0)點(diǎn)，依次穿過3個網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)參考文獻(xiàn)[16]確定各個網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)參數(shù)見表4，另有仿真的相關(guān)參數(shù)見表5。

圖3 網(wǎng)絡(luò)仿真場景

表4 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

表5 仿真參數(shù)

4.2 仿真結(jié)果分析

將本文所提算法分別與文獻(xiàn)[5]中所提出的算法，以及固定掃描周期為5 s,10 s,15 s的方法，在MATLAB仿真軟件下進(jìn)行對比分析，得到如下仿真結(jié)果。圖4為終端從A(0,0)點(diǎn)向B(3000,0)點(diǎn)勻速運(yùn)動過程中，在不同的掃描周期下，終端監(jiān)測到WLAN1時終端對網(wǎng)絡(luò)的掃描次數(shù)。從仿真結(jié)果可以看出，本文提出的動態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)掃描周期的方法接口激活次數(shù)比固定掃描周期為15 s，10 s以及文獻(xiàn)[5]中的周期自適應(yīng)切換算法激活次數(shù)少，與固定掃描周期為5 s的接口網(wǎng)絡(luò)激活次數(shù)相當(dāng)。從圖5 可以看出在網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)時間方面，本文所提算法所需時間與固定掃描周期為5 s和文獻(xiàn)[5]中算法相當(dāng)，少于固定周期為10 s 和15 s網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)所用的時間。故本文所提算法相對于對比算法在網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)時間較少的情況下，通過減少了終端接口的激活次數(shù)進(jìn)而減少了終端能量的消耗。

圖5 不同掃描周期下網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)時間

在網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，終端根據(jù)自身業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)的需求，采用多屬性判決方法對備選網(wǎng)絡(luò)效用值進(jìn)行計算，并引入微小閾值δ對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行過濾選擇。設(shè)定移動終端以 1 m/s 的速度從A(0,0)點(diǎn)勻速移動至B(3000,0)，依次穿過3個網(wǎng)絡(luò)。

圖6顯示的是實(shí)時類業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)選擇結(jié)果，從圖中可以看出本文所提算法相對于AHP算法具有較少的切換次數(shù)。對于實(shí)時類業(yè)務(wù)，保證實(shí)時性是重中之重，此類業(yè)務(wù)對其它的網(wǎng)絡(luò)屬性，如可用帶寬有相對較低的要求，所以網(wǎng)絡(luò)選擇時更偏向選擇時延低的網(wǎng)絡(luò)。本文算法在絕大多數(shù)時間停留在UMTS網(wǎng)絡(luò)，因UMTS網(wǎng)絡(luò)在時延方面表現(xiàn)突出，偶爾選擇WLAN2網(wǎng)絡(luò)可能是此時WLAN2網(wǎng)絡(luò)的綜合性能表現(xiàn)更好。而AHP算法相對本文算法更多的時間停留WLAN1和WLAN2網(wǎng)絡(luò)中，而WLAN網(wǎng)絡(luò)是高時延網(wǎng)絡(luò)不能夠很好滿足實(shí)時類業(yè)務(wù)的需求。

圖6 實(shí)時類業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)選擇

圖7顯示的是非實(shí)時類業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)選擇結(jié)果，從圖可以看出本文所提算法相對與AHP更多的時間停留在了WLAN1和WLAN2中。對于非實(shí)時類業(yè)務(wù)，高可用帶寬和低丟包率是保證業(yè)務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵，此類業(yè)務(wù)對時延等網(wǎng)絡(luò)屬性要求很低，而WLAN1和WLAN2網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)帶寬方面相對UMTS網(wǎng)絡(luò)有很大的優(yōu)勢，但是UMTS網(wǎng)絡(luò)具有較少的丟包率，隨著終端位置的變化，考慮各個網(wǎng)絡(luò)的綜合性能，終端在UMTS和WLAN1和WLAN2網(wǎng)絡(luò)之間切換。

圖7 非實(shí)時類業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)選擇

因本文算法引入了微小閾值對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行過濾選擇，從而使終端較多時間停留在網(wǎng)絡(luò)帶寬比價大的WLAN1和WLAN2網(wǎng)絡(luò)中。

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于動態(tài)掃描周期的多屬性垂直切換算法，在網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)階段，根據(jù)終端接收到的當(dāng)前接入網(wǎng)絡(luò)的信號強(qiáng)度和終端的移動速度來調(diào)整網(wǎng)絡(luò)掃描周期，減少了終端空中接口的激活次數(shù)；在網(wǎng)絡(luò)選擇階段，采用多屬性判決法，針對不同業(yè)務(wù)使用AHP和熵權(quán)法對各屬性設(shè)定相應(yīng)權(quán)重，并利用簡單加權(quán)法得到備選網(wǎng)絡(luò)效用值，最后利用微小閾值確定終端是否要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切換。仿真結(jié)果表明，所提方法相對于傳統(tǒng)算法，能夠在減少終端能耗的基礎(chǔ)上，及時發(fā)現(xiàn)周圍可用的無線網(wǎng)絡(luò)。并能夠?yàn)榻K端選擇合適的接入網(wǎng)絡(luò)，減少了不必要的網(wǎng)絡(luò)切換，提高了用戶服務(wù)質(zhì)量。