異構網絡中面向終端個性化服務的模糊垂直切換方法與流程
2023-09-20 08:34:15 1
本發明屬於異構無線網絡中的垂直切換方法，屬於移動通信領域。特別是涉及一種利用負載預測和模糊推理進行垂直切換的方法。
背景技術：
在異構無線網絡中，終端的連接從一種網絡轉換到另一種網絡時發生的切換稱為垂直切換。垂直切換技術是異構無線網絡中移動性管理的關鍵技術之一，直接關係到用戶的服務質量。目前大多數針對垂直切換方法的研究都是基於確定的、精確的參數信息，然而，在垂直切換時，用戶偏好、參數的重要性程度等都具有一定的模糊性，此外測量的誤差和網絡本身的動態性也會導致獲得的屬性值具有模糊性。因此，為了準確的刻畫和處理這些模糊信息，提高切換性能，近年來不少研究者將模糊邏輯運用到了垂直切換方法中。
文獻[Kaleem F,Mehbodniya A,et al.Dynamic Target Wireless Network Selection Technique Using Fuzzy Linguistic Variables[J].China Communications,2013,10(1):1-16]首先採用分層的模糊推理系統對切換必要性進行評估，然後使用逼近理想解排序法(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution,TOPSIS)選擇最佳切換網絡。但是此方法不能充分考慮不同類型應用對QoS參數的不同需求範圍，因此，不能滿足終端的個性化服務需求。文獻[Kantubukta V,Maheshwari S,Mahapatra S,et al.Energy and quality of service aware FUZZY-technique for order preference by similarity to ideal solution based vertical handover decision algorithm for heterogeneous wireless networks[J].The Institution of Engineering and Technology,2013,2(3):103-114]通過將模糊集合引入到TOPSIS中，消除了經典TOPSIS方法存在的排名異常問題。但是沒有考慮候選網絡的負載狀態對垂直切換性能的影響，當網絡負載過高，可用信道資源不能滿足終端的切換需求時，將會發生切換阻塞，降低切換性能。文獻[楊劍波.多模智能終端在異構無線網絡中的垂直切換技術研究[D].中國人民解放軍信息工程大學,解放軍信息工程大學,2013]提出一種基於直覺模糊多屬性的垂直切換方法，該方法通過負載估計的方法對候選網絡進行篩選，作者根據不同類型業務對誤碼率的要求估計每類業務的平均信道資源需求數，將候選網絡中剩餘資源小於需求的網絡刪除。但是作者只根據判決時刻的負載狀態進行網絡篩選，而未考慮切換時刻的負載狀態變化，不能有效保證所選網絡在切換時刻的可用性。
技術實現要素：
本發明旨在解決以上現有技術的問題。提出了一種異構網絡中面向終端個性化服務的模糊垂直切換方法。本發明的技術方案如下：
一種異構網絡中面向終端個性化服務的模糊垂直切換方法，其根據終端不同類型的應用在服務質量QoS需求上的差異設計以下垂直切換步驟：
101、首先在網絡發現階段，通過預測候選網絡在切換時刻的負載狀態，對候選網絡進行篩選；
102、其次在切換判決階段，劃分終端的應用類型並根據每類應用對QoS參數的需求範圍，設計不同的隸屬度函數，其中QoS參數包括帶寬、時延、抖動和丟包率，然後獲取步驟101篩選後的候選網絡的QoS參數信息，將QoS參數輸入到模糊推理系統中，根據設計的隸屬度函數進行模糊推理、反模糊化，系統最後的輸出是網絡的得分值，最後比較每個網絡的得分值，選擇得分值最大的網絡作為最佳切換網絡，完成垂直切換。
