基于多业务类型的异构无线网络切换算法*

高武奇 范 菲

(西安工业大学电子信息工程学院 西安 710032)



基于多业务类型的异构无线网络切换算法*

高武奇 范 菲

(西安工业大学电子信息工程学院 西安 710032)

为解决异构无线网络在传输不同类型数据过程中的切换问题，提出了一种基于多业务类型的异构无线网络切换算法。该算法根据传输业务类型的优先级及其实时性，将业务类型分为实时业务和非实时业务。通过对可用带宽、网络时延等判决参数的分析及切换判决参数满意程度的计算，设计出基于多业务类型的异构无线网络切换算法。该算法可以根据不同的业务类型选择最佳的传输网络，改善网络拥堵现象，减少切换时延，充分发挥异构网络的优势。

异构无线网络; 切换; 业务类型; 满意程度

Class Number TN92

1 引言

近年来，随着无线通信和网络技术的快速发展，多种无线网络传输方式相继出现。为了使网络传输更加方便快捷，异构无线网络将多种类型、具有不同网络管理方案的传输网络融合在一起。若要在异构传输网络间要保持网络通信的连续性，就需要使各种无线传输技术能够集成和协调[1]。因而，在使用无线网络传输数据时，如何选择最有效、最合适的传输网络,保证无线网络间的无缝切换已经成为现今异构无线网络研究领域所要解决的重要问题。

考虑到网络信号强度、覆盖范围、可用带宽等因素对异构无线网络之间切换的影响，需要采用对切换具有高要求的异构无线网络切换算法。该算法的实现过程包括如下三个阶段[3]：切换监测阶段、切换策略判决阶段以及切换执行阶段。

1) 切换监测阶段：移动终端对当前可接入的无线网络进行周期性的搜索，并将收集到的有关无线网络状态的信息收集起来。

2) 切换策略判决阶段：根据切换监测阶段得到的各个无线网络性能参数相关信息，以及用户喜好、传输数据类型等来选择最佳网络，即就是做出最优的切换策略判决。切换策略判决模型如下图1所示：

3) 切换执行阶段：移动终端断开现有的网络连接，将当前的会话切入到所建立的新的网络连接中，完成当前网络和在切换策略判决阶段所判决出的最优的目标切换网络之间的切换。

图1 切换策略判决模型

2 相关研究

异构无线网络，它主要是能随时为用户提供最高效的数据传输方式[7]。对于异构无线网络切换，国内外研究人员已经对此做出了大量研究，也提出了很多不同的无线网络切换算法。主要有：

1) 基于代价函数的切换算法[2]：该算法是一种策略驱动，将用户在某个网络中的总收益表示为一个代价函数。根据代价函数大小来决定网络的性能，即代价函数越小，网络性能越好。

2) 基于多属性决策的切换算法[4]：把网络切换看作是多属性的决策问题，将网络服务商或者移动终端看作决策者，通过对切换判决参数的分析与计算，再进行方案排序的决策。

3) 基于神经网络和模糊逻辑的切换算法：通过计算隶属函数，考虑切换阶段的不确定因素，比如：用户偏好以及停留时间，将其进行模糊化处理，得到量化的具体数值，然后再进行比较，从而选择出最优的目标切换网络。

对于以上所介绍的几种切换算法，虽然它们在实际应用中都有各自的优势，但却没有考虑到用户要传输的多种业务类型会引起传输网络的拥堵现象。不同的业务类型对网络各个切换参数的要求是不同的，因而在本文中提出一种区分传输业务类型的切换算法，该算法在保证移动终端服务质量的前提下，可以根据用户的需求以及所要传输的数据类型来选择合适的目标切换策略，能有效地提高异构无线网络之间的传输性能，保证用户可以切换到最佳的无线传输网络。

