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        基于用戶需求的WLAN接入選擇算法

        2018-10-22 06:56:08趙章明夏珅寧郭長綏
        軟件工程 2018年7期
        關鍵詞:無線局域網用戶需求層次分析法

        趙章明 夏珅寧 郭長綏

        摘 要:隨著當前WLAN設備和用戶爆發(fā)式增長,許多公共場所都大量部署WLAN以滿足人們的無線通信需求。面對當前WLAN密集部署的現(xiàn)狀,用戶該如何根據(jù)自己的需求選擇最優(yōu)的WLAN接入,是影響到用戶通信體驗和資源合理利用的重要問題。針對不同業(yè)務用戶對網絡性能的需求和偏好,設計了一種基于用戶需求的WLAN接入選擇方法。該方法首先通過用戶移動速度區(qū)分用戶類型,禁止高速移動用戶接入WLAN,以避免不必要的切換;然后基于用戶業(yè)務對信號強度、帶寬、時延、抖動、丟包率等WLAN網絡屬性的需求,利用層次分析法求出各屬性的權重,并以此為基礎設計了多屬性決策機制,以找出最優(yōu)AP接入。OPNET網絡仿真驗證表明,該接入方法減少了不必要的切換,降低了切換失敗概率,提高了網絡性能。

        關鍵詞:無線局域網;接入選擇;用戶需求;層次分析法;逼近理想解排序法

        中圖分類號:TP393 文獻標識碼:A

        文章編號:2096-1472(2018)-07-05-05

        1 引言 (Introduction)

        近年來,隨著隨互聯(lián)網技術和應用的迅猛發(fā)展,以及平板電腦、智能穿戴設備等種類繁多的無線終端日益普及,人們對無線網絡的需求在不斷的擴大。基于IEEE 802.11的無線局域網(Wireless Local Area Network,WLAN)由于其速度快、成本低和接入靈活等特點,已成為目前發(fā)展最好、應用最廣泛的無線通信技術之一[1]。在許多人員密集的公共場所,尤其是車站、商場等公共場所,都部署有大量的WLAN接入點(Access Point,AP),以滿足人們的無線上網需求[2]。面對這些密集部署的WLAN,用戶該如何根據(jù)自己的需求,選擇最優(yōu)的WLAN接入,是影響到用戶通信體驗和資源合理利用的重要問題[3]。

        用戶在接入WLAN時,其對網絡的需求其實質上是用戶所使用的網絡業(yè)務對WLAN的性能需求。根據(jù)3GPP的標準,網絡業(yè)務可以分為會話業(yè)務、流業(yè)務、交互業(yè)務和背景業(yè)務四類[4]。因此,在WLAN網絡中,針對如何根據(jù)不同業(yè)務的特性及對網絡的需求,選擇合適的判決參數(shù)并利用這些參數(shù)選擇合適的WLAN接入,以減少用戶接入網絡后的切換次數(shù)和切換失敗概率,提升網絡資源利用率和網絡性能,本文提出了一種基于用戶需求的WLAN接入選擇算法。

        2 問題描述與算法基本思想 (Problem description

        and basic idea)

        在WLAN接入選擇算法中,最為常見的是基于用戶接受信號強度(Received Signal Strength Indication,RSSI)進行網絡選擇[5]。然而在實際應用中,用戶的具體需求對網絡的接入選擇有很大影響。特別是當用戶首次接入WLAN時,貼合用戶需求的接入方式能夠減少后續(xù)切換次數(shù),提高網絡服務質量(Quality of Service,QoS)[6]。

        由于用戶在使用WLAN時,對網絡的需求實際上是用戶所使用的網絡業(yè)務對網絡性能的需求。所以本文首先根據(jù)3GPP標準,將用戶的業(yè)務分為會話業(yè)務、流業(yè)務、交互業(yè)務和背景業(yè)務四類。其中,會話類業(yè)務,如VoIP、可視電話等業(yè)務,實時性較高,這類業(yè)務要求網絡端到端延時和抖動較??;流業(yè)務,如網絡視頻、網絡直播等流媒體業(yè)務,一般對網絡帶寬需求較高,但是能夠接受一定的時延和丟包;交互類業(yè)務,如網頁瀏覽、網絡游戲等,其最大特點是對網絡的丟包率十分敏感;背景類業(yè)務,如收發(fā)郵件、后臺刷新等,其特點是對網絡的時延幾乎沒有要求。本文總結了不同類別的業(yè)務對網絡性能指標的要求,詳見表1。

