一種改進(jìn)的基于代價(jià)函數(shù)的垂直切換算法

樊辰曦，俞成海，何永偉

（1.浙江理工大學(xué)信息學(xué)院，杭州310018；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)銀行股份有限公司諸暨市支行，浙江諸暨311817）

一種改進(jìn)的基于代價(jià)函數(shù)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(xué)信息學(xué)院，杭州310018；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)銀行股份有限公司諸暨市支行，浙江諸暨311817）

針對(duì)目前有一些切換算法沒(méi)有綜合考慮多種屬性以及多種屬性的權(quán)重對(duì)代價(jià)函數(shù)產(chǎn)生的影響，導(dǎo)致切換性能不理想的問(wèn)題，提出一種改進(jìn)的基于代價(jià)函數(shù)的垂直切換算法。該算法采用層次分析法來(lái)確定多種屬性之間的權(quán)重關(guān)系，構(gòu)造比較判決矩陣并檢驗(yàn)其一致性切換判決，然后利用切換判決代價(jià)函數(shù)進(jìn)行垂直切換的判決。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明提出的算法能夠綜合考慮各屬性間關(guān)系，從而獲得良好的切換性能。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合；垂直切換；層次分析法；代價(jià)函數(shù)

0 引 言

下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的特征是多種無(wú)線接入技術(shù)并存，相互補(bǔ)充，無(wú)縫集成。不同的接入技術(shù)在帶寬、傳輸時(shí)延、覆蓋范圍與移動(dòng)性支持等方面存在差異，沒(méi)有一種單一的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能夠同時(shí)滿足廣覆蓋、低時(shí)延、高帶寬、低成本等要求［1-3］。TD-SCDMA系統(tǒng)提供廣域無(wú)線覆蓋、支持高移動(dòng)性，提供語(yǔ)音業(yè)務(wù)和中、低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；WiMax提供熱點(diǎn)區(qū)域覆蓋，支持游牧移動(dòng)性，提供高帶寬流媒體數(shù)據(jù)。兩者具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，兩者聯(lián)合組網(wǎng)可以彌補(bǔ)各自的不足［4］。當(dāng)雙模終端在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的重疊覆蓋區(qū)域移動(dòng)時(shí)，可以根據(jù)業(yè)務(wù)和負(fù)載情況選擇合適的接入網(wǎng)絡(luò)。

在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，為了使移動(dòng)終端從一種接入網(wǎng)移動(dòng)到另一種接入網(wǎng)時(shí)保持連接不中斷，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的無(wú)縫漫游，研究者提出了垂直切換技術(shù)。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(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但算法只考慮接受到的信號(hào)強(qiáng)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(jié)果比較精確，但是算法的計(jì)算量和復(fù)雜度很大，導(dǎo)致其應(yīng)用范圍受到限制?；诙鄬傩耘袥Q算法能夠考慮較多的網(wǎng)絡(luò)屬性參數(shù)，可以綜合評(píng)估網(wǎng)絡(luò)的性能，算法的復(fù)雜度適中，因此受到廣泛的關(guān)注［5-6］?；诖鷥r(jià)函數(shù)算法就屬于多屬性算法的一種。本文提出一種改進(jìn)的基于代價(jià)函數(shù)的判決算法，該算法結(jié)合層次分析法的思想來(lái)確定各屬性之間的權(quán)重關(guān)系，構(gòu)造比較判決矩陣并檢驗(yàn)其一致性切換判決，然后利用切換判決代價(jià)函數(shù)判斷切換是否執(zhí)行。

1 層次分析法

AHP（analytic hierarchy process）層次分析法是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家Satty教授于20世紀(jì)80年代提出的一種實(shí)用的多方案和多目標(biāo)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(jié)合起來(lái)，按照思維、心理的規(guī)律把決策過(guò)程層次化、數(shù)量化。AHP分析問(wèn)題大體分為以下幾個(gè)步驟：構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)建判斷矩陣、層次單排序以及一致性檢驗(yàn)［7-8］。

1.1 構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)造復(fù)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(gè)多層分析結(jié)構(gòu)模型，最終歸結(jié)為最低層（方案，指標(biāo)等）相對(duì)于最高層（總目標(biāo)）相對(duì)重要的程度的權(quán)重。

采用AHP進(jìn)行權(quán)重計(jì)算時(shí)，可以將網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題的每個(gè)屬性分配一個(gè)權(quán)重，并比較各屬性之間的相對(duì)性和一致性。本文中，移動(dòng)終端在TD-SCDMA和WiMAX異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)間漫游，用戶使用語(yǔ)音業(yè)務(wù)，使用RSS（接收信號(hào)強(qiáng)度）、時(shí)延、帶寬、用戶偏好、價(jià)格作為網(wǎng)絡(luò)的評(píng)價(jià)屬性，建立層次結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)選擇層次結(jié)構(gòu)模型

1.2 構(gòu)建判斷矩陣

通過(guò)相互比較確定各準(zhǔn)則相對(duì)于目標(biāo)的權(quán)重，即構(gòu)建判斷矩陣。矩陣判斷標(biāo)度采用1-9標(biāo)度法（如表1）。

表1 1-9標(biāo)度法判斷矩陣

表2 語(yǔ)音會(huì)話業(yè)務(wù)

表2中，針對(duì)語(yǔ)音會(huì)話業(yè)務(wù)，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，由于用戶對(duì)信號(hào)強(qiáng)度、時(shí)延的要求較高，而且偏愛(ài)價(jià)格較低的網(wǎng)絡(luò)，因此RSS、時(shí)延的相對(duì)重要性較高，其次為帶寬、價(jià)格和用戶偏好。A表示一個(gè)矩陣，RSS、時(shí)延、帶寬、用戶偏好、價(jià)格表示這個(gè)矩陣的各個(gè)元素，其組成一個(gè)5×5的矩陣，aij即為上述元素之比得到數(shù)值。

