（通信与信息系统专业论文）基于改进蚁群算法的多模终端业务流分发研究.pdf

摘要 随着无线通信技术的迅猛发展，各种无线技术纷纷涌现，未来通信系统将应 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的融合在一起的 异构网络。 为了使用户充分享受到异构网带来的快捷、无缝的接入体验，集成多种无线 接口的多模无线终端日益普及。所以多模终端如何在异构网之间进行接入选择成 为不可避免的重要问题。 蚁群算法a c o ( a n tc o l o n yo p t i m i z a t i o n ) 是近年提出的智能仿生算法，具有很 强的全局性、并行性和可扩充性，是解决业务流分发问题的有效方法。本论文首 先在对基本蚁群算法原理分析的基础上，提出了差别化初始信息素分布和降低选 路复杂度的思想，有效提高了蚁群算法的收敛速度，取得了良好的性能。然后综 合考虑业务流q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 、用户喜好、网络状态，结合蚁群算法的并 发性和可扩充性，提出了基于改进蚁群算法的多模终端多q o s 约束业务流分发算 法。本论文重点考虑了业务流7 种q o s 约束：系统可用带宽、时延、时延抖动、 丢包率、业务流优先级、通信费用和功耗代价，并将q o s 约束转化为效用来代表 用户满意度，多模终端业务流分发的目标就是最大化分发效用即使用户满意度最 高。 关键词：多模终端业务流分发蚁群算法q o s 效用 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h ef u t u r e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e mw i l lb eam e 玛e dh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k , w h i c hi n c l u d e s v a r i o u sw i r e l e s sa c c e s ss y s t e m i no r d e rt om a k ep e o p l ee n j o yt h ec o n v e n i e n c ea n ds e a m l e s sa c c e s se x p e r i e n c e ， m u l t i - m o d et e r m i n a l sa r ec o m m o n l ya v a i l a b l e t h e r e f o r e ，t h et r a f f i cs t r e a md i s t r i b u t i o n i nh e t e r o g e n e o u sn e t w o r kb e c o m e sa l li m p o r t a n ti n e v i t a b l ep r o b l e m a c o ( a n tc o l o n yo p t i m i z a t i o n ) i so n eo ft h ei n t e l l i g e n ta l g o r i t h mp r o p o s e di n r e c e n ty e a r i th a st h es t r o n gg l o b a lo p t i m i z a t i o na b i l i t y , p a r a l l e l i s ma n dc o n c u r r e n c y a n dc o n s e q u e n t l y , i ti st h ee f f e c t i v em e t h o dt os o l v et h ef l o wd i s t r i b u t i o n b a s e do nt h e p r i n c i p l eo fa n tc o l o n ya l g o r i t h m , am e t h o di sp r o p o s e dw h i c hi st od i s t i n g u i s ht h e i n i t i a l i z a t i o np h e r o m o n ed i s t r i b u t i o na n dr e d u c et h ec o m p l e x i t yo f c h o o s i n gp a t h i th a s e f f e c t i v e l yi m p r o v e dt h ec o n v e r g e n c es p e e do fa c oc o m p a r e dt ot h eo r i g i n a lo n e a t l a s t , an e wa l g o r i t h mi sp r o p o s e di nt h i st h e t i sf o rf l o wd i s t r i b u t i o no fm u