進一步的，所述終端的應用根據3GPP標準分為四種，分別是會話類應用、交互類應用、流類應用和後臺類應用，然後選取帶寬、時延、抖動和丟包率這四種參數作為評價候選網絡QoS的指標，並根據每類應用對每種參數的具體需求範圍設計隸屬度函數。
進一步的，所述異構無線網絡模型由LTE和WLAN兩種接入技術組成，LTE和WLAN均採用OFDM調製，並將一個時隙和一個子信道構成的二維單元作為系統的基本信道資源單位，假定系統中每個候選網絡都支持L種不同的業務，每種業務的呼叫到達率和離開率均服從泊松分布，並且每種業務的單個呼叫所需的平均信道資源為Ci(i＝1,2,3,…L)。
進一步的，所述步驟101中在網絡發現階段，通過預測候選網絡在切換時刻的負載狀態，對候選網絡進行篩選具體包括步驟：
終端進行周期性掃描，檢測周圍可用網絡，在發現可用網絡k後，獲取網絡的信道資源總數當前負載以及每種業務的呼叫到達率和離開率(i＝1,2,3,…L)；
根據以上信息可得到網絡k中，業務i在單位時間內增加個呼叫的概率為：
減少個呼叫的概率為：
單位時間內由業務i增加的負載可表示為：
則網絡k中單位時間內所有業務增加的負載可表示為：
則候選網絡k在切換時刻的負載可表示為
切換時刻的可用信道資源可表示為：
對於每一個候選網絡，當切換時刻負載過重，可用信道資源小於業務的接入需求時，切換請求將會被拒絕；假設切換時發起的呼叫為第l種呼叫，l＝1,2,3,…L，則切換時刻第k個候選網絡中切換被阻塞的概率可表示為：
將式(6)代入式(7)可計算出切換時發生阻塞的概率，將阻塞概率大於門限值的網絡從候選網絡中刪除。
進一步的，所述並根據每類應用對每種參數的具體需求範圍設計隸屬度函數。每種參數有三個模糊集，分別為：低、中、高。其中模糊集「低」和「高」使用梯形隸屬度函數，表達式為：
模糊集「中」使用三角隸屬度函數，表達式為:
帶寬作為評價指標時，會話類應用的隸屬度函數為低(a＝0,b＝0,c＝5,d＝64)中(a＝5,b＝64,c＝300)高(a＝64,b＝300,c＝20000,d＝20000)；交互類應用的隸屬度函數為低(a＝0,b＝0,c＝50,d＝350)中(a＝50,b＝350,c＝600)高(a＝350,b＝600,c＝20000,d＝20000)；流類應用的隸屬度函數為低(a＝0,b＝0,c＝50,d＝2000)中(a＝50,b＝2000,c＝10000)高(a＝2000,b＝10000,c＝20000,d＝20000)；後臺類應用的隸屬度函數為低(a＝0,b＝0,c＝10,d＝500)中(a＝10,b＝500,c＝1000)高(a＝500,b＝1000,c＝20000,d＝20000)。
時延作為評價指標時，會話類應用的隸屬度函數為低(a＝0,b＝0,c＝30,d＝75)中(a＝30,b＝75,c＝100)高(a＝75,b＝100,c＝1000,d＝1000)；交互類應用的隸屬度函數為低(a＝0,b＝0,c＝50,d＝110)中(a＝50,b＝110,c＝270)高(a＝110,b＝270,c＝1000,d＝1000)；流類應用的隸屬度函數為低(a＝0,b＝0,c＝150,d＝400)中(a＝150,b＝400,c＝600)高(a＝400,b＝600,c＝1000,d＝1000)；後臺類應用的隸屬度函數為低(a＝0,b＝0,c＝300,d＝650)中(a＝300,b＝650,c＝900)高(a＝650,b＝900,c＝1000,d＝1000)。
