CN101951663A - 一种用于无线异构网络环境下的基于用户的多接入网络选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无线异构网络环境下的基于用户的多接入网络选择方法，本发明从用户的利益出发，充分考虑预接入网络的费用、QoS和稳定性，提出一种结合目标代价函数与层次分析法的动态多接入选择方法。通过对影响因素进行分析和判断，建立了网络选择决策模型，该方法不仅具有基于多因素网络选择方法的优点，能够正确、有效地进行网络选择，而且可以方便地在用户终端实现。

Description

一种用于无线异构网络环境下的基于用户的多接入网络选择方法

技术领域

本发明涉及移动通信中异构环境下的无线资源管理技术，尤其涉及移动通信中接入选择方法。

背景技术

自从上世纪八十年代以GSM(全球移动通信系统)为代表的第二代移动通信系统开始在全球范围迅速扩张以来，CDMA(码分多址)系统、IEEE802.11a/bWLAN(无线局域网)、Bluetooh(蓝牙)和WiBro(无线因特网接入)等许多不同类型的无线接入系统(Radio Access System)，也如雨后春笋般蓬勃发展起来。由于这些无线接入系统都是针对某些特定的业务类型和用户群体专门设计的，所以在无线接入技术、覆盖范围、可用带宽、资费水平、对用户移动性的支持和服务质量保证等方面都存在差异。下一代无线通信系统应该是一个能够将现有的和未来将要出现的各种无线接入系统有机地融合在一起的开放式的异构无线网络。所谓异构(heterogeneous)网的融合，是指两个无线接入系统采用了不同的无线接入技术，或者是采用相同的无线接入技术但属于不同的无线运营商。在异构无线网络中，用户可以根据业务需要和网络状态等因素随时选择接入到最合适的那个无线接入系统中，从而满足用户灵活多变的个性化业务需求。

异构网的接入选择是指在选择要接入网络时，多模终端需要向当前的接入系统报告相关的用户信息(例如用户的服务质量需求、接收信号强度等等)，再由该接入系统转发到位于主网络或者核心网中的接入选择模块；同时，各无线接入系统也需要将各自的系统信息例如可用带宽、系统载荷水平等发送到接入选择模块中；最后，将接入选择模块所收集的用户信息和系统信息输入到事先定义的性能优化准则中，从而确定出多模终端的最佳接入选择，使得整个异构无线网络的无线资源得到合理利用。

业内针对异构网络的接入选择机制展开了广泛研究。在欧洲IST第六代Ambient Network项目的研究框架中，研究人员提出了“总是最佳连接”(ABC)的概念，目的是使异构多模移动终端始终无缝连接到最适合应用需求的接入。ABC系列解决方案包括：接入发现、接入选择、认证鉴权和计费(AAA)支持、移动性管理、档案处理和内容适配。作为核心问题之一，接入选择针对应用业务流选择最合适的接入网络。在3GPP R7规范中，关于系统架构演进(SAE)的研究中已经明确提出未来的异构网络场景，必须具备在异构接入网络之间支持无缝移动性，多接入选择方法问题作为重要的开放课题被提出。

网络选择方法方法应在保护用户服务质量的前提下，最大化异构系统资源利用率为目标。在多接入选择方法设计中，多种因素需要考虑：信号强度、覆盖范围、网络负载、业务需求和用户喜好等；另外，由于不同接入技术的差异性，不同无线接入网络中影响资源分配的因素不易统一量化表示，难以进行比较。上述因素的特点给网络选择的方法设计带来一定难度，需要借助一定的数学方法及模型来设计动态优化的多接入选择策略。根据决策点(用户、网络)的不同，可以设计不同的多接入选择机制。其中具有代表性的有几下几种：

(1)选择具有最好信道质量的网络(或小区)接入。这种目标可通过选择最小路径损耗，或最大信噪比的链路来制定多接入选择策略，因此也可叫做基于路径损耗的多接入选择或基于信道信噪比的多接入选择。

(2)选择拥塞程度最小，或当前负载与系统容量之比最小的网络(或小区)接入。在这种目标下，多接入选择可看作是均衡不同网络(或小区)间负载的一条途径，因此也可看作为基于负载均衡(Load Balancing-Based)的多接入选择。

(3)选择能最有效保证用户QoS需求的网络(或小区)接入。可以通过确定哪种网络对哪种业务(如话音，数据)的服务质量更好，因此也叫做基于业务的多接入选择(service-based)或基于优先接入技术的(RAT priority-based)多接入选择策略。

