凌毓?jié)妆卷?，吳建斌，瞿少?/p>

（1.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北武漢 430072； 2.華中師范大學(xué)信息技術(shù)系，湖北武漢 430079）

為適應(yīng)用戶隨時(shí)隨地接入網(wǎng)絡(luò)獲取服務(wù)的需求，各種無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)，如UMTS，WLAN和WiMAX等正不斷融合和發(fā)展，它們一起構(gòu)成了泛在、異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境.但這些網(wǎng)絡(luò)在覆蓋范圍、帶寬和資費(fèi)等方面存在差異，其適用的場(chǎng)景各有側(cè)重，如：WLAN適合在商場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)等覆蓋范圍較小的“熱點(diǎn)”區(qū)域提供較高的傳輸速率，而UMTS則在較大的覆蓋范圍內(nèi)提供較低的傳輸速率.為保證移動(dòng)終端獲得良好的服務(wù)質(zhì)量，應(yīng)采用合理的決策方法，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)間透明、無(wú)縫的垂直切換.

鑒于此，本文提出了一種新的垂直切換決策算法.該算法使用RSS及其累積量作為切換觸發(fā)條件，避免了頻繁的觸發(fā)切換；并且利用基于模糊理論的量化決策方法，綜合考慮了網(wǎng)絡(luò)端和用戶端的相關(guān)因素進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)選擇，在提高切換準(zhǔn)確度、避免不必要的切換和減少信令開銷的同時(shí)，降低了算法的復(fù)雜度，同時(shí)滿足了網(wǎng)絡(luò)和用戶的需求.

1 系統(tǒng)模型

在異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，由于用戶的移動(dòng)，終端會(huì)從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，為保持會(huì)話的連續(xù)性，需要采用切換技術(shù).如果這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的類型不同，那么移動(dòng)終端將進(jìn)行垂直切換；反之，則進(jìn)行水平切換，本文重點(diǎn)討論的是垂直切換.對(duì)于處于網(wǎng)絡(luò)重疊覆蓋區(qū)域內(nèi)的終端，將有多個(gè)接入網(wǎng)可供選擇.由于在實(shí)際場(chǎng)景中，UMTS和WLAN所構(gòu)成的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有代表性，為了便于進(jìn)行定量仿真分析，不失一般性，假定異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括一個(gè)UMTS和若干WLAN接入網(wǎng)絡(luò)，UMTS覆蓋整個(gè)區(qū)域范圍，而WLAN則處于UMTS的覆蓋范圍內(nèi)，其模型如圖1所示，該模型可以很容易地?cái)U(kuò)展到具有更多種無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)景.

圖1 異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型Fig.1 Heterogeneous wireless networks system model

計(jì)算移動(dòng)終端在不同類型網(wǎng)絡(luò)中的RSS所用到的信道傳播模型不同.在UMTS中，如果終端和基站之間的距離為d，則RSSUMTS（d）［8］為：

式中：Pt是發(fā)射功率；PL（d）是在傳輸距離為d處的路徑損耗；Xσ表示陰影效應(yīng)，它是一個(gè)均值為零、標(biāo)準(zhǔn)差為σ的高斯隨機(jī)變量，而σ根據(jù)環(huán)境取值為6～12dB.

式中：S是由傳輸環(huán)境決定的路徑損耗常數(shù)，單位為dBm；n是路徑損耗指數(shù)，表示路徑損耗隨距離增長(zhǎng)的速率，取值范圍為2～4.

在WLAN中，計(jì)算RSS的傳播模型［8］為：

式中：γ表示傳輸?shù)沫h(huán)境因子.

2 算法描述

2.1 基于終端控制的切換

在2G和3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，采用的是移動(dòng)終端輔助網(wǎng)絡(luò)控制的切換方式，通過(guò)移動(dòng)終端向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送測(cè)量報(bào)告，然后由網(wǎng)絡(luò)根據(jù)這些測(cè)量結(jié)果來(lái)做出切換決策.這種方式更多地考慮網(wǎng)絡(luò)資源的利用率和系統(tǒng)負(fù)載均衡等方面的問(wèn)題，而對(duì)用戶端方面考慮較少.然而在異構(gòu)環(huán)境中，為了給用戶選擇最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)，除了考慮網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，還需要考慮應(yīng)用的需求、移動(dòng)終端的狀態(tài)以及用戶偏好等方面的因素，特別是當(dāng)用戶數(shù)量很大時(shí)，這些信息通過(guò)信令發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)會(huì)大大增加系統(tǒng)的信令開銷和時(shí)延.鑒于移動(dòng)終端的計(jì)算能力越來(lái)越強(qiáng)大，可以將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理開銷分布到各個(gè)終端，而且終端也更容易獲取電池電量、用戶偏好和相鄰接入網(wǎng)狀態(tài)等方面的信息.因此，本文采用由終端控制的切換方式.

