摘 要：為了指導(dǎo)移動(dòng)用戶在B3G的異構(gòu)系統(tǒng)中選擇一個(gè)最優(yōu)的無線網(wǎng)絡(luò)接入，提出了基于決策概率的接入網(wǎng)絡(luò)選擇算法。該決策概率綜合考慮了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量（QoS）的滿意度、網(wǎng)絡(luò)的收費(fèi)價(jià)格和用戶與網(wǎng)絡(luò)間的相對(duì)鏈路質(zhì)量。在NS2仿真平臺(tái)下，搭建了UMTS和802.11e的異構(gòu)仿真環(huán)境并模擬了用戶依據(jù)決策概率所進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)選擇行為。仿真表明，通過所提出的算法，終端能夠選擇到滿意的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行接入。



關(guān)鍵詞：接入網(wǎng)選擇；決策概率；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；NS2仿真

中圖分類號(hào)：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)09-031-04

Arbitration Probability-based Access Selection Algorithm



CHEN Jie，YU Kai，ZHANG Ping

(Wireless Technology Institute，Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing，100876，China)



Abstract：In order to direct subscribers to select the most suitable radio access network in B3G heterogeneous network environment，a network selection algorithm based on arbitration probability is proposed.Arbitration probability takes network provided Quality of Service(QoS) satisfaction level，monetary cost，and relative link quality into account.The heterogeneous network environment consisting of UMTS and 802.11e is established under NS2 platform.Simulation results exhibit the behavior of users′ network selection.The simulation results show that terminals access the most satisfactory network based on the proposed access selection algorithm.



Keywords：access selection;arbitration probability;heterogeneous wireless data network;NS2 simulation

在異構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，使用多模或變模終端的用戶更傾向于選擇最合適的接入技術(shù)來承載業(yè)務(wù)。但如何在眾多無線接入技術(shù)中選擇一個(gè)最合適的接入技術(shù)是一個(gè)有待研究的問題?，F(xiàn)有文獻(xiàn)提出的相關(guān)解決方法，如隨機(jī)選擇算法、高帶寬優(yōu)先選擇算法、基于模糊邏輯的算法^[1]以及基于層次分析法和灰度關(guān)聯(lián)法^[2]等，都忽略了用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)所提供業(yè)務(wù)質(zhì)量的滿意度。此外，實(shí)際中的用戶將考慮服務(wù)質(zhì)量和價(jià)格雙方面因素。基于上述原因，在綜合考慮用戶對(duì)服務(wù)質(zhì)量滿意度、價(jià)格、相對(duì)鏈路質(zhì)量等因素的基礎(chǔ)上提出了決策概率的概念。決策概率從數(shù)學(xué)上描述了用戶愿意選擇某網(wǎng)絡(luò)的程度。

1 決策概率

為了能用數(shù)學(xué)方法描述用戶對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)提供的QoS的滿意程度，首先引入滿意度函數(shù)概念。用函數(shù)S(b)表示用戶的滿意度，他實(shí)際上是將服務(wù)質(zhì)量相關(guān)的參數(shù)映射到實(shí)數(shù)域。在一個(gè)由M個(gè)異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)組成的系統(tǒng)中，用向量[WTHX]b[WTBX]=(b1，…，bM)表示這M個(gè)網(wǎng)絡(luò)為用戶提供服務(wù)的QoS參數(shù)。因此，若用戶使用不同網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)，將會(huì)有不同的QoS體驗(yàn)，而這種不同的QoS體驗(yàn)則會(huì)對(duì)應(yīng)不同QoS滿意度。不失一般性地，以網(wǎng)絡(luò)j為例，用戶對(duì)該網(wǎng)絡(luò)提供的服務(wù)的滿意度應(yīng)滿足下列條件：



sj(b)bj≥0， sj(b)bi≤0 (i≠j)，

limbj→∞sj(b)=l

(1)



