楊立偉 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)副教授，博士后

可見光與Wi-Fi的無縫融合研究

楊立偉 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)副教授，博士后

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合是未來網(wǎng)絡(luò)的一個重要發(fā)展趨勢。本文研究了將可見光通信與Wi-Fi技術(shù)相結(jié)合的一種新的覆蓋方式，建立了可見光與Wi-Fi融合系統(tǒng)的仿真平臺并進(jìn)行了驗(yàn)證。

可見光通信 Wi-Fi 垂直切換

1 引言

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合是未來網(wǎng)絡(luò)的一個重要發(fā)展趨勢，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，未來的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)必然會融合多種特征互補(bǔ)的接入網(wǎng)絡(luò)，通過由不同技術(shù)組成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，可以充分利用不同類型的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)優(yōu)勢。

基于LED（LightEmittingDiode）照明設(shè)備的可見光通信（VLC，Visible-Light-Communication）技術(shù)是無線光通信的一種，在家庭信息智能控制系統(tǒng)、會議通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、公共場所的查詢和導(dǎo)購系統(tǒng)等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用空間。

與Wi-Fi相比，VLC有很大優(yōu)勢。Wi-Fi依賴無線電波傳輸，有一定的電磁輻射，且無線信號穿墻而過，網(wǎng)絡(luò)信息不安全。而這些安全隱患，在可見光通信中就能被避免。但可見光通信并不是Wi-Fi的競爭對手，而是一種相互補(bǔ)充的技術(shù)，有助于釋放頻譜空間。因此，考慮將可見光與Wi-Fi技術(shù)相結(jié)合，共同構(gòu)建室內(nèi)接入網(wǎng)絡(luò)。

由于異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)的差異性，如何給用戶提供不同網(wǎng)絡(luò)間的無縫漫游已經(jīng)成為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)亟需解決的問題。其中，移動性管理是實(shí)現(xiàn)異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)急需解決的問題之一，而垂直切換判決技術(shù)是移動性管理的核心內(nèi)容。

在可見光異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，不同的網(wǎng)絡(luò)之間在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、覆蓋范圍等性能指標(biāo)都有很大的差異，在用戶選擇接入網(wǎng)絡(luò)的過程及為滿足終端移動性的需求，需使用切換技術(shù)來保持會話的連續(xù)性。當(dāng)接收機(jī)從一個基站（房間）移動到另一個基站（房間）時，需要接收機(jī)能夠自動切換。切換操作既要能識別一個新基站又要將信令信號分派到新基站的信道上。

本文對可見光與Wi-Fi的無縫融合網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，并重點(diǎn)研究融合網(wǎng)絡(luò)的切換技術(shù)。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1995年，異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的概念由美國加州大學(xué)首次提出，此后學(xué)者們對無線網(wǎng)絡(luò)的融合進(jìn)行了廣泛研究。ITU、IETF等標(biāo)準(zhǔn)化組織對異構(gòu)融合無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化研究。3GPP對重疊異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中的所有接入網(wǎng)絡(luò)不同技術(shù)的融合方案、接入網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行了規(guī)范，因而使得已有的重疊異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)獲得開放的網(wǎng)絡(luò)接口。同時，IEEE也設(shè)計出了相關(guān)的重疊異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

針對異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)，國內(nèi)的企業(yè)、科研院所也進(jìn)行了深入研究。中國移動提出的新型接入網(wǎng)構(gòu)架C-RAN，采用協(xié)作化、虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)資源共享和動態(tài)調(diào)度，以達(dá)到提高頻譜效率的目的?！靶乱淮鷮拵o線移動通信網(wǎng)”、“基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)跨域的移動管理關(guān)鍵技術(shù)研究”等一系列國家重大科技專項(xiàng)，從不同的角度針對異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了深入的研究。國家自然科學(xué)基金委員會也確立了許多關(guān)于異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的研究項(xiàng)目，如“異構(gòu)無線覆蓋網(wǎng)絡(luò)智能垂直切換管理關(guān)鍵算法研究”等。

但是，現(xiàn)階段不同無線接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合的過程中存在很多困難。其中，無線資源管理技術(shù)是可以實(shí)現(xiàn)不同接入無線網(wǎng)絡(luò)融合的關(guān)鍵技術(shù)。無線資源管理包括接納控制、功率控制、負(fù)載控制、容量分析、切換控制等技術(shù)。

