一種異構網絡中基于模糊邏輯的流切換方法
【專利摘要】本發明涉及一種異構網絡中基于模糊邏輯的流切換方法，屬于通信網絡中的異構網絡技術領域。該方法包括如下步驟：1)將模糊邏輯理論應用在流切換觸發階段，并設置相應的模糊規則，通過模糊推理得出觸發的切換類型，包括：強制切換、不切換、阻塞和恢復，設計出基于模糊邏輯的流切換觸發模塊；2)設計出流切換代價函數模型，計算業務流切換的代價；3)利用計算出的業務流切換代價為需要執行強制切換的業務確定切換目標網絡，最后完成切換；該方法通過引入模糊邏輯理論擬在保證業務QoS的同時減少業務流的強制切換次數，避免當前網絡能滿足業務QoS需求的情況下所觸發的強制切換，減少乒乓效應，以提高網絡的切換性能。
【專利說明】
-種異構網絡中基于模糊還輯的流切換方法
技術領域
[0001] 本發明屬于通信網絡中的異構網絡技術領域，設及一種異構網絡中基于模糊邏輯 的流切換方法。
【背景技術】
[0002] 隨著通信技術的發展，各種無線接入技術應運而生，由于運些接入技術在覆蓋范 圍、帶寬、應用場景等方面各不相同，相互之間很難替代。此外，移動業務快速發展，僅靠單 一網絡根本無法滿足業務多樣化和個性化的發展需求。因此異構無線網絡的融合是未來無 線網絡發展的必然趨勢和潮流。與此同時，異構無線網絡的融合促使了移動終端的發展，使 得現有的多模終端能同時支持多種通信制式。因此，在異構無線網絡融合環境下，多模終端 如何有效利用各種網絡資源，保障業務的服務質量(Quality of Service,QoS)需求，成為 了重要的研究熱點，其中垂直切換是解決該問題的關鍵技術。
[0003] 現有切換策略不能有效解決因觸發切換條件單一而引起的兵鳥效應問題，因此， 為了實現減少強制切換次數、提升業務傳輸成功率的目標，提出一種新的切換策略具有很 好的現實意義。
【發明內容】
[0004] 有鑒于此，本發明的目的在于提供一種異構網絡中基于模糊邏輯的流切換方法， 該方法通過引入模糊邏輯理論在保證業務QoS的同時減少業務流的強制切換次數，徹底地 避免當前網絡能滿足業務QoS需求的情況下所觸發的強制切換。同時通過其他Ξ類狀態(不 切換、阻塞和恢復）的設置，可W保障業務在多網絡覆蓋環境下的可靠性。根據相應的業務 切換代價函數判斷最終切換的目標網絡，其能更好的從全局的角度考慮網絡的負載，W避 免因多業務流同時切換至同一目標接入網絡發生網絡性能驟降而導致的再次切換，即所謂 的兵鳥效應，W提高網絡的切換性能。
[0005] 為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：
[0006] -種異構網絡中基于模糊邏輯的流切換方法，該方法包括W下步驟：
[0007] S1:將模糊邏輯理論應用在流切換觸發階段，并設置相應的模糊規則，通過模糊推 理得出觸發的切換類型，包括:強制切換、不切換、阻塞和恢復，設計出基于模糊邏輯的流切 換觸發模塊；
[000引S2:設計出流切換代價函數模型，計算業務流切換的代價；
[0009] S3:利用計算出的業務流切換代價為需要執行強制切換的業務確定切換目標網 絡，最后完成切換。
[0010] 進一步，所述步驟S1中，將模糊邏輯控制理論應用在切換判決階段，用于控制觸發 的切換類型，觸發過程從業務需求的角度出發，通過模糊邏輯的處理，能減少業務流的切換 次數;具體包括W下步驟：
[0011] S11:根據隸屬度函數對模糊邏輯的輸入變量進行模糊化，模糊化的輸出為輸入值 相對于各模糊子集的隸屬度值；
[0012] S12:利用專家及實驗經驗設定模糊規則，通常使用"if... .then.的格式；
[001引S13:根據模糊規貝贓行模糊推理，采用典型的Mamdani推理方法，使用復合語句的 推理模型；
[0014] S14:將模糊推理輸出的結果使用最大隸屬度法進行相應的解模糊化，得出觸發的 切換類型。
