基于決策概率的接入網(wǎng)選擇
2008-04-12 00:00:00陳杰余凱張平
現(xiàn)代電子技術(shù) 2008年9期
摘 要：為了指導移動用戶在B3G的異構(gòu)系統(tǒng)中選擇一個最優(yōu)的無線網(wǎng)絡(luò)接入，提出了基于決策概率的接入網(wǎng)絡(luò)選擇算法。該決策概率綜合考慮了網(wǎng)絡(luò)服務質(zhì)量（QoS）的滿意度、網(wǎng)絡(luò)的收費價格和用戶與網(wǎng)絡(luò)間的相對鏈路質(zhì)量。在NS2仿真平臺下，搭建了UMTS和802.11e的異構(gòu)仿真環(huán)境并模擬了用戶依據(jù)決策概率所進行的網(wǎng)絡(luò)選擇行為。仿真表明，通過所提出的算法，終端能夠選擇到滿意的網(wǎng)絡(luò)進行接入。
關(guān)鍵詞：接入網(wǎng)選擇；決策概率；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；NS2仿真
中圖分類號：TP18 文獻標識碼：B
文章編號：1004-373X(2008)09-031-04
Arbitration Probability-based Access Selection Algorithm
CHEN Jie，YU Kai，ZHANG Ping
(Wireless Technology Institute，Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing，100876，China)
Abstract：In order to direct subscribers to select the most suitable radio access network in B3G heterogeneous network environment，a network selection algorithm based on arbitration probability is proposed.Arbitration probability takes network provided Quality of Service(QoS) satisfaction level，monetary cost，and relative link quality into account.The heterogeneous network environment consisting of UMTS and 802.11e is established under NS2 platform.Simulation results exhibit the behavior of users′ network selection.The simulation results show that terminals access the most satisfactory network based on the proposed access selection algorithm.
Keywords：access selection;arbitration probability;heterogeneous wireless data network;NS2 simulation
在異構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，使用多模或變模終端的用戶更傾向于選擇最合適的接入技術(shù)來承載業(yè)務。但如何在眾多無線接入技術(shù)中選擇一個最合適的接入技術(shù)是一個有待研究的問題。現(xiàn)有文獻提出的相關(guān)解決方法，如隨機選擇算法、高帶寬優(yōu)先選擇算法、基于模糊邏輯的算法[1]以及基于層次分析法和灰度關(guān)聯(lián)法[2]等，都忽略了用戶對網(wǎng)絡(luò)所提供業(yè)務質(zhì)量的滿意度。此外，實際中的用戶將考慮服務質(zhì)量和價格雙方面因素。基于上述原因，在綜合考慮用戶對服務質(zhì)量滿意度、價格、相對鏈路質(zhì)量等因素的基礎(chǔ)上提出了決策概率的概念。決策概率從數(shù)學上描述了用戶愿意選擇某網(wǎng)絡(luò)的程度。
1 決策概率
為了能用數(shù)學方法描述用戶對無線網(wǎng)絡(luò)提供的QoS的滿意程度，首先引入滿意度函數(shù)概念。用函數(shù)S(b)表示用戶的滿意度，他實際上是將服務質(zhì)量相關(guān)的參數(shù)映射到實數(shù)域。在一個由M個異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)組成的系統(tǒng)中，用向量[WTHX]b[WTBX]=(b1，…，bM)表示這M個網(wǎng)絡(luò)為用戶提供服務的QoS參數(shù)。因此，若用戶使用不同網(wǎng)絡(luò)的服務，將會有不同的QoS體驗，而這種不同的QoS體驗則會對應不同QoS滿意度。不失一般性地，以網(wǎng)絡(luò)j為例，用戶對該網(wǎng)絡(luò)提供的服務的滿意度應滿足下列條件：
