УДК 621.396.49

Алгоритм вертикального хендовера у гетерогенній бездротовій мережі

Авторы: А.Д. Гришаева, В.Я. Воропаева

Источник: Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація. — 2013. — Вип. 24 (202).  — C. 139-147.

Анотація.

У роботі наведено алгоритм інтелектуального вертикального хендовера у гетерогенній бездротовій мережі, що є мультикритерійльним (враховує якість та вартість обслуговування мережі, швидкість пересування абонента та його вимоги) та використовує апарат фаззі-логіки для обробки даних при ініціації хендовера та виборі мережі призначення. Алгоритм дозволяє підтримувати безшовне пересування мобільних абонентів та раціональне використання ресурсів операторів, з іншого боку – підтримувати якість обслуговування для кінцевих користувачів та зменшувати їх витрати, що загалом дозволить надавати мобільні послуги на якісно новий рівень.

Ключові слова: вертикальний хендовер, гетерогенна бездротова мережа, фаззі-логіка, MADM, TOPSIS.

Abstract.

V.Voropayeva, A.Grishaeva. A vertical handover algorithm for heterogeneous wireless networks. In the next generation heterogeneous wireless networks user terminal with multiple network interfaces will be able to gain access to the networks of different operators or providers using various wireless technologies (WLAN, WMAN, WWAN and others). In such circumstances, there is a need to support the mobility of users, implemented with a help of vertical handover (VHO) - the mechanism of switching the on-going connections from one Radio Access Network (RAN) to another. This switching can be based on different criteria and factors (QoS, cost, operator policies, user preferences, etc.), for which the algorithm selection and combination affects the quality for end-users and their satisfaction, as well as the efficiency of network resources allocation.

The aim of this work is to improve the quality of mobile services by the effective use of the heterogeneous wireless network resources and optimizing the VHO procedure. To achieve this goal several tasks have been accomplished by this research: formulating the destination network selection problem, choosing the parameters and building vertical handover initiation criteria, developing an algorithm of the destination network selection. In this paper, the algorithm of intelligent multi-criteria vertical handover for the wireless heterogeneous networks is proposed. It uses parallel fuzzy logic controllers for processing handover initiation and network selection data. It also uses the TOPSIS ranking algorithm, Grey Prediction Theory (GPT) for the RSS prediction and the Analytics Hierarchy Process (AHP) for the metric weighs calculation.

Keywords: Vertical handover, heterogeneous wireless network, fuzzy logic, multi-attribute decision making, TOPSIS ranking.

Аннотация.

В.Я. Воропаева, А.Д. Гришаева. Алгоритм вертикального хендовера в гетерогенной беспроводной сети.В работе представлен алгоритм интеллектуального вертикального хэндовера в гетерогенной беспроводной сети, который является мультикритериальным (учитывает качество и стоимость обслуживания в сети, скорость перемещения абонента и его предпочтения) и использует аппарат фаззи-логики для обработки данных и инициации хэндовера, а также при выборе сети назначения. Алгоритм позволяет поддерживать бесшовное перемещение мобильных абонентов и рациональное использование ресурсов операторов, с другой стороны – поддерживать качество обслуживания для конечных пользователей и минимизировать их затраты, что в целом, позволяет предоставлять услуги мобильной связи на качественно новом уровень.

Ключевые слова: вертикальний хэндовер, гетерогенная беспроводная сеть, фаззи-логика, MADM, TOPSIS.

Загальна постановка проблеми.

Сучасний ринок мобільного зв’язку характеризується широким спектром технологій радіодоступу, розповсюдженням мобільних пристроїв із множинними мережними інтерфейсами, а також експоненційним зростанням обсягу мобільного трафіку, який за прогнозами компанії Ericsson у 2017 році у світі складатиме близько 8000 петабайт щомісячно [1]. Зростають також і вимоги користувачів до якості та набору інфокомунікаційних послуг, а доступ до них повинен забезпечуватися завжди і усюди, згідно з концепцією постійного кращого з’єднання (Always Best Connected, ABC).

Проте зони покриття бездротових мереж жодного із представлених на ринку України операторів не є досконалими, а при розгортанні більш високошвидкісних мереж нового покоління у національних масштабах перед операторами постають проблеми обмеженого фінансового та радіочастотного ресурсу, складності в отриманні ліцензії. Одним із варіантів вирішення такої проблеми може стати об’єднання мережних інфраструктур різних операторів, у загальному випадку побудованих за різними технологіями радіодоступу, у єдину гетерогенну мережу, зони покриття якої перекриваються.

