基于效用理論的異構無線網絡選擇

周健，王華勝，張琳琳

(1．蘇州高博軟件技術職業學院，江蘇 蘇州 215163; 2．蘇州大學 智能結構與系統研究所，江蘇 蘇州 215006)

基于效用理論的異構無線網絡選擇

周健1，2，王華勝1，張琳琳1

(1．蘇州高博軟件技術職業學院，江蘇 蘇州 215163; 2．蘇州大學 智能結構與系統研究所，江蘇 蘇州 215006)

在未來的異構無線網絡環境中，為滿足數據業務的需求，移動用戶總希望能夠接入最適合的網絡。針對將實際測量的指標值歸一化后作為決策值中存在的問題，提出了將效用理論應用到多指標算法中，設計了指標在不同業務、終端狀態、用戶類型下的效用函數，并用指標效用替代歸一化測量值作為決策值計算備選網絡的總效用，最后根據總效用值的比較來選擇最優網絡。仿真表明，此算法能夠更好地反映用戶的需求，幫助用戶選擇適合的網絡。

異構無線網絡；效用函數；最優網絡

0 引言

無線接入互聯網和無線多媒體數據業務的巨大需求推動了無線通信技術的快速發展，不同的無線通信技術，如蜂窩通信3G/4G，寬帶無線接入IEEE802．16、IEEE802．20以及短距離通信WLAN、Bluetooth、UWB等為用戶提供了各種不同的服務，各種無線網絡交疊覆蓋，形成了異構無線網絡環境。因此如何讓移動用戶接入最優的網絡，成為異構網絡融合領域的研究熱點之一［1］。

由于異構網絡中各無線網絡的技術指標不同，最優網絡的選擇需要取決于帶寬、延遲、耗電量和價格等多個指標，即使異構網絡中最優網絡的選擇成為一個多指標決策問題。在決策的過程中，大多數文獻將實際測量的指標值歸一化后作為多指標決策算法的決策值［2－7］，但不同的業務(如語音、視頻會議和視頻流等)對網絡的要求是不同的，如對于指標帶寬，語音一般幾十Kb的速度就行，但對于視頻會議是不夠的［8－10］，即將指標的歸一化測量值作為決策值不能反映這一下現象。

考慮到上述原因，采用效用理論來解決問題，針對無線網絡指標的特性，人們已提出了一系列效用函數［11，12］，但并沒有分析不同網絡業務或用戶下的指標效用值。在決策過程中，用指標效用作為決策值，這樣同一指標的相同值對不同的業務或用戶的效用是不同的，即決策值是不同的。同時，考慮到終端多業務的情況，采用群決策算法來確定最終的最優網絡。

1 效用函數

效用是指人們在決策過程中對某商品或服務的滿意程度。在異構網絡選擇中不同的業務對于網絡的要求也是不同的，因此即使是相同的指標，對于不同的業務應該有不同的效用。針對4種業務對帶寬的要求不同，設計了針對4種業務的效用函數，相同的帶寬值對不同業務的效用是不同的，在決策過程中能得到合理的決策值，如圖1所示。同樣，不同的用戶對于使用網絡的代價也是不同的，因此即使是相同的指標，對于不同的用戶應該有不同的效用。針對3種用戶對通信價格的敏感度不同，設計了針對3種用戶的效用函數，相同的通信價格對不同用戶的效用是不同的，在決策過程中能得到合理的決策值，如圖2所示。

終端在不同剩余電量情況下設計了3種效用函數，使終端消耗相同的電量在3種情況下對用戶產生的效用是不同的，在決策過程中能得到合理的決策值，如圖3所示。

圖1 不同業務下帶寬的效用函數

圖2 不同用戶下通信價格的效用函數

圖3 不同剩余電量下耗電量的效用函數

綜上所述，在異構無線網絡選擇過程中，不宜將歸一化的測量值作為決策值，而應該考慮實際情況設計效用函數，從而計算合理的效用值。其他網絡指標類似，不再贅述。

2 系統模型與算法

設R={r1，r2，…rm}表示m個無線網絡構成的備選方案集，V={v1，v2，…vn}為n個網絡判決指標，W={w1，w2，…wn}為n個判決指標的權重，S= {s1，s2，…sk}為終端的k個運行任務，P= {p1，p2，…pk}，為k個任務的權重。

對于不同的任務，指標值的效用是不同的，因此針對k個運行任務s1，s2，…sk構建了判決矩陣U1、U2、…、Uk:

利用簡單加權法(Simple Additive Weighting method，SAW)計算備選網絡的總效用值Um:

根據式(2)，備選網絡的總效用值最大的為最有網絡。

3 仿真結果與分析

設仿真環境中有3種網絡:WLAN、UMTS和WiMAX，選取通信價格(c)、耗電量(e)、帶寬(b)為網絡選擇的判決指標，各指標的取值如表1所示。

終端現有語音(v)、視頻會議(m)和視頻流(s) 3個業務同時在運行，且終端剩余電量為中，用戶賬戶為銀賬戶，則對于語音、視頻會議和視頻流3個業務的決策矩陣分別為:

設3個指標通信價格、耗電量和帶寬的權重為W={wc，we，…wb}={0．3，0．2，0．5}，3個業務語音、視頻會議、視頻流的權重為W={wv，wm，…ws}= {0．5，0．4，0．1}，通過SAW計算3個備選網絡的總效用值:

UWLAN=0．632 6，UUMTS=0．601 5，UWiMAX=0．912 5(4)由式(4)得UWiMAX＞UWLAN＞UUMTS，則最優的網絡為WiAMX。

4 結束語

提出了基于效用理論的無線網絡選擇算法，對于不同的業務、終端狀態、用戶類型設計了不同的效用函數，并將指標效用代替歸一化測量值作為決策值，使決策過程中終端能夠得到合理的決策值。仿真結果表明，此算法能夠更好地反映不同網絡業務、不同用戶等情況下的網絡需求，為終端選擇更加合理的無線網絡作為接入點。

［1］Corici M，Fiedler J，Magedanz T，et al．Access Network Discovery and Selection in the Future Wireless Communication[J]．MobileNetworks and Applications，2011，16 (3):337－349．

［2］劉軍，李曉楠．基于層次分析法的WLAN/蜂窩網絡切換判決算法[J]．通信學報，2013，34(2)，65－72．

［3］石文孝，趙嵩，范紹帥，等．基于多目標決策的異構無線網絡接入選擇算法[J]．吉林大學學報(工學版)，2011，41(3)，795－799．

［4］張鵬，黃開枝，賀曉珺，等．基于組合權重的異構無線網絡選擇算法[J]．系統工程與電子技術，2009，31 (10):2501－2505．

［5］王康，曾志民，馮春燕，等．一種多屬性決策的異構網絡選擇算法[J]．無線電工程，2009，29(1):1－3，35．

［6］王亞楠，馮春燕，夏海輪．基于動態灰色多指標決策的異構網絡選擇[J]．無線電工程，2009，39(11):1－3，40．

［7］周健．基于混合決策值的異構無線網絡選擇算法[J]．無線電通信技術，2014，40(3):10－12，16．

［9］Chamodrakas I，Martakos D．A Utility-based Fuzzy TOPSIS Method for Energy Efficient Network Selection in Heterogeneous Wireless Networks[J]．Applied Soft Computing，2011，11(4)，3734－3743．

［10］Nguyen-Vuong Q，Agoulmine N，Cherkaoui E H，et al．Multicriteria Optimization of Access Selection to Improve the Quality of Experience in Heterogeneous Wireless Access Networks[J]．IEEE Transactions on Vehicular Technology，2013，62(4):1785－1800．

［11］周健．基于終端實時狀態的異構無線網絡選擇[J]．無線電工程，2014，44(7):7－10．

［11］Quoc-Thinh N，Ghamri-Doudane Y，Agoulmine N．On Utility Models for Access Network Selection in Wireless Heterogeneous Networks［C］∥Network Operations and Management Symposium，2008:144－151．

［12］Wang lu-sheng，Kuo geng-sheng．Mathematical Modeling for Network Selection in Heterogeneous Wireless Networks-A Tutorial[J]．IEEE Communications Surveys and Tutorials，2013，15(1)，271－292．

Access Selection Algorithm Based on Utility Theory in Heterogeneous Wireless Network Environment

ZHOU Jian1，2，WANG Hua-sheng1，ZHANG Lin-lin1
(1．Suzhou Global Institute of Software Technology，Suzhou Jiangsu 215163，China; 2．Institute of Intelligent Structure and System，Soochow University，Suzhou Jiangsu 215006，China)

In future heterogeneous wireless network environment，mobile users always want to be able to access the most appropriate network to satisfy the demand of data service．To work out the problem that exists when normalized index value serves as decision value，the utility theory is applied to multi-attribute algorithm，and the utility function of index under different services，terminal states and user types is given，and the normalized index value is replaced by utility value to calculate total utility of alternative network，finally the optimal network is selected by the comparison of total utility value．Simulation shows that this algorithm can better reflect the needs of users，and help choose network suitable for the user．

heterogeneous wireless network;utility function;optimal network

TN 929．5

A

1003－3114(2015)05－19－2

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.05.05

周健，王華勝，張琳琳．基于效用理論的異構無線網絡選擇［J］．無線電通信技術，2015，41(5):19－20，40．

2015－05－11

蘇州高博軟件技術職業學院院級立項課題(GIST2014－11)

周健(1983—)，男，講師/在讀博士研究生，主要研究方向:異構無線網絡關鍵技術。王華勝(1979—)，男，碩士/實驗師，主要研究方向:網絡信息安全。