陳榮賞，肖　蕾

(1.廈門理工學(xué)院計算機與信息工程學(xué)院，福建 廈門 361024;2.廈門軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361024)

?

一種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換動態(tài)決策模型研究

陳榮賞1，肖蕾2

(1.廈門理工學(xué)院計算機與信息工程學(xué)院，福建 廈門 361024;2.廈門軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361024)

為避免不必要的網(wǎng)絡(luò)切換，提高切換性能問題，提出一種垂直切換動態(tài)決策模型.該模型網(wǎng)絡(luò)分析單元根據(jù)帶寬、費用和能耗綜合評價各個網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)；然后，網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)單元對接收信號強度和設(shè)備移動速度結(jié)合靜態(tài)因素進行綜合分析，從候選網(wǎng)絡(luò)中挑選出評分最高的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò).通過對模型進行仿真測試發(fā)現(xiàn)該模型可以有效的減少網(wǎng)絡(luò)切換次數(shù).

網(wǎng)絡(luò)切換；垂直切換；動態(tài)決策模型；接收信號強度

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是下一代無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的主要研究焦點[1].隨著移動通信技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的移動終端都配備多種不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，從而使得移動終端可以適應(yīng)日益復(fù)雜的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境[2].最簡單和最常見的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是移動蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(2G)和無線局域網(wǎng)(WiFi)并存的情況.假設(shè)用戶從2G覆蓋區(qū)域(A區(qū))快速移動(例如駕駛汽車)進入2G、WiFi共同覆蓋區(qū)域(B區(qū))，并快速離開共同覆蓋區(qū)域回到2G覆蓋區(qū)域(C區(qū))，如果用戶在剛進入B區(qū)時自動將網(wǎng)絡(luò)從2G切換至WiFi，在離開B區(qū)進入C區(qū)時又自動將網(wǎng)絡(luò)從WiFi切換回2G，在這樣的情景下，即使WiFi所提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量優(yōu)于2G網(wǎng)絡(luò)，但網(wǎng)絡(luò)切換的代價高于好處，因此第一次發(fā)生網(wǎng)絡(luò)切換的時刻不是“合適”的切換時刻，WiFi也不是“合適”的切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò).在類似的情景中，如何避免在“不合適”的時刻發(fā)生不必要的切換，以及如何綜合考慮多種網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)以選擇“最合適”的網(wǎng)絡(luò)進行切換成為了亟待解決的問題.文獻[3]中論述了網(wǎng)絡(luò)切換的基本目標(biāo)是保證低干擾、高可靠、保性能，但是在網(wǎng)絡(luò)切換的過程中，不可避免的會對網(wǎng)絡(luò)性能和服務(wù)質(zhì)量造成影響，很難保證網(wǎng)絡(luò)切換的快速性與平滑性，因此需要盡量公平、全面的對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進行評價，給網(wǎng)絡(luò)切換提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，以減少不必要的切換次數(shù)[4].

在過去的研究中有三類主要的方法，第一種是通過將接收信號強度和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載參數(shù)相結(jié)合的傳統(tǒng)方法；第二種方法使用人工智能技術(shù)來對多個網(wǎng)絡(luò)因子進行分析和決策，然而這種方法相對復(fù)雜，很難在真實的系統(tǒng)中進行應(yīng)用；第三種方法是通過構(gòu)造一個評價函數(shù)來根據(jù)多種不同的網(wǎng)絡(luò)因素對接入某種網(wǎng)絡(luò)的代價做出評價.

考量網(wǎng)絡(luò)優(yōu)劣程度通常使用網(wǎng)絡(luò)帶寬、網(wǎng)絡(luò)資費、能量消耗等靜態(tài)因子，然而以往的研究往往忽略了動態(tài)因子對切換決策的影響[5].本文提出一種動態(tài)決策模型，通過將動態(tài)因子、靜態(tài)因子進行綜合分析來支持網(wǎng)絡(luò)切換過程，該模型有效的減少不必要的網(wǎng)絡(luò)切換次數(shù).

