异构无线网络的自适应垂直切换判决算法

赵倩丽，曾兴斌，何加铭

(宁波大学信息科学与工程学院，浙江宁波 315211)

0 引言

在未来的异构无线环境中，接入网络将显著呈现异构性的特点。为了充分利用不同接入网络的特点，向用户提供 5W(Whoever、Whenever、Wherever、Whomever、Whatever)的服务，并且能满足用户对业务带宽化、个人化和智能化的要求。异构网络的融合可以实现各个网络的优势互补，而垂直切换是异构融合网络的核心技术，垂直切换性能优化随之也成为一个重要的问题。

垂直切换判决算法中需要考虑影响切换性能的多种因素，如应用需求、用户喜好、终端能力、网络费用及其QoS性能等，所以无法设定一个通用的决策方法。考虑到终端应用的实际需求和用户的偏好等因素，现有以终端为中心的代价函数不能满足终端应用的要求。下面介绍一种综合考虑终端电池电量和用户喜好等多应用并且保证服务质量的垂直切换判决算法。

1 自适应垂直切换判决算法

目前无线通信网主要分为2类:一类是以3G网络为代表的蜂窝网络;另一类则是以WLAN为代表的无线局域网［1］。下文将论述移动终端(Mobile Terminal，MT)在这2类网络之间的切换。

1.1 对候选网络QoS判断的代价函数

合理并且高效的代价函数是异构网络间进行准确、快速垂直切换的前提条件，因此合理的代价函数设计尤为重要。

假设移动终端有N个可接入的候选网络，QoS最优的网络为最优目标接入网络，即该候选网络的代价函数值最小。

fn为网络n的代价函数，它表示移动终端从网络n获得的所有应用付出的代价表示移动终端在网络n获得应用a的代价函数［2］。代价愈小愈好，所以将最优网络n表示为min{n|fn}，最优网络n由以下公式确定:

式中，fn为网络n的代价函数。它包含了应用服务中各个应用的代价，如果考虑到各个应用的优先级，将式(1)更新为式(3):

式中，Pa表示应用a的优先级由以下公式给出:

考虑到代价函数中的网络参数需要加权相加，但是网络参数的取值范围差异较大，如果直接进行加权，网络参数对代价函数取值产生的影响将会有很大差异。为解决上述问题，将对网络参数进行归一化［3，4］，所有网络参数归一化后的取值范围都相同，网络参数的重要性由权值来体现。

1.2 垂直切换判决方案

垂直切换判决算法引入电池电量门限。当移动终端剩余电量高于电量门限时，移动终端处于高电量状态;否则移动终端处于低电量状态［6］。当处于高电量状态时候，垂直切换考虑多种切换因素。但是处于低电量状态时候，主要考虑电量因素，应选择候选网络中带宽大的网络接入，这样可以减少业务消耗时间，防止由于电量耗尽造成的业务阻塞。

网络中有数据和语音业务。数据业务需要的带宽比较大，语音业务需要的带宽相对较小。虽然数据业务可以接入3G网络，但是它更倾向于带宽大(如WLAN)的网络。垂直切换方案流程图如图1所示。

图1 垂直切换方案流程图

如果移动终端剩余电量低，则应考虑切换至带宽大(覆盖范围小)的接入网络，以减小终端的发送和接收功耗，这样有利于终端工作时间的延长。定义接入网络j对终端t当前剩余电量的适合度如下［7］。

这里u是所有候选网络按覆盖范围从小到大排列时各接入网络的序号，1≤u≤N。Ect表示移动终端当前剩余电量，Et表示电池阀值。

如果移动终端的运动速度过快，为减少切换次数，则选择切换至覆盖范围大的接入网络。定义接入网络j对终端t用户当前运动速度的适合度如下:

这里，v是所有候选网络按覆盖范围从大到小排列时各接入网络的序号，1≤v≤N。Vct表示移动终端当前运动速度，Vjt表示网络j对应的速度阀值。根据终端当前的移动速度对候选网络进行筛选，然后再比较这些候选网络进行代价函数值，按照一定的方案来确定最优目标切换网络［8］。

2 仿真与分析

为了评估切换算法的性能，设计了一种切换场景:WLAN和3G网络边缘的随机运动场景。为了简化模型，只考虑切换过程中的垂直切换，如图2所示，移动终端B从WLAN通信范围移动出去后，为了保证通信的持续性可以切换到3G网络。而移动终端E从3G网络移动出去后可以切换到WLAN网络享受高带宽传输速率的服务。

