一种异构认知无线电网络中基于速度自适应的联合切换方法

摘要

本发明请求保护一种异构认知无线电网络中基于速度自适应的联合切换方法，涉及无线通信领域。针对由于次级用户位置移动产生的切换问题，本发明提出了频谱经纪人辅助选择网络和次级用户终端控制切换的联合切换方法。在网络侧，频谱经纪人基于层次分析法获得属性权值，进行网络选择；在终端侧，提出了速度自适应的切换控制方法，对从原网络向目标网络的切换进行控制。并且对不同切换类型提出了不同的切换判决门限方法。本发明的方法能够根据次级用户的业务需求和网络状况，选择更合适的网络，更好地控制切换，减少了次级用户切换的次数和中断概率，改善了次级用户的切换性能。

说明书

技术领域

本发明主要涉及无线通信领域，尤其是关于异构认知无线电网络中的频谱切换问题。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展和人们需求的不断增加，传统的单一网络已经不能适应要 求，多个异构无线网络融合的技术正在成为研究热点。随着认知无线电网络研究的快速发展， 其对异构无线网络的需求也愈加明显。如果次级用户从一个地方移动到另一个地方，可能因 为可用频段的变化而进行异构网络间的频谱切换。

在异构无线网络中，网络间的垂直切换判决是关键技术。现有的垂直切换判决方法主要 有：第一类采用类似蜂窝通信系统中的水平切换方法，终端用户测量接收到的来自不同网络 接入点的信号强度，当接收信号强度大于一定的预设门限值时，选择信号强度最大的网络作 为接入的首选网络，但这类方法由于简单借用水平切换的方法，使用的决策标准单一，往往 不能满足用户各方面性能的需求；第二类采用动态规划以及人工智能理论作出比较精确的垂 直切换判决，比如模式识别、神经网络、模糊推理，并且结合网络特性和用户需求，可是此 类算法的复杂度高，并且还要消耗较长时间进行预先学习，不适合计算能力和电量有限的移 动设备；第三类从网络代理出发，研究垂直切换的过程和各项性能指标，以及基于对上下文 信息进行感知，以此分析切换判决的影响；第四类采用代价函数方法，一般考虑影响垂直切 换方法性能的条件之一或者几个条件的组合，这些条件主要包括网络侧的系统可用带宽、连 接延时等，以及用户侧的接收信号强度、用户终端电量消耗、用户速度和服务费用等，通过 优化目标函数确定垂直切换的判决和最佳网络的选择。代价函数方法由于综合考虑了接入网 络和用户终端的多种属性，比起其他几类方法能够更好地实现垂直切换的有效性和保证网络 的综合性能。

在认知无线电网络中，主用户并不是任何时间都在使用其拥有的合法频段，而会出现一 些空闲频谱情况，一般这些空闲频谱可以集中起来（称为频谱池），由一个频谱经纪人实体来 管理，频谱经纪人实体也包括有频谱分配算法和管理政策（谢显中.“感知无线电技术及其应 用”.北京：电子工业出版社2008.4）。

对基于认知无线电的多个异构无线网络，由于次级用户可以机会式地占用主用户空闲的 频段进行通信，一般在选择空闲频段时往往从频谱经纪人实体管理的频谱池中进行选择，所 以频谱池中的可选频段越多，次级用户的通信机会就越大。但是单一网络带给次级用户的通 信条件有限，并且授权频段中的可用机会较少，所以在认知无线电网络中采用多个异构无线 网络将为次级用户带来更多的可用频段，以及更高质量的网络。另一方面，次级用户终端具 有可重构性，能够在不修改硬件结构的同时，在不中断通信的情况下，实时地调整无线电参 数，如频率、符号率、传输功率、调制和编码类型等。由于这样的特性，也给次级用户在异 构无线网络中通信带来方便；次级用户可以按照自己的性能和应用需要，选择合适的网络和 频率，然后正确配置各种参数。

