異構無線網絡的自適應垂直切換判決算法

趙倩麗，曾興斌，何加銘

(寧波大學信息科學與工程學院，浙江寧波 315211)

0 引言

在未來的異構無線環境中，接入網絡將顯著呈現異構性的特點。為了充分利用不同接入網絡的特點，向用戶提供 5W(Whoever、Whenever、Wherever、Whomever、Whatever)的服務，并且能滿足用戶對業務帶寬化、個人化和智能化的要求。異構網絡的融合可以實現各個網絡的優勢互補，而垂直切換是異構融合網絡的核心技術，垂直切換性能優化隨之也成為一個重要的問題。

垂直切換判決算法中需要考慮影響切換性能的多種因素，如應用需求、用戶喜好、終端能力、網絡費用及其QoS性能等，所以無法設定一個通用的決策方法?？紤]到終端應用的實際需求和用戶的偏好等因素，現有以終端為中心的代價函數不能滿足終端應用的要求。下面介紹一種綜合考慮終端電池電量和用戶喜好等多應用并且保證服務質量的垂直切換判決算法。

1 自適應垂直切換判決算法

目前無線通信網主要分為2類:一類是以3G網絡為代表的蜂窩網絡;另一類則是以WLAN為代表的無線局域網［1］。下文將論述移動終端(Mobile Terminal，MT)在這2類網絡之間的切換。

1.1 對候選網絡QoS判斷的代價函數

合理并且高效的代價函數是異構網絡間進行準確、快速垂直切換的前提條件，因此合理的代價函數設計尤為重要。

假設移動終端有N個可接入的候選網絡，QoS最優的網絡為最優目標接入網絡，即該候選網絡的代價函數值最小。

fn為網絡n的代價函數，它表示移動終端從網絡n獲得的所有應用付出的代價表示移動終端在網絡n獲得應用a的代價函數［2］。代價愈小愈好，所以將最優網絡n表示為min{n|fn}，最優網絡n由以下公式確定:

式中，fn為網絡n的代價函數。它包含了應用服務中各個應用的代價，如果考慮到各個應用的優先級，將式(1)更新為式(3):

式中，Pa表示應用a的優先級由以下公式給出:

考慮到代價函數中的網絡參數需要加權相加，但是網絡參數的取值范圍差異較大，如果直接進行加權，網絡參數對代價函數取值產生的影響將會有很大差異。為解決上述問題，將對網絡參數進行歸一化［3，4］，所有網絡參數歸一化后的取值范圍都相同，網絡參數的重要性由權值來體現。

1.2 垂直切換判決方案

垂直切換判決算法引入電池電量門限。當移動終端剩余電量高于電量門限時，移動終端處于高電量狀態;否則移動終端處于低電量狀態［6］。當處于高電量狀態時候，垂直切換考慮多種切換因素。但是處于低電量狀態時候，主要考慮電量因素，應選擇候選網絡中帶寬大的網絡接入，這樣可以減少業務消耗時間，防止由于電量耗盡造成的業務阻塞。

網絡中有數據和語音業務。數據業務需要的帶寬比較大，語音業務需要的帶寬相對較小。雖然數據業務可以接入3G網絡，但是它更傾向于帶寬大(如WLAN)的網絡。垂直切換方案流程圖如圖1所示。

圖1 垂直切換方案流程圖

如果移動終端剩余電量低，則應考慮切換至帶寬大(覆蓋范圍小)的接入網絡，以減小終端的發送和接收功耗，這樣有利于終端工作時間的延長。定義接入網絡j對終端t當前剩余電量的適合度如下［7］。

這里u是所有候選網絡按覆蓋范圍從小到大排列時各接入網絡的序號，1≤u≤N。Ect表示移動終端當前剩余電量，Et表示電池閥值。

如果移動終端的運動速度過快，為減少切換次數，則選擇切換至覆蓋范圍大的接入網絡。定義接入網絡j對終端t用戶當前運動速度的適合度如下:

這里，v是所有候選網絡按覆蓋范圍從大到小排列時各接入網絡的序號，1≤v≤N。Vct表示移動終端當前運動速度，Vjt表示網絡j對應的速度閥值。根據終端當前的移動速度對候選網絡進行篩選，然后再比較這些候選網絡進行代價函數值，按照一定的方案來確定最優目標切換網絡［8］。

2 仿真與分析

為了評估切換算法的性能，設計了一種切換場景:WLAN和3G網絡邊緣的隨機運動場景。為了簡化模型，只考慮切換過程中的垂直切換，如圖2所示，移動終端B從WLAN通信范圍移動出去后，為了保證通信的持續性可以切換到3G網絡。而移動終端E從3G網絡移動出去后可以切換到WLAN網絡享受高帶寬傳輸速率的服務。

