（通信与信息系统专业论文）基于人工神经网络的多模终端业务流分发.pdf

垫至 啁y 2 0 6 螋燃一 摘要 随着通信的发展，出现了各种各样的网络接入技术，包括2 g ，3 g 和w e a n 等无线网络，这些不同网络的覆盖范围相互重叠，构成了异构网络环境。移动多 模终端如何在异构网络环境中选择最合适的网络进行接入，成为了无线通信领域 迫切需要解决的问题。 本文主要研究了异构无线网络中的集中式接入选择算法，并进行了仿真和分 析。接着应用了人工神经网络进行业务接入选择，使用人工神经网络的优点是不 用计算网络参数权重，神经网络训练完成后，只要将网络参数输入到神经网络中， 输出结果即为最佳接入网络，相比传统的方法计算更简单，自适应能力更强。本 文中另一个改进点是参数权重的处理，接入选择中相关的参数权重有主观权重和 客观权重，现有的算法都只是使用一种权重，本文使用新的算法将主观和客观两 种权重结合起来，得到新的权重，新权重综合考虑了用户的主观需求和实际网络 的客观条件，仿真表明性能介于使用主观和客观权重之间。 关键词：异构网络集中式接入选择算法人工神经网络组合权重 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o n , as e r i e so fd i f f e r e n tk i n d so fw i r e l e s s a c c e s sn e t w o r k sh a v ee m e r g e d , i n c l u d i n g2 g , 3 ga n dw l a nw i r e l e s sn e t w o r k , t h e c o v e r a g eo ft h e s ed i f f e r e n tn e t w o r k so v e r l a pa n df o r mah e t e r o g e n e o u sn e t w o r k e n v i r o n m e n t h o wt os e l e c tt h em o s ta p p r o p r i a t en e t w o r kt oa c c e s sf o ram u l t i m o d e m o b i l et e r m i n a li nh e t e r o g e n e o u sn e t w o r ke n v i r o n m e n th a sb e c o m ea l lu r g e n tp r o b l e m t ob es o l v e di nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa r e a t h i st h e s i sm a i n l ys t u d i e sc e n t r a l i z e da c c e s ss e l e c t i o na l g o r i t h mi nh e t e r o g e n e o u s w i r e l e s sn e t w o r k , s i m u l a t i o na n da n a l y s i sw e r ed o n et ot h e s ea l g o r i t h m s t h e nt h e a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki su s e dt os o l v et h en e t w o r ks e l e c tp r o b l e m , t h ea d v a n t a g eo f u s i n ga r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki sn o tn e c e s s a r yt oc a l c u l a t et h ew e i g h t so fp a r a m e t e r s ， a f t e rt h en e u r a ln e t w o r kt r a i n i n gi sc o m p l e t e d , t h eb e s ta c c e s sn e t w o r ki so b t a i n e dw h e n t h en e t w o r k p a r a m e t e r sa l ei n p u t t e dt ot h en e u r a ln e t w o r k , t h i si ss i m p l e r , m o r ea d a p t i v e c o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a lm e t h o d a n o t h e ri m p r o v e dm e t h o di nt h i st h e s i si st h e p a r a m e t e rw e i g h t i n gp r o c e s s i n g ，t h e r