0 引言

    在通信發(fā)展的過程中產(chǎn)生了多種通信方式，通信技術(shù)層出不窮，每種通信類型都有其存在的意義，都有其獨特的優(yōu)勢。因此多種通信方式間的融合問題成為值得研究的方向。針對GMR-1 Release3衛(wèi)星通信與FDD-LTE系統(tǒng)間切換研究較少的情況，設(shè)計這兩種系統(tǒng)間的聯(lián)合切換策略。

    GMR-1全稱GEO-Mobile Radio interface specifications，GMR-1標(biāo)準是基于GSM或3G核心網(wǎng)的GEO衛(wèi)星系統(tǒng)的空中接口規(guī)范^[1]。GMR-1標(biāo)準已經(jīng)商用，應(yīng)用此標(biāo)準的有Thuraya（舒拉亞）系統(tǒng)等。隨著陸地蜂窩移動通信系統(tǒng)的發(fā)展，GMR-1標(biāo)準在演進過程中產(chǎn)生了三個版本：Release1、Release2、Release3。Release3是Release2演進過程中的增強版本，基于3G標(biāo)準而來。FDD-LTE技術(shù)為頻分雙工模式，采用成對的頻譜。FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)已在歐洲北美等國家正式商用，使用此制式的運營商多為主流運營商，其產(chǎn)業(yè)鏈成熟，具有很好的發(fā)展前景。為了更好地適應(yīng)社會的發(fā)展，研究4G與GMR-1網(wǎng)絡(luò)間的切換判決策略具有長遠的意義。

1 系統(tǒng)間切換概述

    系統(tǒng)間切換是不同接入技術(shù)網(wǎng)絡(luò)間的垂直切換，其垂直切換又可以分為向上垂直切換和向下垂直切換。移動終端在隨機移動過程中，用戶終端需要時刻滿足“ABC”準則（always-best-connected）來為用戶提供最佳的服務(wù)^[2]。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)出現(xiàn)以下情形時，將執(zhí)行垂直切換。

    (1)終端移出當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)，進入另一種網(wǎng)絡(luò)；

    (2)終端已選擇一個網(wǎng)絡(luò)，但為了服務(wù)趨勢垂直切換到另一覆蓋網(wǎng)絡(luò)；

    (3)終端選擇一個系統(tǒng)，為了網(wǎng)絡(luò)負載的優(yōu)化，需要垂直切換到另一系統(tǒng)。

2 TOPSIS算法

    TOPSIS（逼近理想點排序法）基本原則是所選網(wǎng)絡(luò)與理想網(wǎng)絡(luò)方案差距最小并且與最差網(wǎng)絡(luò)方案差距最大[3]。其所有理想?yún)?shù)值構(gòu)成理想方案，所有最差參數(shù)值構(gòu)成最差方案。對于n個屬性m個網(wǎng)絡(luò)的多屬性決策問題看成幾何系統(tǒng)中的n維空間m個節(jié)點的問題進行處理，求取系統(tǒng)的最優(yōu)解，最優(yōu)解的選取通過比較被選網(wǎng)絡(luò)與理想網(wǎng)絡(luò)之間在幾個空間具有的最小Euclid（歐幾里得）距離的方案^[4]。

其中，A_target為所選的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)；Bi為被選網(wǎng)絡(luò)與理想網(wǎng)絡(luò)之間的差距，表示被選網(wǎng)絡(luò)解決方案與理想網(wǎng)絡(luò)解決方案的貼近程度^[5-6]。

    TOPSIS算法步驟：

    （1）建立標(biāo)準化矩陣。對各項決策參量進行歸一化，這個步驟將各種類型的決策參量轉(zhuǎn)化為無量綱的參量，得到標(biāo)準化矩陣R。每個屬性都具有長度相同的向量。決策矩陣R中的元素r_ij計算公式：

    （4）計算各方案與理想解和負理想解之間的距離。與理想解和負理想解方案之間的距離可以通過n維Euclid距離來計算。各方案與理想解之間的距離為^[8]：

各方案與負理想解之間的距離：

3 聯(lián)合切換判決

    通過比較GMR-1和FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)與理想方案的距離大小來選擇接入到哪一種網(wǎng)絡(luò)。假設(shè)FDD-LTE代表網(wǎng)絡(luò)1，GMR-1代表網(wǎng)絡(luò)2。將網(wǎng)絡(luò)的RSSI（接收信號強度）、帶寬、時延、費用、滿意度5個屬性作為TOPSIS算法的輸入，對輸出網(wǎng)絡(luò)進行切換判決。系統(tǒng)模型如圖1所示。

