基于決策概率的接入網選擇

摘 要：為了指導移動用戶在B3G的異構系統中選擇一個最優的無線網絡接入，提出了基于決策概率的接入網絡選擇算法。該決策概率綜合考慮了網絡服務質量（QoS）的滿意度、網絡的收費價格和用戶與網絡間的相對鏈路質量。在NS2仿真平臺下，搭建了UMTS和802.11e的異構仿真環境并模擬了用戶依據決策概率所進行的網絡選擇行為。仿真表明，通過所提出的算法，終端能夠選擇到滿意的網絡進行接入。

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關鍵詞：接入網選擇；決策概率；異構網絡；NS2仿真

中圖分類號：TP18 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)09-031-04

Arbitration Probability-based Access Selection Algorithm

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CHEN Jie，YU Kai，ZHANG Ping

(Wireless Technology Institute，Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing，100876，China)

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Abstract：In order to direct subscribers to select the most suitable radio access network in B3G heterogeneous network environment，a network selection algorithm based on arbitration probability is proposed.Arbitration probability takes network provided Quality of Service(QoS) satisfaction level，monetary cost，and relative link quality into account.The heterogeneous network environment consisting of UMTS and 802.11e is established under NS2 platform.Simulation results exhibit the behavior of users′ network selection.The simulation results show that terminals access the most satisfactory network based on the proposed access selection algorithm.

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Keywords：access selection;arbitration probability;heterogeneous wireless data network;NS2 simulation

在異構的無線網絡系統中，使用多模或變模終端的用戶更傾向于選擇最合適的接入技術來承載業務。但如何在眾多無線接入技術中選擇一個最合適的接入技術是一個有待研究的問題。現有文獻提出的相關解決方法，如隨機選擇算法、高帶寬優先選擇算法、基于模糊邏輯的算法^[1]以及基于層次分析法和灰度關聯法^[2]等，都忽略了用戶對網絡所提供業務質量的滿意度。此外，實際中的用戶將考慮服務質量和價格雙方面因素。基于上述原因，在綜合考慮用戶對服務質量滿意度、價格、相對鏈路質量等因素的基礎上提出了決策概率的概念。決策概率從數學上描述了用戶愿意選擇某網絡的程度。

1 決策概率

為了能用數學方法描述用戶對無線網絡提供的QoS的滿意程度，首先引入滿意度函數概念。用函數S(b)表示用戶的滿意度，他實際上是將服務質量相關的參數映射到實數域。在一個由M個異構無線網絡組成的系統中，用向量[WTHX]b[WTBX]=(b1，…，bM)表示這M個網絡為用戶提供服務的QoS參數。因此，若用戶使用不同網絡的服務，將會有不同的QoS體驗，而這種不同的QoS體驗則會對應不同QoS滿意度。不失一般性地，以網絡j為例，用戶對該網絡提供的服務的滿意度應滿足下列條件：



sj(b)bj≥0， sj(b)bi≤0 (i≠j)，

limbj→∞sj(b)=l

(1)



其中l是正的常數。上式中的最后一個條件反映了QoS參數超出一定范圍后，用戶對QoS參數的提升將不再敏感，進而用戶不會再因為網絡服務質量的提升而增加其滿意度。

在本文中，服務質量以網絡接入帶寬為例，但所提出的滿意度概念可廣泛應用于網絡所提供的其他QoS參數，而不僅限于接入帶寬。

事實上，用戶的滿意度行為與用戶所使用的業務類型有關。對最簡單的業務，如話音業務，一般認為用戶滿意度只有兩個值，分別是完全滿意和完全不滿意。而對于下一代基于分組的多媒體業務而言，這種僅考慮兩個離散值的滿意度將不再適用。出于對這類業務的考慮，采用連續函數對用戶滿意度進行建模。