sj(b)bj≥0， sj(b)bi≤0 (i≠j)，
limbj→∞sj(b)=l
(1)
其中l是正的常數(shù)。上式中的最后一個條件反映了QoS參數(shù)超出一定范圍后，用戶對QoS參數(shù)的提升將不再敏感，進而用戶不會再因為網(wǎng)絡(luò)服務質(zhì)量的提升而增加其滿意度。
在本文中，服務質(zhì)量以網(wǎng)絡(luò)接入帶寬為例，但所提出的滿意度概念可廣泛應用于網(wǎng)絡(luò)所提供的其他QoS參數(shù)，而不僅限于接入帶寬。
事實上，用戶的滿意度行為與用戶所使用的業(yè)務類型有關(guān)。對最簡單的業(yè)務，如話音業(yè)務，一般認為用戶滿意度只有兩個值，分別是完全滿意和完全不滿意。而對于下一代基于分組的多媒體業(yè)務而言，這種僅考慮兩個離散值的滿意度將不再適用。出于對這類業(yè)務的考慮，采用連續(xù)函數(shù)對用戶滿意度進行建模。
其次，如果價格變化，用戶對業(yè)務的感知情況不可能不發(fā)生變化。
前文中，用戶滿意度是QoS的函數(shù)。這里，價格同樣表示為QoS的函數(shù)。根據(jù)上下文的內(nèi)容，這里所說的QoS參數(shù)是網(wǎng)絡(luò)提供的接入帶寬。一般而言，網(wǎng)絡(luò)j提供的服務的價格pj(bj)，只與網(wǎng)絡(luò)j分配給用戶的接入帶寬有關(guān)。與滿意度函數(shù)類似，價格函數(shù)應滿足下面這個條件：
dpj(bj)dbj≥0
(2)
此外，除了滿意度和價格，用戶在選擇網(wǎng)絡(luò)時還應考慮與網(wǎng)絡(luò)間相對通信鏈路質(zhì)量。用δj表示終端與網(wǎng)絡(luò)j的接入點間的相對通信鏈路質(zhì)量值。該參數(shù)值由用戶與網(wǎng)絡(luò)j間通信鏈路質(zhì)量和用戶與其他網(wǎng)絡(luò)間通信鏈路質(zhì)量共同決定。δj應滿足下列條件：
δjqj>0， δjqi<0，(i≠j)
(3)
其中，qi表示用戶與網(wǎng)絡(luò)i間的通信鏈路質(zhì)量。值得注意的是，不同的用戶將檢測到不同的相對鏈路質(zhì)量（δj）值。從δj的定義可知，該值越大，則用戶與網(wǎng)絡(luò)j間的相對通信鏈路質(zhì)量越好。
實際上，只有當服務質(zhì)量和價格都是在可接受的情況下，用戶才可能對網(wǎng)絡(luò)所提供的業(yè)務表示滿意。只有當終端與網(wǎng)絡(luò)接入點間的相對通信鏈路質(zhì)量較好時，用戶才可能與網(wǎng)絡(luò)建立連接。綜合考慮這三個因素，提出決策概率的概念。用決策概率表示用戶接受網(wǎng)絡(luò)服務的或然率。針對網(wǎng)絡(luò)j，定義決策概率為：Aj(sj，pj，δj)，該值反映用戶決策使用網(wǎng)絡(luò)j的服務的概率值。事實上，該值隨QoS滿意度和相對鏈路質(zhì)量的增加而增加、隨價格的增加而減小，即Aj(sj，pj，δj)滿足：
(8)
其中，C，μ，ε，是正值常數(shù)，而pmax是價格的最大值。實際上，由于系統(tǒng)容量等的限制，網(wǎng)絡(luò)為用戶提供的接入帶寬不是無限大，因此，網(wǎng)絡(luò)的收費也不會是無限大。所以存在價格的最大值，且滿足pmax<∞。所選的函數(shù)形式也與廣泛用于經(jīng)濟學中的Cobb-Douglas要求曲線[3]有一定關(guān)系。事實上，決策概率Aj(sj，pj，δj)可以是任何一個滿足條件式(4)-式(7)的函數(shù)，即文中所得到的結(jié)論并不限于式(8)的特殊形式。
2 網(wǎng)絡(luò)選擇算法
如前文所述，下一代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，多個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)覆蓋同一地區(qū)將是一個很普遍的現(xiàn)象。不同的網(wǎng)絡(luò)為用戶提供不同的接入帶寬以滿足用戶各種需求。而對于那些位于多網(wǎng)絡(luò)重疊覆蓋區(qū)域的用戶，有理由相信他們能夠且需要在這眾多網(wǎng)絡(luò)中選擇最適宜的網(wǎng)絡(luò)進行接入。多模、變模技術(shù)使移動終端有能力進行異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的接入選擇，而提出的接入網(wǎng)絡(luò)選擇算法則用于移動終端選擇一個最合適的無線接入網(wǎng)絡(luò)。多個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通過廣播消息，向用戶廣播其接入帶寬。移動終端在收到該廣播消息的基礎(chǔ)上通過計算所提出的決策概率的值，從而決定哪個網(wǎng)絡(luò)最適宜接入。