[0015] 進一步，所述步驟S2中，業務的切換代價模型描述如下:第i個業務流切換至網絡k 的代價值為Ni,k，如下所示：
[0016]
[0017]其中，Pi,讀示第i個業務流接入到網絡k的誤包率，m,讀示第i個業務流接入到網 絡k的平均資源消耗。
[0018] 進一步，所述步驟S3中，切換網絡目標的確定，首先計算接入網絡當前總的資源消 耗可定義為:所有用戶接入到該網絡的所有業務流的接入代價總和NTCDns?e,k，如下所示：
[0019]
[0020] U是常量，表示接入到當前網絡的用戶總數;m是變量，表示用戶接入到網絡k的業 務流總數;于是對于網絡k，剩余資源化s,k為：
[0021] Nls , k = Nxotal, k-NxConsume, k
[0022] 化。*31,1<是常量，表示接入網絡4的二維資源總數。
[0023] 進一步，所述步驟S3中，具體包括W下流程：
[0024] a、初始化過程:確定接入網絡集Ml,接入網絡集中元素的總數K，同時初始化變量j = 0、max = 0,并使用Dnet表示切換目標網絡，然后轉至b;
[0025] b、取出Ml中的第j個元素，判斷元素 j所對應的網絡k是否被選擇，若被選擇，則轉 至C;若未被選擇，則轉至g;
[0026] C、計算當前需要切換的業務的切換代價值Ni,k，然后轉至d;
[0027] d、依據公式計算網絡k的總資源消耗NTConsume,k，然后計算網絡k的剩余資源NLs,k，最 后轉至e;
[002引 e、將網絡k的剩余資源NLs,k與Ni,k進行比較，如果NLs,k-Ni,k>max，則轉至f;否則轉 至呂;
[0029] f、更新變量max的值，令max = NLs,k-Ni,k，同時將網絡k作為目標切換網絡，即Dnet =k，然后轉至g;
[0030] g、變量j值加"Γ，然后轉至h;
[0031] h、判斷j是否大于等于最優接入網絡集中元素的總數K，若大于等于則轉至i;若小 于，則轉至b;
[0032] i、輸出切換目標網絡化et，算法結束。
[0033] 本發明的有益效果在于:本發明通過引入模糊邏輯理論擬在保證業務QoS的同時 減少業務流的強制切換次數，避免當前網絡能滿足業務QoS需求的情況下所觸發的強制切 換，減少兵鳥效應，W提高網絡的切換性能。
【附圖說明】
[0034] 為了使本發明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發明提供如下附圖進行 說明：
[0035] 圖1為基于模糊邏輯的流切換策略框架；
[0036] 圖2為基于模糊邏輯的流切換觸發過程；
[0037] 圖3為隸屬度函數；
[0038] 圖4為切換目標網絡選擇流程圖。
【具體實施方式】
[0039] 本發明提供的基于模糊邏輯的流切換策略包含主要W下步驟:第一步:通過基于 模糊邏輯的流切換觸發模塊判斷業務流的切換類型，其包含強制切換、不切換、阻塞及恢復 四種狀態;第二步:為需要執行強制切換的業務確定切換目標網絡，其通過流的切換代價函 數計算業務流的切換代價，然后計算出各個目標網絡的剩余資源，最后選取剩余資源與該 業務流的切換代價差值最大的網絡為切換目標網絡，然后執行切換。對于不切換的業務則 不需要進行任何操作。對于需要執行阻塞的業務，則立即中斷業務在該網絡的數據傳輸，即 不再使用該網絡。對于需要執行恢復的業務，則重新調整業務流的分配，使得業務恢復在質 量較好的候選網絡中的傳輸。
[0040] 下面將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。