1　垂直切換技術(shù)

在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，有兩種網(wǎng)絡(luò)切換方案：水平切換和垂直切換，水平切換是指在相同類型的網(wǎng)絡(luò)中進行接入點的切換；垂直切換是指移動終端在不同類型的網(wǎng)絡(luò)之間進行切換[6].水平切換是一個對稱的過程，而垂直切換是一個非對稱的過程，如圖1所示.

通常，垂直切換過程由三部分組成：系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)、切換決策和切換執(zhí)行.在系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)階段，配有多種不同類型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)現(xiàn)可使用的不同網(wǎng)絡(luò)類型和服務(wù)；在切換決策階段，系統(tǒng)根據(jù)實際情況決策該接入哪種類型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，決策過程需要基于包括可用帶寬、接入資費、傳輸功耗等信息的支撐；在切換執(zhí)行階段，系統(tǒng)將從原網(wǎng)絡(luò)“無縫地”切換到新的網(wǎng)絡(luò)中.

無縫切換是一種發(fā)生網(wǎng)絡(luò)切換時能夠保證移動終端所有應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)連接不會中斷的一種切換方案[7]，無縫切換的目的是當(dāng)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)中斷或者網(wǎng)絡(luò)切換時提供持續(xù)的端到端數(shù)據(jù)服務(wù).文獻[8]提出基于模糊推理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的概念的切換算法，但該算法對硬件設(shè)備要求高；文獻[9]將垂直切換過程模擬為一個馬爾可夫決策過程，目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的收益函數(shù)是基于網(wǎng)絡(luò)帶寬和延遲定義的，最佳候選網(wǎng)絡(luò)是一個滿足于帶寬和延遲條件的切換目的網(wǎng)絡(luò);文獻[10]介紹了多種無縫切換的方法，主要分為網(wǎng)絡(luò)層方法和高層方法.然而，這兩種無縫切換的方法都很難實現(xiàn)，盡管能夠?qū)崿F(xiàn)延遲和丟包率的最小化，這些方法被多數(shù)服務(wù)提供商認(rèn)為不切實際，很少在實際工作中使用.文獻[11]提出基于演化博弈論的功率控制算法和垂直切換方案，方案提高了網(wǎng)絡(luò)容量，減少切換的發(fā)生頻率，一定程度兼顧了系統(tǒng)的公平性；文獻[12]通過區(qū)分不同業(yè)務(wù)類型和終端及網(wǎng)絡(luò)的多方因素進行綜合判決，滿足網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)負(fù)載均衡、減小切換次數(shù).

在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，垂直切換很難通過單一的因素來完成有效的決策，通常參與決策的因素包括：

1)費用：對于用戶來說，使用網(wǎng)絡(luò)的費用是影響用戶選擇網(wǎng)絡(luò)的一個主要因素.網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商會為提供多種不同的付費方案或選項，這些方案和選項會影響用戶是否選擇接入網(wǎng)絡(luò)或者切換網(wǎng)絡(luò).

2)能耗：無線終端通常都使用能量有限的電池.當(dāng)電池電量較低時，切換至能耗較低的網(wǎng)絡(luò)可以延長網(wǎng)絡(luò)使用時間.

3)帶寬：較高的可用帶寬能夠有效的降低掉線或網(wǎng)絡(luò)阻塞的可能性，從而保證更高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量.

4)移動速度：移動速度指的是用戶手持移動設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中移動的速度.在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)下，不同的網(wǎng)絡(luò)相互覆蓋，有些網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積較大，有些面積較小，由于持有移動終端的用戶具備一定的移動速度(例如用戶手持移動設(shè)備乘坐高速移動的汽車)，當(dāng)用戶移動速度較高時，進入覆蓋面積較小的網(wǎng)絡(luò)時如果發(fā)生網(wǎng)絡(luò)切換，很快又會切回原來的網(wǎng)絡(luò)，即使小面積的網(wǎng)絡(luò)可以提供更高的服務(wù)質(zhì)量，但由于服務(wù)時間較短，并且網(wǎng)絡(luò)切換的代價較大，這種切換被認(rèn)為是一種不必要的切換.

5)信號強度：信號強度是水平切換決策中很重要的一個參考因素，但是由于垂直切換不對稱的特性，信號強度無法直接相互比較，但是信號強度可以用來評估網(wǎng)絡(luò)的可用性.