3 判决参数分析

对于基于多业务类型的异构无线网络切换算法，在其切换策略判决阶段[9]，相关的参数主要有：

1) 与网络性能及移动终端有关的参数，包括网络可用带宽、误比特率(Bit-Error-Rate)、丢包率、优先级、网络连接时延、接收信号强度(RSS，Received Signal Strength)、信号噪声干噪比(SINR,Signal-to-interference and Noise Ratio)、移动终端的移动特性等。

2) 与用户喜好程度有关的主观参数。包括用户偏好度、网络资费、服务费用等。

4 判决参数处理

在切换策略判决阶段，为了确定要切换的目标网络，就需要对不同网络各自的性能进行分析比较，但由于各个网络它们各自的网络参数不同，因而在比较网络性能之前，要对判决参数进行参数归一化处理，这样才能使它们之间的比较更加公平，可以更好地为切换阶段选出要切换的最佳目标网络[6]。对接收信号强度、可用带宽等参数的归一化处理过程如下。

4.1 接收信号强度(RSS)

接收信号强度(RSS)是基于业务类型的异构无线网络切换算法中要考虑的重要参数[5]。信号在传输的过程中，由于衰落快慢等原因，引起正在通信的网络信号稳定度发生波动，因而移动终端最终接收到的不同无线网络的RSS就会有很大差别。通过对不同网络的RSS和最大信号强度进行归一化处理，来比较无线网络的接收信号强度在网络切换的判决中的情形。把归一化的网络Ni的接收信号强度RSS，定义为

4.2 网络可用带宽

网络可用带宽表示各个网络的传输性能，无线网络所提供的可用带宽更是一个重要的参数。很多不同带宽的网络通过网络融合形成异构无线网络，为了在众多不同的无线网络中选择出最佳的切换网络，需要将这些无线网络的可用带宽进行归一化处理，进而比较不同无线网络的性能。方法如下

其中，Gi为当前的可用带宽占网络Ni总带宽的比例；B为网络Ni的总带宽；Bi为当前网络Ni的可用带宽。

4.3 网络连接时延

网络连接时延对移动终端用户的服务质量会产生很大影响，因而它也是在切换策略判决阶段所要考虑的重要参数。由于不同无线网络的用户需求和采用的管理机制不同，因而网络时延也有所不同，在选择目标切换网络时，要对网络连接时延的参数进行归一化处理，具体方法如下：

上式中的时延归一化方法可以很好来比较不同无线网络地时延问题，以选出最优的目标切换网络。其中，Ud为当前业务的最大连接时延；Ld为当前业务的最小连接时延；da为目标切换网络的连接时延。

5 切换算法流程

5.1 业务优先级

业务优先级，即在传输多种业务类型数据时，所要遵循的优先规则。在传输业务到达之后，引入业务类型优先级的思想，先区分出该传输业务是否具有优先级[14]，并对具有优先级的传输业务，如语音业务和数据业务，进行实时业务和非实时业务的分类以及排队，进而选择出最佳的目标切换网络；而对于所传输业务之间不具有优先级的业务类型，通过对各判决参数如：可用带宽、网络时延、接收信号强度等网络满意程度的计算，来选择出最优的切换网络。

5.2 实时业务与非实时业务

在异构无线网络中，不同的业务类型的特性有所不同，为了保证不同业务类型的无线网络在切换判决过程中的服务质量，应该对各种不同类型的业务采用不同的传输方式[12]。根据不同业务在带宽和时延上的不同要求，将所有的业务分为包含会话和视频业务的实时业务以及包括数据、网页浏览和后台业务的非实时业务。

5.3 切换算法流程图

在基于多种业务类型下，该异构无线网络切换算法流程图如图2所示。

图2 切换算法流程图

5.4 切换判决策略

在异构无线网络切换算法中，实时业务和非实时业务在网络切换判决策略阶段对判决参数的要求是不同的[11]。为了区别它们对不同判决参数的需求程度，可以给这些判决参数赋上权值[8]，利用对切换参数的满意程度(Satisfaction)、切换时延(Network Hand off Delay, NHD)以及对当前网络状况的满意程度计算出切换判决值[13](Switch judgment value,SJV)。