(4)基于多诸如网络负载、业务类型、信号强度等多种因素的接入。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于用户的多接入网络选择方法。该方法从用户的利益出发，利用目标代价函数与层次分析法，全面地考虑用户偏好、业务种类、QoS要求和价格等影响网络选择的因素，能正确有效地进行网络选择。

本发明的目的是通过如下方式实现的：一种用于无线异构网络环境下的基于用户的多接入网络选择方法：步骤如下：

(a.)定义目标代价函数：

代价函数表达式：

${\mathrm{CF}}_m\left(k\right)=\underset{i=1}{\overset{F}{\mathrm{\Σ}}}(W_i\left(k\right)\×F_{i,m}\left(k\right))---\left(1\right)$

其中CF_m(k)表示终端在k时刻接入到无线网络系统m所需付出的总代价，F表示策略个数，F_i，m(k)为第i个策略参数所决定的子代价，W_i(k)为与第i个策略参数相对应的权重因子；

(b.)构造判断矩阵：

构造两个判断矩阵，矩阵M用来表示QoS和费用的关系，其中QoS用α表示，费用用β表示，h_α表示QoS的重要性，h_β表示费用的重要性：

$M=\left(\begin{array}{cc}{m}_{11}& m_{12}\\ m_{21}& m_{22}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{h}_{\mathrm{\α}}/h_{\mathrm{\α}}& h_{\mathrm{\α}}/h_{\mathrm{\β}}\\ h_{\mathrm{\β}}/h_{\mathrm{\α}}& h_{\mathrm{\β}}/h_{\mathrm{\β}}\end{array}\right)---\left(2\right)$

矩阵Q为应用所对应的互反判断矩阵，h_B表示带宽的重要性，h_D表示时延的重要性，h_J表示抖动的重要性，h_L表示丢包率的重要性：

$Q=\left(\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}& a_{14}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}& a_{24}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}& a_{34}\\ a_{41}& a_{42}& a_{43}& a_{44}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccc}{h}_B/h_B& h_B/h_D& h_B/h_J& h_B/h_L\\ h_D/h_B& h_D/h_D& h_D/h_J& h_D/h_L\\ h_J/h_B& h_J/h_D& h_J/h_J& h_J/h_L\\ h_L/h_B& h_L/h_D& h_L/h_J& h_L/h_L\end{array}\right)---\left(3\right)$

(c.)权值计算及检验：

I.计算判断矩阵的每一行元素乘积M_i，

其中a_i，j为第i行、第j列的元素且i＝1，2....n；

II.计算M_i的n次方根

III.对

进行归一化，

其中

则w_i为各元素的相对权重值，其中i＝1，2....n；

IV.进行一致性检验，M及Q的四个典型因素所对应权重的排序权向量分别对应于不同应用的权值W_α、W_β、W_B、W_D、W_J、W_L，将用于目标网络选择过程；

(d.)权值合成：

根据相对的重要性构成了两组判断矩阵，第一组：包括费用和QoS；第二组：包括带宽、时延、抖动和丢包率，最后一步，所有决定因素的全局的权值通过计算各个层的本地权值后，再经过计算其相应乘积即可获得，

因此，目标函数中全部因素的绝对权值为：

w＝{w₁，w₂，w₃，w₄，w₅}

 ＝{w_αw_B，w_αw_D，w_αw_J，w_αw_L，w_β}(4)

基于上述因素，为每个多接入选择用户在每个备选接入定义目标代价函数为：

CF_m＝w₁F_B+w₂F_D+w₃F_J+w₄F_L+w₅F_β    (5)

其中w_i为多接入选择中不同因素的权重，表示其对于目标代价的重要程度；

(e.)参数选择及归一化：

I.费用：

将费用因素定义为：

$F_{\mathrm{\β}}=\frac{C_i-C_{\mathrm{MIN}}}{C_{\mathrm{MAX}}-C_{\mathrm{MIN}}}---\left(6\right)$

其中，C_i为第i个网络的单位费用，而C_MAX和C_MIN分别代表L个接入点所包含的网络中的最高和最低的单位费用，

$C_{\mathrm{MAX}}=\underset{i=1......L}{\max \left\{C_i\right\}}$ $C_{\mathrm{MIN}}=\underset{i=1......L}{\min \left\{C_i\right\}}---\left(7\right)$

