異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的切換觸發(fā)時(shí)間選擇算法

閆繼壘，李建東，趙林靖

（西安電子科技大學(xué) 綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論和關(guān)鍵技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710071）

1 引言

隨著無(wú)線通信行業(yè)的發(fā)展，各種無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)紛紛涌現(xiàn)，如WLAN、WiMAX、Bluetooth等，它們與傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)一起組成了一個(gè)復(fù)雜的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。與此同時(shí)，無(wú)線終端也從單接口模式向多?；l(fā)展，即具備多種網(wǎng)絡(luò)接口，能夠同時(shí)接入不同類型的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。然而，由于覆蓋范圍有限，任何一種網(wǎng)絡(luò)都不可能滿足所有移動(dòng)用戶的需求。因此，如何保證用戶在移動(dòng)過(guò)程中能夠獲得持續(xù)有效的通信服務(wù)成為了目前人們研究的重點(diǎn)。

切換技術(shù)是保證移動(dòng)用戶業(yè)務(wù)連續(xù)性的重要手段。目前對(duì)于切換問(wèn)題的研究主要集中于2方面：切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)選擇[1～3]和切換觸發(fā)時(shí)間選擇[4～7]。文獻(xiàn)[1,2]都對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的垂直切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)選擇決策算法進(jìn)行了總結(jié)和分類，對(duì)比了不同方法的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和有效性。文獻(xiàn)[3]通過(guò)合理地定義效用函數(shù)，移動(dòng)用戶能夠在切換次數(shù)和吞吐量上獲得很好折中。文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]以媒質(zhì)無(wú)關(guān)切換(MIH, media independent handover)為基礎(chǔ)，能夠根據(jù)用戶的移動(dòng)速度設(shè)定相應(yīng)的切換觸發(fā)門限，但是在用戶移動(dòng)速度變化的場(chǎng)景下就很難準(zhǔn)確得到終端切換觸發(fā)門限值，適用性較差。文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]都是利用終端接收的信號(hào)強(qiáng)度來(lái)預(yù)測(cè)在當(dāng)前服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的接收門限，從而確定切換觸發(fā)時(shí)間，不同的是文獻(xiàn)[6]采用了LMS(least mean square)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，文獻(xiàn)[7]采用了AR(auto- regression)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。本文首先理論分析了最佳切換觸發(fā)時(shí)間應(yīng)滿足的條件，該條件適用于終端在具有不同網(wǎng)絡(luò)重疊覆蓋情況下的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行切換。然后在對(duì)切換耗時(shí)進(jìn)行估計(jì)的基礎(chǔ)上，利用自回歸模型對(duì)用戶終端接收到當(dāng)前服務(wù)網(wǎng)絡(luò)和切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而獲得最佳切換觸發(fā)時(shí)間的預(yù)測(cè)值。仿真結(jié)果表明，本文方法能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)終端的最佳切換觸發(fā)時(shí)間，降低切換失敗概率和用戶的分組丟失概率。

2 系統(tǒng)模型

2.1 問(wèn)題建模

移動(dòng)用戶進(jìn)行切換的目的是為了保證其正在進(jìn)行的業(yè)務(wù)的連續(xù)性。衡量切換性能的2大指標(biāo)是切換失敗概率和分組丟失概率，即如何在保證成功切換的前提下最小化用戶業(yè)務(wù)的分組丟失。因此，切換觸發(fā)時(shí)間選擇可以建模為如下的優(yōu)化問(wèn)題：

其中，Ploss(t)是在t時(shí)刻觸發(fā)切換時(shí)用戶業(yè)務(wù)的分組丟失概率，Phf(t)是在t時(shí)刻觸發(fā)切換時(shí)的切換失敗概率。

在如圖1所示切換場(chǎng)景中，用戶從網(wǎng)絡(luò)N1的BS處以恒定速度v0向網(wǎng)絡(luò)N2的AP運(yùn)動(dòng)。假設(shè)用戶在t時(shí)刻與BS的距離為d1，與AP的距離為d2=L-d1，則此時(shí)終端接收到2個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)強(qiáng)度值(dB)分別為

其中，P1( d1)為終端與BS距離為d1時(shí)接收到N1的平均功率；P2( d2)為終端與AP距離為d2時(shí)接收到N2的平均功率；Cδ1和Cδ2為信號(hào)在傳輸過(guò)程中受到的陰影衰落影響，它們分別服從均值為0、標(biāo)準(zhǔn)差為δ1和δ2的正態(tài)分布(dB)。

