無線個域網終端協(xié)同中的聚合決策

1、無線個域網終端協(xié)同中的聚合決策王偉濤i，蘇放i，曹建宇2（1.北京郵電大學互聯(lián)網研發(fā)中心，北京100876；2. 桂林電子科技大學數(shù)學與計算科學學院，桂林541004）摘要：本文設計并實現(xiàn)了基于無線個域網的異構網絡融合系統(tǒng)屮的聚合決策功能模塊。該模 塊能夠根據(jù)業(yè)務的需求，綜合考慮終端、網絡的特性以及用戶偏好等上下文信息，做出合理 有效的決策。實踐表明，在無線個域網終端協(xié)同傳輸過程中，聚合決策模塊能夠使用終端接 入點的信號接收強度、可用帶寬、傳輸時延等多種屬性計算終端的性能，選擇出合理的、性 能較好的終端進行協(xié)同傳輸，有效地提高了系統(tǒng)的吞吐量。關鍵詞：無線個域網協(xié)同傳輸聚合決策模糊層次分析法中圖

2、分類號：tn929.5aggregation decision-making in cooperative transmissionof wireless personal area networkwang weitaoi, su fangi, cao jianyu2(1. internet research & development center, beijing university of posts andtelecommunications, beijing 100876;2. school of mathematics & computational scienee

3、, guilin university of electronic technology, guilin 541004)abstract: in the converging networks based on wpan, an aggregation decision-making module was designed and implemented according to the service requirements as well as the context information of terminals and networks, this module can make

4、reason able decisions using fuzzy analytical hierarchy process. in the cooperative transmission using terminals of wpan, the module could select the terminals according their properties, such as received signal strength, available bandwidth and transmission delay. practice shows that the selected te

5、rminals are appropriate for cooperative transmission, and finally the system throughput is enhancedkey words: wireless personal area network; cooperative transmission： aggregation decision-making; fuzzy analytical hierarchy process0引言隨著無線通信技術的飛速發(fā)展，產生了各種各樣的無線接入技術，形成了多種無線接入 網絡1,1 o由于用戶需求的不平衡和多樣性的特點，各種

6、網絡技術將會相互補充融合，以滿足 用戶f1益多樣性的需求。異構融合網絡環(huán)境下，業(yè)務將會極大地滿足人們的各種個性化的、 智能化的需求，但是，期望單一的終端能夠同時滿足所有業(yè)務的需求是不現(xiàn)實的2 o如果 能夠利用多個終端協(xié)同進行某項業(yè)務，將解決單個終端能力相對不足的問題，可以為用戶提 供更高的帶寬和更好的業(yè)務體驗，同時，也能夠提高資源的利用率。進行協(xié)同傳輸?shù)亩鄠€終 端不僅要具有廣域網接入能力，還能夠互聯(lián)互通。隨著藍牙(bluetooth)、zigbcc等短距 離無線通信技術的出現(xiàn)與發(fā)展，使移動終端的互聯(lián)互通成為可能。用戶周邊的多個移動終端 可以通過短距離無線通信技術組成無線個域網，協(xié)同為用戶提供服

7、務?；痦椖浚簢腋呒夹g研究發(fā)展計劃“863”基金資助項目（no. 2009aa01z262）o作者簡介：王偉濤（1982-）,男，碩士研究生，研究方向：異構網絡融合通信聯(lián)系人：蘇放（1973-）,男，副教授.研究方向：無線通信，異構網絡融e-mail: sufang無線個域網'(wpan, wireless personal area network),是能在便攜式移動終端與家用 電器之間進行短距離連接的無線網絡，特點是覆蓋范圍小、能夠按需建網、支持高速率多媒 體應用并能實現(xiàn)無縫連接。wpan中，用戶可以選用任意幾個終端接入到網絡，協(xié)同進行 某項業(yè)務，如ftp下載等?？梢园褵o線個域網

8、看作是一個經過聚合重構的分布式終端，具 有接入多個網絡的能力o在wpan中，山于各終端接入點的可用帶寬、傳輸時延等方面存在差異，不同的終端 具有不同的性能，如何選擇合適的終端協(xié)同為用戶提供服務14.5,成為一個關鍵問題。木文 依托國家863項日“基于認知的無線個域網與廣域網融合關鍵技術與試驗系統(tǒng)開發(fā)”，在基 于無線個域網的異構網絡融合系統(tǒng)架構基礎上，設計并實現(xiàn)了聚合決策模塊，該模塊利用模 糊層次分析法，綜合考慮各方面的因索，根據(jù)業(yè)務需求選擇性能相對較優(yōu)的多個終端進行協(xié) 同傳輸，為用戶提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。1基于wpan的異構網絡融合系統(tǒng)本文所設計的基于無線個域網的網絡融合架構，如圖1所示。該

