一種基于異構網絡的自適應垂直切換算法

摘 要:提出一種基于WSN與WLAN異構網絡環境下無縫移動通信的垂直切換算法。該算法針對日益普及的傳感器網絡自身特點與室內應急通信應用的特殊性，提出網絡選取優先級參數。針對傳感器網絡在應急通信等特殊場合的應用，制定了專門的切換判決策略。實驗分析表明，該算法可以一定程度地提高通信網絡對現場場景變化的適應程度，滿足室內環境下異構網絡通信的需求。

關鍵詞:無線傳感器網絡;異構網絡;垂直切換算法;無縫移動通信

中圖分類號:TP393文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)04-114-03

Adaptive Vertical Handoff Algorithm Based on Heterogeneous Network

DENG Zhongliang，WANG Hui，ZHU Yujia

(Electronic Enqineering College，Beijing University of Posts and Telecommunication，Beijing，100876，China)

Abstract:An adaptive vertical handoff algorithm between Wireless Sensor Network(WSN) and Wireless Local Area Network(WLAN)is proposed.The algorithm proposes the idea of network priority，and develops a suitable WSN-WLAN handoff decision strategy according to the characteristics of WSN and special application of indoor emergency communications.Experiments show that the algorithm can improve the degree of environment adaptation and achieve vertical handoff between WSN and WLAN appropriately.

Keywords:wireless sensor network;heterogeneous network;vertical handoff algorithm;seamless mobile comnunication

0 引 言

隨著我國大型建筑設施的日益增多，人們對大型公共建筑內部應急安全管理的重視也逐漸加大。無線傳感器網絡(WSN)憑借其成本低，能耗小，組網靈活，系統抗毀性強，對環境依賴程度低等多方面優勢，在搜尋與營救、人員與設備定位、現場環境監控、險情獲取等方面具有廣泛的應用前景，目前已經逐漸成為監控預警和應急指揮系統的重要組成部分。然而基于熱點(Hotspot)接入的無線局域網(WLAN)以其高帶寬、大容量等優勢，業已廣泛存在于樓宇建筑之中。在需要傳輸諸如視頻信息、連續語音信息時，WLAN具有WSN無法比擬的優勢，但其覆蓋無法像WSN一樣廣泛，邊緣區域信號的衰減對通信的影響比WSN更加嚴重。同時一個無線局域網接入點(AP)的失效就可能導致一定區域內WLAN的癱瘓，因此在應急通信中可能出現部分區域無法使用WLAN的嚴重問題。網絡之間的互聯互通已成為一種有效利用資源的通信方式和必然趨勢，這就形成了移動通信的異構網絡。

垂直切換是異構無線網絡相互融合的關鍵。目前的垂直切換算法主要針對WLAN與蜂窩網絡，如WLAN與GPRS，WLAN與CDMA[1-3]等。由于無線傳感器網絡在信號覆蓋范圍與強度、工作方式、性能以及受外界干擾的影響程度等方面都與傳統的蜂窩網絡有較大的不同，因此難以直接采用目前的切換算法。設計適合無線傳感器網絡與無線局域網的切換算法對未來應急救援具有很大意義。基于此，這里提出一種自適應判斷的垂直切換算法，該算法采用基于代價函數對接入網絡進行評估的思想，根據無線傳感器網絡的特點，選擇接入優先級、信號質量等參數，以決定切換是否執行，實現對移動節點自適應的切換判決。

1 自適應垂直切換算法

1.1 代價函數模型

不同的通信應用對于支持網絡都會提出相應的QoS要求，WSN與WLAN能提供的QoS存在較大差異。代價函數正是根據節點上運行的切換算法及其應用程序對可選接入網絡進行綜合評估，從中選擇代價值最小的網絡作為切換的目標網絡。代價函數的表達式定義如下:

Cj=(1/Fj)∑WiVji(1)

