可见光与Wi-Fi的无缝融合研究

2015-04-15 09:07杨立伟中国农业大学副教授博士后
信息通信技术与政策 2015年6期
关键词:模糊化无缝异构

杨立伟 中国农业大学副教授,博士后

可见光与Wi-Fi的无缝融合研究

杨立伟 中国农业大学副教授,博士后

异构网络融合是未来网络的一个重要发展趋势。本文研究了将可见光通信与Wi-Fi技术相结合的一种新的覆盖方式,建立了可见光与Wi-Fi融合系统的仿真平台并进行了验证。

可见光通信 Wi-Fi 垂直切换

1 引言

异构网络融合是未来网络的一个重要发展趋势,随着移动互联网的发展,未来的网络架构必然会融合多种特征互补的接入网络,通过由不同技术组成的异构网络,可以充分利用不同类型的网络技术优势。

基于LED(LightEmittingDiode)照明设备的可见光通信(VLC,Visible-Light-Communication)技术是无线光通信的一种,在家庭信息智能控制系统、会议通信网络系统、公共场所的查询和导购系统等领域都有广阔的应用空间。

与Wi-Fi相比,VLC有很大优势。Wi-Fi依赖无线电波传输,有一定的电磁辐射,且无线信号穿墙而过,网络信息不安全。而这些安全隐患,在可见光通信中就能被避免。但可见光通信并不是Wi-Fi的竞争对手,而是一种相互补充的技术,有助于释放频谱空间。因此,考虑将可见光与Wi-Fi技术相结合,共同构建室内接入网络。

由于异构无线网络接入技术的差异性,如何给用户提供不同网络间的无缝漫游已经成为异构网络亟需解决的问题。其中,移动性管理是实现异构无线网络急需解决的问题之一,而垂直切换判决技术是移动性管理的核心内容。

在可见光异构网络中,不同的网络之间在网络协议、覆盖范围等性能指标都有很大的差异,在用户选择接入网络的过程及为满足终端移动性的需求,需使用切换技术来保持会话的连续性。当接收机从一个基站(房间)移动到另一个基站(房间)时,需要接收机能够自动切换。切换操作既要能识别一个新基站又要将信令信号分派到新基站的信道上。

本文对可见光与Wi-Fi的无缝融合网络进行研究,并重点研究融合网络的切换技术。

2 国内外研究现状

1995年,异构无线网络的概念由美国加州大学首次提出,此后学者们对无线网络的融合进行了广泛研究。ITU、IETF等标准化组织对异构融合无线网络进行了标准化研究。3GPP对重叠异构无线网络中的所有接入网络不同技术的融合方案、接入网络的网络架构进行了规范,因而使得已有的重叠异构无线网络获得开放的网络接口。同时,IEEE也设计出了相关的重叠异构网络架构。

针对异构无线网络,国内的企业、科研院所也进行了深入研究。中国移动提出的新型接入网构架C-RAN,采用协作化、虚拟化技术实现资源共享和动态调度,以达到提高频谱效率的目的。“新一代宽带无线移动通信网”、“基于异构网络跨域的移动管理关键技术研究”等一系列国家重大科技专项,从不同的角度针对异构无线网络进行了深入的研究。国家自然科学基金委员会也确立了许多关于异构无线网络的研究项目,如“异构无线覆盖网络智能垂直切换管理关键算法研究”等。

但是,现阶段不同无线接入网络进行融合的过程中存在很多困难。其中,无线资源管理技术是可以实现不同接入无线网络融合的关键技术。无线资源管理包括接纳控制、功率控制、负载控制、容量分析、切换控制等技术。

对于切换技术,目前国内外学者的研究主要在切换判决这一阶段。国内外现有的垂直切换算法总体来说能达成一定的共识,但尚未有完善的解决方案,需要进一步研究。

3 基于模糊逻辑的切换算法研究

异构网络中的切换主要分为水平切换和垂直切换两大类。水平切换保证在同一类型网络之间的切换,垂直切换保证移动节点在不同的网络之间无缝的漫游。

垂直切换是异构网络中的关键技术。在异构网络的垂直切换过程中,一般可以分为切换初始化、切换判决和切换执行3部分。切换初始化阶段就是一个信息的收集阶段,这些信息包括RSS、带宽、吞吐量、抖动、费用、电池电量等;切换判决阶段负责判决是否需要执行网络切换以及切换到哪个网络,判决阶段关键部分就是判决算法的设计;切换执行阶段需要提供一个无缝的切换方式,从当前网络无缝地切换到目标网络的过程。希望减少不必要的切换次数,从而降低“兵兵效应”。

垂直切换是多种无线网络融合的基础,而切换算法的设计是未来实行无缝融合的关键。垂直切换算法目前主要分为基于效用函数的、以用户为中心的、基于上下文感知的、基于多属性决策的、基于模糊逻辑和神经网络的。其中,基于模糊逻辑的垂直切换算法考虑带宽、接收信号强度RSS、覆盖范围和用户数目等参数作为判决参数。