        除了上述帶寬(Bandwidth)、時延(Delay)、抖動(Jitter)、丟包率(Lost rate)四個網絡性能指標之外,本文還考慮到WLAN的接收信號強度(RSSI)和用戶的移動速度(Velocity)兩個指標對接入網絡決策的影響,定義WLAN接入選擇決策因子集F:

        針對以上的眾多決策因子的影響,本文的接入選擇算法可以抽象為多約束條件下的切換決策方法,需要重點解決的問題是如何根據(jù)用戶的需求計算各個決策因子的權重。

        算法的基本思想為:先根據(jù)移動速度將用戶劃分為高速移動用戶和低速移動用戶兩類。由于WLAN的覆蓋范圍較小,高速移動的用戶接入WLAN會產生許多不必要的切換,所以一般不允許接入;對于低速移動用戶,當當前接入點的信號強度低于某一設定閾值或者發(fā)現(xiàn)新的AP信號強度大于當前AP信號時,觸發(fā)接入選擇,并開始收集網絡信息,建立決策屬性集。然后,根據(jù)每個用戶當前運行的應用對網絡的需求分別計算權重,最后綜合得到每個用戶對網絡屬性的偏好權重。算法的基本流程如圖1所示。

        3 算法設計(Algorithm design)

        3.1 基于用戶需求的權重向量計算

        本文采用層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)來解決在多個AP中選擇最優(yōu)接入的問題。AHP是一種多目標決策工具,將復雜的問題分解為目標、標準、方案等多個層次子問題[7]。其中目標層是決策的目標,在本文中為選擇最優(yōu)的AP接入;方案層為決策時可選的方案,本文中為用戶接入WLAN所有可選的AP;準則層在決策過程中需要考慮的決策因素和準則,本文中考慮的決策因素有帶寬(B)、時延(D)、抖動(J)、丟包率(L)和信號強度(R)。本文構造的層次分析法的層級結構如圖2所示。

        層次分析法的本質是將已經分好層次的各個屬性進行兩兩對比,以確定各個屬性的主觀權重。為了對比兩個元素,我們需要一定的數(shù)字尺度來表示對比雙方的重要程度,表2展示了這個尺度。

        建立比較判決矩陣為:

        然后采用特征根法計算權重。特征根法也被稱為特征向量法或冪法,用來求解判決矩陣特征根。

        其中,和分別是判決矩陣的最大特征根和特征向量,歸一化后就是所求的權重向量。也就是對同階段始向量,反復乘以判決矩陣,依次得到,即

        其具體計算步驟如下:

        成立時,則即為所求矩陣的最大特征根對應的權重特征向量。

        用來表示WLAN中的AP,用表示用戶節(jié)點上所運行的移動業(yè)務。當移動終端(MS)觸發(fā)切換操作后,首先根據(jù)前文提出的權重計算方法求出每個應用對于帶寬(B)、時延(D)、抖動(J)、丟包率(L)和信號強度(R)的偏好,則移動節(jié)點運行的業(yè)務對于帶寬、時延、抖動、丟包率和信號強度的權重向量為:。則該用戶對于這些決策因子的權重向量為,其中

        該權值計算方法的偽代碼為:

        Pseudo Weight computing algorithm

        1 Begin

        2 input and update decision matrix

        3 q=0;

        4 while do

        5

        6

        7 q=q+1

        8 end while

        9 return

        10 End

        3.2 網絡接入決策

        根據(jù)上文的描述和分析,將基于用戶需求的WLAN接入選擇轉化成了基于n個候選AP的五個網絡屬性(帶寬、時延、抖動、丟包率和信號強度)的多屬性決策問題。可以利用TOPSIS方法[8]將之轉換為五維空間的n個點構成的幾何系統(tǒng)中距離求解問題。將所有的方案可以看作是該五維空間中的點,方案的屬性就是坐標,然后求出正理想解和負理想解,最后求每個方案相對于正、負理想解的相對接近程度,根據(jù)方案與正、負理想解的距離貼近度來判斷接入方案的優(yōu)劣。其具體步驟為:

        (1)接入方案的判決矩陣如式(2),由于在該矩陣中候選AP的五個屬性的量綱各不相同,所以首先需要對其中所有的屬性進行歸一化處理:

        其中,為效益型指標,為成本性指標,在本文研究的WLAN屬性中,延遲、丟包率、抖動屬于成本性指標,而帶寬和信號強度屬于效益型指標。

        (4)計算各備選方案與理想方案的距離:

        (5)計算備選方案與理想解的相對貼近程度:

        當趨近于1時,方案越趨近于正理想解。則不考慮中繼情況下,該切換算法的目標函數(shù)為:。移動用戶在切換過程中需要的候選AP信息由當前連接的AP提供,這樣的切換策略可以有效減少切換過程中MS的通信,降低切換時延,減少干擾。

        4 算法仿真與性能分析(Algorithm simulation and performance analysis)

        4.1 OPNET仿真平臺介紹

        OPNET(Optimized Network Engineering Tools)網絡仿真軟件是目前世界上最先進的網絡仿真開發(fā)和應用平臺之一。本文使用OPNET Modeler 14.5仿真工具對基于802.11的WLAN接入選擇進行模擬仿真。

        為了可以詳細地描述網絡特性,OPNET Modeler采用了階層性的模擬方式(Hierarchical Network Modeling),為用戶提供了三層建模機制,從上到下分別為:網絡模型(Network Model)、節(jié)點模型(Node Model)和進程模型(Process Model)[9,10]。

        (1)進程模型。模擬單個對象的功能,使用有限狀態(tài)機方式建模。每個狀態(tài)內可以寫入任意的C/C++代碼和自帶的核心函數(shù),用于定義功能模塊中各事件間的控制流,使用狀態(tài)圖描述模塊的狀態(tài)和狀態(tài)切換的控制流。

        (2)節(jié)點模型。用于定義網絡節(jié)點的結構和描述節(jié)點內部模塊之間的信息流;將各進程模塊互聯(lián)成設備,建立符合相關協(xié)議的可翻頁設備特點的節(jié)點模型。

        (3)網絡模型。將各節(jié)點模型互聯(lián)成網絡,設定網絡的拓撲結構,將模型庫中的通信實體直接拖放至工作區(qū)完成拓撲配置,并通過屬性對話框配置設備的基本屬性。

        OPNET Modeler對WLAN的支持主要體現(xiàn)在Wireless LAN模塊上,WLAN模塊的參數(shù)屬性界面如圖3所示。

        該模塊所包含的信息是基于IEEE802.11協(xié)議,基本實現(xiàn)了標準WLAN中的各種行為和特征,包括接入機制、漫游、移動IP、幀交換次序、幀間隔和退避機制、數(shù)據(jù)速率等,OPNET Modeler 14.5中IEEE 802.11無線局域網的有限狀態(tài)機結構如圖4所示。

        4.2 仿真設計

        將本文提出的基于用戶需求的切換算法與傳統(tǒng)的基于RSSI的切換算法進行對比試驗。用戶的移動模型采用隨機航點模型,移動用戶的速度每5s調整一次,并根據(jù)自身的屬性隨機調整大小和方向,用戶的移動速度從0—15m/s隨機生成,其中將0—2m/s的移動用戶定義為低速運動用戶,而2—15m/s定義為高速運動。對于單個移動用戶,隨機設定t(1≤t≤5)個應用,并且各個應用等概率地屬于會話業(yè)務、交互業(yè)務、流業(yè)務和背景業(yè)務。其他仿真試驗的參數(shù)設置如下:

        4.3 仿真結果分析

        當WLAN網絡的AP數(shù)量和位置不變,不同網絡規(guī)模條件下用戶的平均切換次數(shù)對比如圖5所示。由圖可以看出,隨著移動用戶規(guī)模的逐漸增大,兩種算法的平均切換次數(shù)均有所增加,其中基于RSSI的切換算法票據(jù)切換次數(shù)從3.2次增加到8.2次,而基于用戶需求的切換算法平均切換次數(shù)從1.1次增加到4.3次。但從整體看來,基于用戶需求的切換算法的平均切換次數(shù)小于基于RSSI的切換算法。

        為了進一步比較兩種算法的優(yōu)劣,本文將二者隨著用戶數(shù)量變化平均切換失敗概率進行了統(tǒng)計,結果如圖6所示。通過圖6可以看出,用戶的平均切換失敗率都隨著移動用戶的規(guī)模增加而增大,其中基于RSSI的切換算法增加趨勢較快,當用戶達200人時其切換失敗概率為43%,而基于用戶需求的切換算法為26%。究其原因,本文提出的基于用戶的切換算法通過移動速度區(qū)分了節(jié)點類型,避免了高速移動用戶接入WLAN,可以減少切換次數(shù)和切換失敗率;同時,基于RSSI的切換算法僅僅依靠接收信號強度作為決策依據(jù),沒有考慮網絡的負載,容易造成網絡擁塞,造成較高的切換失敗概率。

        本文提出的基于用戶需求的切換算法,充分考慮了各應用對網絡性能的不同需求,其中典型的代表是對網絡帶寬要求較高的流媒體業(yè)務和對時延敏感的會話類業(yè)務。下面首先在對兩種算法在不同用戶規(guī)模下的平均帶寬進行比較,試驗結果如圖7所示。圖中曲線表明,兩種切換算法獲得的平均帶寬都隨著移動用戶數(shù)量增加而降低,且基于RSSI的切換算法下降趨勢更快。當用戶數(shù)量較少時,基于RSSI的切換算法的平均帶寬大于本文提出的基于用戶需求的切換算法,但是隨著用戶數(shù)量的增加,基于用戶需求的切換算法表現(xiàn)優(yōu)于基于RSSI的切換算法。其產生原因是,在移動用戶規(guī)模較小時,網絡的負載較輕,對于用戶而言,信號越強的AP能夠提供越強的帶寬,但是隨著用戶逐漸增多,網絡中可能出現(xiàn)擁塞的情況,而基于用戶需求的切換算法能夠基于用戶的業(yè)務類型對網絡的需求,然后綜合這些需求求出決策偏好權重,較之與基于RSSI的切換算法,能夠更加合理地利用網絡資源,均衡網絡的負載。

        圖8是兩種算法在不同用戶規(guī)模條件下的平均切換時延對比,可以看出隨著用戶規(guī)模的增加,兩種算法的切換時延都在增加,且增幅均不大。但是從整體而言,本文提出的基于用戶需求的切換算法時延略大于基于RSSI的切換算法。其原因主要是基于用戶需求的切換算法需要根據(jù)用戶的業(yè)務綜合決策,所以造成切換時延較高。

        5 結論(Conclusion)

        本文提出了一種基于用戶需求的WLAN接入選擇算法,并通過OPNET仿真分析了算法的性能和有效性??梢钥闯鲈摻尤脒x擇方法能夠在用戶初次接入WLAN時,全面地考慮用戶在使用WLAN網絡時各種類型業(yè)務對網絡的需求,綜合用戶對WLAN各屬性的權重向量,并以此為基礎進行多屬性接入決策。仿真結果表明,該接入算法能夠減少不必要的切換和降低切換失敗概率,能夠提高網絡性能,以及網絡資源利用率。

        參考文獻(References)

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        [7] 鄧雪,李家銘,曾浩健,等.層次分析法權重計算方法分析及其應用研究[J].數(shù)學的實踐與認識,2012,42(7):93-100.

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        作者簡介:

        趙章明(1993-),男,碩士,助理工程師.研究領域:計算機網絡,人工智能.

        夏珅寧(1979-),男,碩士,工程師.研究領域:計算機技術.

        郭長綏(1981-),男,本科,工程師.研究領域:數(shù)據(jù)處理.

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