l t i - m o d e t e r m i n a l si nh e t e r o g e n e o u se n v i r o n m e n t t h eq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) o ff l o w ，u s e r p r e f e r e n c e sa n dn e t w o r ks t a t u sa f et a k e nt o g e t h e ri nt h i sa l g o r i t h m s e v e nk i n d so f t r a f f i cs t r e a mq o sc o n s t r a i n ta r ec o n s i d e r e d , w h i c hi sa v a i l a b l eb a n d w i d t h , t r a n s m i s s i o n d e l a y , t r a n s m i s s i o nj i t t e r , p a c k e tl o s s ，t h ep r i o r i t y , c o m m u n i c a t i o nc o s ta n dp o w e r c o n s u m p t i o np r i c e i ta l s od e f i n e st h ed i s t r i b u t i o nu t i l i t yo nb e h a l fo fu s e rs a t i s f a c t i o n t h et a r g e to ff l o wd i s t r i b u t i o ni st om a x i m i z et h eu t i l i t y k e y w o r d s ： m u l t i - m o d et e r m i n a l st r a f f i cs t r e a md i s t r i b u t i o na c o q o s u t i l i t y 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文研究背景 通信技术近年来得到了迅猛发展，层出不穷的多种无线网络通信系统为用户 提供了异构的网络环境，例如无线个域网( b l u e t o o t h ) 、无线局域网( w i f i ) 、无线城 域网( w i m a x ) 、公共移动通信网( 2 g ，3 g ) ，卫星通信系统、a dh o e 网络、无线传 感器网络等。将这些已经存在的无线网络和将要出现的无线网络融合在一起，提 供覆盖广、带宽高、移动性高且费用低廉的互联网接入，将是下一代移动通信系 统( 如b 3 g 、4 g 等) 的发展方向。 异构网融合具有多方面的优势：( 1 ) 扩大网络的覆盖范围，使网络具有更强的 扩展性：( 2 ) 充分利用现有的网络资源，降低网络运营商的运营成本，增强竞争力； ( 3 ) 可以根据不同用户不同需求提供满足不同q o s 需求的服务，更好的满足未来网 络用户多样性的需求；( 4 ) 可以提高无线网络的可靠性、抗攻击能力【l 】。 为使用户充分享受到异构网带来的便利和无缝的接入体验，传统的单模终端 已经不能满足用户的需求，随着通信技术的发展，集成多种无线接入技术的多模 终端越来越受到用户的青睐，多模终端取代单模终端是无线异构网络发展的必然 结果。 当终端上多种不同的业务流需要传输时，如何根据不通过业务流的特点、不 同网络当前链路状况、通信费用、传输功耗等因素，在异构网环境中自动的合理 的分发业务流，始终是业务流保持最佳连接a b c ( a l w a y sb e s tc o n n e c t e d ) 成为一个 非常重要的问题。目前业务流分发算法的设计一般有以下目标： ( 1 ) 选择具有最好信道质量的网络( 或小区) 接入 这种目标可以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，因此也叫做基于路径损耗( p a t hl o s s b a s e d ) 的多接入选择或基于信噪比的 多接入选择【2 j 。 ( 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接入 在这种目标下，多接入选择可看作是均衡不同的网络( 或小区) 间负载的一条途 径，因此可以看作是基于系统负载均衡( l o a db a l a n c i n g b a s e d ) 的多接入选择【2 】。 ( 3 ) 选择最有效保证用户q o s 需求的网络( 或小区) 接入 可以通过确定哪种网络对那种业务( 如话音，数据) 的服务质量更好，因此称为 基于业务的多接入选择( s e r v i c e b a s e d ) 或基于优先接入技术的( p r i o r i t y b a s e d ) 多接 入选择。 