模糊逻辑(FuzzyLogic)是对现存的无法用准确语言或者模型进行描述的问题或者事件进行的模糊描述,可以解决经典的二值逻辑不能对变量做出准确定义的问题。在模糊理论中,对一个具体对象是否符合模糊概念,我们是用“可能性”来度量,并不是利用传统的概率论等数学工具。模糊逻辑是利用模糊集合工作的,不同于普通集合的边界范围确定性,模糊集合是由具有可移动范围的普通清晰集合,即从属于一个集合到不属于这个集合是渐变的过程。

模糊逻辑是为了帮助非精确推理提供理论基础,是介于人工智能推理和控制理论数值计算之间的数学方法,它可以较好地处理不确切的输入参量,能够适应无线网络环境的动态变化以及网络接入选择的复杂性。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。

基于模糊理论的切换算法由两部分组成,一部分是将各个输入参数即判决因子输入模糊逻辑控制器中进行处理,第二部分是采用一种选择函数帮助用户选择最佳接入网络。使用模糊逻辑的方法不仅可以处理一些不确定的参数还能对多个参数进行综合决策,所以运用模糊逻辑的方法可以有效解决垂直切换决策问题。

在无线通信环境中,存在着各种各样的因素会使得网络条件发生动态变化,因此精确、单一的数学模型并不适合用来表示无线传输链路。模糊逻辑方法能够适应无线网络的动态条件和垂直切换的复杂性,能够将多种不同的网络参数综合在一起,并以这些参数本身的模糊特性为依据进行切换的判决。因此,模糊逻辑方法能够很好地应用在异构无线网络的垂直切换问题上。

模糊逻辑法用于异构网络中,对不同网络接入标准的参数进行比较和判断,将各网络的共性予以模糊逻辑化,将输入的变量通过隶属度函数转化为合适的值,然后依照特定的模糊逻辑规则,通过推理去模糊化,并将最后得到的结果做出网络接入判决。

4 混合系统结构设计与仿真

切换判决参数应体现网络综合性能。考虑尽可能多的参数对于判决算法做出最准确的决策很重要;但是很难在一个切换判决算法模型中包括所有的参数,因为这样会使算法的复杂度大大增加也会出现多重属性的冲突问题。

本文考虑网络的QoS参数包括带宽、时延、抖动、BER。带宽可有效反映当前网络的业务状况,对于带宽要求比较高的业务尤为重要;网络的时延将直接影响到网络的QoS和用户的感知;抖动即时延的变化,它受网络稳定性和信道时延的影响;BER也是反映网络性能的重要参数。由于这些参数具有很大的模糊性,常常用高低来衡量,因此采用基于模糊逻辑的切换算法进分析。如对于误码率,区间[0,1e-4]为Low,[1e-5, 1e-3]为Medium,[1e-4,1e-1]为High。

基于模糊逻辑的垂直切换算法分3个部分,即模糊化、模糊规则和去模糊化(清晰化)。模糊化的过程就是利用隶属度函数将输入参数模糊化。网格QoS参数经过模糊化以后利用模糊规则输出模糊评价值,最后通过去模糊化得到网络的切换评价得分。选择得分最高的网络作为切换的目标网络,执行网络切换,从当前服务网络切换到目标网络。

本文使用MATLAB作为切换算法的仿真工具。考虑VLC和Wi-Fi两种不同网络同时存在的异构无线网络环境。Wi-Fi网络的覆盖范围半径为100m,VLC网络的覆盖半径为10m。假设VLC1-VLC3都处于Wi-Fi的覆盖范围之内,移动终端从A点向B点按照5km/h的移动速度匀速步行,即开始阶段移动终端处于Wi-Fi网络中(见图1)。

图1 VLC与Wi-Fi融合网络

判决过程如下:首先检测周围的可用网络,获取网络的QoS信息;然后,利用模糊逻辑系统做出切换判决;最后,选择一个切换得分最高的网络作为切换目标网络完成网络的垂直切换。

采用模糊逻辑算法下Wi-Fi网络与VLC网络的得分(见图2)。

根据QoS得分进行网络选择,0~2s选择Wi-Fi,2~6s选择VLC1,6~9s选择VLC2,9~10s选择Wi-Fi。仿真结果表明基于模糊逻辑的切换算法比较适合可见光与Wi-Fi的融合网络,能够便于用户根据网络的QoS选择最佳网络。角度设计具有高灵活性、低复杂度的切换判决方案。通过MATLAB软件对融合网络的联合切换算法进行了仿真,仿真结果表明基于模糊逻辑的切换算法比较适合可见光与Wi-Fi的融合网络。

图2 Wi-Fi与VLC网络的得分比较

5 结束语

本文研究了可见光与Wi-Fi的无缝融合网络,重点研究了可见光与Wi-Fi融合网络的切换算法,从系统的

1 茅海雁.异构无线网络环境下网络垂直切换判决技术研究与分析.南京理工大学硕士学位论文.2014

Researchon Integrated System of Visible Light Communication with Wi-Fi

Integration of different networks is the important trend of the future network.Anovel communication technology of integratedVisible Light Communication(VLC)andWi-Fi is discussed and demonstratedby simulation in this paper.

VLC,Wi-Fi, vertical handoff

2015-05-10)

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