進一步，在描述用戶對QoS的感知時一般比較通用的函數(shù)形式是S形曲線函數(shù)[4]。因此，本文提出的滿意度函數(shù)也同樣采用S形曲線。在綜合考慮所有網(wǎng)絡(luò)提供的QoS參數(shù)后，用戶對網(wǎng)絡(luò)j提供服務的滿意度可表示為如下形式：
sj(b)=bj1M－1#8226;∑i≠jbi+Kυ
1+bj1M－1#8226;∑i≠jbi+Kυ
(9)
其中，υ ≥ 2；K是可調(diào)整的參數(shù)，通過他區(qū)分不同用戶的滿意度；M表示用戶可收集到M個網(wǎng)絡(luò)的信息。這里假設(shè)用戶的滿意度對其上限做了歸一化處理，即隨著bj的增大，滿意度漸進于1。
對于價格的考慮，有很多文獻提出了不同的定價方案[5，6]，但到目前為止，這些定價策略的可行性有待進一步研究。因此，為了使本文中所提出的接入網(wǎng)絡(luò)選擇算法在實現(xiàn)時更易操作，本文采用價格與接入帶寬呈線性關(guān)系的定價策略，依據(jù)此策略網(wǎng)絡(luò)j的定價為：
pj(bj)k#8226;bj
(10)
其中k是一正值常數(shù)，bj為網(wǎng)絡(luò)j為用戶提供的接入帶寬。
對于相對鏈路質(zhì)量，反映的是用戶與各網(wǎng)絡(luò)間通信條件的好壞情況。這里的通信條件應該是各異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間可相互比較的參數(shù)。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，由于使用的物理層的技術(shù)各不相同，因此在同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)常使用的信號強度不再適用于做通信條件的衡量標準。為此，采用相對公平的誤碼率（BER）或誤幀率（FER）做相對鏈路質(zhì)量的衡量參數(shù)。定義用戶與網(wǎng)絡(luò)j間相對鏈路質(zhì)量為：
δj1－BERj∑Mi=1(1－BERi)
(11)
其中M表示終端可采集到M個網(wǎng)絡(luò)的誤碼率（誤幀率）信息，而BERj表示終端檢測到的來自于網(wǎng)絡(luò)j的數(shù)據(jù)的誤碼率（誤幀率）。由式(11)可知相對鏈路質(zhì)量δj的取值范圍為［0，1］。
值得注意的是，式(9)和式(10)所定義的滿意度和價格可在終端接收到網(wǎng)絡(luò)廣播的接入帶寬信息后計算而得，而公式定義的第三個參數(shù)相對鏈路質(zhì)量δj，則可由終端對收到的廣播信息進行測量而得。由此，根據(jù)式(8)的定義，終端可以計算出是否接受網(wǎng)絡(luò)j提供服務的決策概率Aj(sj，pj，δj)。綜上所述，提出終端進行網(wǎng)絡(luò)選擇的算法：當終端在選擇要使用哪個無線網(wǎng)絡(luò)的資源時，首先計算接受各無線網(wǎng)絡(luò)服務的決策概率，之后選擇具有最大決策概率值的網(wǎng)絡(luò)接入。具體而言，終端的網(wǎng)絡(luò)選擇算法可用下列偽碼描述：
(1) Set the initial candidate network list listcandidate = 1，and initial arbitration probability Aaccept = 0.Let M be the maximum number of networks whose information are collected by the user.Also let k=1.
(2) For all k such that k≤N
(a) Given bk and measured relative link quality of network k，compute the arbitration probability for network k Ak = Ak(sk，pk，δk)
(b) IF (Aaccept<Ak) THEN
(i) Set Aaccept =Ak，
(ii) Set listcandidate=k
ELSE IF (Aaccept==Ak) THEN
(i) Append candidate list (i.e.listcandidate) with k
(3) At this time，the index of network should be selected randomly in the list listcandidate.
