多終端協(xié)同接入網(wǎng)絡(luò)選擇算法研究*

陳美娟,朱曉榮

（南京郵電大學(xué)江蘇省無線通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210003）

1 引言

隨著接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的多樣化，一個(gè)用戶擁有多個(gè)通信終端已經(jīng)比較常見，這些終端設(shè)備可能通過蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、固定通信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)、家庭網(wǎng)獲得所需的業(yè)務(wù)。讓用戶放棄已有所有終端，換一部全功能的終端不太可行，反之，在不改變用戶習(xí)慣的情況下，充分利用已有終端，通過多終端的協(xié)同工作，為用戶提供所需業(yè)務(wù)，使用戶享受到ABC(always best connect)[1]服務(wù)是一個(gè)值得研究的課題。

本文首先介紹虛擬終端的概念，然后介紹多終端協(xié)同情況下業(yè)務(wù)的提供方法，接著分析了多終端協(xié)同網(wǎng)絡(luò)選擇的特點(diǎn)，提出了多終端協(xié)同接入網(wǎng)絡(luò)選擇（collaborative access network select，CANS）算法，分析了算法性能，最后總結(jié)全文。

2 虛擬終端

多個(gè)具有通信功能的終端設(shè)備，因?yàn)槟撤N業(yè)務(wù)的需要，臨時(shí)形成一個(gè)“大終端”，當(dāng)業(yè)務(wù)結(jié)束后各終端設(shè)備就解體。稱這種終端設(shè)備組為虛擬終端 （virtual terminal，VT）。VT有4個(gè)主要特點(diǎn)：第一個(gè)是VT中每個(gè)成員具有通信功能，例如手機(jī)、PC、PDA等，成員可以是單?；蛘叨嗄?；第二個(gè)是VT中有一個(gè)成員作為主控設(shè)備（master），負(fù)責(zé)VT與外部的通信，同時(shí)可管理VT內(nèi)部各成員之間的通信；第三個(gè)是VT中每個(gè)成員都可以成為主控設(shè)備，最終哪個(gè)成為主控設(shè)備，由成員之間通過一種簡(jiǎn)單的協(xié)議商定；第四個(gè)是VT中的成員協(xié)同完成業(yè)務(wù)，任務(wù)完成后VT解體[2]。VT成員之間的短距離通信不屬于本文研究的內(nèi)容。

3 多終端協(xié)同業(yè)務(wù)提供方法

為方便說明問題，首先給出虛擬終端時(shí)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，然后介紹多終端協(xié)同的業(yè)務(wù)提供方法。

3.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖1為虛擬終端時(shí)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從下往上依次是終端層、接入層、控制層和服務(wù)層。與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的主要區(qū)別在終端層、控制層和服務(wù)層，終端層提供虛擬終端功能，控制層有網(wǎng)絡(luò)控制（network controller，NC）平臺(tái)，服務(wù)層有服務(wù)控制（service controller，SC）平臺(tái)。

UE1～UE5均具有短距離通信功能 （例如藍(lán)牙）；UE1為高清電視機(jī)；UE2～UE5支持多種無線接口。UE2和UE4具有接入 AN1和AN4的能力，UE3具有接入 AN2和AN4的能力，UE5具有接入 AN1、AN2和AN4的能力。

3.2 業(yè)務(wù)提供方法

用戶希望通過高清電視機(jī)UE1看一部高清電影，因?yàn)閁E1只有短距離通信功能，它發(fā)送廣播消息給它可見的終端 UE2～UE5，通過協(xié)商，UE4成為本次任務(wù)的主控設(shè)備，UE2～UE5愿意共同完成這項(xiàng)任務(wù)，于是，UE1～UE5構(gòu)成一個(gè)虛擬終端。UE4向網(wǎng)絡(luò)控制器NC發(fā)送業(yè)務(wù)請(qǐng)求，請(qǐng)求下載某高清電影，消息中包含UE2～UE5的一些參數(shù)，例如支持的接入網(wǎng)絡(luò)、用戶的偏好、接收到的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度等。

NC接收到請(qǐng)求消息后，執(zhí)行CANS算法，結(jié)果是UE2接入 AN1、UE3接入 AN2、UE4接入 AN4、UE5接入 AN2。

NC執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)選擇算法后，向服務(wù)控制平臺(tái)SC發(fā)送請(qǐng)求下載某視頻的請(qǐng)求，SC找到視頻所在的媒體服務(wù)器1（MS1），將MS1的地址發(fā)送給NC。最后NC發(fā)送網(wǎng)絡(luò)選擇結(jié)果以及MS1的地址給UE4。

