ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

У сучасному світі однією з найважливіших тенденцій є глобалізація, яка торкається усіх сфер життя: економічної, політичної, соціально-культурної, а також змінює спосіб життя людини. Стають прозорими кордони держав, людина стає мобільною, формується глобальне інформаційне суспільство. Разом з тим, зазнають змін і технології зв'язку: телекомунікаційні та інформаційні технології, що були окремими протягом багатьох років, об'єдналися в єдиний світ інфокомунікацій, в основі формування якого лежать процеси конвергенції фіксованих і мобільних мереж, різних послуг і абонентських терміналів.

Серед безлічі сфер інфокомунікацій найбільш швидкими темпами розвивається бездротовий мобільний зв'язок: експоненційно зростає обсяг мобільного трафіку, який за прогнозами компанії Ericsson у 2017 році у світі складатиме близько 8000 петабайт щомісяця [1]; стрімко розвиваються бездротові технології мереж доступу різних масштабів:

– персональних бездротових мереж WPAN (Wireless personal area network): BlueTooth, ZigBee;

– локальних бездротових мереж WLAN (Wireless Local Area Network): стандарти IEEE сімейства 802.11;

– міських бездротових мереж WMAN (Wireless Metropolitan Area Network): стандарти IEEE сімейства 802.16;

– глобальних бездротових мереж WWAN (Wireless Wide Area Network): стільникові технології різних поколінь — 2G (GSM, GPRS, EDGE), 3G (UMTS, CDMA2000, HSDPA), 4G (LTE Advanced).

При цьому підвищуються вимоги користувачів до якості та набору інфокомунікаційних послуг, а доступ до них повинен забезпечуватися постійно та незалежно від географічного положення, згідно з концепцією постійного кращого з’єднання (Always Best Connected, ABC) [2]. Різноманіття технологій радіодоступу та збільшення кількості мультистандартних абонентських пристроїв дозволяють інтегрувати різні технології в єдиній мережі, тобто створити гетерогенну (неоднорідну) бездротову мережу (див. рис. 1). Ця мережа складатиметься з сегментів різних бездротових технологій, зони покриття яких накладаються. Це дозволить збільшити пропускну здатність мережі та розширити зону її покриття, а для користувача надавати послуги за нижчою ціною та з вищою якістю.

Гетерогенна бездротова мережа

Рисунок 1 — Гетерогенна бездротова мережа [3]

1. Актуальність теми

В умовах гетерогенної бездротової мережі актуальною задачею постає забезпечення прозорого пересування абонента, що реалізується за допомогою процедури передачі управління з’єднанням від однієї точки доступу або базової станції до іншої, або хендовера. Хендовер між сусідніми стільниками / точками доступу мережі однієї технології зветься горизонтальним, хендовер між різними типами мереж зветься вертикальним. Традиційний механізм горизонтального хендовера базується на оцінці потужності сигналу, що приймається (Received Signal Strength — RSS). Хендовер запускається, коли рівень RSS обслуговуючої базової станції стає нижчим за встановлене порогове значення, при цьому для усунення ефекту пінг‐понгу на межі покриття застосовуються схеми з петлею гістерезису та таймери затримки.

Однак у гетерогенному бездротовому середовищі параметри різних типів мереж знаходяться в різних межах, а RSS не є достатнім критерієм для ефективного та інтелектуального хендовера, оскільки для мультисервісного трафіку необхідно враховувати також параметри якості обслуговування в мережі, переваги користувачів, вимоги додатків та інше. Саме тому постає задача розробки такого критерія та алгоритма, який би враховував максимальну кількість параметрів та дозволяв здійснювати інтелектуальний хендовер.

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

2.1 Мета дослідження

Метою дослідження є покращення якості надання послуг мобільного зв’язку за рахунок використання ресурсів гетерогенної бездротової мережі та інтелектуального алгоритму вертикального хендовера.

2.2 Задачі дослідження

Для досягнення поставленої мети дослідження необхідно вирішити наступні задачі:

  1. Проаналізувати процедуру вертикального хэндовера та його класифікацію.
  2. Розглянути параметри критерію вибору мережі призначення вертикального хэндовера та розробити критерій вибору.
  3. Розробити алгоритм вертикального хендовера.
  4. Здійснити імітаційне моделювання розробленого алгоритму.
  5. Інтерпретувати результати моделювання та надати рекомендації щодо подальшого використання.