其次，如果價格變化，用戶對業務的感知情況不可能不發生變化。

前文中，用戶滿意度是QoS的函數。這里，價格同樣表示為QoS的函數。根據上下文的內容，這里所說的QoS參數是網絡提供的接入帶寬。一般而言，網絡j提供的服務的價格pj(bj)，只與網絡j分配給用戶的接入帶寬有關。與滿意度函數類似，價格函數應滿足下面這個條件：



dpj(bj)dbj≥0

(2)



此外，除了滿意度和價格，用戶在選擇網絡時還應考慮與網絡間相對通信鏈路質量。用δj表示終端與網絡j的接入點間的相對通信鏈路質量值。該參數值由用戶與網絡j間通信鏈路質量和用戶與其他網絡間通信鏈路質量共同決定。δj應滿足下列條件：



δjqj>0， δjqi<0，(i≠j)

(3)



其中，qi表示用戶與網絡i間的通信鏈路質量。值得注意的是，不同的用戶將檢測到不同的相對鏈路質量（δj）值。從δj的定義可知，該值越大，則用戶與網絡j間的相對通信鏈路質量越好。

實際上，只有當服務質量和價格都是在可接受的情況下，用戶才可能對網絡所提供的業務表示滿意。只有當終端與網絡接入點間的相對通信鏈路質量較好時，用戶才可能與網絡建立連接。綜合考慮這三個因素，提出決策概率的概念。用決策概率表示用戶接受網絡服務的或然率。針對網絡j，定義決策概率為：Aj(sj，pj，δj)，該值反映用戶決策使用網絡j的服務的概率值。事實上，該值隨QoS滿意度和相對鏈路質量的增加而增加、隨價格的增加而減小，即Aj(sj，pj，δj)滿足：

(8)

其中，C，μ，ε，是正值常數，而pmax是價格的最大值。實際上，由于系統容量等的限制，網絡為用戶提供的接入帶寬不是無限大，因此，網絡的收費也不會是無限大。所以存在價格的最大值，且滿足pmax<∞。所選的函數形式也與廣泛用于經濟學中的Cobb-Douglas要求曲線^[3]有一定關系。事實上，決策概率Aj(sj，pj，δj)可以是任何一個滿足條件式(4)-式(7)的函數，即文中所得到的結論并不限于式(8)的特殊形式。

2 網絡選擇算法

如前文所述，下一代網絡系統中，多個異構網絡覆蓋同一地區將是一個很普遍的現象。不同的網絡為用戶提供不同的接入帶寬以滿足用戶各種需求。而對于那些位于多網絡重疊覆蓋區域的用戶，有理由相信他們能夠且需要在這眾多網絡中選擇最適宜的網絡進行接入。多模、變模技術使移動終端有能力進行異構網絡的接入選擇，而提出的接入網絡選擇算法則用于移動終端選擇一個最合適的無線接入網絡。多個異構網絡通過廣播消息，向用戶廣播其接入帶寬。移動終端在收到該廣播消息的基礎上通過計算所提出的決策概率的值，從而決定哪個網絡最適宜接入。

進一步，在描述用戶對QoS的感知時一般比較通用的函數形式是S形曲線函數^[4]。因此，本文提出的滿意度函數也同樣采用S形曲線。在綜合考慮所有網絡提供的QoS參數后，用戶對網絡j提供服務的滿意度可表示為如下形式：



sj(b)=bj1M－1#8226;∑i≠jbi+Kυ

1+bj1M－1#8226;∑i≠jbi+Kυ

(9)



其中，υ ≥ 2；K是可調整的參數，通過他區分不同用戶的滿意度；M表示用戶可收集到M個網絡的信息。這里假設用戶的滿意度對其上限做了歸一化處理，即隨著bj的增大，滿意度漸進于1。

對于價格的考慮，有很多文獻提出了不同的定價方案^[5，6]，但到目前為止，這些定價策略的可行性有待進一步研究。因此，為了使本文中所提出的接入網絡選擇算法在實現時更易操作，本文采用價格與接入帶寬呈線性關系的定價策略，依據此策略網絡j的定價為：



pj(bj)k#8226;bj

(10)