上述虛擬終端的業(yè)務(wù)提供方法如圖2所示。

UE2～UE5下載視頻可以采用Pull或Push方式。Pull方式，即UE2～UE4分別通過網(wǎng)絡(luò)選擇確定的AN發(fā)送下載視頻的請(qǐng)求；Push方式，即MS1主動(dòng)發(fā)送媒體流給UE2～UE4。這不屬于本文討論的內(nèi)容。

UE2～UE5接收到視頻流后，通過短距離通信的方式傳遞給UE1，UE1整理視頻流數(shù)據(jù)后呈現(xiàn)給用戶。

圖2 多終端協(xié)同業(yè)務(wù)提供方法

4 多終端協(xié)同網(wǎng)絡(luò)選擇算法的特點(diǎn)及應(yīng)用

4.1 多終端協(xié)同網(wǎng)絡(luò)選擇的特點(diǎn)

網(wǎng)絡(luò)選擇是一個(gè)組合優(yōu)化問題，已有較多文獻(xiàn)對(duì)此進(jìn)行研究[3～8]，通常采用多屬性決策（multiple attribute decision making，MADM）方 法 ，例 如 SAW[3]、GRA[4]、ELECTRE[5]、TOPSIS[6]、AHP[7]、WMC[8]等。已有算法針對(duì)單個(gè)終端穿越多個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，選擇一個(gè)最佳的網(wǎng)絡(luò)用于垂直切換。

圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本文研究的接入網(wǎng)絡(luò)選擇有4個(gè)特點(diǎn)，一是針對(duì)多個(gè)終端；二是多終端協(xié)同完成同一項(xiàng)業(yè)務(wù)；三是需要從M個(gè)候選網(wǎng)絡(luò)中選擇出N個(gè)（N≤M）作為激活網(wǎng)絡(luò)。以上特點(diǎn)表明本文研究問題與以往不同，此時(shí)需要考慮多個(gè)終端同時(shí)選擇多個(gè)網(wǎng)絡(luò)，一方面決定選擇哪幾個(gè)接入網(wǎng)絡(luò)，另一方面決定各終端工作于哪種模式。網(wǎng)絡(luò)選擇的結(jié)果有兩種，一是選擇的y個(gè)終端接入到y(tǒng)個(gè)網(wǎng)絡(luò)（當(dāng)y≤M時(shí)），即各終端接入不同的接入網(wǎng)絡(luò)；另一個(gè)是選擇的y個(gè)終端接入到N個(gè)網(wǎng)絡(luò)（當(dāng)N≤y時(shí)），即有多個(gè)終端接入到同一個(gè)接入網(wǎng)絡(luò)。

多終端協(xié)同接入網(wǎng)絡(luò)選擇可以借鑒已有網(wǎng)絡(luò)選擇算法，因?yàn)榭紤]較多接入網(wǎng)絡(luò)和較多終端，所以選擇計(jì)算量較小的方法。另外需要注意的是，當(dāng)多個(gè)終端選擇同一接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，某些網(wǎng)絡(luò)參數(shù)會(huì)改變。

4.2 多終端協(xié)同網(wǎng)絡(luò)選擇算法

多終端協(xié)同網(wǎng)絡(luò)選擇，網(wǎng)絡(luò)控制平臺(tái)確定若干個(gè)網(wǎng)絡(luò)選擇參數(shù)，對(duì)候選的多個(gè)接入網(wǎng)絡(luò)，形成決策矩陣A=(aij)M×N，M為接入網(wǎng)絡(luò)數(shù)目，N為網(wǎng)絡(luò)選擇參數(shù)數(shù)目，aij表示第i個(gè)網(wǎng)絡(luò)第j個(gè)參數(shù)的取值。對(duì)A標(biāo)準(zhǔn)化后得到矩陣B=(bij)M×N，對(duì)于效益型參數(shù)；對(duì)于成本型參數(shù)

本文基于SAW和MEW（指數(shù)權(quán)重法）[9]算法，SAW算法目標(biāo)函數(shù)為wj是參數(shù)j的權(quán)重MEW算法目標(biāo)函數(shù)為當(dāng)有一個(gè)終端選擇接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，記前述決策矩陣為A1，計(jì)算所有接入網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)函數(shù)記為F1=[f11,f12,…,f1M]。當(dāng)有兩個(gè)終端選擇同一個(gè)接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，某些網(wǎng)絡(luò)參數(shù)會(huì)變化，記參數(shù)改變后的決策矩陣為A2，為便于比較，aj+和aj-用最初的值，同理計(jì)算此時(shí)的目標(biāo)函數(shù)，記為F2；有D個(gè)終端選擇同一個(gè)接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，同理得到A3,A4,…,AD，也計(jì)算出目標(biāo)函數(shù)F3,F4,…,FD，矩陣F如式（1）所示。