2.3 Об’єкт та предмет дослідження

Об'єктом дослідження є гетерогенна бездротова мережа, а предметом дослідження — алгоритм ініціації хэндовера та вибору мережі призначення.

2.4 Заплановані результати та передбачувана наукова новизна роботи

У рамках магістерського дослідження планується розробити інтелектуальний алгоритм вертикального хэндовера, що використовуватиме нечітку логіку для обробки вхідних параметрів та прийняття рішення щодо хендовера. Такий алгоритм дозволить ефективно використовувати ресурси операторів та надавати послуги з підвищеною якістю (з більшою пропускною здатністю та покриттям мережі).

Передбачувана наукова новизна роботи полягає у наступному:

— розкритті понять гетерогенної мережі та вертикального хендовера, у проведенні аналізу та класифікації процедури хендовера;

— розробці алгоритму вертикального хэндовера, що застосовує:

  • апарат фазі-логіки для обробки вхідних параметрів та обчислення критерію запуску хендовера;
  • механізм передбачення значень RSS на базі теорії «сірого аналізу» GPT (Grey Prediction Theory) при ініціації хэндовера для зменшення імовірності втрати виклику;
  • метод аналітичного ієрархічного процесу AHP (Analytic Hierarchical Process) для розрахунку ваги кожного з критеріїв для певного типу трафіку;
  • алгоритм пріоритезації за наближеністю до ідеального рішення TOPSIS (Techniques for Order Preference by Similarity to Ideal Solution) при вирішенні задачі вибору мережі призначення хендовера.

    • 3. Постановка задачі вибору мережі

    Нехай гетерогенна мережа складається з M мереж радіодоступу та набору з’єднань n=1,2,...,N. Цільова функція f(xmn,rmn,Gm) — це критерій, який необхідно максимізувати (наприклад, пропускна спроможність або деякий комплексний критерій). Кожна з мереж має обмежений радіоресурс Gm, та коли користувач n розподіляється до мережі m, він використовує її ресурс у розмірі rmn; xmn — це бінарна величина, яка дорівнює «1», якщо абонент n розподілений до мережі m, а інакше — дорівнює «0»; rReqmn — це мінімальний ресурс, необхідний для задоволення вимог QoS додатку, Nm — це кількість користувачів у мережі m. Коли усі ресурси мережі зайняти та надходять нові запити на з’єднання, то розподіл ресурсів поміж користувачів здійснюється за певною політикою, що представлена функцією gmn(vm,Gm,Nm), яка може залежати від загальної ємності мережі (Gm), кількості користувачів у мережі (Nm) та вектору вимог QoS для усіх з’єднань (vm) [4].

    На підставі викладеного вище сформулюємо загальну проблему вибору мережі при вертикальному хендовері у наступному вигляді:

    Формула 1

    за умови

    Формула 2;

    де

    Формула 3;

    Формула 4.

    4. Аналіз і класифікація хендовера

    Хендовер (англ. — handover, handoff) є ключовим механізмом, що дозволяє безшовно пересуватися у мобільній мережі. Як було зазначено вище, хендовер між сусідніми стільниками мережі однієї технології зветься горизонтальним (внутрисистемним), хендовер між різними типами мереж зветься вертикальним (межсистемним) та має місце у гетерогенних мережах. 

    Якщо передача управління сесією абонента здійснюється без втрати поточного з’єднання, хендовер зветься м’яким (англ. — make-before-break): мобільна станція (МС) може спілкуватися та зв’язуватися з декількома пристроями доступу одночасно, саме такий тип хендовера відображено на анімації (див. рис. 2). У іншому випадку, коли в кожний момент часу мобільний вузол асоціюється лише з однією базовою станцією або точкою доступу, хендовер зветься жорстким (англ. — break-before-make): тобто спочатку розривається з’єднання з поточною мережею та лише потім встановлюється з’єднання з новою.