式中:Vji為第j個網絡中的第i個參數值;Wi為該參數在整個代價函數中的權值;Fj為第j個網絡的優先級。由于不同網絡參數值的計量單位各異，不能直接作求和運算，需要進行歸一化[4]。

結合計算規范化參數相對應的權值，代入式(1)計算出網絡的代價函數值，代價函數最小的網絡是最優的切換目標網絡。

1.2 網絡參數

由于無線傳感器網絡低功耗、低速率的特點，其節點數據采集能力與傳輸能力都有限制，因此選擇合適的網絡參數作為計算代價函數的依據十分重要。合適的網絡參數不僅應能節省無線傳感器網絡的能耗，延長網絡的整體使用時間，也應能充分反映網絡的狀況，為切換判決提供必要的支持。

在室內應急通信的應用場景下，無線局域網主要實現一定熱點區域內的高速率、高帶寬的無線網絡接入，當斷電或線路損壞等特殊因素出現時，可能造成某個AP的覆蓋區域無法接入WLAN，抗毀性較弱。由于無線傳感器網的分布廣泛，基本上可以實現全區域性的覆蓋，即使斷電，個別節點損壞，對整個網絡通信也不會產生特別嚴重的影響，抗毀性較強，但只能提供低速率、小數據量的無線通信服務。基于以上分析，選取以下參數作為判斷無線局域網與無線傳感器網相互切換時網絡選擇的依據。

(1) 接收信號質量。

在WLAN與WSN中，接收信號強度都是用于檢測通信質量的參數，選擇其表述信號的質量具有一定的通用性和可行性。考慮到傳感器網絡的信號采集特點與運算能力，該算法對信號質量的評價主要依據當前時刻的采集信號強度ESi。

(2) 通信時延。

當移動節點所處位置不存在WLAN的有效覆蓋時，或盡管有WLAN的無線覆蓋，但該局域網的AP無法與有線主干網絡相連時，其通信時延會大幅增加。此外，緊急原因(如斷電或部分節點失效)也會造成無線局域網或無線傳感器網的通信時延增加。通信延時參數可保證應急通信數據的及時傳遞。

(3) 數據吞吐率。

是判定傳輸速率的重要依據。當需要傳輸視頻等大量數據時，該參數的權值應相應提高。

(4) 網絡選取優先級。

除了上面的三個一般性參數以外，該算法根據具體應用場景的不同，為無線局域網與無線傳感器網在不同條件下的垂直切換設置了網絡選取優先級這一特殊參數。例如，當應急救援需要了解現場實況或與一線救援人員聯絡時，要求網絡提供高傳輸速率、高通信帶寬、低時延的服務(如視頻傳輸、實時話音通信)，此時WLAN將獲得高于WSN的優先級;當要求提供全區域覆蓋、可靠傳輸的服務(如重要提示信息的廣播、求救與救援信息的傳輸)時，WSN優先級則會獲得較高的優先級。優先級的變化情況如圖1所示。

圖1 異構網絡的優先級

根據應急通信的不同等級需求，獲得對應的網絡選取優先級參數，既可以提高通信網絡對實際需要的適應度，又避免增加過于復雜的運算，適合傳感器網絡的特點，使選擇的接入網絡更加符合實際的應用需求，提高了切換的靈活性。

1.3 切換穩定周期

為解決垂直切換中存在的乒乓效應問題，采用設定一個穩定周期來延遲移動節點執行切換的時間。穩定周期可通過如下公式計算[5]:

TS=lhandoff+lhandoff/(eCbetter-Ccurrent-1)(2)

