異構無線網絡接入控制演示平臺的實現

陳　雯， 豐文斌， 廖小飛， 余海翔

(東華大學 a. 數字化紡織服裝技術教育部工程研究中心；b. 信息科學與技術學院，上海 201620)

異構無線網絡接入控制演示平臺的實現

陳雯a， 豐文斌b， 廖小飛a， 余海翔b

(東華大學 a. 數字化紡織服裝技術教育部工程研究中心；b. 信息科學與技術學院，上海 201620)

為優化網絡資源利用和用戶體驗，提出一種基于業務特性和網絡負載的網絡重配置方案.方案選取網絡參數中的優勢決策因子，通過層次分析法構造的效用函數得出網絡優先級，再通過構造負載優化函數最終選擇接入網絡.最后結合實際異構無線網絡環境，運行多種軟硬件技術，設計并實現了運行該接入控制策略的演示平臺，并通過測試驗證了方案的可行性.

異構無線網絡； 接入控制； 演示平臺； 軟硬件技術

當前各種無線接入技術(radio access technologies, RATs)異構共存，蜂窩通信技術(2G/3G/LTE)不斷演進，以無線局域網技術(wireless local area networks, WLAN)為代表的無線寬帶接入技術飛速發展.聯合無線資源管理(joint radio resource management, JRRM)能對異構環境下的無線資源進行管理和控制，實現擴展業務范圍、優化無線資源利用率的目的.JRRM中的聯合會話控制(joint session admission control, JOSAC)，即如何保證用戶在充分利用網絡資源的同時選擇最優的網絡接入，是目前相關工程和科研領域的熱點問題之一.

演示平臺的設計與實現能夠直觀地體現JOSAC對網絡資源的高效利用與最優網絡的選擇效果.文獻[1]提出了一種異構網絡無線資源管理平臺的設計方案，并搭建了試驗系統，但該設計方案側重于宏觀調控異構網絡資源的分布表現，對具體的多模客戶端的接入情況未做詳細闡述.文獻[2]提出一種基于有效重配置策略的多模終端的設計方案，實現了多模客戶端的重構選擇，但方案中未對多媒體業務模塊進行開發，無法演示業務在網絡選擇過程中的性能表現.

網絡選擇接入算法作為演示平臺的核心部分之一，用以實現網絡重構演示.目前主要的網絡選擇接入算法有基于多屬性決策[3]和基于數學模型[4]的選擇接入算法[5].基于多屬性決策因素的選擇算法有如文獻[6]提出的一種在3G/WLAN情景下，根據網絡的狀態信息、用戶偏好、用戶業務特征等參數采用模糊層次分析法進行網絡選擇，但其沒有充分考慮網絡負載均衡，會出現網絡之間負載差距較大的問題.基于數學模型的選擇接入算法存在建模復雜、對硬件要求高、實現困難的特點.文獻[7]提出一種基于模糊神經網絡的選擇接入算法，將信號強度、網絡負載等網絡參數作為神經網絡的訓練數據，但隨請求數目與備選網絡數目的增加，該算法的復雜度劇烈增長，導致網絡選擇效用降低.為兼顧決策因素和減少計算開銷，本文選取對網絡選擇影響較大的優勢決策因子設計網絡選擇接入算法.在異構網絡中，小流量、高速率、廣域移動性的數據業務在3G網絡中表現良好，而流量大、速率高、局域型強的業務適合WLAN網絡.網絡帶寬與網絡負載對宏觀網絡運行影響較大.此外，網絡偏好體現了用戶對網絡的依賴性，引入該屬性可以減少在網絡選擇過程中的乒乓效應.因此，優勢決策因子包括業務類型、網絡偏好、網絡帶寬、網絡可用負載.

綜上所述，本文提出一種基于層次分析法(AHP)和負載均衡控制的網絡重配置(network reconfiguration management, NRM)策略指導業務選擇接入網絡，同時改進并搭建了一種用于模擬真實異構無線網絡環境下多媒體業務選擇網絡接入的演示平臺，旨在優化網絡資源利用率和多媒體業務體驗.其中，層次分析法用于確定優勢決策因子的絕對權重，構造效用函數獲得備選網絡的接入優先級，再由網絡帶寬與網絡負載確定的均衡效用函數確定網絡接入觸發門限，實現最優網絡接入.最后，闡述了NRM策略并介紹了演示平臺軟硬件設計的關鍵技術，并驗證本重配置管理策略的可行性.

1　重配置網絡管理策略

假設用戶處在m個無線網絡重疊覆蓋區域中，當用戶發起多媒體業務(語音通信、網頁瀏覽、視頻播放)接入請求時，將觸發網絡接入選擇機制.本文的重配置策略步驟如下所述.