圖1 用戶切換

定義終端能夠正確解調(diào)接收信號(hào)數(shù)據(jù)的最小接收信號(hào)強(qiáng)度值為其在該網(wǎng)絡(luò)下的接收靈敏度。假設(shè)用戶終端在N1中的接收靈敏度為Prxth1，在N2中的接收靈敏度為Prxth2，終端執(zhí)行切換所需要的時(shí)間為Th。若不考慮陰影衰落等因素造成的接收信號(hào)強(qiáng)度波動(dòng)(Cδ1=Cδ2=0)，那么RSS1( t)為單調(diào)遞減函數(shù)，RSS2( t)為單調(diào)遞增函數(shù)。很明顯，為了避免用戶切換失敗，終端必須在T1=TLU-Th和T2=TLD-Th之間觸發(fā)切換，其中，TLU為終端接收到N2的信號(hào)強(qiáng)度值恰好上升到Prxth2的時(shí)間，TLD為終端接收到N1的信號(hào)強(qiáng)度值恰好下降到Prxth1的時(shí)間。即切換觸發(fā)時(shí)間t必須滿足

用戶業(yè)務(wù)的分組丟失是由于終端接收到網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)強(qiáng)度小于終端的接收靈敏度所導(dǎo)致的。在N1中，終端接收的信號(hào)強(qiáng)度值為RSS1( t)= P1( v0t)+Cδ1，由于Cδ1服從均值為0、標(biāo)準(zhǔn)差為δ1的正態(tài)分布，因此RSS1( t)＜Prxth1的概率為P{ RSS1( t)＜Prxth1}。同理有P{ RSS2( t)＜Prxth2}。為了避免切換失敗，終端需要在[T1, T2]之間觸發(fā)切換，此時(shí)用戶業(yè)務(wù)的分組丟失由2部分組成：切換完成前在N1中的分組丟失和切換完成后在N2中的分組丟失。假設(shè)終端在t時(shí)刻觸發(fā)切換，此時(shí)用戶的分組丟失概率可以表示為

所以優(yōu)化模型進(jìn)一步變?yōu)?/p>

2.2 最佳切換觸發(fā)時(shí)間

將上述目標(biāo)函數(shù)(7)對(duì)t求導(dǎo)，得到：

在把上式再對(duì)t求導(dǎo)，得到：

在用戶從網(wǎng)絡(luò)N1的BS處以恒定速度v0向網(wǎng)絡(luò)N2的AP運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，P1( v0(t+Th))是t的單調(diào)遞減函數(shù)，P2( L-v0(t+Th))是t的單調(diào)遞增函數(shù)，即：所以有恒成立。根據(jù)凸優(yōu)化理論[8]，可以確定上述優(yōu)化問(wèn)題是一個(gè)凸問(wèn)題。令topt為理論上的最佳切換觸發(fā)時(shí)間，則有

由于N1和N2是相鄰網(wǎng)絡(luò)，它們所處的地理環(huán)境基本相同，終端接收到2個(gè)網(wǎng)絡(luò)基站的信號(hào)強(qiáng)度受到的陰影衰落影響基本相當(dāng)，故而可以假設(shè)δ1=δ2，則有

如圖1所示，終端在TLU時(shí)刻接收到網(wǎng)絡(luò)N2的信號(hào)強(qiáng)度恰好為該網(wǎng)絡(luò)的接收靈敏度，即有P2( L-v0TLU)=Prxth2，而此時(shí)終端也一定處在網(wǎng)絡(luò)N1的覆蓋范圍內(nèi)，即有P1( v0TLU)≥Prxth1。由于P1( v0t)是t的單調(diào)遞減函數(shù)和P2( L-v0t)是t的單調(diào)遞增函數(shù)，并結(jié)合式(13)，證明topt+Th≥TLU。同樣，可以證明topt+Th≤TLD。又由于TLU=T1+Th，TLD=T2+Th故而T1≤topt≤T2。最終可以看出，滿足原優(yōu)化問(wèn)題(7)、(8)、(9)的終端最佳觸發(fā)切換時(shí)間topt一定滿足式(14)：