ea r es u b j e c t i v ep a r a m e t e rw e i g h t sa n do b j e c t i v e p a r a m e t e rw e i g h t si nn e t w o r ks e l e c t i o n , t h ep r e v i o u s l ym e n t i o n e da l g o r i t h m so n l yu s e o n e w e i g h t , b u ti nt h i st h e s i s ，t h es u b j e c t i v ea n do b j e c t i v ew e i g h t sa r ec o m b i n e dt og e ta n e ww e i g h t , w h i c hm e a n st h a tb o t ht h eu s e r s s u b j e c t i v en e e d sa n dt h eo b j e c t i v e c o n d i t i o n so ft h e a c t u a ln e t w o r ka r ee o m i d e r e d , s i m u l a t i o n sr e s u l ts h o w st h a tt h e p e r f o r m a n c eo fu s i n gc o m b i n e dw e i g h ti sb e t w e e nu s i n gs u b j e c t i v ew e i g h ta n d o b j e c t i v ew e i g h t k e y w o r d s ：h e t e r o g e n e o u sn e t w o r kc e n t r a l i z e da c c e s sm e t h o d a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kc o m b i n e dw e i g h t 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文研究背景 随着科学技术的进步以及互联网业务的飞速发展，无线通信网络承载的业务 越来越丰富，已经由传统的语音业务转变为综合了语音、数据、图像、视频的多 媒体业务。特别是在无线网络接入技术方面，由于不同业务的需求不同，产生了 很多不同的网络接入技术。 ( 1 ) 第一代移动通信系统 最早由美国贝尔实验室提出的小区制蜂窝移动通信系统，随后在1 9 7 8 年开发 了a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es e r v i c e ) 系统，这是第一个真正意义上的模拟蜂窝 移动通信系统。a m p s 采用频分复用f d m a ( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 多 址接入技术，由于信号在发送前没有经过数字编码，所以又被称为模拟通信系统。 ( 2 ) 第二代移动通信系统 第二代移动通信系统提供了更大的网络容量，改善了话音质量和保密性，并 为用户提供了无缝的国际漫游。当今世界范围内的第二代数字无线标准包括g s m 、 d a m p s ，p d c ( 日本数字蜂窝系统) 和i s 9 5c d m a 等。现有的移动通信网络主 要以第二代的移动通信标准为主，采用g s m 、g p r s 和c d m a 技术，数据可达 ll5 2 k b i 佻，全球移动通信系统的增强型( e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s me v o l u t i o n , e d g e ) 数据速率可达3 8 4 k b i t s 。 ( 3 ) 第三代移动通信系统 第三代移动通信技术( 3 r d g e n e r a t i o n ，3 g ) ，是指支持高速数据传输的蜂窝移动 通讯技术。3 g 服务能够同时传送声音及多媒体信息，速率一般在几百k b p s 以上。 目前3 g 存在四种标准：c d m a 2 0 0 0 ，w c d m a ，t d s c d m a 和w t m a x 。在室内、 室外和车载的环境中能够分别支持至少2 m b p s ( 兆, 比特每秒) 、3 8 4 k b p s ( 千比特每 秒) 以及1 4 4 k b p s 的传输速度( 此数值根据网络环境会发生变化) ，它能够在全球范 围内更好地实现无线漫游，并处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包 括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。 ( 4 ) 第四代移动通信系统 i t u r 将b 3 g 技术命名为i m t - a d v a n c e d 技术。