II.QoS：

对带宽、时延、抖动和丢包率的归一化处理如下：

带宽B：

时延D：

抖动J：

丢包率L：

B_i、D_i、J_i、L_i表示当前网络为用户提供的带宽、时延、抖动和丢包率，假定业务所要求的最大时延限制为D_MAX，而不同系统所能提供最少时延为D_MIN，同理，B_MAX和B_MIN分别代表系统能提供的最大带宽和满足业务需要的最小带宽，J_MAX和J_MIN分别代表该业务能承受的最大抖动和系统所能提供的最小抖动，L_MAX和L_MIN分别代表该业务能承受的最大丢包率和系统所能提供的最小丢包率；

(f.)选择接入网络及执行垂直切换：

通过对每个可选的接入点计算相应的目标代价值，并据此为当前用户选择代价值最小的j网络进行接入，此时有：

j＝argmin{CF_m}           (12)

其中CF_m指接入到无线网络系统m所需付出的总代价。

本发明从用户的利益出发，提出了一种区分实时、非实时分组业务下的基于用户的异构网接入选择方法，充分考虑到网络通信的主体--终端用户的利益，而且可以认为不同的网络运营商之间是彼此竞争的，并没有达成统一的协议。在此基础上提出了一种结合目标代价函数与层次分析法的网络选择方法，在实施过程中结合二次判断，全面考虑了用户偏好、业务种类、QoS要求和价格等影响网络选择的因素，此方法不仅能正确有效地进行网络选择，而且可以方便地在用户终端实现。

附图说明

图1是本发明异构终端接入选择功能架构；

图2是本发明异构终端接入选择功能的实现；

图3是本发明接入选择模块执行过程；

图4是实施例场景示意。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

为了支持终端接入选择功能，则终端接入选择功能框架如图1所示，功能的实现如图2所示。

1、接入选择功能框架

异构终端选择功能架构主要包含3个模块：接入适配模块、移动管理模块、用户偏好模块(如图1)，分别负责从不同接入网络的附着点获取链路层参数、处理用户的需求和执行接入选择。

(1)接入适配模块

负责确认及发现终端上不同的接入网络接口，监视它们的状态，从各接口收集参数，并且在接口上执行选择或撤销选择。接入适配模块能够向终端提供关于可用接入网络附着点的信息列表，每个列表包括各附着点的信号强度、QoS以及网络运营商等。接入适配模块也可以通过特定的网络发现协议判断是否有新的接入网络出现，或者终端已选择的网络接入是否不满足要求了，将这些信息通知移动性管理中的接入选择模块，触发新的接入选择过程。

(2)用户偏好模块

负责存储、接入和编辑用户档案资料。用户使用图形用户接口对判决参数设定不同的优先级，在接入网络选择方法中分别对判决参数赋值，代表不同的重视程度。

(3)移动性管理模块

负责处理所有与移动性管理和接入网络选择相关的事件，其核心为接入选择模块。移动性管理模块负责向接入选择模块提供所需要的输入参数(从用户偏好模块和接入适配模块获得)，触发接入选择判决过程，并且最终将决定发送给接入适配模块，执行接入选择过程。接入选择模块负责选择最优接入附着点。

接入选择模块的工作方式如下如图3所示。

I.参数优化

从接入适配模块获取网络参数并对带宽、时延、抖动和丢包率的归一化处理；从用户偏好模块获取所需参数构造权值矩阵，并计算各个参数的权值。

II.一级判断

当新业务产生，或由于用户移动，导致进行系统间切换时，多接入选择模块被触发。一级判断主要通过接入适配模块获取网络参数，查询当前可接入的网络列表，找出能够满足当前正在进行的全部应用的网络，并判断当前网络对正在进行的全部应用的满足情况。

III.二级判断

二级判断是在一级判断所找出的网络中继续查找更加符合用户偏好和当前业务类型的网络。通过对每个可选的接入点计算相应的目标代价值，并据此为当前用户选择第j网络进行接入。

2、接入选择功能的实现

中间件(middleware)是位于平台(硬件和操作系统)和具体应用之间的通用服务，用来屏蔽分布环境中异构的操作系统和网络协议，具有标准的程序接口和协议。在异构终端的设计中，接入选择功能可以利用中间件技术实现。如图2所示，接入选择采用分布式中间件架构，从硬件层面自适应用户应用业务流，自动协调管理。在接入选择功能实现中，网络接口卡感知不同可用接入网络的条件参数，通过操作系统传送到接入发现模块中，作为接入选择模块的输入。按照既定的接入选择策略，接入选择优化机制优化判决参数、网络条件、用户偏好和用户应用需求，选择最优的接入目标。接入选择判决结果被送到操作系统中，控制不同的接入网络，分配业务流到不同的接口或具体执行业务流在不同接口之间无缝切换过程。

