異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)選擇策略與協(xié)作中繼技術(shù)研究

汪穎 許勤

（九江學(xué)院，江西 九江 332005）

異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)選擇策略與協(xié)作中繼技術(shù)研究

汪穎 許勤

（九江學(xué)院，江西 九江 332005）

在物聯(lián)網(wǎng)不斷發(fā)展的過(guò)程中，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用新老技術(shù)交替出現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)兼容性問(wèn)題成為技術(shù)突破的重點(diǎn)核心。由此本文進(jìn)行異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的研究，通過(guò)協(xié)作中繼技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化選擇。探討在異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)選擇算法，提出一種基于模糊推理系統(tǒng)的效用函數(shù)參數(shù)設(shè)置方法，解決不同移動(dòng)終端對(duì)有效函數(shù)參數(shù)的規(guī)范化指標(biāo)問(wèn)題，分別從單向和雙向中繼傳輸系統(tǒng)進(jìn)行中繼定位與功率分配。

異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)選擇策略；協(xié)作中繼技術(shù)

1 前言

在物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信不斷發(fā)展的過(guò)程中，各種接入方式之間的耦合和新老更替的信息通信網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)接入導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中存在多異構(gòu)多協(xié)議無(wú)線網(wǎng)絡(luò)共存，給無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的管理與建設(shè)帶來(lái)困難。要實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信能夠跨越平臺(tái)，任何種類(lèi)信息無(wú)障礙交換，環(huán)境動(dòng)態(tài)調(diào)整，資源均衡應(yīng)用，解決目前面臨的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)信息互通困難的問(wèn)題，就必須要從異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入資源入手，以協(xié)作中繼技術(shù)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相互通信，解決信息孤島問(wèn)題。

2 異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)選擇策略與協(xié)作中繼技術(shù)概述

2.1 異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)選擇策略

隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的普及應(yīng)用，在某一環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)多個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)交叉覆蓋的現(xiàn)象，并且不同無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供的網(wǎng)絡(luò)接入存在參數(shù)上的差異性，這就要求移動(dòng)端設(shè)備能夠?qū)@種復(fù)雜的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行甄別與篩選，對(duì)可接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行排序，以尋求最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)。在選擇方法上包括：基于多屬性決策的網(wǎng)絡(luò)選擇、基于模糊邏輯的網(wǎng)絡(luò)選擇、基于博弈論的網(wǎng)絡(luò)選擇。

2.2 異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作中繼技術(shù)

協(xié)作中繼技術(shù)是針對(duì)于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的各類(lèi)設(shè)備之間的有效連接而存在的協(xié)同處理機(jī)制，通過(guò)協(xié)作中繼技術(shù)可以避免用戶更換無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)斷網(wǎng)的問(wèn)題，減少傳輸時(shí)延，保證用戶網(wǎng)絡(luò)在使用正常情況下切換網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)。

3 基于終端實(shí)時(shí)狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)選擇算法

將移動(dòng)終端無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實(shí)時(shí)狀態(tài)的影響因素作為網(wǎng)絡(luò)選擇更新的指標(biāo)函數(shù)參數(shù)，在異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，改變移動(dòng)終端接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的有效網(wǎng)絡(luò)排序，當(dāng)用戶處在異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況自由選擇接入點(diǎn)，針對(duì)異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中指標(biāo)的特點(diǎn)，本文提出一種基于模糊推理系統(tǒng)的效用函數(shù)參數(shù)設(shè)置方法，采用Mamdani直接模糊推理法，從無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入數(shù)條同時(shí)起作用的模糊規(guī)則中，按并行處理方式產(chǎn)生對(duì)應(yīng)輸入量的輸出模糊子集。模糊庫(kù)規(guī)則如下：

規(guī)則1：A1AND B1→C1；

規(guī)則2：A2AND B2→C2；

......

規(guī)則n：AnAND Bn→Cn；

前提：x0AND y0

結(jié)論：C’

其中Ai、Bi、Ci均為模糊集合，x0、y0為輸入值。

由Mamdani直接模糊推理法的模糊規(guī)則AiAND Bi→Ci（i=1,2,...,n）與前提x0AND y0，取min運(yùn)算得推理結(jié)果Ci’：

式中∧表示min運(yùn)算；uAi(x0)、uBi(y0)、uCi(z)分別為模糊集合Ai、Bi、Ci的隸屬函數(shù)。則推理結(jié)果C'可表示為：

式中∨表示max運(yùn)算。最后采用重心法進(jìn)行反模糊化，計(jì)算式為：

式中z0即為反模糊化的精準(zhǔn)值。

4 多中繼傳輸?shù)闹欣^定位與功率分配

4.1 單向多中繼網(wǎng)絡(luò)的中繼定位與功率分配

單向多中繼傳輸?shù)南到y(tǒng)模型包括源節(jié)點(diǎn)S1與目的節(jié)點(diǎn)S2、N個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)R1，R2，...RN，N>1。S1與S2通過(guò)R1，R2，...RN相互通信。假設(shè)終端節(jié)點(diǎn)S1與S2之間的距離為d，且S1到R2、RN到S2的距離分別為d1、dN+1。Rk到Rk+1，k=1,2,...,N-1的距離表示為dk+1。所有傳輸信道滿足平坦瑞利衰落，在發(fā)送的每個(gè)周期內(nèi)，信道參數(shù)保持恒定不變，并且在任意兩個(gè)周期之間保持相互獨(dú)立存在。任何相鄰節(jié)點(diǎn)之間的信道相關(guān)系數(shù)為為路徑損耗因子，hi~CN(0,σ2h)表示瑞利衰落影響。每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的加性高斯白噪聲為wi~CN(0,σ2i)，i= 1，2，3，...,N+1。

