一種基于多屬性決策理論的改進(jìn)垂直切換算法

陶劍驊, 武向農(nóng), 王　露

(上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院,上海 200234)

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一種基于多屬性決策理論的改進(jìn)垂直切換算法

陶劍驊, 武向農(nóng), 王露

(上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院,上海 200234)

提出一種基于多屬性決策理論的垂直切換算法,并對(duì)異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的4類典型業(yè)務(wù)進(jìn)行了仿真研究.該算法利用層次分析法設(shè)計(jì)雙層層次結(jié)構(gòu),通過(guò)主客觀權(quán)重相結(jié)合解決分配權(quán)重時(shí)過(guò)于主觀的問(wèn)題,同時(shí)結(jié)合利用逼近理想解法來(lái)解決網(wǎng)絡(luò)排序異常的問(wèn)題.仿真結(jié)果表明該算法能夠自適應(yīng)用戶終端設(shè)備的移動(dòng)速度,在保證4類典型業(yè)務(wù)的QoS同時(shí)減少乒乓效應(yīng).

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò); 垂直切換; 多屬性決策; 層次分析法; 逼近理想解法

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合了現(xiàn)有的接入技術(shù),實(shí)現(xiàn)固定IP的全網(wǎng)漫游,無(wú)線廣域網(wǎng)(WWAN)保證了寬廣的通信范圍,但是帶寬較低;無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)提供了高帶寬,但是通信范圍有限.異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵在于將這些不同接入技術(shù)進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),實(shí)現(xiàn)“總是最佳連接”(ABC),其中最具挑戰(zhàn)的是移動(dòng)性管理中的切換決策.

切換決策決定了移動(dòng)終端是繼續(xù)維持當(dāng)前無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò),還是切換到另一個(gè)無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò).現(xiàn)有的基于多屬性決策(MADM)理論的垂直切換算法主要存在以下不足之處:

(1) 決策屬性單一或者不完全.垂直切換的過(guò)程類似于MADM,可以增加或刪減所選取的決策屬性.傳統(tǒng)的切換決策機(jī)制主要是基于接收信號(hào)強(qiáng)度及其擴(kuò)展的加門限[1-2]或者加滯后余量[3]的方法,由于多徑效應(yīng)會(huì)引起信號(hào)的起伏,導(dǎo)致乒乓效應(yīng),所以國(guó)內(nèi)外學(xué)者會(huì)選擇增加以下屬性進(jìn)行完善:信噪比、資費(fèi)、可用帶寬、電量、移動(dòng)速度、用戶偏好、時(shí)延、抖動(dòng)等[4-8].

(2) 決策算法沒(méi)有考慮所有實(shí)際業(yè)務(wù)類型.基于MADM理論的垂直切換算法采用簡(jiǎn)單加權(quán)法[4]、灰色關(guān)聯(lián)分析法[5]、逼近理想解法[6]和層次分析法[7]對(duì)語(yǔ)音業(yè)務(wù)、視頻流業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)選擇[8].通過(guò)總結(jié)得出現(xiàn)有的4類典型業(yè)務(wù)為會(huì)話類、流類、交互類和后臺(tái)類.

針對(duì)以上問(wèn)題,本文作者提出一種基于MADM理論的垂直切換決策算法,目的在于選擇適合4類典型業(yè)務(wù)QoS需求的無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)并且減少乒乓效應(yīng).

1　改進(jìn)的垂直切換決策算法

1.1決策屬性權(quán)重計(jì)算

圖1　改進(jìn)的層次結(jié)構(gòu)模型

層次分析法[9](AHP)是由美國(guó)運(yùn)籌學(xué)和控制學(xué)專家Satty教授在1970年代初創(chuàng)建的.本文作者采用AHP計(jì)算決策屬性的權(quán)重,并且針對(duì)AHP在分配權(quán)重時(shí)過(guò)于主觀的問(wèn)題,在中間層設(shè)計(jì)兩層的層次結(jié)構(gòu),如圖1所示,中間層的第一層計(jì)算客觀權(quán)重值,第二層計(jì)算主觀權(quán)重值,將主客觀權(quán)重綜合考慮得到最終的總權(quán)重值,從而使得切換選擇更為合理.切換判決屬性主要從以下3類中選取[10],分別是網(wǎng)絡(luò)性能(包含接收信號(hào)強(qiáng)度、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、安全性、資費(fèi))、QoS性能(包含時(shí)延、抖動(dòng)、丟包率、帶寬)、移動(dòng)設(shè)備的狀態(tài)(移動(dòng)速度).

AHP的基本步驟如下:

(1) 建立層次結(jié)構(gòu),確定目標(biāo)和決策屬性.

(3) 采用特征根法計(jì)算每個(gè)決策屬性的相對(duì)權(quán)重值.