实施例：

假设环境中存在两类无线网络，UMTS网络和WLAN网络，场景如图4所示，移动终端为多模终端，移动终端的接入适配模块能够发现和监视这两类网络。UMTS覆盖范围广，可以保证终端与网络之间的不间断连接，在高速移动的情况下，能保证稳定的服务质量。但是，数据传输速率相对较低，在某些业务量比较大的热点区域，可能由于UMTS网络带宽有限，无法为终端提供较好的服务质量。WLAN覆盖范围小，但数据传输速率高。同时，WLAN还具有使用开放频段、组网方式灵活及价格低廉等优点，可以说，UMTS网络与WLAN网络之间存在互补优势。假设Internet内部与UMTS基站(UMTS BS)之间的接入链路带宽为6M，UMTS的无线链路带宽为2M，UMTS BS的有效覆盖半径为500m；Internet内部与WLAN接入点(WLAN AP)之间的接入链路带宽为100M，WLAN的无线链路带宽为11M，WLAN AP的有效覆盖半径为100m。

一种用于无线异构网络环境下的基于用户的多接入网络选择方法：步骤如下：

(1)当移动终端移动到点UMTS和WLAN的重叠覆盖区域，接入适配模块发现了UMTS和WLAN这两类不同的接入网络接口，监视它们的状态并收集参数。接入适配模块能向终端提供WLAN和UMTS的信息列表，每个列表包括各附着点的QoS和费用信息等。

(2)用户使用图形用户接口向用户偏好模块设置偏好参数，假设用户对价格赋值为1，QoS赋值为3，则价格和QoS的比重为1∶3，且假设系统内部根据实践经验已经设置实时业务中QoS中的带宽、时延、抖动、丢包率的比重为3∶5∶1∶1；非实时业务中QoS中的带宽、时延、抖动、丢包率的比重为1∶1∶3∶5。

(3)接入选择模块从接入适配模块获取网络参数并对带宽、时延、抖动和丢包率的归一化处理，根据参数归一化公式最终得到，UMTS和WLAN的动态的带宽、时延、抖动和丢包率的归一化值，从用户偏好模块获取所需参数构造权值矩阵，并计算各个参数的权值。

计算过程中，判断矩阵M和Q的值如下式(13)、(14)：

$M=\left(\begin{array}{cc}1& 0.33\\ 3& 1\end{array}\right)---\left(13\right)$

$Q==\left(\begin{array}{cccc}1& 1& 0.33& 0.2\\ 1& 1& 0.33& 0.2\\ 3& 3& 1& 0.6\\ 5& 5& 1.67& 1\end{array}\right)---\left(14\right)$

(4)通过接入适配模块获取网络参数，查询当前可接入的网络为WLAN和UMTS网络，且这两类网络均满足实时和非实时业务的接入。

(5)通过公式对每个可选的接入点计算相应的目标代价值。

在实时业务下的W_α、W_B、W_D、W_J、W_L，分别为：0.24、0.228、0.38、0.076、0.076。代入公式CF_m＝0.24F_B+0.228F_D+0.38F_J+0.076F_L+0.076F_β得UMTS的代价值为0.015，WLAN代价为0.108则继续驻留在UMTS网络中。

在非实时业务下W_α、W_B、W_D、W_J、W_L分别为：0.24、0.076、0.076、0.228、0.36。代入公式CF_m＝0.24F_B+0.076F_D+0.076F_J+0.228F_L+0.36F_β得UMTS的代价值为0.221，而WLAN代价为0.052，最终非实时业务将选择代价值小得多的WLAN网络。

Claims (1)

1.一种用于无线异构网络环境下的基于用户的多接入网络选择方法，其特征在于：步骤如下：

(a.)定义目标代价函数：

代价函数表达式：

${\mathrm{CF}}_m\left(k\right)=\underset{i=1}{\overset{F}{\mathrm{\Σ}}}(W_i\left(k\right)\×F_{i,m}\left(k\right))---\left(1\right)$

其中CF_m(k)表示终端在k时刻接入到无线网络系统m所需付出的总代价，F表示策略个数，F_i，m(k)为第i个策略参数所决定的子代价，W_i(k)为与第i个策略参数相对应的权重因子；

