论文研究-基于网络触发的IP流移动性机制 .pdf

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基于网络触发的IP流移动性机制,王青,李文璟,随着无线移动通信技术的迅猛发展,异构无线网络之间的融合将成为未来移动通信发展的必然趋势。目前3GPP标准化组织在EPS中提出了多��
山国武技论文在丝 核心网CRRM实体 文件数据库 文件管理器 选择决定算法模块 3GPP接入网LRM实体 非3GPP接入网LRRM实体 (例如LTE) (例如WiFi) 会话持续封间 统计模块 资源评佔模块 会话持续封间 统计模块 资源评佔模块 资源买集模块姿源预留模块 资源采集模块资源预留模块 移动终端 图接入选择框架 该框架主要包括几部分:核心网侧的联合无线资源管理器,接入网侧的本地无线资源管 理器以及移动终端。 联合无线资源管理器( )作为将只体策略转化为特定算法的策执行点,设置在 核心网侧。主要包括三部分:文件数据库、文件管理器、选择决定算法模块。 文件数据库:负责维护所有必需的参数信息,辅助选择决定算法模块进行流栘动 的选择 、文件管理器:监督影响流移动选择决定的各个实体(包括网络、用户、应用以及终 端〕,并将必需的信息存储在文件数据库中。文件管理器还将决定何时触发流移动选择算法, 并辅助选择决定算法模块执行算法运行结果。 选择决定算法模垗:具体算法机制将在第节中进行详细介纽。 在无线接入网中设置本地无线资源管理器(),负责会话开始时的呼叫准入、会 话过程中与其他无线接入网络之间进行流移动相关信息的交换,以及处理移动终端上报的各 种有效信息(如终端从其他接入网的 实体获知的可用接入网信息、用户偏好等)。 评估未来一段时间内异构无线接入网络中的可用资源,并决定是合触发不同无线接 入网络之间的流移动 无线资源管理器实体主要包括下列功能: 、会话持续时间统计模块():负责控制和管理业务流持续时间及剩余时间。 例如,语音会话一般有个平均时间秒,而对于非实时业务的其他类型(如流媒体业务) 来说,则可以通过预期的数据大小进行评估。因此, 可以基于历史以及当前的数据 动态地更新会话持续时间值 、资源评估模块():负责评估即将到来的时间内的可用资源。而本地无线资源 管理实体依据评估得到的未来可用资源的精确偵决定是否允许呼叫准入,因此它的有效性在 该柜架中非常重要。 、资源采集模垬():使用一组统一的标准参薮对网络性能(例如网终总带宽 山国武花论文在丝 误码率)、网络状况(例如网络利用率以及负载情氿)等相关信息进行采集,由此可使从不 同接入网络中采集到的参数具有一致性。资源采集模块还需负责监视业务流结束后资源释放 时的快速发现。通常情况下,在大多数蜂窝网络中资源释放的发现都会有几秒钟的时延,而 本文机制所采用的预期资源评估可以大大减少该时延 、资源预留模块():负责为即将开启的业务流或移动后的业务流预留资源。 模块与其他模块相互作用决定某时刻的最人可用资源,并由此为即将到来的业务流分配资 源。每当接收到一个资源预留请求, 立即与进行交互并对当前网络可用资源进 行总览;而当某些预留资源已被释放,则会立即告知更新资源状态。 机制流程描述 对于终端用户来说,其支持多接入的能力提供了数据并行传输的基本条件。当移动终端 处于多个无线接入网终重叠覆盖的区域内,通常存在多个可用且稳定的无线网终连接。在这 种场景中,可以为属于不同高层应用的业务数据流选择不同的无线接入网终,并可根据网终 和无线链路的动态变化情况,执行数据流重匹配的控制操作。 