基于速度預(yù)測的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換算法①

王良鴻,鄭 華,2,3,4,林宏國,蔡堅(jiān)勇,2,3,4,陳順凡,2,3,4

1(福建師范大學(xué) 光電與信息工程學(xué)院,福州 350007)

2(福建師范大學(xué) 醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福州 350007)

3(福建師范大學(xué) 福建省光子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福州 350007)

4(福建師范大學(xué) 智能光電系統(tǒng)工程研究中心,福州 350007)

基于速度預(yù)測的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換算法①

王良鴻1,鄭 華1,2,3,4,林宏國1,蔡堅(jiān)勇1,2,3,4,陳順凡1,2,3,4

1(福建師范大學(xué) 光電與信息工程學(xué)院,福州 350007)

2(福建師范大學(xué) 醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福州 350007)

3(福建師范大學(xué) 福建省光子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福州 350007)

4(福建師范大學(xué) 智能光電系統(tǒng)工程研究中心,福州 350007)

為高速移動(dòng)的用戶提供一種基于速度預(yù)測的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換算法,使用場景如公路的直線路段.根據(jù)直線道路場景的特點(diǎn),結(jié)合駐留時(shí)間算法設(shè)計(jì)了一種基于速度預(yù)測的垂直切換算法.該算法通過創(chuàng)建速度矩陣以及與速度矩陣相對(duì)應(yīng)的權(quán)重矩陣,經(jīng)過數(shù)學(xué)運(yùn)算,求得下一時(shí)刻的速度和終端的位置,然后結(jié)合傳統(tǒng)算法得到切換判決.由仿真得到,在相同的環(huán)境及可靠的信號(hào)強(qiáng)度下,與經(jīng)典的算法相比較,新算法雖然增加了切換次數(shù),但有效減少了切換延時(shí).

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò);速度預(yù)測;直線路段;切換延時(shí)

目前,異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的垂直切換技術(shù)已經(jīng)取得一定的成果.2006年,IEEE提出802.11標(biāo)準(zhǔn),針對(duì)不同的L2(鏈路層第二層),提出能夠介于L2,L3(鏈路層第三層)的垂直切換標(biāo)準(zhǔn)[1].垂直切換算法實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的切換,但也帶來一些的問題,比如切換次數(shù)和切換延時(shí).為了減少切換次數(shù),PAND提出了基于遲滯電平的網(wǎng)絡(luò)切換機(jī)制,這種機(jī)制基于RSS(Receiving Signal Strength),緩解了乒乓效應(yīng)[2].此后,Buddhikot M提出基于駐留時(shí)間的網(wǎng)絡(luò)切換機(jī)制,將變量改成時(shí)間,在超過閾值信號(hào)量的一段時(shí)間內(nèi)如果信號(hào)量還是高于閾值信號(hào),則進(jìn)行切換[3].但是以上兩種方法設(shè)置的閾值都是靜態(tài)的,會(huì)給當(dāng)前復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)造成切換時(shí)間的延遲.

國內(nèi)專家在這方面的研究比較晚,但是隨著國內(nèi)技術(shù)逐漸成熟,研究成果也越來越多,許多專家開始考慮到速度變化對(duì)切換的影響.劉敏等給出了上述兩種切換機(jī)制的數(shù)學(xué)表達(dá)式,通過數(shù)學(xué)語言能夠比較形象的闡述兩種切換機(jī)制的實(shí)際內(nèi)容[4].劉俠等采用前向差分的方法,對(duì)終端的運(yùn)動(dòng)趨勢進(jìn)行預(yù)判,提高了切換的時(shí)機(jī)和切換的效率[5].張?jiān)卢摰忍岢龌赒oS的資源分配方案,從用戶的角度出發(fā)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的切換[6].夏瑋瑋等人提出一種以信號(hào)強(qiáng)度、終端移動(dòng)速度和網(wǎng)絡(luò)帶寬等綜合因素為判決條件,并且結(jié)合模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的切換機(jī)制,解決了單一判決標(biāo)準(zhǔn)的缺陷[7].石文孝等人針對(duì)負(fù)載狀況考慮不周全的問題,提出了一種基于RBF模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的接入選擇算法[8].范存群等人提出了基于貝葉斯算法的車載網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù),通過計(jì)算得到信號(hào)的接收強(qiáng)度、傳輸速率、誤碼率和網(wǎng)絡(luò)阻塞率以及車輛終端的速度和運(yùn)動(dòng)趨勢等多條件相關(guān)的切換概率分布,避免了乒乓效應(yīng),保證了網(wǎng)絡(luò)及時(shí)更新[9].