實(shí)際無(wú)線環(huán)境中，終端接收到網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)強(qiáng)度是受到路徑損耗和陰影衰落2部分影響，為此式(14)可以轉(zhuǎn)化為如下最優(yōu)性條件：

其中，ε為一個(gè)很小的正數(shù)。

3 算法設(shè)計(jì)

根據(jù)前面的分析，為了能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)最佳切換觸發(fā)時(shí)間，終端首先需要對(duì)切換所需要的時(shí)間Th進(jìn)行估計(jì)，根據(jù)估計(jì)結(jié)果確定進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度預(yù)測(cè)的步長(zhǎng)。然后終端采用自回歸(AR)模型分別預(yù)測(cè)其接收到2個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)強(qiáng)度，若預(yù)測(cè)值滿足式(16)，那么t時(shí)刻就是最佳切換觸發(fā)時(shí)間的預(yù)測(cè)值，即=t。

3.1 切換耗時(shí)估計(jì)

用戶在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行切換時(shí)，多模終端可以同時(shí)使用不同的網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行通信。因此終端在與切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)基站建立連接的過(guò)程中，可以繼續(xù)使用與原網(wǎng)絡(luò)基站之間的鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。切換耗時(shí)[9]可以分為原接口耗時(shí)(Th1)和新接口耗時(shí)(Th2)，即Th=Th1+Th2。其中，Th1又包括：鏈路層的獲取目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)信息時(shí)間(Th1-nbr)和切換告知時(shí)間(Th1-ind)，以及網(wǎng)絡(luò)層的切換時(shí)間(TFH)，即Th1=Th1-nbr+Th1-ind+TFH；Th2包括：掃描切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間(Th2-scn)和切換執(zhí)行時(shí)間()，即。在終端執(zhí)行切換時(shí)，原網(wǎng)絡(luò)接口和新網(wǎng)絡(luò)接口可以同時(shí)進(jìn)行，所以總的切換耗時(shí)如下：

在文獻(xiàn)[10]提出的分層分布式網(wǎng)絡(luò)資源管理架構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)用戶在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的切換耗時(shí)(Th)進(jìn)行估計(jì)。如圖2所示，用戶由GSM網(wǎng)絡(luò)向WiMAX網(wǎng)絡(luò)切換，各環(huán)節(jié)的耗時(shí)估計(jì)值分別為=2(φσ+θ+θ+HNNθ +θ)、=2(φσ+σ+σ+HMRσ+σ)、、=2(φσ)、=，其中，σ表示單位信息在相鄰物理實(shí)體之間的傳輸時(shí)延，φ表示無(wú)線鏈路中可能存在傳輸碰撞等導(dǎo)致的時(shí)間開(kāi)銷，θ表示相鄰功能實(shí)體之間的傳輸時(shí)延，HMR為GSM網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)交換中心(MSC)與WiMAX網(wǎng)絡(luò)的路由之間的跳數(shù)，HNN為管理2個(gè)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)管理器(NRM)之間的跳數(shù)。為網(wǎng)絡(luò)層切換的時(shí)延，根據(jù)所采用的具體切換協(xié)議而定。和分別為WiMAX網(wǎng)絡(luò)的同步和搜索、基本能力協(xié)商、關(guān)鍵信息交互和鑒權(quán)、注冊(cè)時(shí)間[9]。

圖2 切換耗時(shí)估計(jì)

3.2 預(yù)測(cè)模型

在獲得切換耗時(shí)估計(jì)結(jié)果之后，采用AR模型[11]分別對(duì)終端接收到當(dāng)前服務(wù)網(wǎng)絡(luò)和切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)模型如圖3所示。終端以Tsamp為間隔對(duì)其接收到網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行采樣，將得到的采樣值X={x( n), x( n-1),…,x( n-p+1)}作為輸入序列。若終端切換耗時(shí)的估計(jì)值為，則其進(jìn)行接收信號(hào)強(qiáng)度預(yù)測(cè)的預(yù)測(cè)步長(zhǎng)K可以通過(guò)式(18)確定：

其中，Δt為預(yù)測(cè)余量，Δt≥0。

圖3 AR預(yù)測(cè)模型

AR模型的預(yù)測(cè)結(jié)果如下所示：

其中，Wopt={ωopt(0),ωopt(1),…,ωopt(p-1)}為采用最小均方誤差準(zhǔn)則時(shí)得到的預(yù)測(cè)器的最佳權(quán)系數(shù)向量。

