一種基于多屬性決策理論的改進垂直切換算法

陶劍驊, 武向農(nóng), 王　露

(上海師范大學 信息與機電工程學院,上海 200234)

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一種基于多屬性決策理論的改進垂直切換算法

陶劍驊, 武向農(nóng), 王露

(上海師范大學 信息與機電工程學院,上海 200234)

提出一種基于多屬性決策理論的垂直切換算法,并對異構無線網(wǎng)絡的4類典型業(yè)務進行了仿真研究.該算法利用層次分析法設計雙層層次結構,通過主客觀權重相結合解決分配權重時過于主觀的問題,同時結合利用逼近理想解法來解決網(wǎng)絡排序異常的問題.仿真結果表明該算法能夠自適應用戶終端設備的移動速度,在保證4類典型業(yè)務的QoS同時減少乒乓效應.

異構網(wǎng)絡; 垂直切換; 多屬性決策; 層次分析法; 逼近理想解法

異構網(wǎng)絡融合了現(xiàn)有的接入技術,實現(xiàn)固定IP的全網(wǎng)漫游,無線廣域網(wǎng)(WWAN)保證了寬廣的通信范圍,但是帶寬較低;無線局域網(wǎng)(WLAN)提供了高帶寬,但是通信范圍有限.異構無線網(wǎng)絡的關鍵在于將這些不同接入技術進行優(yōu)勢互補,實現(xiàn)“總是最佳連接”(ABC),其中最具挑戰(zhàn)的是移動性管理中的切換決策.

切換決策決定了移動終端是繼續(xù)維持當前無線接入網(wǎng)絡,還是切換到另一個無線接入網(wǎng)絡.現(xiàn)有的基于多屬性決策(MADM)理論的垂直切換算法主要存在以下不足之處:

(1) 決策屬性單一或者不完全.垂直切換的過程類似于MADM,可以增加或刪減所選取的決策屬性.傳統(tǒng)的切換決策機制主要是基于接收信號強度及其擴展的加門限[1-2]或者加滯后余量[3]的方法,由于多徑效應會引起信號的起伏,導致乒乓效應,所以國內(nèi)外學者會選擇增加以下屬性進行完善:信噪比、資費、可用帶寬、電量、移動速度、用戶偏好、時延、抖動等[4-8].

(2) 決策算法沒有考慮所有實際業(yè)務類型.基于MADM理論的垂直切換算法采用簡單加權法[4]、灰色關聯(lián)分析法[5]、逼近理想解法[6]和層次分析法[7]對語音業(yè)務、視頻流業(yè)務、數(shù)據(jù)業(yè)務進行網(wǎng)絡選擇[8].通過總結得出現(xiàn)有的4類典型業(yè)務為會話類、流類、交互類和后臺類.

針對以上問題,本文作者提出一種基于MADM理論的垂直切換決策算法,目的在于選擇適合4類典型業(yè)務QoS需求的無線接入網(wǎng)絡并且減少乒乓效應.

1　改進的垂直切換決策算法

1.1決策屬性權重計算

圖1　改進的層次結構模型

層次分析法[9](AHP)是由美國運籌學和控制學專家Satty教授在1970年代初創(chuàng)建的.本文作者采用AHP計算決策屬性的權重,并且針對AHP在分配權重時過于主觀的問題,在中間層設計兩層的層次結構,如圖1所示,中間層的第一層計算客觀權重值,第二層計算主觀權重值,將主客觀權重綜合考慮得到最終的總權重值,從而使得切換選擇更為合理.切換判決屬性主要從以下3類中選取[10],分別是網(wǎng)絡性能(包含接收信號強度、網(wǎng)絡負載、安全性、資費)、QoS性能(包含時延、抖動、丟包率、帶寬)、移動設備的狀態(tài)(移動速度).

AHP的基本步驟如下:

(1) 建立層次結構,確定目標和決策屬性.

