一种异构无线网络中基于模糊逻辑的垂直切换方法
【专利摘要】本发明涉及一种异构无线网络中基于模糊逻辑的垂直切换方法，属于异构无线网络技术领域。该方法包括以下步骤：预判定阶段：根据移动节点的移动速度V和接收信号强度对采样点进行筛选，滤除网络信号太弱和MN速度过高不适宜接入候选网络的采样点；将预判定后提取到的RSS、网络的可用带宽B和网络开销C送入模糊逻辑控制模块，得到各参数的隶属度后进行归一量化；切换判决：通过综合考虑网络综合性能值VCPN和驻留时间参数Tdw来进行垂直切换判决。本发明能够较好的解决垂直切换判决中参数无法量化的问题，并能与多属性判决算法结合做出有效的切换判决；能够有效减少抽样点数、减少系统开销，并有效地消除乒乓效应，提高算法整体性能。
【专利说明】
-种异构无线网络中基于模糊還辑的垂直切换方法
技术领域
[0001] 本发明属于异构无线网络技术领域，设及一种异构无线网络中基于模糊逻辑的垂 直切换方法。
【背景技术】
[0002] 近年来随着无线技术的发展，出现了多种无线接入网技术，例如无线个域网 (WPAN，Wireless Personal Area Network)、无线局域网（WLAN，Wireless Local Area Network)、无线城域网（WMAN，Wireless MetropolitanAreaNetwork)、无线广域网（WWAN， Wireless Wide Area Network)、卫星网络、无线传感器网络（WSN，Wirelss SensorNetwork)、AdHoc网络等。
[0003] 运些网络在覆盖范围、链路特点、通信支持协议、业务能力和结构等方面都各不相 同。随着技术的不断发展，第五代移动通信网络5G(The Fifth Generation Mobile Networks)也已经出现。各种通信网络的交叠融合必然给未来的网络管理带来新的挑战，有 效的网络管理将被用于为用户提供覆盖范围大、带宽高、具有移动性且接入费用低廉的服 务。用户可W通过多模终端实现在任何地方、任何时候接入任何网络，实现多种方式的信息 传递和通信。因此，在运种复杂的异构网络环境下，如何为用户提供具有服务质量(QoS， 如ality of Service)保证的服务，如何优化无线异构网络资源，成为了异构网络中移动性 管理需要解决的重要问题。移动性管理是对无线异构网络中的各种资源进行合理规划，在 网络条件不断变化的情况下能灵活分配和协调网络的各种可用资源，尽可能的提高网络的 利用率。而切换又是如何进行移动性管理的难点。有效的切换算法不仅可W提高无线异构 网络的利用率，还可W为用户提供持续的具有QoS保障的服务。
[0004] 无线异构网络中的切换可分为水平切换和垂直切换。水平切换又叫做系统内切 换，即发生在同种网络间的切换。垂直切换又叫做系统间切换，即发生在多个网络间的切 换。由于垂直切换具有复杂性的特点，所W无线异构网络的切换管理显得尤为重要，其性能 决定了网络的覆盖程度和用户业务的连续性。垂直切换将可能设及不同的网络运营商、跨 越不同的网络边界和不同的业务提供商。目前常用的切换判决机制可W分为W下3类:移动 设备控制的切换（MCH0，Mobile Con化oiled Handoff)、网络控制的切换（NCH0,化twork Controlled 化ndoff)和移动设备辅助的切换(MAH0，Mobile Assisted 化ndoff^MC册就 是移动节点(MN，Mobile Node)从网络端接收到发来的质量报告，如果满足预先设定的值， 就由移动节点启动切换过程，运样减少了切换时延。NCK)是网络端根据质量报告，判断是否 满足预先设定的值，然后决定是否启动切换。MAH0则是网络根据移动节点周期性的测量结 果来判断切换是否执行。当前垂直切换决策算法的主要缺点就在于考虑的参数越来越多， 运会导致对移动终端要求越来越高，会提高切换时延，并且很多算法并未考虑如何设计决 策参数。此外，参数考虑过多也会增加算法的复杂性。另外，随着技术的发展和用户需求的 提高，现今的网络正在逐步走向融合，因此垂直切换算法需要考虑的网络也越来越多，不再 是一两种网络间的垂直切换判决，运无疑增加了判决难度。