基于改进蚁群算法的多模终端业务流分发研究 1 2 多模终端业务流分发研究现状 目前在异构网环境下多模终端业务流分发技术的研究中，主要集中在以下三 个层面： ( 1 ) 框架结构 最初对于的业务流分发问题，大多数从业务流分发算法本身出发，在整体架 构方面对业务流分发问题缺乏考虑，比如业务流分发需要那些支持，以及这些支 持模块的功能划分以及交互。随着理论研究的深入，人们提出了几种模型，文献1 3 1 提出了在一个中间件平台s a l o m e ( s i t u a t i o na n dl o c a t i o na w a r em i d d l e w a r e ) 上实 现多模终端业务流分发机制。在此基础之上文献 4 1 给出了一套多模终端的框架结 构，对业务流分发的各个模块进行明确划分，并对各个功能模块进行了详细分析。 文献【5 】提出了基于网络辅助终端业务流分发方案n w i i s ，明确指出了多模终端和网 络负责监测和获取的参数。 ( 2 ) 对业务流进行合理的划分 目前i t u t 、i e i f 、e t s i 、3 g p p 等国际标准组织对于q o s 分类的研究已经 比较成熟，都分别提出了自己的分类方法。i t u t 早在y 1 2 9 中就提出了i p 网络 的q o s 模型，目前主要集中在n g n 下q o s 的研究，在其发布的g 1 0 1 为当前主 要应用的业务提供了主要的性能参数，对音频、视频和数据业务在时延、时延抖 动、丢包率方面进行了参数限定【6 j 。3 g p p 主要针对移动网络，根据业务对时延的 敏感度，定义了四种基本业务流类型，即会话业务流、流媒体业务流、交互类业 务流、背景类业务流，四种业务流各具特色，它们受自身业务特性以及其它因素 的影响，如网络承载能力、消费需求等。i e t f 对业务流q o s 的研究全部都是以互 联网为基础的，研究思想是借助在网络中添加一些协议，对业务进行分类以及制 定业务优先级和资源预留协议，对优先级高的业务进行资源预留，从而满足业务 的q o s 需求。i e t f 在实现i pq o s 方面定义了三种模型体系结构，相对优先级标 记模型r p m ( r e l a t i v ep d o d t ) rm a r k i n g ) 、集成业务模型i n t e r - s e r v 、区分业务模型 d i f f - s e r v 。 ( 3 ) 业务流分发算法 目前业务流分发算法主要有两类算法：集中式接入选择算法和分布式接入选 择算法。集中式接入选择研究成果非常有限，绝大部分研究还停留在理论层面， 主要是对异构无线网络中由于采取无线资源管理所带来的性能改善进行评估，例 如文献【7 】【3 】的相关研究。分布式接入选择算法早期主要集中在单目标选择上，提出 了基于接收信号强度为网络选择的唯一判决算法 9 1 、基于效用的接入选择算法【1 0 】、 基于策略的接入选择算法【1 1 1 。目前网络接入选择问题趋向于多目标决策研究，结 第一章绪论 3 合层次分析法( a h p ：a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ) ，模糊处理( f u z z yl o g i c ) ，博弈论 ( c a m et h e o r y ) ，智能仿生算法( a c o 等) ，马尔科夫决策理论( m d p ) 以及这些方法 的结合提出了许多有效算法。文献【1 2 】结合层次分析法和灰度关联法进行多目标接 入研究：文献【l 习运用t o p s i s ( 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 oa ni d e a l s o l u t i o n ) 进行多目标接入研究；文献t 1 4 】运用博弈论来解决多目标决策问题，文献【1 5 1 运用马尔科夫决策理论对异构网接入选择问题进行了较为深入的研究。 从以上可以看出，目前分布式接入选择算法问题研究趋势开始转向多目标决 策( m a d m ：m u l t i a t t r i b u t e sd e c i s i o nm a k i n g ) 算法，近年来将仿生学智能算法 ( a c o ，遗传算法) 用于多目标决策问题越来越成为分布式接入选择的研究热门领域 之一。 1 3 论文主要研究内容和工作 本论文主要研究基于蚁群算法的多模终端业务流分发，该算法属于多模终端 侧的分布式接入选择算法，本论文的主要工作有： ( 1 ) 简述异构无线网络的特点、异构网融合框架、异构网络关键技术等异构 网研究的热点问题，重点介绍了关于多模终端业务流分发的经典算法以及评价了 各算法的优缺点。 ( 2 ) 通过对基本蚁群算法a c o 原理分析，对蚁群算法提出了两点改进。第一 是对蚁群算法的初始信息分布进行差别化处理，从而区分不同路径的重要程度， 减少蚂蚁初始选路的盲目性，从而降低无效路径对蚂蚁选路的影响，有助于提高 算法的收敛速度。第二是通过对蚁群算法的复杂度分析，提出了在蚂蚁选路计算 时只考虑蚂蚁周围邻域内未到达的点，从而降低选路计算量，提高算法的收敛速 度。 ( 3 ) 在改进蚁群算法的基础之上，通过蚁群t s p 问题与业务流分发问题的比 较，结合蚁群算法的全局性和可扩展性，提出了基于改进蚁群算法的多模终端业 务流分发模型。