抖動作為評價指標時，會話類應用的隸屬度函數為低(a＝0,b＝0,c＝5,d＝20)中(a＝5,b＝20,c＝40)高(a＝20,b＝40,c＝500,d＝500)；交互類應用的隸屬度函數為低(a＝0,b＝0,c＝20,d＝40)中(a＝20,b＝40,c＝60)高(a＝40,b＝60,c＝500,d＝500)；流類應用的隸屬度函數為低(a＝0,b＝0,c＝10,d＝30)中(a＝10,b＝30,c＝50)高(a＝30,b＝50,c＝500,d＝500)；後臺類應用的隸屬度函數為低(a＝0,b＝0,c＝70,d＝150)中(a＝70,b＝150,c＝200)高(a＝150,b＝200,c＝500,d＝500)。
丟包率作為評價指標時，會話類應用的隸屬度函數為低(a＝0,b＝0,c＝10-4,d＝10-3)中(a＝10-4,b＝10-3,c＝10-2)高(a＝10-3,b＝10-2,c＝10-1,d＝10-1)；交互類應用的隸屬度函數為低(a＝0,b＝0,c＝10-6,d＝10-5)中(a＝10-6,b＝10-5,c＝10-4)高(a＝10-5,b＝10-4,c＝10-1,d＝10-1)；流類應用的隸屬度函數為低(a＝0,b＝0,c＝10-5,d＝10-4)中(a＝10-5,b＝10-4,c＝10-3)高(a＝10-4,b＝10-3,c＝10-1,d＝10-1)；後臺類應用的隸屬度函數為低(a＝0,b＝0,c＝10-5,d＝10-4)中(a＝10-5,b＝10-4,c＝10-3)高(a＝10-4,b＝10-3,c＝10-1,d＝10-1)。
本發明的優點及有益效果如下：
1.本發明針對負載狀態的動態變化引起的切換阻塞問題，利用判決時刻的負載狀態預測切換時刻的負載狀態，並根據預測結果對候選網絡進行篩選，有效降低阻塞率。
2.根據每類應用對QoS參數的不同需求範圍設計不同的隸屬度函數，在進行垂直切換時，終端能根據當前應用類型合理地選擇切換網絡，有效提高系統吞吐量，滿足終端的個性化服務需求。
附圖說明
圖1是本發明提供優選實施例帶寬在四類應用中的隸屬度函數；
圖2為時延在四類應用中的隸屬度函數；
圖3為抖動在四類應用中的隸屬度函數；
圖4為丟包率在四類應用中的隸屬度函數；
圖5為模糊推理系統結構示意圖；
圖6為異構無線網絡系統模型；
圖7為不同方法的切換阻塞率對比；
圖8為不同方法的系統吞吐量對比；
圖9為不同方法的平均切換次數對比；
圖10為會話類應用中不同方法的候選網絡排名；
圖11為交互類應用中不同方法的候選網絡排名；
圖12為流類應用中不同方法的候選網絡排名；
圖13為後臺類應用中不同方法的候選網絡排名。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、詳細地描述。所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例。
本發明的技術方案如下：
該方法綜合考慮了網絡負載狀態的動態變化對切換性能的影響和不同類型的應用對QoS參數的不同需求範圍，不僅能降低切換阻塞率，提高系統吞吐量，還能根據終端的應用類型合理地選擇切換網絡。
本發明提出的垂直切換方法包括以下步驟：
步驟一、首先根據3GPP標準將應用類型分為四種，分別是會話類應用、交互類應用、流類應用和後臺類應用，然後選取帶寬、時延、抖動和丟包率這四種參數作為評價候選網絡QoS的指標，並根據每類應用對每種參數的具體需求範圍設計圖1-4所示的隸屬度函數。
步驟二、本發明中的異構無線網絡模型由LTE和WLAN兩種接入技術組成，LTE和WLAN均採用OFDM調製，並將一個時隙和一個子信道構成的二維單元作為系統的基本信道資源單位。假定系統中每個候選網絡都支持L種不同的業務，每種業務的呼叫到達率和離開率均服從泊松分布，並且每種業務的單個呼叫所需的平均信道資源為Ci(i＝1,2,3,…L)。