其中l是正的常數(shù)。上式中的最后一個(gè)條件反映了QoS參數(shù)超出一定范圍后，用戶對(duì)QoS參數(shù)的提升將不再敏感，進(jìn)而用戶不會(huì)再因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的提升而增加其滿意度。

在本文中，服務(wù)質(zhì)量以網(wǎng)絡(luò)接入帶寬為例，但所提出的滿意度概念可廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)所提供的其他QoS參數(shù)，而不僅限于接入帶寬。

事實(shí)上，用戶的滿意度行為與用戶所使用的業(yè)務(wù)類型有關(guān)。對(duì)最簡單的業(yè)務(wù)，如話音業(yè)務(wù)，一般認(rèn)為用戶滿意度只有兩個(gè)值，分別是完全滿意和完全不滿意。而對(duì)于下一代基于分組的多媒體業(yè)務(wù)而言，這種僅考慮兩個(gè)離散值的滿意度將不再適用。出于對(duì)這類業(yè)務(wù)的考慮，采用連續(xù)函數(shù)對(duì)用戶滿意度進(jìn)行建模。

其次，如果價(jià)格變化，用戶對(duì)業(yè)務(wù)的感知情況不可能不發(fā)生變化。

前文中，用戶滿意度是QoS的函數(shù)。這里，價(jià)格同樣表示為QoS的函數(shù)。根據(jù)上下文的內(nèi)容，這里所說的QoS參數(shù)是網(wǎng)絡(luò)提供的接入帶寬。一般而言，網(wǎng)絡(luò)j提供的服務(wù)的價(jià)格pj(bj)，只與網(wǎng)絡(luò)j分配給用戶的接入帶寬有關(guān)。與滿意度函數(shù)類似，價(jià)格函數(shù)應(yīng)滿足下面這個(gè)條件：



dpj(bj)dbj≥0

(2)



此外，除了滿意度和價(jià)格，用戶在選擇網(wǎng)絡(luò)時(shí)還應(yīng)考慮與網(wǎng)絡(luò)間相對(duì)通信鏈路質(zhì)量。用δj表示終端與網(wǎng)絡(luò)j的接入點(diǎn)間的相對(duì)通信鏈路質(zhì)量值。該參數(shù)值由用戶與網(wǎng)絡(luò)j間通信鏈路質(zhì)量和用戶與其他網(wǎng)絡(luò)間通信鏈路質(zhì)量共同決定。δj應(yīng)滿足下列條件：



δjqj>0， δjqi<0，(i≠j)

(3)



其中，qi表示用戶與網(wǎng)絡(luò)i間的通信鏈路質(zhì)量。值得注意的是，不同的用戶將檢測(cè)到不同的相對(duì)鏈路質(zhì)量（δj）值。從δj的定義可知，該值越大，則用戶與網(wǎng)絡(luò)j間的相對(duì)通信鏈路質(zhì)量越好。

實(shí)際上，只有當(dāng)服務(wù)質(zhì)量和價(jià)格都是在可接受的情況下，用戶才可能對(duì)網(wǎng)絡(luò)所提供的業(yè)務(wù)表示滿意。只有當(dāng)終端與網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)間的相對(duì)通信鏈路質(zhì)量較好時(shí)，用戶才可能與網(wǎng)絡(luò)建立連接。綜合考慮這三個(gè)因素，提出決策概率的概念。用決策概率表示用戶接受網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的或然率。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)j，定義決策概率為：Aj(sj，pj，δj)，該值反映用戶決策使用網(wǎng)絡(luò)j的服務(wù)的概率值。事實(shí)上，該值隨QoS滿意度和相對(duì)鏈路質(zhì)量的增加而增加、隨價(jià)格的增加而減小，即Aj(sj，pj，δj)滿足：

(8)

