基于模糊多因素综合判决的无线异构网络垂直切换算法

张治学，李哲青，王 辉

(河南科技大学 网络信息中心， 河南 洛阳 471023)

目前，“无线城市”已经成为发展未来网络通信的新理念，其目标是实现任何时间、任何地方与任何人进行任何形式的透明通信。实现这一目标的关键技术之一是无线异构网络融合。

作为无线局域网(WLAN)的重要代表，WiFi(IEEE802.11)网络具有布设灵活、带宽高、覆盖范围小的特点。作为目前无线城域网(WMAN)常用技术，WiMAX(IEEE802.16)无线网络具有覆盖范围广、带宽适中等特点。WIMAX的无线信号传输距离最远可达50 km，可覆盖半径达1.6 km的范围，是3G 基站的传输距离的10倍。此外，WIMAX可实现向用户提供具有QoS性能的视频、话音、数据等业务[1]。因此，实现WiFi与WiMAX的网络融合对无线网络组网模式具有重要意义。

1 无线异构网络融合技术

垂直切换即异构网络之间的切换，一般分三个阶段：(1)网络切换的发起阶段。首先是网络发现，即检测那些可以到达的网络。(2)网络切换的判决阶段。在此阶段，对所有可以到达的网络按照一定的规则进行评判，并选择最适合网络。(3)网络切换实施阶段。在这一阶段，完成网络切换判决之后，具体实施网络的切换工作。当前无线网络中的用户，根据周期性的测量结果和判决规则，决定用户是否需要切换到目标网络。判决标准取决于用户要求的服务质量参数或网络参数。

目前，垂直切换技术在切换效率、切换控制、切换判决和切换性能等方面仍然面临极大的挑战，现有技术仍存在许多局限性，主要表现在：(1)垂直切换性能的优化困难，包括切换次数、切换丢包、切换延时和切换信令等方面的优化。要保证底层接入技术的无关性，垂直切换技术必须在网络高层实现，而在网络高层实现通用性又可能对通信性能造成影响。(2)缺乏高效、可行的垂直切换判决方法。由于垂直切换判决是十分典型的多标复合推理判决，现有技术多存在可行性差、频繁切换明显、网络资源利用率不高等缺点。

目前，人们对垂直切换技术的研究主要分为三种类型：

(1)基于无线信号强度比较的判决方法。该方法以移动终端接收到不同无线网络接入点的信号强度作为主要参考因素，采用某个标准作为信号强度门限值，根据接收到的无线网络信号强度高于或低于门限值来决定是否执行接入或切出无线网络操作[2]。

(2)基于移动终端的切换判决方法。该方法除考虑无线网络的信号强度和网络的可用性之外，还需结合服务提供商的可用带宽、功耗、业务类型和用户偏好等多个因素作出判决。通过构建代价函数来计算和评估最优的接入网络[3]。

(3)基于人工智能或模糊逻辑，并结合多种网络参数和用户特性的多维判决方法。该方法基于模糊推理系统和神经元网络，建立具有自适应的无线网络垂直切换算法，以便在异构网络环境中能准确地判决出将要切换到的目标网络[4]。

本质上，异构网络的垂直切换决策是一个多因素综合决策问题，应根据当前可用网络的不同特点和所运行业务的不同需求，以及用户终端的特性和用户偏好、终端移动速度、目标网络服务等多个因素进行综合判断[5-6]。模糊控制是一种能够基于复杂信息的非线性、不完整和不确定性判决方法。由于无线电信号有很多模糊的性质，选用多因素切换判决机制，结合模糊逻辑能有效解决实际中很多参数不精确性问题[7]。

本文提出一种基于模糊综合评判理论，综合考虑无线异构网络切换过程中多种类别因素，进行目标网络与当前网络的优质度对比，通过选择最佳的切换时刻和目标网络，实现异构网络融合的垂直切换算法。以WiFi网络与WiMAX为例，在NS2网络模拟环境下对提出的垂直切换算法进行仿真实验。