В умовах гетерогенності пріоритетною задачею стає ефективне управління спільними радіоресурсами і забезпечення прозорого пересування абонента, що включає у себе такі механізми як підтримку мобільності, хендовер, забезпечення QoS, систему безпеки та тарифікацію. Хендовер у гетерогенній мережі є ключовою функцією, що дозволяє абоненту безшовно пересуватися у мережі. І якщо горизонтальний хендовер є достатньо дослідженою процедурою та здебільшого базується на рівні сигналу, що приймається (Received Signal Strength, RSS), то вертикальний хендовер є більш складною процедурою та потребує дослідження з метою оптимізації використання ресурсів мереж та максимізації якості надаваних послуг та задоволеності користувачів.

Цю проблему розглядали протягом останніх 5-8 років багато науковців світу, серед яких варто зазначити організацію IEEE, яка у 2008 році прийняла стандарт 802.21 Хендовер, незалежний від середовища передавання (Media Independent Handover) [2], головною метою якого є оптимізація механізмів підтримки мобільності у гетерогенних мережах. Проте цей стандарт є досить 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.

Загальний огляд існуючих алгоритмів та підходів до реалізації вертикального хендовера надають Маркес-Барія, Карлос Калафат та інші у своїй роботі An overview of vertical handover techniques: algorithms, protocols and tools[3], а також Зекрі, Жубер та Зеглаж у дослідженні A review on mobility management and vertical handover solutions over heterogeneous wireless networks [4]. Простий хендовер на базі RSS намагаються адаптувати до гетерогенних мереж Захран, Ліанг та Салє [5], а Нгуен-Вонг враховує вимоги користувача при виконанні хендовера [6]. Обробку вхідних параметрів за математичними алгоритмами на базі функцій вартості та марківських процесів здійснено у роботах Стівенса-Наварро [7] та Інга, Юна та ін. [8]. Багатокритеріальні алгоритми прийняття рішення використовуються у роботі Кассара, Кервела та Пуйоля [9].

Постановка задач дослідження.

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

Для досягнення мети дослідження необхідно вирішити наступні задачі:

сформулювати задачу вибору мережі призначення вертикального хендовера;

обрати параметри та розробити критерій ініціації вертикального хендовера;

розробити алгоритм вибору мережі, до якої буде здійснено передачу з’єднання.

Вирішення завдання та результати дослідження.

Основні вимоги до хендовера наступні: низькі затримки процедури, висока надійність, високий рівень успішності процедури, 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. Техніка вертикального хендовера повинна обирати найбільш доречний момент його ініціювання та найбільш придатну мережу радіодоступу серед усіх доступних.

Традиційний механізм горизонтального хендовера базується на оцінці потужності сигналу, що приймається (RSS). Хендовер запускається, коли рівень RSS обслуговуючої базової станції стає нижчим за встановлене порогове значення. З іншого боку, мобільний вузол у гетерогенному бездротовому середовищі може пересуватися між мережами доступу з різними характеристиками (пропускна здатність, затримка, споживча потужність, вартість), які не можуть бути порівняні безпосередньо. Тому RSS не є достатнім критерієм для здійснення ефективного та інтелектуального прийняття рішення щодо вертикального хендовера; інші метрики, такі як вартість, завантаженість мережі, доступна пропускна здатність, безпека та переваги користувачів також мають бути враховані.

Вертикальний хендовер (Vertical Handover, VHO) здійснюється у три етапи: збір інформації щодо наявних мереж, прийняття рішення щодо мережі призначення та власно здійснення хендовера [7].

На етапі збору інформації (виявлення мереж) мобільних вузол з множинними мережними інтерфейсами виявляє доступні бездротові мережі шляхом прослуховування та отримання службових розсилок цих мереж (service advertisements). Проте підтримка всіх цих інтерфейсів у активному стані потребує значних енерговитрат. Також необхідно зібрати інформацію щодо стану мобільного вузла (заряд батареї, ресурси, швидкість, клас послуг тощо), а також щодо потреб користувача (бюджет, потрібні послуги).

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.

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 стосовно мобільної станції (МС) в нову мережу якомога швидше.

Нехай гетерогенна мережа складається з M мереж радіодоступу та набору з’єднань n = 1,2,…,N. Цільова функція f (x_mn, r_mn, G_m) - це критерій, який необхідно максимізувати (наприклад, пропускна спроможність). Кожна з мереж має обмежений радіоресурс G_m, та коли користувач n розподіляється до мережі m, він використовує її ресурс у розмірі r_mn; x_mn - це бінарна величина, яка дорівнює 1, якщо абонент n розподілений до мережі m, а інакше - 0; r^Req_mn - це мінімальний ресурс, необхідний для задоволення вимог QoS користувача, N_m - 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 g_mn (v_m, G_m, N_m), яка може залежати від загальної ємності мережі (G_m), кількості користувачів у мережі (N_m) та вектору вимог до QoS для усіх користувачів (v_m) [10].