将通信费用作为期望启发函数，分发业务流带来的效用作为信息 素，并给出了效用函数和通信费用的定义形式。 ( 4 ) 在以上分析的基础之上，通过建立仿真场景，给定相应业务流的q o s 要 求，对算法进行了仿真，通过和现有算法的比较，本文提出的终端业务流算法取 得了良好的效果。 1 4 论文结构 第一章：为绪论，详细阐述了本论文的研究背景和研究意义，对多模终端业 4 基于改进蚁群算法的多模终端业务流分发研究 务流分发算法的研究现状进行了简要的介绍，最后介绍了本论文的主要工作和论 文结构。 第二章：分析了异构网络的特点、发展现状、融合趋势以及异构网络中研究 的热点问题即多模终端业务流分发。 第三章：在对基本蚁群算法a c o 的原理进行了深入分析的基础上，提出了改 进的蚁群算法。 第四章：将改进的蚁群算法运用于多模终端业务流分发过程，提出了基于改 进蚁群算法的多q o s 约束的业务流分发算法，并给出了算法的数学模型和算法的 流程图。 第五章：对提出的算法进行了模拟仿真，并详细分析了仿真结果。 第六章：对本论文的工作进行了总结，并对下一步工作进行了展望。 第二章异构网中的业务流分发 5 第二章异构网中的业务流分发 2 1 异构网系统概述 2 1 1 现存无线通信系统 按照覆盖区域对现有的无线通信系统进行分类，可以分为五类通信系统，分 别如下： 无线个人区域网w p a n ( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) 是一种采用无线连接 的个人局域网，工作范围一般在l o 米以内。在i e e e8 0 2 1 5 的标准中，主要有蓝 牙( i e e e8 0 2 1 5 1 ) 、高速传输的u l t m 晰d e b 锄d ( i e e e8 0 2 1 5 3 a ) 与低耗电的 z i g b e e ( i e e e8 0 2 1 5 4 ) 等，其中蓝牙技术在无线个人局域网中使用的最广泛。目前 蓝牙信道带宽为1 m h z ，工作在2 4g h ( i s m ) 频段，采用时分双- e ( t d d ) 方式。异 步非对称连接最高数据速率7 2 3 2 k b i t s ，连接距离为1 0 m 左右。 无线局域网w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) ，基于i e e e 8 0 2 1 l 标准的无 线局域网允许在局域网络环境中使用未授权的2 4 g h z 或5 3 g h z 射频波段进行无 线连接。i e e e 8 0 2 1 1 b 和i e e e 8 0 2 1 1 9 标准使用2 4g h z 频段，分别支持最大1 l m b p s 和5 4m b p s 的速度，目前的w i f i 主要支持这两个标准，是当前应用最为广 泛的w l a n 标准。w l a n 具有组网方式灵活、使用开放频段及网络设备价格低廉 等优点，使它越来越受移动运营商的青睐。 无线城域网w m a n ( w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k s ) ，宽带无线接入技术 w i m a x ( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ) ，即全球微波互联接入。 w i m a x 是一项新兴的宽带无线接入技术，能提供面向互联网的高速连接，数据传 输距离最远可达5 0 k m 。w t m a x 还具有q o s 保障、传输速率高、业务丰富等优点。 无线广域网w w a n ( w h l e s sw i d ea r e an e t w o r k ) ，例如现在的2 g ( g s m ) 、 2 5 g ( g p r s ) 、e d g e 、3 g ( c d m a 2 0 0 0 ，w c d m a ，t d s c d m a ) 、l t e 。这些技 术能够使终端设备在蜂窝网的覆盖的任何范围之内连接到互联网。支持静止、步 行、和车载的移动用户，其数据传输速率从数十千比特级达到数兆级的传输速率， 可以为用户提供有保证的q o s 服务。 卫星通信系统，例如现在低轨道卫星通信系统( l e o ，l o we a r t ho r b i t ) 、中轨 道卫星通信系统( m e o ，m e d i u me a r t ho r b i t ) 、高轨道卫星通信系统( g e o ， g e o s y n c h r o n o u se a r t ho r b i t ) 。特点是覆盖范围远大于一般的移动通信系统，通信质 量好，但是信号传输时延大，比如高轨道卫星的双向传输时延达到秒级，用于话 6基于改进蚁群算法的多模终端业务流分发研究 音业务时会有非常明显的中断，资费水平高。 2 1 2 异构网络的特征 随着用户需求的提高，电信业务的多样化发展，通信技术在近5 0 年内呈现出 异常繁荣的景象，于此同时带来了多种类型通信网络的共存，即异构网络 ( h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k ) 。