可見光與Wi-Fi的無縫融合研究

楊立偉 中國農業大學副教授，博士后

可見光與Wi-Fi的無縫融合研究

楊立偉 中國農業大學副教授，博士后

異構網絡融合是未來網絡的一個重要發展趨勢。本文研究了將可見光通信與Wi-Fi技術相結合的一種新的覆蓋方式，建立了可見光與Wi-Fi融合系統的仿真平臺并進行了驗證。

可見光通信 Wi-Fi 垂直切換

1 引言

異構網絡融合是未來網絡的一個重要發展趨勢，隨著移動互聯網的發展，未來的網絡架構必然會融合多種特征互補的接入網絡，通過由不同技術組成的異構網絡，可以充分利用不同類型的網絡技術優勢。

基于LED（LightEmittingDiode）照明設備的可見光通信（VLC，Visible-Light-Communication）技術是無線光通信的一種，在家庭信息智能控制系統、會議通信網絡系統、公共場所的查詢和導購系統等領域都有廣闊的應用空間。

與Wi-Fi相比，VLC有很大優勢。Wi-Fi依賴無線電波傳輸，有一定的電磁輻射，且無線信號穿墻而過，網絡信息不安全。而這些安全隱患，在可見光通信中就能被避免。但可見光通信并不是Wi-Fi的競爭對手，而是一種相互補充的技術，有助于釋放頻譜空間。因此，考慮將可見光與Wi-Fi技術相結合，共同構建室內接入網絡。

由于異構無線網絡接入技術的差異性，如何給用戶提供不同網絡間的無縫漫游已經成為異構網絡亟需解決的問題。其中，移動性管理是實現異構無線網絡急需解決的問題之一，而垂直切換判決技術是移動性管理的核心內容。

在可見光異構網絡中，不同的網絡之間在網絡協議、覆蓋范圍等性能指標都有很大的差異，在用戶選擇接入網絡的過程及為滿足終端移動性的需求，需使用切換技術來保持會話的連續性。當接收機從一個基站（房間）移動到另一個基站（房間）時，需要接收機能夠自動切換。切換操作既要能識別一個新基站又要將信令信號分派到新基站的信道上。

本文對可見光與Wi-Fi的無縫融合網絡進行研究，并重點研究融合網絡的切換技術。

2 國內外研究現狀

1995年，異構無線網絡的概念由美國加州大學首次提出，此后學者們對無線網絡的融合進行了廣泛研究。ITU、IETF等標準化組織對異構融合無線網絡進行了標準化研究。3GPP對重疊異構無線網絡中的所有接入網絡不同技術的融合方案、接入網絡的網絡架構進行了規范，因而使得已有的重疊異構無線網絡獲得開放的網絡接口。同時，IEEE也設計出了相關的重疊異構網絡架構。

針對異構無線網絡，國內的企業、科研院所也進行了深入研究。中國移動提出的新型接入網構架C-RAN，采用協作化、虛擬化技術實現資源共享和動態調度，以達到提高頻譜效率的目的。“新一代寬帶無線移動通信網”、“基于異構網絡跨域的移動管理關鍵技術研究”等一系列國家重大科技專項，從不同的角度針對異構無線網絡進行了深入的研究。國家自然科學基金委員會也確立了許多關于異構無線網絡的研究項目，如“異構無線覆蓋網絡智能垂直切換管理關鍵算法研究”等。

但是，現階段不同無線接入網絡進行融合的過程中存在很多困難。其中，無線資源管理技術是可以實現不同接入無線網絡融合的關鍵技術。無線資源管理包括接納控制、功率控制、負載控制、容量分析、切換控制等技術。

對于切換技術，目前國內外學者的研究主要在切換判決這一階段。國內外現有的垂直切換算法總體來說能達成一定的共識，但尚未有完善的解決方案，需要進一步研究。

3 基于模糊邏輯的切換算法研究

異構網絡中的切換主要分為水平切換和垂直切換兩大類。水平切換保證在同一類型網絡之間的切換，垂直切換保證移動節點在不同的網絡之間無縫的漫游。

垂直切換是異構網絡中的關鍵技術。在異構網絡的垂直切換過程中，一般可以分為切換初始化、切換判決和切換執行3部分。切換初始化階段就是一個信息的收集階段，這些信息包括RSS、帶寬、吞吐量、抖動、費用、電池電量等；切換判決階段負責判決是否需要執行網絡切換以及切換到哪個網絡，判決階段關鍵部分就是判決算法的設計；切換執行階段需要提供一個無縫的切換方式，從當前網絡無縫地切換到目標網絡的過程。希望減少不必要的切換次數，從而降低“兵兵效應”。

垂直切換是多種無線網絡融合的基礎，而切換算法的設計是未來實行無縫融合的關鍵。垂直切換算法目前主要分為基于效用函數的、以用戶為中心的、基于上下文感知的、基于多屬性決策的、基于模糊邏輯和神經網絡的。其中，基于模糊邏輯的垂直切換算法考慮帶寬、接收信號強度RSS、覆蓋范圍和用戶數目等參數作為判決參數。

模糊邏輯（FuzzyLogic）是對現存的無法用準確語言或者模型進行描述的問題或者事件進行的模糊描述，可以解決經典的二值邏輯不能對變量做出準確定義的問題。在模糊理論中，對一個具體對象是否符合模糊概念，我們是用“可能性”來度量，并不是利用傳統的概率論等數學工具。模糊邏輯是利用模糊集合工作的，不同于普通集合的邊界范圍確定性，模糊集合是由具有可移動范圍的普通清晰集合，即從屬于一個集合到不屬于這個集合是漸變的過程。