在网络选择的方法中，经常采用层次分析法（AHP）来获得属性的权值，然后进行网络 结果的计算。在文献Shengmei Liu,Su Pan.“An Improved TOPSIS Vertical Handoff Algorithm  for Heterogeneous Wireless Networks”,IEEE International Conference on Communication  Technology，2010:750-754中对层次分析法（AHP）进行了改进，切换效果有了提升，吞吐量 也提高了很多。但其只结合了属性的信息熵，没有考虑属性客观状态的变化，其切换次数较 高，判决结果不精确。

在终端切换控制部分，常用的判决参数一般是迟滞电平因子和驻留定时因子，可以用来 降低终端的乒乓效应，提高切换的性能。在文献Min Liu,Zhongcheng Li.“Performance Analysis  and Optimization of Handoff Algorithms in Heterogeneous Wireless Networks”,IEEE Transactions  on Mobile Computing,2008,7(7):846-857中把上面两种常用切换控制方法结合，提出了一种 切换控制方法，降低了切换时终端的中断概率。但其控制条件中的系数简单地取固定值，没 有结合实际情况的变化而改变，不符和实际的网络环境。

发明内容

本发明针对现有技术中认知无线电网络中异构无线网络间的垂直切换方法存在的上述 缺陷，针对认知无线电网络的特性，本发明提出一种频谱经纪人实体辅助选择和次级用户终 端控制切换的联合切换方法。在网络侧，频谱经纪人实体基于改进的层次分析法（AHP）来 获得属性权值的方法，进行网络选择；在终端侧，提出了速度自适应的切换控制方法，对从 原网络向目标网络的切换进行控制。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：提出一个联合切换方法，当次级用户的位置发 生变化，就把次级用户自己的信息和频谱切换请求发送给频谱经纪人实体，信息包括：如各 网络的接收信号强度、正在使用的业务类型、用户偏好和速度等；频谱经纪人接收到信息号 首先分析各网络的接收信号强度，忽略信号强度不符合条件的网络，对于信号强度符合条件 的网络，利用网络侧的可用带宽、信道占用时间、网络费用等网络属性值，计算终端的属性 权值，运用网络选择方法计算符合条件网络的相对接近程度，选出一个最佳切换目的网络， 并将选择结果返回给次级用户；次级用户根据自身移动速度和接收信号强度控制在原网络和 目标网络之间的切换。

在网络侧的选择过程中，网络选择方法具体为：分析次级用户在移动过程中对网络的选 择，使用多属性决策方法，为此需要首先获取属性权值。本发明提出由层次分析法（AHP） 与信息熵和属性变化趋势相结合来确定，通过信息熵与属性变化趋势相结合的客观权值，修 正由层次分析法（AHP）得到的主观权值。这样，既克服了层次分析法的主观随意性大、计 算粗糙和精度低的缺点，又考虑了网络之间的客观差异，使网络选择结果更准确。

在终端侧的切换控制，本发明提出结合迟滞电平因子和驻留定时因子的联合控制，并使 切换控制条件随速度变化而自适应改变，提高控制切换时的性能。本发明采用对数调整控制 方法或指数调整控制方法动态调整参数，使参数根据终端移动速度的变化而规律改变，对比 性能结果显示中断概率明显降低。

对数调整方法采用以速度变化影响接收信号强度的变化规律调整α和β的相对值，其基 本形式为对数函数。在次级用户移动过程中，通过速度的变化调节α的值，以达到调整迟滞 电平方法比例的目的，而驻留定时方法的控制条件与接收信号强度的相对值大小无关，不调 整驻留定时控制因子β。

指数调整方法采用以速度变化影响速度比值的规律去调整α和β的相对值，其基本形式 为指数函数。在次级用户移动过程中，当v<v_HO时，指数函数的斜率较大，可以比较明显的 调节α和β的值，从而能够使迟滞电平方法和驻留定时方法的性能协调最佳；当v>v_HO时， 指数函数的斜率较小，可以使α和β的值越来越接近，能够使迟滞电平方法和驻留定时方法 的结合趋于平稳。