[0005] 如何综合考虑异构网络的不同特性和移动性管理特点来进行垂直切换决策，从而 保证用户满意度，是一个技术难点，同时具有重要的研究意义。
【发明内容】
[0006] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种异构无线网络中基于模糊逻辑的垂直切换 方法，该方法加入了预判决阶段，减少进入模糊逻辑的采样点数，并简化了模糊逻辑控制过 程，最后将驻留时间算法的思想引入该切换方法中，减少垂直切换过程中的兵鸟效应。
[0007] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0008] -种异构无线网络中基于模糊逻辑的垂直切换方法，该方法包括W下步骤：
[0009] 步骤一:预判定阶段，根据移动节点(MN，Mobile Node)的移动速度V和接收信号强 度(RSS，Received Signal Strength)对采样点进行筛选，滤除网络信号太弱和MN速度过高 不适宜接入候选网络的采样点。
[0010] 步骤二:模糊控制模块，将预判定后提取到的RSS、网络的可用带宽B和网络开销C 送入模糊逻辑控制模块，得到各参数的隶属度后进行归一量化。
[0011] 步骤Ξ:切换判决，通过综合考虑网络综合性能值VCPN和驻留时间参数Tdw来进行 垂直切换判决。之所W引入驻留时间是为了更有效的减少兵鸟效应的产生。
[0012] 进一步，在步骤一中，由于采用了预判定，因此在提取信息的时候条件应适当放 宽，在通用移动通信系统（UMTS，Universal Mobile Telecommunications System)网络和 WLAN网络中的RSS预判定口限分别为??υ和raw。本发明在运里加入MN的速度作为预判定条 件。
[0013] 此时，还需要根据提取的信息量计算化SS，化SS为两个网络的信号强度差值，即：
[0014] Drss = RSSw-RSSu
[001引然后记录当Drss = 0的时刻To, W便在第Ξ阶段引入驻留时间值。
[0016] 根据MN的移动速度V和RSS对采样点进行筛选，判断MN的运动速度是否小于判定口 限Vo,若大于则留在原网络;若小于则分为下列两种情况：
[0017] ① WLAN的RSSw大于预先设定的WLAN网络最小可接受的信号强度口限值THw，则进入 模糊逻辑控制模块。
[0018] ②否则，MN停留在原网络中，运大大降低了需要经过模糊处理的信号量，滤除由于 WLAN网络信号太弱及MN运动速度过高而不适宜接入WLAN的采样点。
[0019] 进一步，在步骤二中，根据收集到的网络参数根据一定的隶属度函数换算成各切 换指标相对应的模糊语言变量，也就是参数的模糊化。隶属度函数可W分为连续型和离散 型。在实际应用中一般使用已规格化的标准归属函数。然后，根据一定的模糊规则进行模糊 推理。模糊规则是模糊逻辑系统中的重要组成部分，是模糊推理的依据，采用 "If... .then.的格式。如果模糊变量为3个，模糊集分为Ξ档，那么模糊规则最多有33 = 27条。最后，反模糊。经过模糊规则推理出的结果是模糊量，还需要一个去模糊过程。去模糊 化有多种方法，本发明采用重屯、法，具体公式如下：
[0020]
[0021] 其中，output^是第j条规则的输出，μι, j是第j条规则的第i个隶属度。反模糊实现 的是清晰化计算，最后得到一个输出值是用于判断切换与否的指标。
[0022] 本发明综合考虑传统模糊逻辑控制优缺点，在进入模糊逻辑控制阶段后，首先对 经过预判定处理后的当前接收信号强度RSS、可用带宽B和网络开销C运Ξ个参数进行模糊 化，分别得到不同网络运Ξ个参数的隶属度;然后对参数模糊化后的结果进行归一化处理， 得到Ξ个参量隶属度的量化值犯V:
[0023] 1)参量的模糊化
