一種多維網絡平滑切換方法與流程

2023-06-20 10:22:41 1

本發明屬於通信網絡技術領域，涉及一種多維網絡平滑切換方法。

背景技術：
隨著移動無線通信和網際網路技術的迅速發展，用戶己經不再單單滿足於傳統的依靠乙太網的固定接入模式，而是希望能夠通過各種各樣的通信設備，隨時隨地都可以發起和接收連接，傳輸寬帶無線多媒體業務。在這種需求下，使得無線通信技術呈現出異常繁榮的景象，包括GSM網絡、3G移動通信網絡、IEEE802.11無線網絡、無線數傳網絡、衛星通信網絡等技術給用戶提供了多種網絡接入服務。多維網絡就是隨著空間、時間、制式多個參數變化而變化的網絡。其中，空間變化的因素包括覆蓋、遮擋、幹擾、節點移動速度等；時間變化的因素包括節點的能量、傳輸時延、響應時間、抖動等；制式變化的因素包括帶寬、安全性、覆蓋率等。制式的變化與現有的多種網絡有關，包括GSM網絡、3G移動通信網絡、無線數傳網絡、IEEE802.11無線網絡、有線網絡、衛星通信網絡等多種通信網絡。但是由於各類通信網絡的接入方式和網絡狀態、服務質量以及網絡覆蓋面積等的不同，使得用戶在不同網絡之間的切換，變得異常的頻繁，因此，如何能夠在保證網絡可靠性和高效性的狀態下為用戶提供多維網絡間的平滑切換，成為目前研究的重點。

技術實現要素：
有鑑於此，本發明的目的在於提供一種多維網絡平滑切換方法，通過利用網絡排序算法、統計分析算法，對候選網絡進行排名；通過提前預測主網絡和備用網絡狀態，實現主用、備用網絡之間的平滑切換。為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：一種多維網絡平滑切換方法，包括以下步驟：網絡初始化排序、主備網絡的選擇、網絡切換；所述網絡初始化排序是指通過網絡排序算法、統計分析算法對候選網絡的優先級進行排名；所述主備網絡的選擇是指根據網絡性能預測結果，選取性能優者為主備網絡；所述網絡切換步驟是指周期性地進行網絡切換或在一個周期內進行主備網絡切換，選取性能較優的網絡進行數據傳輸。進一步，所述網絡初始化排序步驟具體包括：21)確定切換判決因子；根據多維網絡定義，切換判決因子分為三大類：空間、時間、制式；22)利用層次分析算法AHP將網絡選擇問題分解為一個層次結構模型，所述層次結構模型包括三個層次，目標接入網放在層次結構中的最高層，切換判決因子放在層次結構中的中間層，候選網絡位於最底層；23)利用網絡排名算法得到一個排名周期內的網絡排名。進一步，所述網絡排名算法採用TOPSIS算法。進一步，所述主備網絡的選擇過程具體為：通過網絡初始化排序獲得排在前三位的網絡，將排在第一位的網絡設置為主網絡，排在第二位的網絡設置為備用網絡1，排在第三位的網絡設置為備用網絡2；在本周期內，利用主網絡和備用網絡並行傳輸數據，用戶接收主網絡傳輸的數據，備用網絡將數據放入緩存區且進入等待切換狀態。進一步，所述網絡切換步驟具體包括按周期地進行預測切換和周期內的主備網絡切換，所述按周期地進行預測切換是指通過周期性的網絡性能預測，在各周期內選取性能最優的網絡進行數據傳輸；所述周期內的主備網絡切換是指周期內若出現主網絡斷線的情況，執行主備網絡切換，保證數據傳輸不中斷。進一步，按周期地進行預測切換具體包括：61)定義一個統計周期，在統計周期內定時的執行網絡排序算法，統計周期結束時對周期內獲得的數據進行分析處理，得到一個總的網絡排序；62)如果排在前三位的網絡與上一周期的一致，則不進行網絡切換，繼續傳輸業務；63)如果排在前三位的網絡與上一周期的不一致，則進行切換，重新選擇主備網絡。進一步，在一個周期內，當主網絡發生故障時，立刻切換到備用網絡1，向用戶顯示備用網絡1的業務數據，備用網絡1成為主網絡，備用網絡2成為備用網絡1。本發明的有益效果在於：本發明所述的多維網絡平滑切換方法能夠充分利用當前的可用網絡資源，以滿足實時在線數據業務的平滑接續，使用戶對實時在線業務的體驗更好，更流暢，能夠保證通信過程中總可以選擇性能優良的網絡傳輸業務，使得業務不中斷。