基于終端控制的切換主要由3個(gè)功能模塊組成：網(wǎng)絡(luò)接口管理模塊、用戶數(shù)據(jù)庫(kù)模塊和切換管理模塊，如圖2所示.

圖2 終端控制的切換框架Fig.2 Terminal－controlled handoff framework

網(wǎng)絡(luò)接口管理模塊：該模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)接口的有效管理，如：監(jiān)測(cè)接口的狀態(tài)、收集接口的測(cè)量信息等.

用戶數(shù)據(jù)庫(kù)模塊：該模塊提供圖形用戶接口讓用戶可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)選擇中需要考慮的指標(biāo)進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)對(duì)切換失敗或QoS較差的接入網(wǎng)進(jìn)行記錄，降低其被選擇的優(yōu)先等級(jí).

切換管理模塊：垂直切換過(guò)程可分為3個(gè)階段，接入網(wǎng)發(fā)現(xiàn)、切換決策和切換執(zhí)行.因此，切換管理模塊包括以下3個(gè)子模塊：

1）接入網(wǎng)發(fā)現(xiàn)子模塊：根據(jù)收集到的信息及時(shí)發(fā)現(xiàn)附近的可用接入網(wǎng).

2）切換決策子模塊：包括2部分，首先決定是否需要發(fā)起切換，以及確定切換的候選網(wǎng)絡(luò)；其次，根據(jù)切換準(zhǔn)則從可用網(wǎng)絡(luò)中選擇最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)作為切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，即接入網(wǎng)選擇.

3）切換執(zhí)行子模塊：通過(guò)某些垂直切換支持協(xié)議完成切換的實(shí)施過(guò)程，將正在進(jìn)行的通信會(huì)話從切換前網(wǎng)絡(luò)中的接入點(diǎn)轉(zhuǎn)移至目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中的新接入點(diǎn).

2.2 切換觸發(fā)機(jī)制

為了避免由于乒乓效應(yīng)所導(dǎo)致的頻繁切換，本算法引入了切換計(jì)時(shí)器，以RSSWLAN及其累積量作為切換觸發(fā)的判決條件，分為以下2種情況：

1）若移動(dòng)終端處于UMTS狀態(tài)，其切換過(guò)程的算法描述見(jiàn)表1.經(jīng)過(guò)掃描，如果移動(dòng)終端接收到的WLANi的信號(hào)強(qiáng)度RSSi高于其閾值Rth，將會(huì)觸發(fā)切換計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)；然后，需要判斷在一個(gè)計(jì)時(shí)周期T內(nèi)，高于Rth的接收信號(hào)強(qiáng)度（RSS′i）之和是否大于能量閾值Rs（Rs＝Rth·L／2，L為一個(gè)計(jì)時(shí)周期內(nèi)的采樣次數(shù)）.若∑RSS′i＞Rs，則將WLANi加入到垂直切換候選列表.依次對(duì)所有檢測(cè)到的WLAN進(jìn)行如上處理.

表1 移動(dòng)終端處于UMTS狀態(tài)時(shí)的切換算法描述Tab.1 Algorithm description of handoff from UMTS

2）若移動(dòng)終端處于WLAN狀態(tài)，其切換過(guò)程的算法描述見(jiàn)表2.若當(dāng)前WLAN的接收信號(hào)強(qiáng)度RSSc＜Rth，則觸發(fā)計(jì)時(shí)一個(gè)周期；若在該周期內(nèi)，高于閾值Rth的信號(hào)強(qiáng)度之和小于Rs，則依次判斷其他的WLAN是否滿足能量閾值條件，若滿足則加入到水平切換列表中.

在切換觸發(fā)階段之后，若判斷需要進(jìn)行切換，則還需要進(jìn)行接入網(wǎng)選擇，以確定切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò).