i m t - a d v a n c e d 技术需要实现 更高的数据率和更大的系统容量，目标峰值速率为：低速移动、热点覆盖场景下 1 g b i t s 以上；高速移动、广域覆盖场景下1 0 0 m b i t s 以上。g g 有望集成不同模式 的无线通信一从无线局域网和蓝牙等室内网络、蜂窝信号、广播电视到卫星通信， 2 基于人工神经网络的多模终端业务流分发 移动用户可以自由地从一个标准漫游到另一个标准。 按照无线网络的覆盖范围来对已有的各种无线接入网络进行分类，大致分为 以下五类： ( 1 ) 卫星通信网络( s a t e l l i t en e t w o r k ) ，例如l e o ( 低轨道系统) 和g e o ( 地球同步 轨道系统) 。这类网络能够提供全球范围内的覆盖，但是其通信价格很高， 传输时延也很大( l e o 的传输时延约为2 0 2 5 m s ，g e o 的传输时延约为 2 5 0 - 2 8 0 m s ) 。 ( 2 ) 无线广域网( w ，例如g s m ，g p r s ，c d m a 2 0 0 0 ，w c d m a 和 t d s c d m a 等蜂窝通信系统。这类网络的覆盖范围比较大，从几百米到 几十公里，支持静止、步行或者车载的移动用户，当用户处于静态状态时 最高数据传输速率为2 m b s ( 3 g 标准) 。 ( 3 ) 无线城域网( w m a n ) 主要用于解决城域网的接入问题，覆盖范围为几千米 到几十千米，除提供固定的无线接入外，还提供具有移动性的接入能力， 最高传输速率达7 0 m b s ，能够支持的移动终端最高移动速度为1 2 0 k m h 。 ( 4 ) 无线局域网( w i ，a ，主要是i e e e 8 0 2 1 1 系列，价格较为低廉，提供的传 输速率从1 1 m b s 到5 4 0 m b i t s ，只能支持低速率速移动的用户，传输距离 从几十米到几百米。 ( 5 ) 无线个域网( w p a n ) 是在个人周围空间形成的无线网络，现通常指覆盖范 围在半径1 0 m 以内的短距离无线网络，尤其是指能在便携式消费者电器 和通信设备之间进行短距离特别连接的自组织网。这些多媒体设备之间的 对等连接要提供2 0 m b s 以上的数据速率以及在确保的带宽内提供一定的 服务质量。 这些网络的覆盖范围如图1 1 所示。 2 0 世纪8 0 年代，随着第二代移动通信系统g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ) 在全球范围内的部署，出现了永远保持连接( a l w a y sc o n n e c t e d ，a s ) 的概念，由于要实现g s m 用户在不同运营商之间的同类型网络( 特指g s m 网络) 之间的漫游，需要提供一种方法来实现了一个移动终端永远连接到不同运营商的 同一种网络。最近几年发展起来的将g s m 用户连接到口网络的g p r s 技术也有 同样的概念。第三代移动通信技术( 3 r d g e n e r a t i o n , 3 g ) 网络，例如u m t s ( u n i v e r s a l m o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 和c d m a 2 0 0 0 用于增强移动终端的m 网络接 入。在蜂窝网络发展的同时，也出现了其他的一些接入网络，例如w l a n 被部署 在无线接入热点地区，作为蜂窝网的接入补充。 在这样的异构网络( h e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e t w o r k , h w n ) 环境中，永远保持 连接( a l w a y sc o n n e c t e d , 以下简称a 1 3 ) 的概念变成了永远保持最佳连接( a l w a y s b e s tc o n n e c t e d ，以下简称a b c ) ，这就意味着不仅要保持连接，而且还要连接到 第一章绪论 最佳的网络。用户使用合适的移动终端和接入技术接入到最适合自己的网络中， a b c 由于要保证用户在任何地点都能接入到最适合自己的网络中，所以带来了一 定的复杂度，不仅包括技术方面的复杂度，而且包括不同网络运营商之间的利益 和业务关系的协调。 图1 1 异构无线网络覆盖区域图示 针对异构无线网络的情况，早在2 0 0 4 年3 月，i e e e 就成立8 0 2 2 1 工作小组。 8 0 2 2 1 是英特尔主导的无线接口标准，目的是让用户在使用网络时，能跨越多种 异构网络实现无间断的连接，使用户能在w i f i 、2 g 及3 g 网络之间进行无缝切换。 1 2 国内外研究现状 针对异构网络环境，很多手机厂商已经推出了多模手机终端，如诺基亚，三 星，摩托罗拉等公司最新推出的智能手机都已经支持2 g ( g s m8 5 0 9 0 0 1 8 0 0 1 9 0 0 ) ， 3 g ( w c d m a8 5 0 9 0 0 19 0 0 210 0 m h z ) ，g p r s ，e d g e ，h s p a + 和w l a n 网络。