随着3 g 、4 g 等通信系统在全球的引入再加上现有的各 种二代移动网络的继续运营，多种类型的通信网络共存已经成为未来通信系统的 发展趋势和主要特征，当前通信系统异构性主要表现在以下方面； ( 1 ) 接入网络的异构性 异构网络中终端将面对不同的移动接入网络，这些接入网络将覆盖不同的区 域，具有不同的技术参数( 如带宽、时延、抖动、误码率等) ，提供不同的业务能力， 执行不同的通信与控制协议，甚至具有不同的网络结构并且可能属于不同的所有 者( 运营商、企业专网、个人网络等) 。 ( 2 ) 终端的异构性 在异构通信网络中，通信设备的定义将得到极大的发展，包括计算设备、消 费电子设备等在内的多种多样的设备均具有无线接入能力。因此，各种终端会具 有不同的业务能力、包括接入能力、人机交互能力、计算能力、移动能力、甚至 供电能力等，所以网络的终端也呈现出异构性。 ( 3 ) 业务的异构性 异构系统中存在不同的业务类型，例如在3 g p p 规范中，对现存业务流按照时 延要求来进行划分，它们分别是：会话类业务、流媒体类业务、交互类业务、背 景类业务，这些业务将具有不同的特征参数并且对网络和终端提出不同的服务质 量要求。 ( 4 ) 运营商的异构性 不同的运营商将设计出不同的策略，包括认证与鉴权策略、接入控制策略、 资源分配策略、计费策略；此外在保证基本互通的基础上，不同运营商在服务质 量信息表示与服务质量互通性方面也会存在较大的差异。 图2 1 从终端、接入网、承载网、电信业务、i t 业务及运营管理体系的不同 角度描述了异构的网络环境。 2 1 3 异构网络的互联融合 以蜂窝网为参考网络，目前3 g 网络与短距离无线网络w l a n 的互联，不同 制式蜂窝网络之间的互联，比如g s m 与u m t s 之间的互联，t d s c d m a 与 w c d m a 之间的互联等都是目前广泛研究的异构网络互联场景。 第二章异构网中的业务流分发 按照现有异构网系统之间的结合方式，e t s i ( 欧洲电信标准协会) 按照系统间结 合的紧密程度将异构网系统分为紧耦合( t i g h tc o u p l i n g ) 和松耦合( l o o s e c o u p l i n g ) t 1 6 】两种互联方式。 图2 1 网络异构环境图 以w l a n 和u m t s 网络互联为例，异构网紧耦合结构如图2 2 。在紧耦合结 构中w l a n 直接连到蜂窝网络的核心网，作为3 g 核心网的无线接入网( 凡蝌) 之 一o u m t s 图2 2w l a n 和u m t s 网络的紧耦合结构 入网 8基于改进蚁群算法的多模终端业务流分发研究 使用紧耦合方式时，w l a n 网络将重用u m t s 的用户信息、核心网络资源以 及认证、授权和计费系统，基于3 g p p 分组域的所有业务均可在w l a n 环境下得 到支持，而且现有的网络无需改造，用户设备在3 g p p 网络和w l a n 间的切换与 小区切换类似，时延小而丢包率低；然而不足之处是u m t s 带宽远低于w l a n ， 容易造成数据在u m t s 和w l a n 之间互传时带宽瓶颈，另外要求设备具有双工网 络接口，w l a n 网关需要实现必要的3 g p p 协议栈，从而使网络实现复杂度高。 以w l a n 和u m t s 网络互联为例，异构网松耦合结构如图2 3 ，w l a n 与3 g p p 网络的核心网络之间没有数据接口，两者之间可以对等且相互独立的工作。该结 构采用移动i p 技术实现对用户移动性的支持，移动口屏蔽了网络层以下具体的实 图2 3w l a n 和u m t s 网络的松耦合结构 现方式，最大限度的避免了对现有w l a n 和3 g 网络的改造，易于实现异构网络 之间的切换。松耦合的优势在于对现有网络的改动最小，实现技术更为成熟、开 放性更强。其缺点是需要为实现两者集成而引入新的网络设备，并且在移动性管 理时，在w l a n 网络中实现移动i p 协议将增加漫游时信令的开销和延时。表格 2 1 列出了两种融合方式的优缺点。 2 2 异构网下业务流分发算法 异构网中的业务流分发技术也就是接入选择技术，接入选择就是在异构环境 第二章异构网中的业务流分发 9 中，终端设备根据业务流特征、网络特征和用户喜好等，按照一定的规则将业务 流分发到最符合要求的网络中。异构网可以分为紧耦合和松耦合两种结构，则对 应的接入选择算法分为为集中式接入选择算法和分布式接入选择算法。 表格2 1 两种异构网融合方案的比较 融合方案优点缺点 可以共用网络的各种资源( 如 核心网资源、认证和计费系统等) ， 节省运营商的投资，也可以采用统 一的接入服务器为两个网络提供接 实现技术难度大，需要升级和 入服务，可以很方便的将新业务推 紧耦合 改造现有网络设备，应用面窄，比 广到两种网络中，采用双模终端时 较适合于同一运营商 可以实现两个网络间无缝切换，保 证切换前后会话的连续性，对q o s 支持较好，不同业务之间可以分担 负荷，安全性高 网络之间相互独立，实现两个当用户采用多模终端时必须采 网络融合的技术要求较低，不需要用移动m 的方式才能实现移动终端 对现有网络设备进行大的升级和改在网络问的切换，不能保证切换前 松耦合 造；对移动终端没有特别的要求， 后会话的连续性，不适合与对q o s 只需要含有这两种网络接口的多模要求较高的业务，不同业务区间无 终端 法相互分担负荷，网络管理难度大 2 2 1 集中式接入选择算法 在以紧耦合方式的异构无线网络中，接入选择模块位于核心网的无线资源管 理模块中，在进行接入选择时多模终端向接入系统报告相关用户信息( 如用户q o s ， 终端接收信号强度) ，然后接入系统把这些信息转发到核心网中的接入选择模块， 接入选择模块根据系统信息( 可用带宽、系统载荷水平) 和用户信息按照事先定义的 性能优化准则确定出最佳的接入网络，从而使整个无线网络资源得到最优利用。 