基于动态扫描周期的多属性垂直切换算法

陶 洋，纪瑞娟，杨 理，王 进

(重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065)

0 引 言

随着通信技术的发展，各种无线接入技术应运而生，形成UMTS(universal mobile telecommunications system)、WLAN(wireless local area network)、WIMAX(worldwide interoperability for microwave access)等多种无线网络并存的新局面[1]。在减少终端能耗的条件下通过网络垂直切换技术[2]快速选择合适的目标接入网络以确保用网需求成为用户的基本要求。Yu HW等[3]提出使用固定扫描周期的方法进行网络发现，但固定的扫描周期并不能适用于不同的网络环境。Huang Kaikai[4]提出使用分级扫描的方法，在一定程度上减少网络扫描的次数，但是存在网络发现不及时的问题。Li Yang等[5]提出根据搜索到的周围新的无线网络的(received signal strength，RSS)的变化来动态的调整网络扫描周期，能够在消耗较少的能量的前提下及时发现可用无线网络。但是会导致终端在当前接入网络能够满足业务需求的情况下，进行不必要的网络切换，造成了不必要的能量消耗。

本文提出一种基于动态扫描周期的多属性垂直切换算法。首先，在网络发现阶段根据终端当前接入网络的RSS变化和终端的速度动态调整扫描周期；其次，在网络选择阶段采用多属性判决法[6,7]综合考虑多种网络属性，采用层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)和熵权法，综合考虑主客观因素，根据业务类型不同对各参考属性进行权值分配，并对各个备选网络计算其效用值；最后，引入微小阈值让移动终端尽可能长时间停留在当前网络中，来避免终端在当前接入网络能够满足其基本需求时，盲目切换至比当前接入网络略好的新网络，在平衡网络发现效率和终端能量消耗的同时，进一步避免了乒乓效应，提高了网络服务质量。

1 网络垂直切换

垂直切换是因多模终端的移动或者业务发生变化，当前接入网络不能满足用网需求，且多模终端周围存在其它可用的无线网络时，为保证网络服务的连续性，终端选择接入到更加合适的无线网络的过程。切换过程一般分为网络发现、网络选择、网络切换3个阶段[8]。网络发现阶段是指多模终端不断对周围电磁环境进行扫描，获取周围存在的无线网络的相关信息，如信号强度、可用带宽、传输时延、误码率等[9,10]。网络选择是指终端根据搜索到的网络信息，通过一定的判决标准，对不同的网络进行对比，择优选择出可用的无线网络。网络切换执行阶段是指终端断开与当前网络的连接，并与新的无线网络建立连接的过程。

为在减少终端能耗的情况下，及时检测到周围可用的无线网络并从中快速选择一个合适的接入网络。首先，本文对终端的网络扫描周期进行动态调整，减少了不必要的网络扫描次数；其次，考虑不同通信业务类型对网络的质量有着不同的需求，在网络选择阶段使用多属性进行网络判决，并使用层次分析法和熵权法确定不同业务类型的相关判决参数的权值分配；最后，为避免终端进行不必要的切换引入微小阈值，对最终的接入网络选择进行控制。整体的垂直切换算法如图1所示。

图1 垂直切换算法

2 网络发现

传统的网络垂直切换过程在网络发现阶段存在对网络扫描周期大小设定不合理的问题，若网络扫描周期过小，虽然能够及时发现周围可用无线网络，但是较多的网络发现次数使终端能量消耗较多；反之若网络的扫描周期过长，会导致终端不能够及时发现可用的无线网络，影响用户的用网体验。为平衡网络发现及时和减少终端能耗之间的关系，从终端状况和当前接入网络状况两方面进行考虑。首先，在移动终端方面，其速度为影响网络扫描周期的因素，具体表现为当终端的移动速度越大，网络扫描周期应越小，以防止终端不能够及时发现可用的新网络，造成网络发现时延，降低切换效率；其次，在网络方面，因RSS表征网络提供基础通信服务的能量，故采用终端接收到的当前接入网络的RSS为衡量当前接入网络状况的指标。具体来讲当前接入网络的信号强度越小，则表示当前接入网络状况越差，终端切换网络的急迫性越强，所以需要加快网络的扫描，相应地减少网络扫描周期。动态扫描周期Tcur计算方法如下

(1)

