基于多屬性分塊決策的5G切換算法

李丹陽，張治中，鄭文三

(重慶郵電大學(xué) 通信網(wǎng)測試工程研究中心,重慶 400065)

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基于多屬性分塊決策的5G切換算法

李丹陽，張治中，鄭文三

(重慶郵電大學(xué) 通信網(wǎng)測試工程研究中心,重慶 400065)

為了解決5G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在切換過程中單一處理切換參數(shù)的片面性問題，提出了一種適用于5G的新的切換算法，該算法基于多屬性分塊決策(modular multi-attribute decision making, M-MADM)理論，把切換參數(shù)分為2個模塊，采用TOPSIS與層析分析相結(jié)合的方法選擇最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)QoS(network QoS, NQ)模塊，其次利用模糊邏輯得到用戶偏好(user preference, UP)模塊，再對最終滿意度(degree of satisfaction, DS)模塊作一次模糊處理，選擇最優(yōu)結(jié)果執(zhí)行切換。仿真結(jié)果表明，M-MADM算法與傳統(tǒng)算法相比，可減少時延，降低切換失敗率，并能快速準(zhǔn)確地切換至最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)，提高用戶滿意度。

5G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；層次分析法；TOPSIS；模糊邏輯；用戶滿意度

0　引　言

作為面向2020年以后的下一代移動通信系統(tǒng)，5G在傳輸速率及資源利用率方面必要優(yōu)于長期演進(long term evolution,LTE)網(wǎng)絡(luò)，能夠滿足用戶超高移動性、超大流量密度的需求，為用戶提供云桌面、高清視頻、虛擬現(xiàn)實、在線游戲等極致業(yè)務(wù)體驗[1]。當(dāng)然，現(xiàn)存的其他移動通信網(wǎng)絡(luò)也各有特點，如無線保真(wireless fidelity,WiFi)的特點在于傳輸速率高、組網(wǎng)方便、成本低以及靈活性強等。5G與這些網(wǎng)絡(luò)融合作為一種能提高網(wǎng)絡(luò)性能的方法，取得了廣泛認可。因此，如何在5G與這些網(wǎng)絡(luò)共存的場景下為用戶提供無縫切換是下一代異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)亟待解決的難點之一。此時，選擇一種好的切換算法變得至關(guān)重要[2]。

針對該問題，目前已有多種解決方案。文獻[3]運用了排隊論算法的思想選擇最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行切換，雖能得到較理想結(jié)果，但隨著用戶數(shù)量的增加，切換時延會顯著增大；文獻[4]提出了一種基于用戶行為的切換優(yōu)化算法，該算法根據(jù)用戶速度和所用流量大小進行分類，選擇不同的度量標(biāo)準(zhǔn)進行切換，降低了乒乓切換和故障率，但由于用戶速度是隨時變化的，不能對其切換參數(shù)進行最優(yōu)選擇；文獻[5]采用卡爾曼濾波器與模糊邏輯相結(jié)合的切換方法，可以自適應(yīng)地調(diào)節(jié)切換參數(shù)，提高切換成功率，但是因為沒有考慮到各個網(wǎng)絡(luò)的負載問題，用戶滿意度不高；文獻[6-9]介紹了利用TOPSIS算法對網(wǎng)絡(luò)間的切換進行判決，然而隨著切換參數(shù)增多，其復(fù)雜度大大增加，不利于工程實現(xiàn)。

另外，不同網(wǎng)絡(luò)間的切換參數(shù)迥異，且不同用戶或相同用戶不同業(yè)務(wù)對各個切換參數(shù)的要求也相差較大，因此，如何衡量切換參數(shù)權(quán)重也十分關(guān)鍵。多屬性決策算法因能綜合考慮網(wǎng)絡(luò)中的多種參數(shù)而得到廣泛應(yīng)用，但現(xiàn)階段的切換算法[10-13]僅僅考慮了單一處理切換參數(shù)，即在用戶發(fā)起切換時，根據(jù)當(dāng)前所有決策參數(shù)構(gòu)成的判決矩陣或模糊準(zhǔn)則來選擇最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)。隨著參數(shù)個數(shù)的增加，會導(dǎo)致多屬性判決矩陣的階數(shù)大、遵守的模糊準(zhǔn)則數(shù)多，難度高。

