论文部分内容阅读
摘要：
提出了一種基于周期自适应的垂直切换算法.在切换发起阶段，移动终端会根据接收信号的强度不断调整接口的激活间隔时间，扫描可能存在的无线信号.在切换判决阶段，采用多属性判决法对每种网络的综合性能进行判断.仿真表明，相比于传统方案中以固定周期扫描无线信号，提出的方案在节省终端功率的基础上能够更及时地发现新的无线网络，并能更快地接入综合性能最好的网络.
关键词：
异构网络； 垂直切换； 多属性
中图分类号： TN 929.5文献标志码： A文章编号： 1000-5137（2017）04-0542-05
Abstract：
This paper presents a periodic adaptive vertical handoff scheme.In the phase of handoff initiation，the mobile terminal will adjust the interfaces activating interval to scan the potential new wireless signals according to the Received Signals Strength.In the phase of handoff decision，multiple attribute judgment method are adopted to judge the comprehensive perfomance of each network.The simulation shows that the proposed scheme can discover new wireless networks access the network that has the best comprehensive performance saving consumed power.
Key words：
heterogeneous network； vertical handoff； multiple attribute
0引言
近年来，随着信息时代的到来，移动通信的发展也非常迅猛.除了全球通用的公共移动通信蜂窝系统（UMTS）之外，各种新兴的无线接入网络不断出现，包括无线局域网（WLAN）、全球微波互联接入技术（WiMAX）以及蓝牙（Bluetooth）[1-2]等.不同的无线网络在带宽、传输时延、覆盖范围等方面都存在差异，为了满足任何用户在任何地点、任何时间都能无缝接入无线网络，无线网络间的互通和融合将是必然的趋势[3].
垂直切换是研究异构无线网络融合的基础和关键技术，移动终端如何发现新的无线网络，并在已经发现的多个网络中选择最佳网络进行切换控制是移动性管理的关键问题.目前，已经有学者提出了多种网络搜索方法.文献[4]研究了周期性的激活终端接口以扫描可能存在的新的无线信号.它是基于移动端接收来自各种网络的广播信息.多模终端必须激活多模接口，接口会以一定周期扫描附近的无线信号，这样便可以搜索到潜在的无线网络.然而，随之而来的一个问题是，接口的激活周期为多长时间是合适的.当周期很大时，扫描次数就会减少，优点是节省终端功率.但也可能导致切换延迟.当周期过小时，扫描次数就会增加，可以及时的发现新的无线网络，但也可能会造成终端功率的浪费.文献[5]针对周期激活终端接口存在的弊端，提出了Network Discovery algorithm with Motion Detection（NDMD）算法，NDMD算法可以通过接收信号强度（RSS）来预测移动端的移动位置及趋势，使得终端在将要进入新的无线网络的覆盖范围内，及时触发终端接口，扫描信号，这样便可以极大地节省不必要的功率损耗.然而，这种算法容易受预测精度的影响，如果预测出现了很大的误差，会对切换判决造成不可逆的影响.文献[6]中提出了通过部署Location Service Server（LSS）来通知移动端附近的无线网络信息.移动端可以通过查询LSS获取附近的网络信息.这种方法在很大程度上降低了移动终端接口被激活的时间和频率，同时也降低了功耗，但是，LSS需要一定的硬件设备支持，实际中很少使用.
本文作者提出一种周期自适应垂直切换算法.根据终端接收到的信号强度的大小不断调整终端接口的扫描周期，在节省终端功率的基础上能够尽快发现新的网络.当新的网络在预设的时间段内性能较好且比较稳定时，则进入切换判决阶段，采用多属性（接收信号强度、可用带宽、时延等网络属性）判断不同网络的综合性能，选择性能最佳的网络进行切换.
1垂直切换算法
1.1网络发现
传统的网络发现方案都是移动终端以固定周期激活多模接口，接口周期性地扫描附近可用的无线信号.但是周期设置为多大较为合适，并没有一个确切的标准或答案.周期过大，会导致发现新网络时间变长.周期过小会导致终端频繁的触发接口扫描无线信号，造成终端功率的大量损耗.如何平衡二者的矛盾，也是本研究的重点.
和一般切换策略相同的是，为了避免乒乓效应引入计时器，即在一定时间内，如果新网络的性能持续地比当前网络的性能好，才考虑触发整个切换机制.
