CN106301927A - 基于车载异构网络的多属性垂直切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于车载异构网络的多属性垂直切换方法，首先为车载终端设置网络服务值和网络比较值；然后运用TCP/IP协议数据包传输技术采集当前服务网络和候选网络的网络属性参数值，经标准化处理后生成多属性判决矩阵；利用层次分析法对各属性设置权重并使用多属性距离加权比值计算得出当前服务网络和候选网络的网络性能值；最后判断当前服务网络优先级，第一优先级网络选择服务触发方法，次优先级网络选择性能触发方法，并更新网络比较值，实现最优网络切换。本发明解决现有车载异构网络系统垂直切换过程丢包和时延严重的问题，提供车辆在高速移动情况下能够准确快速地选择合适的网络并且进行网络切换的方法。

Description

基于车载异构网络的多属性垂直切换方法

技术领域

本发明涉及的一种无线融合网络技术领域的方法，具体是一种基于车载异构网络的多属性垂直切换方法。

背景技术

智能交通系统(Intelligent Transportation Systems,ITS)是一种具有实时、高效、准确性的新型交通运输系统。在交通系统中，通信是进行服务的基础。而目前无线通信系统的发展促使了多种接入技术的同时存在，相互交叠覆盖组成异构网络。异构无线环境可以满足交通系统中用户通信的需求，使移动终端无论何时、何地都可与网络进行连接，获取各种服务。在异构网络中，垂直切换技术是解决移动终端跨越多种网络进行通信的基础与关键。

车联网是物联网在ITS领域的延伸。车联网使得车辆以及道路设施都可作为交通信息的来源，车联网中车辆节点可以互相通信，也可以通过接入道路设施来获取道路交通状况、安全警告、行车路径等信息，主要是基于802.11p进行通信，即所处网络主要为WAVE网络。车辆节点具有高速移动性，单一的接入网络具有覆盖范围有限，无法时刻提供服务以及满足人们对不同业务服务的需求。目前无线通信系统的发展促使了多种接入技术的同时存在，相互交叠覆盖组成异构网络。为了能够时刻获取当前道路信息并且满足服务质量(Quality of Service，QoS)需求，利用异构网络发挥每个网络的优势以及弥补彼此间的不足来满足通信与服务的需求是非常必要的。

异构网络垂直切换技术使移动终端能够跨越不同的接入网络，从一个网络接入点切换连接到另一个网络接入点。保证会话的连续性以及信息的完整性，使得车辆在移动过程中，能够及时获取信息并对当前交通状况做出准确的判断，缓解道路交通拥堵、减少交通事故发生。

发明内容

本发明针对现有车载异构网络垂直切换方法时延大，丢包严重的现象，提供了基于车载异构网络的多属性垂直切换方法，车载终端根据自身网络状态进行切换的触发，网络的选择以及切换的执行，以保证数据传输的连续性和信息的完整性。

本发明的目的至少通过以下技术方案之一实现。

基于车载异构网络的多属性垂直切换方法，其包括如下步骤：

步骤一，为车载终端设置网络服务值和网络比较值；

所述的网络服务值就是指移动终端收到的第一优先级别网络的信噪比低于该值时触发切换,即不能满足服务要求时触发切换；

所述的网络比较值就是指移动终端得到的次优先级网络的网络性能值低于该值时触发切换，即网络性能劣于其他网络时触发切换。

步骤二，运用TCP/IP协议数据包传输技术采集当前服务网络和候选网络的网络属性参数值，经标准化处理后生成多属性判决矩阵；

所述的TCP/IP协议数据包传输技术是创建socket数据包，把网络属性信息放置在包头，使用服务器--客户端方式进行传送；

所述的网络属性为网络的信噪比、数据传输速率、理论丢包率、时延和网络费用；

所述的标准化处理就是对判决属性集合P＝{p₁,p₂,p₃,p₄,p₅}中的属性参数值进行处理，其中，多属性矩阵定义如下：

其中，s_ij代表第i个候选网络的第j个属性值，n是候选网络的个数；

对于受益属性，如信噪比和数据传输速率，值越大越好，标准化具体是：

$a_{ij}=\frac{s_{ij}-min\left\{s_{ij}\right|(1\≤i\≤n)\}}{max\left\{s_{ij}\right|(1\≤i\≤n)\}-\min \{s_{ij}\left|(1\≤i\≤n)\right\}}$

对于代价属性，如时延，丢包率，费用，值越小越好，标准化具体是：

$a_{ij}=\frac{max\left\{s_{ij}\right|(1\≤i\≤n)\}-s_{ij}}{max\left\{s_{ij}\right|(1\≤i\≤n)\}-min\{s_{ij}\left|(1\≤i\≤n)\right\}}$