對(duì)于同一接入網(wǎng)絡(luò)來說，隨著接入終端數(shù)目的增加，目標(biāo)函數(shù)呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，因此，將所有目標(biāo)函數(shù)按照從大到小排列，形成數(shù)組S，排在S前面的目標(biāo)函數(shù)所對(duì)應(yīng)的接入網(wǎng)絡(luò)將被選擇。

對(duì)于終端來說，其支持的接入網(wǎng)絡(luò)可用多維數(shù)組TN來表示，包括tn1,tn2,…,tnd，D為終端數(shù)目。例如前述的UE2～UE5，則tn2={AN1,AN4}，tn3={AN2,AN4}，tn4={AN1,AN4}，tn5={AN1,AN2,AN4}。由此形成終端-網(wǎng)絡(luò)矩陣Z=(zij)，zij取值為0或者1，如果zij=1，說明終端i可以選擇接入網(wǎng)絡(luò)j。根據(jù)示例的數(shù)組TN可以得到Z矩陣如式（2）所示。

假設(shè)S=[f11,f12,f22,f13,f23,f14,…]，則網(wǎng)絡(luò)選擇順序依次是 AN1，AN2，AN2，AN3，AN3，AN4……Z矩陣的第一列有 3個(gè)“1”，說明有3個(gè)終端支持AN1，因?yàn)槭走x的接入網(wǎng)絡(luò)是AN1，所以Z矩陣按照從上到下，選擇UE2接入AN1；次選網(wǎng)絡(luò)是AN2，對(duì)應(yīng) Z陣第二列有兩個(gè)“1”，選擇UE3接入 AN2；第3個(gè)可選的網(wǎng)絡(luò)還是AN2，選擇UE5接入AN2；下一個(gè)可選的網(wǎng)絡(luò)是AN3，沒有終端支持AN3，本輪落空；下一個(gè)可選的網(wǎng)絡(luò)還是AN3，本輪也落空；再下一個(gè)可選的網(wǎng)絡(luò)是AN4，選擇UE4接入AN4。依次類推，網(wǎng)絡(luò)選擇結(jié)果可用多維數(shù)組P表示為p2={AN1}，p3={AN2}，p4={AN4}，p5={AN5}……

多終端協(xié)同網(wǎng)絡(luò)選擇算法流程如圖3所示。

圖3 多終端協(xié)同網(wǎng)絡(luò)選擇算法流程

本文提出的算法在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)選擇參數(shù)中，受接入終端數(shù)目影響的參數(shù)是可用帶寬（AB）和系統(tǒng)負(fù)荷（U）。隨著接入同一網(wǎng)絡(luò)的終端數(shù)目的改變，AB和U也將改變，AB將被修改為：ABcurrent=AB/num，AB和ABcurrent分別為最初的和多個(gè)終端接入后的可用帶寬，num為接入的終端數(shù)，也是計(jì)算目標(biāo)函數(shù)的次數(shù)，如第二次計(jì)算則num=2。系統(tǒng)負(fù)荷將被修改為：Ucurrent=U+Brequest/ABcurrent，U和Ucurrent分別為最初的和多個(gè)終端接入后的系統(tǒng)負(fù)荷，Brequest為請(qǐng)求的業(yè)務(wù)帶寬。

4.3 仿真分析

仿真中假設(shè)需要網(wǎng)絡(luò)選擇的終端設(shè)備有4個(gè)，即D=4；網(wǎng)絡(luò)控制平臺(tái)接收到6個(gè)接入網(wǎng)絡(luò)的信息，即M=6；網(wǎng)絡(luò)選擇參數(shù)有8個(gè)，即N=8，分別是可用帶寬AB、總帶寬TB、終端接收到的信號(hào)強(qiáng)度SS、系統(tǒng)負(fù)荷U、延遲DE、抖動(dòng)J、分組丟失率L和代價(jià)C。各參數(shù)取值如表1所示。

各參數(shù)的權(quán)重包括客觀和主觀兩部分，客觀權(quán)重采用熵值法[10]計(jì)算，主觀權(quán)重簡(jiǎn)單給出，參數(shù)客觀權(quán)重與主觀權(quán)重的乘積歸一化后為最終權(quán)重。