刚开始时，还没有检测到有新信号，即RSSnew为0，此时终端接口的激活周期Tint=Tmax，即以最大周期Tmax扫描无线信号，一旦扫描到有新的无线信号RSSnew，并且新信号大于提前设置的移入门限电平RSSth，计时器增加1.然后再次扫描，但此时的扫描时长是随着RSSnew的大小不断变化的.当新信号越来越强时，则扫描周期应该变小，实时或及时地接入性能可能更好的网络，反之当新的信号变弱时（仍然大于RSSth）则扫描周期变长.扫描周期的变化规律为： 当Tint>Tmax时，Tint=Tmax，即最大掃描周期不能超过定值Tmax.当RSSnew很大导致Tint<0时，说明新的网络信号很强，立即调整周期Tint为0到1之间的随机数，加快判断进程.如果在计时器预设的时长内，RSSnew小于RSSth，则计时器重新置为0，扫描周期重新变成Tmax，保证将要进行切换判决的信号比较稳定，避免造成乒乓效应.如果用户移出了当前无线网络的范围，移动终端将会立即接入到任何可用的网络，不再需要切换判决.流程图如图1所示.
1.2切换判决
当发现了信号性能更好且更稳定的新网络时，至少存在多个可接入无线网络，移动终端需要进行切换选择.网络选择流程如图2所示.
在网络发现的过程中，仅根据接收信号强度的大小确定是否有可用的无线网络.但是，进行切换选择的时候不能仅仅考虑RSS，还需要考虑如带宽、时延、用户偏好等属性来评判每个网络的综合性能，从而能更好地满足用户的QoS.采用基于加权法的多属性判决法，网络的性能函数
其中，n代表影响网络判决的属性个数，wi（i=1，2，…，n）代表第i个属性对应的权重，且∑ni=1wi=1.可用直接赋权法或层次分析法计算出各个权重的大小.pi表示第i个属性的在网络中的参数值大小.
则最优的切换目标
其中，Fj表示第j个候选网络（j=1，2，…，N），pij表示第j个网络的第i个属性参数值.
切换判决阶段接口的扫描周期仍然是不断变化的，但此时依赖于网络的综合性能而不是RSS.新的网络综合性能较好时，扫描周期应该变小以及时的接入性能可能更好的网络，反之当新的网络综合性能较差时（仍然大于当前网络综合性能Fing）则扫描周期变长.如果在计时器设置的时间段内，Fnew小于Fing，则计时器重新置0，扫描周期重新变成T1max，这样做能够确保新的网络综合性能较稳定时才能被选择.扫描周期的变化规律为：
2仿真分析
LTE和WLAN网络的重叠覆盖场景如图3所示.移动终端始终在UMTS网络的覆盖范围之内，在LTE蜂窝覆盖范围的边缘还有4个WLAN网络.以O点为原点建立直角坐标系，基站的坐标分别为（0，0）和（250，250）.LTE的载波频率是2000 MHz，WLAN的载波频率是2400 MHz，发送功率分别是1 W和0.5 W.WLAN的覆盖半径是200 m，LTE覆盖半径是1.5 km.移动终端从O点向右下方的WLAN直线移动.其他参数的设置如表1所示.
根据提出的基于周期自适应方案和设置的参数值，得到图4，5，6的仿真结果.
从图4可以看出，周期自适应切换算法的接口激活次数比周期5 s和7 s的激活次数要少，但要比激活周期为9 s多.但随着速度的不断变快，周期自适应的激活次数越来越接近于周期为9 s的激活次数，即在节省功率方面越来越好，但是新网络的发现时间并没有因此而变慢，尤其是当速度大于1.2 m/s时，其发现性新网络的时间是最少的.所以，基于周期自适应切换算法不仅能够减少功率的损耗，又能尽快地发现新的无线网络.当移动速度较大时，提出的算法在发现新的网络方面性能更佳.
图6是当移动端的移动速度r=2 m/s时，不同的接口激活周期对应的网络切换时间.从图6中可以明显的看出，相比于传统的方法，提出的算法接入到WLAN的时间最短，享受高质量网络的服务时间最长.因此，提出的垂直切换算法可以减少切换的延迟，提高服务质量.
