可見光與Wi-Fi的無(wú)縫融合研究

楊立偉 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)副教授，博士后

可見光與Wi-Fi的無(wú)縫融合研究

楊立偉 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)副教授，博士后

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合是未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。本文研究了將可見光通信與Wi-Fi技術(shù)相結(jié)合的一種新的覆蓋方式，建立了可見光與Wi-Fi融合系統(tǒng)的仿真平臺(tái)并進(jìn)行了驗(yàn)證。

可見光通信 Wi-Fi 垂直切換

1 引言

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合是未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)必然會(huì)融合多種特征互補(bǔ)的接入網(wǎng)絡(luò)，通過由不同技術(shù)組成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，可以充分利用不同類型的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

基于LED（LightEmittingDiode）照明設(shè)備的可見光通信（VLC，Visible-Light-Communication）技術(shù)是無(wú)線光通信的一種，在家庭信息智能控制系統(tǒng)、會(huì)議通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、公共場(chǎng)所的查詢和導(dǎo)購(gòu)系統(tǒng)等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用空間。

與Wi-Fi相比，VLC有很大優(yōu)勢(shì)。Wi-Fi依賴無(wú)線電波傳輸，有一定的電磁輻射，且無(wú)線信號(hào)穿墻而過，網(wǎng)絡(luò)信息不安全。而這些安全隱患，在可見光通信中就能被避免。但可見光通信并不是Wi-Fi的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，而是一種相互補(bǔ)充的技術(shù)，有助于釋放頻譜空間。因此，考慮將可見光與Wi-Fi技術(shù)相結(jié)合，共同構(gòu)建室內(nèi)接入網(wǎng)絡(luò)。

由于異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)的差異性，如何給用戶提供不同網(wǎng)絡(luò)間的無(wú)縫漫游已經(jīng)成為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)亟需解決的問題。其中，移動(dòng)性管理是實(shí)現(xiàn)異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)急需解決的問題之一，而垂直切換判決技術(shù)是移動(dòng)性管理的核心內(nèi)容。

在可見光異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，不同的網(wǎng)絡(luò)之間在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、覆蓋范圍等性能指標(biāo)都有很大的差異，在用戶選擇接入網(wǎng)絡(luò)的過程及為滿足終端移動(dòng)性的需求，需使用切換技術(shù)來(lái)保持會(huì)話的連續(xù)性。當(dāng)接收機(jī)從一個(gè)基站（房間）移動(dòng)到另一個(gè)基站（房間）時(shí)，需要接收機(jī)能夠自動(dòng)切換。切換操作既要能識(shí)別一個(gè)新基站又要將信令信號(hào)分派到新基站的信道上。

本文對(duì)可見光與Wi-Fi的無(wú)縫融合網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，并重點(diǎn)研究融合網(wǎng)絡(luò)的切換技術(shù)。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1995年，異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的概念由美國(guó)加州大學(xué)首次提出，此后學(xué)者們對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的融合進(jìn)行了廣泛研究。ITU、IETF等標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)異構(gòu)融合無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化研究。3GPP對(duì)重疊異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的所有接入網(wǎng)絡(luò)不同技術(shù)的融合方案、接入網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行了規(guī)范，因而使得已有的重疊異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)獲得開放的網(wǎng)絡(luò)接口。同時(shí)，IEEE也設(shè)計(jì)出了相關(guān)的重疊異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

針對(duì)異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，國(guó)內(nèi)的企業(yè)、科研院所也進(jìn)行了深入研究。中國(guó)移動(dòng)提出的新型接入網(wǎng)構(gòu)架C-RAN，采用協(xié)作化、虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)資源共享和動(dòng)態(tài)調(diào)度，以達(dá)到提高頻譜效率的目的?！靶乱淮鷮拵o(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)”、“基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)跨域的移動(dòng)管理關(guān)鍵技術(shù)研究”等一系列國(guó)家重大科技專項(xiàng)，從不同的角度針對(duì)異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了深入的研究。國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)也確立了許多關(guān)于異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的研究項(xiàng)目，如“異構(gòu)無(wú)線覆蓋網(wǎng)絡(luò)智能垂直切換管理關(guān)鍵算法研究”等。

但是，現(xiàn)階段不同無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合的過程中存在很多困難。其中，無(wú)線資源管理技術(shù)是可以實(shí)現(xiàn)不同接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)融合的關(guān)鍵技術(shù)。無(wú)線資源管理包括接納控制、功率控制、負(fù)載控制、容量分析、切換控制等技術(shù)。