步驟三、終端進行周期性掃描，檢測周圍可用網絡。在發現可用網絡k後，獲取網絡的信道資源總數當前負載以及每種業務的呼叫到達率和離開率(i＝1,2,3,…L)。
步驟四、根據以上信息可得到網絡k中，業務i在單位時間內增加個呼叫的概率為：
減少個呼叫的概率為：
單位時間內由業務i增加的負載可表示為：
則網絡k中單位時間內所有業務增加的負載可表示為：
則候選網絡k在切換時刻的負載可表示為
切換時刻的可用信道資源可表示為：
對於每一個候選網絡，當切換時刻負載過重，可用信道資源小於業務的接入需求時，切換請求將會被拒絕。假設切換時發起的呼叫為第l(l＝1,2,3,…L)種呼叫，則切換時刻第k個候選網絡中切換被阻塞的概率可表示為：
將式(6)代入式(7)可計算出切換時發生阻塞的概率，將阻塞概率大於門限值的網絡從候選網絡中刪除。
步驟五、首先獲取剩餘候選網絡的QoS參數信息，然後將QoS參數輸入到圖5所示的模糊推理系統中，並根據終端當前應用類型選擇步驟一設計的隸屬度函數進行模糊推理，最後比較每個網絡的得分值，選擇得分值最大的網絡作為最佳切換網絡，完成垂直切換。
我們首先對隸屬度函數的設計進行分析，根據3GPP標準，終端不同類型的應用對QoS參數的需求是不同的，如64kbps的帶寬能滿足會話類應用的需求，但是完全不能滿足流類應用的需求。因此，本發明根據每類應用的不同需求範圍設計了不同的隸屬度函數，下面給出具體的參數需求分析：
(1)帶寬：候選網絡的帶寬是指候選網絡所能提供的最大數據傳輸速率。不同類型的應用對帶寬有不同的需求範圍，以會話類應用為例，保持正常通信所需的數據速率為64kbps。當帶寬大於64kbps時，通信質量隨著帶寬的增大而提高，而達到300kbps以上時，通信質量將不再發生明顯提升。而當帶寬小於64kbps時，會降低會話的服務質量，還可能會造成通話的中斷，而帶寬小於5kbps時，無法進行通信。
(2)時延：四類應用中，會話類應用對時延最為敏感，當時延為75ms左右時，能保證通話的正常進行。時延越小，聲音越清晰，通話質量越好，小於30ms時，聲音質量已經很好，不再有明顯的變化。而時延大於100ms時，用戶無法正常通信。
(3)抖動：抖動是指時延的變化。會話類應用和流類應用對抖動的要求較為嚴格。例如在流類應用中，抖動為30ms左右時，數據的傳輸可以保持一定的連續性和穩定性。抖動越小，流數據傳輸的穩定性越高，當抖動小於10ms時，服務質量不會再有明顯提升。而抖動越大，接收端的數據流越不穩定，當抖動大於50ms時，服務質量會急劇下降，甚至造成傳輸中斷。
(4)丟包率：丟包率是指一定時間內丟失數據包的數目佔所有發送數據包的比值。交互類應用對丟包率最為敏感，當丟包率為10-5左右時，用戶可以正常的進行信息交互，丟包率越低，用戶體驗到的服務質量越好，當小於10-6時，服務質量不再受丟包率影響。而當丟包率大於10-5時，通信質量將會下降。大於10-4時，將嚴重影響信息交互。
根據上述分析，本發明設計了圖1-4所示的隸屬度函數。
為了對本發明進行驗證，我們在MATLAB平臺上進行仿真實驗，並設置如下仿真場景：場景內分布有1個LTE和4個WLAN，如圖6所示，LTE和WLAN的半徑分別為1000m和150m。終端的移動速度為65km/h。每隔一段時間隨機改變運動方向，系統呼叫到達率和離開率均服從泊松分布，平均服務時間為60s。