(1) 異構網絡中對于不同的判決準則，各指標的量綱差異很大，不能直接用于計算.為消除原始屬性值量綱的影響，運用線性刻度轉換的方法對網絡參數進行無量綱化處理，如式(1)所示.

(1)

其中：Bi， Li， Hi分別為網絡i的網絡帶寬、可用負載、網絡偏好的原始屬性值；fBi,fLi,fHi分別為經過無量綱化后的網絡帶寬、可用負載、網絡偏好的指標值；i為當前進行無量綱化處理的網絡；j為備選m個網絡中屬性值最大的網絡.

(2) 針對業務類型，可以將其分為實時業務(語音)和非實時業務(網頁、視頻)，非實時業務具有一定的數據突發性，對網絡帶寬、可用負載要求較高，而實時業務對帶寬、可用負載要求較低.依據 1～9 標度法，屬性越重要，賦值越高的原則，定義非實時業務和實時業務的網絡帶寬B、可用負載L和網絡偏好H的重要性比值分別如表1和2所示.

表1　非實時業務的屬性比值Table 1　Attribute ratio of non real-time business

表2　實時業務的屬性比值Table 2　Attribute ratio of real-time business

(3) 由表1和2構建的非實時業務和實時業務的網絡參數判決矩陣A1和A2，求取判決矩陣A1和A2的最大特征根λmax1和λmax2及所對應的特征向量，歸一化后得到實時業務和非實時業務的絕對權重為ωt和ωnt.

(4) 根據AHP的一致性檢驗方法，計算一致性指標CI，計算式如式(2)所示，查找 1～9 階矩陣的平均值隨機一致性指標RI[8]，計算經過RI調整后的一致性比率CR，計算式如式(3)所示，當CR<0.1 時，判決矩陣的一致性可以接受.

(2)

(3)

(5) 構建效用函數.采用線性加權法將所求得的權重向量與式(1)求得的各參數的屬性值加權，得到復合效用函數如式(4)和(5)，通過比較效用函數值的大小來確定備選網絡接入的優先級.

U(i, t)=ωt·(fBifLifHi)T

(4)

U(i, nt)=ωnt·(fBifLifHi)T

(5)

其中:U(i,t)為網絡i對實時業務的效用函數值；U(i,nt)為網絡i對非實時業務的效用函數值.

(6) 不同類型的業務對網絡負載的增量是不同的，依據各網絡帶寬和業務特性，業務所占網絡帶寬與網絡的容限值可以被量化.為實現業務接入異構網絡間的均衡負載，定義基于網絡負載與網絡帶寬的均衡優化函數如式(6)所示.

(6)

其中：假設新業務接入到網絡之中，則xj為新業務接入網絡i時網絡為j的負載；xi為新業務接入前網絡i的負載；WT,j為網絡j允許接入的最大負載；WT,i為網絡i允許接入的最大負載；ΔL為業務對負載的增量；k為可選網絡的總數.當網絡G值超過預設接入門限Gth時，業務由該G值對應的網絡接入.如果所有網絡都小于門限值，則拒絕該業務請求.

2　系統架構與實現

2.1總體結構設計

本文的演示平臺包括具有多媒體演示功能的多模客戶端和實現網絡重配置管理的NRM服務器.在不改變現有網絡體制結構的前提下，設計以個人計算機(PC)結合多個通信模塊作為硬件開發平臺，以Visual Studio 2008作為軟件開發平臺，通過串口通信、Active控件、網絡API函數、套接字通信等多種軟硬件技術相結合的方法，實現異構網絡間的兼容與協同工作.演示平臺系統的整體模塊結構如圖1所示.

圖1　系統模塊結構Fig.1　System function model structure

客戶端包括數據收發模塊、業務演示模塊和網絡選擇模塊.(1)數據收發模塊: 實現發送業務請求和接收服務器處理結果的功能.依據終端所在網絡不同，信息傳輸媒介分為短信信道和WLAN網絡兩種.(2) 網絡選擇模塊：實現對各個異構網絡的連接與斷開的控制.(3)業務演示模塊：包括實現異構網絡選擇過程中用戶對多媒體業務(語音、網頁、視頻)體驗的3個子業務模塊.NRM服務器包括數據收發模塊和業務處理模塊.數據收發模塊實現接收客戶端的業務請求與反饋決策結果的功能，該模塊同樣支持短信和WLAN網絡兩種傳輸媒介.業務處理模塊包括網絡監測和運行網絡重配置選擇策略的兩個子模塊.

