基于多業務類型的異構無線網絡切換算法*

高武奇 范 菲

(西安工業大學電子信息工程學院 西安 710032)

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基于多業務類型的異構無線網絡切換算法*

高武奇 范 菲

(西安工業大學電子信息工程學院 西安 710032)

為解決異構無線網絡在傳輸不同類型數據過程中的切換問題，提出了一種基于多業務類型的異構無線網絡切換算法。該算法根據傳輸業務類型的優先級及其實時性，將業務類型分為實時業務和非實時業務。通過對可用帶寬、網絡時延等判決參數的分析及切換判決參數滿意程度的計算，設計出基于多業務類型的異構無線網絡切換算法。該算法可以根據不同的業務類型選擇最佳的傳輸網絡，改善網絡擁堵現象，減少切換時延，充分發揮異構網絡的優勢。

異構無線網絡; 切換; 業務類型; 滿意程度

Class Number TN92

1 引言

近年來，隨著無線通信和網絡技術的快速發展，多種無線網絡傳輸方式相繼出現。為了使網絡傳輸更加方便快捷，異構無線網絡將多種類型、具有不同網絡管理方案的傳輸網絡融合在一起。若要在異構傳輸網絡間要保持網絡通信的連續性，就需要使各種無線傳輸技術能夠集成和協調[1]。因而，在使用無線網絡傳輸數據時，如何選擇最有效、最合適的傳輸網絡,保證無線網絡間的無縫切換已經成為現今異構無線網絡研究領域所要解決的重要問題。

考慮到網絡信號強度、覆蓋范圍、可用帶寬等因素對異構無線網絡之間切換的影響，需要采用對切換具有高要求的異構無線網絡切換算法。該算法的實現過程包括如下三個階段[3]：切換監測階段、切換策略判決階段以及切換執行階段。

1) 切換監測階段：移動終端對當前可接入的無線網絡進行周期性的搜索，并將收集到的有關無線網絡狀態的信息收集起來。

2) 切換策略判決階段：根據切換監測階段得到的各個無線網絡性能參數相關信息，以及用戶喜好、傳輸數據類型等來選擇最佳網絡，即就是做出最優的切換策略判決。切換策略判決模型如下圖1所示：

3) 切換執行階段：移動終端斷開現有的網絡連接，將當前的會話切入到所建立的新的網絡連接中，完成當前網絡和在切換策略判決階段所判決出的最優的目標切換網絡之間的切換。

圖1 切換策略判決模型

2 相關研究

異構無線網絡，它主要是能隨時為用戶提供最高效的數據傳輸方式[7]。對于異構無線網絡切換，國內外研究人員已經對此做出了大量研究，也提出了很多不同的無線網絡切換算法。主要有：

1) 基于代價函數的切換算法[2]：該算法是一種策略驅動，將用戶在某個網絡中的總收益表示為一個代價函數。根據代價函數大小來決定網絡的性能，即代價函數越小，網絡性能越好。

2) 基于多屬性決策的切換算法[4]：把網絡切換看作是多屬性的決策問題，將網絡服務商或者移動終端看作決策者，通過對切換判決參數的分析與計算，再進行方案排序的決策。

3) 基于神經網絡和模糊邏輯的切換算法：通過計算隸屬函數，考慮切換階段的不確定因素，比如：用戶偏好以及停留時間，將其進行模糊化處理，得到量化的具體數值，然后再進行比較，從而選擇出最優的目標切換網絡。

對于以上所介紹的幾種切換算法，雖然它們在實際應用中都有各自的優勢，但卻沒有考慮到用戶要傳輸的多種業務類型會引起傳輸網絡的擁堵現象。不同的業務類型對網絡各個切換參數的要求是不同的，因而在本文中提出一種區分傳輸業務類型的切換算法，該算法在保證移動終端服務質量的前提下，可以根據用戶的需求以及所要傳輸的數據類型來選擇合適的目標切換策略，能有效地提高異構無線網絡之間的傳輸性能，保證用戶可以切換到最佳的無線傳輸網絡。