经过标准化之后的判决矩阵A如下：

其中，a_ij表示标准化后第i个网络，第j个属性的标准化值，n是网络个数。

步骤三，利用层次分析法对各属性设置权重并使用属性距离加权比值计算得出当前服务网络和候选网络的网络性能值；

所述的层次分析法是采用特征根法EW＝λ_maxW迭代计算权重，其中，E＝[e_ij]_5×5是通过对网络属性两两之间重要性比较得到的，λ_max是矩阵E的最大特征根，W＝[w_j]_1×5是相应的特征向量，经归一化处理后得到权重序列W′＝[w_j]_1×5；

所述的重要性比较是指：根据1～9标度法对网络属性进行重要程度赋值，记为e_ij，表示属性i对于属性j的重要性；

所述的归一化处理是指：

所述的网络性能值是指：使用表达式计算得出的综合值，其中是指距离最劣属性值的最大距离：i∈n， 是指距离最优属性值的最小距离：i∈n，

所述的属性距离加权比值是指：利用上述Net表达式对网络性能值进行计算。

步骤四，判断当前服务网络优先级，第一优先级网络选择服务触发方法，次优先级网络选择性能触发方法，并更新网络比较值，实现最优网络切换；

所述的优先级是指：为异构环境中的网络设置优先级别，以WAVE网络作为第一优先级，其他网络(如LTE网络，3G网络，Wimax网络等)为次优先级；

所述的服务触发方法是指：当前服务网络属于第一优先级别，比较信噪比值与网络服务值：当信噪比大于网络服务值，则保留当前服务网络并返回步骤二；否则触发切换，先判断候选网络中是否有其它WAVE网络且信噪比大于网络服务值，是则水平切换到新的WAVE网络；否则比较网络性能值，选择最优网络进行接入；

所述的性能触发方法是指：当前服务网络属于次优先级别，比较网络性能值与网络比较值：当网络性能值大于网络比较值，则保留当前服务网络并返回步骤二；否则触发切换，先判断候选网络中是否有WAVE网络且信噪比大于网络服务值，是则切换到WAVE网络；否则比较网络性能值，选择最优网络进行接入；

所述的更新是指：把网络比较值设置成当前服务网络的网络性能值；

所述的最优网络是指：利用Net表达式计算得出的具有最大网络性能值的网络。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：采用多属性距离加权比值进行网络质量评价，能够准确地判断当前网络的服务能力以及准确地选择最优网络；根据网络优先级选择不同的切换流程，能够适应车载网络系统，准确地进行切换的触发与执行，降低丢包率与时延。

附图说明

图1为实例中基于车载异构网络的多属性垂直切换方法的流程图。

图2为实例中服务触发流程图。

图3为实例中的性能触发流程图。

图4为实例中的异构网络结构图。

图5为实例中的车辆运动模型图。

图6为实例与现有垂直切换方法的丢包率比较图。

图7为实例中与现有垂直切换方法的时延比较图。

具体实施方式

下面对本发明的实施实例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例中，两种异构网络为WAVE和LTE，设置3个WAVE网络基站，1个LTE网络基站，异构网络结构如图4所示。默认初始接入网络为WAVE1网，车辆终端以不同速度v沿着道路直线匀速行驶，运动模型如图5所示。分别使用本发明所述方法与现有的垂直切换方法对车载终端进行切换控制，最终得到图6和图7所示的丢包率和时延的对比图。

如图1所示，本实施例包括如下步骤：

步骤一，为车载终端设置网络服务值VHS，网络比较值VHF。在本实例中，移动终端收到的WAVE网络的网络服务值VHS＝16，网络比较值初始设置为VHF＝0。

步骤二，运用TCP/IP协议数据包传输技术采集当前服务网络和候选网络的网络属性参数值，经标准化处理后生成多属性判决矩阵。

采集当前服务网络和候选网络的网络属性参数值，运用TCP/IP协议，创建socket数据包，使用服务器--客户端方式进行数据包传送。

对信噪比的获取，具体是通过物理层获取，并向上传输到应用层。

对数据传输速率的获取，具体是通过公式brt＝bw×log2(1+snr)计算获取，其中，bw是对应网络带宽，snr是信噪比。

丢包率、时延和网络费用的获取，具体是在socket数据包的包头进行设置，通过对数据包进行拆包获得参数值。

对上面所得的WAVE网络和LTE网络的信噪比、数据传输速率、理论丢包率、时延和网络费用进行标准化处理，具体方法为：

对于WAVE网络而言：

$\begin{array}{c}{a}_{WAVE\_snr}=\frac{s_{WAVE\_snr}}{150},a_{WAVE\_brt}=\frac{s_{WAVE\_brt}}{100},a_{WAVE\_drop}=\frac{0.1-s_{WAVE\_drop}}{0.1},a_{WAVE\_delay}=\\ \frac{3500-s_{WAVE\_delay}}{3500},a_{WAVE\_\cos t}=\frac{2-s_{WAVE\_\cos t}}{2}.\end{array}$