2.2系統架構設計

當前移動終端具有高度集成的特點，無法滿足平臺對系統的定制與擴展要求，因此，本文設計的硬件平臺由PC和多個無線網絡接入模塊組合而成.搭建的網絡接入控制平臺系統架構如圖2所示.客戶終端硬件平臺由一臺PC、一個華為GT9000 GSM通信模塊、兩個華為MC323 CDMA通信模塊、一塊OURLink無線網卡組成.其中客戶端的GSM和CDMA通信模塊通過串口與PC相連接入中國聯通2G/3G網絡.GSM與其中一個CDMA模塊實現語音功能和短信發送功能，另一個CDMA模塊經由PC端設置成調制解調器，通過撥號上網實現高速數據業務.客戶端通過無線網卡接入WLAN網絡中.NRM服務器硬件平臺由一臺PC、一個華為GT9000 GSM模塊、一塊OURLink無線網卡組成.NRM服務器通過GSM模塊接入中國聯通2G網絡;NRM服務器通過無線網卡接入到WLAN網絡中.

圖2　演示平臺硬件架構Fig.2　Hardware architecture of demo platform

2.3客戶端技術實現

客戶端處于WLAN網絡時，通過基于TCP的SOCKET套接字方式與服務器端通信.客戶端處于蜂窩網絡時，微軟基礎類庫(microsoft foundation class, MFC)提供的MSCOMM[10]控件向通信模塊發送與短信有關的AT (attention)命令.該操作可以實現在GSM或CDMA網絡中短信的收發，完成與服務器的通信.關鍵系統函數和變量有：

{intsend(Socket s， const char *buf， int len， int flags);//Socket數據發送函數

intrecv( Socket s， char FAR *buf， int len， int flags );//Socket數據接收函數

void CMscomm::put_Output(VARIANT newValue);//串口數據發送函數

VARIANT CMscomm::get_Input(void);// 串口數據讀取函數

CStringgsmsend= ″AT+CMGS=″;//GSM中短信發送命令

CStringgsmrend=″ AT+CMGR=″；// GSM中短信接收命令

CStringcdmasend=″ AT^HCMGS″;//CDMA中短信發送命令

CStringcdmaread=″AT^HCMGR″;//CDMA中短信接收命令}

對于業務演示模塊，蜂窩網絡中的語音業務通過向串口模塊發送有關撥號的AT命令(GSM中為“ATD”，CDMA中為“AT+CDV”)來控制實現，在WLAN網絡中語音業務則通過調用Win 32中的Wave系列API函數完成語音的采集與播放，并經由Socket完成傳輸.網頁瀏覽與視頻點播是通過調用MFC中的WebBrowser ActiveX插件實現的.對于網絡選擇模塊，MSCOMM控件中的put_PortOpen成員函數控制串口的通斷，進而實現對GSM/CDMA網絡接入選擇；Ras系列API函數[11]實現對于撥號上網的配置和連接控制.Native Wifi系列API函數能夠列出和控制網卡接口上可用無線接入點，并管理無線網絡配置信息.異構網絡的連接控制的關鍵網絡API函數有

{voidCMscomm::put_PortOpen(BOOL newValue);//控制串口的通斷，1代表打開，0代表關閉

DWORD APIENTRY RasDialA ( LPRASDIALEXTENSIONS， LPCSTR，

LPRASDIALPARAMSA， DWORD，LPVOID， LPHRASCONN );//建立一個撥號上網連接

DWORD APIENTRY RasHangUpA( HRASCONN);//關閉一個撥號上網連接

DWORD WINAPI WlanConnect(HANDLE hClientHandle，CONST GUID

*pInterfaceGuid，CONST PWLAN_CONNECTION_PARAMETERS

pConnectionParameters，PVOID pReserved);//連接一個無線網絡

DWORD WINAPI WlanDisconnect(HANDLE hClientHandle，CONST GUID

*pInterfaceGuid，PVOID pReserved);//斷開一個無線網絡}

演示客戶端的工作流程如圖3所示.

圖3　客戶端工作流程圖Fig.3　Operation process chart of demo client

客戶端工作時，支持手動預先接入某一網絡.當用戶主動體驗業務時，客戶端會采集當前所在網絡、網絡覆蓋、業務類型、業務優先級等網絡參數.經過數據編碼后，將其存儲在程序中自定義的結構體STRU_UE_REQUEST中，并寫入log文件備份在本地客戶端.系統將結構體信息封裝成CString類數據，經由當前所處網絡進行發送.演示客戶端程序中，ListenThread線程監聽NRM服務器反饋的重配置網絡結果：MSCOMM控件的OnComm事件函數在短信信道中響應接收;Socket中的recv函數在無線局域網中響應接收.通過網絡API函數控制各網絡的通斷，實現指定網絡的選擇接入，最后在對話框程序中完成功能業務的作業.業務請求數據的結構體定義如下所示：

struct STRU_UE_REQUEST

{CString net_current;//當前網絡 bit5-GSM bit6-CDMA bit7-WLAN

CString net_reconfigurability ;//重配置網絡 bit5-GSM bit6-CDMA bit7-WLAN

int service_type;//業務類型0-VOICE 1-WEB 2-VIDEO

Char BytePreference;//歷史偏好 “1”-非偏好網絡 “2”-偏好網絡

};