[0024] 之所W选取运Ξ个参数一方面是因为模糊逻辑控制系统一般选用不超过4个参数 来进行模糊处理，因为参数选取太多，系统的开销就会很大，对移动终端的要求也就更高， 处理速度会变慢，能量消耗也就越多；另外，RSS是切换判决中重要的参数，而可用带宽是衡 量网络综合性能的主要指标，网络开销则是处于用户的方面来进行考虑，因此本发明只选 取了 Ξ个常见参数来进行模糊处理。
[0025] 隶属度函数有五个集合：很低(VL)，低化），中（M)，高化），很高(VH)。常量Mmin、M2、 M3、M4和Mmax需要根据不同的网络来进行设定。参量的隶属度函数可W表示为：
[0026] μL=[μν?，μL，μΜ，μΗ，μνΗ]
[0027] 其中 i=RSS，B，C。
[002引比如，设定候选网络的 RSS = P，那么 yRss=[0,0,0,0.18,0.55]Rss。
[00巧]2)归一量化
[0030] 参量量化化=[Qvl，化，Qm，Qh，Q? ] i根据不同的网络所设定；当i = RSS，B的时候定义 化=[0,0.25,0.5,0.75，1]1。当1=(：的时候定义化=[1，0.75,0.5,0.25,0]1。每个参量量化 值就可W表示为：
[0031]
[0032] 其中k=WLAN，UMTS;i=RSS，B，C。
[0033] 3)加权处理
[0034] 因为在网络综合性能的判决中每个参数所占的比重是不一样的，所W还需要对 犯Vk, i进行加权处理。最终得出的网络综合性能值VCPNk如下式所示：
[00；35] VCPNk=WRss 犯 Vk,Rss+WB 犯 Vk,B+^ 犯 Vk,c
[0036] 其中 k=WLAN，UMTS。
[0037] 因为只设及到两个网络，因此采用固定加权处理:W=[Wrss，Wb，Wc] = [0.5,0.3, 0.2]
[003引 化55+化+胖0=1
[0039]进一步，在步骤Ξ中，引入驻留时间的切换判决。驻留时间算法具有减少兵鸟效应 的优点，因此本发明将加入预判决后的模糊逻辑控制算法与驻留时间算法进行结合。在最 终做出切换判决的时候加入驻留时间Tdw的判断，根据Drss = 0时的时刻To,及当前时刻T，与 驻留时间参数进行比较，最后得出判决结果。
[0040] ①当MN从UMTS切换到WLAN时
[OOW 如果VCPNwLAN〉VCPNuMτs，并且T-To〉TdJ寸，则触发丽从UMTS切换至lJWLAN，否贝lJ，不发生 切换；
[0042] ②当MN从WLAN切换到UMTS时
[00创如果VCPNwlan<VCPNumts，并且T-T0〉Tdw时，则触发丽从WLAN切换到UMTS，否贝IJ，不发生 切换。
[0044] 本发明的有益效果在于:本发明能够较好的解决垂直切换判决中参数无法量化的 问题，并能与多属性判决算法结合做出有效的切换判决，综合考虑几种合理的判决参数，为 切换提供有效的垂直切换优化算法;该方法能够有效减少抽样点数、减少系统开销，并有效 地消除兵鸟效应，提高算法整体性能。
【附图说明】
[0045] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行 说明：
[0046] 图1为P-FUZZY方法结构框图；
[0047] 图2为P-FUZZY方法流程图；
[004引图3为从UMTS到WLAN的预判决流程图；
[0049] 图4为模糊逻辑控制算法的结构图；
[0050] 图5为常用的标准连续型归属函数；
[0051 ]图6为RSS的隶属度函数。
【具体实施方式】
[0052] 下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0053] 本发明提供了一种异构无线网络中基于模糊逻辑的垂直切换方法P-即ZZY。参见 图1，该方法包括如下步骤:预判定、模糊逻辑控制和切换判决。
[0054] 参见图2,本发明的方法整体流程如下。在预判定阶段，根据MN的移动速度V和RSS 对采样点进行筛选，滤除网络信号太弱和MN速度过高不适宜接入候选网络的采样点，然后 将预判定后提取到的RSS、网络的可用带宽B和网络开销C送入模糊逻辑控制模块，得到各参 数的隶属度后进行归一量化;最终，通过综合考虑网络综合性能值VCPN和驻留时间参数Tdw 来进行垂直切换判决。之所W引入驻留时间是为了更有效的减少兵鸟效应的产生。