对于LTE网络而言：

$\begin{array}{c}{a}_{LTE\_snr}=\frac{s_{LTE\_snr}}{150},a_{LTE\_brt}=\frac{s_{LTE\_brt}}{100},a_{LTE\_drop}=\frac{0.1-s_{LTE\_drop}}{0.1},a_{LTE\_delay}=\frac{3500-s_{LTE\_delay}}{3500},\\ a_{LTE\_\cos t}=\frac{2-s_{LTE\_\cos t}}{2}.\end{array}$

用上式所得的标准化属性值得到标准化判决矩阵

步骤三，利用层次分析法对各属性设置权重并使用属性距离加权比值计算得出当前服务网络和候选网络的网络性能值。

表1

根据1～9标度法设置实施例中的网络属性偏好矩阵E如表1所示，采用特征根法EW＝λ_maxW迭代计算权重。W＝[w_j]_1×5经归一化后处理后得到权重序列W′＝[w_j′]_1×5，其中，

对所得结果进行一致性检验：计算一致性比例：本实例中考虑5个网络属性，所以查找表2，R.I.＝1.12。当C.R.＜0.1时，认为矩阵E可以接收。

表2

计算WAVE网络和LTE网络的网络性能值，具体地：

对WAVE网络：

${\mathrm{Net}}_{WAVE}=max\left(\frac{D_i^{-}}{D_i^{+}+D_i^{-}}\right)$

其中，i∈n， i∈n，

对LTE网络：

${\mathrm{Net}}_{LTE}=max\left(\frac{D_i^{-}}{D_i^{+}+D_i^{-}}\right)$

其中，i∈n， i∈n，

步骤四，判断当前服务网络优先级，第一优先级网络选择服务触发方法，次优先级网络选择性能触发方法，并更新网络比较值，实现最优网络切换。

当前服务网络为WAVE1网时，为第一优先级网络，如图2所示，比较信噪比值与网络服务值VHS：如果s_{WAVE1_snr}＞VHS，则保留WAVE1网络并返回步骤二；否则触发切换，如果s_{WAVE2_snr}＞VHS或s_{WAVE3_snr}＞VHS，则切换到新的WAVE网络，更新VHF为Net_WAVE2或Net_WAVE3；否则比较Net_LTE和Net_WAVE1,Net_WAVE2,Net_WAVE3，选择具有最大网络性能值的网络进行接入，更新VHF为max{Net_LTE,Net_WAVE1,Net_WAVE2,Net_WAVE3}。

当前服务网络为LTE网络时，为次优先级网络，如图3所示，计算当前网络性能值Net_LTE，比较网络性能值与网络比较值VHF：如果Net_LTE＞VHF，则保留当前服务网络并返回步骤二；否则触发切换，如果s_{WAVE1_snr}＞VHS或s_{WAVE2_snr}＞VHS或s_{WAVE3_snr}＞VHS，则切换到WAVE网络，更新VHF为Net_WAVE1或Net_WAVE2或Net_WAVE3；否则比较Net_LTE和Net_WAVE1,Net_WAVE2,Net_WAVE3，选择具有最大网络性能值的网络进行接入，更新VHF为max{Net_LTE,Net_WAVE1,Net_WAVE2,Net_WAVE3}。

实验参数设置如表3所示，按照以上步骤得到的实验结果如图6、图7所示。

表3

图6所示的是在2000*30的道路上，20个车辆节点以v＝5～35m/s在两种网络间的运动所得到的数据包丢包率。由图6可以看出，相比于传统的垂直切换方法，本发明所使用的垂直切换方法能有效地降低数据包传送过程由于切换引起的丢包率，提高车载切换性能。

图7所示的是在2000*30的道路上，20个车辆节点以v＝5～35m/s在两种网络间的运动所得到的数据传输时延。由图7可以看出，相比于传统的垂直切换方法，本发明所使用的垂直切换方法能有效地降低数据包传输过程所需要的时间，提高车载切换性能。

Claims (10)

1.基于车载异构网络的多属性垂直切换方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤一，为车载终端设置网络服务值和网络比较值；