模糊邏輯是為了幫助非精確推理提供理論基礎，是介于人工智能推理和控制理論數值計算之間的數學方法，它可以較好地處理不確切的輸入參量，能夠適應無線網絡環境的動態變化以及網絡接入選擇的復雜性。模糊控制是一種基于規則的控制，不需要已知被控對象的精確數學模型，直接采用語言型控制規則，因此模糊控制對那些參數動態特性不易掌握或變化較快的對象非常適用。

基于模糊理論的切換算法由兩部分組成，一部分是將各個輸入參數即判決因子輸入模糊邏輯控制器中進行處理，第二部分是采用一種選擇函數幫助用戶選擇最佳接入網絡。使用模糊邏輯的方法不僅可以處理一些不確定的參數還能對多個參數進行綜合決策，所以運用模糊邏輯的方法可以有效解決垂直切換決策問題。

在無線通信環境中，存在著各種各樣的因素會使得網絡條件發生動態變化，因此精確、單一的數學模型并不適合用來表示無線傳輸鏈路。模糊邏輯方法能夠適應無線網絡的動態條件和垂直切換的復雜性，能夠將多種不同的網絡參數綜合在一起，并以這些參數本身的模糊特性為依據進行切換的判決。因此，模糊邏輯方法能夠很好地應用在異構無線網絡的垂直切換問題上。

模糊邏輯法用于異構網絡中，對不同網絡接入標準的參數進行比較和判斷，將各網絡的共性予以模糊邏輯化，將輸入的變量通過隸屬度函數轉化為合適的值，然后依照特定的模糊邏輯規則，通過推理去模糊化，并將最后得到的結果做出網絡接入判決。

4 混合系統結構設計與仿真

切換判決參數應體現網絡綜合性能。考慮盡可能多的參數對于判決算法做出最準確的決策很重要；但是很難在一個切換判決算法模型中包括所有的參數，因為這樣會使算法的復雜度大大增加也會出現多重屬性的沖突問題。

本文考慮網絡的QoS參數包括帶寬、時延、抖動、BER。帶寬可有效反映當前網絡的業務狀況，對于帶寬要求比較高的業務尤為重要；網絡的時延將直接影響到網絡的QoS和用戶的感知；抖動即時延的變化，它受網絡穩定性和信道時延的影響；BER也是反映網絡性能的重要參數。由于這些參數具有很大的模糊性，常常用高低來衡量，因此采用基于模糊邏輯的切換算法進分析。如對于誤碼率，區間[0,1e-4]為Low，[1e-5, 1e-3]為Medium，[1e-4,1e-1]為High。

基于模糊邏輯的垂直切換算法分3個部分，即模糊化、模糊規則和去模糊化（清晰化）。模糊化的過程就是利用隸屬度函數將輸入參數模糊化。網格QoS參數經過模糊化以后利用模糊規則輸出模糊評價值，最后通過去模糊化得到網絡的切換評價得分。選擇得分最高的網絡作為切換的目標網絡，執行網絡切換，從當前服務網絡切換到目標網絡。

本文使用MATLAB作為切換算法的仿真工具。考慮VLC和Wi-Fi兩種不同網絡同時存在的異構無線網絡環境。Wi-Fi網絡的覆蓋范圍半徑為100m，VLC網絡的覆蓋半徑為10m。假設VLC1-VLC3都處于Wi-Fi的覆蓋范圍之內，移動終端從A點向B點按照5km/h的移動速度勻速步行，即開始階段移動終端處于Wi-Fi網絡中（見圖1）。

圖1 VLC與Wi-Fi融合網絡

判決過程如下：首先檢測周圍的可用網絡，獲取網絡的QoS信息；然后，利用模糊邏輯系統做出切換判決；最后，選擇一個切換得分最高的網絡作為切換目標網絡完成網絡的垂直切換。

采用模糊邏輯算法下Wi-Fi網絡與VLC網絡的得分（見圖2）。

根據QoS得分進行網絡選擇，0～2s選擇Wi-Fi，2～6s選擇VLC1，6～9s選擇VLC2，9～10s選擇Wi-Fi。仿真結果表明基于模糊邏輯的切換算法比較適合可見光與Wi-Fi的融合網絡，能夠便于用戶根據網絡的QoS選擇最佳網絡。角度設計具有高靈活性、低復雜度的切換判決方案。通過MATLAB軟件對融合網絡的聯合切換算法進行了仿真，仿真結果表明基于模糊邏輯的切換算法比較適合可見光與Wi-Fi的融合網絡。

圖2 Wi-Fi與VLC網絡的得分比較

5 結束語

本文研究了可見光與Wi-Fi的無縫融合網絡，重點研究了可見光與Wi-Fi融合網絡的切換算法，從系統的

1 茅海雁.異構無線網絡環境下網絡垂直切換判決技術研究與分析.南京理工大學碩士學位論文.2014

Researchon Integrated System of Visible Light Communication with Wi-Fi

Integration of different networks is the important trend of the future network.Anovel communication technology of integratedVisible Light Communication(VLC)andWi-Fi is discussed and demonstratedby simulation in this paper.

VLC,Wi-Fi, vertical handoff

2015-05-10）