    Ілюстрація м'якого хендовера між базовою станцією WiMAX та точкою доступу WLAN. Анімація складається з 3 кадрів з затримкою 1 с між кадрами, число циклів повторення - 7. Об'єм зображення - 42 Кб

    Рисунок 2 — Ілюстрація м'якого хендовера між базовою станцією WiMAX та точкою доступу WLAN:

    Переклад позначень на рисунку: SIP Signaling Path — Сигнальний канал за протоколом SIP; Data Path — Канал передачі даних; Mobile Host — Мобільний вузол; Correspondent Host — Вузол-відповідач; WLAN AP (Access Point) — точка доступу WLAN; WiMAX BS (Base Station) —  Базова станція WiMAX.
    (Анімація складається з 3 кадрів з затримкою 1 с між кадрами, число циклів повторення — 7. Об'єм зображення — 42 Кб)


    В залежності від ініціатора хендовер може бути таким, що ініціюється мобільною станцією (англ. — mobile-controlled), мережею (англ. v network-controlled) або мобільною станцією у кооперації з мережею (англ. — mobile-assisted).

    Вертикальний хендовер також можна класифікувати на висхідний та низхідний. Низхідний хендовер здійснюється від більшої мережі з меншою швидкістю до меншої мережі з більшою швидкістю. Його основна особливість — це некритичність до затримки, оскільки немає ризику виходу з більшої мережі, до якої наразі приєднаний мобільний вузол. Такий хендовер здійснюється з метою оптимізації роботи мережі. Висхідний хендовер — той, що відбувається від меншої мережі з більшою швидкістю до більшої мережі з меншою швидкістю. Такий тип хендовера здійснюється, коли мобільний вузол покидає мережу з меншим покриттям, тому такий хендовер є чутливим до затримок.

    Основні вимоги до хендовера наступні: низькі затримки, висока надійність, високий рівень успішності, мінімальна кількість хендоверів (оскільки часті переключення призводять до значних енерговитрат та витрат корисної пропускної здатності мережі), забезпечення прозорого переміщення абонента, балансування навантаження на мережі радіодоступу. Система вертикального хендовера повинна обирати найбільш доречний момент його ініціювання та найбільш придатну мережу радіодоступу серед усіх доступних.

    Виділяють три етапи процедури вертикального хендовера: збір інформації щодо наявних мереж, прийняття рішення щодо мережі призначення та власно здійснення переключення [5].

    На етапі збору інформації (виявлення мереж) мобільних вузол з множинними радіоінтерфейсами виявляє доступні бездротові мережі шляхом прослуховування ефіру та отримання службових розсилок мереж (service advertisements). Також необхідно зібрати інформацію щодо стану мобільного вузла, потреб користувача та інших, що входять до критерію прийняття рішення щодо хэндовера.

    Вхідними параметрами для алгоритма VHO можуть бути наступні:

    — параметри користувача (переваги, бюджет, профіль);

    — параметри мобільного пристроя (швидкість пересуваня, місце знаходження, підтримувані технології, заряд акумулятора, споживча потужність);

    — параметри додатків (класс трафіку: розмовний, потоковий, інтерактивний, фоновий; вимоги QoS додатків);

    — параметри мережі (QoS, завантаженість, безпека, вартість обслуговування);

    — параметри каналу зв’язку (потужність сигналу (RSS), співвідношення сигнал-шум SNR (Signal –to-Noise Ratio), рівень бітових помилок BER (Bit Error Rate) або помилок блоків даних BLER (Block Error Rate), затримка та ії варіація — джитер).

    На етапі прийняття рішення, або запуску хендовера, вирішується, коли здійснити хендовер та до якої з наявних мереж. Ця фаза є найбільш критичною, оскільки від її результату залежить якість надання послуг. Вона включає вибір вхідних параметрів, їх обробку та агрегацію у критерій вибору мережі.

    На етапі здійснення хендовера відбувається безпосередня передача поточного сеансу до обраної на попередньому етапі мережі доступу. Це потребує передачі поточною мережею інформації щодо маршрутизації та іншої контекстної інформації про з’єднанння в нову мережу. З боку МС переключення потребує передачі керуючих впливань на SDR-приймач/передавач, а також підтримки протоколів MIP, SCTP (Stream Control Transmission Protocol), SIP (Session Initiation Protocol), оскільки для м’якого хендовера потребується підключення до декількох мереж одночасно, тобто мультихоумінг.