其中k是一正值常數，bj為網絡j為用戶提供的接入帶寬。

對于相對鏈路質量，反映的是用戶與各網絡間通信條件的好壞情況。這里的通信條件應該是各異構網絡間可相互比較的參數。在異構網絡系統中，由于使用的物理層的技術各不相同，因此在同構網絡中經常使用的信號強度不再適用于做通信條件的衡量標準。為此，采用相對公平的誤碼率（BER）或誤幀率（FER）做相對鏈路質量的衡量參數。定義用戶與網絡j間相對鏈路質量為：



δj1－BERj∑Mi=1(1－BERi)

(11)



其中M表示終端可采集到M個網絡的誤碼率（誤幀率）信息，而BERj表示終端檢測到的來自于網絡j的數據的誤碼率（誤幀率）。由式(11)可知相對鏈路質量δj的取值范圍為［0，1］。

值得注意的是，式(9)和式(10)所定義的滿意度和價格可在終端接收到網絡廣播的接入帶寬信息后計算而得，而公式定義的第三個參數相對鏈路質量δj，則可由終端對收到的廣播信息進行測量而得。由此，根據式(8)的定義，終端可以計算出是否接受網絡j提供服務的決策概率Aj(sj，pj，δj)。綜上所述，提出終端進行網絡選擇的算法：當終端在選擇要使用哪個無線網絡的資源時，首先計算接受各無線網絡服務的決策概率，之后選擇具有最大決策概率值的網絡接入。具體而言，終端的網絡選擇算法可用下列偽碼描述：

(1) Set the initial candidate network list listcandidate = 1，and initial arbitration probability Aaccept = 0.Let M be the maximum number of networks whose information are collected by the user.Also let k=1.

(2) For all k such that k≤N

(a) Given bk and measured relative link quality of network k，compute the arbitration probability for network k Ak = Ak(sk，pk，δk)

(b) IF (Aaccept<Ak) THEN

(i) Set Aaccept =Ak，

(ii) Set listcandidate=k

ELSE IF (Aaccept==Ak) THEN

(i) Append candidate list (i.e.listcandidate) with k

(3) At this time，the index of network should be selected randomly in the list listcandidate.

3 系統實現與仿真結果

本節給出基于決策概率的網絡選擇算法實現方案框圖和基于此方案在NS2^[7]環境下完成的仿真結果。

圖1是針對多模終端所設計的可以完成基于決策概率的網絡選擇算法的體系結構。

圖1 基于決策概率的網絡接入選擇系統體系結構

在該體系結構中，網絡選擇模塊負責通過網絡驅動接口規范（NIDS）設備接口采集網絡信息并進行存儲。NIDS設備用于操作所有網絡驅動。當需要建立業務時，網絡選擇模塊根據存儲的各網絡信息按本文提出的算法選擇最合適的網絡進行接入，同時設置位于NIDS中的用戶數據網絡接口轉發模塊，使用戶業務數據從選定的網絡接口中發送。

為驗證所提出的網絡選擇算法，基于圖1的系統體系結構在NS2平臺下搭建了異構仿真環境。仿真環境如圖2所示，包括一個UMTS網絡和一個802.11e的WLAN網絡。用戶位于UMTS網絡與WLAN網絡的重疊覆蓋區域。

圖2 仿真場景

這里所采用的WLAN技術是提供QoS保證并可以進行速率控制。同時，UMTS網絡和WLAN網絡都有足夠容量為有限的用戶提供數據服務，且這兩個網絡為用戶提供的數據服務的接入帶寬分別為2個單位和6個單位。在該仿真場景中UMTS的Node B和WLAN的AP負責周期廣播其接入帶寬，而用戶隨機的發起數據業務并在兩個網絡中選擇最優的一個網絡建立業務連接。具體仿真參數如表1所示。