集中式接入选择的架构如图2 4 所示，各无线接入网络之上存在一个集中控制 1 0 基于改进蚁群算法的多模终端业务流分发研究 的实体，这个实体对资源能够进行统一分配和管理。r a t 为各种无线接入技术， 是各个网络内部已有的无线资源管理实体。集中式接入选择的目标是针对运营商 使其资源利用最大化，其优点是接入选择控制域在网络方的管理模块r r m 中，采 用统一的优化准则，对系统资源能够进行统一的分配和管理，容易使系统资源得 到最大化利用；其缺点是集中式接入选择过程对选择模块的数据处理能力和计算 能力提出了巨大的挑战，算法复杂度高、灵活性差，如果增加一种新的接入控制 方式，则对全网的控制结构改动比较大，即可扩展性不强。关于这些问题，目前 还没有很好的解决方案，这也使得集中式接入选择算法设计和实现成为异构网无 线网络研究中的一大技术难点。 集中式r r m 图2 4 集中式接入选择的架构 2 2 2 分布式接入选择算法 2 1 1 分布式接入选择的控制域在终端侧是实现的，是以用户为目标，即以最小的 代价，尽可能的满足用户的需求。 ， 在异构环境下，多模终端在初始接入选择和接入重选的过程中，会周期性的 从各个无线接入系统周期性的广播信息中获取各系统的可用带宽、信号强度、系 统负荷、计费水平等系统信息，再结合当前用户对业务的需求、个人喜好等信息 输入到预先设置的接入选择准则中，从而确定出最佳的目标，使终端在整个通信 过程中始终保持最佳连接。 分布式接入选择的架构如图2 5 所示，各无线接入网都存在无线资源管理节 点，相对于集中式接入选择降低了节点复杂度。其优点是分布式接入选择则的评 估标准是在不影响其它网络运营的情况下，仅考察本网络的资源使用情况，具有 第二章异构网中的业务流分发 很高的灵活性、分布式管理特点，可以根据网络的特性扩张；但缺点是分布式管 理模式由于不存在集中管理实体，则管理实体之间的资源信息很难共享，所以很 难做到资源利用的最大化，最后无线管理节点之间的信息交互随着节点数目的增 加将以指数形式上升。 总之，集中式接入选择算法与分布式接入选择算法相比各有利弊，所以实际 接入选择机制往往是运营商利益和用户利益的相互折中。 r a l r 2 2 3 1 多模终端协议结构 图2 5 分布式接入选择的架构 2 3 多模终端 未来通信网络的发展趋势将会使多模终端日益普及。目前，市场上已有 g s m 1 w c d m a ，g s m c d m a 2 0 0 0 ，c d m a 2 0 0 0l x l x e v - d o 双模终端。随着芯片集 成度的持续提高，在终端中同时集成多种不同协议的能力也会逐渐增强。 从用户的角度看，多模终端有助于克服网络隔离造成的业务市场的分割，从 而提升用户服务的体验。从运营商角度看，当网络属于同一个运营商时，多模终 端可以实现不同网络资源上的共享，弥补单一网络业务覆盖上的不足，当网络分 属两个运营商时，多模终端实现各网络之间的接入来增加运营商的营业收入。图 2 6 显示了异构网环境中多模终端的协议架构。 从图2 6 看出多模终端管理功能主要有接入发现、接入选择、移动性管理和垂 直切换，在异构网环境中综合考虑各种无线技术的接入能力、网络的覆盖能力、 网络负荷、业务q o s 需求、服务资费和用户的偏好，自动的将业务流分发到最佳 的无线网中，即总是保持“最佳连接 ( a b c ：a l w a y sb e s tc o n n e c t ) t 1 7 1 0 1 2 基于改进蚁群算法的多模终端业务流分发研究 传输层( t c p u d p ) 囡圆圈 其它接入 传输层通道 网络层( i p 协议) 圄 ；圆i 圆 多模终端管理系统 接入发现支持 接入选择 移动性管理 垂直切换 q o s 监测 档案管理 用户偏好 终端特性 _ ：控制流辱哥 ：数据流 图2 6 异构网环境中多模终端的协议架构 2 3 2 多模终端业务流分发架构 目前异构网环境下支持多模终端的业务流分发的功能模块划分如图2 7 所示。 将终端划分为四大逻辑模块，即监测模块、决策管理模块、用户偏好设定模块、 决策执行模块。 监测模块包括设备监测模块、网络监测模块和业务流监测模块，该模块负责 实时监测网络广播信息、设备状态和业务流信息，并将这些信息及时报告给决策 管理模块。网络监测模块从网络的广播信息中可以获取通信网络的类型、链路状 况、可用带宽、资费水平等信息。设备监测模块检测终端各个无线网络接口的利 用率、电池电量等。业务流监测模块将应用程序产生的业务流按照一定的规则进 行分类，并将业务流信息存储到待分发的业务流队列中。 