[0041] 參見圖1，基于模糊邏輯的流切換架構負責處理和完成業務流在多個網絡接口間 的切換，其為一個跨層框架。本方法主要研究信息觸發機制即基于模糊邏輯的流切換觸發 模塊W及流切換的代價函數模型，在運兩個模塊的基礎之上，完成業務流的切換判決。多網 絡接口管理模塊:其對底層的多個網絡接口進行管理，收集各個網絡接口實時的狀態數據， 經過平滑處理之后作為模糊邏輯系統的輸入，最后判斷網絡是否滿足業務QoS需求。基于模 糊邏輯的流切換觸發模塊:該模塊依據事先設置的模糊規則進行模糊推理，判定觸發的業 務流切換類型。切換代價計算模塊:若觸發了業務流強制切換，則通過切換代價計算模塊計 算該業務流切換的代價，根據切換代價確定切換目標網絡，最后完成切換。
[0042] 參見圖2,該觸發策略使用模糊邏輯理論對實時網絡數據進行處理，然后得出觸發 的業務切換類型，其包括強制切換(Force化ndove;r,FH)、不切換(No化ndove;r,NH)、阻塞 (Block,B)或恢復(Recovery,R):
[0043] 強制切換:該業務必須從當前網絡切換至候選網絡；
[0044] 不切換：該業務無需從當前網絡切換至其它任何網絡，可維持當前的網絡使用狀 態，即仍保持數據在該網絡傳輸，無需任何處理；
[0045] 阻塞:直接阻塞業務在當前網絡的傳輸，既不發起切換，同時也不再使用該網絡傳 輸數據；
[0046] 恢復:恢復業務在候選網絡中的傳輸，即從新選擇該候選網絡。
[0047] 通過設置運四種切換狀態，在多網絡覆蓋場景中，終端業務可根據業務的需求自 適應選擇可用網絡;保持業務的多路徑并行傳輸狀態;充分利用各個覆蓋網絡的資源;若隨 著終端的移動，進入兩個網絡覆蓋的重疊區域，終端業務也能根據實際情況將業務強制切 換至能滿足其需求的網絡。
[004引本方法設置的模糊邏輯控制的輸入參數如下：
[0049] 1.終端當前所接入的網絡是否能滿足其所承載業務的QoS需求，可通過基于業務 的多接入網絡選擇算法中的效用函數模型計算當前網絡的效用值。定義其模糊子集分別 為：非常滿足（Very Satisfy，VS)、滿足（Satisfy，S)、一般滿足（General Satisfy，GS)、不 滿足（Not Satisfy,NS)、極不滿足化xtremely Not Satisfy,ENS)。
[0050] 2 .候選網絡是否能滿足該業務QoS的需求，同上所示，定義其模糊子集為:VS，S， GS'NS'ENS。
[0051] 3.同時傳輸該種業務的網絡數量，根據當前傳輸該種業務的網絡數量占網絡覆蓋 總數的比例，其模糊子集可分為:很多(Much，M)、一般(Generally Much，GM)、無(No,N)。
[0052] 模糊邏輯的輸出變量定義為切換值，其模糊子集包含:強制切換、不切換、阻塞、恢 復。
[0053] 基于模糊邏輯的切換觸發過程：
[0054] 首先，根據隸屬度函數對模糊邏輯的輸入變量進行模糊化，模糊化的輸出為輸入 值相對于各模糊子集的隸屬度值，參見圖3為所使用的隸屬度函數。
[0055] 其次，利用專家及實驗經驗設定模糊規則，通常使用"if... .then.的格式，前 面所設定的模糊輸入變量有3類，模糊集分別為5檔、5檔和3檔，因此最多有75條模糊規則， 依據反復試驗，最終的規則設置部分如表1所示：
[0056] 表1部分模糊規則
[0化7]
[005引再次，根據模糊規則進行模糊推理，采用典型的Mamdani推理方法，結合本方法算 法詳情，應使用復合語句的推理模型，其詳細推理過程為：
[0化9]
[0060] 計算上述η條規則的模糊蘊含關系：
[0061]
[0062] 其中：4，，C為輸入變量x，y，ζ的模糊集;病為輸出變量的模糊集；"一"表示 將矩陣寫成單列矩陣；"八"和"V"表示對矩陣元素取小和取大操作。
[0063] 根據如上模糊蘊含關系，對任一輸入可推理出其合理的輸出：
[0064]
[0065] 其中：V'表示一種合成運算符，即對兩個元素先"取小'再"取大"。
[0066] 最后，將模糊推理輸出的結果使用最大隸屬度法進行相應的解模糊化，得出觸發 的切換類型。