本发明还考虑到垂直切换具有不对称性，根据向上切换（从WLAN网络向UMTS网络 切换）和向下切换（从UMTS网络向WLAN网络切换），采用不同类型切换判决门限，当为 向下切换时，切换过程容易，为选择型切换，此时WLAN网络为可选网络，次级用户不是必 须切换，其目标是改进QoS，此时增大判决门限，当性能达到要求时再切换。当为向上切换 时，切换过程复杂，次级用户即将离开WLAN网络覆盖，会产生数据损耗，对性能损失会有 很大的影响，为强制型切换，此时降低判决门限，使其更快速及时地切换，以减少传输中断。

本发明的技术方案为，一种异构认知无线电网络中基于速度自适应的联合切换方法，在 网络侧，频谱经纪人实体基于层次分析法根据网络的成本型属性和效益型属性计算网络属性 权值，根据网络属性权值进行网络选择；在终端侧，根据速度变化自适应从原网络向目标网 络切换。频谱经纪人实体计算网络属性权值具体包括：根据异构认知无线电网络的可接入网 络集合，以及每个网络属性集合，建立多属性矩阵，对多属性矩阵进行标准化处理，根据标 准化属性矩阵获得网络第j个属性的信息熵值e_j，根据信息熵值调用公式： 得到网络属性j的熵权值，根据网络第j个属性的归一化主 观权重为εj(j=1,2,…,n)和调用公式：

${\omega }_{\mathrm{ij}}=\frac{{ϵ}_j·{\eta }_j·e^{b_{\mathrm{ij}}-b_{\mathrm{ij}}^n}}{\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}{ϵ}_k·{\eta }_k·e^{b_{\mathrm{ik}}-b_{\mathrm{ik}}^n}},(i=\mathrm{1,2},·,m)(j=\mathrm{1,2},·,n)$获得网络i网络属性j的实际权 值，其中，为前n个属性的b_ij的平均值，根据公式：μ_ij=ω_ij·b_ij对属性的标准化值b_ij进行 加权获得加权属性，根据加权属性计算每个网络与理想网络和最差网络的距离，计算每个网 络与理想网络的相对接近程度，选取相对接近程度值最大的网络为最佳切换目的网络。在终 端侧，终端采用基于迟滞电平因子和驻留定时因子的联合切换控制，根据驻留定时因子和迟 滞电平因子确定切换，当满足公式：$\alpha \frac{D_{\Phi (N-1)}\left(N\right)}{h_y}+\beta \frac{T_{\Phi (N-1)}\left(N\right)}{t_{\mathrm{dw}}}<-\delta ,$终端发出切换控制， 其中，T_Φ(N-1)(N)表示次级用户在网络Ф(N-1)中的停留时间，D_Ф(N1)(N)表示网络Ф(N-1)的 信号强度与切换门限之差，t_dw表示驻留定时因子，h_y表示迟滞电平因子，α表示迟滞电平方 法控制因子，β表示驻留定时方法控制因子，δ为判决门限。

本发明的切换方案根据次级用户的业务需求和网络状况，选择最佳目的网络，更好地控 制切换，减少了次级用户切换的次数和中断概率，改善了次级用户的切换性能，对基于认知 无线电的多个异构无线网络融合具有重要价值。

附图说明

图1异构网络的切换处理过程图；

图2异构网络的接入模型图；

图3异构无线网络的切换分析图；

图4次级用户的平均累计切换次数比较图；

图5不同切换控制方法的次级用户的中断概率比较图；

图6次级用户的平均传输数据量变化图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实例对本发明的实施作具体描述。

图1异构网络的切换处理过程图。本发明针对认知无线电网络的特性，提出了频谱经纪 人辅助选择和次级用户终端控制切换的联合切换方法。在网络侧，频谱经纪人基于层次分析 法AHP，根据可用带宽、信道占用时间、用户偏好、网络费用计算网络属性权值，根据属性 权值进行网络选择；在终端侧，根据速度变化自适应从原网络向目标网络实施切换控制，从 原网络向目标网络进行切换控制。