本文提出的基于树络触发的流移动性机制只体流程如下图所小 开始 文件管理帮 监测冬网终实体 采集移动性所需参数 终端上报用户偏好、可用接 网信息 道过各接入网LRRM实体对相关 资源进行统计、评佔、预留 是满足流移动性触发条件 是 选择决定算法模块 运行究移动性选择算法 判断P流路曰规刈是否发生改变 是 铀发P流移动性 束 图流移动性机制流程 首先,由核心网侧 实体中的文件管理器对相关实体进行监测,将终端上报的用 户偏好、可用接入网存储在文件数据库中。同时,位于无线接入网中 实体的 与 进行父互,对网络资源进行统计、评估、预测,将当前接入网的状况以及可 山国武花论文在丝 用资源情况上报给文件管理器。文件管理器根据触发条件决定是否触发流移动性选择算法, 并将算法相关属性参薮提供给选择决定算法α)模块。最终模块运行流移动性选 择算法〔具体算法在第节中进行详细介绍),为紆个流选择合适的接入网。如果选择 决定算法运行结果与该流当前路由规则不一致,则由网络侧发起流移动性。 流移动性选择算法 系统模型 假设本章中研究的网终环境下共有和重叠覆盖的无线接入网络,带宽是各种接入系统 为用户提供服务的基本资源,所考虑的移动终端均为可支持多种接入的多模终端,且具备同 时接入多种不同接入网络的能力。 设移动终端当前可用的所有无线接入网终集合为 移动终端运行的所有业务流集合为 某-吋刻触发流移动选择决定,需要对移动终端开启的个流在其可用的个无线 接入网络之间进行选择,可能为不同的流选择了不同的接入网,也可能选择同一个接入 网。影响流移动选择决策的接入网络属性集合设置为 基于历史数据或者当前性能评估数据指示,网络所对应的属性的参数值为。对 于不同类型的流来说,其对的需求各不相同,表现在不同的属性值具有不同的重要 程度。 中将业务类型分为四种:会话犁、流媒体、交互型以及后台型,其中,会话型 业务流对时延有较高的需求,但对丢包率要求不高,而对于同步业务流来说情况正好 相反。因此,根据重要程度为不同类型流设置每个网络属性的权重值为 其中,对于每个流,满足∑=。 对于每个流来说,流移动选择算法就是棖据接入络属性以及对应的权重值,为其 选择最适合的接入网络。脊流根据优先级逑行排序,按照优先级从高到低的顺序进行求 解 改进的算法 为了避免 算法的排序异常问题,提供更准确的被选网络排序方法来选取最佳 接入网,我们使用改进的算法来解决这个问题。 在算法中,通过测量每个备选方案与正理想解和负理想解之间的维曼哈顿距离 (而不是欧几里得距离)来克服 算法的限制。当某个备选方案从候选方案列表中移 除时,曼哈顿距离可以呈现一致地变化。而且,正想方案具有与正理想解之间的最短距离 与负理想解之间的最大距离,实际选取的“最佳”方案则是与止理想方案之间拥有最短距离 的组备选方案,而不是取 中距离理想方案的相对接近程度。下面将具体介绍 算法的原理。 山国武花论文在丝 首先,与 算法中的·样,计算每种属性的正理想解以及负理想解,也就是加权 标准化决策矩阵中每一列的最大值和最小值,见式以及式。 下一步,计算在维空间中每个备选方案的属性值与正理想解、负理想解之间的距离 使用的是欧几里得距离,而则选取其曼哈顿距离 ∑ 然后,取的最小值以及的最大值 ∑ () ∑|- 在由(+)组成的华标平面上,点( )即是“理想方案”所对应的 点,我们称之为( )。那么,实际的最佳方案也就是距离具 有最短距离的被选网络,见图所示 maxD- Au D1+ Di 图半面坐标图 备选方案与之间的距离可通过下列公式求得 最终,我们选取与之间距离最短的备选方案(也就是值最小的被选网络)作为 最佳网络 评价指数 通过算法,给每个流分配了一个最佳的接入网。通过执行流移动性,将移动终 端的所有流按照该算汯结果进行路由。为了评估该流移动性机制的性能,我们定义 了两个评价指标——接入网络负载均衡度以及用户满意度,分别从系统性能和用户感知两个 山国武花论文在丝 方面考核所提机制算法的性能。 