用户偏好模块主要功能是存储、显示和设置用户偏好，对不同的业务流分发 算法，用户表现出不同的偏好，而偏好不同会对接入选择结果有直接的影响，所 以多模终端通过图形接口完成参数的可视和设置。 决策管理模块是终端业务流分发的核心，功能是在业务流分发或者接入重选 时，根据各个模块收集的网络信息、设备信息、业务流信息以及用户偏好信息按 第二章异构网中的业务流分发 1 3 照预定的算法处理，并将判决信息传递到决策执行模块。 。、 图2 7 多模终端业务流分发功能模块划分 决策执行模块其功能是按照决策管理模块做出的分发方案，为业务流分发到 最优的网络开启信令流程，并将业务流分发到相应的网络中或者执行业务流在不 同网络接口之间的切换。 因此可以看出多模终端业务流分发的核心是决策管理模块，决策管理模块的 核心是业务流分发算法，因此算法设计的好坏直接影响到业务流分发的效果。 2 3 3 现有多模终端业务流分发算法 作为保证异构无线网络无线资源得到充分利用的根本手段，业务流分发算法 在最近的几年得到了越来越广泛的关注，并且成为异构无线研究中公认的核心问 题和热门研究方向。其中比较有代表性的方法有s a w 法、层次分析法、灰度关联 法、模糊逻辑方法、马尔科夫决策等方法，下面将分别给予介绍。 ( 1 ) 简单线性加权s a w ( s i m p l ea d d i t i v ew e i g h t i n g ) 算法思路是根据网络状态、用户业务q o s 需求( 时延、时延抖动、丢包率、带 宽等) 、通信费用、功耗水平等条件，对业务流接入到某个通信系统所付出的代价 做出度量，度量方式一般为： j l c ( 毛，而，毛) = w i g ( 薯) ”1 式( 2 1 ) s t w j = l 1 4 基于改进蚁群算法的多模终端业务流分发研究 为了使各个参数具有可比性，加权前一般要对策略参数薯进行归一化，其中 e ( 而，岛，瓦) 定义为目标代价函数，在计算接入代价时共考虑了刀个策略参数， g ( 五) 根据策略参数特性定义的代价函数。m 是加权因子，反映了策略参数对接入 选择影响的重要程度，文献【3 】给出了各种策略参数的归一化方法以及g ( ) 计算方 式。应用程序根据式( 2 1 ) 计算出业务流在各接入网下的接入代价，业务流总是按 照式( 2 2 ) 选择代价最低的网络接入。 m o l t = m i n f ) 式( 2 2 ) 由以上可以看出代价函数可以综合考虑系统特性、业务q o s 需求、用户偏好 等信息，可以根据需要灵活定义代价函数的形式以及动态调整代价函数中加权因 子，算法具有良好的可扩冲性。 ( 2 ) 层次分析法a h p ( a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ) a h p 是整理和综合人们的主观判断，使定性分析与定量分析有机结合，实现 定量化决策。其算法基本思想是将所要分析的问题层次化，根据问题的性质和要 达到的总目标，将问题分解成不同的组成因素，按照因素间的相互关系及隶属关 系，将因素按不同层次聚集组合，形成一个多层分析结构模型如图2 8 所示，最终 归结为最低层( 方案、措施、指标等) 相对于最高层( 总目标) 相对重要程度的权值或 相对优劣次序的问题。 图2 8 层次结构模型图 a h p 需要经过五个主要步骤即建立层次结构模型、构造判断矩阵、层次单排 序、一致性检验、层次总排序。 文献【1 8 1 将无线资源分配问题条理化、层次化，然后构造出一个有层次的模型， 模型全面地考虑了用户偏好、业务q o s 要求和w l a n 、u m t s 、w i m a x 网络资 源、价格影响等网络选择因素，从而确定其主观判决权重。但是a h p 法具有较强 的主观随意性，判断矩阵的构建依赖于决策者经验判断，所以在一定程度上网络 选择具有主观随意性。 ( 3 ) 灰度关联法g r a ( g r a yc o r r e l a t i o na n a l y s i s ) 第二章异构网中的业务流分发 g r a 是分析离散事件关联程度的一种有效方法，其核心思想是将其中的一种 最优情况作为参考，然后将其他情况与最优的情况进行比较计算灰色关联系数， 关联系数越大的方案就是选择的最优方案，一般而言层次分析法与灰度关联法会 一起使用进行多因素问题的分析。文献【1 9 】根据效益型和成本型指标的确定方法， 参考被选网络集，设置某个理想最优网络，对备选网络与最优网络进行了灰色关 联分析，若某一网络与虚拟网络关联度越大，则该网络越接近于理想最优网络。 ( 4 ) 模糊逻辑法( f u z z yl o g i c ) 模糊逻辑法【2 0 】的核心思想是通过隶属函数的计算，将量上没有确切边界的事 物量化后进行比较。模糊逻辑法有三个步骤：模糊化、模糊推理和去模糊化。模 糊化就是把输入变量通过隶属度函数转化为合适的语言值。迷糊推理是基于模糊 逻辑中蕴含关系和推理规则进行的，是模糊控制的核心。去模糊化则是将模糊推 理得到的结果变换成用于实际控制的清晰量。 ( 5 ) 马尔科夫决策过程( m a r k o vd e c i s i o np r o c e s s ) 马尔可夫决策过程是针对一些决策输出结果部分随机而又部分可控的情况， 给决策者提供一个决策制定的数学建模框架。