異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)垂直切換判決算法

趙倩麗，曾興斌，何加銘

(寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江寧波 315211)

0 引言

在未來(lái)的異構(gòu)無(wú)線環(huán)境中，接入網(wǎng)絡(luò)將顯著呈現(xiàn)異構(gòu)性的特點(diǎn)。為了充分利用不同接入網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，向用戶提供 5W(Whoever、Whenever、Wherever、Whomever、Whatever)的服務(wù)，并且能滿足用戶對(duì)業(yè)務(wù)帶寬化、個(gè)人化和智能化的要求。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，而垂直切換是異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)，垂直切換性能優(yōu)化隨之也成為一個(gè)重要的問題。

垂直切換判決算法中需要考慮影響切換性能的多種因素，如應(yīng)用需求、用戶喜好、終端能力、網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用及其QoS性能等，所以無(wú)法設(shè)定一個(gè)通用的決策方法?？紤]到終端應(yīng)用的實(shí)際需求和用戶的偏好等因素，現(xiàn)有以終端為中心的代價(jià)函數(shù)不能滿足終端應(yīng)用的要求。下面介紹一種綜合考慮終端電池電量和用戶喜好等多應(yīng)用并且保證服務(wù)質(zhì)量的垂直切換判決算法。

1 自適應(yīng)垂直切換判決算法

目前無(wú)線通信網(wǎng)主要分為2類:一類是以3G網(wǎng)絡(luò)為代表的蜂窩網(wǎng)絡(luò);另一類則是以WLAN為代表的無(wú)線局域網(wǎng)［1］。下文將論述移動(dòng)終端(Mobile Terminal，MT)在這2類網(wǎng)絡(luò)之間的切換。

1.1 對(duì)候選網(wǎng)絡(luò)QoS判斷的代價(jià)函數(shù)

合理并且高效的代價(jià)函數(shù)是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行準(zhǔn)確、快速垂直切換的前提條件，因此合理的代價(jià)函數(shù)設(shè)計(jì)尤為重要。

假設(shè)移動(dòng)終端有N個(gè)可接入的候選網(wǎng)絡(luò)，QoS最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)為最優(yōu)目標(biāo)接入網(wǎng)絡(luò)，即該候選網(wǎng)絡(luò)的代價(jià)函數(shù)值最小。

fn為網(wǎng)絡(luò)n的代價(jià)函數(shù)，它表示移動(dòng)終端從網(wǎng)絡(luò)n獲得的所有應(yīng)用付出的代價(jià)表示移動(dòng)終端在網(wǎng)絡(luò)n獲得應(yīng)用a的代價(jià)函數(shù)［2］。代價(jià)愈小愈好，所以將最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)n表示為min{n|fn}，最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)n由以下公式確定:

式中，fn為網(wǎng)絡(luò)n的代價(jià)函數(shù)。它包含了應(yīng)用服務(wù)中各個(gè)應(yīng)用的代價(jià)，如果考慮到各個(gè)應(yīng)用的優(yōu)先級(jí)，將式(1)更新為式(3):

式中，Pa表示應(yīng)用a的優(yōu)先級(jí)由以下公式給出:

考慮到代價(jià)函數(shù)中的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)需要加權(quán)相加，但是網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的取值范圍差異較大，如果直接進(jìn)行加權(quán)，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)對(duì)代價(jià)函數(shù)取值產(chǎn)生的影響將會(huì)有很大差異。為解決上述問題，將對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行歸一化［3，4］，所有網(wǎng)絡(luò)參數(shù)歸一化后的取值范圍都相同，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的重要性由權(quán)值來(lái)體現(xiàn)。