表2 移動(dòng)終端處于WLAN狀態(tài)時(shí)的切換算法描述Tab.2 Algorithm description of handoff from WLAN

2.3 網(wǎng)絡(luò)選擇

模糊邏輯方法是介于傳統(tǒng)人工智能的符號(hào)推理和傳統(tǒng)控制理論的數(shù)值計(jì)算之間的方法，它能夠適應(yīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)條件和垂直切換的復(fù)雜性.如文獻(xiàn)［7］采用傳統(tǒng)的基于模糊邏輯控制的方法包括模糊化、模糊推理和解模糊3個(gè)階段.典型的模糊控制系統(tǒng)如圖3所示，其中，建立模糊推理規(guī)則庫(kù)是模糊推理環(huán)節(jié)的關(guān)鍵.規(guī)則庫(kù)是一組語(yǔ)言控制規(guī)則，即一系列以IF－THEN形式表示的模糊條件判斷語(yǔ)句.在網(wǎng)絡(luò)選擇問(wèn)題中，假設(shè)只有2個(gè)候選網(wǎng)絡(luò)，需要評(píng)價(jià)的準(zhǔn)則有5個(gè)，而每個(gè)準(zhǔn)則參量有3個(gè)隸屬度函數(shù)，則最多可以建立310個(gè)推理規(guī)則；而且，隨著候選網(wǎng)絡(luò)、評(píng)價(jià)準(zhǔn)則以及隸屬度函數(shù)的數(shù)量增加，該規(guī)則庫(kù)的規(guī)模還會(huì)呈指數(shù)級(jí)擴(kuò)大.這會(huì)使計(jì)算復(fù)雜度大大增加，造成切換決策會(huì)產(chǎn)生較大的延時(shí)，實(shí)時(shí)性較差，甚至?xí)?dǎo)致切換失敗.為了降低計(jì)算的復(fù)雜度，本文采用基于模糊邏輯的量化決策算法，該算法不需要建立邏輯推理規(guī)則庫(kù).

切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的選擇實(shí)際上是一個(gè)多準(zhǔn)則決策問(wèn)題，選取不同的準(zhǔn)則參量對(duì)于垂直切換的性能會(huì)產(chǎn)生很大的影響，因此，為了充分考慮網(wǎng)絡(luò)端和用戶端的情況，本算法選取了5個(gè)參量：1）RSS，反映了通信鏈路質(zhì)量，且蜂窩網(wǎng)和WLAN的RSS差異很大；2）系統(tǒng)的可用帶寬（BA），反映了系統(tǒng)的業(yè)務(wù)負(fù)載情況，可用帶寬不足是產(chǎn)生呼叫阻塞及掉話的主要原因；3）連接時(shí)延（Delay），是反映網(wǎng)絡(luò)QoS的重要指標(biāo)；4）移動(dòng)終端的功耗（Power），在垂直切換的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)選擇過(guò)程中，特別是當(dāng)電池電量比較低時(shí)，用戶會(huì)傾向于選擇具有更低功耗的網(wǎng)絡(luò)，而移動(dòng)終端在蜂窩網(wǎng)中的功耗要小于在WLAN中的功耗；5）接入資費(fèi)（Cost），是從用戶的角度出發(fā)，反映了用戶的偏好，對(duì)于不同的運(yùn)營(yíng)商和網(wǎng)絡(luò)類型，其資費(fèi)往往不同，用戶更希望選擇價(jià)格便宜的網(wǎng)絡(luò).本算法包括3個(gè)步驟：模糊化、量化評(píng)價(jià)和量化決策.

圖3 模糊控制系統(tǒng)Fig.3 Fuzzy control system

2.3.1 模糊化

如圖4所示的隸屬函數(shù)有5個(gè)模糊集：非常低（VL），低（L），中等（M），高（H）和非常高（VH）.常數(shù)Cmin，C1，C2，C3，C4和Cmax，可以根據(jù)所考慮網(wǎng)絡(luò)的各準(zhǔn)則參量取不同的值.本算法中采用的準(zhǔn)則參量的隸屬度表示為：μc＝［μVL，μL，μM，μH，μVH］.以RSS為例，對(duì)于UMTS網(wǎng)絡(luò)，在合理的范圍內(nèi)，先確定Cmin和Cmax的取值分別為－120dBm和－100 dBm，則相應(yīng)的其他常數(shù)C1，C2，C3和C4可根據(jù)等間距的原則確定為－116dBm，－112dBm，－108 dBm和－104dBm.如果輸入量RSS＝P，則該網(wǎng)絡(luò)中模糊變量RSS的隸屬度為［0，0，0.85，0.15，0］.

