CN109219071A - 异构无线网络中基于业务分级的垂直切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种异构无线网络中基于业务分级的垂直切换方法。对人流量密集地区，大量用户可能同时切换到同一网络，导致网络阻塞和性能下降问题，首先，根据用户的业务类型将用户分级，并动态调整优先级，每次选取高优先级的用户切换；然后，在切换判决阶段，根据不同类型的业务对服务质量(QOS)参数的不同需求，利用层次分析法分别构造不同的判决矩阵，采用效用函数决策选网。实验结果表明该方法降低了阻塞率和掉话率，提高了网络总吞吐量，并能为用户选择适合其业务类型的网络。

Description

异构无线网络中基于业务分级的垂直切换方法

技术领域

本发明属于异构无线网络中的垂直切换方法，属于移动通信领域。特别是涉及一种基于用户动态优先级进行垂直切换的方法。

背景技术

在异构无线网络中，终端的连接从一种网络转换到另一种网络时发生的切换称为垂直切换。垂直切换技术是异构无线网络中移动性管理的关键技术之一，直接关系到用户的服务质量。目前大多数针对垂直切换方法的研究多侧重考虑网络系统性能最佳，对用户考虑欠佳，针对用户密集接入导致的性能降低研究不足。基于效用函数的垂直切换方法有计算复杂度低、综合性能佳的优点，近年来不少研究者将效用函数运用到了垂直切换方法中。

文献[LAHBY M and SEKKAKI A.Optimal Vertical Handover based on TOPSISalgorithm and Utility function In Heterogeneous Wireless Networks[C].International Symposium on Networks,Computers and Communications(ISNCC),Marrakech,Morocco,2017:1-6]提出了一种TOPSIS和效用函数相结合的混合算法，首先使用TOPSIS计算出每个候选网络的性能，然后再运用效用函数来选择出用户满意度最好的接入网络。该算法充分考虑了用户偏好和网络性能，但在切换时没有考虑用户的业务类型。文献[GOYAL R K and KAUSHAL S.Effect of utility based functions on fuzzy-AHPbased network selection in heterogenous wireless networks[C].InternationalConference on Recent Advances in Engineering&Computational Sciences,Chandigarh,India,2016:1-5]采用了基于效用函数的模糊层次分析法，考虑了用户偏好、网络条件和能耗等因素，通过计算各候选网络的效用值来选择最佳网络。但是，该文的研究对象只是实时业务，而没有考虑其它类型的业务。文献[CHEN Y H,YANG N Y,CHANG C J,etal.A utility function-based access selection method for heterogeneous WCDMand WLAN networks[C].IEEE International Symposium on Personal,Indoor andMobile Radio Communications,Athens,Greece,2007:1-5]提出了一种基于QoS的垂直切换算法，采用效用函数来确定最佳的网络接入。效用函数考虑了系统QoS要求，移动终端的移动性和小区负载均衡等参数，切换决策时根据效用函数值来选择综合性能最好的网络接入。但是，在判决阶段构造了统一的判决矩阵，没有针对用户的不同业务分别构造不同的判决矩阵。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种有效降低了阻塞率和掉话率、有效提高网络总吞吐量、并能为用户选择适合其业务类型的网络的异构无线网络中基于业务分级的垂直切换方法。本发明的技术方案如下：

一种异构无线网络中基于业务分级的垂直切换方法，其包括以下步骤：

101、首先，将用户分为实时业务用户和非实时业务用户两类，根据用户的业务类型将用户分级，在每个时隙动态更新两种业务类型用户的优先级，选取高优先级的用户切换；

102、在网络发现阶段，移动终端周期性搜索当前可用的无线网络，移动终端的网络接口被周期性激活，接收由不同网络广播的服务通告，以此获得候选网络。获取候选网络的判决参数，对其进行归一化处理；

103、根据切换用户的业务类型来构造相应的判决矩阵，求得各个判决参数的权重值；

104、根据步骤102的归一化参数和步骤103的权重值，采用效用函数计算各候选网络的效用值，选取效用值最大的网络作为最佳目标网络。

进一步的，所述步骤101中动态更新两种业务类型用户优先级具体包括步骤：

根据不同业务的时延要求，分别为实时业务用户和非实时业务用户设置初始的优先级θ_r、θ_n，且θ_r＞θ_n，在实时业务用户优先切换的同时，为了保证部分非实时业务用户适时得到切换，应让优先级根据用户的等待时间动态更新，动态更新优先级为：

