基于模糊多因素綜合判決的無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換算法

張治學(xué)，李哲青，王 輝

(河南科技大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)信息中心， 河南 洛陽 471023)

目前，“無線城市”已經(jīng)成為發(fā)展未來網(wǎng)絡(luò)通信的新理念，其目標是實現(xiàn)任何時間、任何地方與任何人進行任何形式的透明通信。實現(xiàn)這一目標的關(guān)鍵技術(shù)之一是無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合。

作為無線局域網(wǎng)(WLAN)的重要代表，WiFi(IEEE802.11)網(wǎng)絡(luò)具有布設(shè)靈活、帶寬高、覆蓋范圍小的特點。作為目前無線城域網(wǎng)(WMAN)常用技術(shù)，WiMAX(IEEE802.16)無線網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋范圍廣、帶寬適中等特點。WIMAX的無線信號傳輸距離最遠可達50 km，可覆蓋半徑達1.6 km的范圍，是3G 基站的傳輸距離的10倍。此外，WIMAX可實現(xiàn)向用戶提供具有QoS性能的視頻、話音、數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)[1]。因此，實現(xiàn)WiFi與WiMAX的網(wǎng)絡(luò)融合對無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)模式具有重要意義。

1 無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)

垂直切換即異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的切換，一般分三個階段：(1)網(wǎng)絡(luò)切換的發(fā)起階段。首先是網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)，即檢測那些可以到達的網(wǎng)絡(luò)。(2)網(wǎng)絡(luò)切換的判決階段。在此階段，對所有可以到達的網(wǎng)絡(luò)按照一定的規(guī)則進行評判，并選擇最適合網(wǎng)絡(luò)。(3)網(wǎng)絡(luò)切換實施階段。在這一階段，完成網(wǎng)絡(luò)切換判決之后，具體實施網(wǎng)絡(luò)的切換工作。當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)中的用戶，根據(jù)周期性的測量結(jié)果和判決規(guī)則，決定用戶是否需要切換到目標網(wǎng)絡(luò)。判決標準取決于用戶要求的服務(wù)質(zhì)量參數(shù)或網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

目前，垂直切換技術(shù)在切換效率、切換控制、切換判決和切換性能等方面仍然面臨極大的挑戰(zhàn)，現(xiàn)有技術(shù)仍存在許多局限性，主要表現(xiàn)在：(1)垂直切換性能的優(yōu)化困難，包括切換次數(shù)、切換丟包、切換延時和切換信令等方面的優(yōu)化。要保證底層接入技術(shù)的無關(guān)性，垂直切換技術(shù)必須在網(wǎng)絡(luò)高層實現(xiàn)，而在網(wǎng)絡(luò)高層實現(xiàn)通用性又可能對通信性能造成影響。(2)缺乏高效、可行的垂直切換判決方法。由于垂直切換判決是十分典型的多標復(fù)合推理判決，現(xiàn)有技術(shù)多存在可行性差、頻繁切換明顯、網(wǎng)絡(luò)資源利用率不高等缺點。

目前，人們對垂直切換技術(shù)的研究主要分為三種類型：

(1)基于無線信號強度比較的判決方法。該方法以移動終端接收到不同無線網(wǎng)絡(luò)接入點的信號強度作為主要參考因素，采用某個標準作為信號強度門限值，根據(jù)接收到的無線網(wǎng)絡(luò)信號強度高于或低于門限值來決定是否執(zhí)行接入或切出無線網(wǎng)絡(luò)操作[2]。

(2)基于移動終端的切換判決方法。該方法除考慮無線網(wǎng)絡(luò)的信號強度和網(wǎng)絡(luò)的可用性之外，還需結(jié)合服務(wù)提供商的可用帶寬、功耗、業(yè)務(wù)類型和用戶偏好等多個因素作出判決。通過構(gòu)建代價函數(shù)來計算和評估最優(yōu)的接入網(wǎng)絡(luò)[3]。

(3)基于人工智能或模糊邏輯，并結(jié)合多種網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和用戶特性的多維判決方法。該方法基于模糊推理系統(tǒng)和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，建立具有自適應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)垂直切換算法，以便在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中能準確地判決出將要切換到的目標網(wǎng)絡(luò)[4]。

本質(zhì)上，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的垂直切換決策是一個多因素綜合決策問題，應(yīng)根據(jù)當(dāng)前可用網(wǎng)絡(luò)的不同特點和所運行業(yè)務(wù)的不同需求，以及用戶終端的特性和用戶偏好、終端移動速度、目標網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等多個因素進行綜合判斷[5-6]。模糊控制是一種能夠基于復(fù)雜信息的非線性、不完整和不確定性判決方法。由于無線電信號有很多模糊的性質(zhì)，選用多因素切換判決機制，結(jié)合模糊邏輯能有效解決實際中很多參數(shù)不精確性問題[7]。

