異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)TOPSIS算法的一種改進(jìn)

張繼榮，苗國防，王文斌

（西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安710121）

異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的接入選擇是目前研究的熱點(diǎn)之一，許多文獻(xiàn)對該問題進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［1］介紹了典型的全球通信系統(tǒng)與無線局域網(wǎng)的融合并引入“乒乓?guī)А钡母拍睿晃墨I(xiàn)［2］提出了基于組合權(quán)重的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)選擇算法；文獻(xiàn)［3］介紹了基于馬爾科夫決策算法的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)選擇算法；文獻(xiàn)［4］從接收功率、帶寬、時(shí)延和代價(jià)4個(gè)判決因子來判斷網(wǎng)絡(luò)的綜合性能，從而做出準(zhǔn)確的接入決策；文獻(xiàn)［5］對用戶在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的選擇行為進(jìn)行建模，構(gòu)建了博弈論分析模型來控制用戶的接入選擇。

異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下傳統(tǒng)的接近理想方案的序數(shù)偏好方法（Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution，TOPSIS）容易引起失序問題，從而給異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下用戶的接入選擇帶來很多麻煩。目前有一些文獻(xiàn)對失序問題提出了改進(jìn)方法，文獻(xiàn)［6］提出了0－1型絕對標(biāo)準(zhǔn)以及兩兩比較法兩種思路并用實(shí)例對提出的改進(jìn)算法進(jìn)行驗(yàn)證；文獻(xiàn)［7］指出了產(chǎn)生失序的原因是正、負(fù)理想解的改變，并提出了引入絕對正、負(fù)理想解的方法；文獻(xiàn)［8］提出了選擇“絕對理想點(diǎn)”的改進(jìn)方法，并給出了相關(guān)證明。但上述方法共同的不足就是只定義了絕對正、負(fù)理想解的存在，而沒有說明絕對正、負(fù)理想解是如何確定的。

針對上述問題，本文通過找出每個(gè)候選網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）［9］參數(shù)的取值范圍，來確定絕對正、負(fù)理想解，從而形成改進(jìn)的方法，并最終通過仿真對改進(jìn)方法的合理性加以驗(yàn)證。

1 構(gòu)建模型分析

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

假定系統(tǒng)環(huán)境構(gòu)成包括覆蓋整個(gè)區(qū)域的通用移動(dòng)通信系統(tǒng)（Universal Mobile Telecommunications System，UMTS）、全球微波互聯(lián)接入（Worldwide Interoperability for Microwave Access，WIMAX）基站和兩個(gè)無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Networks，WLAN）接入點(diǎn)（802.11a和802.11b），其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

1.2 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的選擇

由于在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)選擇中，總是希望選擇低時(shí)延（Delay）、低抖動(dòng)（Jitter）、低丟包率（Packet Loss Rate，PLR）、低資費(fèi)（Cost）的網(wǎng)絡(luò)，故此選取時(shí)延D、抖動(dòng)J、丟包率RPL和資費(fèi)C等四個(gè)屬性作為網(wǎng)絡(luò)選擇的判決參數(shù)。

1.3 業(yè)務(wù)類型分析

不同的業(yè)務(wù)類型所要求的QoS也不相同，主要表現(xiàn)在對時(shí)延、抖動(dòng)和誤碼率的要求不同。根據(jù)業(yè)務(wù)內(nèi)在技術(shù)要求不同，第三代合作伙伴計(jì)劃（The 3rd Generation Partnership Project，3GPP）規(guī)范把業(yè)務(wù)類型分為四大類：會(huì)話類業(yè)務(wù)、流媒體業(yè)務(wù)、互動(dòng)類業(yè)務(wù)和后臺(tái)類業(yè)務(wù)。由于受到四類業(yè)務(wù)自身QoS特征的影響，四種業(yè)務(wù)類型的主流業(yè)務(wù)呈現(xiàn)的特征不同，如表1所示。

表1 3GPP對3G業(yè)務(wù)分類

由表1可知，能夠反映QoS特征的參數(shù)是時(shí)延D、抖動(dòng)J和丟包率RPL，而與資費(fèi)C關(guān)系不大，故此只需選取時(shí)延D、抖動(dòng)J和誤碼率RPL為QoS參數(shù)，而無需考慮資費(fèi)C。