Δt＝t-t_arrive(1)

k＝θ_r-θ_n(2)

Δt表示实时业务用户在t时隙的等待时隙，其值为当前时隙t减去用户的到达时隙t_arrive，k为优先级增量，θ_r表示实时业务用户的初始优先级，P_r表示实时业务用户在t时隙的优先级，n为实时业务用户能够容忍的最大等待时隙，P_r随着Δt的增加而变大，P_r越大，表示优先级越高，当P_r等于θ_r+k时，用户的服务质量很好，P_r等于θ_r+2k时，用户能保持正常的服务质量，P_r等于θ_r+3k时，服务质量下降，P_r等于θ_r+4k时，服务质量很差；

Δt′表示非实时业务用户的等待时隙，θ_n表示非实时业务用户的初始优先级，P_n为非实时业务用户在t时隙的优先级，非实时业务用户能够容忍的最大等待时隙为8n，当非实时业务用户的Δt大于5n时，用户的服务质量下降，P_n可以更新为θ_n+3/2k，此时P_n大于θ_r，了避免影响实时业务的服务质量，P_n最大可以更新为θ_n+5/2k，此时P_nθ_r+k＜P_n＜θ_r+2k，的动态更新可以确保部分等待时间过久的非实时业务用户获得较高的优先级，从而得到切换；

在每个时隙，根据两种业务类型队列中队首用户的Δt，更新优先级P_r、P_n，进行比较，当P_r≥P_n时，优先切换实时业务用户，否则切换非实时业务用户。

进一步的，所述步骤102的判决参数包括两类：效益型参数和成本型参数，其中，效益型参数包括带宽；成本型参数包括时延、抖动及丢包率。

进一步的，所述步骤102中效益型参数和成本型参数的归一化方法分别为：

效益型参数：

成本型参数：

为候选网络i关于参数j的实际值，min(x^j)为参数j中的最小值，max(x^j)为参数j中的最大值，表示参数j归一化后的值，其取值范围在0到1之间。

进一步的，所述步骤103根据切换用户的业务类型来构造相应的判决矩阵，求得各个判决参数的权重值，具体包括：

采用AHP层次分析法中的1-9标度法，分别构造两个不同的判决矩阵如下所示：

式(7)C_r为实时业务的判决矩阵，式(8)C_nr为非实时业务的判决矩阵，a₁、a₂、a₃、a₄分别表示判决参数时延、抖动、带宽、丢包率，接下来使用特征根法计算出判决矩阵C所对应的特征向量和最大特征根。

CQ＝λQ (1)

其中，λ为判决矩阵C的最大特征根，Q是相对应的特征向量，对Q＝(q₁,q₂,…,q_n)^T采用式(10)归一化后即可得到权重w_j；q_n表示特征根，

进一步的，所述步骤104根据归一化参数和权重值，采用效用函数计算各候选网络的效用值，选取效用值最大的网络作为最佳目标网络，具体包括：

所述步骤104中构造效用函数的方式如下：

其中，U_i为候选网络i的效用值。

进一步的，所述异构无线网络模型由LTE和WLAN两种技术的网络重叠覆盖组成，假设在仿真区域内用户的到达服从泊松分布，在该仿真中把用户的业务类型分为两种：实时业务、非实时业务，而用户的业务是随机产生的，其中用随机数1代表实时业务，0代表非实时业务。

本发明的优点及有益效果如下：

1.本发明针对人流量密集地区，大量用户可能同时切换到同一网络，导致网络阻塞和性能下降问题。在用户请求切换之前，根据用户的业务类型将用户分为实时业务用户和非实时业务用户两类，并为两种业务类型的用户分别设置不同的优先级，优先级随着用户等待时间动态更新，每次选取高优先级的用户进行切换。通过优先级的动态更新，在保证实时业务用户优先切换的同时，让部分非实时业务用户适时得到了切换，有效降低了阻塞率和掉话率。

2.在切换判决阶段，根据实时业务和非实时业务对QoS参数的不同需求利用层次分析法分别构造不同的判决矩阵，以满足不同类型的业务对QoS参数的个性化需求，采用效用函数决策选网。有效提高网络总吞吐量，并能为用户选择适合其业务类型的网络，满足用户的个性化需求。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例本发明中用户排队切换模型；