    采用雙模移動終端作為終端的類型，與GMR-1和FDD-LTE兩種網(wǎng)絡(luò)進行通信，但同一時刻只能與其中一種網(wǎng)絡(luò)進行連接。對FDD-LTE采用經(jīng)典的Log-linear路徑損耗模型作為通信模型進行分析，并考慮到陰影衰落對接收信號強度的影響。接收信號強度RSSI為^[9]：

其中，d表示終端和BS（Base Station）之間的距離；P_t為信號的發(fā)射功率，單位為dBm；L為傳播過程中產(chǎn)生的路徑損耗；n為路徑損耗因子，其取值的范圍[2-4]之間；N(μ，σ)為高斯隨機變量，其均值為μ，標(biāo)準差為σ。對接收信號強度進行離散化，以T_s為周期對設(shè)計的連續(xù)的接收信號進行抽樣。

其中k表示時間序列。RSS(k)，S_RSS(k)的單位為dBm。

    d表示在k時刻移動終端和BS之間的距離，在計算接收信號強度的過程中，距離是影響其變化的唯一因素。在運動過程中，假設(shè)移動臺以一定的速度v遠離BS基站，向衛(wèi)星波束中心靠近。在通信過程中，移動終端從一種網(wǎng)絡(luò)進入另外一種網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生切換的依據(jù)因素很多，RSSI（接收信號強度）是其中關(guān)鍵的一個參量。針對RSSI的計算，采用對時間連續(xù)的接收信號強度進行抽樣，在一定時間內(nèi)，測定離散抽樣值作為接收信號強度的測量。

    仿真采用RSSI（接收信號強度）、帶寬、時延、費用、滿意度5個屬性作為TOPSIS算法的輸入，這些參數(shù)是時刻變化的，為了仿真的方便，對算法輸入網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進行部分固定。假定FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)帶寬40 Mbps，時延20 ms，費用0.2，滿意度0.7；GMR-1網(wǎng)絡(luò)帶寬10 Mb/s，時延400 ms，費用0.5，滿意度0.4。接收信號強度是時刻變化的，計算判決因子對輸出網(wǎng)絡(luò)進行切換判決。

3.1 算法流程

    基于TOPSIS的聯(lián)合切換判決策略如圖2所示，由圖2可以看出，F(xiàn)DD-LTE向GMR-1切換時，切換判決在切換定時器周期內(nèi)，要滿足總接收信號強度大于能量門限并且時間也要滿足響應(yīng)的限制，采用此種策略切換更加準確。

3.2 接收信號強度測量

    假設(shè)移動終端以速度v均勻地移動，用周期T_s間隔時間對RSSI進行抽樣，在周期T_s的時間內(nèi)，移動臺移動的距離為d_l=v×T_s，平均接收信號強度為：

其中，為平均接收信號強度；P₀為P_T與信號功率損耗的差值，P₀=P_T-L；n為路徑損耗因子。

    在垂直切換判決策略設(shè)計中，通過引入切換定時器（Handoff Timer）來對切換進行控制，盡量減少乒乓效應(yīng)對系統(tǒng)的影響。在一個切換計時周期T內(nèi)，計算累積接收信號強度。在T內(nèi)抽樣的次數(shù)為L（T=LT_s），其接收信號強度累積之和為：

式中，j的取值范圍為j∈{1，…，J}，J為在一個切換周期內(nèi)抽樣得到的接收信號強度大于接收信號門限RSSth的次數(shù)，1≤J≤L。是服從正態(tài)分布的隨機變量，因此，S為J個正態(tài)隨機變量之和。切換判決的重要依據(jù)之一就是累積接收信號強度S>Q，其中Q為能量門限。即可為系統(tǒng)間切換提供一定的延遲時間來減少乒乓效應(yīng)。

3.3 滿意度因子

    每種網(wǎng)絡(luò)的滿意度因子可以按照抽樣接收信號強度和平均接收信號強度下降速率和滿足某種應(yīng)用的QoS值之間關(guān)系來計算。其滿足某種應(yīng)用QoS的持續(xù)時間估計網(wǎng)絡(luò)的滿意度因子：

其中，D_RSS為接收信號強度平均下降速率，可以通過數(shù)學(xué)公式計算為滿足某種應(yīng)用的QoS需求；T_s[k]表示按照目前的平均接收信號強度下降速率能夠維持這種應(yīng)用的持續(xù)時間，表示網(wǎng)絡(luò)的滿意度因子。

4 仿真

4.1 仿真參數(shù)

