基于效用理論的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)選擇

周健，王華勝，張琳琳

(1．蘇州高博軟件技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江蘇 蘇州 215163; 2．蘇州大學(xué) 智能結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)研究所，江蘇 蘇州 215006)

基于效用理論的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)選擇

周健1，2，王華勝1，張琳琳1

(1．蘇州高博軟件技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江蘇 蘇州 215163; 2．蘇州大學(xué) 智能結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)研究所，江蘇 蘇州 215006)

在未來的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，為滿足數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求，移動用戶總希望能夠接入最適合的網(wǎng)絡(luò)。針對將實際測量的指標值歸一化后作為決策值中存在的問題，提出了將效用理論應(yīng)用到多指標算法中，設(shè)計了指標在不同業(yè)務(wù)、終端狀態(tài)、用戶類型下的效用函數(shù)，并用指標效用替代歸一化測量值作為決策值計算備選網(wǎng)絡(luò)的總效用，最后根據(jù)總效用值的比較來選擇最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)。仿真表明，此算法能夠更好地反映用戶的需求，幫助用戶選擇適合的網(wǎng)絡(luò)。

異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)；效用函數(shù)；最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)

0 引言

無線接入互聯(lián)網(wǎng)和無線多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的巨大需求推動了無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，不同的無線通信技術(shù)，如蜂窩通信3G/4G，寬帶無線接入IEEE802．16、IEEE802．20以及短距離通信WLAN、Bluetooth、UWB等為用戶提供了各種不同的服務(wù)，各種無線網(wǎng)絡(luò)交疊覆蓋，形成了異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。因此如何讓移動用戶接入最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)，成為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合領(lǐng)域的研究熱點之一［1］。

由于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中各無線網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)指標不同，最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)的選擇需要取決于帶寬、延遲、耗電量和價格等多個指標，即使異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)的選擇成為一個多指標決策問題。在決策的過程中，大多數(shù)文獻將實際測量的指標值歸一化后作為多指標決策算法的決策值［2－7］，但不同的業(yè)務(wù)(如語音、視頻會議和視頻流等)對網(wǎng)絡(luò)的要求是不同的，如對于指標帶寬，語音一般幾十Kb的速度就行，但對于視頻會議是不夠的［8－10］，即將指標的歸一化測量值作為決策值不能反映這一下現(xiàn)象。

考慮到上述原因，采用效用理論來解決問題，針對無線網(wǎng)絡(luò)指標的特性，人們已提出了一系列效用函數(shù)［11，12］，但并沒有分析不同網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)或用戶下的指標效用值。在決策過程中，用指標效用作為決策值，這樣同一指標的相同值對不同的業(yè)務(wù)或用戶的效用是不同的，即決策值是不同的。同時，考慮到終端多業(yè)務(wù)的情況，采用群決策算法來確定最終的最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)。

1 效用函數(shù)

效用是指人們在決策過程中對某商品或服務(wù)的滿意程度。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)選擇中不同的業(yè)務(wù)對于網(wǎng)絡(luò)的要求也是不同的，因此即使是相同的指標，對于不同的業(yè)務(wù)應(yīng)該有不同的效用。針對4種業(yè)務(wù)對帶寬的要求不同，設(shè)計了針對4種業(yè)務(wù)的效用函數(shù)，相同的帶寬值對不同業(yè)務(wù)的效用是不同的，在決策過程中能得到合理的決策值，如圖1所示。同樣，不同的用戶對于使用網(wǎng)絡(luò)的代價也是不同的，因此即使是相同的指標，對于不同的用戶應(yīng)該有不同的效用。針對3種用戶對通信價格的敏感度不同，設(shè)計了針對3種用戶的效用函數(shù)，相同的通信價格對不同用戶的效用是不同的，在決策過程中能得到合理的決策值，如圖2所示。

終端在不同剩余電量情況下設(shè)計了3種效用函數(shù)，使終端消耗相同的電量在3種情況下對用戶產(chǎn)生的效用是不同的，在決策過程中能得到合理的決策值，如圖3所示。

圖1 不同業(yè)務(wù)下帶寬的效用函數(shù)

圖2 不同用戶下通信價格的效用函數(shù)

圖3 不同剩余電量下耗電量的效用函數(shù)

綜上所述，在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)選擇過程中，不宜將歸一化的測量值作為決策值，而應(yīng)該考慮實際情況設(shè)計效用函數(shù)，從而計算合理的效用值。其他網(wǎng)絡(luò)指標類似，不再贅述。

2 系統(tǒng)模型與算法

設(shè)R={r1，r2，…rm}表示m個無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的備選方案集，V={v1，v2，…vn}為n個網(wǎng)絡(luò)判決指標，W={w1，w2，…wn}為n個判決指標的權(quán)重，S= {s1，s2，…sk}為終端的k個運行任務(wù)，P= {p1，p2，…pk}，為k個任務(wù)的權(quán)重。

對于不同的任務(wù)，指標值的效用是不同的，因此針對k個運行任務(wù)s1，s2，…sk構(gòu)建了判決矩陣U1、U2、…、Uk:

利用簡單加權(quán)法(Simple Additive Weighting method，SAW)計算備選網(wǎng)絡(luò)的總效用值Um:

根據(jù)式(2)，備選網(wǎng)絡(luò)的總效用值最大的為最有網(wǎng)絡(luò)。

3 仿真結(jié)果與分析

設(shè)仿真環(huán)境中有3種網(wǎng)絡(luò):WLAN、UMTS和WiMAX，選取通信價格(c)、耗電量(e)、帶寬(b)為網(wǎng)絡(luò)選擇的判決指標，各指標的取值如表1所示。

終端現(xiàn)有語音(v)、視頻會議(m)和視頻流(s) 3個業(yè)務(wù)同時在運行，且終端剩余電量為中，用戶賬戶為銀賬戶，則對于語音、視頻會議和視頻流3個業(yè)務(wù)的決策矩陣分別為:

設(shè)3個指標通信價格、耗電量和帶寬的權(quán)重為W={wc，we，…wb}={0．3，0．2，0．5}，3個業(yè)務(wù)語音、視頻會議、視頻流的權(quán)重為W={wv，wm，…ws}= {0．5，0．4，0．1}，通過SAW計算3個備選網(wǎng)絡(luò)的總效用值:

UWLAN=0．632 6，UUMTS=0．601 5，UWiMAX=0．912 5(4)由式(4)得UWiMAX＞UWLAN＞UUMTS，則最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)為WiAMX。

4 結(jié)束語

提出了基于效用理論的無線網(wǎng)絡(luò)選擇算法，對于不同的業(yè)務(wù)、終端狀態(tài)、用戶類型設(shè)計了不同的效用函數(shù)，并將指標效用代替歸一化測量值作為決策值，使決策過程中終端能夠得到合理的決策值。仿真結(jié)果表明，此算法能夠更好地反映不同網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)、不同用戶等情況下的網(wǎng)絡(luò)需求，為終端選擇更加合理的無線網(wǎng)絡(luò)作為接入點。

［1］Corici M，F(xiàn)iedler J，Magedanz T，et al．Access Network Discovery and Selection in the Future Wireless Communication[J]．MobileNetworks and Applications，2011，16 (3):337－349．

［2］劉軍，李曉楠．基于層次分析法的WLAN/蜂窩網(wǎng)絡(luò)切換判決算法[J]．通信學(xué)報，2013，34(2)，65－72．

［3］石文孝，趙嵩，范紹帥，等．基于多目標決策的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)接入選擇算法[J]．吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2011，41(3)，795－799．

［4］張鵬，黃開枝，賀曉珺，等．基于組合權(quán)重的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)選擇算法[J]．系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2009，31 (10):2501－2505．

［5］王康，曾志民，馮春燕，等．一種多屬性決策的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)選擇算法[J]．無線電工程，2009，29(1):1－3，35．

［6］王亞楠，馮春燕，夏海輪．基于動態(tài)灰色多指標決策的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)選擇[J]．無線電工程，2009，39(11):1－3，40．

［7］周健．基于混合決策值的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)選擇算法[J]．無線電通信技術(shù)，2014，40(3):10－12，16．

［9］Chamodrakas I，Martakos D．A Utility-based Fuzzy TOPSIS Method for Energy Efficient Network Selection in Heterogeneous Wireless Networks[J]．Applied Soft Computing，2011，11(4)，3734－3743．

［10］Nguyen-Vuong Q，Agoulmine N，Cherkaoui E H，et al．Multicriteria Optimization of Access Selection to Improve the Quality of Experience in Heterogeneous Wireless Access Networks[J]．IEEE Transactions on Vehicular Technology，2013，62(4):1785－1800．

［11］周?。诮K端實時狀態(tài)的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)選擇[J]．無線電工程，2014，44(7):7－10．

［11］Quoc-Thinh N，Ghamri-Doudane Y，Agoulmine N．On Utility Models for Access Network Selection in Wireless Heterogeneous Networks［C］∥Network Operations and Management Symposium，2008:144－151．

［12］Wang lu-sheng，Kuo geng-sheng．Mathematical Modeling for Network Selection in Heterogeneous Wireless Networks-A Tutorial[J]．IEEE Communications Surveys and Tutorials，2013，15(1)，271－292．

Access Selection Algorithm Based on Utility Theory in Heterogeneous Wireless Network Environment

ZHOU Jian1，2，WANG Hua-sheng1，ZHANG Lin-lin1
(1．Suzhou Global Institute of Software Technology，Suzhou Jiangsu 215163，China; 2．Institute of Intelligent Structure and System，Soochow University，Suzhou Jiangsu 215006，China)

In future heterogeneous wireless network environment，mobile users always want to be able to access the most appropriate network to satisfy the demand of data service．To work out the problem that exists when normalized index value serves as decision value，the utility theory is applied to multi-attribute algorithm，and the utility function of index under different services，terminal states and user types is given，and the normalized index value is replaced by utility value to calculate total utility of alternative network，finally the optimal network is selected by the comparison of total utility value．Simulation shows that this algorithm can better reflect the needs of users，and help choose network suitable for the user．

heterogeneous wireless network;utility function;optimal network

TN 929．5

A

1003－3114(2015)05－19－2

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.05.05

周健，王華勝，張琳琳．基于效用理論的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)選擇［J］．無線電通信技術(shù)，2015，41(5):19－20，40．

2015－05－11

蘇州高博軟件技術(shù)職業(yè)學(xué)院院級立項課題(GIST2014－11)

周健(1983—)，男，講師/在讀博士研究生，主要研究方向:異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)。王華勝(1979—)，男，碩士/實驗師，主要研究方向:網(wǎng)絡(luò)信息安全。