图2为异构无线网络场景；

图3为不同方法的阻塞率对比；

图4为不同方法的掉话率对比；

图5为不同方法的系统总吞吐量对比；

图6为实时业务中不同方法的候选网络排名；

图7为非实时业务中不同方法的候选网络排名。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

该方法考虑了用户的业务类型以及不同类型的业务对QoS参数的不同需求，不仅能降低阻塞率和掉话率，提高网络总吞吐量，还能为用户选择适合其业务类型的网络。

一种异构无线网络中基于业务分级的垂直切换方法，其根据用户不同类型的业务对服务质量(QoS)参数的不同需求设计以下垂直切换步骤：

101、首先根据用户的业务类型将用户分级，并动态调整优先级，每次选取高优先级的用户切换；

102、其次获取候选网络的判决参数，对其进行归一化处理。

103、根据切换用户的业务类型来构造相应的判决矩阵，以求得各个判决参数的权重值。

104、根据102和103中的归一化参数和权重值，采用效用函数计算各候选网络的效用值，选取效用值最大的网络作为最佳目标网络。

优选的，在每个时隙动态更新两种业务类型用户的优先级，选取高优先级的用户切换。所述步骤101中动态更新两种业务类型用户优先级具体包括步骤：

根据每个时隙到达用户的业务类型，将用户分为实时业务用户和非实时业务用户两类，根据不同业务的时延要求，分别为实时业务用户和非实时业务用户设置初始的优先级θ_r、θ_n且θ_r＞θ_n。在实时业务用户优先切换的同时，为了保证部分非实时业务用户适时得到切换，应让优先级根据用户的等待时间动态更新，动态更新优先级为：

Δt＝t-t_arrive (1)

k＝θ_r-θ_n (2)

Δt表示实时业务用户在t时隙的等待时隙，其值为当前时隙t减去用户的到达时隙t_arrive，k为优先级增量，n为实时业务用户能够容忍的最大等待时隙。

P_r随着Δt的增加而变大，P_r越大，表示优先级越高。当P_r等于θ_r+k时，用户的服务质量很好，P_r等于θ_r+2k时，用户能保持正常的服务质量，P_r等于θ_r+3k时，服务质量下降，P_r等于θ_r+4k时，服务质量很差。

同理，Δt表示非实时业务用户的等待时隙，P_n为非实时业务用户在t时隙的优先级。非实时业务用户能够容忍的最大等待时隙为8n。当非实时业务用户的Δt大于5n时，用户的服务质量下降，P_n可以更新为θ_n+3/2k，此时P_n大于θ_r。为了避免影响实时业务的服务质量，P_n最大可以更新为θ_n+5/2k，此时θ_r+k＜P_n＜θ_r+2k。P_n的动态更新可以确保部分等待时间过久的非实时业务用户获得较高的优先级，从而得到切换。

在每个时隙，根据两种业务类型队列中队首用户的Δt，更新优先级P_r、P_n，进行比较，当P_r≥P_n时，优先切换实时业务用户，否则切换非实时业务用户。

优选的，所述判决参数可分为两类：效益型参数和成本型参数。其中，效益型参数包括带宽；成本型参数包括时延，抖动，丢包率。所述步骤101中两类参数的归一化方法分别为：

效益型参数：

成本型参数：

为候选网络i关于参数j的实际值，min(x^j)为参数j中的最小值，max(x^j)为参数j中的最大值。表示参数j归一化后的值，其取值范围在0到1之间。

优选的，根据现有文献的经验，同时结合本研究终端对QoS参数的不同需求，采用AHP中的1-9标度法，分别构造两个不同的判决矩阵如下所示：

式(7)为实时业务的判决矩阵，式(8)为非实时业务的判决矩阵。a₁、a₂、a₃、a₄分别表示判决参数时延、抖动、带宽、丢包率。接下来使用特征根法计算出判决矩阵C所对应的特征向量和最大特征根。

CQ＝λQ (2)

其中，λ为判决矩阵C的最大特征根，Q是相对应的特征向量。对Q＝(q₁,q₂,…,q_n)^T采用式(10)归一化后即可得到权重w_j。

优选的，所述异构无线网络模型由LTE和WLAN两种技术的网络重叠覆盖组成。假设在仿真区域内用户的到达服从泊松分布，在该仿真中把用户的业务类型分为两种：实时业务、非实时业务，而用户的业务是随机产生的，其中用随机数1代表实时业务，0代表非实时业务。