本文提出的動態(tài)決策模型對上述因素進行綜合考量，并特殊考慮速度和信號強度來減少不必要的切換次數(shù)，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體性能的提升.

2　動態(tài)決策模型

動態(tài)決策模型系統(tǒng)從各類型網(wǎng)絡(luò)接口中監(jiān)視和收集網(wǎng)絡(luò)性能相關(guān)參數(shù)，對網(wǎng)絡(luò)進行分析并完成切換決策.動態(tài)決策模型系統(tǒng)由四個部分組成：網(wǎng)絡(luò)分析單元、網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)單元、動態(tài)決策單元和監(jiān)控系統(tǒng).

動態(tài)決策模型是一種通過靈活配置來執(zhí)行垂直切換的決策模型.網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)階段首先將所有可用網(wǎng)絡(luò)加入候選列表，然后掃描候選列表中的網(wǎng)絡(luò)并記錄信號強度和速度，并刪除不滿足信號強度和速度要求的網(wǎng)絡(luò)，再根據(jù)信號強度與信號強度閾值之差來為候選網(wǎng)絡(luò)計算和分配優(yōu)先級，之后進入網(wǎng)絡(luò)分析階段；在網(wǎng)絡(luò)分析階段，首先從監(jiān)控系統(tǒng)中獲取當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)并選取權(quán)重因子，隨后從候選網(wǎng)絡(luò)中收集各網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)信息，使用代價函數(shù)為每個網(wǎng)絡(luò)計算靜態(tài)評分，之后進入決策階段；在決策階段，動態(tài)決策單元將各候選網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)評分和優(yōu)先級相乘得到該網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)評分，選擇動態(tài)得分最高的網(wǎng)絡(luò)作為目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，如果當(dāng)前使用網(wǎng)絡(luò)與目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)類型不一致，則執(zhí)行垂直切換(如圖2所示).2.1網(wǎng)絡(luò)分析單元

網(wǎng)絡(luò)分析單元負(fù)責(zé)根據(jù)帶寬、費用和能耗分析各個網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài).該模塊通過靜態(tài)評分S來對網(wǎng)絡(luò)的可用性進行綜合評價.靜態(tài)評分函數(shù)包含以下參數(shù)：帶寬(B)、能耗(P)和費用(C).

(1)

靜態(tài)評分函數(shù)是各參數(shù)的歸一化形式之和.歸一化是為了使得不同類型、不同單位的數(shù)據(jù)之和具有實際意義.假設(shè)網(wǎng)絡(luò)i共有k個因素參與靜態(tài)評分，最終的靜態(tài)評分Si將是一個加權(quán)和的函數(shù).

(2)

上述方程中，wj代表因子j的權(quán)重，fi,j代表網(wǎng)絡(luò)i中因子j歸一化之后的數(shù)值.我們模型中的靜態(tài)評分函數(shù)如下：

(3)

上式中，wb是帶寬因子的權(quán)重，wp是能耗因子的權(quán)重，是wc網(wǎng)絡(luò)費用因子的權(quán)重.fb,i、fp,i、fc,i是上述三個因素的歸一化數(shù)值，定義如下：

(4)

系數(shù)αi、βi、γi可以通過查找表或者下面的調(diào)諧函數(shù)獲得：

(5)

上式中，x為帶寬，M為最大鏈路帶寬，單位是bit·s-1；y的單位是h；z為話費，單位是元·d-1.2.2網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)單元

網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)單元在固定的時間間隔發(fā)現(xiàn)所有的可用網(wǎng)絡(luò)，該單元監(jiān)控移動終端的移動速度和基站的接收信號強度，選擇候選網(wǎng)絡(luò)并分配相應(yīng)的優(yōu)先級.

1)選擇候選網(wǎng)絡(luò)

如果一個網(wǎng)絡(luò)的接收信號強度RT高于預(yù)定閾值范圍，并且移動終端的移動速度在其速度閾值范圍之內(nèi).