傳統(tǒng)的駐留時(shí)間算法在一定程度上降低了乒乓效應(yīng),但也增加切換時(shí)間,由于切換時(shí)間的延長,加上原有基站信號(hào)不斷衰減,可能導(dǎo)致移動(dòng)終端的通信中斷,因此,本文提出一種基于速度預(yù)測的垂直切換算法.

1 基于速度預(yù)測算法的推導(dǎo)

1.1 速度矩陣的構(gòu)建

移動(dòng)終端運(yùn)動(dòng)過程中,對(duì)終端的運(yùn)動(dòng)速度均勻采樣,采樣時(shí)間為t,終端速度記做v,將距離當(dāng)前速度最近的10個(gè)速度的集合記做:

根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn),事件發(fā)生的時(shí)間越靠近,事件之間的相關(guān)系數(shù)就越大,根據(jù)這個(gè)特點(diǎn),本文中速度對(duì)應(yīng)權(quán)重值是按照與當(dāng)前時(shí)間的前后順序分配的[10],本文給出了式(3)、式(4)計(jì)算不同速度下對(duì)應(yīng)的權(quán)重值.

將權(quán)重矩陣與速度矩陣分別相乘,得到預(yù)測的速度[11].

1.2 終端位置預(yù)測與接收信號(hào)強(qiáng)度預(yù)測

本文假設(shè)終端處于直線路段,道路兩邊架有蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)基站,終端在運(yùn)動(dòng)過程中只需考慮速度的大小,無需考慮速度的方向,移動(dòng)終端位置可由公式(6)預(yù)測.

接收信號(hào)的損失包含兩個(gè)方面,一方面來源于距離、另一方面來源于發(fā)射信號(hào)的中心頻率,并呈現(xiàn)對(duì)數(shù)關(guān)系,可用公式(7)計(jì)算[13].

式中,pl表示信號(hào)損失,f為網(wǎng)絡(luò)中心頻率,d為基站與移動(dòng)終端的距離.

根據(jù)接收信號(hào)與發(fā)送信號(hào)的關(guān)系,可以將發(fā)送信號(hào)與傳送過程中的損耗做差值得到下一時(shí)刻接收到的信號(hào)強(qiáng)度,如公式(8)所示:

2 基于速度預(yù)測切換策略

本文的切換策略主要是建立在基于遲滯電平[2]和基于駐留時(shí)間算法[3]的結(jié)合,基于駐留時(shí)間算法的主要思想是:

1)移動(dòng)終端不斷更新當(dāng)前接收到的附近各個(gè)基站的信號(hào)強(qiáng)度;

2)當(dāng)前連接基站與附近基站的信號(hào)強(qiáng)度作比較,若當(dāng)前基站大于附近基站的信號(hào)強(qiáng)度,則不啟動(dòng)定時(shí)器;反之,啟動(dòng)駐留時(shí)間定時(shí)器;

3)當(dāng)定時(shí)器計(jì)時(shí)達(dá)到設(shè)定的時(shí)間且目標(biāo)基站仍然大于當(dāng)前基站的信號(hào)強(qiáng)度時(shí),終端向網(wǎng)絡(luò)端發(fā)送切換請(qǐng)求;否則,不發(fā)送請(qǐng)求;

4)網(wǎng)絡(luò)端向終端發(fā)送切換響應(yīng),終端切換到相應(yīng)的基站.

這種算法能明顯減少切換次數(shù),但是由于定時(shí)器的存在,在切換過程中會(huì)帶來切換延遲,因此本文提出一種可以降低切換延遲的方法.

通過對(duì)終端速度的預(yù)測,進(jìn)而預(yù)測下一時(shí)刻終端位置,計(jì)算終端接收到的下一時(shí)刻各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)強(qiáng)度,然后比較當(dāng)前連接基站與附近基站的信號(hào)強(qiáng)度大小,最后做出切換判決.很明顯這種方法可以在移動(dòng)終端未到達(dá)該位置時(shí),提前預(yù)測終端的位置,然后提前得到判決結(jié)果,且在保證信號(hào)強(qiáng)度能支持可靠通信的同時(shí)讓移動(dòng)終端提前判決.