优选的，所述步骤104中构造效用函数的方式如下：

其中，U_i为候选网络i的效用值。

为了对本发明进行验证，我们在MATLAB平台上进行仿真实验，并设置如下仿真场景：场景内分布1个LTE和3个WLAN，如图2所示。设置LTE的半径为800m，WLAN的半径为120m。假设在仿真区域内用户的到达服从泊松分布，在该仿真中把用户的业务类型分为两种：实时业务、非实时业务，而用户的业务是随机产生的，其中用随机数1代表实时业务，0代表非实时业务。

为了进一步突出本发明的优越性，并将本发明所提方法与TOPSIS方法、采用层次分析法和简单加权法的垂直切换判决方法(Vertical Handoff Decision AlgorithmUsing Analytic Hierarchy Modeling and Simple Additive Weighting in anIntegrated WLAN/WiMAX/UMTS Environment,AHP-SAW)进行对比。

仿真中网络参数设置如表1所示：

表1

图3为三种方法的网络阻塞率随用户到达率的变化曲线图。可以看出，刚开始时，用户到达率较小，网络资源充足，能够满足用户的需求，因此阻塞率几乎为0。随着用户到达率的不断增加，阻塞率逐渐成上升趋势。但是在相同到达率的情况下，本方法的阻塞率低于AHP-SAW、TOPSIS，这是因为本方法在用户请求切换时，对用户按业务类型进行了分类，并针对不同业务类型的用户构造了不同的判决矩阵，而避免了大量的用户同时切换到同一个网络造成的网络拥塞，从而降低了网络的阻塞率。

图4为三种方法的掉话率随用户到达率的变化曲线。可以看出，当用户的到达率在1到3之间时，三种方法的掉话率接近于0。当用户到达率大于3时，AHP-SAW和TOPSIS的掉话率增长明显，但本文方法的掉话率在到达率大于5时才开始缓慢增加。与其它两种方法相比，本文的掉话率始终是最低的，这是在选网时充分考虑了业务的特点，构造了不同判决矩阵的结果，使用户可以快速的向满足其QoS需求的目标网络切换，降低了掉话率。

图5为三种方法的网络总吞吐量和用户到达率之间的曲线图。从图中可以看出，当用户的到达率从1增加到4时，三种方法的总吞吐量相近，且随着到达率的增加而急剧增加。当到达率大于5时，吞吐量增长缓慢。然而，本文方法的吞吐量却高于其它两种算法，这是由于本文在用户选网时对其进行了业务分级，并且满足了不同业务对QoS参数的个性化需求，能使不同业务类型的用户得到较好的服务。

图6和图7表示的是实时业务用户和非实时业务用户的选网情况。由图6可知，本方法选取LTE作为实时用户的最佳目标网络，而AHP-SAW和TOPSIS则分别选取WLAN2和WLAN1为最佳目标网络。由上述参数需求分析可知，LTE的时延和抖动较小，将其作为最佳目标网络能够满足实时业务的QoS需求。图7可以看出，本文方法中WLAN3为非实时业务用户的最佳目标网络，TOPSIS也选取了WLAN3为最佳目标网络，而AHP-SAW则选择了WLAN1。由上述参数需求分析可知，虽然WLAN3的时延较大，但相比于其他网络来说，丢包率较小，因此把它作为非实时业务用户的最佳目标网络是合理的。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种异构无线网络中基于业务分级的垂直切换方法，其特征在于，包括以下步骤：

101、首先，将用户分为实时业务用户和非实时业务用户两类，根据用户的业务类型将用户分级，在每个时隙动态更新两种业务类型用户的优先级，选取高优先级的用户切换；

102、在网络发现阶段，移动终端周期性搜索当前可用的无线网络，移动终端的网络接口被周期性激活，接收由不同网络广播的服务通告，以此获得候选网络，获取候选网络的判决参数，对其进行归一化处理；