2 基于模糊综合的多因素判决

模糊控制是一种基于规则的控制，不需要已知被控对象的精确数学模型，直接采用语言型控制规则，因此模糊控制对那些参数动态特性不易掌握或变化较快的对象非常适用，已成功应用于很多工业生产过程、智能家用电器、复杂对象预测、智能医疗诊断等非线性、非平稳和自适应系统的控制。鉴于模糊控制的诸多优点，本文将模糊综合理论应用于WiFi网络与WiMAX网络的切换管理。

模糊控制系统由模糊器、模糊规则库、模糊推理和解模糊器四部分组成[8-9]。其逻辑框图如图1所示。

图1 模糊控制系统

模糊器实现隶属函数的模糊化处理，将测得的输入变量值或输入的语言类信息转化为模糊集合隶属函数表示的某一模糊值，即一个对应的隶属函数值。模糊关系是输入模糊器的集合I与解模糊器输出集合O之间的对应关系， I与O集合的全部对应关系构成一个规则库(Rule base)，由规则库的规则决定输入与输出之间的模糊关系。

模糊推理根据规则库中的模糊关系对经过模糊器处理的值进行推理匹配，寻找出相应的输出信息。解模糊器的功能和模糊器的功能正好相反，其作用是将一个模糊集合转换成一个明确的动作。

本文选取信号强度、终端移动速度和信噪比三种参数作为判决机制的输入，并选用高斯隶属函数对以上参数进行模糊化处理。经过模糊器处理后，每种参数划分为高(H)、中(M)、低(L)三个等级。高斯隶属函数表示为：

(1)

式(1)中 ，σi,mi分别表示参数的标准方差和抖动因子，x表示自变量。

模糊规则库是模糊控制系统的重要组成部分，其中语言规则是模糊逻辑推理的依据。本文定义信号强度、终端移动速度和信噪比三个模糊变量和“高”、“中”、“低”三档组成模糊集，模糊规则共有33=27条。这些规则按照投票表决机理生成。三个参数变量相当于三个代表，可以产生9种表决结果。将这9种表决结果，用数字1～9来表示移动终端对当前服务基站的隶属度，对应于切换到候选基站台的可能性程度。其中1代表对当前基站隶属度最低，即一般切换不到本基站，切换到其他候选基站的可能性最大；9代表对当前基站的隶属度最高，即切换到本基站的可能性最高，切换到其他基站的可能性最小。

所有规则语句的作用可归纳为：

(2)

式(2)中μFi(PFi)表示各模糊变量对于模糊集的隶属度。首先经过模糊规则推理出模糊量，其次经过去模糊过程得到对于基站的隶属度。去模糊过程表示如下：

(3)

式(3)中y1表示第1条规则的输出，可以从规则库中获取，Ma表示对于基站的隶属度。

移动终端通过监测不同网络的信号强度、信噪比及自身移动速度等参数，将这些参数信息输入到模糊控制系统中，得到移动终端对当前接入点和候选接入点的隶属度。经过比较器比较，输出切换判决。如果当前接入点的隶属度低于隶属度阈值，而另一个最佳候选接入点的隶属度高于当前接入点的隶属度，且大于迟滞隶属度值时，切换到最佳候选接入点。

3 仿真实验

在NS2网络模拟器中进行仿真实验。实验环境设置为：在一个WiMAX网络覆盖的区域内有多个AP基站，AP覆盖热点区域，用户终端以一定速度在该区域内移动。用户终端从热点区域进入WiMAX区域(无AP覆盖)，再由WiMAX区域(无AP覆盖)进入另一个热点区域。实验场景如图2(1)所示。在此过程中，分别采用传统的基于单因素(信号强度)的判决算法和采用模糊综合评判算法进行切换判断。实验环境仿真参数见表1。