3 判決參數分析

對于基于多業務類型的異構無線網絡切換算法，在其切換策略判決階段[9]，相關的參數主要有：

1) 與網絡性能及移動終端有關的參數，包括網絡可用帶寬、誤比特率(Bit-Error-Rate)、丟包率、優先級、網絡連接時延、接收信號強度(RSS，Received Signal Strength)、信號噪聲干噪比(SINR,Signal-to-interference and Noise Ratio)、移動終端的移動特性等。

2) 與用戶喜好程度有關的主觀參數。包括用戶偏好度、網絡資費、服務費用等。

4 判決參數處理

在切換策略判決階段，為了確定要切換的目標網絡，就需要對不同網絡各自的性能進行分析比較，但由于各個網絡它們各自的網絡參數不同，因而在比較網絡性能之前，要對判決參數進行參數歸一化處理，這樣才能使它們之間的比較更加公平，可以更好地為切換階段選出要切換的最佳目標網絡[6]。對接收信號強度、可用帶寬等參數的歸一化處理過程如下。

4.1 接收信號強度(RSS)

接收信號強度(RSS)是基于業務類型的異構無線網絡切換算法中要考慮的重要參數[5]。信號在傳輸的過程中，由于衰落快慢等原因，引起正在通信的網絡信號穩定度發生波動，因而移動終端最終接收到的不同無線網絡的RSS就會有很大差別。通過對不同網絡的RSS和最大信號強度進行歸一化處理，來比較無線網絡的接收信號強度在網絡切換的判決中的情形。把歸一化的網絡Ni的接收信號強度RSS，定義為

4.2 網絡可用帶寬

網絡可用帶寬表示各個網絡的傳輸性能，無線網絡所提供的可用帶寬更是一個重要的參數。很多不同帶寬的網絡通過網絡融合形成異構無線網絡，為了在眾多不同的無線網絡中選擇出最佳的切換網絡，需要將這些無線網絡的可用帶寬進行歸一化處理，進而比較不同無線網絡的性能。方法如下

其中，Gi為當前的可用帶寬占網絡Ni總帶寬的比例；B為網絡Ni的總帶寬；Bi為當前網絡Ni的可用帶寬。

4.3 網絡連接時延

網絡連接時延對移動終端用戶的服務質量會產生很大影響，因而它也是在切換策略判決階段所要考慮的重要參數。由于不同無線網絡的用戶需求和采用的管理機制不同，因而網絡時延也有所不同，在選擇目標切換網絡時，要對網絡連接時延的參數進行歸一化處理，具體方法如下：

上式中的時延歸一化方法可以很好來比較不同無線網絡地時延問題，以選出最優的目標切換網絡。其中，Ud為當前業務的最大連接時延；Ld為當前業務的最小連接時延；da為目標切換網絡的連接時延。

5 切換算法流程

5.1 業務優先級

業務優先級，即在傳輸多種業務類型數據時，所要遵循的優先規則。在傳輸業務到達之后，引入業務類型優先級的思想，先區分出該傳輸業務是否具有優先級[14]，并對具有優先級的傳輸業務，如語音業務和數據業務，進行實時業務和非實時業務的分類以及排隊，進而選擇出最佳的目標切換網絡；而對于所傳輸業務之間不具有優先級的業務類型，通過對各判決參數如：可用帶寬、網絡時延、接收信號強度等網絡滿意程度的計算，來選擇出最優的切換網絡。

5.2 實時業務與非實時業務

在異構無線網絡中，不同的業務類型的特性有所不同，為了保證不同業務類型的無線網絡在切換判決過程中的服務質量，應該對各種不同類型的業務采用不同的傳輸方式[12]。根據不同業務在帶寬和時延上的不同要求，將所有的業務分為包含會話和視頻業務的實時業務以及包括數據、網頁瀏覽和后臺業務的非實時業務。

5.3 切換算法流程圖

在基于多種業務類型下，該異構無線網絡切換算法流程圖如圖2所示。

圖2 切換算法流程圖

5.4 切換判決策略

在異構無線網絡切換算法中，實時業務和非實時業務在網絡切換判決策略階段對判決參數的要求是不同的[11]。為了區別它們對不同判決參數的需求程度，可以給這些判決參數賦上權值[8]，利用對切換參數的滿意程度(Satisfaction)、切換時延(Network Hand off Delay, NHD)以及對當前網絡狀況的滿意程度計算出切換判決值[13](Switch judgment value,SJV)。