因此，本文提出了一種基于多屬性分塊決策(modular multi-attribute decision making, M-MADM)的5G切換算法。該算法將切換參數(shù)進行模塊化分類，針對不同模塊分別采用TOPSIS和模糊邏輯算法處理，解決了傳統(tǒng)算法計算時間長、網(wǎng)絡(luò)選擇性能較差的問題，提高用戶滿意度。

1　異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型

未來移動通信系統(tǒng)，將是多種無線接入網(wǎng)絡(luò)同時存在，相互補充的復(fù)雜異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)[14]，多種無線技術(shù)共存的通信場景越發(fā)容易進入人們的視野。從2G，3G，LTE到下一代移動通信(5G)，蜂窩網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展一直致力于給人們帶來新的體驗；無線局域網(wǎng)(wireless local area networks,WLAN)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷從802.11a/b/g/n到目前熱門的802.11ac/ad，其理論上可支持近7 Gbit/s的吞吐量；全球微波互聯(lián)接入(worldwide interoperability for microwave access,WIMAX)作為“最后一公里”寬帶無線接入方案，近年來備受關(guān)注。用戶在前述眾多網(wǎng)絡(luò)交叉的通信中，很容易發(fā)生水平或垂直切換，而垂直切換相對于水平切換來說，對整個系統(tǒng)的要求更高、難度更大，這在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中不可避免。

假設(shè)未來異構(gòu)通信系統(tǒng)模型主要包括5G網(wǎng)絡(luò)、LTE網(wǎng)絡(luò)、WIMAX以及WLAN(802.11ac)，其分布情況如圖1所示。

圖1　異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型Fig.1　Heterogeneous network model

2　切換參數(shù)模塊化

2.1切換參數(shù)的選擇

根據(jù)我國IMT-2020(5G)推進組發(fā)布的《5G概念白皮書》，下一代移動通信系統(tǒng)將是以用戶體驗為中心的[15]，用戶在5G的異構(gòu)環(huán)境中往往會根據(jù)自己偏好以及網(wǎng)絡(luò)實際性能選擇切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，而影響其選擇的因素有很多，比如傳輸功率、丟包率以及用戶普遍比較關(guān)心的價格和網(wǎng)絡(luò)安全問題等。

因此，在M-MADM切換算法中，把用作輸入量的切換決策參數(shù)分為2類：①與用戶有關(guān)的偏好因素，包括網(wǎng)絡(luò)安全及價格，用戶對各種網(wǎng)絡(luò)都有自己的傾向，而這些傾向指標(biāo)往往是抽象模糊的，需要在計算之前將其具體化；②與網(wǎng)絡(luò)性能相關(guān)的量化指標(biāo)，本文選擇了傳輸速率、時延、抖動和丟包率。

2.2參數(shù)分塊處理

本文根據(jù)參數(shù)的不同特性，在傳統(tǒng)單一處理切換參數(shù)的基礎(chǔ)上，將切換決策系統(tǒng)(handoff design

system, HDS)分成三大模塊[16]：網(wǎng)絡(luò)QoS(network QoS,NQ)模塊、用戶偏好(user preference,UP)模塊和最終滿意度(degree of satisfaction,DS)模塊，其示意圖如圖2所示。

圖2　多屬性分塊設(shè)計Fig.2　Design of modular multi-attribute

NQ模塊中的參數(shù)可進一步分為效益型參數(shù)和成本型參數(shù)。效益型參數(shù)是指越大越好型QoS，即該類參數(shù)越大網(wǎng)絡(luò)性能越好，例如傳輸速率等；成本型參數(shù)是指越小越好型QoS，即該類參數(shù)越小網(wǎng)絡(luò)性能越好，例如時延、抖動、丟包率等。將NQ模塊的輸出和UP模塊的輸出輸入到下一模塊DS，由DS模塊評估候選網(wǎng)絡(luò)最終得分，選擇最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行切換。