本文提出一種基于模糊綜合評判理論，綜合考慮無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換過程中多種類別因素，進行目標網(wǎng)絡(luò)與當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)質(zhì)度對比，通過選擇最佳的切換時刻和目標網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的垂直切換算法。以WiFi網(wǎng)絡(luò)與WiMAX為例，在NS2網(wǎng)絡(luò)模擬環(huán)境下對提出的垂直切換算法進行仿真實驗。

2 基于模糊綜合的多因素判決

模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，不需要已知被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，直接采用語言型控制規(guī)則，因此模糊控制對那些參數(shù)動態(tài)特性不易掌握或變化較快的對象非常適用，已成功應(yīng)用于很多工業(yè)生產(chǎn)過程、智能家用電器、復(fù)雜對象預(yù)測、智能醫(yī)療診斷等非線性、非平穩(wěn)和自適應(yīng)系統(tǒng)的控制。鑒于模糊控制的諸多優(yōu)點，本文將模糊綜合理論應(yīng)用于WiFi網(wǎng)絡(luò)與WiMAX網(wǎng)絡(luò)的切換管理。

模糊控制系統(tǒng)由模糊器、模糊規(guī)則庫、模糊推理和解模糊器四部分組成[8-9]。其邏輯框圖如圖1所示。

圖1 模糊控制系統(tǒng)

模糊器實現(xiàn)隸屬函數(shù)的模糊化處理，將測得的輸入變量值或輸入的語言類信息轉(zhuǎn)化為模糊集合隸屬函數(shù)表示的某一模糊值，即一個對應(yīng)的隸屬函數(shù)值。模糊關(guān)系是輸入模糊器的集合I與解模糊器輸出集合O之間的對應(yīng)關(guān)系， I與O集合的全部對應(yīng)關(guān)系構(gòu)成一個規(guī)則庫(Rule base)，由規(guī)則庫的規(guī)則決定輸入與輸出之間的模糊關(guān)系。

模糊推理根據(jù)規(guī)則庫中的模糊關(guān)系對經(jīng)過模糊器處理的值進行推理匹配，尋找出相應(yīng)的輸出信息。解模糊器的功能和模糊器的功能正好相反，其作用是將一個模糊集合轉(zhuǎn)換成一個明確的動作。

本文選取信號強度、終端移動速度和信噪比三種參數(shù)作為判決機制的輸入，并選用高斯隸屬函數(shù)對以上參數(shù)進行模糊化處理。經(jīng)過模糊器處理后，每種參數(shù)劃分為高(H)、中(M)、低(L)三個等級。高斯隸屬函數(shù)表示為：

(1)

式(1)中 ，σi,mi分別表示參數(shù)的標準方差和抖動因子，x表示自變量。

模糊規(guī)則庫是模糊控制系統(tǒng)的重要組成部分，其中語言規(guī)則是模糊邏輯推理的依據(jù)。本文定義信號強度、終端移動速度和信噪比三個模糊變量和“高”、“中”、“低”三檔組成模糊集，模糊規(guī)則共有33=27條。這些規(guī)則按照投票表決機理生成。三個參數(shù)變量相當(dāng)于三個代表，可以產(chǎn)生9種表決結(jié)果。將這9種表決結(jié)果，用數(shù)字1～9來表示移動終端對當(dāng)前服務(wù)基站的隸屬度，對應(yīng)于切換到候選基站臺的可能性程度。其中1代表對當(dāng)前基站隸屬度最低，即一般切換不到本基站，切換到其他候選基站的可能性最大；9代表對當(dāng)前基站的隸屬度最高，即切換到本基站的可能性最高，切換到其他基站的可能性最小。

所有規(guī)則語句的作用可歸納為：

(2)

式(2)中μFi(PFi)表示各模糊變量對于模糊集的隸屬度。首先經(jīng)過模糊規(guī)則推理出模糊量，其次經(jīng)過去模糊過程得到對于基站的隸屬度。去模糊過程表示如下：

(3)

式(3)中y1表示第1條規(guī)則的輸出，可以從規(guī)則庫中獲取，Ma表示對于基站的隸屬度。

移動終端通過監(jiān)測不同網(wǎng)絡(luò)的信號強度、信噪比及自身移動速度等參數(shù)，將這些參數(shù)信息輸入到模糊控制系統(tǒng)中，得到移動終端對當(dāng)前接入點和候選接入點的隸屬度。經(jīng)過比較器比較，輸出切換判決。如果當(dāng)前接入點的隸屬度低于隸屬度閾值，而另一個最佳候選接入點的隸屬度高于當(dāng)前接入點的隸屬度，且大于遲滯隸屬度值時，切換到最佳候選接入點。