式中:lhandoff為當前最優可接入網絡的鏈路時延;Cbetter為最優可接入網絡的代價函數值;Ccurrent為當前網絡的代價函數值。

1.4 切換判決策略

切換判決用來根據網絡代價函數、穩定周期等因素判斷是否對接入網絡進行切換。在室內環境下，出于全方位監控的考慮(無線傳感器網絡作為整個應急安防監控系統的基礎，其對監控區域實現完全覆蓋是可能的)，無線傳感器被大面積布設，構成的無線傳感器網絡基本可以實現對一定區域范圍的全覆蓋，并且無線傳感器網絡的信號始終存在。無線局域網在室內半開放空間的覆蓋范圍約為35~50 m，可以認為WLAN熱點的有效通信范圍全部處于無線傳感器網絡的覆蓋之下，應用場景如圖2所示。

基于以上前提，當移動節點經過計算代價函數發現最優切換網絡時，切換判決模塊首先保存當前的代價函數值，并根據式(2)計算穩定周期TS;然后啟動模塊內部的計時器，在穩定周期結束時，節點主動計算當前時刻最優切換網絡的代價函數值，并與最開始的代價函數值進行比較，如果出現偏差值超過Cr(預先設定)，則認為目標網絡穩定性較差，不執行切換，否則進行網絡切換。圖3為垂直切換算法的流程圖。

實驗選擇在均勻覆蓋有WLAN的室內區域進行，實驗前在試驗現場布設20個傳感器節點，每兩跳節點相距約10 m，評價場景模擬如圖4所示。

圖2 切換應用場景

圖3 自適應垂直切換算法流程圖

2 實驗分析

圖4 評價場景模擬圖

移動節點在場景中以1.5 m/s的速度往返移動(人正常行走的速度)，不斷進入與離開無線局域網的有效覆蓋區域。仿真中以通信信號質量、通信時延、優先級作為垂直切換的參考指標， 設置WSN傳感器個數為12個，節點單跳時延參數為0.1，信號強度參數為0.08，吞吐率參數為0.1;設置WLAN的一個AP，覆蓋范圍50 m，通信時延參數為0.3，信號強度參數為0.04×50/(50-d)(其中d為移動節點與AP的距離)，吞吐率參數為0.002;設置信號強度權值為0.5，通信時延權值為0.5，吞吐率權值為0.2;另外兩種優先級都設置為1，算法選擇代價函數最小的網絡作為目標，則采用本文提出的切換算法進行仿真，結果如表1~表3所示。

表1 在A點獲得的代價函數

候選網絡位置跳數代價函數

WLAN與AP相距20 m1跳0.183 4

WSN到匯聚節點3跳(30 m)3跳0.21

表2 在B點獲得的代價函數

候選網絡位置跳數代價函數

WLAN與AP相距45 m1跳0.350 4

WSN到匯聚節點3跳(30 m)3跳0.21

表3 在C點獲得的代價函數

候選網絡位置跳數代價函數

WLAN與AP相距100 m1跳0.654

WSN到匯聚節點2跳(20 m)2跳0.16

由表1~表3可以看出，本算法在A點選擇WLAN，在B，C點選擇WSN，由此可以根據當前網絡性能較為有效地實現在WSN與WLAN間的切換。當引入優先級這一參數時，比較A點的變化仿真如表4所示。

表4 改變WLAN優先級后在A點獲得的代價函數

候選網絡位置跳數優先級代價函數

WLAN與AP相距20 m1跳0.50.366 8

WSN到匯聚節點3跳(30 m)3跳10.21

此時，由于WLAN優先級的降低，算法選擇了WSN作為目標網絡。由此可以看出，通過優先級的調整，可以有效改變對網絡選擇的判斷，實現依據具體需要選擇目標網絡的目的。

3 結 語

針對室內異構網絡環境下應急通信的現實需求，結合目前廣泛存在的兩種室內無線通信方式，提出基于WSN與WLAN的自適應垂直切換算法。實驗表明，該算法可以比較有效地滿足室內環境下應急救援時無線通信QoS的要求，增強異構無線通信網絡對環境變化的適應性。下一步工作則需要通過與其他垂直切換算法進行比較，以進一步對算法進行改善，縮短其判決的時間，并進一步提高判決的準確性。

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