基于模糊多因素綜合判決的無線異構網絡垂直切換算法

張治學，李哲青，王 輝

(河南科技大學 網絡信息中心， 河南 洛陽 471023)

目前，“無線城市”已經成為發展未來網絡通信的新理念，其目標是實現任何時間、任何地方與任何人進行任何形式的透明通信。實現這一目標的關鍵技術之一是無線異構網絡融合。

作為無線局域網(WLAN)的重要代表，WiFi(IEEE802.11)網絡具有布設靈活、帶寬高、覆蓋范圍小的特點。作為目前無線城域網(WMAN)常用技術，WiMAX(IEEE802.16)無線網絡具有覆蓋范圍廣、帶寬適中等特點。WIMAX的無線信號傳輸距離最遠可達50 km，可覆蓋半徑達1.6 km的范圍，是3G 基站的傳輸距離的10倍。此外，WIMAX可實現向用戶提供具有QoS性能的視頻、話音、數據等業務[1]。因此，實現WiFi與WiMAX的網絡融合對無線網絡組網模式具有重要意義。

1 無線異構網絡融合技術

垂直切換即異構網絡之間的切換，一般分三個階段：(1)網絡切換的發起階段。首先是網絡發現，即檢測那些可以到達的網絡。(2)網絡切換的判決階段。在此階段，對所有可以到達的網絡按照一定的規則進行評判，并選擇最適合網絡。(3)網絡切換實施階段。在這一階段，完成網絡切換判決之后，具體實施網絡的切換工作。當前無線網絡中的用戶，根據周期性的測量結果和判決規則，決定用戶是否需要切換到目標網絡。判決標準取決于用戶要求的服務質量參數或網絡參數。

目前，垂直切換技術在切換效率、切換控制、切換判決和切換性能等方面仍然面臨極大的挑戰，現有技術仍存在許多局限性，主要表現在：(1)垂直切換性能的優化困難，包括切換次數、切換丟包、切換延時和切換信令等方面的優化。要保證底層接入技術的無關性，垂直切換技術必須在網絡高層實現，而在網絡高層實現通用性又可能對通信性能造成影響。(2)缺乏高效、可行的垂直切換判決方法。由于垂直切換判決是十分典型的多標復合推理判決，現有技術多存在可行性差、頻繁切換明顯、網絡資源利用率不高等缺點。

目前，人們對垂直切換技術的研究主要分為三種類型：

(1)基于無線信號強度比較的判決方法。該方法以移動終端接收到不同無線網絡接入點的信號強度作為主要參考因素，采用某個標準作為信號強度門限值，根據接收到的無線網絡信號強度高于或低于門限值來決定是否執行接入或切出無線網絡操作[2]。

(2)基于移動終端的切換判決方法。該方法除考慮無線網絡的信號強度和網絡的可用性之外，還需結合服務提供商的可用帶寬、功耗、業務類型和用戶偏好等多個因素作出判決。通過構建代價函數來計算和評估最優的接入網絡[3]。

(3)基于人工智能或模糊邏輯，并結合多種網絡參數和用戶特性的多維判決方法。該方法基于模糊推理系統和神經元網絡，建立具有自適應的無線網絡垂直切換算法，以便在異構網絡環境中能準確地判決出將要切換到的目標網絡[4]。

本質上，異構網絡的垂直切換決策是一個多因素綜合決策問題，應根據當前可用網絡的不同特點和所運行業務的不同需求，以及用戶終端的特性和用戶偏好、終端移動速度、目標網絡服務等多個因素進行綜合判斷[5-6]。模糊控制是一種能夠基于復雜信息的非線性、不完整和不確定性判決方法。由于無線電信號有很多模糊的性質，選用多因素切換判決機制，結合模糊邏輯能有效解決實際中很多參數不精確性問題[7]。

本文提出一種基于模糊綜合評判理論，綜合考慮無線異構網絡切換過程中多種類別因素，進行目標網絡與當前網絡的優質度對比，通過選擇最佳的切換時刻和目標網絡，實現異構網絡融合的垂直切換算法。以WiFi網絡與WiMAX為例，在NS2網絡模擬環境下對提出的垂直切換算法進行仿真實驗。

2 基于模糊綜合的多因素判決

模糊控制是一種基于規則的控制，不需要已知被控對象的精確數學模型，直接采用語言型控制規則，因此模糊控制對那些參數動態特性不易掌握或變化較快的對象非常適用，已成功應用于很多工業生產過程、智能家用電器、復雜對象預測、智能醫療診斷等非線性、非平穩和自適應系統的控制。鑒于模糊控制的諸多優點，本文將模糊綜合理論應用于WiFi網絡與WiMAX網絡的切換管理。

模糊控制系統由模糊器、模糊規則庫、模糊推理和解模糊器四部分組成[8-9]。其邏輯框圖如圖1所示。

圖1 模糊控制系統

模糊器實現隸屬函數的模糊化處理，將測得的輸入變量值或輸入的語言類信息轉化為模糊集合隸屬函數表示的某一模糊值，即一個對應的隸屬函數值。模糊關系是輸入模糊器的集合I與解模糊器輸出集合O之間的對應關系， I與O集合的全部對應關系構成一個規則庫(Rule base)，由規則庫的規則決定輸入與輸出之間的模糊關系。

模糊推理根據規則庫中的模糊關系對經過模糊器處理的值進行推理匹配，尋找出相應的輸出信息。解模糊器的功能和模糊器的功能正好相反，其作用是將一個模糊集合轉換成一個明確的動作。