本发明的异构网络的模型如图2所示，由具有典型代表性的高覆盖低带宽的广域网 UMTS和低覆盖高带宽的WLAN组成异构无线网络。本发明的具体实施方案如下。

当次级用户的位置发生变化，次级用户将频谱切换请求发送给频谱经纪人实体，请求中 包括如各网络的接收信号强度、正在使用的业务类型、用户偏好和速度等的信息。

频谱经纪人实体根据收到的次级用户频谱切换请求，分析各网络的接收信号强度，忽略 信号强度不符合条件的网络，初选信号强度符合条件的网络。

网络侧计算终端的属性权值

对于信号强度符合条件的网络，网络侧计算终端的网络属性值以及相应的属性权值。本 实施例选择可用带宽，信道占用时间，用户偏好和网络费用4个网络属性为例进一步说明：

设有m个符合条件的异构无线网络：X={x₁,x₂,x₃,·,x_m:m个可接入网络集合}，如 UMTS网络、WLAN网络等。设每个网络采用n个判决属性： S={s₁,s₂,s₃,·,s_n:n个网络属性集合}，如络络费用、用户偏好、可用带宽、信道占用时间 等。用a_ij表示网络i（i＝1,2,·,m）的第j（j=1,2,·,n）个属性值，可以得到多属性矩阵A：

$A={\left(a_{\mathrm{ij}}\right)}_{m\times n}=\left(\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& ·& a_{1n}\\ a_{21}& a_{22}& ·& a_{2n}\\ ·& ·& & ·\\ a_{m1}& a_{m2}& ·& a_{\mathrm{mn}}\end{array}\right)---\left(1\right)$

将网络属性按性质分为成本型属性和效益型属性，将网络费用、用户偏好等归为成本型 属性，可用带宽、信道占用时间等为效益型属性。

根据网络属性的性质对多属性矩阵A进行标准化处理。如网络属性为网络费用、用户偏 好等成本型属性，标准化处理采用越小越好型，根据公式：

$b_{\mathrm{ij}}=\frac{\min \left\{a_{\mathrm{ij}}\right|1\le i\le m\}}{a_{\mathrm{ij}}},(i=\mathrm{1,2},·,m)$对矩阵属性值进行标准化处理。

对于网络属性为可用带宽、信道占用时间等效益型属性，标准化处理采用越大越好型， 根据公式：

$b_{\mathrm{ij}}=\frac{a_{\mathrm{ij}}}{\max \left\{a_{\mathrm{ij}}\right|1\le i\le m\}},(i=\mathrm{1,2},·,m)$对矩阵属性值进行标准化处理。

经过上述处理后，得到标准化属性矩阵B：

$B={\left(b_{\mathrm{ij}}\right)}_{m\times n}=\left(\begin{array}{cccc}{b}_{11}& b_{12}& ·& b_{1n}\\ b_{21}& b_{22}& ·& b_{2n}\\ ·& ·& & ·\\ b_{m1}& b_{m2}& ·& b_{\mathrm{mn}}\end{array}\right)---\left(2\right)$

调用公式：

$e_j=-\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}\left(\frac{b_{\mathrm{ij}}}{\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{b}_{\mathrm{ij}}}\right)·\mathrm{In}\left(\frac{b_{\mathrm{ij}}}{\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{b}_{\mathrm{ij}}}\right)}{\mathrm{Inm}},(j=\mathrm{1,2},·,n)---\left(3\right)$计算网络第j个属性的信息熵 值e_j。式（3）中，当x＝0时则使x·Inx＝0。由此得到第j个属性的熵权值：

${\eta }_j=\frac{1-e_j}{\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}(1-e_k)},(j=1,2,·,n)---\left(4\right)$

另外，设每个网络第j个属性的归一化主观权重为ε_j(j=1,2,…,n)，可根据服务质量 （QoS）要求和运营商运营策略设置，它反映了该属性的相对重要程度。

本发明根据各网络属性的动态变化情况。当某个网络属性值正在增加时，就增加这个 属性对应的权值，增加这个属性的影响；反之，当某个属性值正在减少时，就减少这个属性 对应的权值，减少这个属性的影响。因此，结合式（3）和式（4），根据公式：