通過在固定時間間隔獲取基站和移動終端信號強度和移動速度，并按照下面的方法來決策和選擇候選網(wǎng)絡(luò)：

假設(shè)移動終端rti當(dāng)前使用網(wǎng)絡(luò)為ni,

如果Ri

{

對于所有網(wǎng)絡(luò)nj(i≠j)

{

如果Ri>rti并且vi

{

將網(wǎng)絡(luò)nj加入候選網(wǎng)絡(luò)集合CN

設(shè)置ΔRj=Rj-rtj

}

}

}

2)分配優(yōu)先級

優(yōu)先級的主要參考依據(jù)是ΔR值越大表示優(yōu)先級越高.這是因為更高的ΔR意味著移動終端距離該網(wǎng)絡(luò)的基站更近，因此移動終端可以在切換之前在該網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍內(nèi)停留更長的時間，從而實現(xiàn)了減少不必要的網(wǎng)絡(luò)切換的次數(shù).

優(yōu)先級p按照如下規(guī)則分配：

對于j=1到k，執(zhí)行

{

如果j不是候選網(wǎng)絡(luò)，則

{

網(wǎng)絡(luò)j的優(yōu)先級pj=0

}

否則如果j是唯一的候選網(wǎng)絡(luò)，則

{

網(wǎng)絡(luò)j的優(yōu)先級pj=1

}

否則如果該網(wǎng)絡(luò)是按照ΔR升序排序的第i的數(shù)值，則

{

pj=i/k

}

}

使用上述規(guī)則就可以從眾多可用網(wǎng)絡(luò)中選取候選網(wǎng)絡(luò)并分配相應(yīng)的優(yōu)先級.

2.3監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)向網(wǎng)絡(luò)分析單元匯報系統(tǒng)的電池狀態(tài)等信息，該模塊監(jiān)控移動終端的電池余量并記錄用戶對于不同網(wǎng)絡(luò)的偏好，這些信息被發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)分析單元作為權(quán)重因子計算靜態(tài)評分.

2.4動態(tài)決策單元

動態(tài)決策單元根據(jù)來自網(wǎng)絡(luò)分析單元和網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)單元的信息計算“動態(tài)評分D”來進行動態(tài)決策，從而挑選出“最合適”的網(wǎng)絡(luò)來執(zhí)行切換.動態(tài)評分按照如下方法計算

(6)

其中，Si是網(wǎng)絡(luò)分析單元計算得出的靜態(tài)評分，pi是網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)單元計算得出的優(yōu)先級.動態(tài)評分最高的候選網(wǎng)絡(luò)將作為“最合適的網(wǎng)絡(luò)”被系統(tǒng)選中，并執(zhí)行垂直切換.

3　仿真與測試

為了對動態(tài)決策模型的有效性進行評估和驗證，本文使用OPNET來搭建異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)仿真測試環(huán)境，該環(huán)境由2G網(wǎng)絡(luò)、CDMA網(wǎng)絡(luò)和WiFi網(wǎng)絡(luò)相互覆蓋組成，移動終端上配備三種類型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境如圖3所示.區(qū)域A中，移動終端僅能接入2G網(wǎng)絡(luò)；區(qū)域B中，移動終端僅能接入CDMA網(wǎng)絡(luò)；區(qū)域C中，移動終端僅能接入WiFi網(wǎng)絡(luò)；區(qū)域D中，移動終端可以接入2G網(wǎng)絡(luò)和CDMA網(wǎng)絡(luò)；區(qū)域E中，移動終端可以接入2G網(wǎng)絡(luò)和WiFi網(wǎng)絡(luò)；區(qū)域F中，移動終端可以接入CDMA網(wǎng)絡(luò)和WiFi網(wǎng)絡(luò)；區(qū)域G中，移動終端可以接入三種網(wǎng)絡(luò)中的任意一種網(wǎng)絡(luò).

在仿真測試中，假設(shè)三種網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)參數(shù)如表1所示.在漫游過程中，移動終端對各種網(wǎng)絡(luò)參數(shù)連續(xù)監(jiān)控，但在指定的時間間隔內(nèi)執(zhí)行切換判決函數(shù).仿真測試使用靜態(tài)決策模型(SDM，不考慮移動速度和RSS的標(biāo)準(zhǔn)決策模型)和動態(tài)決策模型(DDM)兩種方法進行垂直切換決策.

