駱冉，趙夙，朱琦

（1. 南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003；2. 東南大學(xué)移動通信國家重點實驗室，江蘇 南京 210003；3. 南京郵電大學(xué)江蘇省無線通信重點實驗室，江蘇 南京 210003）

基于協(xié)同學(xué)的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)選擇算法

駱冉1,2，趙夙1,2，朱琦1,3

（1. 南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003；2. 東南大學(xué)移動通信國家重點實驗室，江蘇 南京 210003；3. 南京郵電大學(xué)江蘇省無線通信重點實驗室，江蘇 南京 210003）

終端接入的網(wǎng)絡(luò)需要滿足各類業(yè)務(wù)需求，對此提出了一種基于協(xié)同學(xué)的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)選擇算法。該算法將終端網(wǎng)絡(luò)選擇看作一個系統(tǒng)化的問題，可選網(wǎng)絡(luò)是一個復(fù)合系統(tǒng)，終端上運(yùn)行的每一種業(yè)務(wù)都是一個子系統(tǒng)，依據(jù)熵的概念得到復(fù)合系統(tǒng)的熵值，熵值的大小反映了子系統(tǒng)之間的協(xié)同度，進(jìn)而體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的整體性能。仿真結(jié)果表明，在終端多業(yè)務(wù)的情況下，基于所提算法選擇的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)QoS滿意率達(dá)到了95%，比基于TOPSIS算法選擇的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)QoS滿意率提升了近4倍，能夠很好地解決多業(yè)務(wù)終端網(wǎng)絡(luò)選擇問題。

多業(yè)務(wù)終端；協(xié)同學(xué)；QoS滿意率；網(wǎng)絡(luò)選擇

1 引言

隨著無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，異構(gòu)性已成為下一代無線網(wǎng)絡(luò)最重要的特點之一。在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中，通過融合不同的無線接入技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、移動性支持、帶寬和價格等資源可以相互得到補(bǔ)充，用戶可以選擇合適的網(wǎng)絡(luò)獲得最滿意的服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS），因此，網(wǎng)絡(luò)選擇是一個重要的研究課題。

目前解決異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)選擇問題的算法有很多，其中最經(jīng)典的是基于多屬性決策的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)選擇算法[1-3]。常用的多屬性決策方法包括層次分析法（analytical hierarchy process，AHP）、熵權(quán)法（entropy weight，EW）、逼近理想解排序法（technique for order preference by similarity to ideal solution，TOPSIS）以及灰色關(guān)聯(lián)分析法（grey relational analysis，GRA）。多屬性決策的優(yōu)勢在于能夠綜合考慮用戶、終端、應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)4個方面對網(wǎng)絡(luò)選擇的影響，使得選擇的結(jié)果更具合理性。有參考文獻(xiàn)將多屬性決策中的主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法相結(jié)合，這樣既可以考慮到用戶的主觀偏好，又可以考慮到網(wǎng)絡(luò)的屬性差異。參考文獻(xiàn)[4]將AHP和GRA進(jìn)行綜合，首先通過AHP得到主觀上的屬性權(quán)重，再根據(jù)GRA對候選網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行排序。參考文獻(xiàn)[5]是基于多屬性和群組決策來選擇網(wǎng)絡(luò)，這種算法利用AHP和EW分別得到主觀權(quán)重和客觀權(quán)重，然后根據(jù)群組決策理論將這兩種權(quán)重進(jìn)行綜合，最后依據(jù)性能函數(shù)選擇網(wǎng)絡(luò)。

如今終端可以實現(xiàn)的功能越來越多，這些功能按業(yè)務(wù)類型可以劃分為多種，例如語音通信是會話類業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)游戲是交互類業(yè)務(wù)，視頻節(jié)目是流媒體類業(yè)務(wù)。這些功能有時會同時進(jìn)行，因此終端在接入或者切換網(wǎng)絡(luò)時，需要同時考慮多種業(yè)務(wù)QoS要求，使得所有業(yè)務(wù)在此期間不會中斷。前面所提到的算法都考慮終端只運(yùn)行一種業(yè)務(wù)的情況，而參考文獻(xiàn)[6-8]雖然對這種終端多業(yè)務(wù)問題進(jìn)行了研究，提出了幾種改進(jìn)的多屬性決策異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)選擇算法，但是這些算法相比以往算法，僅僅多考慮了業(yè)務(wù)優(yōu)先權(quán)這一影響因子，并沒有使終端業(yè)務(wù)真正參與決策，且所選擇的網(wǎng)絡(luò)并沒有使得業(yè)務(wù)滿意率明顯提高。對此，本文提出一種基于協(xié)同學(xué)（synergetic，SYN）的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)選擇算法，將終端網(wǎng)絡(luò)選擇看作一個系統(tǒng)化的問題，候選網(wǎng)絡(luò)作為一個復(fù)合系統(tǒng)，終端上運(yùn)行的每一種業(yè)務(wù)都是一個子系統(tǒng)，通過子系統(tǒng)之間的協(xié)同度體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的整體性能。