(3) 采用特征根法計算每個決策屬性的相對權重值.

(1)

式中,λmax是A的最大特征根,w是相對應的特征向量.將w歸一化作為權重向量.

(4) 一致性檢測.

由于在建立兩兩比較矩陣時相對主觀,所以判決誤差不可避免,利用一致性指標(CI)和平均隨機一致性指標值(RI)之比,作為一致性檢驗判別式,稱作一致性比率(CR)[7].當CR<0.1時,則認為該判決矩陣通過一致性檢驗,否則,需要重新構造兩兩比較矩陣.

(2)

CR=CI/RI.

(3)

1.2網(wǎng)絡排序

逼近理想接法(TOPSIS)是Hwang和Yoon[11]于1981年首次提出的.只通過TOPSIS進行網(wǎng)絡排序時,由于無法獲得合理的權值,導致在增加或刪除候選網(wǎng)絡時,正負理想網(wǎng)絡的計算結果會與客觀事實不一致,使得對候選網(wǎng)絡的排序出現(xiàn)異常.但是結合AHP之后,通過AHP計算獲得的權值可以合理地反映出各個屬性的權值,有效避免這一問題.

TOPSIS的基本步驟如下:

(4)

其中,A1,A2,…,Am表示備選方案,C1,C2,…,Cn表示決策屬性,用于體現(xiàn)備選方案的性能.決策矩陣D中的每一個元素dij表示備選網(wǎng)絡Ai對應決策指標Cj的評價等級.

(2)標準化決策矩陣中對dij進行以下處理:

(5)

(3)加權歸一化決策矩陣通過AHP的得到的權值wj與rij相乘獲得.

(6)

(4)“理想解”A+和“負理想解”A-定義如下:

(7)

(8)

其中Ib表示效益型屬性集合,Ic表示成本性屬性集合.

(5)計算各個備選網(wǎng)絡與“正負理想解”網(wǎng)絡之間的n維Euclid距離.

(9)

(10)

(6)計算與“理想解”網(wǎng)絡的相對親密程度.

(11)

(7)對Ti進行降序排列,選擇最好的候選網(wǎng)絡作為目標切換網(wǎng)絡.

2　仿真和性能分析

2.1仿真環(huán)境參數(shù)

圖2　UMTSWiMAXWLAN所構成的異構無線網(wǎng)絡

仿真場景如圖2所示,UMTS基站的通信范圍半徑為3000m,WiMAX基站的通信范圍半徑為1500m,WLAN熱點的通信范圍半徑為100m.UMTS基站與WiMAX基站的距離間隔為500m,WiMAX基站與WLAN熱點的距離間隔為500m.

候選網(wǎng)絡的各個屬性取值范圍如表1所示.

表1　候選網(wǎng)絡各個屬性的取值范圍

2.2仿真結果

根據(jù)AHP算法原理,利用Matlab進行仿真,得到如圖3所示的權重值.圖3(a)為中間層第一層的客觀權重值,其中接收信號強度和服務質(zhì)量是進行網(wǎng)絡選擇時的重要決策屬性,所以權值相比較于其他屬性略高;圖3(b)為中間層第二層的主觀權重值,根據(jù)4類典型業(yè)務得到的權重值也不同.總結圖3(b)可以得出會話類業(yè)務對于時延和抖動等實時性屬性的要求比較高;流類業(yè)務的主要指標為抖動和丟包率,要求業(yè)務準確性較高;交互類業(yè)務的主要指標為帶寬;后臺類業(yè)務的主要指標為帶寬和丟包率.結合圖3的主客觀權重值,計算得出詳細的基于四類典型業(yè)務的決策屬性總體權重值,如表2所示.