其中，C，μ，ε，是正值常數(shù)，而pmax是價(jià)格的最大值。實(shí)際上，由于系統(tǒng)容量等的限制，網(wǎng)絡(luò)為用戶提供的接入帶寬不是無限大，因此，網(wǎng)絡(luò)的收費(fèi)也不會(huì)是無限大。所以存在價(jià)格的最大值，且滿足pmax<∞。所選的函數(shù)形式也與廣泛用于經(jīng)濟(jì)學(xué)中的Cobb-Douglas要求曲線^[3]有一定關(guān)系。事實(shí)上，決策概率Aj(sj，pj，δj)可以是任何一個(gè)滿足條件式(4)-式(7)的函數(shù)，即文中所得到的結(jié)論并不限于式(8)的特殊形式。

2 網(wǎng)絡(luò)選擇算法

如前文所述，下一代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，多個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)覆蓋同一地區(qū)將是一個(gè)很普遍的現(xiàn)象。不同的網(wǎng)絡(luò)為用戶提供不同的接入帶寬以滿足用戶各種需求。而對(duì)于那些位于多網(wǎng)絡(luò)重疊覆蓋區(qū)域的用戶，有理由相信他們能夠且需要在這眾多網(wǎng)絡(luò)中選擇最適宜的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行接入。多模、變模技術(shù)使移動(dòng)終端有能力進(jìn)行異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的接入選擇，而提出的接入網(wǎng)絡(luò)選擇算法則用于移動(dòng)終端選擇一個(gè)最合適的無線接入網(wǎng)絡(luò)。多個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通過廣播消息，向用戶廣播其接入帶寬。移動(dòng)終端在收到該廣播消息的基礎(chǔ)上通過計(jì)算所提出的決策概率的值，從而決定哪個(gè)網(wǎng)絡(luò)最適宜接入。

進(jìn)一步，在描述用戶對(duì)QoS的感知時(shí)一般比較通用的函數(shù)形式是S形曲線函數(shù)^[4]。因此，本文提出的滿意度函數(shù)也同樣采用S形曲線。在綜合考慮所有網(wǎng)絡(luò)提供的QoS參數(shù)后，用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)j提供服務(wù)的滿意度可表示為如下形式：



sj(b)=bj1M－1#8226;∑i≠jbi+Kυ

1+bj1M－1#8226;∑i≠jbi+Kυ

(9)



其中，υ ≥ 2；K是可調(diào)整的參數(shù)，通過他區(qū)分不同用戶的滿意度；M表示用戶可收集到M個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信息。這里假設(shè)用戶的滿意度對(duì)其上限做了歸一化處理，即隨著bj的增大，滿意度漸進(jìn)于1。

對(duì)于價(jià)格的考慮，有很多文獻(xiàn)提出了不同的定價(jià)方案^[5，6]，但到目前為止，這些定價(jià)策略的可行性有待進(jìn)一步研究。因此，為了使本文中所提出的接入網(wǎng)絡(luò)選擇算法在實(shí)現(xiàn)時(shí)更易操作，本文采用價(jià)格與接入帶寬呈線性關(guān)系的定價(jià)策略，依據(jù)此策略網(wǎng)絡(luò)j的定價(jià)為：



pj(bj)k#8226;bj

(10)



其中k是一正值常數(shù)，bj為網(wǎng)絡(luò)j為用戶提供的接入帶寬。

對(duì)于相對(duì)鏈路質(zhì)量，反映的是用戶與各網(wǎng)絡(luò)間通信條件的好壞情況。這里的通信條件應(yīng)該是各異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間可相互比較的參數(shù)。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，由于使用的物理層的技術(shù)各不相同，因此在同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)常使用的信號(hào)強(qiáng)度不再適用于做通信條件的衡量標(biāo)準(zhǔn)。為此，采用相對(duì)公平的誤碼率（BER）或誤幀率（FER）做相對(duì)鏈路質(zhì)量的衡量參數(shù)。定義用戶與網(wǎng)絡(luò)j間相對(duì)鏈路質(zhì)量為：



δj1－BERj∑Mi=1(1－BERi)

(11)