圖4 隸屬函數(shù)Fig.4 Membership function

2.3.2 量化評(píng)價(jià)

準(zhǔn)則參量的量化系數(shù)反映了各模糊集的重要程度，表示為Qc＝［QVL，QL，QM，QH，QVH］.由于不同的準(zhǔn)則參量所具有的網(wǎng)絡(luò)選擇特性不同，同時(shí)為了簡(jiǎn)化算法，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取各準(zhǔn)則參量的固定量化系數(shù).例如，RSS和可用帶寬都是值越大，選擇該網(wǎng)絡(luò)的概率也就越大，因此可以取QRSS／BA＝［0，0.25，0.5，0.75，1］；而對(duì)于連接時(shí)延、功耗和資費(fèi)，由于其具有的網(wǎng)絡(luò)選擇特性和前者相反，因此可以取QDelay／Power／Cost＝［1，0.75，0.5，0.25，0］.對(duì)于某一候選網(wǎng)絡(luò)i，各準(zhǔn)則參量的量化評(píng)價(jià)值Vi，c可以計(jì)算為：Vi，c＝.

2.3.3 量化決策

為了在網(wǎng)絡(luò)利用率和用戶的滿意度之間進(jìn)行平衡，每個(gè)準(zhǔn)則參量的量化評(píng)價(jià)值需要賦權(quán)以反映其在網(wǎng)絡(luò)選擇中的重要性.為此，網(wǎng)絡(luò)i的量化決策值可以定義為：

為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)則參量權(quán)重的動(dòng)態(tài)調(diào)整，對(duì)于每個(gè)參量權(quán)重可以計(jì)算為：W＝，此處f是量化評(píng)價(jià)值

ccVi，c的均值（mc）和方差（σc）的函數(shù)，它們可以估計(jì)為式中，N是候選網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量.根據(jù)均值和方差可以得到fc＝exp（－mc＋σc）.所有參量的量化評(píng)價(jià)值確定后，可計(jì)算F＝fRSS＋fBW＋fDelay＋fPower＋fCost.

最后，選擇具有最大量化決策值的網(wǎng)絡(luò)作為切換目標(biāo).

3 仿真分析

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，本文分析比較了所提出的算法、基于RSS的算法（RSS1算法）［9］以及基于RSS和遲滯的算法（RSS2算法）［2］的部分性能指標(biāo)，主要是垂直切換次數(shù)和垂直切換掉話率.

網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境如圖1所示，該異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)UMTS網(wǎng)絡(luò)和3個(gè)WLAN組成.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母采w范圍設(shè)置為1 000m×1 000m，其中心坐標(biāo)為（0，0）；UMTS基站的中心坐標(biāo)為（0，0），可以覆蓋整個(gè)區(qū)域；而每個(gè)WLAN具有相同的小區(qū)半徑100 m，其AP的中心坐標(biāo)分別為（－200，0），（200，0）和（340，60）.移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為50個(gè)，采用隨機(jī)游走的移動(dòng)方式，其移動(dòng)方向是隨機(jī)的，速度為5～20 m／s.仿真中需要用到的其他參數(shù)見(jiàn)表3.

表3 仿真參數(shù)Tab.3 Simulation parameters

在仿真中考慮2種業(yè)務(wù)類型，即固定比特率和可變比特率的業(yè)務(wù).對(duì)于前者，在UMTS和WLAN中的傳輸速率分別為100kbps和200kbps；而對(duì)于后者，在UMTS中的傳輸速率為10～384kbps，在WLAN中的傳輸速率為10kbps～1.5Mbps.假設(shè)它們都以泊松分布到達(dá)該異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，到達(dá)率為λ（calls／s），所占比例分別為30%和70%，業(yè)務(wù)的平均保持時(shí)間服從指數(shù)分布，其均值μ為150s.我們進(jìn)行了10次獨(dú)立的仿真，每次仿真時(shí)間為1 000s，最后對(duì)結(jié)果取平均值.

圖5顯示了在不同到達(dá)率的情況下各算法的垂直切換次數(shù).本文提出的算法產(chǎn)生的垂直切換次數(shù)最少，而RSS1算法的結(jié)果最差.所有算法的垂直切換次數(shù)都會(huì)隨著到達(dá)率的增加而增加，但本文方法的垂直切換次數(shù)隨到達(dá)率的增加而平緩地增加，而其他兩種方法是顯著增加.在圖6中，由于所提出的算法是根據(jù)模糊量化決策方法來(lái)確定最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)，這樣可以避免切換到RSS很強(qiáng)但是沒(méi)有足夠帶寬用于切換連接的網(wǎng)絡(luò).其結(jié)果是，本文算法的垂直切換掉話率要小于RSS1和RSS2算法的掉話率.