接入网络负载均衡度 异构无线网络中的负载均衡,通过将系统中的负载动态均匀的分摊到多个无线网络中 可以使不同类型接入网络之间的负载保持均衡分布,从而使系统能够更高效地协同利用网终 资源。带宽作为异构无线网络为用户提供服务的主要资源,其利用程度可以作为反映接入网 终资源分配情况的可靠依据。另外,在数理统计中,方差可以用来衡量一组数据波动程度的 大小。因此,我们取系统中所有被选网络的可用带宽的方差值来对负载均衠程度进行评估。 每个接入网的可用带宽( )可以通过下 列公式求得: ∑ :表示网终为流分配的带宽; :表小网络中已被占用的带宽 表示网络中的总带宽容量 表示网终目前可用的带宽数 在求得 之后,所有接入网的可用带宽的方差值( )即可获得。通过观察一段时间内 值的浮动,可以 获知整个网络系统中异枃无线接入网绺之间的负载均衡情况。方差越大,说明负载均衡情况 越差;方差越小或趋近于零时,说眀负载均衡情况越好或者趋于负载均衡 、用户满意度( 以用户感知为岀发点,综合考虑移动终端所开启的特定流对于信号强度、信息传输 速率、时延、丢包率以及费用等方面因素的偏好,定义了能够反映用户满意度的效用函数, 如下列公式所示 ∑ + +O 其中,为被选网络的信号强度大小,为流所需带宽,为被选网络平均时延, 为流的最大可接受时延,为被选网络的平均丟包率,为流的最大可接受 丢包率,为所需花销,ω为沇不同属性的相对权重 仿真和性能分析 仿真场景和参数设置 论文中假设所考虑的移动终端均支持四种无线网终接口,可同时接入到 四种不同类型的无线接入网络。假设仿真中某位置区域内共有个移动终 端,每个终端均开启四种不同业务类型的流,分别为会话型业务流、流媒体业务流、交 互型业务流和后台型业务流。 另外,假设可用带宽、网络利用率仅受所考虑的四种业务流影响,其他业务流对其产生 的影响不在木文考忠范围之内。 山国武技论文在丝 在为流进行栘动性选择过程中,共考虑丘个属性因素:无线信号强度()、网络叮 用带宽()、时延()、丢包率()以及价格()。不同接入网络的性能及属性参数 如表所示,其中,网络可用带宽随着流的不断开启动态的变化。 表网络性能参数 网终 不同类型流的需求见表,根据不同属性对」不同类型流的重要程度为不同 类型流分配相应的权重如表所示: 表流各属性值 流类型 会话型业务流 流媒体业务流 交互型业务流 后台型业务流 表流各属性对应权重 流类型比特率 时延 天包率 会话型业务流 流媒体业务流 交互型业务流 后台型业务流 说明:上述网络性能参数以及流需求等指标均为综合考虑技术标准以及相关文 献所指定的。另外,根据针对多接入连通性以及流移动性的相关标准规定 移动终端同时接入的非接入网络最多只有一个,也就是说 两个网络 中最多仅能有一个作为被选网终 仿真结果与分析 基」前文中介绍的适用」流移动性的算法,将上述网络性能及流相关的需求 参数作为算法输入,通过 数学工具软件,对沇移动性机制进行仿真验证;并 与垂直切换技术在网络资源利用率以及用户满意度两个层面上,分别进行实验对比分析 网络资源利用率 每当触发流移动性,随之开启流移动性决定算法,并按照算法结果为个流分配 对其来说最佳的网终接口。本章考虑的同时激活的最大用户数为个。随着用户数的增 多,异构网络中可用带宽也在不断减少,如图所示。其中,实线代表算法下的各个网 终使用情况,虚线代表算法下的网络使用情 首先观察算法的运行结果,由于 网络和网络在性能方面均占有明显优 势,在用户数少于时,随着用户数増大,两种內络可用带宽降幅显著 网络尤 其明显,直降至网络过载。而网络只有在用户数超过时才会被占用, 网络 山国武花论文在丝 则·直木被使用。