3　切換參數(shù)歸一化

為了計算的準(zhǔn)確性，不同參數(shù)間的單位度量需一致。因此，參數(shù)歸一化是處理多屬性分塊決策問題中不可忽略的步驟。

3.1傳輸速率

不同無線網(wǎng)絡(luò)使用的資源不同，分配給用戶的帶寬也有大有小，因此，可提供的傳輸速率差別較大。為了保證切換判決的正確性，在各網(wǎng)絡(luò)性能比較之前，需對網(wǎng)絡(luò)的可用傳輸速率進行歸一化。

(1)

(1)式中：Gi表示第i個網(wǎng)絡(luò)可用速率的歸一化值；Vi為網(wǎng)絡(luò)i當(dāng)前的傳輸速率；Vmax表示網(wǎng)絡(luò)i可提供的最大傳輸速率，對于速率來說，因網(wǎng)絡(luò)資源的有限性，總有一個最大的門限值速率為Vmax。相似地，Vmin表示網(wǎng)絡(luò)i可提供的最小傳輸速率，在還有資源可用的情況下，網(wǎng)絡(luò)必有一個最低的門限值速率為Vmin。

3.2時延

不同網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)自身網(wǎng)絡(luò)條件采用集中式資源管理或分布式資源管理，因此，在不同機制下的網(wǎng)絡(luò)連接時延大有不同。時延的歸一化方式定義為

(2)

(2)式中：Fi表示第i個網(wǎng)絡(luò)時延的歸一化值；Dmax表示該網(wǎng)絡(luò)下的最大時延，對于糟糕的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，總會有一個最大時限值Dmax；Di為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)i的時延；相似地，Dmin表示網(wǎng)絡(luò)i的最小時延，在資源最大利用率下，所經(jīng)歷的時延存在一個最小門限值，即Dmin。

對丟包率和抖動來說，其歸一化參照時延的處理方式，這里不再做詳細介紹。

4　多屬性分塊決策算法

4.1NQ模塊

NQ模塊是網(wǎng)絡(luò)QoS模塊，其指標(biāo)可以用具體數(shù)值衡量。研究表明，TOPSIS算法在評估量化參數(shù)方面有較高精度[9]。因此，本文采用TOPSIS作為NQ模塊的判決依據(jù)。

另外，在未來5G網(wǎng)絡(luò)中，隨著視頻、音頻等多媒體業(yè)務(wù)比例不斷上升，用戶關(guān)注的QoS不再僅僅局限于速率和時延，本文新添抖動和丟包率2個因素。

為了降低計算量，將其中的時延、抖動、丟包率組成的成本型參數(shù)分為一類處理。

假設(shè)所處異構(gòu)場景中存在m個網(wǎng)絡(luò)，影響網(wǎng)絡(luò)切換的成本型參數(shù)有n個，首先需建立成本型參數(shù)組成的多目標(biāo)決策矩陣。

(3)

(3)式中：aij表示第i個網(wǎng)絡(luò)中第j個成本型參數(shù)的值。

將(3)式參照(2)式對各成本型參數(shù)歸一化，得到標(biāo)準(zhǔn)的成本型參數(shù)矩陣

(4)

(4)式中:bij表示第i個網(wǎng)絡(luò)中第j個成本型參數(shù)歸一化后的值。

各成本型參數(shù)的權(quán)重由層次分析法[12]獲得，先建立各成本型參數(shù)間兩兩比較的判決矩陣

(5)

(5)式中，cij表示第i個成本型參數(shù)和第j個成本型參數(shù)對網(wǎng)絡(luò)切換的影響大小，其中，cij=1/cji，cii=1，cij的具體值可參考表1。

然后根據(jù)判決矩陣計算出各個成本型參數(shù)的權(quán)重[13]。權(quán)重計算步驟如下。

1)將判決矩陣中的每一行進行相乘，得到每一行元素的乘積

(6)