(1)

式中,λmax是A的最大特征根,w是相對(duì)應(yīng)的特征向量.將w歸一化作為權(quán)重向量.

(4) 一致性檢測(cè).

由于在建立兩兩比較矩陣時(shí)相對(duì)主觀,所以判決誤差不可避免,利用一致性指標(biāo)(CI)和平均隨機(jī)一致性指標(biāo)值(RI)之比,作為一致性檢驗(yàn)判別式,稱作一致性比率(CR)[7].當(dāng)CR<0.1時(shí),則認(rèn)為該判決矩陣通過(guò)一致性檢驗(yàn),否則,需要重新構(gòu)造兩兩比較矩陣.

(2)

CR=CI/RI.

(3)

1.2網(wǎng)絡(luò)排序

逼近理想接法(TOPSIS)是Hwang和Yoon[11]于1981年首次提出的.只通過(guò)TOPSIS進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)排序時(shí),由于無(wú)法獲得合理的權(quán)值,導(dǎo)致在增加或刪除候選網(wǎng)絡(luò)時(shí),正負(fù)理想網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算結(jié)果會(huì)與客觀事實(shí)不一致,使得對(duì)候選網(wǎng)絡(luò)的排序出現(xiàn)異常.但是結(jié)合AHP之后,通過(guò)AHP計(jì)算獲得的權(quán)值可以合理地反映出各個(gè)屬性的權(quán)值,有效避免這一問(wèn)題.

TOPSIS的基本步驟如下:

(4)

其中,A1,A2,…,Am表示備選方案,C1,C2,…,Cn表示決策屬性,用于體現(xiàn)備選方案的性能.決策矩陣D中的每一個(gè)元素dij表示備選網(wǎng)絡(luò)Ai對(duì)應(yīng)決策指標(biāo)Cj的評(píng)價(jià)等級(jí).

(2)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣中對(duì)dij進(jìn)行以下處理:

(5)

(3)加權(quán)歸一化決策矩陣通過(guò)AHP的得到的權(quán)值wj與rij相乘獲得.

(6)

(4)“理想解”A+和“負(fù)理想解”A-定義如下:

(7)

(8)

其中Ib表示效益型屬性集合,Ic表示成本性屬性集合.

(5)計(jì)算各個(gè)備選網(wǎng)絡(luò)與“正負(fù)理想解”網(wǎng)絡(luò)之間的n維Euclid距離.

(9)

(10)

(6)計(jì)算與“理想解”網(wǎng)絡(luò)的相對(duì)親密程度.

(11)

(7)對(duì)Ti進(jìn)行降序排列,選擇最好的候選網(wǎng)絡(luò)作為目標(biāo)切換網(wǎng)絡(luò).

2　仿真和性能分析

2.1仿真環(huán)境參數(shù)

圖2　UMTSWiMAXWLAN所構(gòu)成的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

仿真場(chǎng)景如圖2所示,UMTS基站的通信范圍半徑為3000m,WiMAX基站的通信范圍半徑為1500m,WLAN熱點(diǎn)的通信范圍半徑為100m.UMTS基站與WiMAX基站的距離間隔為500m,WiMAX基站與WLAN熱點(diǎn)的距離間隔為500m.

候選網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)屬性取值范圍如表1所示.

表1　候選網(wǎng)絡(luò)各個(gè)屬性的取值范圍

2.2仿真結(jié)果

根據(jù)AHP算法原理,利用Matlab進(jìn)行仿真,得到如圖3所示的權(quán)重值.圖3(a)為中間層第一層的客觀權(quán)重值,其中接收信號(hào)強(qiáng)度和服務(wù)質(zhì)量是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)選擇時(shí)的重要決策屬性,所以權(quán)值相比較于其他屬性略高;圖3(b)為中間層第二層的主觀權(quán)重值,根據(jù)4類典型業(yè)務(wù)得到的權(quán)重值也不同.總結(jié)圖3(b)可以得出會(huì)話類業(yè)務(wù)對(duì)于時(shí)延和抖動(dòng)等實(shí)時(shí)性屬性的要求比較高;流類業(yè)務(wù)的主要指標(biāo)為抖動(dòng)和丟包率,要求業(yè)務(wù)準(zhǔn)確性較高;交互類業(yè)務(wù)的主要指標(biāo)為帶寬;后臺(tái)類業(yè)務(wù)的主要指標(biāo)為帶寬和丟包率.結(jié)合圖3的主客觀權(quán)重值,計(jì)算得出詳細(xì)的基于四類典型業(yè)務(wù)的決策屬性總體權(quán)重值,如表2所示.