图2 实验场景及用户终端起始和目标位置

仿真参数预设值WiMAX覆盖半径1 200 mWiFi AP覆盖半径50 m用户终端恒定移动速度3 m/s用户终端变速移动速度范围2～6 m/s终端触发周期300 ms

采用模糊综合评判算法进行切换判决过程中，用户终端周期性地收集网络信息，如信号强度、信噪比和自身移动速度，经综合模糊计算得到当前网络与目标网络的优先性级别，当发现当前网络优先性级别低于目标网络时，启动切换过程，完成网络切换。用户终端从WiFi网络进入WiMAX网络切换过程和从WiMAX网络进入WiFi网络切换过程如图3所示。

本实验中，设置用户终端在设定范围内以恒定速度和变速两种情况，从一个热点区域(WiFi覆盖)移出，经过WiMAX覆盖区域，进入另一个热点区域，然后返回到原来位置。移动终端有4个起始位置(P1, P2, P3, P4)，目标位置为P5，如图2(1)所示。

用户终端移动路线共有4种，每种路线进行10次实验，分恒速和变速两种情况，共得到80组实验数据。再利用NS-2.30的数据分析工具，对每一次实验得到的切换次数和切换时的带宽进行统计。切换判决采用传统单门限切换判决方法和基于模糊综合切换判决算法。单因素判决算法采用信号强度触发切换动作，模糊综合评判算法的综合信号强度、信噪比与移动终端速度进行切换动作的触发。两种算法的平均切换次数和切换时的平均带宽对比结果见图4和图5。

图3 垂直切换判决过程

图4终端恒速移动时平均切换次数与平均带宽对比

图5终端变速移动时平均切换次数与平均带宽对比

对比发现，使用基于模糊综合切换判决的切换判决方法，能明显地降低切换次数，减少“乒乓效应”，切换时机较好，能保持用户带宽的相对稳定。这是因为模糊逻辑本身具有对多个模糊值进行综合分析处理的能力，能在一定情况下避免或减少当两个网络的模糊判决值相近时不必要的切换。与传统的单门限切换判决方法相比较，模糊综合切换评判算法可以更加准确地对用户网络进行切换判决。

4 结论

针对异构网络融合切换的多因素综合决策问题，提出了一种综合考虑移动终端速度、信号强度、信噪比三个因素的模糊综合评判算法。与传统单因素切换判决算法相比，提出的模糊综合切换算法不仅能较准确地进行切换触发和切换判决，而且能明显减少用户不必要的切换次数，降低“乒乓效应”，在切换过程中表现出较好的稳定性。在今后的研究中，本课题组将考虑更多的网络参数作为切换判决因素，对误码率和可用带宽等切换性能进行更深入的研究。

[参 考 文 献]

[1] 曾春亮,张宁,王旭莹，等. WiMAX 802.16原理与应用[M].北京:机械工业出版社,2007.

[2] 张丽丽，刘大鹏，杨帆，等. 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(6)：4-7.

[3] 李钦德，周文安，马飞，等．基于RTP/RTCP的VoIP智能切换技术的实现方法研究[J].计算机科学，2011, 38 (2 )：68-71.

[4] Calhan A．Speed sensitive-energy aware adaptive fuzzy logic based vertical handoff decision algorithm[C]//International Conference on Systems, Signals, and Image Processing, 2011：21-24.

[5] 许坤. 异构无线网络融合中的多属性垂直切换判决算法[D].西安: 西安电子科技大学，2011.

[6] 徐玖平, 吴巍．多属性决策的理论与方法[M].北京：清华大学出版社，2009.

[7] 席爱民．模糊控制技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2008.

[8] Yang T．A fuzzy logic vertical handoff algorithm with motion trend decision[C]//Proceedings of the 6th International Forum on Strategic Technology, 2011：1280 - 1283.

[9] 姚红艳，周文安，李彪，等. 一种基于上下文感知的垂直切换决策机制[J].重庆邮电大学学报：自然学科版, 2011,23(2)：145-149.