對于切換技術(shù)，目前國內(nèi)外學(xué)者的研究主要在切換判決這一階段。國內(nèi)外現(xiàn)有的垂直切換算法總體來說能達(dá)成一定的共識，但尚未有完善的解決方案，需要進(jìn)一步研究。

3 基于模糊邏輯的切換算法研究

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的切換主要分為水平切換和垂直切換兩大類。水平切換保證在同一類型網(wǎng)絡(luò)之間的切換，垂直切換保證移動節(jié)點(diǎn)在不同的網(wǎng)絡(luò)之間無縫的漫游。

垂直切換是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的垂直切換過程中，一般可以分為切換初始化、切換判決和切換執(zhí)行3部分。切換初始化階段就是一個信息的收集階段，這些信息包括RSS、帶寬、吞吐量、抖動、費(fèi)用、電池電量等；切換判決階段負(fù)責(zé)判決是否需要執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)切換以及切換到哪個網(wǎng)絡(luò)，判決階段關(guān)鍵部分就是判決算法的設(shè)計；切換執(zhí)行階段需要提供一個無縫的切換方式，從當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)無縫地切換到目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的過程。希望減少不必要的切換次數(shù)，從而降低“兵兵效應(yīng)”。

垂直切換是多種無線網(wǎng)絡(luò)融合的基礎(chǔ)，而切換算法的設(shè)計是未來實(shí)行無縫融合的關(guān)鍵。垂直切換算法目前主要分為基于效用函數(shù)的、以用戶為中心的、基于上下文感知的、基于多屬性決策的、基于模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的。其中，基于模糊邏輯的垂直切換算法考慮帶寬、接收信號強(qiáng)度RSS、覆蓋范圍和用戶數(shù)目等參數(shù)作為判決參數(shù)。

模糊邏輯（FuzzyLogic）是對現(xiàn)存的無法用準(zhǔn)確語言或者模型進(jìn)行描述的問題或者事件進(jìn)行的模糊描述，可以解決經(jīng)典的二值邏輯不能對變量做出準(zhǔn)確定義的問題。在模糊理論中，對一個具體對象是否符合模糊概念，我們是用“可能性”來度量，并不是利用傳統(tǒng)的概率論等數(shù)學(xué)工具。模糊邏輯是利用模糊集合工作的，不同于普通集合的邊界范圍確定性，模糊集合是由具有可移動范圍的普通清晰集合，即從屬于一個集合到不屬于這個集合是漸變的過程。

模糊邏輯是為了幫助非精確推理提供理論基礎(chǔ)，是介于人工智能推理和控制理論數(shù)值計算之間的數(shù)學(xué)方法，它可以較好地處理不確切的輸入?yún)⒘?，能夠適應(yīng)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的動態(tài)變化以及網(wǎng)絡(luò)接入選擇的復(fù)雜性。模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，不需要已知被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，直接采用語言型控制規(guī)則，因此模糊控制對那些參數(shù)動態(tài)特性不易掌握或變化較快的對象非常適用。

基于模糊理論的切換算法由兩部分組成，一部分是將各個輸入?yún)?shù)即判決因子輸入模糊邏輯控制器中進(jìn)行處理，第二部分是采用一種選擇函數(shù)幫助用戶選擇最佳接入網(wǎng)絡(luò)。使用模糊邏輯的方法不僅可以處理一些不確定的參數(shù)還能對多個參數(shù)進(jìn)行綜合決策，所以運(yùn)用模糊邏輯的方法可以有效解決垂直切換決策問題。

在無線通信環(huán)境中，存在著各種各樣的因素會使得網(wǎng)絡(luò)條件發(fā)生動態(tài)變化，因此精確、單一的數(shù)學(xué)模型并不適合用來表示無線傳輸鏈路。模糊邏輯方法能夠適應(yīng)無線網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)條件和垂直切換的復(fù)雜性，能夠?qū)⒍喾N不同的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)綜合在一起，并以這些參數(shù)本身的模糊特性為依據(jù)進(jìn)行切換的判決。因此，模糊邏輯方法能夠很好地應(yīng)用在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的垂直切換問題上。