(b.)构造判断矩阵：

构造两个判断矩阵，矩阵M用来表示QoS和费用的关系，其中QoS用α表示，费用用β表示，h_α表示QoS的重要性，h_β表示费用的重要性：

$M=\left(\begin{array}{cc}{m}_{11}& m_{12}\\ m_{21}& m_{22}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{h}_{\mathrm{\α}}/h_{\mathrm{\α}}& h_{\mathrm{\α}}/h_{\mathrm{\β}}\\ h_{\mathrm{\β}}/h_{\mathrm{\α}}& h_{\mathrm{\β}}/h_{\mathrm{\β}}\end{array}\right)---\left(2\right)$

矩阵Q为应用所对应的互反判断矩阵，h_B表示带宽的重要性，h_D表示时延的重要性，h_J表示抖动的重要性，h_L表示丢包率的重要性：

$Q=\left(\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}& a_{14}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}& a_{24}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}& a_{34}\\ a_{41}& a_{42}& a_{43}& a_{44}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccc}{h}_B/h_B& h_B/h_D& h_B/h_J& h_B/h_L\\ h_D/h_B& h_D/h_D& h_D/h_J& h_D/h_L\\ h_J/h_B& h_J/h_D& h_J/h_J& h_J/h_L\\ h_L/h_B& h_L/h_D& h_L/h_J& h_L/h_L\end{array}\right)---\left(3\right)$

(c.)权值计算及检验：

I.计算判断矩阵的每一行元素乘积M_i，

其中a_i，j为第i行、第j列的元素且i＝1，2....n；

II.计算M_i的n次方根

III.对

进行归一化，其中

则w_i为各元素的相对权重值，其中i＝1，2....n；

IV.进行一致性检验，M及Q的四个典型因素所对应权重的排序权向量分别对应于不同应用的权值W_α、W_β、W_B、W_D、W_J、W_L，将用于目标网络选择过程；

(d.)权值合成：

根据相对的重要性构成了两组判断矩阵，第一组：包括费用和QoS；第二组：包括带宽、时延、抖动和丢包率，最后一步，所有决定因素的全局的权值通过计算各个层的本地权值后，再经过计算其相应乘积即可获得，目标函数中全部因素的绝对权值为：

w＝{w₁，w₂，w₃，w₄，w₅}

 ＝{w_αw_B，w_αw_D，w_αw_J，w_αw_L，w_β}  (4)

基于上述因素，为每个多接入选择用户在每个备选接入定义目标代价函数为：

CF_m＝w₁F_B+w₂F_D+w₃F_J+w₄F_L+w₅F_β       (5)

其中w_i为多接入选择中不同因素的权重，表示其对于目标代价的重要程度；

(e.)参数选择及归一化：

I.费用：

将费用因素定义为：

$F_{\mathrm{\β}}=\frac{C_i-C_{\mathrm{MIN}}}{C_{\mathrm{MAX}}-C_{\mathrm{MIN}}}---\left(6\right)$

其中，C_i为第i个网络的单位费用，而C_MAX和C_MIN分别代表L个接入点所包含的网络中的最高和最低的单位费用，

$C_{\mathrm{MAX}}=\underset{i=1......L}{\max \left\{C_i\right\}}$ $C_{\mathrm{MIN}}=\underset{i=1......L}{\min \left\{C_i\right\}}---\left(7\right)$

II.QoS：

对带宽、时延、抖动和丢包率的归一化处理如下：

带宽B：

时延D：

抖动J：

丢包率L：

B_i、D_i、J_i、L_i表示当前网络为用户提供的带宽、时延、抖动和丢包率，假定业务所要求的最大时延限制为D_MAX，而不同系统所能提供最少时延为D_MIN，同理，B_MAX和B_MIN分别代表系统能提供的最大带宽和满足业务需要的最小带宽，J_MAX和J_MIN分别代表该业务能承受的最大抖动和系统所能提供的最小抖动，L_MAX和L_MIN分别代表该业务能承受的最大丢包率和系统所能提供的最小丢包率；

(f.)选择接入网络及执行垂直切换：

通过对每个可选的接入点计算相应的目标代价值，并据此为当前用户选择代价值最小的j网络进行接入，此时有：

j＝argmin{CF_m}    (12)

其中CF_m指接入到无线网络系统m所需付出的总代价。

Images