1.2 垂直切換判決方案

垂直切換判決算法引入電池電量門限。當(dāng)移動(dòng)終端剩余電量高于電量門限時(shí)，移動(dòng)終端處于高電量狀態(tài);否則移動(dòng)終端處于低電量狀態(tài)［6］。當(dāng)處于高電量狀態(tài)時(shí)候，垂直切換考慮多種切換因素。但是處于低電量狀態(tài)時(shí)候，主要考慮電量因素，應(yīng)選擇候選網(wǎng)絡(luò)中帶寬大的網(wǎng)絡(luò)接入，這樣可以減少業(yè)務(wù)消耗時(shí)間，防止由于電量耗盡造成的業(yè)務(wù)阻塞。

網(wǎng)絡(luò)中有數(shù)據(jù)和語(yǔ)音業(yè)務(wù)。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需要的帶寬比較大，語(yǔ)音業(yè)務(wù)需要的帶寬相對(duì)較小。雖然數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可以接入3G網(wǎng)絡(luò)，但是它更傾向于帶寬大(如WLAN)的網(wǎng)絡(luò)。垂直切換方案流程圖如圖1所示。

圖1 垂直切換方案流程圖

如果移動(dòng)終端剩余電量低，則應(yīng)考慮切換至帶寬大(覆蓋范圍小)的接入網(wǎng)絡(luò)，以減小終端的發(fā)送和接收功耗，這樣有利于終端工作時(shí)間的延長(zhǎng)。定義接入網(wǎng)絡(luò)j對(duì)終端t當(dāng)前剩余電量的適合度如下［7］。

這里u是所有候選網(wǎng)絡(luò)按覆蓋范圍從小到大排列時(shí)各接入網(wǎng)絡(luò)的序號(hào)，1≤u≤N。Ect表示移動(dòng)終端當(dāng)前剩余電量，Et表示電池閥值。

如果移動(dòng)終端的運(yùn)動(dòng)速度過(guò)快，為減少切換次數(shù)，則選擇切換至覆蓋范圍大的接入網(wǎng)絡(luò)。定義接入網(wǎng)絡(luò)j對(duì)終端t用戶當(dāng)前運(yùn)動(dòng)速度的適合度如下:

這里，v是所有候選網(wǎng)絡(luò)按覆蓋范圍從大到小排列時(shí)各接入網(wǎng)絡(luò)的序號(hào)，1≤v≤N。Vct表示移動(dòng)終端當(dāng)前運(yùn)動(dòng)速度，Vjt表示網(wǎng)絡(luò)j對(duì)應(yīng)的速度閥值。根據(jù)終端當(dāng)前的移動(dòng)速度對(duì)候選網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行篩選，然后再比較這些候選網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行代價(jià)函數(shù)值，按照一定的方案來(lái)確定最優(yōu)目標(biāo)切換網(wǎng)絡(luò)［8］。

2 仿真與分析

為了評(píng)估切換算法的性能，設(shè)計(jì)了一種切換場(chǎng)景:WLAN和3G網(wǎng)絡(luò)邊緣的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景。為了簡(jiǎn)化模型，只考慮切換過(guò)程中的垂直切換，如圖2所示，移動(dòng)終端B從WLAN通信范圍移動(dòng)出去后，為了保證通信的持續(xù)性可以切換到3G網(wǎng)絡(luò)。而移動(dòng)終端E從3G網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)出去后可以切換到WLAN網(wǎng)絡(luò)享受高帶寬傳輸速率的服務(wù)。