对于一个判决参数m，将传输业务对其的满意程度用μmH，μmM,μmL来表示。而对于一个无线传输网络，可以将判决参数S表示成如式(1)所示的矩阵。

S=(SmH,n,SmM,n,SmL,n)Τ

(1)

(2)

式中：

T=(t1,t2,t3)t1

(3)

Q=(q1,q2,q3)q1>q2>q3

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

网络的满意程度可以表示为

(14)

则目标(target)切换网络和当前(current)网络的满意程度如式(15)和(16)所示：

目标切换网络满意度：

(15)

当前网络满意度：

(16)

那么，一个无线网络无线切换时，它的切换参数判决值(SJV)可以表示为

SJVn=W·Sn,

(17)

(18)

那么，目标切换网络和当前网络的切换判决值如式(19)和(20)：

目标切换网络：

(19)

当前网络：

(20)其中，假设各无线网络切换参数的加权值为W=(wS,wR,wBE,wB,wD,wL,wP,wC,wCo)，它们满足：

wS+wR+wBE+wB+wD+wL+wP+wC+wCo=1

(21)

对于主要包括语音、视频业务等的实时业务，由于它自身的特性，对传输的实时性要求特别高，因而它的切换判决参数就主要集中在网络可用带宽、接收信号强度、网络时延和信号噪声干噪比上，且所占权重比较大，而丢包率、用户偏好、网络资费、服务费用等的权重就相对较小[10]。即：

wS,wR,wBE,wB,wD>wL,wP,wC,wCo

而对于主要是数据、网页浏览和后台业务等的非实时业务，对实时性要求不像实时业务那样高，所以网络可用带宽、用户偏好度、网络资费等所占的权重要比接收信号强度、网络时延等的权重要大[15]。其关系如下式所示：

wB,wL,wP,wC,wCo>wS,wR,wBE,wD

6 结语

本文通过对异构无线网络在融合时所存在的问题、异构无线网络切换时的判决参数归一化处理，以及业务类型的分析与介绍，提出了一种基于多业务类型的异构无线网络切换算法，该算法首先引入业务优先级的思想，先区分业务之间是否具有优先级，再对具有优先级的业务进行实时业务和非实时业务区分，然后分别对两种业务类型下的切换判决参数进行研究与选取，通过对切换判决值、切换判决参数的满意度等的计算，选择出最佳切换网络；而对于所传输业务之间不具有优先级的业务类型，通过对各判决参数如：可用带宽、网络时延等网络满意程度的计算，来选择出最优的目标切换网络。

该切换算法可以对不同的业务类型，有效地选择出最优的目标切换网络，解决了多种业务传输时所造成的网络拥堵现象，有效保证了在网络切换时的服务质量，有利于网络资源的优化调控。

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A Switching Algorithm of Heterogeneous Network Based on The Business Types

GAO Wuqi FAN Fei

(School of Electronic Information Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an 710032)

In order to solve the heterogeneous wireless network in different types of data transmission in the process of switch network problems.This paper puts forward a kind of heterogeneous wireless network switching algorithm that based on the business types.The algorithm uses the transfer business types of priorities and its real-time performance, and it can be divided into real-time and non real-time business.Through the analysis of available bandwidth,packet loss rate and delay，and using the switch decision parameter of satisfaction, the heterogeneous wireless network switching algorithm based on the business types is designed. It can choose the best network according to different types of business,which can improve the network congestion phenomenon,reduce switching time delay and give full play to the advantages of heterogeneous network.

heterogeneous wireless network, switch, type of business, satisfaction

2016年5月4日,

2016年6月17日

高武奇,男,博士，副教授，研究方向：电子信息与通信技术、物联网技术。范菲,女，硕士研究生,研究方向：电子信息与通信技术。

TN92

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.11.008