對于一個判決參數m，將傳輸業務對其的滿意程度用μmH，μmM,μmL來表示。而對于一個無線傳輸網絡，可以將判決參數S表示成如式(1)所示的矩陣。

S=(SmH,n,SmM,n,SmL,n)Τ

(1)

(2)

式中：

T=(t1,t2,t3)t1

(3)

Q=(q1,q2,q3)q1>q2>q3

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

網絡的滿意程度可以表示為

(14)

則目標(target)切換網絡和當前(current)網絡的滿意程度如式(15)和(16)所示：

目標切換網絡滿意度：

(15)

當前網絡滿意度：

(16)

那么，一個無線網絡無線切換時，它的切換參數判決值(SJV)可以表示為

SJVn=W·Sn,

(17)

(18)

那么，目標切換網絡和當前網絡的切換判決值如式(19)和(20)：

目標切換網絡：

(19)

當前網絡：

(20)其中，假設各無線網絡切換參數的加權值為W=(wS,wR,wBE,wB,wD,wL,wP,wC,wCo)，它們滿足：

wS+wR+wBE+wB+wD+wL+wP+wC+wCo=1

(21)

對于主要包括語音、視頻業務等的實時業務，由于它自身的特性，對傳輸的實時性要求特別高，因而它的切換判決參數就主要集中在網絡可用帶寬、接收信號強度、網絡時延和信號噪聲干噪比上，且所占權重比較大，而丟包率、用戶偏好、網絡資費、服務費用等的權重就相對較小[10]。即：

wS,wR,wBE,wB,wD>wL,wP,wC,wCo

而對于主要是數據、網頁瀏覽和后臺業務等的非實時業務，對實時性要求不像實時業務那樣高，所以網絡可用帶寬、用戶偏好度、網絡資費等所占的權重要比接收信號強度、網絡時延等的權重要大[15]。其關系如下式所示：

wB,wL,wP,wC,wCo>wS,wR,wBE,wD

6 結語

本文通過對異構無線網絡在融合時所存在的問題、異構無線網絡切換時的判決參數歸一化處理，以及業務類型的分析與介紹，提出了一種基于多業務類型的異構無線網絡切換算法，該算法首先引入業務優先級的思想，先區分業務之間是否具有優先級，再對具有優先級的業務進行實時業務和非實時業務區分，然后分別對兩種業務類型下的切換判決參數進行研究與選取，通過對切換判決值、切換判決參數的滿意度等的計算，選擇出最佳切換網絡；而對于所傳輸業務之間不具有優先級的業務類型，通過對各判決參數如：可用帶寬、網絡時延等網絡滿意程度的計算，來選擇出最優的目標切換網絡。

該切換算法可以對不同的業務類型，有效地選擇出最優的目標切換網絡，解決了多種業務傳輸時所造成的網絡擁堵現象，有效保證了在網絡切換時的服務質量，有利于網絡資源的優化調控。

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A Switching Algorithm of Heterogeneous Network Based on The Business Types

GAO Wuqi FAN Fei

(School of Electronic Information Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an 710032)

In order to solve the heterogeneous wireless network in different types of data transmission in the process of switch network problems.This paper puts forward a kind of heterogeneous wireless network switching algorithm that based on the business types.The algorithm uses the transfer business types of priorities and its real-time performance, and it can be divided into real-time and non real-time business.Through the analysis of available bandwidth,packet loss rate and delay，and using the switch decision parameter of satisfaction, the heterogeneous wireless network switching algorithm based on the business types is designed. It can choose the best network according to different types of business,which can improve the network congestion phenomenon,reduce switching time delay and give full play to the advantages of heterogeneous network.

heterogeneous wireless network, switch, type of business, satisfaction

2016年5月4日,

2016年6月17日

高武奇,男,博士，副教授，研究方向：電子信息與通信技術、物聯網技術。范菲,女，碩士研究生,研究方向：電子信息與通信技術。

TN92

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.11.008