2)計算Mi的n次方根

(7)

(8)

W=[W1,W2,…,Wn]T即為各成本型參數(shù)對應(yīng)的權(quán)重。

在求得各成本型參數(shù)權(quán)重后，還應(yīng)對該矩陣進行一致性檢驗，參照表2中隨機一致性指標(biāo)(random consistency endex,RI)的值，計算一致性比率(consistency ratio,CR)，若CR<0.1時，則C的不一致性在容許范圍內(nèi)。

表2　RI值Tab.2　Values of RI

根據(jù)得到的各成本型參數(shù)決策矩陣及其權(quán)重，其加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣V的形式如下，其值為

(9)

(10)

(11)

再計算各參數(shù)與理想解之間的距離，該距離是通過計算n維Euclid得到

(12)

(13)

最后計算各參數(shù)與最優(yōu)參數(shù)值的貼近程度

(14)

貼近度AQvalue表示此時成本型參數(shù)帶來的網(wǎng)絡(luò)性能值。AQvalue越大，其輸出越優(yōu)。

如圖2所示，此時AQvalue將與效益型參數(shù)一起作為NQ的輸入，為了得到NQ模塊的最優(yōu)輸出，需再做一次TOPSIS算法。

(15)

再計算正負理想解。對于效益型參數(shù)，求正理想解時應(yīng)取最大值，求負理想解時應(yīng)取最小值。G+，G-分別表示正理想解和負理想解，其值為

(16)

(17)

(18)

此時，Qvalue為二次TOPSIS算法計算出的NQ模塊性能，Qvalue越大，表示該網(wǎng)絡(luò)QoS性能越好。

比較兩組家屬的滿意程度；ICU糖尿病酮癥酸中毒血糖糾正的時間、酸中毒糾正的時間、住院的平均日數(shù)；護理前后血糖餐前餐后監(jiān)測狀況、酸中毒癥狀積分、生存質(zhì)量；酮癥酸中毒后搶救失敗率。

4.2UP模塊

UP模塊包含的是用戶偏好類指標(biāo)，對于5G異構(gòu)環(huán)境下的切換，其比重將大大增加。通常這類指標(biāo)是抽象模糊的，即只能通過程度量詞(如：高、中、低等)來表示相關(guān)參數(shù)的優(yōu)劣程度。而在眾多切換算法中，模糊邏輯算法具有高效處理抽象因素的特點[13]，本文選擇它對UP模塊進行處理。

定義UP模塊的模糊邏輯系統(tǒng)輸入量有：①價格；②安全性。

定義價格的模糊輸入集為M={高，中，低}，安全性的模糊輸入集S={高，中，低} ，此時遵守的模糊準(zhǔn)則[16]為32=9，部分模糊準(zhǔn)則如表3所示。

表3　UP模塊模糊準(zhǔn)則Tab.3　Fuzzy rules of UP modular

模糊推理的輸出是一個模糊集，其結(jié)果需去模糊化。常用的去模糊化方法為重心法[16]，其表達式為

(19)

(19)式中：x表示該模糊集取值范圍中的變量；μ(x)為該模糊集的隸屬函數(shù)；Pvalue是去模糊化后輸出的清晰值，即為UP模塊的最終輸出。

4.3DS模塊

將NQ模塊的輸出Qvalue和UP模塊的輸出Pvalue作為DS模塊的輸入，繼續(xù)采用模糊邏輯作為網(wǎng)絡(luò)的最終判決算法。

相似地，定義Qvalue的模糊集為Q={高，中，低}，Pvalue的模糊集為P={高，中，低}，遵守的模糊準(zhǔn)則[16]為32=9，其部分模糊準(zhǔn)則如表4所示。

表4　DS模塊模糊準(zhǔn)則Tab.4　Fuzzy rules of DS modular

將推理出的模糊結(jié)果仍依照重心法去模糊化

(20)