    5. Огляд існуючих рішень та розробок

    Проблемами впровадження та вдосконалення бездротових мереж нових поколінь займалися багато магістрів ДонНТУ (Запорожченко В.В Дослідження характеристик зонового покриття радіомереж доступу на базі технології LTE, Охрименко М.Ф. Дослідження особливостей і розробка методики побудови мереж нового покоління для операторів мобільного зв'язку, Кнерцер Д.О. Розробка та дослідження моделі сегмента мережі, що самоорганізується, на базі технології LTE та ін.), хендовер у мережах третього покоління розглядає магістр Сахно О.В. у своїй роботі Оптимізація передачі керування викликом у мережах третього покоління. Алгоритм прискореного хендовера з використанням протоколу SIP застосовує магістр Бородін Є.М. для організації залізничного радіозв’язку. 

    Проте саме гетерогенні мережі та механізми організації мобільності у них не досліджуються українськими науковцями. Це, насамперед, можна пояснити суттєвим відставанням України у впровадженні технологій нових поколінь мобільного зв'язку, що базуються на all-IP платформі. Тому наразі проблеми взаємодії неоднорідних мереж в Україні розглядаються в перспективі.

    Актуальність обраної тематики у світовому масштабі яскраво підтверджується кількістю публікацій та досліджень в англомовному інформаційному просторі, серед авторів зустрічаються представники Північної Америки — США, Канада; Європи — Англія, Швеція, Франція та інші; Азії — Китай, Індія; Австралії і навіть Африки (ПАР). Перші роботи щодо підтримки прозорого з'єднання у неоднорідних мережах з'явилися наприкінці 90-х років: у роботі [6] представлено використання протоколів Mobile IP (MIP) та аспектів маршрутизації для управління процесом хендовера, запропоноване рішення було спрямоване на підтримувані у той час технології (WLAN, AT&T WaveLAN та Metricom Ricochet Network), більшість яких вже забуто.

    В останні роки з'явилося багато окремих рішень, присвячених хендоверу між наступними технологіями: UMTS та Wi-Fi [7], Wi-Fi і WiMAX [8], UMTS та WiMAX [9].

    Загальний огляд існуючих алгоритмів та підходів до реалізації вертикального хендовера надають Маркес-Барія, Карлос Калафат та ін. у своїй роботі An overview of vertical handover techniques: algorithms, protocols and tools [10], а також Зекрі, Жубер та Зеглаж у дослідженні A review on mobility management and vertical handover solutions over heterogeneous wireless networks [11]. Простий хендовер на базі RSS намагаються адаптувати до гетерогенних мереж Захран, Ліанг та Салє [12], а Нгуен-Вонг [5] враховує вимоги користувача.

    Більшість досліджень по темі ведеться членами організації інженерів електроніки та електротехніки IEEE. Результатом роботи став прийнятий в 2008 році стандарт 802.21 Хендовер, незалежний від середовища передавання (Media Independent Handover) [13], головною метою якого є оптимізація механізмів підтримки мобільності у гетерогенних мережах (див рис. 3).

    Рисунок 3 - Архітектура стандарту IEEE 802.21
    Рисунок 3 — Архітектура стандарту IEEE 802.21

    IEEE 802.21 визначає три основні служби, що є у розпорядженні застосунків управління мобільністю (наприклад, мобільного міжмережного протоколу MIP): служба подій, інформаційна служба та служба команд. Ці служби передають інформацію з нижніх рівнів моделі взаємодії OSI на верхні за допомогою протоколу MIHF — Media Inependent Handover Function. Протокол MIHF у моделі OSI займає місце між канальним та мережним рівнями, чим робить роботу прикладних застосунків (тобто, верхніх рівнів моделі) прозорою для будь-яких стандартів нижніх рівнів (802.3, 802.11, 802.16, 3GPP, 3GPP2) [14].

    Проте цей стандарт є загальним описом принципів побудови системи, але не містить конкретної апаратної або алгоритмічної реалізації: усі тонкощі впровадження, включаючи алгоритм прийняття рішення та здійснення хендовера, залишаються на розсуд інженерів-розробників.