2.4服務器技術實現

在NRM服務器的軟件平臺中，數據收發模塊在短信信道或套接字信道接收客戶端的業務請求，并基于相同信道將決策結果反饋回客戶端.依據各網絡帶寬和業務特性，業務所占網絡帶寬與網絡的容限值可以被量化.仿真時，系統在某一時刻各個網絡負載狀況、容限值及業務所占帶寬如表3所示.

表3　網絡負載和業務帶寬Table 3　Network load and service bandwidth

服務器的工作流程如圖4所示.NRM服務器定義的ListenThread線程在兩條信道中監聽到從客戶端發來的業務請求，對收到的CString數據進行解析，把獲取到的網絡參數存儲到服務器的結構體STRUCT_NRM_RECEIVE中，其數據類型與STRU_UE_REQUEST相同.通過SendMessage函數通知給主對話框類，反饋到前端界面部分進行顯示.同時調用第1節中的網絡重配置管理策略所設計的函數，計算出最優網絡并基于當前信道向客戶端發送反饋結果.如果網絡負載閾值未被觸發，則NRM服務器向客戶端發送錯誤報告.最后通過一個消息傳遞函數SendMessage通知給主對話框類，將網絡選擇結果與各網絡負載狀況在界面進行更新.

圖4　服務器工作流程圖Fig.4　Operation process chart of server

3　測試結果

運行演示平臺，由圖5所示的演示客戶端運行圖可以看到，當前演示客戶端可以接入2G/3G/WLAN這3種網絡并預先手動接入3G網絡，用戶在客戶端體驗網頁業務時，按下“sendMessage”按鈕向服務器端發送業務請求.

圖5　演示客戶端截圖Fig.5　Screenshot of demo client

NRM服務器監測到的界面如圖6所示.由圖6可以看出，當前客戶端所在網絡為CDMA，該區域可重配置的網絡有GSM/WLAN，業務請求為WEB型.重配置決策后，NRM服務器將WEB業務接入WLAN網絡，WLAN網絡的負載由1 200 KByte增加到1 264 KByte，客戶端接收到反饋后切換到WLAN網絡.在測試中，客戶端從CDMA網絡切換到輕負載的WLAN過程中，業務運行流暢、用戶體驗表現良好.

圖6　NRM服務器截圖Fig.6　Screenshot of NRM sever

不同時間段內執行不同類型的業務時，各網絡業務流量的變化如圖7所示.由圖7的測試結果可知，本文所論述的方案是可行的.

圖7　業務流量圖Fig.7　Network traffic

4　結　語

本文基于異構網絡中聯合會話控制的設計思想，在現有的異構網絡環境下，通過多種軟硬件技術，設計并搭建了一種異構網絡協同工作的服務平臺，完成多種業務的演示.利用當前中國聯通2G/3G網絡以及WLAN技術，實現對常用多媒體業務的控制與接入，提高網絡利用率與用戶體驗.隨著4G技術的普及應用，集成更多的無線接入技術，并加入更加合理的網絡選擇管理機制可以深化該平臺的實際意義，這也是未來要繼續探討和研究的問題.

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Implementation of Demo Platform Based on an Access Control Scheme in Heterogeneous Wireless Network

CHENWena,FENGWen-binb,LIAOXiao-feia,YUHai-xiangb

(a.Engineering Research Center of Digitized Textile and Fashion Technology, Ministry of Education;b.College of Information Science and Technology, Donghua University, Shanghai 201620, China)

A network reconfiguration management scheme is proposed based on a combination of the characteristics of different network services and network load, which has a significant impact on resource utilization efficiency and QoS satisfaction. The dominant decision factors are selected in the scheme. The scheme is composed of two parts, one is the utility function based on analytic hierarchy process which calculates the priority list of access networks, the other is joint optimization function which decides the final access select network. Lastly, a demo platform of the network reconfiguration management scheme is designed with a variety of hardware and software technologies, considering the real heterogeneous wireless network. Then the feasibility of the scheme is verified through experiment.

heterogeneous wireless network; access control; demo platform; software and hardware technology

1671-0444(2015)03-0335-06

國家自然科學基金資助項目(61201249)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(14D110404)

陳雯(1977—)，女，湖南郴州人，副教授，博士，研究方向為無線網絡的資源管理.E-mail: chenwen@dhu.edu.cn

TP 311.1

A

投稿日期：2014-04-07