表1　仿真參數(shù)

仿真數(shù)據(jù)如圖4所示，表示兩種網(wǎng)絡(luò)切換次數(shù)的對比結(jié)果，從結(jié)果中可以看出，DDM的切換次數(shù)與SDM相比大約減少50%～60%.

4　結(jié)語

本文提出了一種考慮RSS和移動速度的垂直切換動態(tài)決策算法，可以實現(xiàn)移動終端在“最合適”的時間接入“最合適的網(wǎng)絡(luò)”. 通過仿真測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，垂直切換動態(tài)決策算法與其他靜態(tài)決策算法相比更加簡單有效.但算法僅考慮了信號強度、移動速度和能耗的動態(tài)平衡，下一步考慮結(jié)合網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化、網(wǎng)絡(luò)安全等評價指標(biāo)來聯(lián)合優(yōu)化動態(tài)決策切換模型，同時實現(xiàn)在公共安全監(jiān)測預(yù)警模型中的應(yīng)用.

[1]楊森.異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)垂直切換關(guān)鍵技術(shù)研究[D].鄭州：解放軍信息工程大學(xué)，2010.

[2]SHEN W,ZENG QA.Novel decision strategy of vertical handoff in overlay wireless networks[C]//5th IEEE International Symposium on Network Computing and Applications.Cambridge：IEEE Press,2006:227-230.

[3]ZHANG N,HOLTZMANJ M.Analysis of handoff algorithms using both absolute and relative measurement[J].IEEE Trans Vehicular Technology，1996,45(1):174-179.

[4]MCNAIR J,ZHU F.Vertical handoffs in fourth-generation multinetworkenvironments[J].Wireless Communications，2004，11(3):8-15.

[5]賀昕，李斌.異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)切換技術(shù)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2008.

[6]王麗，郭愛煌，劉富強.基于模糊邏輯技術(shù)的切換策略[J].計算機工程,2009,35(2):190-193.

[7]聞忠鋒.異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中垂直切換決定算法的研究與仿真[D].沈陽：東北大學(xué),2009.

[8]GUO Q,ZHU J,XU X.An adaptive multicriteriavertical handoff decision algorithm for radio heterogeneous network [C]//Proc of the ICC 2005.Piscataway:IEEE,2005:2 769-2 773

[9]STEVENS N E，LIN Y，WONG V W S.An MDP-base vertical handoff decision algorithm for heterogeneous wireless network [J].IEEE Trans on Vehicular Technology,2008,57(2):1 243-1 254

[10]LING Y，YI B，ZHU Q.Vertical handoff decision strategy in wireless overlay networks[C].Proc of 5th International Conference on Wireless Communications，Networking and Mobile Computing，Piscataway:IEEE Press,2009:1-3.

[11]董榮勝,孫棟棟,郭云川,等.基于演化博弈論的功率控制和垂直切換研究[J].計算機研究與發(fā)展，2014，51(6)：1 185-1 198

[12]陳玨瑜,蔡家麟.異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換決策算法仿真[J].計算機仿真，2015，32(2)：297-301

(責(zé)任編輯宋靜)

A Dynamic Decision Model for Vertical Handoff in Heterogeneous Networks

CHEN Rongshang1，XIAO Lei2

(1.School of Computer & Information Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024,China; 2.Xiamen Institute of Software Technology，Xiamen 361024,China)

To improve the performance of handoff and avoid unnecessary network handoff,a vertical handoff decision model is proposed.The network analysis unit evaluated the state of each network according to the bandwidth,cost and energy consumption,the network discovery unit then made comprehensive analysis of the received signal strength and mobile device moving speed together with static factors, and finally,the model picked out the best score target network from the candidates and executed the vertical handoff.The simulation test shows that the model can effectively reduce the switching frequency of the network.

network handoff；vertical handoff；dynamic decision model；received signal strength

2016-03-16

2016-03-31

廈門市科技計劃項目(3502Z20133043)

陳榮賞(1982-),男,工程師,研究方向為智能信息處理,網(wǎng)絡(luò)安全. E-mail:rschen@xmut.edu.cn

TP393

A

1673-4432(2016)03-0066-06