一種改進的基于代價函數的垂直切換算法

樊辰曦，俞成海，何永偉

（1.浙江理工大學信息學院，杭州310018；2.中國農業銀行股份有限公司諸暨市支行，浙江諸暨311817）

一種改進的基于代價函數的垂直切換算法

樊辰曦1，俞成海1，何永偉2

（1.浙江理工大學信息學院，杭州310018；2.中國農業銀行股份有限公司諸暨市支行，浙江諸暨311817）

針對目前有一些切換算法沒有綜合考慮多種屬性以及多種屬性的權重對代價函數產生的影響，導致切換性能不理想的問題，提出一種改進的基于代價函數的垂直切換算法。該算法采用層次分析法來確定多種屬性之間的權重關系，構造比較判決矩陣并檢驗其一致性切換判決，然后利用切換判決代價函數進行垂直切換的判決。實驗結果表明提出的算法能夠綜合考慮各屬性間關系，從而獲得良好的切換性能。

異構網絡融合；垂直切換；層次分析法；代價函數

0 引 言

下一代移動通信系統的特征是多種無線接入技術并存，相互補充，無縫集成。不同的接入技術在帶寬、傳輸時延、覆蓋范圍與移動性支持等方面存在差異，沒有一種單一的無線網絡能夠同時滿足廣覆蓋、低時延、高帶寬、低成本等要求［1-3］。TD-SCDMA系統提供廣域無線覆蓋、支持高移動性，提供語音業務和中、低速數據業務；WiMax提供熱點區域覆蓋，支持游牧移動性，提供高帶寬流媒體數據。兩者具有很強的互補性，兩者聯合組網可以彌補各自的不足［4］。當雙模終端在兩個網絡的重疊覆蓋區域移動時，可以根據業務和負載情況選擇合適的接入網絡。

在異構網絡環境中，為了使移動終端從一種接入網移動到另一種接入網時保持連接不中斷，實現異構網絡間的無縫漫游，研究者提出了垂直切換技術。目前，垂直切換算法大致上可以分為三類：基于RSS判決算法、基于多屬性判決算法、基于人工智能判決算法?；赗SS判決算法比較簡單，易于實現，但算法只考慮接受到的信號強度，比較單一；基于人工智能判決算法在一定程度上判決的結果比較精確，但是算法的計算量和復雜度很大，導致其應用范圍受到限制?；诙鄬傩耘袥Q算法能夠考慮較多的網絡屬性參數，可以綜合評估網絡的性能，算法的復雜度適中，因此受到廣泛的關注［5-6］?；诖鷥r函數算法就屬于多屬性算法的一種。本文提出一種改進的基于代價函數的判決算法，該算法結合層次分析法的思想來確定各屬性之間的權重關系，構造比較判決矩陣并檢驗其一致性切換判決，然后利用切換判決代價函數判斷切換是否執行。

1 層次分析法

AHP（analytic hierarchy process）層次分析法是美國運籌學家Satty教授于20世紀80年代提出的一種實用的多方案和多目標的決策方法。其主要特征是，它合理的將定性與定量的決策結合起來，按照思維、心理的規律把決策過程層次化、數量化。AHP分析問題大體分為以下幾個步驟：構建層次結構模型、構建判斷矩陣、層次單排序以及一致性檢驗［7-8］。

1.1 構建層次結構模型

多屬性判決中使用層次分析法最主要的是決策者形象化地使用屬性層次結構來構造復雜的多屬性決策成為可能。將屬性因素按不同層次聚集組合，形成一個多層分析結構模型，最終歸結為最低層（方案，指標等）相對于最高層（總目標）相對重要的程度的權重。

采用AHP進行權重計算時，可以將網絡問題的每個屬性分配一個權重，并比較各屬性之間的相對性和一致性。本文中，移動終端在TD-SCDMA和WiMAX異構融合網絡間漫游，用戶使用語音業務，使用RSS（接收信號強度）、時延、帶寬、用戶偏好、價格作為網絡的評價屬性，建立層次結構模型如圖1所示。

圖1 網絡選擇層次結構模型

1.2 構建判斷矩陣

通過相互比較確定各準則相對于目標的權重，即構建判斷矩陣。矩陣判斷標度采用1-9標度法（如表1）。

表1 1-9標度法判斷矩陣

表2 語音會話業務

表2中，針對語音會話業務，根據以往經驗，由于用戶對信號強度、時延的要求較高，而且偏愛價格較低的網絡，因此RSS、時延的相對重要性較高，其次為帶寬、價格和用戶偏好。A表示一個矩陣，RSS、時延、帶寬、用戶偏好、價格表示這個矩陣的各個元素，其組成一個5×5的矩陣，aij即為上述元素之比得到數值。