1.3 利用判斷矩陣計(jì)算各因素C對(duì)目標(biāo)層Z的權(quán)重

1.4 判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)

表3 一致性指標(biāo)

2 切換判決代價(jià)函數(shù)

基于代價(jià)函數(shù)的切換判決算法引入若干參數(shù)來(lái)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的代價(jià)函數(shù)，對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)條件具有不同的代價(jià)參數(shù)，如覆蓋網(wǎng)絡(luò)的帶寬、覆蓋網(wǎng)絡(luò)的資費(fèi)情況等。本文將從RSS、帶寬、時(shí)延、用戶滿意度以及價(jià)格方面來(lái)比較移動(dòng)終端在接入到某個(gè)覆蓋網(wǎng)絡(luò)時(shí)所付出的代價(jià)函數(shù)的大小，以此來(lái)決定是否發(fā)生判決［10-12］。因此，代價(jià)函數(shù)公式可以改寫(xiě)為：

其中wRSS、wd、wb、wc、wl分別為RSS、時(shí)延、帶寬、價(jià)格、用戶偏好的權(quán)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(jù)層次分析法的思想來(lái)確定各權(quán)重因子的大小，利用層次分析法計(jì)算的權(quán)值和約為1，然后利用代價(jià)函數(shù)判決算法，當(dāng)移動(dòng)終端發(fā)現(xiàn)目標(biāo)接入網(wǎng)絡(luò)的總代價(jià)函數(shù)值小于當(dāng)前接入網(wǎng)絡(luò)的總代價(jià)函數(shù)值時(shí)，即從中選擇代價(jià)函數(shù)取值最小的網(wǎng)絡(luò)，Costopt=min｛Cost1，Cost2｝。Cost1為TD-SCDMA的代價(jià)函數(shù)，Cost2為WiMax的代價(jià)函數(shù)。算法流程圖如圖2所示。

圖2 算法流程

3 仿真實(shí)現(xiàn)

3.1 相關(guān)業(yè)務(wù)參數(shù)的設(shè)定

為了驗(yàn)證算法的可行性和準(zhǔn)確性，設(shè)置了一個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合場(chǎng)景，如3圖所示。該場(chǎng)景采用松耦合方式進(jìn)行融合，融合網(wǎng)絡(luò)采用的是TD-SCDMA與WiMax網(wǎng)絡(luò)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(fā)射功率分別是33、23 dBm。各自的基站坐標(biāo)為（-700，-400）、（-700，400）、（0，0）、（600，0），移動(dòng)終端網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)間隔時(shí)間為0.02 s，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)，移動(dòng)用戶從坐標(biāo)（100，0）沿箭頭所指方向一直做勻速直線運(yùn)動(dòng)，速度設(shè)為5 m/s。對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，由于接收到的TD-SCDMA′與WiMAX′的信號(hào)強(qiáng)度很弱，因此其并不在候選網(wǎng)絡(luò)集中。兩種網(wǎng)絡(luò)特性參數(shù)的設(shè)置均參考文獻(xiàn)［4，13］，其它網(wǎng)絡(luò)特性參數(shù)如表4。

圖3 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合場(chǎng)景

表4 網(wǎng)絡(luò)特性參數(shù)

設(shè)定業(yè)務(wù)類型為語(yǔ)音會(huì)話業(yè)務(wù)，與文獻(xiàn)［4］相同，其參數(shù)設(shè)置如表5所示。

表5 業(yè)務(wù)類型參數(shù)

3.3 性能分析

為驗(yàn)證該算法的優(yōu)越性，本文將從兩種判決算法的切換次數(shù)進(jìn)行比較，采用Matlab軟件進(jìn)行仿真，當(dāng)移動(dòng)終端在網(wǎng)絡(luò)融合區(qū)域以5 m/s的速度移動(dòng)時(shí)，移動(dòng)終端將在網(wǎng)絡(luò)之間發(fā)生切換，以選擇性能更優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)。其運(yùn)行結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，由于受到周圍環(huán)境因素（如電磁干擾）等的影響，其接收到的信號(hào)強(qiáng)度不斷變化，從而在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行頻繁的切換；本文算法考慮多種屬性因素對(duì)切換產(chǎn)生的影響，并利用層次分析法的思想來(lái)確定代價(jià)函數(shù)的權(quán)重關(guān)系，其算法運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖5中可以看出，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生切換的次數(shù)明顯減少，由此可見(jiàn)，本文算法可有效減少不必要的切換，抑制乒乓效應(yīng)的發(fā)生。

圖4 傳統(tǒng)的基于RSS的垂直切換算法運(yùn)行結(jié)果

圖5 基于本文算法的運(yùn)行結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)目前異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的需求，本文利用對(duì)TDSCDMA網(wǎng)與WiMax網(wǎng)之間的垂直切換過(guò)程涉及到的性能參數(shù)的分析，用層次分析法實(shí)現(xiàn)了各屬性參數(shù)的權(quán)重的計(jì)算，并用代價(jià)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間垂直切換的判決。該算法能夠保證用戶Qos，提高了網(wǎng)絡(luò)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(zé)任編輯：陳和榜）

1673-3851（2014）05-0521-04

2014-03-28

浙江省自然科學(xué)基金（LY12F0204）；國(guó)家自然科學(xué)基金（61202050）；新苗人才計(jì)劃（2013R406014）

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

俞成海，E-mail：ych@zstu.edu.cn