[0055] 参见图3，描述了从UMTS到WLAN的预判决流程图。一般情况下，可认为WLAN接入点 AP和UMTS基站BS不重合。不考虑与阴影衰落有关的零均值静态高斯白噪声，那么当移动节 点与WLAN接入点和UMTS基站的距离分别为dw和du时，WLAN和UMTS的接收信号强度模型分别 为：
[0化6] RSSw=Kiw-K2w log(dw) (1)
[0057] RSSu=Kiu-K2u log(du) (2)
[005引其中，1(1?>、1(21、1(111、1(211为路径损失参数。那么，该节点的札4财01]1了5接收信号强度的 差值即为：
[0059] Drss = RSSw-RSSu
[0060] =Kiw-Kiu-K2w log(dw)+K2u log(du) (3)
[0061] 常见的基于接收信号强度的切换方法采集接收信号强度差化ss，当化ss〉0时，说明 WLAN信号较强，因此触发从UMTS至IjWLAN的切换化一 W切换）；相反，Drss<0则说明UMTS信号较 强，从而触发从WLAN到UMTS的切换(W^U切换）。
[0062] 为了避免切换过程中的兵鸟效应，本发明综合考虑了如下两种切换算法：
[0063] ①具有迟滞电平切换算法基本思想如下：
[0064] Hysteresis Algorithm [00化]If DRss〉hy化en handoffXU一W)
[0066] Else if DRss<-hy1:hen handoff(W一U)
[0067] ②具有驻留时间切换算法基本思想如下：
[006引 Dwelling Timer Algorithm
[0069] If last_〇Rs巧DRSs<0then last_tbou曲= Το/7最近一次经过Drss = 0的位置
[0070] If Drss〉0AND now-last_tbou曲〉TIM邸DW
[0071] Then handoffXU一W)
[0072] Else if Drss<0AND now-last_tbou曲<TIM邸Dw
[0073] Then handoff(W^U)
[0074] Else keep connection
[0075] last_DRss = 〇Rss
[0076] 上述两种算法虽然减轻了兵鸟效应，但是并未考虑网络带宽及用户开销等。本发 明从用户角度考虑，提出对接收信号强度进行预判决的算法。
[0077] 由于采用了预判定，因此在提取信息的时候条件应适当放宽，在UMTS网络和WLAN 网络中的RSS预判定口限分别为??υ和T曲。在运里加入MN的速度作为预判定条件。
[0078] 此时，还需要根据提取的信息量计算化SS，化SS为两个网络的信号强度差值，即：
[0079] Drss = RSSw-RSSu (4)
[0080] 然后记录当Drss = 0的时刻To，W便在第；阶段引入驻留时间值。
[0081] 参见图4,传统模糊逻辑控制算法主要分为W下步骤：
[0082] 步骤一，根据收集到的网络参数根据一定的隶属度函数换算成各切换指标相对应 的模糊语言变量，也就是参数的模糊化。隶属度函数可W分为连续型和离散型。在实际应用 中一般使用已规格化的标准归属函数。
[0083] 步骤二，根据一定的模糊规则进行模糊推理。模糊规则是模糊逻辑系统中的重要 组成部分，是模糊推理的依据，采用"If... .then.的格式。如果模糊变量为3个，模糊集 分为Ξ档，那么模糊规则最多有33 = 27条。常用的标准连续型归属函数参见图5。
[0084] 步骤Ξ，反模糊。经过模糊规则推理出的结果是模糊量，还需要一个去模糊过程。 去模糊化有多种方法，本发明采用重屯、法，具体公式如下：
[0085] (5)
[0086] 其中，output^是第j条规则的输出，μι J是第j条规则的第i个隶属度。反模糊实现 的是清晰化计算，最后得到一个输出值是用于判断切换与否的指标。