(20)式中：y表示該模糊集取值范圍中的變量；μ(y)為該模糊集的隸屬函數(shù)；Dvalue是去模糊化后輸出的清晰值，即為DS模塊的最終輸出。

至此，本文完成了多屬性分塊決策(modular multi-attribute decision making, M-MADM)切換算法的全部過程。將最終輸出Dvalue進行大小排序，選擇得分最高的網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行切換。圖3為M-MADM算法的流程圖。

圖3　M-MADM流程圖Fig.3　Flowchart of M-MADM

5　仿真與分析

為了評估本文所提M-MADM算法的性能特點，采用Matlab軟件構(gòu)建異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景，并對該算法的性能進行仿真分析。

5.1仿真過程

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景由目前熱門的無線網(wǎng)絡(luò)組成，系統(tǒng)模型見圖1，其各項切換參數(shù)數(shù)據(jù)如表5所示。其中，WIMAX，WLAN(802.11ac)和LTE網(wǎng)絡(luò)的QoS指標(biāo)都參照現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)參數(shù)是根據(jù)國內(nèi)外目前的發(fā)展趨勢[15]假設(shè)得到；參考各運營商的調(diào)研結(jié)果，依次設(shè)置4個網(wǎng)絡(luò)的用戶偏好類指標(biāo)。

表5　候選網(wǎng)絡(luò)切換參數(shù)Tab.5　Handoff parameters of candidate networks

用戶在使用不同業(yè)務(wù)時，對速率和時延等的要求是不同的，因此，需根據(jù)用戶當(dāng)前業(yè)務(wù)類型確定切換參數(shù)的權(quán)重，使用戶能切換至更優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)，提高用戶滿意度。參考3GPP劃分的業(yè)務(wù)類型，根據(jù)5G的業(yè)務(wù)能力，仿真中假設(shè)用戶可使用會話類、流媒體類、互動類以及后臺類4種業(yè)務(wù)，其特征如表6所示。

表6　業(yè)務(wù)分類Tab.6　Business Categories

將表5中的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)(速率、時延、丟包率、抖動)經(jīng)(1)，(2)式歸一化處理后，得到結(jié)果如表7所示。

表7　歸一化后的NQ數(shù)據(jù)Tab.7　Normalized data for NQ

對成本型參數(shù)結(jié)合(8)式計算其在各類業(yè)務(wù)上的權(quán)重(依次為時延、丟包率、抖動)分別為

W1={0.159,0.080,0.116}

W2={0.145,0.132,0.201}

W3={0.200,0.177,0.164}

W4={0.126,0.286,0.108}

將權(quán)重和歸一化后的參數(shù)值相乘，得到成本型參數(shù)組成的決策矩陣，經(jīng)(10)-(14)式，得到此時4個候選網(wǎng)絡(luò)(依次為5G，WLAN，WIMAX，LTE)對應(yīng)各類業(yè)務(wù)的AQ輸出分別為

AQvalue1={0.847,0.815,0.271,0.339}

AQvalue2={0.793,0.866,0.128,0.221}

AQvalue3={0.718,0.792,0.286,0.204}

AQvalue4={0.855,0.832,0.173,0.347}

計算速率和AQ的權(quán)重

經(jīng)(15)-(18)式，得到NQ模塊的輸出

Qvalue1={0.804,0.799,0.326,0.402}

Qvalue2={0.813,0.848,0.205,0,317}

Qvalue3={0.782,0.811,0.438,0.293}

Qvalue4={0.854,0.719,0.187,0.358}

對于用戶偏好類參數(shù)(價格、安全性)，經(jīng)模糊推理和(19)式處理后，得到UP模塊輸出

Pvalue1={0.796,0.655,0.219,0.478}

Pvalue2={0.733,0.751,0.347,0.462}

Pvalue3={0.693,0.720,0.315,0.276}

Pvalue1={0.810,0.767,0.289,0.452}

將各個業(yè)務(wù)下的Qvalue和Pvalue再經(jīng)DS模塊的模糊推理和(20)式去模糊化后，得到4個候選網(wǎng)絡(luò)最終得分排序