3结论
本文作者针对传统的固定周期接口激活方案存在的弊端，提出了一种基于周期自适应的垂直切换算法.在网络发现阶段，移动终端会根据接收到的信号强度不断改变接口的激活周期，在网络选择阶段，采用多属性判决法对已经发现的网络的综合性能进行判断，选择性能最佳的网络进行切换.仿真表明，提出的方法相比于传统的方法，在节省终端电量的基础上能够尽快发现新网络，并能及时地接入可以提供热点覆盖的WLAN网络，提供给用户最好的无线接入环境.
参考文献：
[1]刘胜美，孟庆民，潘甦，等.异构无线网络中基于SINR和层次分析法的SAW垂直切换算法研究 [J].电子与信息学，2011，33（1）：235-239.
Liu S M，Meng Q M，Pan S，et al.A SAW vertical handoff algorithm based on SINR and AHP for heterogeneous wireless networks [J].Journal of Electronics and Information Technology，2011，33（1）：235-239.
[2]Mehbodniya A，Kaleem F，Yen K K，et al.Wireless network access selection scheme for heterogeneous multimedia traffic [J].Let Networks，2013，2（4）：214-223.
[3]李军.异构无线网络融合理论与技术实现 [M].北京：电子工业出版，2009.
Li J.Theory and technology of heterogeneous wireless network integration [M].BeiJing：Publishing House of Electronics Industry，2009.
[4]Izumikawa H，Pitkanen M，Ott J，et al.Energy-Efficient Adaptive Interface Activation for Delay/Disruption Tolerant Networks [C].Proceedings of the 12th international conference on Advanced communication technology，Phoenix：IEEE，2010.
[5]Lai M Y，Chen Y M，Chung T Y，et al.Reducing Power Consumption in Network Discovery with Motion Detection in Heterogeneous Wireless Networks [C].Wireless Communications and Networking Conference，Kowloon：IEEE，2007.
[6]Ylianttila M，Makela J P，Pahlavan K.Analysis of handoff in a location-aware vertical multi-access network [J].Computers Networks，2005，47（2）：185-201.
（责任编辑：包震宇）
提出了一種基于周期自适应的垂直切换算法.在切换发起阶段，移动终端会根据接收信号的强度不断调整接口的激活间隔时间，扫描可能存在的无线信号.在切换判决阶段，采用多属性判决法对每种网络的综合性能进行判断.仿真表明，相比于传统方案中以固定周期扫描无线信号，提出的方案在节省终端功率的基础上能够更及时地发现新的无线网络，并能更快地接入综合性能最好的网络.
关键词：
异构网络； 垂直切换； 多属性
中图分类号： TN 929.5文献标志码： A文章编号： 1000-5137（2017）04-0542-05
Abstract：
This paper presents a periodic adaptive vertical handoff scheme.In the phase of handoff initiation，the mobile terminal will adjust the interfaces activating interval to scan the potential new wireless signals according to the Received Signals Strength.In the phase of handoff decision，multiple attribute judgment method are adopted to judge the comprehensive perfomance of each network.The simulation shows that the proposed scheme can discover new wireless networks access the network that has the best comprehensive performance saving consumed power.
Key words：
heterogeneous network； vertical handoff； multiple attribute
0引言
近年来，随着信息时代的到来，移动通信的发展也非常迅猛.除了全球通用的公共移动通信蜂窝系统（UMTS）之外，各种新兴的无线接入网络不断出现，包括无线局域网（WLAN）、全球微波互联接入技术（WiMAX）以及蓝牙（Bluetooth）[1-2]等.不同的无线网络在带宽、传输时延、覆盖范围等方面都存在差异，为了满足任何用户在任何地点、任何时间都能无缝接入无线网络，无线网络间的互通和融合将是必然的趋势[3].