其中，Tmax、Tmin分别代表最大的网络扫描周期和最小的网络扫描周期，RSScur为终端接收到的当前接入网络的信号强度，RSSth为终端接入网络的信号强度门限值，Vcur为终端当前的移动速度，Vmax为设定的终端最大移动速度。

3 网络选择

对异构网络选择是网络切换过程中关键一环，由于多属性判决方法与其它判决方法相比具有简单明了且考虑全面能够得到较好的效果等优点被广泛的使用[11]。提出融合AHP[12]、熵权法[13]和简单加权法，针对终端进行的业务类型对网络的需求进行网络选择的优化方案。首先利用AHP的层次模型确定参考属性的主观权重向量；然后利用熵权法确定属性的客观权重向量，在此基础上利用简单加权法各个网络的效用函数；最后引入微小阈值对终端最终要进行切换的网络进行确定。

不同的业务类型对网络性能具有不同的要求，3GPP将移动网络业务分成了4大类[14]：会话类、流媒体类、交互类、背景类。根据业务对时延敏感程度的不同将会话类和流媒体类归为实时类业务，将交互类和背景类归为非实时类业务。为简单起见，对各类业务只进行对实时类业务和非实时类业务区分。

其中网络参考属性的选择的合适与否直接影响到网络选择的合理性。在多属性判决法选择网络过程中，参考属性的选择并非越多越好[15]，应选择既能够全面反映网络性能和不同业务类型对网络性能的要求，又不相互重叠的网络属性作为网络选择标准。

根据以上分析，选取最能够体现网络性能的5个参考属性：接收信号强度RSS、可用带宽(bandwidth，B)、时延(delay，D)、丢包率(packet loss rate，PLR)、抖动(jitter，J)作为网络选择的依据。

3.1 层次分析法确定主观权值

如图2所示，对目标问题进行层次化处理，建立典型的层次结构模型。其中目标层代表得到的最优接入网络；准则层中设定影响网络选择的相关因素；方案层代表可选的备用网络。

图2 层次结构模型

利用AHP确定各属性权值步骤：

步骤1 对网络选择参考属性进行确定；

步骤2 构造AHP判断矩阵。对用户终端当前使用的业务类型进行判断，根据业务对时延的敏感程度不同将业务分为实时类业务和非实时性业务，根据业务类型采用按照1-9标度法(标度的定义见表1)对各属性两两比较得到量化的判断矩阵A=(aij)m×n， 其中aij为参数的相对重要程度；

表1 1-9标度法

(2)

(3)

计算与特征向量对应的最大特征根λmax的近似值

(4)

计算判断矩阵的一致性指标，检验其一致性，公式为

(5)

其中，CI是一致性指标，RI是随机一致性指标(平均随机一致性指标RI对照表见表2)，CR是一致性比率，n为考虑因素的个数。当计算得到的一致性比率小于或等于0.1时矩阵的一致性是可以被接受的，以此来判断两两比较的一致性程度是否达到了要求。

表2 平均随机一致性指标RI对照

RSSB D J PLR

(6)

(7)

RSS B D J PLR

(8)

(9)

3.2 熵权法确定客观权值

利用熵权法确定客观权值步骤：

步骤1 对网络选择参考属性进行确定，通过不断地对网络进行扫描得到候选网络实际性能参数(见表3)。

表3 候选网络实际性能参数

步骤2 对各类参数进行归一化处理，根据表3可知信号强度和可用带宽为效益型参数，其余参数为成本型参数，根据参数的类型进行归一化处理，并得到指标的标准化评估矩阵R。

效益型参数归一化处理

(10)

成本型参数归一化处理

(11)

(12)

步骤3 确定参考属性的熵值，gij为网络i中第j项参数在所有备选网络中的比重，ej为第j项网络性能参数指标的熵值

(13)

(14)

其中，k为常数，k>0，k=1/ln(N),N为备选网络的个数，m为参考属性的个数；

步骤4 利用熵值计算各个参考属性的权值sj，第j项参数的差异系数为pj

(15)

(16)

从上式可用看出，对于第j项网络参数，熵值越大，参数的值差异越小，对网络选择方案的影响越小，所赋予的权值就越小。

3.3 网络判决

对于第j项网络参数，记综合主观权值和客观权值得到的综合权值为Zj，利用简单加权法得到的各个网络的效用值为Fi

Zj=α·Wj+(1-α)sj

(17)

(18)

其中，α为加权因子，本文设α=0.5

(19)

(20)