圖2 3G-WLAN網絡切換場景

當移動終端B從WLAN網絡移出至3G網絡的覆蓋范圍時，因WLAN網絡的通信范圍有限，移動終端需要發起切換，即從WLAN切換至3G網絡。移動終端首先檢測到接入點的信號強度在減弱，然后判斷終端當前的電池電量是否滿足發起切換的要求，然后再最終決定是否進行切換，如果終端有足夠的電池電量，則不考慮能量的消耗接入最優網絡，進行切換。如果終端能量有限或者不足，從人性化角度考慮則詢問用戶，是否進行切換以獲得更好服務，或者嚴禁進行切換，以延長移動終端的使用時間。預判決先通過終端能量消耗比值進行功耗判斷，進行功耗判斷后，若繼續進行判決，則通過設定各個候選網絡的速度閥值作為判斷依據，進行速度篩選。如果當前用戶的速度超過了某個候選網絡預設的最高速度，即當前用戶終端在很短的時間內移出該候選網絡覆蓋范圍，則排除該候選網絡，可有效解決乒乓效應。例如對于高速運動的用戶終端，蜂窩網相比WLAN是更佳的候選網絡。

切換性能的優劣直接影響終端的通信質量，也是保證終端用戶享受優質服務的關鍵。而切換性能的評價指標一般有兩個:一是切換的平均次數，二是呼叫阻塞率。本文在WLAN和3G組成的異構網絡仿真環境下，對文獻［9］提出的算法與本文提出的切換判決算法在切換次數、當前終端電池剩余電量等方面進行仿真分析與比較。假設3G網絡的網絡半徑為1500 m，WLAN網絡半徑為500 m，用戶速度服從均勻分布。平均服務時間服從指數分布。電池電量門限為0.5，QoS參數的權值大小如表1所示。

表1 QoS參數的權值

算法描述:

WC表示從WLAN切換到3G;CW表示從3G切換到WLAN。

為了描述方便，將文獻［9］的算法用Compared表示，本文提出的算法用Proposed表示。由圖3可知，Proposed算法與Compared算法在呼叫到達率較小時候差別不明顯，但由于本文提出算法將切換語音呼叫留在原網絡，呼叫到達率增大后，與Compared算法相比，Proposed算法能很好地減少平均切換次數，避免了乒乓效應。由圖4看出，Proposed算法由于在切換判決時候考慮了終端當前電池電量，在終端當前剩余電量方面明顯優于Compared算法，圖4的曲線正好驗證了這一點。

圖3 平均切換次數

圖4 終端剩余電量

3 結束語

研究了綜合電池電量、速度等因素的切換判決策略，根據電池電量的變化趨勢動態執行不用的切換決策。首先根據終端當前移動速度對候選網絡進行初步篩選，這樣可以有效地減少了不必要的切換，較好地保證了切換的有效性，然后根據代價函數為移動終端精準選擇出最優目標切換網絡，執行切換時充分考慮了網絡環境、終端能力、業務需求和用戶喜好因素，較好地保證了切換因素的全面性和切換的精確性。在切換預判決時考慮終端當前的電池電量因素，仿真結果表明這樣做可以有效地延長終端的工作時間，有效地緩解了因電量不足而造成的業務阻塞問題，進而保證切換過程中業務的服務質量。因此在現實生活中更具實際的應用價值。

［1］張麗麗，劉大鵬，楊帆.一種新的無線異構網絡的自適應垂直切換算法［J］.信息技術，2011，06(0004):4-6.

［2］ZFU F，MACNAIR J.Optimizations for Vertical Handoff Decision Algorithm［C］∥Proc of IEEE Wireless Communication and Networking conference，2004:867-872.

［3］XIN G，TANG R X，SONG N B，DONG W Y.Enhanced Application-driven Vertical Handoff Decision Scheme for 4G Wireless Networks［J］.IEEE，2007，5(07):1771-1774.

［4］CHEN W T，LIU J C，HUANG H K.An Adaptive Scheme for Vertical Handoff in Wireless Overlay Networks［C］∥Ministry of Education and the National Science Council，Taiwan，China，2004:541-545.

［5］MAO X，CHEN Q B，TANG L.Vertical Handoff Technology for Heterogeneous Network ［J］.Communication technology，2007，26(6):24-26.

［6］王偉，景志宏，陳鵬.異構無線系統中一種改進的垂直切換方案［J］.計算機應用研究，2011，05(28):1861-1865.

［7］王興偉，郭磊，李雪嬌.一種智能ABC支持型QoS切換決策機制［J］.電子學報，2011，04(39):01-09.

［8］FANG Z，JANISE M N.Multiservice Vertical Handoff Decision Algorithms［J］.EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking，2006，13(25861):1-13.

［9］LIU M，LI Z C，GUOX B.An Efficient Handoff Decision Algorithm for Vertical Handoff Between WWAN and WLAN［J］.Journal of Communication Science and Technology，2007，22(1):114-120.