国产 手机也表现优异，例如中兴推出的m f 8 8 0 ，支持t d l t e ( 2 3 2 6 g ) f d d ( 2 6 g s 0 0 m ) u m t s ( 9 0 0 2 10 0 m h z ) 等包括3 g 到4 g 的多种接入模式。 在理论研究方面，自从1 9 9 5 年由美国加州大学伯克利分校的b a r w a n ( b a y a r e aw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k ) 计划最早提出并实现了多模移动终端在无线局域网 络以及无线广域网之间垂直切换的方案以来，很多研究者投入到了这一领域。 b a r w a n 计划主要包括以下内容：重叠网络的无缝融合，支持移动应用，管理移 动终端连接以支持对延时敏感的应用，对可伸缩的业务进行负载平衡。 4基于人工神经网络的多模终端业务流分发 现有的关于异构无线网络研究已经有很多。在文献【l 】中，提出了基于i p 的i m t 网络平台的通用结构，并在提出的平台上研究了若干关键技术( 地理位置管理， 路由切换，服务管理) 。文献1 2 1 提出了一个新颖的应用于异构网络的移动通信架构 ( a m c ) ，该架构减少了移动运营商之间使用第三方进行协调的任务，扩展了现有 的异构无线网络基础结构，使用全i p 网络作为互联的协议。文献p j 提出了永远保 持最佳连接( a b c ) 的概念，a b c 允许用户在任何地点，任何时间选择对自己来说 最佳的网络进行接入，这会产生很大的复杂性和一系列的需求，不仅是技术方面 的，还有运营商之间的利益和业务关系，文献中对这些内容进行了详细的讨论。 文献1 4 j 针对第四代移动通信系统提出了一个新颖的切换方法，包括三个步骤：切换 决策，链路切换，信道分配。新的切换方法可以给不同的参数赋予不同的权重。 文献1 5 j 提出了用来优化4 g 异构网络切换的v h d ( v e r t i c a lh a n d o v e rd e c i s i o n ) 方案， 主要包括三个部分：切换必要性估计( 估计切换是否必要) ；切换目标选择( 选择 最好的可用网络) ；切换触发条件估计( 估计切换的最佳时机) 。以保证在不同网 络之间无缝漫游和资源的高效率利用率，目标是要达到最小化切换失败、不必要 的切换、连接失败次数，而且在网络使用率和切换次数之间进行权衡。文献1 6 】提出 了能够提供a b c 服务的结构，包括新的网络发现机制，个性化的网络选择，基于 i p v 6 的无缝切换。 1 3 论文的研究内容以及组织结构 本文的主要内容安排如下： 第一章：简要介绍了无线接入网络的发展，异构无线网络的概念，在异构无 线网络中永远保持最佳连接的概念以及异构无线网络的研究现状。 第二章：介绍了异构无线网络融合的相关技术。首先介绍目前出现的异构无 线网络融合结构框架，接着介绍了i e e e s 0 2 2 1 标准的内容和在异构无线网络中的 指导意义，最后介绍分布式和集中式接入选择算法的概念和区别。 第三章：详细研究了集中式接入选择算法，介绍了目前常用的几种接入选择 算法，并进行了分析评价，包括a h p ，g r a ，t o p s i s ，a b r - r b r 算法，并对算 法的流程进行了分析。 第四章：介绍了人工神经网络的发展历史，原理和算法，接下来对b p 神经网 络进行了分析，并对b p 神经网络的训练算法进行了描述。 第五章：对文中提到的各种算法进行了仿真并进行了比较，包括a h p ，g r a ， t o p s i s 和a b r - r b r 算法，最后使用b p 人工神经网络进行了仿真，并对结果进 行了分析。 第六章：结论与展望。通过对论文的总结，提出未来研究的研究方向。 第二章异构无线网络业务分发技术 第二章异构无线网络业务分发技术 2 1 异构无线网络融合框架 对于现有的各种异构无线网络的融合方式，按照无线接入系统间结合的紧密 程度进行分类，可以分为紧耦合( t i g h tc o u p l i n g ) 和松耦合( 1 0 0 s ec o u p l i n g ) 两种。这两 种结合方式由欧洲电信标准协会( e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d si n s t i t u t e ， e t s i ) 在b r a n ( b r o a d b a n dr a d i oa c c e s sn e t w o r k s ) 计划1 7 l 中提出，原始的定义中只 考虑了3 g 和w l a n 这两种典型网络的接入，但是实际上该分类对于任何不同类 型的无线网络都适用。 紧耦合是指参与构成异构网络的无线接入系统之间存在主从关系。例如在 u m t s 网络与w l a n 网络紧耦合的情况下，通常将u m t s 网络作为主网络，而将 w l a n 作为从属网络，w l a n 网络的接入点( a p ) 通过专用的接入网关连接到核心 网络u m t s 中。