主觀權(quán)重有3種情況：CASE1為所有參數(shù)權(quán)重相同；CASE2設(shè)參數(shù)AB和L合計(jì)占70%的權(quán)重，其他參數(shù)占30%的權(quán)重，即針對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的環(huán)境；CASE3設(shè)參數(shù)AB、D、J合計(jì)占70%的權(quán)重，其他參數(shù)占30%的權(quán)重，即針對(duì)語音業(yè)務(wù)的環(huán)境。

圖4給出了多終端接入網(wǎng)絡(luò)選擇的結(jié)果，圖中給出了選擇結(jié)果的前6個(gè)接入網(wǎng)絡(luò)。例如圖（b）說明在CASE2情況下，SAW算法的網(wǎng)絡(luò)選擇結(jié)果依次是AN6、AN4、AN6、AN5、AN4、AN6，MEW算法的網(wǎng)絡(luò)選擇結(jié)果依次是AN6、AN4、AN5、AN6、AN4、AN4。

圖5比較了不同算法時(shí)的吞吐量，可以看出，隨著協(xié)同工作的終端數(shù)目的增加，業(yè)務(wù)吞吐量會(huì)增加。在CASE1情況下，當(dāng)終端數(shù)小于或等于2個(gè)時(shí)，SAW算法的吞吐量等于或大于MEW；當(dāng)終端數(shù)為3、4、5個(gè)時(shí)，兩者吞吐量相同；當(dāng)終端數(shù)為6時(shí)，MEW吞吐量大于SAW。在CASE2和CASE3情況下，當(dāng)終端數(shù)小于等于2個(gè)時(shí)，兩種算法吞吐量相同；當(dāng)終端數(shù)為3個(gè)時(shí)，MEW吞吐量大于SAW；當(dāng)終端數(shù)大于3個(gè)后，兩者吞吐量相同。

表1 網(wǎng)絡(luò)選擇參數(shù)取值

圖4 多終端協(xié)同接入網(wǎng)絡(luò)選擇結(jié)果

圖5 吞吐量比較

圖6 代價(jià)比較

圖6比較了兩種算法在不同情況下的代價(jià)，可以看出，在CASE1情況下，當(dāng)終端數(shù)小于3個(gè)時(shí)，MEW代價(jià)低于SAW，當(dāng)終端數(shù)等于6時(shí)，MEW代價(jià)高于SAW。在CASE2和CASE3情況下，當(dāng)終端數(shù)小于3個(gè)時(shí)，兩種算法的代價(jià)相同，當(dāng)終端數(shù)為3個(gè)時(shí)，MEW代價(jià)高于SAW，當(dāng)終端數(shù)大于3個(gè)時(shí)，兩種算法代價(jià)相同。

圖7比較了本文提出的算法與隨機(jī)選擇法，選擇CASE2情況下，終端數(shù)為4個(gè)。當(dāng)隨機(jī)選擇接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，每次選中的網(wǎng)絡(luò)都可能不一樣，本次隨機(jī)取樣為AN4、AN2、AN2和AN1?？梢钥闯觯疚奶岢龅乃惴ㄆ渫掏铝窟h(yuǎn)高于隨機(jī)法，但同時(shí)付出了較大的代價(jià)。

5 結(jié)束語

圖7 CANS與隨機(jī)法比較

普遍存在的網(wǎng)絡(luò)和越來越多的智能終端，提高了人們的生活質(zhì)量。網(wǎng)絡(luò)選擇問題已經(jīng)從原來的一個(gè)終端穿越多個(gè)網(wǎng)絡(luò)或在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)中選擇一個(gè)最佳的網(wǎng)絡(luò)接入，發(fā)展到虛擬終端情況下多終端協(xié)同的接入網(wǎng)絡(luò)選擇。本文分析了存在虛擬終端的網(wǎng)絡(luò)中，在網(wǎng)絡(luò)控制平臺(tái)處執(zhí)行多終端協(xié)同的接入網(wǎng)絡(luò)選擇算法，該算法實(shí)現(xiàn)了在多個(gè)候選的網(wǎng)絡(luò)中選擇出若干個(gè)接入網(wǎng)絡(luò)供多個(gè)終端使用，保證了整體目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)化。多終端協(xié)同的接入網(wǎng)絡(luò)選擇剛剛開始研究，還有許多問題需要解決，今后將對(duì)移動(dòng)情況下多終端協(xié)同的接入網(wǎng)絡(luò)選擇算法進(jìn)行研究。

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