    Спосіб обробки вхідних даних в алгоритмі VHO може бути математичний або обчислювальний (інтелектуальний). У математичних алгоритмах обробки формується загальна вартісна оцінка мережі у вигляді функції, яка потім мінімізується. Функція може бути представлена у двох формах:

    — кумулятивна:

    Кумулятивна форма критерію

    — мультипликативна:

    Мультипликативна форма критерію

    де pn — це вартість і-го параметра послуги s в мережі n; ws,i — це ваговий коефіцієнт, що визначає важливість i-го параметра, при цьому Умова нормування. Вартість визначається з функцій корисності, призначених для нормування різнорідних параметрів.

    Математичний підхід, заснований на марківських процесах прийняття рішення, пропонує Стівенс та інші у роботі [15]: автори використовують два типи функцій – функцію вартості каналу, що базується на параметрах QoS, та сигнальну функцію, що визначається розміром сигнального заголовку та затримкою здійснення хэндовера.

    Інтелектуальні методи обробки передбачають застосування методів наближених (або м'яких) обчислень: апарат фазі-логіки, нейронних мереж [16], експертних систем, генетичних алгоритмів [4], елементи теорії ігор [17] і комбіновані методи. Методи, засновані на фазі-логіці, дозволяють моделювати якісні аспекти експертних знань людини та її міркування, а також дозволяють працювати з неточними вимірюваннями, що адекватно підходить для бездротового зв'язку, де діє безліч завад, і для мобільних мереж, в яких вхідні дані при високій швидкості переміщення змінюються дуже динамічно. До того ж одні і ті ж параметри для різних технологій можуть знаходитися в різних межах і тому можуть бути непорівнянні.

    Нейронні мережі при використанні повного набору вхідних параметрів і бажаних вихідних, можуть бути натреновані для оптимального здійснення процедури вертикального хендовера. І нарешті, може використовуватися комбінація фазі-логіки з нейромережами або генетичними алгоритмами для організації адаптивних механізмів вертикального хендовера. Але якщо кількість ділянок мереж, що перекриваються  незначна, то таке ускладнення системи є  нераціональним.

    Визначення оптимального рішення після обробки вхідних параметрів здійснюється за алгоритмами розв'язання багатокритеріальних завдань - MCDM (Multiple Criteria Decision-Making). Найбільш відомі серед них:

    1) SAW (Simple Additive Weighting) — зважене підсумовування;

    2) MWE (Multiplicative Weighting Exponent) — зважене множення;

    3) TOPSIS (Techniques for Order Preference by Similarity to Ideal Solution) — визначення наближеності до ідеального рішення;

    4) AHP (Analytic Hierarchy Process) — метод декомпозиції задачі;

    5) GRA (Grey Relational Analysis) — теорія сірого аналізу та ін.

    Більш детальний опис і порівняння цих алгоритмів можна знайти в роботах [11], [18], [19].

    6. Запропонований алгоритм вертикального хендовера

    У рамках даного дослідження для формування критерію VHO обрані наступні параметри: RSS, параметри QoS мережі, тип трафіку, вартість обслуговування, безпека і завантаженість мережі, а також швидкість переміщення МУ як обмежуючий фактор при порівнянні технологій. Для більш ефективної процедури хендовера в умовах динамічної зміни параметрів мереж при високій швидкості пересування абонента можна використовувати прогнозування рівня сигналу RSS, наприклад, за алгоритмом GPT, який використовує метод регресійного аналізу - метод найменших квадратів [20].

    Для алгоритму вертикального хендовера нами запропоновано використовувати апарат фаззі-логіки, що себе зарекомендував як простий у впровадженні та розумінні апарат управління. Головною перевагою розробленого алгоритму є використання паралельних фазі-регуляторів, що дозволяють у значній мірі скоротити кількість нечітких правил, а отже розвантажити обчислювальну систему.

    Обробка (нормування) і агрегування параметрів здійснюється із застосуванням апарату фазі-логіки, який дозволяє оцінювати кожен з параметрів деякими лінгвістичними змінними — низький, середній, високий; (див. рис. 4). Кожна з цих змінних являє собою нечітка безліч, функції приналежності до якого задаються на підставі експертних знань і досвіду користувачів.