9、網絡融合架構共分為3 層：終端及感知層、網絡層和應用層。終端及感知層對應于無線個域網，網絡層對應于各種 無線接入網絡和核心網，最高層為業(yè)務應用層，為用戶提供各種各樣的個性化、智能化的服 務。1. 應用層山應用服務器(包括ftp服務器、iptv服務器等)組成，為用戶提供業(yè)務應用。2. 網絡層包括核心網和接入網。核心網是異構融合網絡架構的核心，基于現(xiàn)有的核心 網架構，擴展增加了業(yè)務控制服務器(scs, service controller server)媒體轉發(fā)服務器(mrf, media relay forward server)和上下文服務器(cs, context server)o苴屮，業(yè)務

10、控制服務器接 收聚合決策請求，根據(jù)業(yè)務需求，利用上下文信息進行判決，并將聚合決策的結果作為響應 返回；媒體轉發(fā)服務器主要根據(jù)業(yè)務控制服務器的聚合決策結果對原始的數(shù)據(jù)包進行處理， 然后將新的數(shù)據(jù)包經過不同的數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送到無線個域網內進行協(xié)同業(yè)務的終端；上下文服 務器主要用來保存用戶、業(yè)務、網絡、終端的信息，為系統(tǒng)的聚合決策過程提供信息支持服 務。接入網主要包括現(xiàn)有的各種網絡接入技術，包括umts陸地無線接入網、gsm/edge 無線接入網、無線局域網(wlan, wireless local area network)等，是無線個域網-與核心網 之間連接的橋梁。3. 終端及感知層。終端及感知層是

11、由多個用戶終端經過智能重構組成的無線個域網。基于無線個域網的異構融合網絡系統(tǒng)中，各個功能模塊之間通過sip協(xié)議進行交互，其 中使用xml語言定義sip消息的消息體。2無線個域網中的協(xié)同傳輸在基于無線個域網的網絡融合架構下，用戶周邊的多個設備可以通過聚合重構組成無線 個域網來協(xié)同進行同一項業(yè)務。下面以ftp下載業(yè)務為例，說明在該架構下無線個域網終 端協(xié)同傳輸?shù)墓ぷ鳈C制。如圖2所示，某用戶的5個終端組成wpan,在某一時刻，用戶使用終端a作為業(yè)務 發(fā)起終端發(fā)起ftp下載業(yè)務。由于單條鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速率較低，終端a希望wpan內其 他終端能夠進行協(xié)同傳輸以提高數(shù)據(jù)下載的速率。終端a向業(yè)務控制服務器發(fā)

12、起終端協(xié)同 傳輸請求，業(yè)務控制器訪問上下文數(shù)據(jù)庫獲得wpan中各個終端當前接入點的可用帶寬、 傳輸時延等信息，然后做出比較合理的聚合決策結果，選擇性能較好的兩個終端b、c協(xié)同 終端a進行數(shù)據(jù)下載業(yè)務。業(yè)務控制服務器將決策信息通知終端a,然后終端a與終端b、 c進行信令交互，完成協(xié)同傳輸?shù)臏蕚?。最后，媒體轉發(fā)服務器根據(jù)業(yè)務控制服務器的決策 信息將一定比例的ftp業(yè)務流分別傳輸?shù)浇K端a、b、c,在wpan內部，終端b和c通在該應用場景中，用戶周邊的多個終端可以經過智能重構，組成無線個域網進行協(xié)同傳 輸。在用戶發(fā)起的一項業(yè)務中，多個終端分別進行一定比例的數(shù)據(jù)傳輸，最后在無線個域網 內部通過短距離無線

13、通信技術完成數(shù)據(jù)的聚合。3聚合決策算法在異構網絡環(huán)境屮，決策過程往往受業(yè)務、網絡條件、用戶偏好等因索的動態(tài)變化影響， 具有明顯的fuzzy特性。因此通過構建fuzzy多屬性決策模型來解決異構網絡中的網絡選擇、 移動性管理等問題，己經引起廣泛關注。在本項日基于wpan的異構網絡融合系統(tǒng)中，如 何選擇有效的、合適的協(xié)同終端是一個關鍵問題，它與異構網絡環(huán)境下的網絡選擇問題類似， 都屬于多屬性決策問題。本文針対無線個域網協(xié)同傳輸中的終端選擇問題，基于模糊層次分 析法，提出了一種聚合決策的算法，考慮業(yè)務需求、用戶偏好以及無線個域網中終端屬性的差異，計算終端性能，選出性能較好的終端作為協(xié)同終端。3.1模糊