[0067] 基于業務流的切換代價模型：該系統模型W二維資源為基礎。其對二維資源的定 義是：網絡系統中，將所有子載波等分成子信道，將帖長等分為若干時隙，則時域中一個時 隙和頻域中一個子信道就構成一個二維資源單元。業務的切換代價模型詳細描述如下，第i 個業務流切換至網絡k的代價值為Ni,k，如下式：
[006引
[0069] 其中相關參數意義如下：
[0070] 1.Pi,k表示第i個業務流接入到網絡k的誤包率，計算如下：
[0071]
[0072] 其中：丫 0表示小區邊緣用戶接收端的平均信噪比，為常量;b為信噪比口限值，為 常量;d為終端與基站的距離;η是衰落指數，一般取值3或者4。
[0073] 2.m,k表示第i個業務流接入到網絡k的平均資源消耗，如下式：
[0074]
[0075] 其中:Ri為第i個業務流的接入速率，是常量。
[0076] 假設第i個業務在第k個接入網絡的第X個二維資源上可獲得的傳輸速率為bi,k,x， 則Ui, k, X表示隨機變量bi, k, X的均值，計算如下式：
[0079] 其中：丫 i,k,x為第i個業務在第k個接入網絡的第X個二維資源上的信噪比；是常 量，表示第i個業務流的誤碼率要求;Fk是常量，表示接入網絡k的每個子信道的子載波數 量;Tk是常量，表示網絡k的每個帖的時隙總數;Sk是常量，表示每個時隙中所包含的OFDM符 號個數。
[0080] 因為傳輸速率bi,k,x是信噪比丫 i,k,x的單調函數，其反函數一階可導，根據反函數 的概率密度計算方法，可得bi,k,x的概率密度函數打(bi,k,x)所下式：
[0083] 信噪比的定義如式：
[0084]
[0085] 式中〇墻服從均值為"Γ的指數分布的隨機變量，因此信噪比丫 i,k,x是服從均值為 丫 ocT的指數分布的隨機變量。
[0086] 綜上所述，便可求出第i個業務切換至網絡k的代價值Ni,k。
[0087] 切換目標網絡確定的詳細過程如下：
[0088] 所述的業務流切換代價模型可得，接入網絡k當前總的資源消耗可定義為:所有用 戶接入到該網絡的所有業務流的接入代價總和，計算如下：
[0089]
[0090] 其中：U是常量，表示接入到當前網絡的用戶總數;m是變量，表示用戶接入到網絡k 的業務流總數，其滿足m< 4。
[0091] 由上可知，對于網絡k，剩余資源:化S ,k - Nlotal, k~NTConsume, k
[0092] 其中:NTDtai，k是常量，表示接入網絡k的二維資源總數。
[0093] 綜上所述，利用確定一個接入網絡集Ml,然后通過比較接入網絡集中各網絡的剩 余資源的大小便可為需要執行強制切換的業務確定一個切換目標網絡，其流程如圖4所示， 具體描述如下：
[0094] 1.初始化過程:通過確定接入網絡集Ml,接入網絡集中元素的總數K，同時初始化 變量j = 〇、max = 0,并使用化et表示切換目標網絡，然后轉至第2步；
[0095] 2.取出Ml中的第j個元素，判斷元素 j所對應的網絡k是否被選擇，若被選擇，則轉 至第3步;若未被選擇，則轉至第7步；
[0096] 3.計算當前需要切換的業務的切換代價值Ni,k，然后轉至第4步；
[0097] 4.依據公式計算網絡k的總資源消耗NTConsume,k，然后計算網絡k的剩余資源NLs,k，最 后轉至第5步；
[009引 5.將網絡k的剩余資源NLs,k與Ni,k進行比較，如果NLs,k-Ni,k>max，則轉至第6步；否 則轉至第7步；
[0099] 6.更新變量max的值，令max = NLs,k-Ni,k，同時將網絡k作為目標切換網絡，即Dnet =k，然后轉至第7步；
[0100] 7.變量j值加"Γ，然后轉至第8步；
[0101] 8.判斷j是否大于等于最優接入網絡集中元素的總數K，若大于等于則轉至第9步； 若小于，則轉至第2步；
[0102] 9.輸出切換目標網絡化et，算法結束。