    Рисунок 4 - Нечіткі множини для параметру RSS у мережі WWAN  Рисунок 4 - Нечіткі множини для параметру RSS у мережі WMAN  Рисунок 4 - Нечіткі множини для параметру RSS у мережі WLAN

    Рисунок 4 — Нечіткі множини для параметру RSS (a - у мережі WWAN, б - у мережі WMAN, в - у мережі WLAN)

    Фазі-регулятори оперують нечіткими умовними (if - then) правилами, закладеними в базу знань, для перетворення нечітких вхідних даних в необхідні керуючі впливу, які також носять нечіткий характер. Вихід системи нечіткої логіки після дефаззіфікації є критерієм запуску хендовера.

    Функціональна схема розробленої системи управління хендовером наведена на рис. 5 [21].

    Рисунок 5 — Функціональна схема системи управління вертикальним хендовером

    Рисунок 5 — Функціональна схема системи управління вертикальним хендовером

    Система складається з блоків збору та зберігання даних, ініціації хендовера, вибору мережі та виконання хендовера. Блок збору даних відповідає за першу фазу вертикального хендовера та за допомогою безперервного сканування радіочастотного діапазону і спілкування з мережами доступу збирає параметри, необхідні для обробки у наступному блоці — блоці ініціації хендовера: RSS, швидкість пересування МС (v), параметри QoS у мережі, вартість послуг (С) у мережі, а також її завантаженість (L) та безпека (S), пріоритети користувача (Up). Швидкість пересування можна оцінювати за допомогою, наприклад, GPS-модулю, вбудованого у більшість сучасних мобільних пристроїв.

    Блок ініціації хендовера постійно запитує параметри з попереднього блоку, аналізує їх та вирішує, чи є хендовер у даний момент необхідним, шляхом перевірки наступних умов запуску VHO:

  • коли МС виявляє доступність нової бездротової мережі чи виходить з зони покриття обслуговуючої мережі;
  • коли МС виявляє зміну пріоритетів користувачів (наприклад, користувач вирішує переключитися до більш захищеної мережі);
  • коли МС виявляє новий запит на послугу або коли параметри QoS поточного з’єднання погіршуються;
  • при значному погіршенні або повній втраті сигналу від поточної мережі.

    • Блок ініціації хендовера складається з функціональних модулів прогнозування RSS за алгоритмом GPT (Grey Prediction Theory) та оцінки необхідності хендовера (VHO-фактору) за допомогою паралельних фаззі-регуляторів. Прогнозування рівня сигналу необхідно для зменшення імовірності втрати виклику в умовах логнормального згасання сигналу у гетерогенному бездротовому середовищі.

    Блок вибору мережі використовує MCDM-алгоритм TOPSIS для ранжування та вибору мережі призначення хендовера.

    Загальний вигляд запропонованого алгоритму VHO наведено на рис. 6. Блок-схеми роботи модулів оцінки необхідності хендовера та вибору мережі наведено на рис. 7.

    Рисунок 6 - Блок-схема алгоритму VHO

    Рисунок 6 — Блок-схема алгоритму VHO


    Рисунок 7 - Блок-схема підпрограми розрахунку VHO-фактору та вибору мережі призначення

    Рисунок 7 — Блок-схема підпрограми розрахунку VHO-фактору та вибору мережі призначення

    Як видно, ці модулі відрізняються тільки за вихідними параметрами, а процес обчислень майже співпадає: результатом виконання алгоритму ініціації хендовера є значення VHO-критерію, а результатом виконання модулю вибору мережі є рішення щодо мережі призначення хендовера.

    Розрахунок вагових коефіцієнтів дозволяє відобразити важливість того чи іншого параметра для певного типу трафіку. Розрахунок здійснюється за схемою аналітичного ієрархічного процесу (Analytic Hierarchy Process, AHP) [22].

    Подальша нормалізація параметрів VHO, які для різних типів бездротових мереж не можна порівнювати безпосередньо, здійснюється за допомогою нечітких множин, область визначення яких обирається на підставі стандартів на відповідні технології. Для оцінки параметрів вводяться лінгвістичні терми: низький, середній, високий. Для оцінки безпеки та вартості використовується загальна оцінка у діапазоні [1:10], де 10 — це найбільший рівень безпеки та найвища вартість.