图2 3G-WLAN网络切换场景

当移动终端B从WLAN网络移出至3G网络的覆盖范围时，因WLAN网络的通信范围有限，移动终端需要发起切换，即从WLAN切换至3G网络。移动终端首先检测到接入点的信号强度在减弱，然后判断终端当前的电池电量是否满足发起切换的要求，然后再最终决定是否进行切换，如果终端有足够的电池电量，则不考虑能量的消耗接入最优网络，进行切换。如果终端能量有限或者不足，从人性化角度考虑则询问用户，是否进行切换以获得更好服务，或者严禁进行切换，以延长移动终端的使用时间。预判决先通过终端能量消耗比值进行功耗判断，进行功耗判断后，若继续进行判决，则通过设定各个候选网络的速度阀值作为判断依据，进行速度筛选。如果当前用户的速度超过了某个候选网络预设的最高速度，即当前用户终端在很短的时间内移出该候选网络覆盖范围，则排除该候选网络，可有效解决乒乓效应。例如对于高速运动的用户终端，蜂窝网相比WLAN是更佳的候选网络。

切换性能的优劣直接影响终端的通信质量，也是保证终端用户享受优质服务的关键。而切换性能的评价指标一般有两个:一是切换的平均次数，二是呼叫阻塞率。本文在WLAN和3G组成的异构网络仿真环境下，对文献［9］提出的算法与本文提出的切换判决算法在切换次数、当前终端电池剩余电量等方面进行仿真分析与比较。假设3G网络的网络半径为1500 m，WLAN网络半径为500 m，用户速度服从均匀分布。平均服务时间服从指数分布。电池电量门限为0.5，QoS参数的权值大小如表1所示。

表1 QoS参数的权值

算法描述:

WC表示从WLAN切换到3G;CW表示从3G切换到WLAN。

为了描述方便，将文献［9］的算法用Compared表示，本文提出的算法用Proposed表示。由图3可知，Proposed算法与Compared算法在呼叫到达率较小时候差别不明显，但由于本文提出算法将切换语音呼叫留在原网络，呼叫到达率增大后，与Compared算法相比，Proposed算法能很好地减少平均切换次数，避免了乒乓效应。由图4看出，Proposed算法由于在切换判决时候考虑了终端当前电池电量，在终端当前剩余电量方面明显优于Compared算法，图4的曲线正好验证了这一点。

图3 平均切换次数

图4 终端剩余电量

3 结束语

研究了综合电池电量、速度等因素的切换判决策略，根据电池电量的变化趋势动态执行不用的切换决策。首先根据终端当前移动速度对候选网络进行初步筛选，这样可以有效地减少了不必要的切换，较好地保证了切换的有效性，然后根据代价函数为移动终端精准选择出最优目标切换网络，执行切换时充分考虑了网络环境、终端能力、业务需求和用户喜好因素，较好地保证了切换因素的全面性和切换的精确性。在切换预判决时考虑终端当前的电池电量因素，仿真结果表明这样做可以有效地延长终端的工作时间，有效地缓解了因电量不足而造成的业务阻塞问题，进而保证切换过程中业务的服务质量。因此在现实生活中更具实际的应用价值。

［1］张丽丽，刘大鹏，杨帆.一种新的无线异构网络的自适应垂直切换算法［J］.信息技术，2011，06(0004):4-6.

［2］ZFU F，MACNAIR J.Optimizations for Vertical Handoff Decision Algorithm［C］∥Proc of IEEE Wireless Communication and Networking conference，2004:867-872.

［3］XIN G，TANG R X，SONG N B，DONG W Y.Enhanced Application-driven Vertical Handoff Decision Scheme for 4G Wireless Networks［J］.IEEE，2007，5(07):1771-1774.

［4］CHEN W T，LIU J C，HUANG H K.An Adaptive Scheme for Vertical Handoff in Wireless Overlay Networks［C］∥Ministry of Education and the National Science Council，Taiwan，China，2004:541-545.

［5］MAO X，CHEN Q B，TANG L.Vertical Handoff Technology for Heterogeneous Network ［J］.Communication technology，2007，26(6):24-26.

［6］王伟，景志宏，陈鹏.异构无线系统中一种改进的垂直切换方案［J］.计算机应用研究，2011，05(28):1861-1865.

［7］王兴伟，郭磊，李雪娇.一种智能ABC支持型QoS切换决策机制［J］.电子学报，2011，04(39):01-09.

［8］FANG Z，JANISE M N.Multiservice Vertical Handoff Decision Algorithms［J］.EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking，2006，13(25861):1-13.

［9］LIU M，LI Z C，GUOX B.An Efficient Handoff Decision Algorithm for Vertical Handoff Between WWAN and WLAN［J］.Journal of Communication Science and Technology，2007，22(1):114-120.