记当前接入网络的效用函数为Fcur，如果Fmax等于Fcur或者 (Fmax/Fcur)≤δ， 则终端停留在当前接入网络，否则选择效用函数最大的网络为接入网络进行网络切换，该方法避免了终端盲目切换到比当前网络略好一点的网络，进一步减少了乒乓效应，节约了终端能量。

4 仿真分析

4.1 仿真场景及相关参数

选取MATLAB软件对所提算法进行仿真验证，并对仿真结果进行分析。如图3所示仿真实验在WLAN1、UMTS、WLAN2这3个网络重叠覆盖的环境下进行，坐标分别为(450,0)，(1500,0)，(2550,0)，其中设定WLAN1和WLAN1的覆盖半径为200 m，UMTS的覆盖半径为1500 m，终端从A(0，0)点，运动到B(3000,0)点，依次穿过3个网络。根据参考文献[16]确定各个网络的相关参数见表4，另有仿真的相关参数见表5。

图3 网络仿真场景

表4 网络参数

表5 仿真参数

4.2 仿真结果分析

将本文所提算法分别与文献[5]中所提出的算法，以及固定扫描周期为5 s,10 s,15 s的方法，在MATLAB仿真软件下进行对比分析，得到如下仿真结果。图4为终端从A(0,0)点向B(3000,0)点匀速运动过程中，在不同的扫描周期下，终端监测到WLAN1时终端对网络的扫描次数。从仿真结果可以看出，本文提出的动态调整网络扫描周期的方法接口激活次数比固定扫描周期为15 s，10 s以及文献[5]中的周期自适应切换算法激活次数少，与固定扫描周期为5 s的接口网络激活次数相当。从图5 可以看出在网络发现时间方面，本文所提算法所需时间与固定扫描周期为5 s和文献[5]中算法相当，少于固定周期为10 s 和15 s网络发现所用的时间。故本文所提算法相对于对比算法在网络发现时间较少的情况下，通过减少了终端接口的激活次数进而减少了终端能量的消耗。

图5 不同扫描周期下网络发现时间

在网络发现的基础上，终端根据自身业务对网络的需求，采用多属性判决方法对备选网络效用值进行计算，并引入微小阈值δ对网络进行过滤选择。设定移动终端以 1 m/s 的速度从A(0,0)点匀速移动至B(3000,0)，依次穿过3个网络。

图6显示的是实时类业务的网络选择结果，从图中可以看出本文所提算法相对于AHP算法具有较少的切换次数。对于实时类业务，保证实时性是重中之重，此类业务对其它的网络属性，如可用带宽有相对较低的要求，所以网络选择时更偏向选择时延低的网络。本文算法在绝大多数时间停留在UMTS网络，因UMTS网络在时延方面表现突出，偶尔选择WLAN2网络可能是此时WLAN2网络的综合性能表现更好。而AHP算法相对本文算法更多的时间停留WLAN1和WLAN2网络中，而WLAN网络是高时延网络不能够很好满足实时类业务的需求。

图6 实时类业务网络选择

图7显示的是非实时类业务的网络选择结果，从图可以看出本文所提算法相对与AHP更多的时间停留在了WLAN1和WLAN2中。对于非实时类业务，高可用带宽和低丢包率是保证业务质量的关键，此类业务对时延等网络属性要求很低，而WLAN1和WLAN2网络在网络带宽方面相对UMTS网络有很大的优势，但是UMTS网络具有较少的丢包率，随着终端位置的变化，考虑各个网络的综合性能，终端在UMTS和WLAN1和WLAN2网络之间切换。

图7 非实时类业务网络选择

因本文算法引入了微小阈值对网络进行过滤选择，从而使终端较多时间停留在网络带宽比价大的WLAN1和WLAN2网络中。

5 结束语

本文提出了一种基于动态扫描周期的多属性垂直切换算法，在网络发现阶段，根据终端接收到的当前接入网络的信号强度和终端的移动速度来调整网络扫描周期，减少了终端空中接口的激活次数；在网络选择阶段，采用多属性判决法，针对不同业务使用AHP和熵权法对各属性设定相应权重，并利用简单加权法得到备选网络效用值，最后利用微小阈值确定终端是否要进行网络切换。仿真结果表明，所提方法相对于传统算法，能够在减少终端能耗的基础上，及时发现周围可用的无线网络。并能够为终端选择合适的接入网络，减少了不必要的网络切换，提高了用户服务质量。