接入网关实现了所有与u m t s 系统相关的协议功能( 例如认证、 授权和移动性管理等) ，这种情况下，w l a n 是作为u m t s 系统的一个无线接入 网，w l a n 的全部业务进入到u m t s 核心网中，并且w l a n 使用u m t s 系统提 供的认证、授权和计费( a u t h e n t i c a t i o n , a u t h o r i z a t i o n , a c c o u n t i n g ，a a a ) 功能和信令 协议，多模终端在u m t s 和w l a n 之间的垂直切换可以由u m t s 的移动性管理 功能来实现。但是紧耦合网络存在以下缺点： ( 1 ) 在紧耦合过程中，主网络( 例如u m t s ) 必须向从属网络( 例如w l a n ) 开放自己的网络接口和相关数据库。如果主网络与从网络分属于不同的网 络运营商，那么主网络的安全和收益就可能会受到威胁。一般只有属于同 一个运营商的无线接入系统才可以以紧耦合的方式实现网络互联，这就限 制了其应用范围。 ( 2 ) 由于现在已经部署的u m t s 网络都是经过仔细规划过的，网络容量和相关 设置都是根据业务需求进行分配的，如果将具有大数据量要求的从属网络 ( w l a n ) 接入到主网络( u m t s ) 中，很明显会影响主网络( u m t s ) 的性能。 ( 3 ) 每次有新的从网络接入到主网络中时，需要对主网络进行相应的设置，这 样会导致整个系统复杂度的提高。 紧耦合的互联方案如图2 1 所示，在u m t s 网络中增加一个新的类似于i u 的 接口i u w l a n ，图中s g s n 为s e r v i n gg p r ss u p p o r tn o d e ，u t r a n 为u n i v e r s a l t e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k ，g g s n 为g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e ，p d n 为 p a c k e td a t an e t w o r k s 。 6 基于人工神经网络的多模终端业务流分发 图2 1 紧耦合互联方案 松耦合是指构成异构网络的各个无线接入网络之间是以相互独立的方式结合 在一起，不存在主网络与从网络之分。解决了紧耦合网络出现的运营商之间利益 协调的问题，同时也减少了异构网络的建设成本和复杂度，提高了网络的可扩展 性。如图2 2 所示为松耦合的互联方案，仍然以u m t s 和w l a n 的互联为例。 u u i u p sg ng i 图2 2 松耦合互联方案 2 2 异构无线网络切换方案 无线网络的切换( h a n d o f 0 是指当移动终端在通话( 也可以是数据传输) 期间从 一个小区进入另一个小区时，将呼叫从其进行中的一个无线信道转换到另一个信 道的过程，以保持通话过程的连续。切换是移动通信特有的技术，根据切换前后 所采用的接入技术是否相同对切换技术进行分类，切换可以分为水平切换和垂直 切换。 水平切换是同一种网络内部的切换。例如w l a n 网络内部不同a p 之间的切 换或者u m t s 网络内部不同基站之间的切换。当正在进行通信的用户从一个a p ( 或 基站) 移动到另一个a p ( 或基站) 时，a p ( 或基站) 会基于移动节点接收信号强度和新 网络的负载情况决定是否进行切换。网络控制切换时，由网络决定是否切换；移 动台控制切换时，由移动台决定是否切换；移动台辅助的切换是移动台辅助基站 决定是否进行切换。 垂直切换是不同类型网络之间的切换，例如u m t s 和w l a n 之间的切换。垂 直切换中从覆盖范围小的网络向覆盖范围大的网络切换称为向上切换，反之为向 第二章异构无线网络业务分发技术7 下切换。根据切换触发原因对垂直切换进行分类，可以分为以下两大类： ( 1 ) 受迫型垂直切换( f o r c e dv e r t i c a lh a n d o f f , f v h o ) 。就是必须要进行的垂直 切换，如果不进行切换就会造成通信的强制中断。这种类型的切换通常是 由原来接入网络的不可达性引起的，例如终端离开原来接入网络的信号覆 盖范围，或者因为环境因素的变化从而导致移动终端无法接收到原先接入 网络的信号。 ( 2 ) 非受迫型垂直切换( u n f o r c e dv e r t i c a lh a n d o f f , u v h o ) 。这种类型的切换一 般是无线网络运营商为了提高网络的频谱资源利用率，使用系统中的无线 资源管理模块来进行处理的，或者是移动终端用户为了得到更好的服务质 量而自行选择更优的网络。 水平切换和垂直切换示意图如图2 3 所示。 图2 3 水平切换和垂直切换示意图 本文研究的内容主要针对异构无线网络之间的切换，即垂直切换。不同的业 务根据不同的需求选择不同的无线接入网络，如果当前接入网络不能满足业务需 求时，将会选择新的网络进行接入。 2 3i e e e 8 0 2 21 标准 8 0 2 2 1 标准8 】的目的是让用户在使用网络时，能够跨越多种异构网络实现无间 断的连接，例如在w l a n 、2 g 和3 g 网络之间进行无缝切换。i e e e 8 0 2 2 1 标准对 现有的物理层和数据链路层没有做任何修改，也不需要上层新的移动协议的支持。 