2 系統(tǒng)模型

本文研究的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)場景如圖1所示，該場景由UMTS、WLAN和WiMAX 3種無線接入技術(shù)組成，圖1中陰影部分表示6個異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的共同覆蓋區(qū)域，用戶在此區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布，假設(shè)每個用戶終端同時運(yùn)行多種業(yè)務(wù)。

圖1 異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)場景

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（3GPP）將業(yè)務(wù)類型劃分為4類，分別是會話類、流媒體類、交互類以及背景類。會話類業(yè)務(wù)是實時性的，對傳輸時延和時延抖動要求高，對分組丟失率要求低；流媒體類業(yè)務(wù)也是實時性的，但沒有會話類業(yè)務(wù)那樣嚴(yán)格，對吞吐量和時延抖動要求較高，對傳輸時延要求較低并允許一定的分組丟失率和分組錯誤率；交互類業(yè)務(wù)對傳輸時延的要求取決于人們的容忍度，對時延抖動沒有要求但對分組丟失率要求極高，理想化情況下要求零分組丟失率；背景類業(yè)務(wù)對傳輸時延沒有要求，但同交互類業(yè)務(wù)一樣，要求零分組丟失率。本文考慮 3種業(yè)務(wù)類型，分別是會話類業(yè)務(wù)、流媒體類業(yè)務(wù)以及交互類業(yè)務(wù)，這3種業(yè)務(wù)具有優(yōu)先權(quán)值W1、W2、W3，且W1+W2+W3=1。由于不同類型的業(yè)務(wù)QoS需求有很大差異，當(dāng)為多業(yè)務(wù)終端選擇網(wǎng)絡(luò)時，如果終端所有業(yè)務(wù)都選擇各自最合適的網(wǎng)絡(luò)，將會大大增加耗電量，同時，目前絕大多數(shù)移動終端僅支持多種業(yè)務(wù)接入一個網(wǎng)絡(luò)，因此，本文研究多業(yè)務(wù)終端接入單網(wǎng)絡(luò)的問題。終端多業(yè)務(wù)并行傳輸模型如圖2所示。

圖2 終端多業(yè)務(wù)并行傳輸模型

為了解決多業(yè)務(wù)終端網(wǎng)絡(luò)選擇問題，本文提出了基于協(xié)同學(xué)的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)選擇算法，算法的功能結(jié)構(gòu)如圖3所示（虛線框內(nèi)容表示使用的方法）。該結(jié)構(gòu)主要包括3個模塊：EW模塊，獲得網(wǎng)絡(luò)屬性客觀權(quán)重；AHP模塊，獲得不同業(yè)務(wù)下的網(wǎng)絡(luò)屬性主觀權(quán)重；協(xié)同學(xué)模塊，獲得復(fù)合系統(tǒng)熵值以便對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行排序。

圖3 算法功能結(jié)構(gòu)

3 基于協(xié)同學(xué)的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)選擇算法

為了得到更為合理的網(wǎng)絡(luò)屬性權(quán)重值，首先采用EW和AHP分別求得客觀權(quán)重和主觀權(quán)重。

對于EW，假設(shè)有N個網(wǎng)絡(luò)和M個網(wǎng)絡(luò)屬性，用戶終端上存在S種業(yè)務(wù)類型。建立網(wǎng)絡(luò)決策矩陣ijx表示第i個網(wǎng)絡(luò)的第j個屬性值。為了消除屬性的量綱效應(yīng)，需要對屬性值進(jìn)行規(guī)范化，通常采用的規(guī)范化方法是極差法[9]。假設(shè)規(guī)范化后的評價矩陣為再對評價矩陣進(jìn)行處理，得到第i個網(wǎng)絡(luò)的第j個標(biāo)準(zhǔn)化屬性值為：