會話類業(yè)務(wù)5G>WLAN>LTE>WIMAX

流媒體業(yè)務(wù)WLAN>5G>LTE>WIMAX

互動類業(yè)務(wù)WLAN>5G>WIMAX>LTE

后臺類業(yè)務(wù)5G>WLAN>LTE>WIMAX

從結(jié)果來看，會話類、流媒體類、互動類、后臺類4種業(yè)務(wù)面臨切換時將優(yōu)先選擇的網(wǎng)絡(luò)分別為5G，WLAN，WLAN和5G。在網(wǎng)絡(luò)負載不高的情況下，4種業(yè)務(wù)都將從5G和WLAN中做出切換選擇。根據(jù)移動通信的發(fā)展趨勢，未來5G和WLAN確實在各個性能方面都將優(yōu)于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

5.2算法評估

為了體現(xiàn)M-MADM算法可快速準(zhǔn)確切換至最佳網(wǎng)絡(luò)的性能優(yōu)勢，本文在用戶數(shù)量不同的情況下進行切換選擇，并選用傳統(tǒng)模糊層次分析法[13]與其作比較。仿真假設(shè)用戶使用的業(yè)務(wù)類型隨機分配，且4種網(wǎng)絡(luò)容納的用戶數(shù)相同。

傳統(tǒng)的越區(qū)切換過程中，在多個用戶發(fā)起切換請求時，因小區(qū)資源的有限性，不可避免會發(fā)生碰撞，造成切換請求失敗。圖4為不同用戶數(shù)量下切換失敗率的比較。當(dāng)用戶數(shù)少時，2種算法的切換失敗率相差不大，但隨著用戶增多，切換請求量大，傳統(tǒng)模糊層次分析法因不區(qū)分用戶業(yè)務(wù)類型，其單一的網(wǎng)絡(luò)排序在最佳網(wǎng)絡(luò)的接入用戶數(shù)達到飽和后，不能使后續(xù)用戶繼續(xù)切換至最佳網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致切換失敗率比較高。

圖4　不同用戶數(shù)量下的切換失敗率Fig.4　Handover failure rate for different users

圖5比較了2種算法在不同用戶數(shù)量下的切換時延。從圖5中可以看出，M-MADM算法在用戶數(shù)量低于70時的切換時延更高，是因為M-MADM算法在對全部切換參數(shù)輸入判決前需分塊處理，增大了信令開銷；但當(dāng)用戶數(shù)量高于70以后，模糊層次分析法因用戶切換請求的失敗概率增大，其時延也會顯著增加。

圖5　不同用戶數(shù)量下的平均切換時延Fig.5　Average switching delay for different users

為了進一步評估該算法下的用戶滿意度，定義用戶的平均滿意度PS為

(21)

(21)式中：Ns表示用戶成功切換至想要的網(wǎng)絡(luò)；Nf則表示用戶沒有切換至想要的網(wǎng)絡(luò)。

在前述環(huán)境下，對用戶發(fā)起的10次切換請求進行仿真后，計算此時的用戶滿意度，并與模糊層次分析法相比較，結(jié)果如圖6所示。

圖6　用戶滿意度示意圖Fig.6　User satisfaction schematic

從圖6可以看出，M-MADM在用戶滿意度方面基本維持在70%左右，是因為將切換參數(shù)分塊，其可以調(diào)整不同業(yè)務(wù)下的NQ參數(shù)權(quán)重，并根據(jù)用戶自己的UP參數(shù)，快速準(zhǔn)確地切換至用戶想要的最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)。

通常一個算法的復(fù)雜度是由其輸入量決定的，當(dāng)決策的參數(shù)個數(shù)多，采取傳統(tǒng)TOPSIS算法建立的切換決策矩陣的階數(shù)就越大；若使用傳統(tǒng)模糊邏輯法，其所要遵守的模糊準(zhǔn)則也會相應(yīng)增加。而M-MADM在判決前首先將切換參數(shù)進行分模塊處理，相當(dāng)于減少了各自的輸入量。因此，M-MADM在復(fù)雜度或計算量上，都要比單獨使用模糊邏輯算法或TOPSIS算法低。