[0087]本发明综合考虑传统模糊逻辑控制优缺点，在进入模糊逻辑控制阶段后，首先对 经过预判定处理后的当前接收信号强度RSS、可用带宽B和网络开销C运Ξ个参数进行模糊 化，分别得到不同网络运Ξ个参数的隶属度;然后对参数模糊化后的结果进行归一化处理， 得到Ξ个参量隶属度的量化值犯V:
[008引1)参量的模糊化
[0089] 之所W选取运Ξ个参数一方面是因为模糊逻辑控制系统一般选用不超过4个参数 来进行模糊处理，因为参数选取太多，系统的开销就会很大，对移动终端的要求也就更高， 处理速度会变慢，能量消耗也就越多；另外，RSS是切换判决中重要的参数，而可用带宽是衡 量网络综合性能的主要指标，网络开销则是处于用户的方面来进行考虑，因此本发明只选 取了 Ξ个常见参数来进行模糊处理。
[0090] 参见图6,隶属度函数有五个集合:很低(VL)，低化），中(M)，高化），很高(VH)。常量 11^。、]?2、]?3、]?4和111131需要根据不同的网络来进行设定。参量的隶属度函数可^表示为：
[0091] ]??=[μνι，μL，μΜ，μΗ，μνΗ] (6)
[0092] 其中 i=RSS，B，C。
[OOW]比如，设定候选网络的 RSS = P，那么 yRss=[0,0,0,0.18,0.55]Rss。
[0094] 2)归一量化
[0095] 参量量化化=[Qvl，化，Qm，Qh，Q? ] i根据不同的网络所设定；当i = RSS，B的时候定义 化=[0,0.25,0.5,0.75，1]1。当1=(：的时候定义化=[1，0.75,0.5,0.25,0]1。每个参量量化 值就可W表示为：
[0096] 0巧二化"/ (7)
[0097] 其中k=WLAN，UMTS;i=RSS，B，C。
[009引 3)加权处理
[0099] 因为在网络综合性能的判决中每个参数所占的比重是不一样的，所W还需要对 犯Vm进行加权处理。最终得出的网络综合性能值VCPNk如下式所示：
[0100] VCPNk=WRss 犯 Vk,Rss+WB 犯 Vk,B+^ 犯 Vk,c (8)
[0101] 其中 k=WLAN，UMTS。
[0102] 因为只设及到两个网络，因此采用固定加权处理：
[0103] W=[Wrss，Wb，Wc] = [0.5,0.3,0.2] (9)
[0104] 其中
[0105] Wrss+Wb+Wc=1 (10)
[0106] 最后，引入驻留时间的切换判决。驻留时间算法具有减少兵鸟效应的优点，因此本 发明将加入预判决后的模糊逻辑控制算法与驻留时间算法进行结合。在最终做出切换判决 的时候加入驻留时间Tdw的判断，根据化SS = 0时的时刻To，及当前时刻T，与驻留时间参数进 行比较，最后得出判决结果。
[0107] ①当MN从UMTS切换到WLAN时
[010引如果VCPNwlan〉VCPNu肌S，并且T-T0〉Td W时，则触发丽从UMTS切换到WLAN，否则，不发生 切换；
[0109] ②当MN从WLAN切换到UMTS时
[0110] 如果VCPNwlan<VCPNumts，并且T-T〇〉Tdw时，则触发丽从WLAN切换到UMTS，否则，不发生 切换。
[0111] 最后说明的是，W上优选实施例仅用W说明本发明的技术方案而非限制，尽管通 过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可W在 形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
【主权项】