    Існують дві базові моделі систем нечіткої логіки — Мамдані та Сугено. Основна відмінність між ними полягає у різних способах завдання значень вихідної змінної у правилах, що формують базу знань: у системах типу Мамдані значення вихідної змінної завдаються нечіткими термами, в системах типа Сугено — як лінійна комбінація вхідних змінних [23]. В розробленому алгоритмі усі параметри обробляються у паралельних блоках фаззі-логіки FIS (Fuzzy Inference System) системи Сугено. Розрахунок VHO-фактору, значення якого запускає хендовер, проводиться за наступною схемою (див. рис. 8): спочатку усі значення критеріїв хендовера обробляються у паралельних фазі-регуляторах FLC-1 та FLC-2, вихідні параметри з яких поступають на фаззі-регулятор FLC-3, що і видає кінцеве значення VHO-фактору.

    Рисунок 8 — Фаззі-регулятори модуля ініціації хендовера

    Рисунок 8 — Фаззі-регулятори модуля ініціації хендовера

    Результат на виході системи дефазифікується за центроїдною схемою [23]:

    Формула 5,

    де μ — це значення функції приналежності параметру y.

    Отриманий результат порівнюється з пороговим значенням, яке у даному дослідженні прийнято 0,75. Якщо значення перевищує порогове, то ініціюється хендовер — тобто, запускається алгоритм вибору мережі призначення.

    Модуль вибору мережі призначення вертикального хендовера на базі попередніх розрахунків ранжує мережі за алгоритмом TOPSIS [24], який розраховує відносну наближеність мережі-кандидата до ідеального рішення (за ідеальне приймається найкраще з існуючих).

    Висновки

    У гетерогенній мережі дуже важливим є забезпечення ефективного використання її ресурсів та прозорого переміщення абонентів крізь неї. Це реалізується завдяки оптимальній процедурі вертикального хендовера, адже неефективний хендовер може призвести до втрати з’єднання, до незадовільного рівня QoS або значних витрат абонентів.

    У наведеній роботі здійснено дослідження процедури VHO, математично сформульовано загальну проблему вибору мережі призначення при здійсненні хендовера, а також запропоновано інтелектуальний мультикритеріальний алгоритм ініціації хендовера та вибору мережі призначення. Алгоритм базується на використанні фаззі-логіки для оцінки вхідних параметрів, а також для обчислення критерію прийняття рішення щодо хендовера. Система компонується з декількох етапів фаззі-регулювання: на першому у розроблених фаззі-регуляторах FLC-1 та FLC-2 розраховуються параметри певної мережі у вигляді нечітких змінних, які потім використовуються для формування VHO-фактору, чисельне значення якого після дефазифікування і використовується у якості критерію. Після порівняння з пороговим значенням, приймається рішення щодо хендовера. Якщо необхідність хендовера підтверджена, то на наступному етапі за попередніми кроками оцінюється кожна з мереж-кандидатів, оцінка складається у діапазоні [0;1] після дефазифікування. Ці оцінки ранжуються за алгоритмом TOPSIS, у результаті чого відбувається вибір мережі призначення.

    Запропонований алгоритм дозволяє впровадити диференціацію в обслуговуванні на базі типу трафіку, реалізувати безшовне переміщення абонентів у гетерогенному середовищі.