對(duì)于切換技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究主要在切換判決這一階段。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的垂直切換算法總體來(lái)說(shuō)能達(dá)成一定的共識(shí)，但尚未有完善的解決方案，需要進(jìn)一步研究。

3 基于模糊邏輯的切換算法研究

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的切換主要分為水平切換和垂直切換兩大類。水平切換保證在同一類型網(wǎng)絡(luò)之間的切換，垂直切換保證移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在不同的網(wǎng)絡(luò)之間無(wú)縫的漫游。

垂直切換是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的垂直切換過程中，一般可以分為切換初始化、切換判決和切換執(zhí)行3部分。切換初始化階段就是一個(gè)信息的收集階段，這些信息包括RSS、帶寬、吞吐量、抖動(dòng)、費(fèi)用、電池電量等；切換判決階段負(fù)責(zé)判決是否需要執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)切換以及切換到哪個(gè)網(wǎng)絡(luò)，判決階段關(guān)鍵部分就是判決算法的設(shè)計(jì)；切換執(zhí)行階段需要提供一個(gè)無(wú)縫的切換方式，從當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫地切換到目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的過程。希望減少不必要的切換次數(shù)，從而降低“兵兵效應(yīng)”。

垂直切換是多種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)融合的基礎(chǔ)，而切換算法的設(shè)計(jì)是未來(lái)實(shí)行無(wú)縫融合的關(guān)鍵。垂直切換算法目前主要分為基于效用函數(shù)的、以用戶為中心的、基于上下文感知的、基于多屬性決策的、基于模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的。其中，基于模糊邏輯的垂直切換算法考慮帶寬、接收信號(hào)強(qiáng)度RSS、覆蓋范圍和用戶數(shù)目等參數(shù)作為判決參數(shù)。

模糊邏輯（FuzzyLogic）是對(duì)現(xiàn)存的無(wú)法用準(zhǔn)確語(yǔ)言或者模型進(jìn)行描述的問題或者事件進(jìn)行的模糊描述，可以解決經(jīng)典的二值邏輯不能對(duì)變量做出準(zhǔn)確定義的問題。在模糊理論中，對(duì)一個(gè)具體對(duì)象是否符合模糊概念，我們是用“可能性”來(lái)度量，并不是利用傳統(tǒng)的概率論等數(shù)學(xué)工具。模糊邏輯是利用模糊集合工作的，不同于普通集合的邊界范圍確定性，模糊集合是由具有可移動(dòng)范圍的普通清晰集合，即從屬于一個(gè)集合到不屬于這個(gè)集合是漸變的過程。

模糊邏輯是為了幫助非精確推理提供理論基礎(chǔ)，是介于人工智能推理和控制理論數(shù)值計(jì)算之間的數(shù)學(xué)方法，它可以較好地處理不確切的輸入?yún)⒘?，能夠適應(yīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化以及網(wǎng)絡(luò)接入選擇的復(fù)雜性。模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，不需要已知被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，直接采用語(yǔ)言型控制規(guī)則，因此模糊控制對(duì)那些參數(shù)動(dòng)態(tài)特性不易掌握或變化較快的對(duì)象非常適用。

基于模糊理論的切換算法由兩部分組成，一部分是將各個(gè)輸入?yún)?shù)即判決因子輸入模糊邏輯控制器中進(jìn)行處理，第二部分是采用一種選擇函數(shù)幫助用戶選擇最佳接入網(wǎng)絡(luò)。使用模糊邏輯的方法不僅可以處理一些不確定的參數(shù)還能對(duì)多個(gè)參數(shù)進(jìn)行綜合決策，所以運(yùn)用模糊邏輯的方法可以有效解決垂直切換決策問題。

在無(wú)線通信環(huán)境中，存在著各種各樣的因素會(huì)使得網(wǎng)絡(luò)條件發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，因此精確、單一的數(shù)學(xué)模型并不適合用來(lái)表示無(wú)線傳輸鏈路。模糊邏輯方法能夠適應(yīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)條件和垂直切換的復(fù)雜性，能夠?qū)⒍喾N不同的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)綜合在一起，并以這些參數(shù)本身的模糊特性為依據(jù)進(jìn)行切換的判決。因此，模糊邏輯方法能夠很好地應(yīng)用在異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的垂直切換問題上。

