基于效用理论的异构无线网络选择

周健，王华胜，张琳琳

(1．苏州高博软件技术职业学院，江苏 苏州 215163; 2．苏州大学 智能结构与系统研究所，江苏 苏州 215006)

基于效用理论的异构无线网络选择

周健1，2，王华胜1，张琳琳1

(1．苏州高博软件技术职业学院，江苏 苏州 215163; 2．苏州大学 智能结构与系统研究所，江苏 苏州 215006)

在未来的异构无线网络环境中，为满足数据业务的需求，移动用户总希望能够接入最适合的网络。针对将实际测量的指标值归一化后作为决策值中存在的问题，提出了将效用理论应用到多指标算法中，设计了指标在不同业务、终端状态、用户类型下的效用函数，并用指标效用替代归一化测量值作为决策值计算备选网络的总效用，最后根据总效用值的比较来选择最优网络。仿真表明，此算法能够更好地反映用户的需求，帮助用户选择适合的网络。

异构无线网络；效用函数；最优网络

0 引言

无线接入互联网和无线多媒体数据业务的巨大需求推动了无线通信技术的快速发展，不同的无线通信技术，如蜂窝通信3G/4G，宽带无线接入IEEE802．16、IEEE802．20以及短距离通信WLAN、Bluetooth、UWB等为用户提供了各种不同的服务，各种无线网络交叠覆盖，形成了异构无线网络环境。因此如何让移动用户接入最优的网络，成为异构网络融合领域的研究热点之一［1］。

由于异构网络中各无线网络的技术指标不同，最优网络的选择需要取决于带宽、延迟、耗电量和价格等多个指标，即使异构网络中最优网络的选择成为一个多指标决策问题。在决策的过程中，大多数文献将实际测量的指标值归一化后作为多指标决策算法的决策值［2－7］，但不同的业务(如语音、视频会议和视频流等)对网络的要求是不同的，如对于指标带宽，语音一般几十Kb的速度就行，但对于视频会议是不够的［8－10］，即将指标的归一化测量值作为决策值不能反映这一下现象。

考虑到上述原因，采用效用理论来解决问题，针对无线网络指标的特性，人们已提出了一系列效用函数［11，12］，但并没有分析不同网络业务或用户下的指标效用值。在决策过程中，用指标效用作为决策值，这样同一指标的相同值对不同的业务或用户的效用是不同的，即决策值是不同的。同时，考虑到终端多业务的情况，采用群决策算法来确定最终的最优网络。

1 效用函数

效用是指人们在决策过程中对某商品或服务的满意程度。在异构网络选择中不同的业务对于网络的要求也是不同的，因此即使是相同的指标，对于不同的业务应该有不同的效用。针对4种业务对带宽的要求不同，设计了针对4种业务的效用函数，相同的带宽值对不同业务的效用是不同的，在决策过程中能得到合理的决策值，如图1所示。同样，不同的用户对于使用网络的代价也是不同的，因此即使是相同的指标，对于不同的用户应该有不同的效用。针对3种用户对通信价格的敏感度不同，设计了针对3种用户的效用函数，相同的通信价格对不同用户的效用是不同的，在决策过程中能得到合理的决策值，如图2所示。

终端在不同剩余电量情况下设计了3种效用函数，使终端消耗相同的电量在3种情况下对用户产生的效用是不同的，在决策过程中能得到合理的决策值，如图3所示。

图1 不同业务下带宽的效用函数

图2 不同用户下通信价格的效用函数

图3 不同剩余电量下耗电量的效用函数

综上所述，在异构无线网络选择过程中，不宜将归一化的测量值作为决策值，而应该考虑实际情况设计效用函数，从而计算合理的效用值。其他网络指标类似，不再赘述。

2 系统模型与算法

设R={r1，r2，…rm}表示m个无线网络构成的备选方案集，V={v1，v2，…vn}为n个网络判决指标，W={w1，w2，…wn}为n个判决指标的权重，S= {s1，s2，…sk}为终端的k个运行任务，P= {p1，p2，…pk}，为k个任务的权重。

对于不同的任务，指标值的效用是不同的，因此针对k个运行任务s1，s2，…sk构建了判决矩阵U1、U2、…、Uk:

利用简单加权法(Simple Additive Weighting method，SAW)计算备选网络的总效用值Um:

根据式(2)，备选网络的总效用值最大的为最有网络。

3 仿真结果与分析

设仿真环境中有3种网络:WLAN、UMTS和WiMAX，选取通信价格(c)、耗电量(e)、带宽(b)为网络选择的判决指标，各指标的取值如表1所示。

终端现有语音(v)、视频会议(m)和视频流(s) 3个业务同时在运行，且终端剩余电量为中，用户账户为银账户，则对于语音、视频会议和视频流3个业务的决策矩阵分别为:

设3个指标通信价格、耗电量和带宽的权重为W={wc，we，…wb}={0．3，0．2，0．5}，3个业务语音、视频会议、视频流的权重为W={wv，wm，…ws}= {0．5，0．4，0．1}，通过SAW计算3个备选网络的总效用值:

UWLAN=0．632 6，UUMTS=0．601 5，UWiMAX=0．912 5(4)由式(4)得UWiMAX＞UWLAN＞UUMTS，则最优的网络为WiAMX。

4 结束语

提出了基于效用理论的无线网络选择算法，对于不同的业务、终端状态、用户类型设计了不同的效用函数，并将指标效用代替归一化测量值作为决策值，使决策过程中终端能够得到合理的决策值。仿真结果表明，此算法能够更好地反映不同网络业务、不同用户等情况下的网络需求，为终端选择更加合理的无线网络作为接入点。

［1］Corici M，Fiedler J，Magedanz T，et al．Access Network Discovery and Selection in the Future Wireless Communication[J]．MobileNetworks and Applications，2011，16 (3):337－349．

［2］刘军，李晓楠．基于层次分析法的WLAN/蜂窝网络切换判决算法[J]．通信学报，2013，34(2)，65－72．

［3］石文孝，赵嵩，范绍帅，等．基于多目标决策的异构无线网络接入选择算法[J]．吉林大学学报(工学版)，2011，41(3)，795－799．

［4］张鹏，黄开枝，贺晓珺，等．基于组合权重的异构无线网络选择算法[J]．系统工程与电子技术，2009，31 (10):2501－2505．

［5］王康，曾志民，冯春燕，等．一种多属性决策的异构网络选择算法[J]．无线电工程，2009，29(1):1－3，35．

［6］王亚楠，冯春燕，夏海轮．基于动态灰色多指标决策的异构网络选择[J]．无线电工程，2009，39(11):1－3，40．

［7］周健．基于混合决策值的异构无线网络选择算法[J]．无线电通信技术，2014，40(3):10－12，16．

［9］Chamodrakas I，Martakos D．A Utility-based Fuzzy TOPSIS Method for Energy Efficient Network Selection in Heterogeneous Wireless Networks[J]．Applied Soft Computing，2011，11(4)，3734－3743．

［10］Nguyen-Vuong Q，Agoulmine N，Cherkaoui E H，et al．Multicriteria Optimization of Access Selection to Improve the Quality of Experience in Heterogeneous Wireless Access Networks[J]．IEEE Transactions on Vehicular Technology，2013，62(4):1785－1800．

［11］周健．基于终端实时状态的异构无线网络选择[J]．无线电工程，2014，44(7):7－10．

［11］Quoc-Thinh N，Ghamri-Doudane Y，Agoulmine N．On Utility Models for Access Network Selection in Wireless Heterogeneous Networks［C］∥Network Operations and Management Symposium，2008:144－151．

［12］Wang lu-sheng，Kuo geng-sheng．Mathematical Modeling for Network Selection in Heterogeneous Wireless Networks-A Tutorial[J]．IEEE Communications Surveys and Tutorials，2013，15(1)，271－292．

Access Selection Algorithm Based on Utility Theory in Heterogeneous Wireless Network Environment

ZHOU Jian1，2，WANG Hua-sheng1，ZHANG Lin-lin1
(1．Suzhou Global Institute of Software Technology，Suzhou Jiangsu 215163，China; 2．Institute of Intelligent Structure and System，Soochow University，Suzhou Jiangsu 215006，China)

In future heterogeneous wireless network environment，mobile users always want to be able to access the most appropriate network to satisfy the demand of data service．To work out the problem that exists when normalized index value serves as decision value，the utility theory is applied to multi-attribute algorithm，and the utility function of index under different services，terminal states and user types is given，and the normalized index value is replaced by utility value to calculate total utility of alternative network，finally the optimal network is selected by the comparison of total utility value．Simulation shows that this algorithm can better reflect the needs of users，and help choose network suitable for the user．

heterogeneous wireless network;utility function;optimal network

TN 929．5

A

1003－3114(2015)05－19－2

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.05.05

周健，王华胜，张琳琳．基于效用理论的异构无线网络选择［J］．无线电通信技术，2015，41(5):19－20，40．

2015－05－11

苏州高博软件技术职业学院院级立项课题(GIST2014－11)

周健(1983—)，男，讲师/在读博士研究生，主要研究方向:异构无线网络关键技术。王华胜(1979—)，男，硕士/实验师，主要研究方向:网络信息安全。