圖2 3G-WLAN網(wǎng)絡(luò)切換場(chǎng)景

當(dāng)移動(dòng)終端B從WLAN網(wǎng)絡(luò)移出至3G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍時(shí)，因WLAN網(wǎng)絡(luò)的通信范圍有限，移動(dòng)終端需要發(fā)起切換，即從WLAN切換至3G網(wǎng)絡(luò)。移動(dòng)終端首先檢測(cè)到接入點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度在減弱，然后判斷終端當(dāng)前的電池電量是否滿足發(fā)起切換的要求，然后再最終決定是否進(jìn)行切換，如果終端有足夠的電池電量，則不考慮能量的消耗接入最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行切換。如果終端能量有限或者不足，從人性化角度考慮則詢問用戶，是否進(jìn)行切換以獲得更好服務(wù)，或者嚴(yán)禁進(jìn)行切換，以延長(zhǎng)移動(dòng)終端的使用時(shí)間。預(yù)判決先通過(guò)終端能量消耗比值進(jìn)行功耗判斷，進(jìn)行功耗判斷后，若繼續(xù)進(jìn)行判決，則通過(guò)設(shè)定各個(gè)候選網(wǎng)絡(luò)的速度閥值作為判斷依據(jù)，進(jìn)行速度篩選。如果當(dāng)前用戶的速度超過(guò)了某個(gè)候選網(wǎng)絡(luò)預(yù)設(shè)的最高速度，即當(dāng)前用戶終端在很短的時(shí)間內(nèi)移出該候選網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，則排除該候選網(wǎng)絡(luò)，可有效解決乒乓效應(yīng)。例如對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的用戶終端，蜂窩網(wǎng)相比WLAN是更佳的候選網(wǎng)絡(luò)。

切換性能的優(yōu)劣直接影響終端的通信質(zhì)量，也是保證終端用戶享受優(yōu)質(zhì)服務(wù)的關(guān)鍵。而切換性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)一般有兩個(gè):一是切換的平均次數(shù)，二是呼叫阻塞率。本文在WLAN和3G組成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境下，對(duì)文獻(xiàn)［9］提出的算法與本文提出的切換判決算法在切換次數(shù)、當(dāng)前終端電池剩余電量等方面進(jìn)行仿真分析與比較。假設(shè)3G網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)半徑為1500 m，WLAN網(wǎng)絡(luò)半徑為500 m，用戶速度服從均勻分布。平均服務(wù)時(shí)間服從指數(shù)分布。電池電量門限為0.5，QoS參數(shù)的權(quán)值大小如表1所示。

表1 QoS參數(shù)的權(quán)值

算法描述:

WC表示從WLAN切換到3G;CW表示從3G切換到WLAN。

為了描述方便，將文獻(xiàn)［9］的算法用Compared表示，本文提出的算法用Proposed表示。由圖3可知，Proposed算法與Compared算法在呼叫到達(dá)率較小時(shí)候差別不明顯，但由于本文提出算法將切換語(yǔ)音呼叫留在原網(wǎng)絡(luò)，呼叫到達(dá)率增大后，與Compared算法相比，Proposed算法能很好地減少平均切換次數(shù)，避免了乒乓效應(yīng)。由圖4看出，Proposed算法由于在切換判決時(shí)候考慮了終端當(dāng)前電池電量，在終端當(dāng)前剩余電量方面明顯優(yōu)于Compared算法，圖4的曲線正好驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

圖3 平均切換次數(shù)

圖4 終端剩余電量

3 結(jié)束語(yǔ)

研究了綜合電池電量、速度等因素的切換判決策略，根據(jù)電池電量的變化趨勢(shì)動(dòng)態(tài)執(zhí)行不用的切換決策。首先根據(jù)終端當(dāng)前移動(dòng)速度對(duì)候選網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初步篩選，這樣可以有效地減少了不必要的切換，較好地保證了切換的有效性，然后根據(jù)代價(jià)函數(shù)為移動(dòng)終端精準(zhǔn)選擇出最優(yōu)目標(biāo)切換網(wǎng)絡(luò)，執(zhí)行切換時(shí)充分考慮了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、終端能力、業(yè)務(wù)需求和用戶喜好因素，較好地保證了切換因素的全面性和切換的精確性。在切換預(yù)判決時(shí)考慮終端當(dāng)前的電池電量因素，仿真結(jié)果表明這樣做可以有效地延長(zhǎng)終端的工作時(shí)間，有效地緩解了因電量不足而造成的業(yè)務(wù)阻塞問題，進(jìn)而保證切換過(guò)程中業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。因此在現(xiàn)實(shí)生活中更具實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

［1］張麗麗，劉大鵬，楊帆.一種新的無(wú)線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)垂直切換算法［J］.信息技術(shù)，2011，06(0004):4-6.

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