${\omega }_{\mathrm{ij}}=\frac{{ϵ}_j·{\eta }_j·e^{b_{\mathrm{ij}}-b_{\mathrm{ij}}^n}}{\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}{ϵ}_k·{\eta }_k·e^{b_{\mathrm{ik}}-b_{\mathrm{ik}}^n}},(i=\mathrm{1,2},·,m)(j=\mathrm{1,2},·,n)---\left(5\right)$

获得网络i属性j的实际权值。其中，为前n个属性的b_ij的平均值。

网络侧确定最佳切换目的网络

得到网络属性权值后，根据网络实际权值和属性使用序数偏好法（TOPSIS）确定最佳切 换目的网络。序数偏好法的原则是被选网络与理想解决方法之间的差距最小并且与最差解决 方法的差距最大。确定的理想方法由所有可能的最优属性值构成，最差解决方法则由所有可 能的最差属性值构成。

首先，使用权值ω_ij根据公式：μ_ij＝ω_ij·b_ij对标准化的属性b_ij进行加权获得加权属性。按 照加权结果根据如下公式分别确定理想网络A⁺和最差网络A^-：

A⁺={(maxμ_ij|j∈J),(minμ_ij|j∈K)}(i=1,2,·,m)   （6）

A^-={(minμ_ij|j∈J),(maxμ_ij|j∈K)}(i＝1,2,·,m)   （7）

其中，J是效益型属性的集合，K是成本型属性的集合。

根据加权属性调用公式（8）和（9）计算每个网络与理想网络和最差网络的距离：

$s_i^{+}=\sqrt{\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{({\mu }_{\mathrm{ij}}-{\mu }_j^{+})}^2}---\left(8\right)$

$s_i^{-}=\sqrt{\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{({\mu }_{\mathrm{ij}}-{\mu }_j^{-})}^2}---\left(9\right)$

式中，表示理想网络属性的集合，表示最差网络属性的集合。

根据公式：计算每个网络与理想网络的相对接近程度。选取相对接近程度值最 大的网络为最佳切换目的网络。即选最大值对应的网络：

$A_{\mathrm{TOP}}^{*}=\arg \max c_i^{*},(i=\mathrm{1,2},·,m)---\left(10\right)$

终端速度自适应的切换控制

在从网络侧得到最佳目的网络后，次级用户就需要考虑在什么条件下进行切换。由于 UMTS一般覆盖区域广，WLAN常以孤岛形式分布在UMTS覆盖区域中，因此，需要重点解 决的是次级用户出入WLAN两侧的切换。

如附图3所示，终端侧次级用户根据网络接收信号强度确定切换门限，当次级用户距离 WLAN网络i的AP距离为di时，WLAN网络的接收信号强度为：

RSS_i=RSS(d_i)=K₁-K₂lg(d_i)+Ω(d_i)   （11）

式中，K₁表示信道传输和接收天线增益，K₂表示环境乘性特性，Ω(d)表示零均值高斯白噪 声。

设RSS₀=K₁-K₂lg(r)+Ω(r)为切换门限值，r为切换门限距离。定义D_i=RSS_i-RSS₀， 当d=r时，D=0_i。令Ф(N)为第N个采样点（时刻）的网络选择，则

所以，当不同时刻X和Y，如果Ф(X)≠Ф(Y)(X<Y)，意味着在X时刻网络选择Ф(X) 和Y时刻网络选择Ф(Y)不同，说明至少发生了一次切换。特殊地，Ф(X)·Ф(Y)>0表示发生 了水平切换；Ф(X)·Ф(Y)<0表示发生了垂直切换。

特殊地，当次级用户从UMTS网络进入WLAN网络时，只要存在WLAN网络i的接收 信号强度满足RSS_i(N)>RSS₀+h_y，就从UMTS网络切换到WLAN网络，当次级用户从WLAN 网络i离开时，需要RSS_i(N)<RSS₀-h_y才会发生切换。参数h_y表示迟滞电平因子。