6　結(jié)束語

本文以5G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)為背景，在傳統(tǒng)算法的基礎(chǔ)上，提出了一種適用于5G的M-MADM切換算法。該算法把切換決策參數(shù)劃分至NQ，UP模塊，分別對其采用TOPSIS算法和模糊邏輯算法處理，然后將其結(jié)果輸入DS模塊，作模糊推理得到最終結(jié)果。與傳統(tǒng)算法相比，M-MADM可以有效地減少切換時延、降低切換失敗率，并在很大程度上滿足了用戶的切換請求，使用戶滿意度維持在較高水平。

[1]IMT-2020(5G)推進組. 5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)[EB/OL].(2015- 01- 02)[2015-12-20]. http://210.56.209.74/zh/documents/list/1.2015.1.

IMT-2020(5G) Group. Network technology architecture of 5G[EB/OL].(2015- 01- 02)[2015-12-20]. http://210.56.209.74/zh/documents/list/1.2015.1.

[2]賀昕，李斌． 異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)切換技術(shù)[M]．北京: 北京郵電大學(xué)出版社，2008: 6-7．

HE Xin, LI Bin. Handoff in heterogeneous wireless networks [M]. Beijing: Beijing University of Posts and Telecommunications Press, 2008: 6-7.

[3]SUN Yong. Vertical Handoff Decision Algorithm in Heterogeneous Wireless Network Based on Queuing Theory[C]∥Advanced Communication Technology (ICACT), 2015 17th International Conference on. Pyeong Chang, South Korea: IEEE, 2015, 7: 550-556.

[4]HEGAZY R D, NASR O A. A User Behavior Based Handover Optimization Algorithm for Heterogeneous Wireless Networks[C]∥Wireless Communications and Networking Conference(WCNC).NV,USA:IEEE,2015,3:1255-1260.[5]IWAN Kustiawan, CHI Kuanghui. Handoff Decision Using a Kalman Filter and Fuzzy Logic in Heterogeneous Wireless Networks[J]. IEEE COMMUNICATIONS LETTERS, 2015(10): 2258-2261.

[6]LIU Shengmei, PAN Su, XU Minghai. An improved TOPSIS vertical handoff algorithm for heterogeneous wireless networks[C]∥Communication Technology (ICCT), 2010 12th IEEE International Conference on. Nanjing, China: IEEE, 2010, 11: 750-754.

[7]CHEN Shyiming.Fuzzy Multiple Attributes Group Decision-Making Based on Ranking Interval Type-2 Fuzzy Sets and the TOPSIS Method[J].Systems,Man,and Cybernetics:Systems,IEEE Transactions on,2014(12):1665-1673.

[8]BRAJKOVIC E, SJEKAVICA T, VOLARIC T. Optimal wireless network selection following students' online habits using fuzzy AHP and TOPSIS methods[C]∥Wireless Communications and Mobile Computing Conference (IWCMC), 2015 International. Dubrovnik, Croatia: IEEE, 2015, 8: 397-402.

[9]LAHBY M, CHERKAOUI L, ADIB A.An enhanced-TOPSIS based network selection technique for next generation wireless networks[C]∥Telecommunications (ICT), 2013 20th International Conference on. Ayia Napa, Cyprus: IEEE, 2013, 5: 1-5.

[10] SGORA A, VERGADOS D D, CHATZIMISIOS P. An access network selection algorithm for heterogeneous wireless environments[C]∥Computers and Communications (ISCC), 2010 IEEE Symposium on. Riccione, Italy: IEEE, 2010: 890-892.

[11] AGOULMINE N, CHERKAOUI E H, TONI L. Multi-criteria Optimization of Access Selection to Improve the Quality of Experience in Heterogeneous Wireless Access Networks [J]. Vehicular Technology, IEEE Transactions on, 2012(12):1785-1800.