14、層次分析法模糊層次分析法是人們通過主觀判斷進行決策分析的有效方法0，通過模糊層次 分析法確定的網絡屬性的權重體現(xiàn)了業(yè)務的需求特性和用戶的偏好等。利用模糊層次分析法 計算終端性能，選擇協(xié)同終端的過程可以分為以下兒個步驟：1. 建立模糊互補判斷矩陣矩陣f = （fij）n.n為模糊互補矩陣,如果f對ij都滿足fij + fa =1 o對每個屬性相互z間進行兩兩比較，按照重要程度得到模糊互補的判斷矩陣尸=（為）， 其中fij表示屬性i與屬性j相比的重要性，fij>0 , fij=l fji o終端屬性之間的重要性 對比體現(xiàn)了該屬性對業(yè)務的重要程度，以及用戶的偏好，如表1所示。表1終端屬性之間的

15、重要性對比屬性i與j比較 相等 稍重要 重要 很重要 極重要為0.80.9/> + 0.5 ,貝9 f為模糊一致矩陣。本項目選取終端的信號接收強度以及接入點的可用帶寬、傳輸時延、資費、覆蓋范圍等 5個終端屬性作為計算終端屬性的依據(jù)。五個屬性z間進行兩兩比較得到的判斷矩陣f如下 所示：f'2/'5f = s) =f21/22了252.構造模糊一致判斷矩陣fi2如果模糊互補矩陣f滿足：對k，都有fij = f,k模糊判斷矩陣的一致性反映了人們判斷當物屬性重要程度的一致性，但在實際決策過程中, 由于研究問題的復雜性和人們認識的主觀片面性，構造出的判斷矩陣往往不

16、具有一致性，可 以應用模糊一致矩陣的充要條件進行調整。定理模糊互補矩陣f = （/；/）«.是模糊一致矩陣的充要條件是任意指定兩行對應元素 之差為常數(shù)。通過對模糊層次分析法中一致判斷矩陣的性質的分析，有學者提出了下面的方法，當構造的模糊矩陣不具有一致性時，可以比較快地將其調整為模糊一致判斷矩陣。1）確定一個同其他元素的重要性相比較得岀的判斷有把握的元素。不失一般性，假設 對第一個元素相對于其他元素的重耍性比較有把握。2）用f的第一行減去第k（k = 2,3、,/?）行對應元素，若得到個常數(shù)，則不需調整, 否則進行如下調整。山f的性質fij + a = 1可得，/h fk =fik f

17、kk = c（c為常數(shù)），可得fkj = f j 心= 2,3,，訃 j） o本文利用該方法對構造的關于終端屬性的模糊判斷矩陣進行調整，得到具冇一致性的模糊判斷矩陣r = (/v)55 o3. 計算權重向量得到模糊一致矩陣z后，利用幾何平均法計算各屬性的權重: wr = j j=inj , ij= 1, 2,歸一化處理得到最終的屬性權重：vv/'護=利用模糊層次分析法得到的終端屬性權重向量為w = wi, vv2 , w3 , vv4 , vv5 4. 標準化終端屬性矩陣 將從上下文數(shù)據(jù)庫中獲取的終端屬性的值用矩陣x =(助)呦表示,則川標磁個域網中可用的終端數(shù)量，每一行分別表示一個屬

18、性。xiix12xmxx = (xij) = 21x22x2mx51x52x5m(5)其中xij表示第j個終端的第i個屬性的值。對x矩陣進行標準化，対于越大越好型屬性，如帶寬,冇sij = xij / ( xi _ max + xi _ min );對于越小越好型屬性，如時延等,sij = ( xi _ max + xi _ min xij ) / ( xi _ max + a7 _ min )x/.min = minx/l, .xim。由此可以得到標準化的終端屬性矩陣sh sl2s1 mss = (sij ) = 21s22simsils52s5m5. 計算終端性能根據(jù)權重向量和終端屬性矩陣