表1 網絡選擇算法仿真參數列表

在圖2的仿真場景中，安排用戶在10 s開始從遠離WLAN的AP位置緩慢向WLAN的AP移動；在100 s附近開始從接近WLAN AP的位置開始以相同速度遠離該AP。圖3是根據以上設置完成的仿真結果。該圖反映用戶在接入網絡時決策概率值的變化情況。最初，由于移動臺距離WLAN的AP較遠導致信號比較弱，相對鏈路質量差，因而選擇UMTS的決策概率較大。隨著移動臺的移動，WLAN的信號逐漸增強使得UMTS網絡的相對鏈路質量變差。在綜合考慮WLAN提供的接入帶寬、價格、相對鏈路質量后，用戶選擇WLAN的決策概率大于選擇UMTS的決策概率，因此WLAN覆蓋的絕大多數地區，移動終端總會選擇WLAN做接入。當移動臺離WLAN的AP較遠時，選擇UMTS的決策概率才會逐漸回升。

圖3 移動終端選擇網絡時決策概率仿真結果

值得注意的是，盡管仿真中僅涉及到兩個異構網絡，但所提出的接入網選擇算法并不限于兩個網絡。

4 結 語

下一代無線系統的特點是各種異構的無線接入網絡相互合作、補充，共同為用戶提供數據服務。隨著技術的發展，首先將是多模終端的出現，使終端擺脫了只能與一個接入網絡建立連接的束縛。繼而SDR技術、端到端重配置技術使移動終端終將發展為可變模的智能設備。在這種情況下，終端有能力而且有必要從眾多的服務網絡中挑選最合適的一個網絡與之建立數據連接。本文正是基于此，提出決策概率的概念，使用戶能挑選出最合適的接入網絡。決策概率同時考慮了用戶對網絡提供的QoS的滿意程度、價格因素和用戶與網絡間相對鏈路質量三個方

面因素。基于此決策概率，提出了移動終端側的異構網絡選擇的算法。通過在NS2平臺上建立仿真場景并執行一系列的試驗，驗證了提出的用戶接入網絡選擇算法。同時，文中也給出了移動終端在面對UMTS和WLAN兩個網絡時的決策概率變化情況。

目前，我們也正在對基于決策概率的用戶網絡選擇算法進行擴展，增加網絡調控部分，使網絡動態調整其QoS參數，通過影響用戶網絡選擇行為而同時達到網絡收益最大和負載均衡的目的。

參 考 文 獻

［1］Tripathi N D，Reed J H，Vanlandinghum H F.Adaptive Handoff Algorithm for Cellular Overlay Systems Using Fuzzy Logic［A］.IEEE 49th VTC，1999.

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［2］Song Qingyang，Jamalipour A.Network Selection in an Integrated Wireless LAN and UMTS Environment using Mathematical Modeling and Computing Techniques［J］.IEEE Wireless Communications，2005，12(3):42-48.



［3］Varian H R.Intermediate Microeconomics:A Modern Approach［M］.Morton，New York，1999.



［4］Siris V.Resource Control for Elastic Traffic in CDMA Networks［A］.Proceedings of ACM MobiCom［C］.2002:193-204.



［5］Shenker S，Clark D D，Estrin D S Herzog.Pricing in Computer Networks:Reshaping the Research Agenda［A］.ACM Computer Communication Review，1996，26:19-43.



［6］Courcoubetis C，Kelly F P，Siris V A，et al.A Study of Simple Usage-based Charging Schemes for Broadband Networks［A］.Telecommunications Systems，2000，15:323-343.

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［7］UCB/LBNL/VINT network simulator-ns(version 2).http://www-mash.cs.berkeley.edu/ns/.

作者簡介 陳 杰 男，1980年出生，北京郵電大學博士研究生。主要研究方向為未來移動通信先進技術。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。