3 系統(tǒng)實現(xiàn)與仿真結(jié)果
本節(jié)給出基于決策概率的網(wǎng)絡(luò)選擇算法實現(xiàn)方案框圖和基于此方案在NS2[7]環(huán)境下完成的仿真結(jié)果。
圖1是針對多模終端所設(shè)計的可以完成基于決策概率的網(wǎng)絡(luò)選擇算法的體系結(jié)構(gòu)。
圖1 基于決策概率的網(wǎng)絡(luò)接入選擇系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
在該體系結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)選擇模塊負責通過網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動接口規(guī)范（NIDS）設(shè)備接口采集網(wǎng)絡(luò)信息并進行存儲。NIDS設(shè)備用于操作所有網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動。當需要建立業(yè)務時，網(wǎng)絡(luò)選擇模塊根據(jù)存儲的各網(wǎng)絡(luò)信息按本文提出的算法選擇最合適的網(wǎng)絡(luò)進行接入，同時設(shè)置位于NIDS中的用戶數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接口轉(zhuǎn)發(fā)模塊，使用戶業(yè)務數(shù)據(jù)從選定的網(wǎng)絡(luò)接口中發(fā)送。
為驗證所提出的網(wǎng)絡(luò)選擇算法，基于圖1的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)在NS2平臺下搭建了異構(gòu)仿真環(huán)境。仿真環(huán)境如圖2所示，包括一個UMTS網(wǎng)絡(luò)和一個802.11e的WLAN網(wǎng)絡(luò)。用戶位于UMTS網(wǎng)絡(luò)與WLAN網(wǎng)絡(luò)的重疊覆蓋區(qū)域。
圖2 仿真場景
這里所采用的WLAN技術(shù)是提供QoS保證并可以進行速率控制。同時，UMTS網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)都有足夠容量為有限的用戶提供數(shù)據(jù)服務，且這兩個網(wǎng)絡(luò)為用戶提供的數(shù)據(jù)服務的接入帶寬分別為2個單位和6個單位。在該仿真場景中UMTS的Node B和WLAN的AP負責周期廣播其接入帶寬，而用戶隨機的發(fā)起數(shù)據(jù)業(yè)務并在兩個網(wǎng)絡(luò)中選擇最優(yōu)的一個網(wǎng)絡(luò)建立業(yè)務連接。具體仿真參數(shù)如表1所示。
表1 網(wǎng)絡(luò)選擇算法仿真參數(shù)列表
在圖2的仿真場景中，安排用戶在10 s開始從遠離WLAN的AP位置緩慢向WLAN的AP移動；在100 s附近開始從接近WLAN AP的位置開始以相同速度遠離該AP。圖3是根據(jù)以上設(shè)置完成的仿真結(jié)果。該圖反映用戶在接入網(wǎng)絡(luò)時決策概率值的變化情況。最初，由于移動臺距離WLAN的AP較遠導致信號比較弱，相對鏈路質(zhì)量差，因而選擇UMTS的決策概率較大。隨著移動臺的移動，WLAN的信號逐漸增強使得UMTS網(wǎng)絡(luò)的相對鏈路質(zhì)量變差。在綜合考慮WLAN提供的接入帶寬、價格、相對鏈路質(zhì)量后，用戶選擇WLAN的決策概率大于選擇UMTS的決策概率，因此WLAN覆蓋的絕大多數(shù)地區(qū)，移動終端總會選擇WLAN做接入。當移動臺離WLAN的AP較遠時，選擇UMTS的決策概率才會逐漸回升。
圖3 移動終端選擇網(wǎng)絡(luò)時決策概率仿真結(jié)果
值得注意的是，盡管仿真中僅涉及到兩個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，但所提出的接入網(wǎng)選擇算法并不限于兩個網(wǎng)絡(luò)。
4 結(jié) 語
下一代無線系統(tǒng)的特點是各種異構(gòu)的無線接入網(wǎng)絡(luò)相互合作、補充，共同為用戶提供數(shù)據(jù)服務。隨著技術(shù)的發(fā)展，首先將是多模終端的出現(xiàn)，使終端擺脫了只能與一個接入網(wǎng)絡(luò)建立連接的束縛。繼而SDR技術(shù)、端到端重配置技術(shù)使移動終端終將發(fā)展為可變模的智能設(shè)備。在這種情況下，終端有能力而且有必要從眾多的服務網(wǎng)絡(luò)中挑選最合適的一個網(wǎng)絡(luò)與之建立數(shù)據(jù)連接。本文正是基于此，提出決策概率的概念，使用戶能挑選出最合適的接入網(wǎng)絡(luò)。決策概率同時考慮了用戶對網(wǎng)絡(luò)提供的QoS的滿意程度、價格因素和用戶與網(wǎng)絡(luò)間相對鏈路質(zhì)量三個方
面因素。基于此決策概率，提出了移動終端側(cè)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)選擇的算法。通過在NS2平臺上建立仿真場景并執(zhí)行一系列的試驗，驗證了提出的用戶接入網(wǎng)絡(luò)選擇算法。同時，文中也給出了移動終端在面對UMTS和WLAN兩個網(wǎng)絡(luò)時的決策概率變化情況。
目前，我們也正在對基于決策概率的用戶網(wǎng)絡(luò)選擇算法進行擴展，增加網(wǎng)絡(luò)調(diào)控部分，使網(wǎng)絡(luò)動態(tài)調(diào)整其QoS參數(shù)，通過影響用戶網(wǎng)絡(luò)選擇行為而同時達到網(wǎng)絡(luò)收益最大和負載均衡的目的。
參 考 文 獻
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作者簡介 陳 杰 男，1980年出生，北京郵電大學博士研究生。主要研究方向為未來移動通信先進技術(shù)。
注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。