2 絕對正負(fù)理想解的確定

根據(jù)文獻(xiàn)［10］，QoS參數(shù)分為越大越好型和越小越好型，并且把越小越好型參數(shù)的取值求倒數(shù)，得到判決矩陣。因所涉及到的QoS參數(shù)（時(shí)延D、抖動(dòng)J和丟包率RPL）都是越小越好型，故可參照文獻(xiàn)［10］將時(shí)延D、抖動(dòng)J和丟包率RPL的取值求倒數(shù)，進(jìn)而得出判決矩陣。

參照文獻(xiàn)［10］求解正、負(fù)理想解的過程，得到正理想解

負(fù)理想解

其中m指候選網(wǎng)絡(luò)的個(gè)數(shù)，此處取m＝4，而n指決策指標(biāo)的個(gè)數(shù)，此處取n＝4。

由式（1）和式（2）可知，求解正、負(fù)理想解就是求加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣的最大和最小元，而加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣是權(quán)值與決策矩陣標(biāo)準(zhǔn)化后得矩陣乘積形成的矩陣，那么在權(quán)值已經(jīng)求出的情況下（權(quán)值求解過程參照文獻(xiàn)［10］），其實(shí)就是求判決矩陣的最大和最小元，也就是要知道各候選網(wǎng)絡(luò)的QoS參數(shù)的取值范圍。

候選網(wǎng)絡(luò)的QoS參數(shù)設(shè)置［10］如表2所示。

表2 候選網(wǎng)絡(luò)QoS參數(shù)值的取值范圍

由表2可得到各候選網(wǎng)絡(luò)的QoS參數(shù)的取值范圍。因?yàn)闃?gòu)造判決矩陣時(shí)，已經(jīng)將時(shí)延D、抖動(dòng)J和丟包率RPL的取值求倒數(shù)，所以這些參數(shù)已轉(zhuǎn)化為越大越好型。既然求解正、負(fù)理想解的值就是求判決矩陣的最大和最小元，故只需把每個(gè)候選網(wǎng)絡(luò)的QoS參數(shù)的最大值構(gòu)成的矩陣稱為絕對正理想解，把每個(gè)候選網(wǎng)絡(luò)的QoS參數(shù)的最小值構(gòu)成的矩陣稱為絕對負(fù)理想解，則其他正理想解不可能比絕對正理想解更大，負(fù)理想解不可能比絕對負(fù)理想解更小。由于絕對正、負(fù)理想解不會(huì)隨著候選方案的增加或減少發(fā)生改變，因此各個(gè)決策方案距絕對正、負(fù)理想解的距離不會(huì)改變，那么新方案中原有方案的相對接近度不會(huì)改變，則各方案之間的優(yōu)劣順序也不會(huì)改變，這樣就解決了逆序問題。

3 仿真及分析

以減少某個(gè)候選網(wǎng)絡(luò)的情況為例，用來驗(yàn)證改進(jìn)的TOPSIS算法的可行性。針對三種具體的網(wǎng)絡(luò)場景（如圖1）使用MATLAB進(jìn)行模擬仿真。

場景1 用戶終端處于 UMTS、WIMAX、802.11a及802.11b四個(gè)網(wǎng)絡(luò)的重疊覆蓋區(qū)域。

場景2 用戶終端處于UMTS、WIMAX和802.11a（即減少了802.11b網(wǎng)絡(luò)）三個(gè)網(wǎng)絡(luò)的重疊覆蓋區(qū)域。

場景3 用戶終端處于UMTS、WIMAX和802.11b（即減少了802.11a網(wǎng)絡(luò)）三個(gè)網(wǎng)絡(luò)的重疊覆蓋區(qū)域。

每個(gè)場景都采用傳統(tǒng)的TOPSIS算法與改進(jìn)的TOPSIS算法進(jìn)行比較，改進(jìn)的算法利用理想網(wǎng)絡(luò)作為參考網(wǎng)絡(luò)，即采用各候選網(wǎng)絡(luò)中QoS參數(shù)最好的指標(biāo)作為參考值，而傳統(tǒng)的算法采用QoS參數(shù)取值范圍內(nèi)隨機(jī)的指標(biāo)作為參考值。

在場景1情形下，對于傳統(tǒng)的TOPSIS算法，四種業(yè)務(wù)類型的選擇結(jié)果如圖2所示。

圖2 四個(gè)候選網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)TOPSIS網(wǎng)絡(luò)選擇