1. 一种异构无线网络中基于模糊逻辑的垂直切换方法，其特征在于：该方法包括以下 步骤： S1:预判定阶段:根据移动节点(MN，Mobile Node)的移动速度V和接收信号强度(RSS， Received Signal Strength)对采样点进行筛选，滤除网络信号太弱和MN速度过高不适宜 接入候选网络的采样点； S2:将预判定后提取到的RSS、网络的可用带宽B和网络开销C送入模糊逻辑控制模块， 得到各参数的隶属度后进行归一量化； S3:切换判决:通过综合考虑网络综合性能值VCPN和驻留时间参数Tdw来进行垂直切换 判决。2. 根据权利要求1所述的一种异构无线网络中基于模糊逻辑的垂直切换方法，其特征 在于:在步骤S1中，在通用移动通信系统(UMTS，Universal Mobile Telecommunications System)网络和WLAN网络中的RSS预判定门限分别为THu和THw; 此时，还需要根据提取的信息量计算DRSS，DRSS为两个网络的信号强度差值，即： Drss = RSSw-RSSu 然后记录当Drss = 0的时刻To，以便引入驻留时间值； 根据MN的移动速度V和RSS对采样点进行筛选，判断MN的运动速度是否小于判定门限Vo， 若大于则留在原网络;若小于则分为下列两种情况： 1 )WLAN的1?5|大于预先设定的WLAN网络最小可接受的信号强度门限值THW，则进入模糊 逻辑控制模块； 2)否则，MN停留在原网络中，这大大降低了需要经过模糊处理的信号量，滤除由于WLAN 网络信号太弱及MN运动速度过高而不适宜接入WLAN的采样点。3. 根据权利要求2所述的一种异构无线网络中基于模糊逻辑的垂直切换方法，其特征 在于:在步骤S2中，在进入模糊逻辑控制阶段后，首先对经过预判定处理后的当前接收信号 强度RSS、可用带宽B和网络开销C这三个参数进行模糊化，分别得到不同网络这三个参数的 隶属度;然后对参数模糊化后的结果进行归一化处理，得到三个参量隶属度的量化值QEV; 具体包括： 1) 参量的模糊化 选取信号强度RSS、可用带宽B和网络开销C这三个参数进行模糊化;RSS是切换判决中 重要的参数，而可用带宽是衡量网络综合性能的主要指标，网络开销则是处于用户的方面 来进行考虑； 隶属度函数有五个集合:很低(VL)，低(L)，中(M)，高(H)，很高(VH);参量的隶属度函数 可以表示为： μL= [μν?,μL,μΜ,μΗ,μνΗ] 其中 i = RSS，B，C; 2) 归一量化 参量量化Qi = [ Qvl，Ql，Qm，Qh，Qvh] i根据不同的网络所设定，当i = RSS，B的时候定义Qi = [0,0.25,0.5,0.75，1]"当1 =(：的时候定义弘=[1，0.75,0.5,0.25,0]"每个参量量化值就 可以表示为： QliYkA=Q^ 其中 k=WLAN，UMTS;i = RSS，B，C; 3)加权处理 因为在网络综合性能的判决中每个参数所占的比重是不一样的，所以还需要对QEVk>1 进行加权处理，最终得出的网络综合性能值VCPNk如下式所示： VCPNk=ffRssQEVk> Rss+ffBQEVk, B+ffcQEVk, c 其中 k=WLAN,UMTS; 因为只涉及到两个网络，因此采用固定加权处理:W=[WRSS，WB，WC] = [0.5,0.3,0.2] ffRSS+ffB+ffc= 1 〇4.根据权利要求3所述的一种异构无线网络中基于模糊逻辑的垂直切换方法，其特征 在于:在步骤S3中，引入驻留时间的切换判决;驻留时间算法具有减少乒乓效应的优点，因 此将加入预判决后的模糊逻辑控制算法与驻留时间算法进行结合，在最终做出切换判决的 时候加入驻留时间T dw的判断，根据DRSS = 0时的时刻To,及当前时刻Τ，与驻留时间参数进行 比较，最后得出判决结果： ① 当MN从UMTS切换到WLAN时 如果VCPNwlan>VCPNumts，并且T-T〇>Tdw时，则触发MN从UMTS切换到WLAN，否贝丨J，不发生切 换； ② 当MN从WLAN切换到UMTS时 如果VCPNwlan〈VCPNumts，并且T-T〇>Tdw时，则触发MN从WLAN切换到UMTS，否贝丨】，不发生切 换。
【文档编号】H04W36/14GK105873151SQ201610405345
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】陶洋, 李鹏亮, 欧晗琪, 李加成, 沈敬红, 赫前进, 王振宇, 严志军, 赵芳金, 赵开
【申请人】重庆邮电大学