由于終端在短時(shí)間間隔內(nèi)采樣得到的接收信號(hào)強(qiáng)度會(huì)有比較大的波動(dòng)，為預(yù)測(cè)帶來(lái)一定的難度。因此采用加權(quán)平滑(WMPM)方法[12]對(duì)采樣得到的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行處理，具體如下：

其中，α(0≤α≤1)為平滑系數(shù)，y( n)為加權(quán)平滑后的信號(hào)強(qiáng)度值。

3.3 最佳切換觸發(fā)時(shí)間預(yù)測(cè)

1) 用戶發(fā)起切換請(qǐng)求，首先對(duì)終端的切換耗時(shí)進(jìn)行估計(jì)，得到估計(jì)結(jié)果。

2) 終端監(jiān)測(cè)其接收到N2網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)強(qiáng)度，直至監(jiān)測(cè)到該信號(hào)強(qiáng)度大于設(shè)定的預(yù)測(cè)門限值Pinit時(shí)為止，此時(shí)的時(shí)間為Tinit。

3) 終端以Tsamp為周期對(duì)接收到N1和N2的信號(hào)強(qiáng)度分別進(jìn)行采樣，得到采樣序列X1和X2；然后采用加權(quán)平滑方法進(jìn)行處理，得到信號(hào)強(qiáng)度序列Y1和Y2。

4 性能仿真

考慮用戶由GSM網(wǎng)絡(luò)基站向WiMAX網(wǎng)絡(luò)基站移動(dòng)的場(chǎng)景，GSM采用Okumura-Hata路徑損耗模型[13]，WiMAX采用Cost231-Hata路徑損耗模型[13]，分別如下所示：

其中，fc為載波頻率(MHz)，hb為基站發(fā)射天線高度(m)，hm為移動(dòng)終端天線高度(m)，α(hm)=3.2[lg11.75hm]2-4.97為市區(qū)天線校正因子(dB)，d為基站與移動(dòng)終端之間的距離(km)。各網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的具體設(shè)置與文獻(xiàn)[13]一致，如表1所示。

表1 信道傳輸模型參數(shù)設(shè)置

在GSM網(wǎng)絡(luò)與WiMAX網(wǎng)絡(luò)覆蓋狀況如圖4所示變化時(shí)，對(duì)比以下幾種切換觸發(fā)時(shí)間選擇算法的性能。

固定門限觸發(fā)(TH)算法：根據(jù)文獻(xiàn)[4]，PLGD=ηPrxth1(η＞1)，PLGD表示觸發(fā)鏈路即將下降信號(hào)(LGD)的信號(hào)強(qiáng)度值。一旦終端監(jiān)測(cè)到其接收到N1的信號(hào)強(qiáng)度低于PLGD時(shí)，就觸發(fā)切換過(guò)程。

單一預(yù)測(cè)當(dāng)前服務(wù)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度(SP)算法：根據(jù)文獻(xiàn)[5]，終端只預(yù)測(cè)其接收到N1的信號(hào)強(qiáng)度，預(yù)測(cè)步長(zhǎng)為K，若預(yù)測(cè)值小于，就觸發(fā)切換過(guò)程，其中，為補(bǔ)償后終端在N1中的接收靈敏度。

本文算法（PS）：終端分別預(yù)測(cè)接收到N1和N2的信號(hào)強(qiáng)度，最終確定最佳切換觸發(fā)時(shí)間的預(yù)測(cè)值。

由于導(dǎo)致終端接收信號(hào)強(qiáng)度波動(dòng)的陰影衰落是服從正態(tài)分布的，在統(tǒng)計(jì)意義上其均值為0，因此可以把滿足式(14)的切換觸發(fā)時(shí)間作為理想最佳切換觸發(fā)時(shí)間，并把在此時(shí)觸發(fā)的切換的性能作為衡量各種算法的基準(zhǔn)。