由信息熵的定義，得到屬性j的信息熵為：

從而屬性j的客觀權(quán)重為：

（1）對判斷矩陣A所有列向量做歸一化處理得：

（2）對歸一化處理后的判斷矩陣按行求和得：

協(xié)同學(xué)是研究系統(tǒng)從無序狀態(tài)演變?yōu)橛行驙顟B(tài)的理論，認(rèn)為一個系統(tǒng)是由大量子系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)合系統(tǒng)，在一定條件下，各子系統(tǒng)之間通過非線性的相互作用產(chǎn)生協(xié)同現(xiàn)象和相干效應(yīng)，使系統(tǒng)形成了具有一定功能的自組織結(jié)構(gòu)，并在宏觀上形成新的有序狀態(tài)。序參量是協(xié)同學(xué)的一個重要概念，支配著各子系統(tǒng)的運(yùn)動，并通過自組織的方式形成系統(tǒng)最終的結(jié)構(gòu)。

本文將協(xié)同學(xué)理論應(yīng)用到異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)選擇領(lǐng)域中，將多業(yè)務(wù)終端網(wǎng)絡(luò)選擇問題看作一個系統(tǒng)化的問題，從網(wǎng)絡(luò)和終端角度考慮網(wǎng)絡(luò)選擇，把每一個可選網(wǎng)絡(luò)看作一個復(fù)合系統(tǒng)，并由會話類業(yè)務(wù)、流媒體類業(yè)務(wù)以及交互類業(yè)務(wù)這3個子系統(tǒng)構(gòu)成。這里假設(shè)復(fù)合系統(tǒng)其中h1、h2和3h分別表示會話類業(yè)務(wù)、流媒體業(yè)務(wù)以及交互類業(yè)務(wù)這3個子系統(tǒng)，每一個子系統(tǒng)包含衡量網(wǎng)絡(luò)性能的4種網(wǎng)絡(luò)屬性以及滿足各自QoS需求的網(wǎng)絡(luò)屬性閾值，這4種網(wǎng)絡(luò)屬性分別是帶寬（bandwidth，B）、分組時延（packet delay，D）、分組抖動（packet jitter，J）和分組丟失率（packet loss，L），這3個子系統(tǒng)間的協(xié)同程度反映了可選網(wǎng)絡(luò)的宏觀性能，協(xié)同度越大，網(wǎng)絡(luò)性能越好，越能更好地滿足終端多業(yè)務(wù)QoS需求。

考慮N個無線網(wǎng)絡(luò)和M個網(wǎng)絡(luò)屬性，將第l個子系統(tǒng)lh（ 1,2,3l= ）對應(yīng)的序參量變量定義為序參量變量由序參量分量構(gòu)成，其中ijx表示第i個網(wǎng)絡(luò)的第 j個屬性值，βlj表示滿足第l種業(yè)務(wù)QoS需求的網(wǎng)絡(luò)屬性j的閾值。

網(wǎng)絡(luò)屬性通常分為效益型屬性和成本型屬性，效益型屬性是指屬性取值越大，網(wǎng)絡(luò)性能越好；成本型屬性是指屬性取值越小，網(wǎng)絡(luò)性能越好。為了能夠表示每個子系統(tǒng)序參量分量的有序度，選用sigmoid效用函數(shù)[10]對第i個網(wǎng)絡(luò)屬性值進(jìn)行規(guī)范化。對于效益型屬性，序參量分量有序度定義為：

對于成本型屬性，序參量分量有序度定義為：

子系統(tǒng)的性能不僅取決于序參量分量有序度的大小，還取決于所有序參量分量之間的協(xié)同程度，通過對進(jìn)行集成來反映子系統(tǒng) hl的有序度，集成方式定義為：

其中，wlj表示第l種業(yè)務(wù)類型下網(wǎng)絡(luò)屬性j的綜合權(quán)重值，滿足：

其中，lW表示業(yè)務(wù)優(yōu)先權(quán)，表示第l種業(yè)務(wù)類型下網(wǎng)絡(luò)屬性j的權(quán)重值，是由AHP和EW得到的復(fù)合權(quán)重，計算式為：