圖3　網(wǎng)絡屬性權重

根據(jù)TOPSIS算法原理,利用Matlab對仿真環(huán)境下四類典型業(yè)務進行切換過程的仿真,選取終端移動速度為1、5、10、20m/s,如圖4所示.當終端移動速度相對較低時,會根據(jù)業(yè)務需求進行切換,以此來滿足用戶的需求;當終端移動速度相對較高時,由于停留在某些覆蓋范圍小的網(wǎng)絡時間太短,沒有必要進行切換,如果進行切換,反而會造成終端電量的消耗,并且會增加網(wǎng)絡負載.以交互類業(yè)務為例,終端移動速度在1、5、10、20m/s時的切換次數(shù)分別為8次、8次、4次和2次.傳統(tǒng)的基于接收信號強度的切換算法在不考慮速度屬性的情況下,每種業(yè)務均切換6次.

3　結　論

本文作者結合層次分析法與逼近理想解法提出一種改進的基于多屬性決策理論的垂直切換算法.設計兩層的層次結構,結合主客觀權重解決了僅僅使用一層層次結構在分配權重時過于主觀的問題,結合逼近理想解法解決了只通過逼近理想解法在對網(wǎng)絡排序時出現(xiàn)的排序異常的問題.改進算法的目的是為了突出接收信號強度和用戶滿意度,為每一種業(yè)務類型選擇最合適的無線接入網(wǎng)絡,保證QoS需求并且減少乒乓效應進行算法設計.通過Matlab平臺對改進算法進行仿真,結果顯示,在低速情況下,終端能夠根據(jù)業(yè)務的不同特征進行切換,雖然切換次數(shù)過多,但是能夠滿足用戶業(yè)務需求;在高速情況下,為了減少不必要的切換,減少網(wǎng)絡負載,切換次數(shù)會隨速度的增大而減小.仿真分析結果顯示了所提出算法能夠自適應用戶終端設備的移動速度,并且根據(jù)不同業(yè)務進行切換判決.

圖4　終端在不同速度下移動時的網(wǎng)絡切換過程

在本研究的網(wǎng)絡環(huán)境中,速度是精確的,但實際上同樣的速度如果在WLAN網(wǎng)絡下定義為快,可能在WWAN網(wǎng)絡下定義不一定為快,類似的屬性還包括接收信號強度、終端與接入點之間的距離等.在這種不確定的網(wǎng)絡環(huán)境下,也許可以利用通過模糊邏輯控制來進一步改善垂直切換問題.

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(責任編輯：包震宇)

An improved vertical handoff algorithmbased on multiple attribute decision making

TAO Jianhua, WU Xiangnong, Wang Lu

(CollegeofInformation,MechanicalandElectricalEngineering,ShanghaiNormalUniversity,Shanghai200234,China)

Inthispaperweproposeanverticalhandoffalgorithmbasedonmultipleattributesdecisionmakingtheory,andsimulatiethefourtypesoftypicalbusinessofheterogeneouswirelessnetwork.TheproposedalgorithmuseAHPtodesigntwolayersofstructure,throughthecombinationofsubjectiveandobjectiveweightsinordertosolvingtheproblemaboutweightsassignedtoosubjective.ThentheproposedalgorithmcombineswithTOPSIStosolvetheproblemwhenmakingdecisiononlybyasingleTOPSIS,whichmayresultinnetworksabnormalrank.Thesimulationresultsshowthattheimprovedalgorithmcanbeadaptivelyfitthespeedofuserterminal.InthepremiseofguaranteeQoSoffourtypesoftypicalbusiness,atthesametimereducetheping-pangeffect.

heterogeneousnetworks;verticalhandoff;multipleattributedecisionmaking;AHP;TOPSIS

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2016.04.011

2015-03-29

上海市自然科學基金(13ZR1430400);上海市教育委員會科研創(chuàng)新項目(14YZ070)

武向農(nóng),中國上海市桂林路100號,上海師范大學信息與機電工程學院,郵編:200234,E-mail:xnwu@shnu.edu.cn

TN929.5

A

1000-5137(2016)04-0458-06