8基于人工神经网络的多模终端业务流分发 该协议在高层( l 3 及以上) 与低层( l 2 ) 之间引入了m i h 服务层，尽管低层采用了不 同的接入技术，但是通过m m 服务对高层进行了屏蔽，从而真正实现了移动终端 在异构网络之间的无缝切换。 m i hu s e r1m i l lu s e r2 m i hu s e rn m e d i ai n d e p e n d e n t h a n d o v e ru s e r j ( 1x 出d s i n f o r m a t i o n m i h e v e n t s m e d i ai n d e p e n d e n th a n d 。v e rf u n c t i 。n ( m i h ) l i n k r 、 c 兰d s m t 8 e v e n t s 3 g p p 2l i n kl a y e r 8 0 2 3 8 0 2 1 1 j 8 0 2 1 6 8 0 2l i n kl a y e r l i n 嚣i 。 y e r 图2 48 0 2 2 1 协议终端侧结构 图2 58 0 2 2 1 协议网络侧结构 8 0 2 2 1 协议在终端侧的结构和网络侧的结构分别如图2 4 和2 5 所示。在接入 网络和移动终端协作进行切换时，m i h 对等实体之间通过m i h 命令相互协调切换 时的操作有切换初始化( m i hh a n d o v e ri n i t i a t e ) 、切换准备( m i hh a n d o v e rp r e p a r e ) 、 第二章异构无线网络业务分发技术 9 切换提交( m i hh a n d o v e rc o m m i t ) 、切换完成( m i hh a n d o v e rc o m p l e t e ) 等。 2 4 异构无线网络接入选择算法 异构网络融合中主要涉及的问题之一就是如何实现接入选择。接入选择决定 了一个用户应该接入到哪个无线网络。接入选择算法目前已经成为异构无线网络 研究中最核心和最热门的研究方向，本文主要研究异构无线网络中的集中式接入 选择算法。一般的，如果异构无线网络以紧耦合方式构成，那么这些无线网络具 有相同的运营商，不同无线接入网络之间更容易达成共同的优化目标，从而适合 采用集中式接入选择算法。如果异构无线网络以松耦合方式构成，并且各个无线 接入系统能够与共同的第三方建立信任关系，并能达成统一的优化标准，那么可 以采用集中式接入选择算法。 异构无线网络接入选择算法的研究已经很多，文献 9 1 使用博弈论来解决网络选 择问题，提出的方案可以使接入用户数目最大化，切换次数最小化，并且实现要 求的q o s ，每次有新用户到达时，基于用户的q o s 要求计算每个候选网络的价值， 计算值最大的网络被选为最佳网络。文献【l o 】提出了一个支持a b c ( 永远保持最佳连 接) 服务的新架构，该架构由三部分组成：首先是新的接入网络发现机制；接下来 是个性化的网络选择方案，用户可以选择对他们来说最好的网络；最后是基于移 动m v 6 的无缝切换方案。该模型对于网络服务提供商和用户来说都是最好的。文 献【l l j 使用马尔可夫过程来处理异构无线网络的选择问题，将问题建模成最大化每 次连接的效益。通过评估，该方案比其他垂直切换算法效果好、简单并且具有自 适应的特点。文献【1 2 j 针对包含l a n 和u m t s 的异构无线网络环境，进行接入选 择时首先使用a h p 确定不同网络参数的权重，接着使用g r a 方法对候选网络进 行排序。这样可以在网络状况、用户偏好、服务应用和切换次数之间达到均衡。 2 4 1 集中式接入选择算法 集中式接入选择算法一般是在异构无线网络的网络侧实现的。在紧耦合异构 无线网络中，接入控制选择位于主网络的网络资源管理模块中，在松耦合异构无 线网络中，接入选择模块位于核心网络内的无线网络资源协同管理模块中。 集中式接入选择在进行接入选择过程中，移动多模终端需要不断地向当前的 接入网络提交相关的用户信息( 例如用户的q o s 需求、信号接收强度等) ，接下来 该接入网络将这些信息转发到位于主网络或者核心网络中的接入选择模块；同时， 各无线接入系统也需要将当前网络的系统信息( 例如网络可用带宽、系统载荷水 平等) 发送到接入选择模块中；最后，接入选择模块中根据上述信息选择出最佳 l o基于人工神经网络的多模终端业务流分发 接入网络，从而使得整个异构无线网络的无线资源得到合理利用。 集中式接入选择如图2 6 所示，各个无线网络之上有一个集中控制实体。这个 集中控制实体能够测量它所管辖范围内的所有无线网络的无线资源使用情况，并 且能够对这些无线资源进行统一的分配和管理，图中r r m ( r a d i or e s o u r c e m a n a g e m e n t ) 为集中控制实体，r a t ( r a d i oa c c e s st e c h n o l o g y ) 为各种无线接入技术 的统称。 