    Перелік посилань

    1. Состояние рынка мобильного широкополосного доступа «В ритме технологий, соединяющих общество» — отчет фирмы “Ericsson”, 2012.
    2. Gustafsson E. Always best connected / E. Gustafsson, A. Jonsson // IEEE WirelessCommun. Lett. — 2003. — vol. 10. — pp. 49–55.
    3. SEMAFOUR: Self-managemement for unified heterogeneous radio access networks. [Електронний ресурс]. — Режим доступу: URL: http://www.tno.nl/content.cfm?context=kennis&content=expertise_euproject&laag1=1&laag2=62&item_id=1882&Taal=2.
    4. Sousa V. A. et al. Performance of Access Selection Strategies in Cooperative Wireless Networks using Genetic Algorithms / V. A. de Sousa, R. A. de O. Neto et al // WWRF'05. — Paris, France. — 2005.
    5. Nguyen-Vuong Q. A user-centric and context-aware solution to interface management and access network selection in heterogeneous wireless environments / Q. Nguyen-Vuong, N. Agoulmine and Y. Ghamri-Doudane // Comput.Netw. — 2008. — vol. 52. — pp. 3358-3372.
    6. Stemm M. Vertical handoffs in wireless overlay networks / M. Stemm, R.H. Katz // Springer Mobile Networks and Applications. — 1998. — vol. 3 (4). — pp. 335–350.
    7. Liao W.K. Supporting vertical handover between universal mobile telecommunications system and wireless LAN for real-time services / W.K. Liao, Y.C. Chen // IEEE Institution of Engineering and Technology Communications. — 2008. — vol. 2 (1). — pp. 75–81.
    8. Wright D.J. Maintaining QoS during handover among multiple wireless access technologies. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://dx.doi.org/10.1109/ICMB.2007.40.
    9. Cho J. Jo. A cross-layer vertical handover between mobile WiMAX and 3G networks. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://dx.doi.org/10.1109/IWCMC.2008.111.
    10. Marquez-Barja J. An overview of vertical handover techniques: Algorithms, protocols and tools / J. Marquez-Barja, C. T. Calafate, J.-C. Cano, P.Manzoni // Computer Communications. — 2011. — vol. 34. — pp. 985–997.
    11. Zekri M. A review on mobility management and vertical handover solutions over heterogeneous wireless networks / M. Zekri, B. Jouaber , D. Zeghlache // Computer Communications. — 2012. — vol. 35. — pp. 2055–2068.
    12. Zahran A. H. Signal threshold adaptation for vertical handoff in heterogeneous wireless networks / A. H. Zahran, B. Liang and A. Saleh // Mob.Netw.Appl. — 2006. — vol. 11. — pp. 625-640.
    13. IEEE standard for local and metropolitan area networks — part 21: Media independent handover. [Електронний ресурс]. — Режим доступу: http://www.ieee802.org/21.
    14. Taniuchi K., Ohba Y. et al. IEEE 802.21: Media independent handover: Features, applicability, and realization // Communications Magazine, IEEE, vol. 47. - 2009 - pp. 112-120.
    15. Stevens-Navarro E., Lin Y., Wong V.W.S. An MDP-based vertical handoff decision algorithm for heterogeneous wireless networks // IEEE Transactions on Vehicular Technology. – 2008. – vol. 57 [Електронний ресурс]. - Режим доступа: http://dx.doi.org/10.1109/TVT.2007.907072.
    16. Horrich S., Ben, Godlewski P. Neural networks for adaptive vertical handover decision, in: 5th IEEE International Symposium on Modeling and Optimization in Mobile, Ad Hoc and Wireless Networks, 2007, pp. 1–7. Режим доступа: http://dx.doi.org/10.1109/WIOPT.2007.4480068.
    17. Trestian R., Ormond O., Muntean G.-M. Game Theory — Based Network Selection: Solutions and Challenges // IEEE COMMUNICATIONS SURVEYS & TUTORIALS - 2012.
    18. Kassar M. et al. An overview of vertical handover decision strategies in heterogeneous wireless networks / M. Kassar, B. Kervella, G. Pujolle // Elsevier Computer Communications — 2008. — vol. 31. — pp. 2607–2620.
    19. Stevens-Navarro E., Wong V.W.S. Comparison between vertical handoff decision algorithms for heterogeneous wireless networks / 63rd IEEE Vehicular Technology Conference. – 2006. - vol. 2. - pp. 947–951. Режим доступа: http://dx.doi.org/10.1109/VETECS.2006.1682964.
    20. Rezaei S.S.C., Khalaj B.H. Grey Prediction Based Handoff Algorithm // World Academy of Science, Engineering and Technology. – 2007. – vol.2 – pp.554-557.
    21. Гришаева А.Д. Алгоритм вертикального хендовера у гетерогенній бездротовій мережі / А.Д. Гришаева, В.Я. Воропаева // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація. — 2013. — Вип. 24 (202). — C. 139-147.
    22. Saaty T.L., Vargas L.G. Models, Methods, Concepts & Applications of the Analytic Hierarchy Process. — Boston: Kluwer Academic Publishers. — 2001.
    23. Штовба С.Д. Введение в теорию нечетких множеств и нечеткую логику / С.Д.Штовба // Винница: Издательство Винницкого государственного технического университета, 2001. — 198 с.
    24. Alkhawlani M. M., Alsalem K. A., Hussein A. A. Multi-criteria vertical handover by TOPSIS and fuzzy logic // Communications and Information Technology (ICCIT), 2011 International Conference. - 2011. - pp. 96-102.