附圖說明為了使本發明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發明提供如下附圖進行說明：圖1為本發明所述多維網絡平滑切換方法的流程圖；圖2為本發明切換判決因子示意圖；圖3為本發明網絡選擇層次結構示意圖；圖4為本發明主備網絡切換示意圖；圖5為本發明切換控制單元示意圖；圖6為本發明主備網絡數據緩存示意圖；圖7為本發明網絡統計排序時間軸示意圖。具體實施方式下面將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。切換控制單元HCU(HandoffControlUnit)是多維網絡層中用於實現網絡平滑切換的控制單元。主要功能是：在通信過程中，通過利用網絡排序算法、統計分析算法，對候選網絡進行排名；通過提前預測主網絡和備用網絡狀態，實現主用、備用網絡之間的平滑切換。圖5為本發明切換控制單元示意圖，切換控制單元通過進行AHP模型分析，執行TOPSIS算法、統計分析算法、以及同步技術，完成網絡平滑切換，包括預測網絡性能，選取性能優者為主備網絡；以及統計周期內主備網絡之間切換控制。圖2為本發明切換判決因子示意圖，所謂切換判決因子，根據多維網絡的定義，多維網絡是隨著空間、時間、制式多個變化參數而變化的網絡。因此，影響多維網絡切換判決的決定因子，就是其空間、時間、制式這三個參數。其中，空間變化的因素又包括覆蓋、遮擋、幹擾、節點移動速度等；由於覆蓋、遮擋、幹擾最終會導致接收信號強度的變化，所以我們將空間變化的子因子定為：信號強度、移動節點速度。時間變化的子因子定為：節點能量、傳輸時延、響應時間、抖動；制式變化的子因子定為：帶寬、安全性、覆蓋率。圖1為本發明所述多維網絡平滑切換方法的流程圖，下面對本方法的具體步驟進行詳細說明。多維網絡統計排序過程：利用AHP法將網絡選擇問題分解成一個層次結構，包含三個層次，目標接入網放在層次結構中的最高層，切換判決因子放在層次結構中的中層，候選網絡位於最底層，如圖3所示。根據網絡排名算法——TOPSIS算法，我們可以得到任意一個排名周期的一個網絡排名，在本實施例中，暫設有五種網絡，五種網絡在t1時刻的網絡性能排名為A(t＝t1)、B(t＝t1)、C(t＝t1)、D(t＝t1)、E(t＝t1)，其中t表示進行網絡排名的時間片，t＝t1表示在t1時刻進行網絡排名。同理我們得到t＝tn時刻的五種網絡的網絡排名為B(t＝tn)A(t＝tn)C(t＝tn)D(t＝tn)E(t＝tn)，在各個時刻得到的網絡排名是一個一維向量，我們把各個時刻得到網絡排名做如下表示：Ai、Bi、Ci、Di、Ei，其中i∈(1,2…,n)，i分別代表網絡排名時間點ti。我們把各個時刻的網絡排名進行統計處理，會得到如下5xn維矩陣：其中矩陣的第一列表示t1時刻的網絡排名，第二列表示t2時刻的網絡排名，以此類推，第n列表示tn時刻的網絡排名。因為每次網絡排名，五種網絡A、B、C、D、E都會得到一個在(0,1)區間的網絡性能數值，我們令ti時刻所得的網絡排名數值為其中j標示矩陣的行，取值為1，2，3，4，5，i標示矩陣的列，取值為1,2…,n，由此我們得各時刻網絡性能狀態陣：取狀態陣的列向量，在任意時刻ti的狀態矢量為其中表示網絡排名性能的值，則狀態陣可以變換一維行向量(f1，f2,…,fn)，其中fi代表ti時刻的列向量，由於A、B、C、D、E五種網絡相互獨立不相關，故滿足N維高斯分布在A、B、C、D、E五種網絡上的投影，其均值為0，背景噪聲為δ2，因此所以通信性能變化符合高斯分布，所以網絡狀態符合五維聯合高斯分布，故令其中ηi代表五種網絡在ti時刻的總體性能，將帶人可算得f1＝η1，f2＝η2,…,fn＝ηn，則5xn狀態陣變為一維向量(η1，η2，……，ηn)。