m d p 对通过动态规划和强化学习来 求解的优化问题是非常有用的，更确切地说，一个马尔可夫决策过程是一个离散 时间随机控制的过程，在每一个时阶，此决策过程处于某种状态s ，决策者可以选 择在状态j 下可用的任何动作a ，该过程在下一个时阶做出反应随机移动到一个新 的状态s ，并给予决策者相应的奖励r a ( s ，s 。) ，此过程选择s 作为其新状态的概率 又受到所选择动作的影响。m d p 的核心问题是为决策者找到一个这样的策略：找 到函数1 7 ，此函数指定决策者处于状态s 的时候将会选择的动作z r ( s ) ，它将最大 限度地积累随机回报。文酬2 i 】将接入选择问题比作是一个m d p 问题，函数西是为 马尔科夫判决准则，求解使奖励函数，( 五，z ) 在策略t = ( 6 1 ，疋，氏) 下取得最大期 望奖励的最优策略7 r = ( 8 1 ，6 ；：r ) 。 2 4 异构网业务流分类及其影响因素 2 4 1 影响业务流q o s 参数介绍 q o s 是一综合指标，用于描述数据传输的质量，在同一网络中，不同应用对 应不同的q o s 参数，同一应用不同业务具有不同的q o s 需求，对多模终端业务流 分发而言影响业务流分发的关键参数有： ( 1 ) 系统可用带宽 带宽保障是进行业务流数据传输的前提条件，不同的业务流种类具有不同的带 宽要求，系统必须在满足相应业务流带宽要求的前提下才能进行数据业务。例如 1 6 基于改进蚁群算法的多模终端业务流分发研究 对于背景类业务，在其它条件满足基础上，系统的可利用带宽越大、数据传输速 率越高，用户满意度就越高。 ( 2 ) 时延指标( d e l a y ) 时延是指数据包从网络入口点到达网络出口点所需要的传输时间。影响时延 的因素可以简单分为网络时延和设备时延。例如对于通话而言，时延是指从说话 人开始通话到受话人听到所说内容的时间。一般人们能忍受小于l o o m s 的时延， 若时延太长，会使通信双方都不舒服。 ( 3 ) 时延抖动指标( j i t t e r ) 时延抖动是指时延的变化，例如语音信号在i p 网络中传输时，由于数据包的 传送的路径可能不同，因此不同的数据包到达接收端的时间也可能不同，导致接 受端在回放语音时产生时断时续的情况，称为抖动。 接收端可以采用增加接收缓冲区的方式来对抖动产生的影响进行弥补。但是 抖动缓冲区的大小同时影响抖动和时延。如果抖动对语音的质量产生了影响，那 么增加抖动缓冲区就可以将抖动减少到可以接受的程度；但是如果缓冲区过大， 就会增加业务流时延，这样可能会使用户难以接受。典型的抖动缓冲区产生的时 延为2 0 m s ，最大会达到8 0 m s 。抖动缓冲区的大小常根据网络的具体情况来决定。 ( 4 ) 丢包率指标 丢包率通常被定义为一个连续若干个包以一定时间间隔在网络中传送时，被 丢的包所占的百分比，是衡量数据在规定时间内数据传输准确性的重要指标，在 一定程度上反应了通信网络的状况，比如网络拥塞、数据链路变坏都会引起丢包 率的提高。从用户体验的角度来讲，一般高于5 的丢包率就无法接受了。 ( 5 ) 优先级指标 按照定的标准对业务流划分优先级，按照优先级的高低分发业务流，高优 先级的业务先于低优先级级的业务分发；同一优先级的业务按照到达的顺序处理， 从而保证重要的业务得到有保障且及时的处理。 ( 6 ) 通信费用和功耗指标 移动终端用户业务在异构网络下传输是透明的，用户只关心在一定的传输质 量下，终端的通信费用尽可能的减少以及节约功耗。业务流应该向通信价格便宜、 功耗水平低的网络中分发。 本论文综合考虑以上介绍的业务流q o s 参数，来表征影响用户满意度的因素。 业务流分发的目的就是在满足业务流各项指标的基础上，保证用户满意度最高。 2 4 2 异构网业务流分类 本论文采用3 g p p 规范中业务流分类标准，在3 g p pq o s 的体系结构中按照时 第二章异构网中的业务流分发 延要求来划分，大致将其分为4 个类别。它们分别是会话类业务、流媒体类业务、 交互类业务、背景类业务 2 2 1 。 ( 1 ) 会话类业务( c o n v e r s a t i o n a lc l a s s ) 语音业务的特点是端到端时延小，上下行业务量对称或几乎对称。为了保证 话音类业务的时延和时延抖动指标，通常将该类业务映射成为最高优先级，并为 其预留带宽。这类业务最典型的应用是在电路交换载体上的话音业务( 例如g s m 的 话音业务) 。对因特网和多媒体网络来说，许多新的应用需要这种类型业务，例如 p 电话和视频电话。对于会话类型业务，需要考察的q o s 指标主要是传输时延和 时延抖动。会话类业务提供多个终端用户( 通常是人) 之间的会话交流。由于人们本 身的感官限制，会话类业务的最大特点就是实时性，也就是说，会话类业务的最 关键的q o s 指标是传输时延。同时，时延抖动也是影响会话类业务的重要指标， 严重的时延抖动会导致会话无法正常进行下去。对于丢包率来说，人类的耳朵却 没有那么敏感，可以允许一些短暂的话音停顿和画面马赛克现象。 ( 2 ) 流媒体类业务( s t r e a m i n