垂直切换是研究异构无线网络融合的基础和关键技术，移动终端如何发现新的无线网络，并在已经发现的多个网络中选择最佳网络进行切换控制是移动性管理的关键问题.目前，已经有学者提出了多种网络搜索方法.文献[4]研究了周期性的激活终端接口以扫描可能存在的新的无线信号.它是基于移动端接收来自各种网络的广播信息.多模终端必须激活多模接口，接口会以一定周期扫描附近的无线信号，这样便可以搜索到潜在的无线网络.然而，随之而来的一个问题是，接口的激活周期为多长时间是合适的.当周期很大时，扫描次数就会减少，优点是节省终端功率.但也可能导致切换延迟.当周期过小时，扫描次数就会增加，可以及时的发现新的无线网络，但也可能会造成终端功率的浪费.文献[5]针对周期激活终端接口存在的弊端，提出了Network Discovery algorithm with Motion Detection（NDMD）算法，NDMD算法可以通过接收信号强度（RSS）来预测移动端的移动位置及趋势，使得终端在将要进入新的无线网络的覆盖范围内，及时触发终端接口，扫描信号，这样便可以极大地节省不必要的功率损耗.然而，这种算法容易受预测精度的影响，如果预测出现了很大的误差，会对切换判决造成不可逆的影响.文献[6]中提出了通过部署Location Service Server（LSS）来通知移动端附近的无线网络信息.移动端可以通过查询LSS获取附近的网络信息.这种方法在很大程度上降低了移动终端接口被激活的时间和频率，同时也降低了功耗，但是，LSS需要一定的硬件设备支持，实际中很少使用.
本文作者提出一种周期自适应垂直切换算法.根据终端接收到的信号强度的大小不断调整终端接口的扫描周期，在节省终端功率的基础上能够尽快发现新的网络.当新的网络在预设的时间段内性能较好且比较稳定时，则进入切换判决阶段，采用多属性（接收信号强度、可用带宽、时延等网络属性）判断不同网络的综合性能，选择性能最佳的网络进行切换.
1垂直切换算法
1.1网络发现
传统的网络发现方案都是移动终端以固定周期激活多模接口，接口周期性地扫描附近可用的无线信号.但是周期设置为多大较为合适，并没有一个确切的标准或答案.周期过大，会导致发现新网络时间变长.周期过小会导致终端频繁的触发接口扫描无线信号，造成终端功率的大量损耗.如何平衡二者的矛盾，也是本研究的重点.
和一般切换策略相同的是，为了避免乒乓效应引入计时器，即在一定时间内，如果新网络的性能持续地比当前网络的性能好，才考虑触发整个切换机制.
刚开始时，还没有检测到有新信号，即RSSnew为0，此时终端接口的激活周期Tint=Tmax，即以最大周期Tmax扫描无线信号，一旦扫描到有新的无线信号RSSnew，并且新信号大于提前设置的移入门限电平RSSth，计时器增加1.然后再次扫描，但此时的扫描时长是随着RSSnew的大小不断变化的.当新信号越来越强时，则扫描周期应该变小，实时或及时地接入性能可能更好的网络，反之当新的信号变弱时（仍然大于RSSth）则扫描周期变长.扫描周期的变化规律为： 当Tint>Tmax时，Tint=Tmax，即最大掃描周期不能超过定值Tmax.当RSSnew很大导致Tint<0时，说明新的网络信号很强，立即调整周期Tint为0到1之间的随机数，加快判断进程.如果在计时器预设的时长内，RSSnew小于RSSth，则计时器重新置为0，扫描周期重新变成Tmax，保证将要进行切换判决的信号比较稳定，避免造成乒乓效应.如果用户移出了当前无线网络的范围，移动终端将会立即接入到任何可用的网络，不再需要切换判决.流程图如图1所示.
1.2切换判决
当发现了信号性能更好且更稳定的新网络时，至少存在多个可接入无线网络，移动终端需要进行切换选择.网络选择流程如图2所示.
在网络发现的过程中，仅根据接收信号强度的大小确定是否有可用的无线网络.但是，进行切换选择的时候不能仅仅考虑RSS，还需要考虑如带宽、时延、用户偏好等属性来评判每个网络的综合性能，从而能更好地满足用户的QoS.采用基于加权法的多属性判决法，网络的性能函数
其中，n代表影响网络判决的属性个数，wi（i=1，2，…，n）代表第i个属性对应的权重，且∑ni=1wi=1.可用直接赋权法或层次分析法计算出各个权重的大小.pi表示第i个属性的在网络中的参数值大小.
则最优的切换目标
其中，Fj表示第j个候选网络（j=1，2，…，N），pij表示第j个网络的第i个属性参数值.