步骤二，运用TCP/IP协议数据包传输技术采集当前服务网络和候选网络的网络属性参数值，经标准化处理后生成多属性判决矩阵；

步骤三，利用层次分析法对各属性设置权重并使用属性距离加权比值计算得出当前服务网络和候选网络的网络性能值；

步骤四，判断当前服务网络优先级，第一优先级网络选择服务触发方法，次优先级网络选择性能触发方法，并更新网络比较值，实现最优网络切换。

2.根据权利要求1所述的基于车载异构网络的多属性垂直切换方法，其特征是，所述的网络服务值是指移动终端收到的第一优先级别网络的信噪比低于该值时触发切换,即不能满足服务要求时触发切换；所述的网络比较值是指移动终端得到的次优先级网络的网络性能值低于该值时触发切换，即网络性能劣于其他网络时触发切换。

3.根据权利要求1所述的基于车载异构网络的多属性垂直切换方法，其特征是，所述的TCP/IP协议数据包传输技术是指创建socket数据包，把网络属性信息放置在包头，使用服务器与客户端方式进行传送。

4.根据权利要求1所述的基于车载异构网络的多属性垂直切换方法，其特征是，所述的网络属性为网络的信噪比、数据传输速率、理论丢包率、时延和网络费用共五个属性；所述的标准化处理是对判决属性集合P＝{p₁,p₂,p₃,p₄,p₅}中的属性参数值进行处理，其中，多属性矩阵定义如下：

其中，s_ij代表第i个候选网络的第j个属性值，i＝1～n，j＝1～5，n是候选网络的个数；

对于受益属性：信噪比和数据传输速率，值越大越好，标准化为：

$a_{ij}=\frac{s_{ij}-min\left\{s_{ij}\right|(1\≤i\≤n)\}}{max\left\{s_{ij}\right|(1\≤i\≤n)\}-\min \{s_{ij}\left|(1\≤i\≤n)\right\}}$

对于代价属性：丢包率和费用，值越小越好，标准化为：

$a_{ij}=\frac{max\left\{s_{ij}\right|(1\≤i\≤n)\}-s_{ij}}{max\left\{s_{ij}\right|(1\≤i\≤n)\}-min\{s_{ij}\left|(1\≤i\≤n)\right\}}$

经过标准化之后的判决矩阵A如下：

其中，a_ij表示标准化后第i个网络，第j个属性的标准化值，n是网络个数。

5.根据权利要求1所述的基于车载异构网络的多属性垂直切换方法，其特征是，所述的层次分析法是采用特征根法EW＝λ_maxW迭代计算权重，其中，E＝[e_ij]_5×5是通过对网络属性两两之间重要性比较得到的，λ_max是矩阵E的最大特征根，W＝[w_j]_1×5是相应的特征向量，经归一化处理后得到权重序列W′＝[w_j]_1×5。

6.根据权利要求5所述的基于车载异构网络的多属性垂直切换方法，其特征是，所述的重要性比较是指：根据1～9标度法对网络属性进行重要程度赋值，记为e_ij，表示属性i对于属性j的重要性；所述的归一化处理是指：

7.根据权利要求1或2所述的基于车载异构网络的多属性垂直切换方法，其特征是，所述的网络性能值是指：使用表达式计算得出的综合值，其中是指距离最劣属性值的最大距离： 是指距离最优属性值的最小距离： 所述的属性距离加权比值是指：利用上述Net表达式对网络性能值进行计算。

8.根据权利要求1或2所述的基于车载异构网络的多属性垂直切换方法，其特征是，所述的优先级是指：为异构环境中的网络设置优先级别，以WAVE网络作为第一优先级，其他网络为次优先级；所述其他网络为LTE网络、3G网络或Wimax网络。

9.根据权利要求1所述的基于车载异构网络的多属性垂直切换方法，其特征是，所述的服务触发方法是指：当前服务网络属于第一优先级别，比较信噪比值与网络服务值：当信噪比大于网络服务值，则保留当前服务网络并返回步骤二；否则触发切换，先判断候选网络中是否有其它WAVE网络且信噪比大于网络服务值，是则水平切换到新的WAVE网络；否则比较网络性能值，选择最优网络进行接入；

所述的性能触发方法是指：当前服务网络属于次优先级别，比较网络性能值与网络比较值：当网络性能值大于网络比较值，则保留当前服务网络并返回步骤二；否则触发切换，先判断候选网络中是否有WAVE网络且信噪比大于网络服务值，是则切换到WAVE网络；否则比较网络性能值，选择最优网络进行接入。

10.根据权利要求1所述的基于车载异构网络的多属性垂直切换方法，其特征是，所述的更新网络比较值是指：把网络比较值设置成当前服务网络的网络性能值；所述的最优网络是指：利用Net表达式计算得出的具有最大网络性能值的网络。