图2 6 集中式接入选择示意图 由g e o r g i a 理工大学提出的a m c ( a r c h i t c c t u r ef o ru b i q u i t o u s m o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ) 结构对异构无线网络进行了整合，如图2 7 所示，a m c 通过使用 第三方网络互操作代理减少了不同网络服务提供在服务层面的交互。a m c 使用i p 作为互联协议，在不增加新的网络基础设施条件下将异构网络结合在一起。 图2 7a m c 网络结构示意图 目前集中式接入选择算法的研究比较多。文献【1 3 1 提出了基于绝对带宽需求和 相对带宽需求的a b r 和r b r 算法，用户接入网络时只考虑将用户接入到占用带 第二章异构无线网络业务分发技术 宽资源最小的网络以节省系统总带宽资源，每次把带宽占用最大的用户接入到最 省资源的网络中。文献1 1 4 j 提出了a h p 和g r a 结合的算法，先使用a h p 方法计算 参数权重，再使用g r a 方法计算不同候选网络之间的灰度关联系数，选择灰度关 联系数最大的网络为目标网络。文献【l5 】提出了a a o 方案，使用q o s 函数对网络 因子进行加权计算，特点在于业务需求的网络因子为一个区间，而不是固定的值， 归一化后，计算每个网络的q o s 函数，选择满足要求的最小q o s 网络接入，同时 还考虑了d w e l lt i m e r ，以保证候选网络的稳定性。文献【16 】提出了新的解决方案 a f d ( a u t o m a t i cf l o wd i s t r i b u t i o n ) ，包括终端侧的网络选择算法和网络接入点处的认 证控制算法。这样，终端和网络可以合作从而动态的将业务流分发到不同的网络 上，同时还使用了优先级的概念，保证高优先级的业务流优先得到传输，为了保 证低优先级的业务流的传输，引入了概率性的停止机制，a f d 算法还会动态的计 算影响业务流分发的各种参数权重。文献【l7 】提出了a h p 和t o p s i s 方法结合的集 中式接入选择算法，使用a h p 方法计算参数权重，再使用t o p s i s 方法计算不同 候选网络对于全局最优网络和全局最差网络之间的关联系数，从而选择最优网络。 文献【l 剐提出了s m a r td e c i s i o nm o d e l ，算法使用代价函数，考虑了3 个参数：价格 ( e x p e n s e ( e ) ) ，链路容量( 1 i n kc a p a c i t y ( c ) ) 和耗电量( p o w e rc o n s u m p t i o n ( p ) ) ，然后计 算代价函数，选出最佳网络，缺点是考虑的参数太少，很难全面反映网络的状态 和业务需求，而且算法太简单。文献【1 9 1 提出了新颖的多准则网络选择算法以达到 a b c 。这个方法依赖于代价函数，同时考虑了主观( 用户偏好) 和客观( 网络情 况) 的因素，本方法实现在中间层，隐藏了计算过程和4 g 网络的复杂性，该方法 的优点在于每个因素的权重是动态变化的。 2 4 2 分布式接入选择算法 图2 8 分布式接入选择示意图 1 2基于人工神经网络的多模终端业务流分发 分布式接入系统如图2 8 所示。在接入选择过程中，异构网络中下属的各个无 线接入系统周期性的向移动多模终端发送广播信息( 包括网络可用带宽，计费标 准等) ，多模终端通过检测这些广播信息的信号强度来确定各个无线接入网络的条 件，同时从广播信息中获取各个无线接入网络的参数信息，最后多模终端的接入 选择模块根据收集到的信息确定最佳的目标接入系统。 分布式接入选择算法的执行节点位于各个分布式节点上，从而降低了各个节 点的计算复杂度，但同时增加了系统的冗余度。分布式接入选择对网络结构要求 比较宽松，适用于松耦合的异构无线网络连接方式。分布式接入选择可以在不影 响其他网络运营商的情况下，仅处理本网络内部的资源使用情况。分布式接入选 择具有较大的灵活性，可以根据网络的实际部署情况调节执行节点的分布。 分布式接入选择算法在理论方面取得了较多的研究成果，根据网络选择策略， 可以将现有的分布式接入选择算法的接入选择部分分为硬判决和软判决两类。硬 判决就是在分布式接入选择过程中，多模终端根据某个特定的性能参数就可以直 接确定接入选择的结果。在文献【2 0 】中移动终端可以通过测量从各个无线网络接收 到的广播信号强度来确定相应网络的信道条件，从而选择最适合的网络进行接入。 在文献【2 l 】中移动终端也可以通过广播信号确定各个网络的当前负荷情况，进而选 择拥塞程度较轻的网络作为接入目标，这些都是硬判决的方法。 相比硬判决策略的片面性，文献田】提出了基于策略驱动的接入选择算法，综 合考虑系统特性、用户需求和移动终端状态等条件，并依据这些参数动态调整代 价函数中的权重因子。这样可以满足用户的多样化、个性化的业务需求，称为软 判决策略。 2 5 本章小结 本章首先介绍了异构无线网络融合的框架，包括网络耦合的两种方式：松耦 合和紧耦合两种。接下来介绍了异构无线网络的切换方案，由于本文主要涉及异 构无线网络，所以主要描述了垂直切换方面的概念。接着是介绍了i e e e 8 0 2 2 1 标 准，该标准针对异构无线网络的特点，提出了异构无线融合的模型。