    仿真參數(shù)如表1所示。

4.2 仿真結(jié)果

    移動終端的切換次數(shù)定義為N_handoff，其切換次數(shù)可以通過移入和移出轉(zhuǎn)移概率得到^[9]。

式中，n為MES切換時刻索引。

    從平均切換次數(shù)仿真圖3（a）可以看出，基于TOPSIS算法的聯(lián)合垂直切換算法相對與傳統(tǒng)的算法有很大的改善?；赥OPSIS的聯(lián)合垂直切換算法的平均切換次數(shù)大約在2次左右，而基于滯后余量的傳統(tǒng)垂直切換算法的平均切換次數(shù)明顯高于改善的算法。隨著移動終端速度逐漸升高，基于滯后余量的垂直切換算法平均切換次數(shù)逐漸降低。速度較小時，平均切換次數(shù)降低速率大；速度較大時，平均切換次數(shù)降低速率小?；赥OPSIS的聯(lián)合垂直切換算法有效降低了乒乓效應(yīng)，切換次數(shù)得到了明顯的改善。

    從圖3（b）可以看出，采用基于TOPSIS的聯(lián)合垂直切換算法，移動終端可以獲得的FDD-LTE可用帶寬從19.2 Mb/s～21.6 Mb/s。而采用基于滯后余量的垂直切換算法，終端可以獲得的可用帶寬從14 Mb/s～17.5 Mb/s。當(dāng)采用同樣的速度時，采用改善的聯(lián)合垂直切換算法比傳統(tǒng)算法可用帶寬大4 Mb/s。

    在性能評估過程中，用戶可以通過線頭（Head of Line，HoL）分組時延來估計用戶的滿意程度。當(dāng)移動臺的接收信號強度降低到一定程度時，其分組時延影響QoS的感知。

    從圖4（a）分組時延概率可以看出，采用基于TOPSIS的聯(lián)合垂直切換算法，其HoL分組時延遠遠大于傳統(tǒng)的切換算法。這是因為移動終端在FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)的邊緣時，信號強度和信道條件極大的惡化，而FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)先級高，采用TOPSIS的垂直切換算法致使移動臺還在繼續(xù)使用FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)，使得其分組時延變大。

    圖4(b)為GoS（Grade of Service）圖，QoS不能直接獲得，GoS很方便得到，在一定程度可以表征QoS。

其中，K為服務(wù)終端產(chǎn)生的代價；P_hf為切換失敗的概率；P_nb為新服務(wù)阻塞的概率。采用基于TOPSIS的聯(lián)合垂直切換算法GoS的值明顯比傳統(tǒng)切換算法低。隨著業(yè)務(wù)量的增加，基于滯后門限的切換算法GoS的增長率比聯(lián)合切換算法更大一些。

    綜上所述，采用基于TOPSIS的垂直切換算法可以有效地降低移動臺的平均切換次數(shù)，提高FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬，GoS（服務(wù)等級）有所提升。但這是有代價的，其增加了分組時延的概率來換取這些性能的提高。

5 總結(jié)

    針對衛(wèi)星通信GMR-1和4G蜂窩通信FDD-LTE系統(tǒng)間切換問題進行研究，設(shè)計了一種基于TOPSIS的聯(lián)合切換策略。此策略考慮多種屬性參數(shù)，仿真分析得出相對于基于滯后門限的切換策略，平均切換次數(shù)大大降低，網(wǎng)絡(luò)可用帶寬變大，服務(wù)等級升高，然而代價為分組時延有所升高。下一步，將對業(yè)務(wù)類型劃分研究切換策略的性能。

參考文獻

[1] 范志勇.GMR通信系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)處理的設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京：北京交通大學(xué)，2014.

[2] 柴榮.下一代網(wǎng)絡(luò)移動性管理技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2012.

[3] 賀昕，李斌.異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)切換技術(shù)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2008(6).

[4] 張繼榮，高盈.基于TOPSIS的自適應(yīng)垂直切換算法研究[J].西安郵電大學(xué)學(xué)報，2013(01)：22-25.

[5] LAHBY M，CHERKAOUI L，ADIB A.An enhanced-TOPSIS based network selection technique for next generation wireless networks[C].Telecommunications(ICT)，2013 20th International Conference on，2013.

[6] TAIWO O A，F(xiàn)ALOWO O E.Comparative analysis of algorithms for making multiple-sessions handover decisions in next generation wireless networks[C].AFRICON，2013.

[7] DRISSI M，OUMSIS M.Performance evaluation of multi-criteria vertical handover for heterogeneous wireless networks[C].Intelligent Systems and Computer Vision(ISCV)，2015.

[8] KARAM F W，JENSEN T.Performance analysis of ranking for QoS handover algorithm for selection of access network in heterogeneous wireless networks[C].Computer Communications and Networks(ICCCN)，2012 21st International Conference on，2012.

[9] 李軍.異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合理論與技術(shù)實現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.