圖4 網(wǎng)絡(luò)覆蓋狀況變化

仿真時(shí)的具體參數(shù)設(shè)置：終端的移動(dòng)速度為v0=10m/s，信號(hào)強(qiáng)度采樣的間隔為Tsamp=10ms，終端開(kāi)始預(yù)測(cè)接收信號(hào)強(qiáng)度的門限Pinit=-95dB，切換耗時(shí)估計(jì)值設(shè)定為=200ms，預(yù)測(cè)余量Δt=0，加權(quán)平滑系數(shù)α=0.9，預(yù)測(cè)結(jié)束門限ε=0.5。假設(shè)信號(hào)受到陰影衰落的影響服從均值為0、方差為4的正態(tài)分布(dB)。PS算法采用10階的AR預(yù)測(cè)模型，SP算法采用5階的LMS預(yù)測(cè)模型，接收靈敏度補(bǔ)償系數(shù)為c=1，TH算法中LGD信號(hào)門限設(shè)置為η=1.5。

采用MATLAB仿真軟件對(duì)比不同的切換觸發(fā)時(shí)間選擇算法，考察以下2種切換性能指標(biāo)：切換失敗概率和用戶的分組丟失概率。切換失敗有以下2種原因：用戶在完成切換前，終端接收到N1的信號(hào)強(qiáng)度就已經(jīng)下降到接收靈敏度之下；用戶在切換完成后，終端接收到N2的信號(hào)強(qiáng)度尚未達(dá)到接收機(jī)靈敏度要求。根據(jù)終端選擇的切換觸發(fā)時(shí)間t的不同，用戶的分組丟失概率如式(24)所示：

圖5給出了不同算法選擇的切換觸發(fā)時(shí)間對(duì)比。隨著網(wǎng)絡(luò)覆蓋狀況的變化，理想最佳切換觸發(fā)時(shí)間也在變化。然而TH算法和SP算法只考慮終端接收到GSM網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)強(qiáng)度，因而所選擇的切換觸發(fā)時(shí)間基本固定，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較差。PS算法綜合考慮終端接收到GSM和WiMAX的信號(hào)強(qiáng)度，能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)理想最佳切換觸發(fā)時(shí)間，而且能夠很好適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋狀況的變化。

圖5 切換觸發(fā)時(shí)間對(duì)比

圖6給出了不同切換觸發(fā)時(shí)間選擇算法的切換失敗概率。理想最佳切換觸發(fā)時(shí)間總是能夠保證用戶成功切換。在基站間距較大時(shí)，由于TH算法選擇的切換觸發(fā)時(shí)間較早，切換完成后終端接收到WiMAX的信號(hào)強(qiáng)度尚未達(dá)到接收靈敏度要求，因此具有很高的切換失敗概率。在基站間距離較小時(shí)，由于SP算法選擇的切換觸發(fā)時(shí)間較晚，切換完成前終端接收到GSM的信號(hào)強(qiáng)度可能就已經(jīng)低于接收靈敏度，從而會(huì)存在一定的切換失敗概率；當(dāng)基站間距離變大時(shí)，切換完成后終端接收到WiMAX的信號(hào)強(qiáng)度尚未達(dá)到接收靈敏度要求就變成了用戶切換失敗的主要原因。PS算法選擇的切換觸發(fā)時(shí)間最接近于最佳觸發(fā)時(shí)間，只是在網(wǎng)絡(luò)基站間距較大時(shí)，會(huì)由于預(yù)測(cè)誤差的影響導(dǎo)致用戶出現(xiàn)一定的切換失敗現(xiàn)象。

圖6 切換失敗概率對(duì)比

圖7給出了不同切換觸發(fā)時(shí)間選擇算法下用戶的分組丟失率。最佳切換觸發(fā)時(shí)間能夠最小化用戶的分組丟失概率。隨著基站之間距離變大，TH算法和SP算法都會(huì)過(guò)早觸發(fā)切換，根據(jù)式(24)，用戶的分組丟失概率與切換失敗概率基本一致。而PS算法能夠有效地降低用戶的分組丟失率。

圖7 用戶分組丟失概率對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

分析了移動(dòng)用戶在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的切換觸發(fā)時(shí)間選擇問(wèn)題，給出了在理想最佳切換觸發(fā)時(shí)間點(diǎn)處，終端接收到切換前后2種網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)強(qiáng)度所應(yīng)滿足的條件。在切換耗時(shí)估計(jì)和信號(hào)強(qiáng)度預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，提出了一種最佳切換觸發(fā)時(shí)間的預(yù)測(cè)算法。仿真結(jié)果表明，本算法能夠有效地降低用戶的切換失敗概率和分組丟失率。在網(wǎng)絡(luò)重疊覆蓋區(qū)域變化的情況下，具有較好的適應(yīng)性。

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