[0103] 最后說明的是，W上優選實施例僅用W說明本發明的技術方案而非限制，盡管通 過上述優選實施例已經對本發明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可W在 形式上和細節上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發明權利要求書所限定的范圍。
【主權項】
1. 一種異構網絡中基于模糊邏輯的流切換方法，其特征在于:該方法包括以下步驟： S1:將模糊邏輯理論應用在流切換觸發階段，并設置相應的模糊規則，通過模糊推理得 出觸發的切換類型，包括:強制切換、不切換、阻塞和恢復，設計出基于模糊邏輯的流切換觸 發豐吳塊； S2:設計出流切換代價函數模型，計算業務流切換的代價； S3:利用計算出的業務流切換代價為需要執行強制切換的業務確定切換目標網絡，最 后完成切換。2. 根據權利要求1所述的一種異構網絡中基于模糊邏輯的流切換方法，其特征在于:所 述步驟S1中，將模糊邏輯控制理論應用在切換判決階段，用于控制觸發的切換類型，觸發過 程從業務需求的角度出發，通過模糊邏輯的處理，能減少業務流的切換次數;具體包括以下 步驟： S11:根據隸屬度函數對模糊邏輯的輸入變量進行模糊化，模糊化的輸出為輸入值相對 于各模糊子集的隸屬度值； S12:利用專家及實驗經驗設定模糊規則，通常使用"if... .then.的格式； S13:根據模糊規則進行模糊推理，采用典型的Mamdani推理方法，使用復合語句的推理 豐旲型； S14:將模糊推理輸出的結果使用最大隸屬度法進行相應的解模糊化，得出觸發的切換 類型。3. 根據權利要求1所述的一種異構網絡中基于模糊邏輯的流切換方法，其特征在于:所 述步驟S2中，業務的切換代價模型描述如下:第i個業務流切換至網絡k的代價值為N 1>k，如 下所示：其中，P1;k表示第i個業務流接入到網絡k的誤包率，m,k表示第i個業務流接入到網絡k 的平均資源消耗。4. 根據權利要求3所述的一種異構網絡中基于模糊邏輯的流切換方法，其特征在于:所 述步驟S3中，切換網絡目標的確定，首先計算接入網絡當前總的資源消耗可定義為:所有用 戶接入到該網絡的所有業務流的接入代價總和N TC__,k，如下所示：U是常量，表示接入到當前網絡的用戶總數;m是變量，表示用戶接入到網絡k的業務流 總數;于是對于網絡k，剩余資源見^為： Nls , k=NTotal, k-NTConsume, k 階_1,1{是常量，表示接入網絡1^的二維資源總數。5. 根據權利要求4所述的一種異構網絡中基于模糊邏輯的流切換方法，其特征在于:所 述步驟S3中，具體包括以下流程： a、 初始化過程:確定接入網絡集Mi，接入網絡集中元素的總數K，同時初始化變量j = 0、 max = 0,并使用Dnet表示切換目標網絡，然后轉至b; b、 取出姐中的第j個元素，判斷元素j所對應的網絡k是否被選擇，若被選擇，則轉至c;若 未被選擇，則轉至g; C、計算當前需要切換的業務的切換代價值N1>k，然后轉至d; d、 依據公式計算網絡k的總資源消耗NTC__,k，然后計算網絡k的剩余資源NLs, k，最后轉 至e; e、 將網絡k的剩余資源NLS,k與Ni,k進行比較，如果NLS,k_Ni,k>max，則轉至f;否則轉至g; f、 更新變量max的值，令max = NLS,k_Ni,k，同時將網絡k作為目標切換網絡，即Dnet = k，然 后轉至g; g、 變量j值加"1"，然后轉至h; h、 判斷j是否大于等于最優接入網絡集中元素的總數K，若大于等于則轉至i;若小于， 則轉至b; i、 輸出切換目標網絡Dne t，算法結束。
【文檔編號】H04W36/22GK105873153SQ201610387444
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月2日
【發明人】陶洋, 趙芳金, 嚴志軍, 歐晗琪, 沈敬紅, 赫前進, 李鵬亮, 王振宇, 李加成
【申請人】重慶郵電大學