其中M表示終端可采集到M個(gè)網(wǎng)絡(luò)的誤碼率（誤幀率）信息，而BERj表示終端檢測(cè)到的來自于網(wǎng)絡(luò)j的數(shù)據(jù)的誤碼率（誤幀率）。由式(11)可知相對(duì)鏈路質(zhì)量δj的取值范圍為［0，1］。

值得注意的是，式(9)和式(10)所定義的滿意度和價(jià)格可在終端接收到網(wǎng)絡(luò)廣播的接入帶寬信息后計(jì)算而得，而公式定義的第三個(gè)參數(shù)相對(duì)鏈路質(zhì)量δj，則可由終端對(duì)收到的廣播信息進(jìn)行測(cè)量而得。由此，根據(jù)式(8)的定義，終端可以計(jì)算出是否接受網(wǎng)絡(luò)j提供服務(wù)的決策概率Aj(sj，pj，δj)。綜上所述，提出終端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)選擇的算法：當(dāng)終端在選擇要使用哪個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的資源時(shí)，首先計(jì)算接受各無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的決策概率，之后選擇具有最大決策概率值的網(wǎng)絡(luò)接入。具體而言，終端的網(wǎng)絡(luò)選擇算法可用下列偽碼描述：

(1) Set the initial candidate network list listcandidate = 1，and initial arbitration probability Aaccept = 0.Let M be the maximum number of networks whose information are collected by the user.Also let k=1.

(2) For all k such that k≤N

(a) Given bk and measured relative link quality of network k，compute the arbitration probability for network k Ak = Ak(sk，pk，δk)

(b) IF (Aaccept<Ak) THEN

(i) Set Aaccept =Ak，

(ii) Set listcandidate=k

ELSE IF (Aaccept==Ak) THEN

(i) Append candidate list (i.e.listcandidate) with k

(3) At this time，the index of network should be selected randomly in the list listcandidate.

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與仿真結(jié)果

本節(jié)給出基于決策概率的網(wǎng)絡(luò)選擇算法實(shí)現(xiàn)方案框圖和基于此方案在NS2^[7]環(huán)境下完成的仿真結(jié)果。

圖1是針對(duì)多模終端所設(shè)計(jì)的可以完成基于決策概率的網(wǎng)絡(luò)選擇算法的體系結(jié)構(gòu)。

圖1 基于決策概率的網(wǎng)絡(luò)接入選擇系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

在該體系結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)選擇模塊負(fù)責(zé)通過網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)接口規(guī)范（NIDS）設(shè)備接口采集網(wǎng)絡(luò)信息并進(jìn)行存儲(chǔ)。NIDS設(shè)備用于操作所有網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)需要建立業(yè)務(wù)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)選擇模塊根據(jù)存儲(chǔ)的各網(wǎng)絡(luò)信息按本文提出的算法選擇最合適的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行接入，同時(shí)設(shè)置位于NIDS中的用戶數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接口轉(zhuǎn)發(fā)模塊，使用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)從選定的網(wǎng)絡(luò)接口中發(fā)送。

為驗(yàn)證所提出的網(wǎng)絡(luò)選擇算法，基于圖1的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)在NS2平臺(tái)下搭建了異構(gòu)仿真環(huán)境。仿真環(huán)境如圖2所示，包括一個(gè)UMTS網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)802.11e的WLAN網(wǎng)絡(luò)。用戶位于UMTS網(wǎng)絡(luò)與WLAN網(wǎng)絡(luò)的重疊覆蓋區(qū)域。

圖2 仿真場(chǎng)景

這里所采用的WLAN技術(shù)是提供QoS保證并可以進(jìn)行速率控制。同時(shí)，UMTS網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)都有足夠容量為有限的用戶提供數(shù)據(jù)服務(wù)，且這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)為用戶提供的數(shù)據(jù)服務(wù)的接入帶寬分別為2個(gè)單位和6個(gè)單位。在該仿真場(chǎng)景中UMTS的Node B和WLAN的AP負(fù)責(zé)周期廣播其接入帶寬，而用戶隨機(jī)的發(fā)起數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)并在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)中選擇最優(yōu)的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)建立業(yè)務(wù)連接。具體仿真參數(shù)如表1所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)選擇算法仿真參數(shù)列表