由圖2可以看出，四種業(yè)務(wù)類型分別選擇了UMTS、WIMAX、802.11a、802.11a，這種選擇是合理的，因?yàn)闀?huì)話類業(yè)務(wù)對時(shí)延和抖動(dòng)都比較敏感，而UMTS時(shí)延和抖動(dòng)都比較小，所以UMTS適合會(huì)話類業(yè)務(wù)的接入；流媒體業(yè)務(wù)對抖動(dòng)比較敏感，對時(shí)延要求不高，而這恰好是WIMAX的特點(diǎn)，因此WIMAX比較適合流媒體業(yè)務(wù)；互動(dòng)類和后臺(tái)類業(yè)務(wù)都屬于非實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)，對誤碼率要求比較高，對時(shí)延和抖動(dòng)要求都不高，并且更傾向選擇資費(fèi)比較低的網(wǎng)絡(luò)，所以最終會(huì)選擇802.11a，由上述分析可知，這種選擇結(jié)果是合理的，所以對于情況一來說，使用傳統(tǒng)的TOPSIS算法完全能夠滿足網(wǎng)絡(luò)選擇需求，無需對傳統(tǒng)算法進(jìn)行改進(jìn)。

在場景2情形下，對于傳統(tǒng)和改進(jìn)TOPSIS算法，四種業(yè)務(wù)類型的選擇結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

圖3 減少802.11b網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)TOPSIS網(wǎng)絡(luò)選擇

圖4 減少802.11b網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)TOPSIS網(wǎng)絡(luò)選擇

由圖3可知，四種業(yè)務(wù)類型選擇的網(wǎng)絡(luò)分別是UMTS、802.11a、802.11a、802.11a，而由圖4可知，四種網(wǎng)絡(luò)分別選擇了 UMTS、WIMAX、802.11a、802.11a，通過對比可以看出這兩種算法只是流媒體業(yè)務(wù)選擇不同，其他三種業(yè)務(wù)類型選擇都相同，那么只需分析流媒體業(yè)務(wù)應(yīng)該選擇哪種網(wǎng)絡(luò)即可，因?yàn)榱髅襟w業(yè)務(wù)對抖動(dòng)比較敏感，對時(shí)延和誤碼率要求都不高，而這恰好是 WIMAX的特點(diǎn)，因此WIMAX更適合流媒體業(yè)務(wù)，由上述分析可知，傳統(tǒng)的TOPSIS算法出現(xiàn)了失序現(xiàn)象，而改進(jìn)的TOPSIS算法選擇結(jié)果合理，避免了失序問題，從而驗(yàn)證了改進(jìn)算法的可行性。

在場景情形下，對于傳統(tǒng)和改進(jìn)的TOPSIS算法，四種業(yè)務(wù)類型的選擇結(jié)果分別如圖5和圖6所示。

圖5 減少802.11a網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)TOPSIS網(wǎng)絡(luò)選擇

圖6 減少802.11a網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)TOPSIS網(wǎng)絡(luò)選擇

由圖5可知，四種業(yè)務(wù)類型的選擇結(jié)果分別是UMTS、802.11b、802.11b、802.11b，而由圖6可知，四種網(wǎng)絡(luò)分別選擇了 UMTS、WIMAX、802.11b、802.11b，通過對比可以看出這兩種算法也只是流媒體業(yè)務(wù)選擇不同，其他三種業(yè)務(wù)類型選擇都相同，那么只需分析流媒體業(yè)務(wù)應(yīng)該選擇哪種網(wǎng)絡(luò)即可，其分析過程與減少802.11b網(wǎng)絡(luò)的情況相同，由上述分析可知，傳統(tǒng)的TOPSIS算法也出現(xiàn)了失序現(xiàn)象，而改進(jìn)的TOPSIS算法選擇結(jié)果合理，進(jìn)一步驗(yàn)證了改進(jìn)算法的可行性。

4 結(jié)語

以異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)為背景，綜合考慮時(shí)延、抖動(dòng)、丟包率及資費(fèi)等參考指標(biāo)，針對一些文獻(xiàn)只是引入了絕對正、負(fù)理想解來解決傳統(tǒng)TOPSIS算法出現(xiàn)的逆序問題，而沒有說明絕對正、負(fù)理想解是如何確定的這一問題，通過在特定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中找出每個(gè)候選網(wǎng)絡(luò)的QoS參數(shù)的取值范圍，最終確定絕對正、負(fù)理想解，從而得到改進(jìn)的方法，并通過最終的仿真驗(yàn)證了改進(jìn)方法的合理性。需要指出的是，本文只是針對四個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行簡單的研究，更多復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的研究將是下一步研究的重點(diǎn)。

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