终端切换可采用基于迟滞电平因子和驻留定时因子的联合切换控制。

设T_i(N)表示次级用户在WLAN网络i中的停留时间，当T_i(N)>0时，表示RSS_i>RSS₀的持续时间；当T_i(N)<0时，表示RSS_i<RSS₀的持续时间。

则基于迟滞电平因子和驻留定时因子的联合切换控制方案为：

当Ф(N-1)≠Ф(N)，根据驻留定时因子和迟滞电平因子，当满足公式（13）终端发生 切换。

$\alpha \frac{D_{\Phi (N-1)}\left(N\right)}{h_y}+\beta \frac{T_{\Phi (N-1)}\left(N\right)}{t_{\mathrm{dw}}}<-\delta ---\left(13\right)$

式中，D_Ф(N1)(N)为第N个采样点（时刻）网络Ф(N-1)的信号强度与切换门限值的差， T_Φ(N-1)(N)为第N个采样点（时刻）网络Ф(N-1)的停留时间，参数t_dw表示驻留定时因子，参 数α表示迟滞电平方法控制因子，参数β表示驻留定时方法控制因子，δ为动态判决门限。

如图3所示为异构无线网络切换分析图。通常情况，取α=β=1，下面我们给出速度自 适应的参数α、β、δ的动态确定方法。可采用对数调整方法或指数调整方法确定参数α、β。 对数调整方法确定参数α、β：

当d=d⁺（d⁺<r）时，可以得到：

RSS(d⁺)-RSS₀＝K₂lg(r)-K₂lg(d⁺)＝h_y   （14）

用v表示次级用户速度，令d=r-v·t_dw，可取

$\alpha =\frac{1g\left(d^{+}\right)}{1g|r-v·t_{\mathrm{dw}}|},\beta =1---\left(15\right)$

指数调整方法确定参数α、β的方法：

当d=d^-（d^->r）时，可以得到：

RSS₀-RSS(d^-)=K₂log(d^-)-K₂log(r)=h_y   （18）

设代表迟滞电平方法与驻留定时方法的性能分界点速度，采用v/v_HO比 值调整两种方法的比例。由于在v<v_HO时，迟滞电平方法比驻留定时方法的性能差，需要增 大速度变化对迟滞电平方法与驻留定时方法比例的调节；而在v>v_HO时，基本以迟滞电平方 法的性能为主。

为了使速度变化对迟滞电平方法与驻留定时方法的调节变得平稳，综上分析，可取

$\alpha =1+e^{-\frac{2v·t_{\mathrm{dw}}}{d^{-}-d^{+}}},$$\beta =1-e^{-\frac{2v·t_{\mathrm{dw}}}{d^{-}-d^{+}}}---\left(19\right)$

最后，本发明采用动态判决门限δ来调整控制条件：

$\delta =\left(\begin{array}{cc}1+\theta & \mathrm{UMTS}\to \mathrm{WLAN}\\ 1-\theta & \mathrm{WLAN}\to \mathrm{UMTS}\\ 1& \mathrm{ELSE}\end{array}\right)---\left(20\right)$

根据服务质量要求，本发明中考虑传输数据量和中断概率的要求，一般取0<θ<0.5。

本发明使用MATLAB软件进行仿真实验。UMTS网络和WLAN网络设置分别按照3GPP 和IEEE802.11标准，其它仿真参数如下：R=150m，d⁺=120m，d^-=140m，r=129.6m， 采样频率间隔T=0.05s，驻留定时因子t_dw=5s，感知用户的初始速度v=30m/s。设定UMTS 网络的总带宽为2Mbps，WLAN网络的总带宽为11Mbps。仿真结果如附图图4、图5和图6， 其中：AHP+TOPSIS为文献[3]中算法，SAE+TOPSIS为文献[2]中算法，MODM为文献（石 文孝等.基于多目标决策的异构无线网络接入选择算法）中算法，而本发明方法用 AHP+TOPSIS改进方法表示。图4、图5和图6显示本发明有效地减少次级用户的切换次数 和中断概率，提高了传输数据量。