該方法的算法思想是:

1)移動(dòng)終端不斷更新附近基站的信號(hào)強(qiáng)度;

2)權(quán)重矩陣與速度矩陣相乘得到終端下一時(shí)刻的速度;

3)預(yù)測得到移動(dòng)終端下一時(shí)刻的位置以及信號(hào)接收強(qiáng)度;

4)比較連接基站與附近基站的信號(hào)強(qiáng)度,若預(yù)測的信號(hào)強(qiáng)度大于附近基站的信號(hào)強(qiáng)度,則不啟動(dòng)定時(shí)器;反之,啟動(dòng)駐留時(shí)間定時(shí)器;

5)當(dāng)達(dá)到定時(shí)器設(shè)定的閾值且目標(biāo)基站的信號(hào)強(qiáng)度仍大于當(dāng)前基站的信號(hào),則移動(dòng)終端向網(wǎng)絡(luò)端發(fā)送切換請(qǐng)求;否則,不發(fā)送切換請(qǐng)求;

6)網(wǎng)絡(luò)端向移動(dòng)終端發(fā)送切換響應(yīng),終端切換到相應(yīng)的基站.

根據(jù)上述的算法思想,得到圖1流程圖.

圖1 基于速度預(yù)測的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換算法

3 仿真結(jié)果分析

3.1 仿真環(huán)境的搭建與仿真參數(shù)的設(shè)計(jì)

由于本算法假設(shè)的仿真場景是直線公路,所以在本次環(huán)境搭建中,本文將基站的中心放在一條直線上,并且讓基站的覆蓋半徑有部分重疊,當(dāng)移動(dòng)終端運(yùn)動(dòng)到重疊區(qū)域時(shí),兩個(gè)基站的信號(hào)強(qiáng)度發(fā)生改變,這時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生切換.

本文假設(shè)Wi-Fi基站在移動(dòng)終端左側(cè),LTE基站在右側(cè),移動(dòng)終端從道路的左側(cè)開始直線運(yùn)動(dòng),首先,終端處于Wi-Fi基站的覆蓋范圍下,慢慢靠近LTE基站,所以Wi-Fi基站信號(hào)強(qiáng)度下降而LTE基站信號(hào)強(qiáng)度增強(qiáng),移動(dòng)終端在這種情況下做出切換判決,最后終端越過Wi-Fi的覆蓋范圍,離開LTE基站的范圍時(shí)再折返,這樣運(yùn)動(dòng)300秒.

仿真場景如圖2所示.

圖2 速度預(yù)測算法的仿真場景

仿真參數(shù)對(duì)于實(shí)驗(yàn)的成功與否至關(guān)重要,如果采樣時(shí)間過長就會(huì)削弱本算法對(duì)切換效果的影響;如果采樣的時(shí)間過短,會(huì)導(dǎo)致刷新過快,計(jì)算量加大,增加移動(dòng)終端的工作量.駐留時(shí)間的選取會(huì)影響切換延時(shí),所以本文按照仿真場景分別設(shè)定了Wi-Fi半徑、功率、LTE半徑、功率以及采樣時(shí)間和駐留時(shí)間的參數(shù),如表1所示.

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

3.2 仿真結(jié)果及分析

網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量不僅取決于網(wǎng)絡(luò)的帶寬和負(fù)載,通信的連續(xù)性、通信過程中的等待時(shí)間也需要重點(diǎn)關(guān)注.通信的連續(xù)性是本文實(shí)驗(yàn)的重要指標(biāo).主要分為切換次數(shù)和切換延時(shí)[14].

從圖3可以看出,隨著采樣時(shí)間的推移,移動(dòng)終端接收到Wi-Fi基站的信號(hào)強(qiáng)度在降低,而接收到LTE基站的信號(hào)強(qiáng)度在增強(qiáng).當(dāng)兩者信號(hào)一樣的時(shí)候,代表Wi-Fi接收信號(hào)的帶星號(hào)紅線與代表LTE接收信號(hào)的藍(lán)線會(huì)交叉.這時(shí),基于信號(hào)強(qiáng)度垂直切換算法將把這個(gè)位置作為判決的條件,當(dāng)帶星號(hào)紅線繼續(xù)下降,藍(lán)線繼續(xù)上升時(shí),移動(dòng)終端將連接基站從Wi-Fi切換到LTE,但是在基于駐留時(shí)間算法中,是在藍(lán)線上升一段時(shí)間,紅線下降一段時(shí)間后,且藍(lán)線與紅線的高度差還大于閾值時(shí)才進(jìn)行切換.這樣可以避免終端在臨界位置不斷切換.圖3可以看出在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程中,帶星號(hào)紅線和藍(lán)線有多次的交叉,代表著有多次的切換.