模糊邏輯法用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，對不同網(wǎng)絡(luò)接入標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)進(jìn)行比較和判斷，將各網(wǎng)絡(luò)的共性予以模糊邏輯化，將輸入的變量通過隸屬度函數(shù)轉(zhuǎn)化為合適的值，然后依照特定的模糊邏輯規(guī)則，通過推理去模糊化，并將最后得到的結(jié)果做出網(wǎng)絡(luò)接入判決。

4 混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真

切換判決參數(shù)應(yīng)體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)綜合性能?？紤]盡可能多的參數(shù)對于判決算法做出最準(zhǔn)確的決策很重要；但是很難在一個切換判決算法模型中包括所有的參數(shù)，因?yàn)檫@樣會使算法的復(fù)雜度大大增加也會出現(xiàn)多重屬性的沖突問題。

本文考慮網(wǎng)絡(luò)的QoS參數(shù)包括帶寬、時延、抖動、BER。帶寬可有效反映當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)狀況，對于帶寬要求比較高的業(yè)務(wù)尤為重要；網(wǎng)絡(luò)的時延將直接影響到網(wǎng)絡(luò)的QoS和用戶的感知；抖動即時延的變化，它受網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和信道時延的影響；BER也是反映網(wǎng)絡(luò)性能的重要參數(shù)。由于這些參數(shù)具有很大的模糊性，常常用高低來衡量，因此采用基于模糊邏輯的切換算法進(jìn)分析。如對于誤碼率，區(qū)間[0,1e-4]為Low，[1e-5, 1e-3]為Medium，[1e-4,1e-1]為High。

基于模糊邏輯的垂直切換算法分3個部分，即模糊化、模糊規(guī)則和去模糊化（清晰化）。模糊化的過程就是利用隸屬度函數(shù)將輸入?yún)?shù)模糊化。網(wǎng)格QoS參數(shù)經(jīng)過模糊化以后利用模糊規(guī)則輸出模糊評價值，最后通過去模糊化得到網(wǎng)絡(luò)的切換評價得分。選擇得分最高的網(wǎng)絡(luò)作為切換的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)切換，從當(dāng)前服務(wù)網(wǎng)絡(luò)切換到目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。

本文使用MATLAB作為切換算法的仿真工具?？紤]VLC和Wi-Fi兩種不同網(wǎng)絡(luò)同時存在的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍半徑為100m，VLC網(wǎng)絡(luò)的覆蓋半徑為10m。假設(shè)VLC1-VLC3都處于Wi-Fi的覆蓋范圍之內(nèi)，移動終端從A點(diǎn)向B點(diǎn)按照5km/h的移動速度勻速步行，即開始階段移動終端處于Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中（見圖1）。

圖1 VLC與Wi-Fi融合網(wǎng)絡(luò)

判決過程如下：首先檢測周圍的可用網(wǎng)絡(luò)，獲取網(wǎng)絡(luò)的QoS信息；然后，利用模糊邏輯系統(tǒng)做出切換判決；最后，選擇一個切換得分最高的網(wǎng)絡(luò)作為切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)完成網(wǎng)絡(luò)的垂直切換。

采用模糊邏輯算法下Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)與VLC網(wǎng)絡(luò)的得分（見圖2）。

根據(jù)QoS得分進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)選擇，0～2s選擇Wi-Fi，2～6s選擇VLC1，6～9s選擇VLC2，9～10s選擇Wi-Fi。仿真結(jié)果表明基于模糊邏輯的切換算法比較適合可見光與Wi-Fi的融合網(wǎng)絡(luò)，能夠便于用戶根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的QoS選擇最佳網(wǎng)絡(luò)。角度設(shè)計具有高靈活性、低復(fù)雜度的切換判決方案。通過MATLAB軟件對融合網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合切換算法進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明基于模糊邏輯的切換算法比較適合可見光與Wi-Fi的融合網(wǎng)絡(luò)。

圖2 Wi-Fi與VLC網(wǎng)絡(luò)的得分比較

5 結(jié)束語

本文研究了可見光與Wi-Fi的無縫融合網(wǎng)絡(luò)，重點(diǎn)研究了可見光與Wi-Fi融合網(wǎng)絡(luò)的切換算法，從系統(tǒng)的

1 茅海雁.異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)垂直切換判決技術(shù)研究與分析.南京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文.2014

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2015-05-10）