根據龍格插值法，擬定方程：其中c1，c2∈(0,1)，可以計算出t＝tn+1時刻的網絡狀態值ηn+1，由高斯可逆，可求得單獨時刻的網絡排名至此，我們可以得到t＝tn+1時刻網絡狀態向量即我們可以預測出tn+1時刻五種網絡的性能情況，即A網絡tn+1時刻的網絡性能為即同理據此我們可得tn+1時刻的網絡排名，以此計算出的網絡排名來決定是否進行網絡切換，當正在傳輸數據主網絡(暫設A網絡)不在tn+1時刻所得網絡排名的前三名時，進行切換，否則不進行切換。這裡我們取n＝10k，(k為自然數)，則在網絡排名時間片10ti的時間點進行一次排名統計，以決定是否切換，其中只在網絡排名時間片10ti時間進行排名統計，而在其他時間點繼續利用TOPSIS算法進行網絡排名計算。網絡切換過程：節點啟動，接入多維網絡，多維網絡層的切換控制單元開始工作。首先調用一次網絡排序算法進行網絡初始化排序，獲得排在前三位的網絡。定義了主用、備用網絡，排在第一位的網絡為主用網絡，排在第二位的網絡為備用網絡1，排在第三位的網絡為備用網絡2。備用網絡與主網絡並行傳輸業務數據，並將數據放入緩存區(該網絡進入等待切換狀態)，如圖6所示，運用同步技術保證三個網絡的數據同步，僅向用戶顯示主網絡的業務數據即可。周期執行預測切換：本發明的多維網絡平滑切換包括兩種切換，一種是周期地進行預測切換，選取性能較優的網絡進行數據傳輸。另一種是周期內若出現主網絡斷掉的情況，執行主備網絡切換，保證業務不中斷。周期執行預測切換，定義一個統計周期，在統計周期內定時的進行網絡排序算法，統計周期結束時對周期內獲得的數據進行統計分析處理，得到一個總的網絡排序。詳細過程如下：在統計周期內定時進行網絡排序算法，將每次計算的結果存入緩存，待統計周期結束時運用統計分析算法對統計周期過程內獲得的N組排序結果進行處理，得到上一網絡周期內網絡性能的總體排序，清空上一周期的統計結果。如果排在前三位的網絡與上一次的一致，那麼不切換，繼續傳輸業務。如果排在前三位的網絡與上一次的不一致，那麼發生切換，重新選擇主備網絡。此過程能有效預測網絡狀況，當預測到網絡狀況有所下降時就會發生切換，總保證性能優良的網絡傳輸業務。同時統計周期的引入，以及前三位網絡是否一致的判斷也能避免頻繁切換導致的桌球效應。預測切換過程可以分為如下幾個步驟：如圖7所示。在t0時刻，通過網絡層次分析和排序算法，對現有網絡進行初始化排序，得到網絡A—網絡E的一次排序。選擇網絡性能良好的前三網絡同步對數據業務進行傳輸，其中網絡A為主要傳輸網絡，網絡B和網絡C為備用傳輸網絡。從t1時刻開始，候選網絡進入一個統計周期，同時，控制單元會在固定時隙的時間點對候選網絡執行網絡性能排序算法，如圖在t1時刻，網絡排序結果發生變化，由於排在前三網絡並沒有改變，因此，數據業務仍由主要網絡A和備用網絡B、C同步傳輸。在一個統計周期內，控制單元在每一時刻執行的網絡性能排序算法的結構都會由控制單元進行統計，當到達統計周期結束時刻t10，統計分析會將該周期內的網絡性能排名情況進行統計，並得出新一輪的網絡性能排名順序，由此篩選出主要網絡B、備用網絡D、C。由於前三位網絡發生了變化，所以執行切換。如圖所示，在下一統計周期內，數據業務由重新排名篩選出來的網絡進行傳輸，控制單元清空上一輪排序統計數據，開始進入本周期統計。周期內執行主備切換：在統計周期內如果出現了極端情況，比如主網絡突然斷掉，那麼立刻切換到備用網絡1，向用戶顯示備用網絡1的業務數據，備用網絡1變為主網絡，備用網絡2變為備用網絡1。運用主備機制能夠保證在主網絡突然中斷情況下，迅速切換至備用網絡，使得業務不中斷。主備網絡切換示意圖如圖4所示。最後說明的是，以上優選實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管通過上述優選實施例已經對本發明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發明權利要求書所限定的範圍。