圖3 移動(dòng)終端接收到的信號(hào)強(qiáng)度

圖4 基于駐留時(shí)間算法的切換次數(shù)

圖4 可以看出,基于駐留時(shí)間算法的切換次數(shù)為12次,而圖3中交叉的地方有23個(gè),這說明如果沒有該算法,應(yīng)該發(fā)生23次切換,所以該算法明顯降低了切換的次數(shù).

下面將圖中的時(shí)間較為靠前的8個(gè)點(diǎn)整理在表2中,以便分析.

表2 基于駐留時(shí)間的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)間點(diǎn)

圖5 基于駐留時(shí)間的切換算法的切換時(shí)間

圖6 基于速度預(yù)測的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換次數(shù)

從圖6可知,新算法與駐留時(shí)間算法相比,切換次數(shù)有所增加,但相對(duì)于傳統(tǒng)切換算法的切換次數(shù)降低了兩次,但考慮到本文的應(yīng)用環(huán)境在于公路直線路段,所以移動(dòng)終端在一個(gè)地方徘徊的情況很少出現(xiàn).實(shí)際上,終端切換的次數(shù)少于本次仿真.

取圖6中與圖5中所選取的切換時(shí)間點(diǎn)接近的時(shí)間點(diǎn)并整理得到表3.

圖7 基于速度預(yù)測的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)間

表3 基于速度預(yù)測的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)間點(diǎn)

通過與表2對(duì)比,在保證切換信號(hào)強(qiáng)度的情況下,新算法中有部分切換時(shí)間點(diǎn)比基于駐留時(shí)間算法的有一定提前.比如在基于駐留時(shí)間算法中,從Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)切換到LTE網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間為第28秒,而基于速度預(yù)測的算法在第26秒就提前切換,這是由于速度預(yù)測算法對(duì)下一時(shí)刻位置的信號(hào)強(qiáng)度提前預(yù)測,然后提前切換判決,這樣可以保證移動(dòng)終端盡快離開信號(hào)強(qiáng)度越來越弱的基站,連接到可靠的目標(biāo)基站.

4 結(jié)論

本文利用速度預(yù)測對(duì)終端下一時(shí)刻的移動(dòng)位置進(jìn)行預(yù)測,將得到的預(yù)測位置用于計(jì)算下一時(shí)刻的預(yù)測信號(hào)強(qiáng)度.最后結(jié)合駐留時(shí)間算法,得到切換判決結(jié)果.仿真實(shí)驗(yàn)表明,在相同的仿真條件及可靠信號(hào)強(qiáng)度的前提下,與基于駐留時(shí)間算法比較,新垂直切換算法雖然增加了切換次數(shù),但是總體上減少了切換延時(shí),考慮到本算法的實(shí)際應(yīng)用場景,提前切入信號(hào)更好的網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)橛脩魩砀玫囊苿?dòng)通信體驗(yàn).

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Vertical HandoverAlgorithm Based on Speed Prediction within Heterogeneous Networks

WANG Liang-Hong1,ZHENG Hua1,2,3,4,LIN Hong-Guo1,CAI Jian-Yong1,2,3,4,CHEN Shun-Fan1,2,3,4

1(College of Photonic and Electronic Engineering,Fujian Normal University,Fuzhou 350007,China)
2(Key Laboratory of Optoelectronic Science and Technology for Medicine Ministry of Education,Fujian Normal University,Fuzhou 350007,China)
3(Fujian Provincial Key Laboratory for Photonics Technology,Fujian Normal University,Fuzhou 350007,China)
4(Intelligent Optoelectronic Systems Research Centre,Fujian Normal University,Fuzhou 350007,China)

In this paper,we propose a vertical handover algorithm based on speed prediction for mobility users,such as the scenario of the straight highway.Combining with the dwell time algorithm and the straight road scenario,this paper proposes a handover algorithm based on speed prediction.In this algorithm,speed matrices and the corresponding weight matrices are created.Then through mathematics,the speeds and the next interval position of terminals would be determined.Finally terminals make a handover decision with the dwell time algorithm.The simulation results indicate that,the proposed algorithm would increase the handover times,but effectively reduce the handover latency with the same environment and reliable signal strength,comparing to the traditional dwell time algorithm.

Heterogeneous networks;speed prediction;straight road;latency

2016-06-27;收到修改稿時(shí)間:2016-09-08

10.15888/j.cnki.csa.005717