最后介绍了 异构无线网络的接入算法，包括集中式接入选择算法和分布式接入选择算法，并 对两种算法的区别和应用场景进行了介绍。在下一章中，将主要讲述集中式接入 选择算法。 第三章集中式接入选择算法 第三章集中式接入选择算法 集中式接入选择算法是在网络侧实现的，网络控制中心收集它所管辖的所有 无线网络的状态信息和相关参数，在有新的移动用户到达时，获取新用户的业务 需求，并将用户的业务需求进行量化，然后使用接入选择算法将该业务分发到最 合适的网络中，这里的最合适可能指最便宜、带宽最大或者服务质量最好，这是 根据用户或者运营商的需求来确定的。 目前已有的算法都是借鉴了数学的方法来定量分析影响接入选择中不同参数 的影响，并将这些参数归一化后集中考虑。已有的算法有层次分析法( a n a l y t i c h i e r a r c h yp r o c e s s ，a h p ) ，灰度关联算法( g r e yr e l a t i o na n a l y s i s ，g r a ) ，接近理想方 案的序数偏好方法( t e c h n i q u ef o ro r d e rp r e f e r e n c eb ys i m i l a r i t yt oi d e a ls o l u t i o n , t o p s i s ) ，绝对带宽需求算法( a b s o l u t eb a n d w i d t hr e q u e s t , a b r ) 等。 3 1a h p 方法 a h p 2 3 1 是美国运筹学家s a a t y 于2 0 世纪7 0 年代初提出的，a h p 方法在本质 上是研究人员对复杂问题层次结构理解的形象化，并以其实用、简单和系统化等 优点受到重视，从而很快地应用到不同领域的多属性决策问题中。层次分析法使 决策者形象化地使用问题的属性层次结构，为解决复杂的多属性决策问题提供了 方便，同时使用a h p 方法具有较好的鲁棒性。 使用a h p 进行决策时，大体上分为以下4 个步骤： ( 1 ) 分析系统中各因素之间的关系，建立系统的递阶层次结构： ( 2 ) 对同一层次的各元素关于上一层次中的某一准则的重要性进行两两比较， 构造两两比较判断矩阵； ( 3 ) 由判断矩阵计算被比较元素对于该准则的相对权重； ( 4 ) 计算各层元素对系统总目标的组合权重，并进行排序。 在本文中，无线网络不同参数之间的所属关系如图3 1 所示。所有的参数分为 2 层，第一层为总体的参数，包括吞吐率、时间参数、可靠性参数、安全性、价格。 其中时间参数又可以分为时延、响应时间、时延抖动，可靠性参数分为平均误比 特率、平均突发错误率、平均每包重传次数、丢包率。 1 4 基于人工神经网络的多模终端业务流分发 各指标主观权重 警ii 霎要ii 珊ll 警ii 价格率li 参数ll 参数ll性l 川佃 时延ll 器需il 薯翥i l 垂蕈li 毳茎ll 蓁塞ll 亏 图3 1a h p 方法分析元素层次关系 为了表示方便，各个参数的缩写分别表示为：吞吐率( t h r o u g h p u t ( 仅) ) ，时间 参数( t i m e l i n e s s ( 卢) ) ，可靠性参数( r e l i a b i l i t y ( ) ，) ) ，安全性( s e c u r i t y ( 6 ) ) ，价格( c o s t ( ) ) ，时延( d e l a y ( g ) ) ，响应时f 日- j ( r e s p o n s et i m e ( 7 7 ) ) ，时延抖动( j i t t e r ( 0 ) ) ，平均误 比特率( b e r ( a ) ) ，平均突发错误率( b u r s te r r o r ( j l l ) ) ，平均每包重传次数( a v e r a g e n u m b e ro f r e t r a n s m i s s i o n sp e rp a c k e t ( v ) ) ，丢包率( p a c k e tl o s sr a t i o ( 叮) ) 。 接下来构造两两比较矩阵，珂个元素为x = “，而，矗) ，构造的两两比较矩 阵为：彳= ( ) 。研，式中吩表示元素薯相对于_ 的重要性的1 - 9 标度量化值。该矩 阵有如下特点： = l 口，a l , = 1 ，因此称判断矩阵a 为正互反矩阵。 v i ，j ，k n ，奄n i f x n 彘= 口淮。 判断矩阵a 中每个元素可以通过表3 1 所示的绝对数标度产生。 表3 1a h p 元素两两比较矩阵 重要性标度两两比较重要性定义 1 两者同样重要 3 前者比后者稍微重要 5 前者比后者明显重要 7 前者比后者非常重要 9 前者比后者极端重要 2 ，4 ，6 ，8表示相邻判断的中间值 产生两两判断矩阵之后，还要进行一致性检验。计算一致性指标c l ( c o n s i s t e n c yi n d e x ) ，其中n 为判断矩阵的阶数，k 为矩阵最大特征值。 第三章集中式接入选择算法 c j = ( a 。姒一万) ( 刀一1 ) 式( 3 - 1 ) 接着计算相应维数的平均随机矩阵的一致性指标r ，( r a n d o mi n d e x ) 。指标值 尺上是从