通過(guò)MATLAB仿真軟件進(jìn)行仿真，設(shè)計(jì)兩個(gè)終端用戶之間的距離為歸一化d=1，設(shè)路徑損耗因子n=4，單向單中繼傳輸與單向雙中繼傳輸?shù)陌l(fā)射功率比較結(jié)果如圖1所示：

圖1 單向單與單向雙中繼傳輸發(fā)射功率比較仿真結(jié)果

通過(guò)圖1可見(jiàn)，發(fā)射總功率隨著數(shù)據(jù)速率c的增大而增加，但是單向單中繼傳輸要求的總發(fā)射功率分別為9.94dB、15.55dB和21.33dB。單向雙中繼傳輸發(fā)射功率分別為6.92dB、12.74dB、18.64dB。明顯單向雙中繼傳輸要比單向單中繼傳輸能夠節(jié)省功率。

4.2 雙向多中繼網(wǎng)絡(luò)的中繼定位與功率分配

雙向多中繼傳輸?shù)南到y(tǒng)模型包括終端節(jié)點(diǎn)S1和S2、N個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)R1、R2...RN，N>1。S1與S2通過(guò)R1，R2，...，RN互相通信。假設(shè)終端節(jié)點(diǎn)S1與S2之間的距離為d，且S1到R1、RN到S2的距離分別為d1、dN+1。Rk到Rk+1，k=1,2，...,N-1的距離表示為dk+1。所有傳輸信道滿足平坦瑞利衰落，在每個(gè)發(fā)送周期內(nèi)信道參數(shù)恒定不變，而在任意兩個(gè)周期之間相互獨(dú)立。任何相鄰節(jié)點(diǎn)之間的信道相關(guān)系數(shù)為αi=d-n/2ihi，n>0為路徑損耗因子，hi~CN(0,σ2h)表示瑞利衰落影響。每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的加性高斯白噪聲為wi~CN(0,σ2i)，i=1,2,3...,N+2。則S1、S2處的接收信號(hào)可分別表示為：

式中PS1、PR1、PRN與PS2分別表示S1、R1、RN與S2的傳輸功率。

同樣通過(guò)MATLAB仿真軟件進(jìn)行仿真，設(shè)計(jì)兩個(gè)終端用戶之間的距離為歸一化d=1，設(shè)路徑損耗因子n=4，雙向單中繼傳輸與雙向雙中繼傳輸?shù)陌l(fā)射功率比較結(jié)果如圖2所示：

圖2 雙向單中繼傳輸與雙向雙中繼傳輸?shù)陌l(fā)射功率比較仿真結(jié)果

通過(guò)圖2可見(jiàn)，發(fā)射總功率隨著數(shù)據(jù)速率c的增大而增加，但是雙向單中繼傳輸要求的總發(fā)射功率分別為9.67dB、15.40dB和21.26dB。雙向雙中繼傳輸發(fā)射功率分別為5.30dB、11.19dB、17.13dB。明顯雙向雙中繼傳輸要比雙向單中繼傳輸能夠節(jié)省功率。

5 結(jié)語(yǔ)

異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)擇優(yōu)選擇策略是在多無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下移動(dòng)端網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的重要技術(shù)，在面對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備搭建起的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，采用協(xié)作中繼技術(shù)可有效為移動(dòng)終端提供無(wú)痕網(wǎng)絡(luò)通信，提高了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間的耦合。在協(xié)作中繼技術(shù)解決移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接的問(wèn)題中，存在單向多中繼網(wǎng)絡(luò)的中繼定位與功率分配和雙向多中繼網(wǎng)絡(luò)的中繼定位與功率分配的現(xiàn)象，通過(guò)本文的研究驗(yàn)證了單向雙中繼傳輸要比單向單中繼傳輸能夠節(jié)省功率，雙向雙中繼傳輸要比雙向單中繼傳輸能夠節(jié)省功率。

[1]黃小龍，黃保華，屈遲文．一種博弈競(jìng)爭(zhēng)選擇的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)接入策略[J]．計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2015，32(4)：1214-1216．

[2]滕世海，蔣占軍，陳婧婧．異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)作通信技術(shù)研究[J]．微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2016，33(10)：78-81．

[3]伍仁勇，王文茹，李仁發(fā)．協(xié)作認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的功率優(yōu)化及中繼選擇策略[J]．計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2016，33(5)：1486-1490．

[4]徐加利，管章玉．多用戶認(rèn)知協(xié)作無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的中繼選擇與載波分配策略[J]．新型工業(yè)化，2016，6(1)：62-72．

Research on Heterogeneous Wireless Network Selection Strategy and Cooperative Relay Technology

Wang Ying Xu Qin
(Jiujiang University,Jiujiang 332005,Jiangxi)

tract】 In the process of the continuous development of the Internet of things,new and old technologies of wireless network appear alternately.Network compatibility issues become the core of technology breakthrough.This paper studies on the heterogeneous wireless network,and optimizes the network with cooperative relay technology.It studies on the heterogeneous wireless network selection algorithm;puts forward the utility function parameters setting method based on fuzzy inference system,to solve the problem of function parameters index for different mobile terminals,implementing relay positioning and power allocation from oneway and two-way relay transmission systems respectively.

words】 heterogeneous wireless network;network selection strategy;cooperative relay technology

TN92

A

1008-6609(2017)04-0014-02

汪穎（1983-），女，湖北黃梅人，碩士，副教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)通信。

江西省教育廳青年科學(xué)基金項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：G JJ14743。