103、根据切换用户的业务类型，利用层次分析法分别构造不同的判决矩阵，求得各个判决参数的权重值；

104、根据步骤102的归一化参数和步骤103的权重值，采用效用函数计算各候选网络的效用值，选取效用值最大的网络作为最佳目标网络。

2.根据权利要求1所述的异构无线网络中基于业务分级的垂直切换方法，其特征在于，所述步骤101中动态更新两种业务类型用户优先级具体包括步骤：

根据不同业务的时延要求，分别为实时业务用户和非实时业务用户设置初始的优先级θ_r、θ_n，且θ_r＞θ_n，在实时业务用户优先切换的同时，为了保证部分非实时业务用户适时得到切换，应让优先级根据用户的等待时间动态更新，动态更新优先级为：

Δt＝t-t_arrive (1)

k＝θ_r-θ_n (2)

Δt表示实时业务用户在t时隙的等待时隙，其值为当前时隙t减去用户的到达时隙t_arrive，k为优先级增量，θ_r表示实时业务用户的初始优先级，P_r表示实时业务用户在t时隙的优先级，n为实时业务用户能够容忍的最大等待时隙，P_r随着Δt的增加而变大，P_r越大，表示优先级越高，当P_r等于θ_r+k时，用户的服务质量很好，P_r等于θ_r+2k时，用户能保持正常的服务质量，P_r等于θ_r+3k时，服务质量下降，P_r等于θ_r+4k时，服务质量很差；

Δt′表示非实时业务用户的等待时隙，θ_n表示非实时业务用户的初始优先级，P_n为非实时业务用户在t时隙的优先级，非实时业务用户能够容忍的最大等待时隙为8n，当非实时业务用户的Δt大于5n时，用户的服务质量下降，P_n可以更新为θ_n+3/2k，此时P_n大于θ_r，了避免影响实时业务的服务质量，P_n最大可以更新为θ_n+5/2k，此时P_nθ_r+k＜P_n＜θ_r+2k，的动态更新可以确保部分等待时间过久的非实时业务用户获得较高的优先级，从而得到切换；

在每个时隙，根据两种业务类型队列中队首用户的Δt，更新优先级P_r、P_n，进行比较，当P_r≥P_n时，优先切换实时业务用户，否则切换非实时业务用户。

3.根据权利要求1所述的异构无线网络中基于业务分级的垂直切换方法，其特征在于，所述步骤102的判决参数包括两类：效益型参数和成本型参数，其中，效益型参数包括带宽；成本型参数包括时延、抖动及丢包率。

4.根据权利要求3所述的异构无线网络中基于业务分级的垂直切换方法，其特征在于，所述步骤102中效益型参数和成本型参数的归一化方法分别为：

效益型参数：

成本型参数：

为候选网络i关于参数j的实际值，min(x^j)为参数j中的最小值，max(x^j)为参数j中的最大值，表示参数j归一化后的值，其取值范围在0到1之间。

5.根据权利要求4所述的异构无线网络中基于业务分级的垂直切换方法，其特征在于，所述步骤103根据切换用户的业务类型，利用层次分析法来构造相应的判决矩阵，求得各个判决参数的权重值，具体包括：

采用AHP层次分析法中的1-9标度法，分别构造两个不同的判决矩阵如下所示：

式(7)C_r为实时业务的判决矩阵，式(8)C_nr为非实时业务的判决矩阵，a₁、a₂、a₃、a₄分别表示判决参数时延、抖动、带宽、丢包率，接下来使用特征根法计算出判决矩阵C所对应的特征向量和最大特征根。

CQ＝λQ (1)

其中，λ为判决矩阵C的最大特征根，Q是相对应的特征向量，对Q＝(q₁,q₂,…,q_n)^T采用式(10)归一化后即可得到权重w_j；q_n表示特征根，

6.根据权利要求5所述的异构无线网络中基于业务分级的垂直切换方法，其特征在于，所述步骤104根据归一化参数和权重值，采用效用函数计算各候选网络的效用值，选取效用值最大的网络作为最佳目标网络，具体包括：

所述步骤104中构造效用函数的方式如下：

其中，U_i为候选网络i的效用值。

7.根据权利要求1-6之一所述的异构无线网络中基于业务分级的垂直切换方法，其特征在于，所述异构无线网络模型由LTE和WLAN两种技术的网络重叠覆盖组成，假设在仿真区域内用户的到达服从泊松分布，在该仿真中把用户的业务类型分为两种：实时业务、非实时业务，而用户的业务是随机产生的，其中用随机数1代表实时业务，0代表非实时业务。