切换判决阶段接口的扫描周期仍然是不断变化的，但此时依赖于网络的综合性能而不是RSS.新的网络综合性能较好时，扫描周期应该变小以及时的接入性能可能更好的网络，反之当新的网络综合性能较差时（仍然大于当前网络综合性能Fing）则扫描周期变长.如果在计时器设置的时间段内，Fnew小于Fing，则计时器重新置0，扫描周期重新变成T1max，这样做能够确保新的网络综合性能较稳定时才能被选择.扫描周期的变化规律为：
2仿真分析
LTE和WLAN网络的重叠覆盖场景如图3所示.移动终端始终在UMTS网络的覆盖范围之内，在LTE蜂窝覆盖范围的边缘还有4个WLAN网络.以O点为原点建立直角坐标系，基站的坐标分别为（0，0）和（250，250）.LTE的载波频率是2000 MHz，WLAN的载波频率是2400 MHz，发送功率分别是1 W和0.5 W.WLAN的覆盖半径是200 m，LTE覆盖半径是1.5 km.移动终端从O点向右下方的WLAN直线移动.其他参数的设置如表1所示.
根据提出的基于周期自适应方案和设置的参数值，得到图4，5，6的仿真结果.
从图4可以看出，周期自适应切换算法的接口激活次数比周期5 s和7 s的激活次数要少，但要比激活周期为9 s多.但随着速度的不断变快，周期自适应的激活次数越来越接近于周期为9 s的激活次数，即在节省功率方面越来越好，但是新网络的发现时间并没有因此而变慢，尤其是当速度大于1.2 m/s时，其发现性新网络的时间是最少的.所以，基于周期自适应切换算法不仅能够减少功率的损耗，又能尽快地发现新的无线网络.当移动速度较大时，提出的算法在发现新的网络方面性能更佳.
图6是当移动端的移动速度r=2 m/s时，不同的接口激活周期对应的网络切换时间.从图6中可以明显的看出，相比于传统的方法，提出的算法接入到WLAN的时间最短，享受高质量网络的服务时间最长.因此，提出的垂直切换算法可以减少切换的延迟，提高服务质量.
3结论
本文作者针对传统的固定周期接口激活方案存在的弊端，提出了一种基于周期自适应的垂直切换算法.在网络发现阶段，移动终端会根据接收到的信号强度不断改变接口的激活周期，在网络选择阶段，采用多属性判决法对已经发现的网络的综合性能进行判断，选择性能最佳的网络进行切换.仿真表明，提出的方法相比于传统的方法，在节省终端电量的基础上能够尽快发现新网络，并能及时地接入可以提供热点覆盖的WLAN网络，提供给用户最好的无线接入环境.
参考文献：
[1]刘胜美，孟庆民，潘甦，等.异构无线网络中基于SINR和层次分析法的SAW垂直切换算法研究 [J].电子与信息学，2011，33（1）：235-239.
Liu S M，Meng Q M，Pan S，et al.A SAW vertical handoff algorithm based on SINR and AHP for heterogeneous wireless networks [J].Journal of Electronics and Information Technology，2011，33（1）：235-239.
[2]Mehbodniya A，Kaleem F，Yen K K，et al.Wireless network access selection scheme for heterogeneous multimedia traffic [J].Let Networks，2013，2（4）：214-223.
[3]李军.异构无线网络融合理论与技术实现 [M].北京：电子工业出版，2009.
Li J.Theory and technology of heterogeneous wireless network integration [M].BeiJing：Publishing House of Electronics Industry，2009.
[4]Izumikawa H，Pitkanen M，Ott J，et al.Energy-Efficient Adaptive Interface Activation for Delay/Disruption Tolerant Networks [C].Proceedings of the 12th international conference on Advanced communication technology，Phoenix：IEEE，2010.
[5]Lai M Y，Chen Y M，Chung T Y，et al.Reducing Power Consumption in Network Discovery with Motion Detection in Heterogeneous Wireless Networks [C].Wireless Communications and Networking Conference，Kowloon：IEEE，2007.
[6]Ylianttila M，Makela J P，Pahlavan K.Analysis of handoff in a location-aware vertical multi-access network [J].Computers Networks，2005，47（2）：185-201.
（责任编辑：包震宇）