3 仿真實驗

在NS2網(wǎng)絡(luò)模擬器中進行仿真實驗。實驗環(huán)境設(shè)置為：在一個WiMAX網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域內(nèi)有多個AP基站，AP覆蓋熱點區(qū)域，用戶終端以一定速度在該區(qū)域內(nèi)移動。用戶終端從熱點區(qū)域進入WiMAX區(qū)域(無AP覆蓋)，再由WiMAX區(qū)域(無AP覆蓋)進入另一個熱點區(qū)域。實驗場景如圖2(1)所示。在此過程中，分別采用傳統(tǒng)的基于單因素(信號強度)的判決算法和采用模糊綜合評判算法進行切換判斷。實驗環(huán)境仿真參數(shù)見表1。

圖2 實驗場景及用戶終端起始和目標位置

仿真參數(shù)預(yù)設(shè)值WiMAX覆蓋半徑1 200 mWiFi AP覆蓋半徑50 m用戶終端恒定移動速度3 m/s用戶終端變速移動速度范圍2～6 m/s終端觸發(fā)周期300 ms

采用模糊綜合評判算法進行切換判決過程中，用戶終端周期性地收集網(wǎng)絡(luò)信息，如信號強度、信噪比和自身移動速度，經(jīng)綜合模糊計算得到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)與目標網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)先性級別，當(dāng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先性級別低于目標網(wǎng)絡(luò)時，啟動切換過程，完成網(wǎng)絡(luò)切換。用戶終端從WiFi網(wǎng)絡(luò)進入WiMAX網(wǎng)絡(luò)切換過程和從WiMAX網(wǎng)絡(luò)進入WiFi網(wǎng)絡(luò)切換過程如圖3所示。

本實驗中，設(shè)置用戶終端在設(shè)定范圍內(nèi)以恒定速度和變速兩種情況，從一個熱點區(qū)域(WiFi覆蓋)移出，經(jīng)過WiMAX覆蓋區(qū)域，進入另一個熱點區(qū)域，然后返回到原來位置。移動終端有4個起始位置(P1, P2, P3, P4)，目標位置為P5，如圖2(1)所示。

用戶終端移動路線共有4種，每種路線進行10次實驗，分恒速和變速兩種情況，共得到80組實驗數(shù)據(jù)。再利用NS-2.30的數(shù)據(jù)分析工具，對每一次實驗得到的切換次數(shù)和切換時的帶寬進行統(tǒng)計。切換判決采用傳統(tǒng)單門限切換判決方法和基于模糊綜合切換判決算法。單因素判決算法采用信號強度觸發(fā)切換動作，模糊綜合評判算法的綜合信號強度、信噪比與移動終端速度進行切換動作的觸發(fā)。兩種算法的平均切換次數(shù)和切換時的平均帶寬對比結(jié)果見圖4和圖5。

圖3 垂直切換判決過程

圖4終端恒速移動時平均切換次數(shù)與平均帶寬對比

圖5終端變速移動時平均切換次數(shù)與平均帶寬對比

對比發(fā)現(xiàn)，使用基于模糊綜合切換判決的切換判決方法，能明顯地降低切換次數(shù)，減少“乒乓效應(yīng)”，切換時機較好，能保持用戶帶寬的相對穩(wěn)定。這是因為模糊邏輯本身具有對多個模糊值進行綜合分析處理的能力，能在一定情況下避免或減少當(dāng)兩個網(wǎng)絡(luò)的模糊判決值相近時不必要的切換。與傳統(tǒng)的單門限切換判決方法相比較，模糊綜合切換評判算法可以更加準確地對用戶網(wǎng)絡(luò)進行切換判決。

4 結(jié)論

針對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合切換的多因素綜合決策問題，提出了一種綜合考慮移動終端速度、信號強度、信噪比三個因素的模糊綜合評判算法。與傳統(tǒng)單因素切換判決算法相比，提出的模糊綜合切換算法不僅能較準確地進行切換觸發(fā)和切換判決，而且能明顯減少用戶不必要的切換次數(shù)，降低“乒乓效應(yīng)”，在切換過程中表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。在今后的研究中，本課題組將考慮更多的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)作為切換判決因素，對誤碼率和可用帶寬等切換性能進行更深入的研究。

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