在圖2的仿真場(chǎng)景中，安排用戶在10 s開始從遠(yuǎn)離WLAN的AP位置緩慢向WLAN的AP移動(dòng)；在100 s附近開始從接近WLAN AP的位置開始以相同速度遠(yuǎn)離該AP。圖3是根據(jù)以上設(shè)置完成的仿真結(jié)果。該圖反映用戶在接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)決策概率值的變化情況。最初，由于移動(dòng)臺(tái)距離WLAN的AP較遠(yuǎn)導(dǎo)致信號(hào)比較弱，相對(duì)鏈路質(zhì)量差，因而選擇UMTS的決策概率較大。隨著移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)，WLAN的信號(hào)逐漸增強(qiáng)使得UMTS網(wǎng)絡(luò)的相對(duì)鏈路質(zhì)量變差。在綜合考慮WLAN提供的接入帶寬、價(jià)格、相對(duì)鏈路質(zhì)量后，用戶選擇WLAN的決策概率大于選擇UMTS的決策概率，因此WLAN覆蓋的絕大多數(shù)地區(qū)，移動(dòng)終端總會(huì)選擇WLAN做接入。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)離WLAN的AP較遠(yuǎn)時(shí)，選擇UMTS的決策概率才會(huì)逐漸回升。

圖3 移動(dòng)終端選擇網(wǎng)絡(luò)時(shí)決策概率仿真結(jié)果

值得注意的是，盡管仿真中僅涉及到兩個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，但所提出的接入網(wǎng)選擇算法并不限于兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié) 語

下一代無線系統(tǒng)的特點(diǎn)是各種異構(gòu)的無線接入網(wǎng)絡(luò)相互合作、補(bǔ)充，共同為用戶提供數(shù)據(jù)服務(wù)。隨著技術(shù)的發(fā)展，首先將是多模終端的出現(xiàn)，使終端擺脫了只能與一個(gè)接入網(wǎng)絡(luò)建立連接的束縛。繼而SDR技術(shù)、端到端重配置技術(shù)使移動(dòng)終端終將發(fā)展為可變模的智能設(shè)備。在這種情況下，終端有能力而且有必要從眾多的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中挑選最合適的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)與之建立數(shù)據(jù)連接。本文正是基于此，提出決策概率的概念，使用戶能挑選出最合適的接入網(wǎng)絡(luò)。決策概率同時(shí)考慮了用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)提供的QoS的滿意程度、價(jià)格因素和用戶與網(wǎng)絡(luò)間相對(duì)鏈路質(zhì)量三個(gè)方

面因素?；诖藳Q策概率，提出了移動(dòng)終端側(cè)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)選擇的算法。通過在NS2平臺(tái)上建立仿真場(chǎng)景并執(zhí)行一系列的試驗(yàn)，驗(yàn)證了提出的用戶接入網(wǎng)絡(luò)選擇算法。同時(shí)，文中也給出了移動(dòng)終端在面對(duì)UMTS和WLAN兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)的決策概率變化情況。

目前，我們也正在對(duì)基于決策概率的用戶網(wǎng)絡(luò)選擇算法進(jìn)行擴(kuò)展，增加網(wǎng)絡(luò)調(diào)控部分，使網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)調(diào)整其QoS參數(shù)，通過影響用戶網(wǎng)絡(luò)選擇行為而同時(shí)達(dá)到網(wǎng)絡(luò)收益最大和負(fù)載均衡的目的。

參 考 文 獻(xiàn)

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［7］UCB/LBNL/VINT network simulator-ns(version 2).http://www-mash.cs.berkeley.edu/ns/.

作者簡介 陳 杰 男，1980年出生，北京郵電大學(xué)博士研究生。主要研究方向?yàn)槲磥硪苿?dòng)通信先進(jìn)技術(shù)。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。