子系統(tǒng)lh的有序度越大，其性能表現(xiàn)越好。為了能夠最終比較可選網(wǎng)絡(luò)之間的性能優(yōu)勢，需要知道所有子系統(tǒng)之間的協(xié)同程度，根據(jù)參考文獻(xiàn)[11]，系統(tǒng)的有序程度可以用信息論中熵值的大小來表示，因此利用熵的概念反映子系統(tǒng)間的協(xié)同程度，具體表示為：

經(jīng)過式（12）得到的復(fù)合系統(tǒng)熵值越小，系統(tǒng)整體有序度越好，那么對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)i（1iN≤≤ ）就是終端所要選擇的最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)。

4 仿真與性能分析

為了能夠?qū)μ岢龅乃惴ㄟM(jìn)行性能分析，本文考慮的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)仿真場景中包括3種無線接入技術(shù)，分別是UMTS、WLAN和WiMAX，每種無線接入技術(shù)都有兩個網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。選取的網(wǎng)絡(luò)屬性包括帶寬（B）、分組時延（D）、分組抖動（J）和分組丟失率（L），每種業(yè)務(wù)的QoS需求見表1[12,13]，網(wǎng)絡(luò)屬性參數(shù)取值范圍見表 2[11]。由于外部因素的影響，網(wǎng)絡(luò)屬性的大小總是在不斷變化，考慮到這一實際情況，利用馬爾可夫鏈來模擬這些屬性的變化情況。假設(shè)這4種屬性的馬爾可夫狀態(tài)數(shù)分別是10、20、20和30，隨著時間的變化，相鄰兩個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移概率是 /2P ，狀態(tài)保持不變的概率是1 P? 。同時，本文考慮所有業(yè)務(wù)優(yōu)先權(quán)相同，即 W1、W2、W3的大小均為1/3。

表1 每種業(yè)務(wù)的QoS需求

表2 網(wǎng)絡(luò)屬性參數(shù)

假設(shè)仿真場景內(nèi)的所有用戶終端都同時進(jìn)行3種業(yè)務(wù)類型，分別是會話類業(yè)務(wù)、流媒體類業(yè)務(wù)以及交互類業(yè)務(wù)。3種業(yè)務(wù)的QoS需求不同，利用AHP建立的3種業(yè)務(wù)對應(yīng)的判斷矩陣見表3。

表3 不同業(yè)務(wù)對應(yīng)的判斷矩陣

仿真中采用改進(jìn)的 TOPSIS算法與所提算法（SYN）進(jìn)行比較。改進(jìn)的 TOPSIS算法與傳統(tǒng)TOPSIS算法相比，都先假設(shè)一個正理想方案和一個負(fù)理想方案，通過計算候選方案與正、負(fù)理想方案的距離來排序，但是前者還考慮了業(yè)務(wù)優(yōu)先權(quán)影響因子，從而能夠?qū)⑵鋺?yīng)用到多業(yè)務(wù)終端選擇網(wǎng)絡(luò)的情況中。終端選擇網(wǎng)絡(luò)的過程仿真 40萬次，最后取平均得到統(tǒng)計量的值。圖4～圖6分別表示會話類業(yè)務(wù)、流媒體類業(yè)務(wù)和交互類業(yè)務(wù)下所選網(wǎng)絡(luò)的4種屬性值隨狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率P變化的仿真曲線，常數(shù)曲線表示滿足每種業(yè)務(wù)要求的屬性閾值，從圖 4～圖 6可以看到分別由 SYN和TOPSIS得到的網(wǎng)絡(luò)屬性值與屬性閾值之間的關(guān)系。對于效益型屬性，要求屬性值大于屬性閾值，并且屬性值越大，屬性性能越好，越能更好地滿足多業(yè)務(wù)需求，而成本型屬性則與之相反。由圖4～圖6可知，SYN算法不管是吞吐量，還是分組時延、分組抖動以及分組丟失率，性能皆優(yōu)于 TOPSIS算法，能夠更好地滿足業(yè)務(wù)要求。這是因為利用SYN算法求得的屬性綜合權(quán)重是考慮主、客觀兩方面因素的結(jié)果，同時協(xié)同學(xué)保證了各個屬性之間的協(xié)同作用，使終端在選擇網(wǎng)絡(luò)時能夠兼顧到每一種屬性，從而使得最后的決策結(jié)果能夠在分組時延、分組抖動以及分組丟失率等方面都能有較好的性能。