圖3　網(wǎng)絡(luò)屬性權(quán)重

根據(jù)TOPSIS算法原理,利用Matlab對(duì)仿真環(huán)境下四類典型業(yè)務(wù)進(jìn)行切換過(guò)程的仿真,選取終端移動(dòng)速度為1、5、10、20m/s,如圖4所示.當(dāng)終端移動(dòng)速度相對(duì)較低時(shí),會(huì)根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行切換,以此來(lái)滿足用戶的需求;當(dāng)終端移動(dòng)速度相對(duì)較高時(shí),由于停留在某些覆蓋范圍小的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間太短,沒(méi)有必要進(jìn)行切換,如果進(jìn)行切換,反而會(huì)造成終端電量的消耗,并且會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)載.以交互類業(yè)務(wù)為例,終端移動(dòng)速度在1、5、10、20m/s時(shí)的切換次數(shù)分別為8次、8次、4次和2次.傳統(tǒng)的基于接收信號(hào)強(qiáng)度的切換算法在不考慮速度屬性的情況下,每種業(yè)務(wù)均切換6次.

3　結(jié)　論

本文作者結(jié)合層次分析法與逼近理想解法提出一種改進(jìn)的基于多屬性決策理論的垂直切換算法.設(shè)計(jì)兩層的層次結(jié)構(gòu),結(jié)合主客觀權(quán)重解決了僅僅使用一層層次結(jié)構(gòu)在分配權(quán)重時(shí)過(guò)于主觀的問(wèn)題,結(jié)合逼近理想解法解決了只通過(guò)逼近理想解法在對(duì)網(wǎng)絡(luò)排序時(shí)出現(xiàn)的排序異常的問(wèn)題.改進(jìn)算法的目的是為了突出接收信號(hào)強(qiáng)度和用戶滿意度,為每一種業(yè)務(wù)類型選擇最合適的無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò),保證QoS需求并且減少乒乓效應(yīng)進(jìn)行算法設(shè)計(jì).通過(guò)Matlab平臺(tái)對(duì)改進(jìn)算法進(jìn)行仿真,結(jié)果顯示,在低速情況下,終端能夠根據(jù)業(yè)務(wù)的不同特征進(jìn)行切換,雖然切換次數(shù)過(guò)多,但是能夠滿足用戶業(yè)務(wù)需求;在高速情況下,為了減少不必要的切換,減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,切換次數(shù)會(huì)隨速度的增大而減小.仿真分析結(jié)果顯示了所提出算法能夠自適應(yīng)用戶終端設(shè)備的移動(dòng)速度,并且根據(jù)不同業(yè)務(wù)進(jìn)行切換判決.

圖4　終端在不同速度下移動(dòng)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)切換過(guò)程

在本研究的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,速度是精確的,但實(shí)際上同樣的速度如果在WLAN網(wǎng)絡(luò)下定義為快,可能在WWAN網(wǎng)絡(luò)下定義不一定為快,類似的屬性還包括接收信號(hào)強(qiáng)度、終端與接入點(diǎn)之間的距離等.在這種不確定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,也許可以利用通過(guò)模糊邏輯控制來(lái)進(jìn)一步改善垂直切換問(wèn)題.

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(責(zé)任編輯：包震宇)

An improved vertical handoff algorithmbased on multiple attribute decision making

TAO Jianhua, WU Xiangnong, Wang Lu

(CollegeofInformation,MechanicalandElectricalEngineering,ShanghaiNormalUniversity,Shanghai200234,China)

Inthispaperweproposeanverticalhandoffalgorithmbasedonmultipleattributesdecisionmakingtheory,andsimulatiethefourtypesoftypicalbusinessofheterogeneouswirelessnetwork.TheproposedalgorithmuseAHPtodesigntwolayersofstructure,throughthecombinationofsubjectiveandobjectiveweightsinordertosolvingtheproblemaboutweightsassignedtoosubjective.ThentheproposedalgorithmcombineswithTOPSIStosolvetheproblemwhenmakingdecisiononlybyasingleTOPSIS,whichmayresultinnetworksabnormalrank.Thesimulationresultsshowthattheimprovedalgorithmcanbeadaptivelyfitthespeedofuserterminal.InthepremiseofguaranteeQoSoffourtypesoftypicalbusiness,atthesametimereducetheping-pangeffect.

heterogeneousnetworks;verticalhandoff;multipleattributedecisionmaking;AHP;TOPSIS

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2016.04.011

2015-03-29

上海市自然科學(xué)基金(13ZR1430400);上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新項(xiàng)目(14YZ070)

武向農(nóng),中國(guó)上海市桂林路100號(hào),上海師范大學(xué)信息與機(jī)電工程學(xué)院,郵編:200234,E-mail:xnwu@shnu.edu.cn

TN929.5

A

1000-5137(2016)04-0458-06