然后再来观察算法的运行结果,如图中虚线部分所示,虽然起初 以其性能上的绝对优势被选作最佳网络致使其可用带宽迅速骤减,然而在用户数超过 时,与 网络的可用带宽逐渐接近,并呈现交替且同步降低的趋势,不会出现某个可 用网络资源迅速过载的局面。另外, 网络在本仿真过程中始终未被选用,与本文所选 取的影响因子有关。在本文所考虑的网络性能方面, 网络相比其他三种网络具有明显 劣势。实际上, 网络在很多方面也有其优点,比如具有更人的网络覆盖范围、更高的 安仝性等等,而这些并不在本文的讨论范围之内,在我们未来的后续工作中可以对此进行下 步的研究和讨论。 事实上,算法在接口选择过程中没有针对不同类型的流设置不同的权重,从垂 直切换算法的角度将多种网络性能参数进行综合对匕,为栘动终端的所有流选取了同 个网络接∏。正是由于该算法不能将用户开启的所有流分摊到多个网络,从而容易造成 某个网络迅速超载,无法实现负载均衡。 UMTS-UA 70 WIFi-JA 7-WiMax-UA EHLTE-UA ◆…∪MTs-DiA 50 WIFi-DIA ViMax-DiA E+. LTE-DIA 女3 1002003004005006007008009001 用户数/个 图两种算法下的 情况 根据上图中的仿真结果,继而可以得到接入网可用带宽的方差。由此,网络负载均衡度 与用户数之间的关系对比情况如下图所示。 1400 一一 1200 +-V/N八Bi∧ 100 m30 00100 用户数/个 图两种算法下的负载均衡情况 如图所示,红色虚线代衣算法下整个系统的负载均衡情况,监色虚线代衣 算法的负载均衡情况。我们知道,各个网络之间的可用带宽方差值越大,说明系统间的负载 山国武花论文在丝 差别越大,负载均衡程度越差;反之,则说明负载均衡程度越好。由图可见,在用户数为 附近时,算汯的可用带宽方差值不但没有趋于降低,反而达到一个小高峰,说明在 此之前并未实现负载均衡。虽然两种算法下的可用宽方差值最终均趋于零,但是在整个仿 真过程中,对于同样的用户数而言,明显可见算法的负载均衡情况始终优于算法。 由此,也验证了基于流粒度的移动性技术较垂直切换技术在网络负载均衡面具冇显著 优势 二、用户满意度 该部分中,我们抽样选取组用户数,每增大个用户时,根据用户评价函数公式 求得当前状态下的用户满意度。公式中的部分参考值取值如下:为,为 为 为 为 图所示分别为采用算法以及算法之后,通过评价函数计算所得的用户满意 度柱状图。从图中可见,用户数在 范围内的十组抽样值中,算法求得的用户满 意度评价函数值全部明显低于算法对应的结果。而且,随着用户数的不断增多,当用 户数达到甚至时,算法所得的用户满意度骤减:而对于算法来说,用户 满意度整体较为平稳,即使用户数达到时,平均每用户的用户感知也在可接受范围內。 s-Ubique Algorithm 0 01002003004005006007008009001000 用户数/个 佟两种算法下的用户满意度情况 结论 本文提岀了一种由网络侧触发的流移动性机制和算法。该机制通过综合考虑网络性 能和当前状况、用户偏好以及流的需求等各方面信息,因地制宜,为不同类型的 流选择对其来说最合适的接入网 由于流移动性选择问题也可以归纳为种多属性判决问题,本文中结合目前较为经 典的多属性决策算法,提岀了一种改进的算法。通过为流的移动性问题进行建模, 使用算法进行求解,为每个流选择一个最合适的网终接口 最后,通过 对本章提出的算法进行仿真,从网络负载均衡程度和用户满意度 两方面评价该流移动性算法性能,实验结果最终验证了算法的有效性,并且证实流移 动性方案与垂直切换技术相比,能够达到更好的负载均衡效果以及更高的用户满意度。

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