[12] SINGHROVA A, PRAKASH N. Vertical handoff decision algorithm for improved quality of service in heterogeneous wireless networks [J]. IET communications, 2012, 6(2): 211-223.

[13] XU Z, LIAO H. Intuitionistic fuzzy analytic hierarchy process [J]. Fuzzy Systems, IEEE Transactions on, 2014, 22(4): 749-761.

[14] 尤肖虎,潘志文,高西奇,等.5G移動通信發(fā)展趨勢與若干關(guān)鍵技術(shù)[J].中國科學(xué):信息科學(xué),2014(5):551-563.

YOU Xiaohu, PAN Zhiwen, GAO Xiqi, et al. The development trend and numbers of key technologies of 5G mobile communications[J]. Scientia Sinica: Informationis suence. 2014(5):551-563.

[15] IMT-2020(5G)推進組. 5G概念白皮書[EB/OL].(2015-01-02)[2015-12-30]. http://210.56.209.74/zh/documents/list/1.2015.2.

IMT-2020(5G) Group. White poper of 5G concept[EB/OL].(2015-01-02)[2015-12-30]. http://210.56.209.74/zh/documents/list/1.2015.2.

[16] THANACHAI T,ANJUM P,PRATIT S.Adaptive.Modular Fuzzy-based Handover Decision System for Heterogeneous Wireless Networks[J].International Journal of Networks and Communications,2013,3(1):25-38.

李丹陽(1992-)，女，重慶銅梁人，碩士研究生，主要研究方向為5G與WIFI融合組網(wǎng)架構(gòu)、異構(gòu)網(wǎng)無線資源管理方案。E-mail：584111163@qq.com。

張治中(1972-)，男，湖北恩施人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為第三、四、五代移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、測試及優(yōu)化技術(shù)。

鄭文三(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向為5G移動通信系統(tǒng)總體技術(shù)、通信網(wǎng)測試技術(shù)。

(編輯：劉勇)

s：The National High Technology Research and Development Program of China (“863” Program)(2015AA01A705,2014AA01A706); The Program of Innovative Research Team Constructing Plan of the Higher Education Institution in Chongqing(KJTD201312)

Handoff algorithm in 5G based on modular multi-attribute decision making method

LI Danyang, ZHANG Zhizhong, ZHENG Wensan

(Communication Networks Testing Engineering Research Center, Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065, P.R. China)

In order to solve the problem of unilateral processing parameters of switching for 5G heterogeneous networks, a new handoff algorithm based on modular multi-attribute decision making(M-MDAM) is proposed. M-MDAM divides handoff parameters into two parts, firstly, a method combining TOPSIS and AHP was used to select the best network QoS(NQ) module; Secondly, using fuzzy logic to get user preference(UP) module, then made the degree of satisfaction(DS) module for a fuzzy treatment, choosing the best optimal network to perform handover. Simulation results indicate: M-MDAM algorithm not only reduces switch delay and handoff failure rate, but also selects the best network faster and more accurately, which will improve user satisfaction.

5G heterogeneous networks; analytic hierarchy process(AHP); TOPSIS; fuzzy logic; user satisfaction

考值 Tab.1

重要性標(biāo)度兩兩比較重要性定義解釋1兩者同樣重要兩者對目標(biāo)的貢獻相同3前者比后者稍微重要經(jīng)驗和判斷偏向前者重要于后者5前者比后者明顯重要經(jīng)驗和判斷強烈認為前者重要于后者7前者比后者非常重要非常強烈地認為前者重要于后者,可以證實9前者比后者極端重要有最肯定的依據(jù)表明前者比后者重要很多2,4,6,8表示上述相鄰判決的中間值

10.3979/j.issn.1673-825X.2016.05.017

2015-12-31

2016-06-17通訊作者：李丹陽584111163@qq.com

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(“863”計劃)(2015AA01A705，2014AA01A706);重慶高校創(chuàng)新團隊(KJTD201312)

TN929.5

A

1673-825X(2016)05-0721-08