本文選取信號強度、終端移動速度和信噪比三種參數作為判決機制的輸入，并選用高斯隸屬函數對以上參數進行模糊化處理。經過模糊器處理后，每種參數劃分為高(H)、中(M)、低(L)三個等級。高斯隸屬函數表示為：

(1)

式(1)中 ，σi,mi分別表示參數的標準方差和抖動因子，x表示自變量。

模糊規則庫是模糊控制系統的重要組成部分，其中語言規則是模糊邏輯推理的依據。本文定義信號強度、終端移動速度和信噪比三個模糊變量和“高”、“中”、“低”三檔組成模糊集，模糊規則共有33=27條。這些規則按照投票表決機理生成。三個參數變量相當于三個代表，可以產生9種表決結果。將這9種表決結果，用數字1～9來表示移動終端對當前服務基站的隸屬度，對應于切換到候選基站臺的可能性程度。其中1代表對當前基站隸屬度最低，即一般切換不到本基站，切換到其他候選基站的可能性最大；9代表對當前基站的隸屬度最高，即切換到本基站的可能性最高，切換到其他基站的可能性最小。

所有規則語句的作用可歸納為：

(2)

式(2)中μFi(PFi)表示各模糊變量對于模糊集的隸屬度。首先經過模糊規則推理出模糊量，其次經過去模糊過程得到對于基站的隸屬度。去模糊過程表示如下：

(3)

式(3)中y1表示第1條規則的輸出，可以從規則庫中獲取，Ma表示對于基站的隸屬度。

移動終端通過監測不同網絡的信號強度、信噪比及自身移動速度等參數，將這些參數信息輸入到模糊控制系統中，得到移動終端對當前接入點和候選接入點的隸屬度。經過比較器比較，輸出切換判決。如果當前接入點的隸屬度低于隸屬度閾值，而另一個最佳候選接入點的隸屬度高于當前接入點的隸屬度，且大于遲滯隸屬度值時，切換到最佳候選接入點。

3 仿真實驗

在NS2網絡模擬器中進行仿真實驗。實驗環境設置為：在一個WiMAX網絡覆蓋的區域內有多個AP基站，AP覆蓋熱點區域，用戶終端以一定速度在該區域內移動。用戶終端從熱點區域進入WiMAX區域(無AP覆蓋)，再由WiMAX區域(無AP覆蓋)進入另一個熱點區域。實驗場景如圖2(1)所示。在此過程中，分別采用傳統的基于單因素(信號強度)的判決算法和采用模糊綜合評判算法進行切換判斷。實驗環境仿真參數見表1。

圖2 實驗場景及用戶終端起始和目標位置

仿真參數預設值WiMAX覆蓋半徑1 200 mWiFi AP覆蓋半徑50 m用戶終端恒定移動速度3 m/s用戶終端變速移動速度范圍2～6 m/s終端觸發周期300 ms

采用模糊綜合評判算法進行切換判決過程中，用戶終端周期性地收集網絡信息，如信號強度、信噪比和自身移動速度，經綜合模糊計算得到當前網絡與目標網絡的優先性級別，當發現當前網絡優先性級別低于目標網絡時，啟動切換過程，完成網絡切換。用戶終端從WiFi網絡進入WiMAX網絡切換過程和從WiMAX網絡進入WiFi網絡切換過程如圖3所示。

本實驗中，設置用戶終端在設定范圍內以恒定速度和變速兩種情況，從一個熱點區域(WiFi覆蓋)移出，經過WiMAX覆蓋區域，進入另一個熱點區域，然后返回到原來位置。移動終端有4個起始位置(P1, P2, P3, P4)，目標位置為P5，如圖2(1)所示。

用戶終端移動路線共有4種，每種路線進行10次實驗，分恒速和變速兩種情況，共得到80組實驗數據。再利用NS-2.30的數據分析工具，對每一次實驗得到的切換次數和切換時的帶寬進行統計。切換判決采用傳統單門限切換判決方法和基于模糊綜合切換判決算法。單因素判決算法采用信號強度觸發切換動作，模糊綜合評判算法的綜合信號強度、信噪比與移動終端速度進行切換動作的觸發。兩種算法的平均切換次數和切換時的平均帶寬對比結果見圖4和圖5。

圖3 垂直切換判決過程

圖4終端恒速移動時平均切換次數與平均帶寬對比

圖5終端變速移動時平均切換次數與平均帶寬對比

對比發現，使用基于模糊綜合切換判決的切換判決方法，能明顯地降低切換次數，減少“乒乓效應”，切換時機較好，能保持用戶帶寬的相對穩定。這是因為模糊邏輯本身具有對多個模糊值進行綜合分析處理的能力，能在一定情況下避免或減少當兩個網絡的模糊判決值相近時不必要的切換。與傳統的單門限切換判決方法相比較，模糊綜合切換評判算法可以更加準確地對用戶網絡進行切換判決。

4 結論

針對異構網絡融合切換的多因素綜合決策問題，提出了一種綜合考慮移動終端速度、信號強度、信噪比三個因素的模糊綜合評判算法。與傳統單因素切換判決算法相比，提出的模糊綜合切換算法不僅能較準確地進行切換觸發和切換判決，而且能明顯減少用戶不必要的切換次數，降低“乒乓效應”，在切換過程中表現出較好的穩定性。在今后的研究中，本課題組將考慮更多的網絡參數作為切換判決因素，對誤碼率和可用帶寬等切換性能進行更深入的研究。

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