圖4 會話類業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)屬性值與閾值關(guān)系

圖7表示40萬次網(wǎng)絡(luò)選擇過程中同時滿足3種業(yè)務(wù)QoS需求的次數(shù)占總次數(shù)的比例隨狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率P變化的仿真曲線。由圖7可知，基于SYN算法選擇的網(wǎng)絡(luò)在滿足多業(yè)務(wù)QoS需求方面的能力要遠(yuǎn)強(qiáng)于基于 TOPSIS算法選擇的網(wǎng)絡(luò)，且業(yè)務(wù)QoS滿意率可以達(dá)到95%。這是因為復(fù)合系統(tǒng)和子系統(tǒng)是整體和部分的關(guān)系，3個業(yè)務(wù)子系統(tǒng)一直處于合作狀態(tài)，任何一種業(yè)務(wù)QoS需求無法得到保證的話都會影響網(wǎng)絡(luò)的整體性能，即系統(tǒng)協(xié)同度值不大，而終端選擇的是協(xié)同度值最大的網(wǎng)絡(luò)，因此SYN算法的業(yè)務(wù)QoS滿意率較高。而TOPSIS算法只依據(jù)候選方案與正、負(fù)理想方案的距離來選擇網(wǎng)絡(luò)，考慮的是網(wǎng)絡(luò)的整體性能，沒有考慮具體每一種業(yè)務(wù)的需求，從而業(yè)務(wù)QoS無法得到保證，QoS滿意率就相對較低。

圖5 流媒體類業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)屬性值與閾值關(guān)系

圖6 交互類業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)屬性值與閾值關(guān)系

圖7 業(yè)務(wù)QoS滿足率

5 結(jié)束語

本文提出了基于協(xié)同學(xué)的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)選擇算法。由協(xié)同學(xué)將每個候選網(wǎng)絡(luò)看作一個復(fù)合系統(tǒng)，用戶終端上同時運(yùn)行多種業(yè)務(wù)，每一種業(yè)務(wù)都是復(fù)合系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)。利用AHP和EW得到每種業(yè)務(wù)下的網(wǎng)絡(luò)屬性綜合權(quán)重，并與子系統(tǒng)的序參量分量結(jié)合得到子系統(tǒng)的協(xié)同度，最后根據(jù)熵的概念得到復(fù)合系統(tǒng)熵值，由熵值大小選擇最好的網(wǎng)絡(luò)。仿真結(jié)果表明，基于所提算法選擇的網(wǎng)絡(luò)性能更好，能夠為終端業(yè)務(wù)提供滿意的QoS，在滿足多業(yè)務(wù)QoS需求的能力上要遠(yuǎn)強(qiáng)于TOPSIS算法。

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駱冉（1992?），男，南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院碩士生，主要研究方向為異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)選擇技術(shù)。

趙夙（1964?），女，南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院書記、副教授，主要研究方向為移動通信與無線技術(shù)。

朱琦（1965?），女，南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院教授，主要研究方向為移動通信與無線技術(shù)。

Network selection algorithm based on synergetic for heterogeneous wireless network

LUO Ran1,2, ZHAO Su1,2, ZHU Qi1,3
1. College of Telecommunications & Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China 2. National Mobile Communications Research Laboratory, Southeast University, Nanjing 210003, China 3. Jiangsu Key Lab of Wireless Communications, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China

A network selection algorithm based on synergetic for heterogeneous wireless network was proposed. The algorithm considered the network selection as a systematic problem. The optional network was a composite system and each kind of service running on the terminal was a subsystem. The entropy of the composite system was obtained according to the concept of entropy and it can reflected the degree of coordination among the subsystems, which in turn reflected the overall performance of the network. The simulation results show that the QoS satisfaction rate of services based on the proposed algorithm is 95%, while the QoS satisfaction rate of services based on the TOPSIS algorithm is only 25%, and the performance of the former is improved by nearly four times, indicating that the problem of multi-service terminal network selection can be solved by the proposed algorithm.

multi-service terminal, synergetic, QoS satisfaction rate, network selection

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2017092

2017?02?07；

2017?03?29

國家自然科學(xué)基金資助項目（No.61571234，No.61631020）；東南大學(xué)移動通信國家重點實驗室開放研究基金資助課題（No.2015D10）

Foundation Items：The National Natural Science Foundation of China (No.61571234, No.61631020),Open Research Fund of National Mobile Communications Research Laboratory, Southeast University (No.2015D10)