圖5 不同到達(dá)率下的垂直切換次數(shù)Fig.5 The number of vertical handoff under various arrival rates

圖6 不同到達(dá)率下的垂直切換掉話率Fig.6 The dropping probabilities of vertical handoff under various arrival rates

圖7 不同移動(dòng)速度下的垂直切換次數(shù)Fig.7 The number of vertical handoff under various movement velocities

圖8 不同移動(dòng)速度下的垂直切換掉話率Fig.8 The dropping probabilities of vertical handoff under various movement velocities

為研究不同的垂直切換算法受移動(dòng)性影響時(shí)的性能，本文對(duì)不同移動(dòng)速度下的性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià).如圖7所示，提出的算法在不同速度下都獲得了最少的垂直切換次數(shù)，而RSS1算法的垂直切換次數(shù)最多.此外，所有算法的垂直切換次數(shù)都隨著移動(dòng)速度的增加而增加.圖8中，可以看出本算法的垂直切換掉話率很低，而RSS1和RSS2算法的掉話率隨移動(dòng)速度的提高而上升.其原因是這2種算法中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)都利用RSS作為切換決策依據(jù)，它們會(huì)選擇RSS最強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)作為目標(biāo)網(wǎng)絡(luò).結(jié)果是具有最強(qiáng)RSS的網(wǎng)絡(luò)很快會(huì)耗盡其可用帶寬，從而導(dǎo)致掉話率較高.

4 結(jié) 論

為了提高垂直切換的準(zhǔn)確度，本文綜合考慮了網(wǎng)絡(luò)端和用戶端的多個(gè)重要因素，提出了一種新的垂直切換算法.該算法一方面通過(guò)引入RSS累積量，改進(jìn)了基于RSS的切換觸發(fā)機(jī)制，避免頻繁地觸發(fā)切換，減少了不必要的切換次數(shù)；另一方面，由于模糊邏輯能夠適應(yīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化，同時(shí)考慮到垂直切換算法的復(fù)雜性，通過(guò)引入基于模糊邏輯的量化決策方法，有效地從可用的候選網(wǎng)絡(luò)中選擇最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)，并且降低了計(jì)算的復(fù)雜度.仿真結(jié)果表明，該算法對(duì)于減少不必要的垂直切換次數(shù)和降低垂直切換掉話率等性能方面有較大改善.

［1］ STEMM M，KATZ R H.Vertical handoffs in wireless overlay networks［J］.Mobile Networking and Applications－Special Issue on Mobile Networking in the Internet，1998，3（4）：335－350.

［2］ MARICHAMY P，CHAKRABARTI S，MASKARA S L.Performance evaluation of handoff detection schemes［C］／／Conference on Convergent Technologies for Asia－Pacific Region.Washington，DC：IEEE，2003：643－646.

［3］ WANG H，KATZ R，GIESE J.Policy－enabled handoffs across heterogeneous wireless networks［C］／／Proceedings of the 2nd IEEE Workshop on Mobile Computing Systems and Applications.Washington，DC：IEEE，1999：51－60.

［4］ SONG Q Y，JAMALIPOUR A.A quality of service negotiation－based vertical handoff decision scheme in heterogeneous wireless systems［J］.European Journal of Operational Research，2008，191：1059－1074.

［5］ LEE W J，KIM E K，KIM J H，et al.Movement－aware vertical handoff of WLAN and mobile WiMAX for seamless ubiquitous access［J］.IEEE Transactions on Consumer Electronics，2009，53：1268－1275.

［6］ 梁立濤，紀(jì)陽(yáng)，張平.基于模糊層次分析法的異構(gòu)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)選擇算法［J］.北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，30（2）：71－75.LIANG Li－tao，JI Yang，ZHANG Ping.Network selection algorithm based on fuzzy analytic hierarchy process in heterogeneous systems［J］.Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications，2007，30（2）：71－75.（In Chinese）

［7］ STOYANOVA M，MAHONEN P.Algorithmic approaches for vertical handoff in heterogeneous wireless environment［C］／／Wireless Communications and Networking Conference.Washington，DC：IEEE，2007：3780－3785.

［8］ BING Hong－yang，HE Chen，JIANG Ling－ge.Performance analysisof vertical handover in a UMTS－WLAN integrated network［C］／／Personal，Indoor and Mobile Radio Communications.Washington，DC：IEEE，2003：187－191.

［9］ ZHANG Ning，HOLTZMAN J M.Analysis of handoff algorithms using both absolute and relative threshold［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，1996，45（1）：174－179.