模糊邏輯法用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)接入標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)進(jìn)行比較和判斷，將各網(wǎng)絡(luò)的共性予以模糊邏輯化，將輸入的變量通過隸屬度函數(shù)轉(zhuǎn)化為合適的值，然后依照特定的模糊邏輯規(guī)則，通過推理去模糊化，并將最后得到的結(jié)果做出網(wǎng)絡(luò)接入判決。

4 混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

切換判決參數(shù)應(yīng)體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)綜合性能?？紤]盡可能多的參數(shù)對(duì)于判決算法做出最準(zhǔn)確的決策很重要；但是很難在一個(gè)切換判決算法模型中包括所有的參數(shù)，因?yàn)檫@樣會(huì)使算法的復(fù)雜度大大增加也會(huì)出現(xiàn)多重屬性的沖突問題。

本文考慮網(wǎng)絡(luò)的QoS參數(shù)包括帶寬、時(shí)延、抖動(dòng)、BER。帶寬可有效反映當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)狀況，對(duì)于帶寬要求比較高的業(yè)務(wù)尤為重要；網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延將直接影響到網(wǎng)絡(luò)的QoS和用戶的感知；抖動(dòng)即時(shí)延的變化，它受網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和信道時(shí)延的影響；BER也是反映網(wǎng)絡(luò)性能的重要參數(shù)。由于這些參數(shù)具有很大的模糊性，常常用高低來(lái)衡量，因此采用基于模糊邏輯的切換算法進(jìn)分析。如對(duì)于誤碼率，區(qū)間[0,1e-4]為L(zhǎng)ow，[1e-5, 1e-3]為Medium，[1e-4,1e-1]為High。

基于模糊邏輯的垂直切換算法分3個(gè)部分，即模糊化、模糊規(guī)則和去模糊化（清晰化）。模糊化的過程就是利用隸屬度函數(shù)將輸入?yún)?shù)模糊化。網(wǎng)格QoS參數(shù)經(jīng)過模糊化以后利用模糊規(guī)則輸出模糊評(píng)價(jià)值，最后通過去模糊化得到網(wǎng)絡(luò)的切換評(píng)價(jià)得分。選擇得分最高的網(wǎng)絡(luò)作為切換的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)切換，從當(dāng)前服務(wù)網(wǎng)絡(luò)切換到目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。

本文使用MATLAB作為切換算法的仿真工具?？紤]VLC和Wi-Fi兩種不同網(wǎng)絡(luò)同時(shí)存在的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍半徑為100m，VLC網(wǎng)絡(luò)的覆蓋半徑為10m。假設(shè)VLC1-VLC3都處于Wi-Fi的覆蓋范圍之內(nèi)，移動(dòng)終端從A點(diǎn)向B點(diǎn)按照5km/h的移動(dòng)速度勻速步行，即開始階段移動(dòng)終端處于Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中（見圖1）。

圖1 VLC與Wi-Fi融合網(wǎng)絡(luò)

判決過程如下：首先檢測(cè)周圍的可用網(wǎng)絡(luò)，獲取網(wǎng)絡(luò)的QoS信息；然后，利用模糊邏輯系統(tǒng)做出切換判決；最后，選擇一個(gè)切換得分最高的網(wǎng)絡(luò)作為切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)完成網(wǎng)絡(luò)的垂直切換。

采用模糊邏輯算法下Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)與VLC網(wǎng)絡(luò)的得分（見圖2）。

根據(jù)QoS得分進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)選擇，0～2s選擇Wi-Fi，2～6s選擇VLC1，6～9s選擇VLC2，9～10s選擇Wi-Fi。仿真結(jié)果表明基于模糊邏輯的切換算法比較適合可見光與Wi-Fi的融合網(wǎng)絡(luò)，能夠便于用戶根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的QoS選擇最佳網(wǎng)絡(luò)。角度設(shè)計(jì)具有高靈活性、低復(fù)雜度的切換判決方案。通過MATLAB軟件對(duì)融合網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合切換算法進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明基于模糊邏輯的切換算法比較適合可見光與Wi-Fi的融合網(wǎng)絡(luò)。

圖2 Wi-Fi與VLC網(wǎng)絡(luò)的得分比較

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了可見光與Wi-Fi的無(wú)縫融合網(wǎng)絡(luò)，重點(diǎn)研究了可見光與Wi-Fi融合網(wǎng)絡(luò)的切換算法，從系統(tǒng)的

1 茅海雁.異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)垂直切換判決技術(shù)研究與分析.南京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文.2014

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2015-05-10）