1.3 利用判斷矩陣計算各因素C對目標層Z的權重

1.4 判斷矩陣的一致性檢驗

表3 一致性指標

2 切換判決代價函數

基于代價函數的切換判決算法引入若干參數來計算網絡的代價函數，對不同的網絡條件具有不同的代價參數，如覆蓋網絡的帶寬、覆蓋網絡的資費情況等。本文將從RSS、帶寬、時延、用戶滿意度以及價格方面來比較移動終端在接入到某個覆蓋網絡時所付出的代價函數的大小，以此來決定是否發生判決［10-12］。因此，代價函數公式可以改寫為：

其中wRSS、wd、wb、wc、wl分別為RSS、時延、帶寬、價格、用戶偏好的權重因子，并且滿足條件：wRSS+ wd+wb+wc+wl=1

本文方法的主要思想是根據層次分析法的思想來確定各權重因子的大小，利用層次分析法計算的權值和約為1，然后利用代價函數判決算法，當移動終端發現目標接入網絡的總代價函數值小于當前接入網絡的總代價函數值時，即從中選擇代價函數取值最小的網絡，Costopt=min｛Cost1，Cost2｝。Cost1為TD-SCDMA的代價函數，Cost2為WiMax的代價函數。算法流程圖如圖2所示。

圖2 算法流程

3 仿真實現

3.1 相關業務參數的設定

為了驗證算法的可行性和準確性，設置了一個異構網絡融合場景，如3圖所示。該場景采用松耦合方式進行融合，融合網絡采用的是TD-SCDMA與WiMax網絡的融合，TD-SCDMA的載波頻率是2 000 MHz，WiMax的載波頻率是2 500 MHz，發射功率分別是33、23 dBm。各自的基站坐標為（-700，-400）、（-700，400）、（0，0）、（600，0），移動終端網絡檢測間隔時間為0.02 s，在網絡覆蓋范圍內，移動用戶從坐標（100，0）沿箭頭所指方向一直做勻速直線運動，速度設為5 m/s。對于用戶來說，由于接收到的TD-SCDMA′與WiMAX′的信號強度很弱，因此其并不在候選網絡集中。兩種網絡特性參數的設置均參考文獻［4，13］，其它網絡特性參數如表4。

圖3 異構網絡融合場景

表4 網絡特性參數

設定業務類型為語音會話業務，與文獻［4］相同，其參數設置如表5所示。

表5 業務類型參數

3.3 性能分析

為驗證該算法的優越性，本文將從兩種判決算法的切換次數進行比較，采用Matlab軟件進行仿真，當移動終端在網絡融合區域以5 m/s的速度移動時，移動終端將在網絡之間發生切換，以選擇性能更優的網絡。其運行結果如圖4所示。從圖4中可以看出，由于受到周圍環境因素（如電磁干擾）等的影響，其接收到的信號強度不斷變化，從而在兩個網絡之間進行頻繁的切換；本文算法考慮多種屬性因素對切換產生的影響，并利用層次分析法的思想來確定代價函數的權重關系，其算法運行結果見圖5。從圖5中可以看出，移動節點發生切換的次數明顯減少，由此可見，本文算法可有效減少不必要的切換，抑制乒乓效應的發生。

圖4 傳統的基于RSS的垂直切換算法運行結果

圖5 基于本文算法的運行結果

4 結 語

針對目前異構網絡融合的需求，本文利用對TDSCDMA網與WiMax網之間的垂直切換過程涉及到的性能參數的分析，用層次分析法實現了各屬性參數的權重的計算，并用代價函數來實現網絡之間垂直切換的判決。該算法能夠保證用戶Qos，提高了網絡的綜合性能。

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An Improved VerticaI Handoff AIgorithm Based on Cost Function

FAN Chen-xi1，YU Cheng-hai1，HE Yong-wei2
（1.The School of Information Science and Technology，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018，China；2.Zhuji Branch of the Agricultural Bank of China，Zhuji 311817，China）

Currently，some handoff algorithms fail to overall consider multiple attributes and the weight of multiple attributesimposeimpacts on cost function.Thus，handoff performanceis not ideal.Aiming at these problems，this paper proposes an improved vertical handoff algorithm based on the cost function.The algorithm adopts the analytic hierarchy process（AHP）to confirm the weight relations among multiple attributes.It constructs comparative judgment matrix and tests consistency handover decision，and uses the cost function to complete the judgment of vertical handover.The results show that the algorithm proposed comprehensively considers the relationship between the attributes and reaches good switching performance.

heterogeneous network convergence；vertical handover；AHP；cost function

TN929.5

A

（責任編輯：陳和榜）

1673-3851（2014）05-0521-04

2014-03-28

浙江省自然科學基金（LY12F0204）；國家自然科學基金（61202050）；新苗人才計劃（2013R406014）

樊辰曦（1988-），女，河北邯鄲人，碩士研究生，主要從事無線與移動通信技術方面的研究。

俞成海，E-mail：ych@zstu.edu.cn