為了進一步突出本發明的優越性，將本發明所提方法(Proposed Vertical Handover Algorithm,P-VHA)與TOPSIS方法、文獻[楊劍波.多模智能終端在異構無線網絡中的垂直切換技術研究[D].中國人民解放軍信息工程大學,解放軍信息工程大學,2013]中基於直覺模糊多屬性的垂直切換方法(Intuitionist Fuzzy based Vertical Handover Algorithm,IF-VHA)和本發明中不進行負載篩選，只對隸屬度函數進行改進的模糊垂直切換方法(Membership Function based Vertical Handover Algorithm,M-VHA)進行比較分析，TOPSIS採用AHP(Analytic Hierarchy Process,層次分析法)賦權，參數權值如表1所示。仿真中，假設終端在垂直切換決策時刻t獲得的候選網絡的QoS參數如表2所示，根據參數值得到圖10-13所示的網絡排名結果。
表1
表2
圖7為四種方法的阻塞率曲線。可以看出，當λ≤2時，四種方法的阻塞率都很小，幾乎為零。當λ>2時，M-VHA、TOPSIS和IF-VHA隨著系統呼叫到達率的增加，阻塞率都明顯增大，而本文方法的阻塞率在λ>4開始增加。此外，在相同到達率的情況下，本文方法的阻塞率最低。這是因為本文方法考慮了切換時刻負載狀態的動態變化，通過對切換時刻的網絡負載進行預測分析，剔除了不滿足要求的網絡，因此有效減少了切換阻塞率。
本文以流媒體應用為例，分析比較了四種方法在不同會話到達率下的吞吐量和平均切換次數。圖8為四種方法的吞吐量隨呼叫到達率的變化曲線。可以看出，當λ≤6時，四種方法的吞吐量都隨著呼叫到達率的增加而迅速增加。IF-VHA和M-VHA在λ>6時吞吐量不再明顯增加，而本文方法和TOPSIS方法的吞吐量在λ>8時不再明顯增加。此外，在相同到達率的情況下，本文方法的吞吐量始終高於其它三種方法。這是因為在垂直切換判決時，IF-VHA和TOPSIS方法都不能充分考慮不同類型應用對QoS參數的需求，不能保證正常的數據傳輸；而M-VHA阻塞率高，網絡資源的利用率低。本文方法則通過預測切換時刻的負載狀態對候選網絡進行篩選，並根據應用需求範圍設計隸屬度函數，充分考慮了負載狀態的動態變化對切換性能的影響和每類應用在QoS需求上的差異，降低了阻塞和掉話的可能，從而有效保證數據流持續高效的傳輸。圖9為四種方法的平均切換次數隨呼叫到達率的變化曲線。可以看出，本文方法的平均切換次數始終略高於IF-VHA方法，但是低於TOPSIS方法，說明本文方法在提高吞吐量的同時，能有效降低不必要的切換次數。
由圖10-13所示的網絡排名可以看出，四類應用中，三種方法只有交互類應用的網絡選擇結果相同，都是以WLAN3作為最佳切換網絡。
圖10顯示本文方法和IF-VHA均以LTE作為會話類應用的最佳切換網絡，而TOPSIS則將WLAN3作為最佳切換網絡。由上述參數需求分析可知，對於會話類應用，WLAN3的時延較大，不能滿足會話類應用的QoS需求，LTE雖然提供的帶寬很小，但是完全能滿足應用需求。因此，將LTE作為最佳切換網絡較為合適。
圖12顯示本文方法將WLAN3作為流類應用的最佳切換網絡，而TOPSIS和IF-VHA則將WLAN2作為最佳切換網絡。由上述參數需求分析可知，WLAN2的抖動過大，不能保證數據的正常傳輸，因此不適合作為切換的目標網絡。所以，本文的選擇結果更為合理。
圖13顯示本文方法中WLAN1、WLAN2和WLAN3的網絡排名基本相同，而TOPSIS方法中WLAN2明顯優於其它網絡。由上述參數需求分析可知，WLAN1、WLAN2和WLAN3都能滿足後臺類應用的需求，都可作為目標網絡。如果終端當前接入的網絡為上述三個網絡之一，則可繼續保持當前連接，從而避免不必要的切換。
以上這些實施例應理解為僅用於說明本發明而不用於限制本發明的保護範圍。在閱讀了本發明的記載的內容之後，技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等效變化和修飾同樣落入本發明權利要求所限定的範圍。