19、計算無線個域網中可用終端的性能：pj=八府j=l,2,m其中，廠表示第j個終端的性能。4聚合決策算法在基于無線個域網的異構網絡融合系統(tǒng)中，業(yè)務控制服務器通過向上卜文服務器發(fā)送獲取終端屬性的請求發(fā)起聚合決策過程，具體的算法流程如圖3所示：圖3聚合決策流程圖1551.業(yè)務發(fā)起終端向業(yè)務控制服務器發(fā)起聚合決策請求，觸發(fā)整個聚合決策的流程，該請求消息中包含終端發(fā)起業(yè)務的類型，以及無線個域網內可用終端的終端id等信息；2. 業(yè)務控制服務器接收到請求之后，對消息體進行解析，獲取業(yè)務類型以及可用終端 的id；3. 判斷是否為實時業(yè)務，根據(jù)業(yè)務類型使用不同的規(guī)則生成模糊一致矩陣，然后利用1604.2節(jié)中提到的

20、算法計算終端屬性的權重向量；4. 向上下文數(shù)據(jù)庫請求可用終端的上下文信息，本項目選取了終端的信號接收強度以 及當前接入點的可用帶寬、價格、時延、覆蓋范國五個網絡屬性作為聚合決策的參數(shù)；5. 計算可用終端的終端性能，得到終端性能向量5= 51,其中,是第i個可用終端的終端性能值。1656.對終端性能向量s中的各分量進行排序（采用冒泡排序法），然后從排序結果中選出協(xié)同終端，并提取與廣域網卡相關聯(lián)的個域網卡參數(shù)。7. 根據(jù)選中終端的終端性能計算轉發(fā)比例，轉發(fā)給第i個終端的業(yè)務比例pi= -。si8. 將聚合結果，包括選屮的終端設備的信息、分發(fā)給各終端的業(yè)務流量的比例等寫入 數(shù)據(jù)庫，然后生成聚合規(guī)則x

21、ml文檔。5仿真驗證5.1算法有效性驗證某用戶的5個終端設備組成無線個域網，發(fā)起終端協(xié)同傳輸請求時，各終端接入點的屬 性值如表2所示。表3為進行ftp下載業(yè)務時對各屬性的判斷矩陣(a、b、c、d、e分別代 表信號接收強度、帶寬、時延、價格和覆蓋范圍五個屬性)，利用文獻9提岀的算法可以獲 得模糊一致的判斷矩陣，如表4。表2終端屬性終端rss(-dbm) 帶寬(mbps) 時延(ms)價格(分/bps)覆蓋范圍(km)1702.01.60.634260153.()0.10.5024365105.00.50.2283465125572.75表3終端屈性的模糊

22、互補判斷矩陣fijabcdea0.450.75b0.650.8c0.60.65d0.550.3c50.40.5表4稅糊一致的判斷紅1陣fijabcdea0.450.75b0.550.85c0.250.55d0.550.450.750.50.8c0.25().15().550.30.5利用模糊層次分析法計算終端性能，得到性能向量，見表5o 表5終端性能rjjrj性能 ().45490.68350.42980.60460.3454如果選擇3個終端進行協(xié)

23、同傳輸，可以選擇終端1、2和4,相應的分流比例為26.1%、 39.2%和34.7%。從表2可以看出，終端2和4的帶寬和信號接收強度都要明顯優(yōu)于其他終 端，而且傳輸時延相対于ftp下載這種非實時的業(yè)務也可以接受，同時考慮價格因素(用戶 偏好)，終端2和4是較好的選擇；另外，由于無線網絡中終端的移動性，還需要考慮終端 接入點的覆蓋范圉因素，選擇終端1能夠保證在較大的范圉內保持該業(yè)務的連續(xù)性。可見， 無線個域網架構下，木文所提出的聚合決策算法是比較合理的，能夠選擇出性能較好的多個 終端進行協(xié)同傳輸。5.2演示平臺驗證本項冃使用多臺運行l(wèi)inux系統(tǒng)的主機搭建業(yè)務聚合系統(tǒng)，其中功能模塊包括：1 .由1臺計算機構建業(yè)務服務器，提供相關業(yè)務，支持多種無線網絡的接入；2. 由2-3臺計算機構建系統(tǒng)控制平臺，包括業(yè)務控制服務器、上下文服務器和媒體分 流服務器；3. 基于現(xiàn)有的無線廣域網及無線個域網的接入技術，構建多網絡的異構無線環(huán)境，包 括wlan網絡、第二代移動通信網絡及第三代移動通信網絡；4. 由多個智能終端構成終端子系統(tǒng)；智能終端主體為筆記本，空口部分由能接入wl