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

 

Для алгоритму вертикального хендовера запропоновано [11] використовувати механізм 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.

Функціональна схема розробленої системи управління хендовером наведена на рис. 1.

Рисунок 1 - 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, що функціонують на базі нечітких if - then правил з урахуванням усіх вище згаданих параметрів. Прогнозування рівня сигналу необхідно для зменшення імовірності втрати виклику в умовах логнормального згасання сигналу у гетерогенному бездротовому середовищі.

Блок вибору мережі використовує MADM-алгоритм TOPSIS (Techniques for Order Preference by Similarity to Ideal Solution) для ранжування та вибору мережі призначення хендовера.

В даній роботі спроектовано алгоритми роботи блока ініціації та вибору мережі - процеси збору даних та апаратна реалізація не розглядаються, проте рекомендовано будувати таку систему на базі SDR-пристроїв. Після вибору мережі управління передається на блок виконання хендовера, який генерує команди реконфігурування SDR-пристрою.

Загальний вигляд запропонованого алгоритму VHO наведено на рис. 2. Блок-схеми роботи модулів оцінки необхідності хендовера та вибору мережі наведено на рис. 3.

Рисунок 2 — Блок-схема алгоритму VHO

Рисунок 3 — Блок-схема підпрограми розрахунку VHO-фактору або 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).

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 [12]. 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 (рис.4): 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 4 — Фаззі-регулятори модуля ініціації хендовера

Результат на виході системи дефазифікується за центроїдною схемою:

.

Для параметра швидкості пересування застосовується фаззі-регулятор FLC-1 типу Сугено: у нього один вхід, що має трапецеїдальні функції приналежності, та три виходи з трьома одноелементними функціями приналежності, що показують імовірність відмови у певній мережі при певній швидкості пересування МС. Для оцінки QoS і RSS застосовується фаззі-регулятор FLC-2 типу Мамдані, вхід FIS для QoS розраховується на підставі формули:

де W - це ваговий коефіцієнт певного параметру QoS для певного типу трафіку, а μ - це значення функції приналежності кожного параметру QoS.

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, 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.

Список використаної літератури

1. Состояние рынка мобильного широкополосного доступа В ритме технологий, соединяющих общество - отчет фирмы Ericsson, 2012.

2. IEEE standard for local and metropolitan area networks- part 21: Media independent handover. Technical report, 2009. Спосіб доступу: http://www.ieee802.org/21

3. An overview of vertical handover techniques: Algorithms, protocols and tools Johann Marquez-Barja, Carlos T. Calafate, Juan-Carlos Cano, Pietro Manzoni / Computer Communications 34 (2011) 985–997.

4. A review on mobility management and vertical handover solutions over heterogeneous wireless networks. Mariem Zekri, Badii Jouaber, Djamal Zeghlache / Computer Communications 35 (2012) 2055–2068.

5. A. H. Zahran, B. Liang and A. Saleh, Signal threshold adaptation for vertical handoff in heterogeneous wireless networks, Mob.Netw.Appl., vol. 11, pp. 625-640, 2006.

6. Q. Nguyen-Vuong, N. Agoulmine and Y. Ghamri-Doudane, A user-centric and context-aware solution to interface management and access network selection in heterogeneous wireless environments. - Comput.Netw., vol. 52, pp. 3358-3372, 2008.

7. E. Stevens-Navarro, Y. Lin, V.W.S. Wong, An MDP-based vertical handoff decision algorithm for heterogeneous wireless networks, IEEE Transactions on Vehicular Technology 57 (2) (2008) 1243–1254.

8. W. Ying, Y. Jun, Z. Yun, L. Gen, Z. Ping, Vertical handover decision in an enhanced media independent handover framework, in: IEEE Wireless Communications and Networking Conference, 2008, pp. 2693–2698.

9. M. Kassar, B. Kervella, G. Pujolle, An overview of vertical handover decision strategies in heterogeneous wireless networks, Elsevier Computer Communications, 31 (10) (2008).

10. Performance of Access Selection Strategies in Cooperative Wireless Networks using Genetic Algorithms / V. A. de Sousa, R. A. de O. Neto et al / GTEL-UFC: Wireless Telecom Research Group / Federal University of Cear, Fortaleza, Brazilia, 2005.

11. Гришаєва А.Д. Дослідження процедури вертикального хендовера у гетерогенних бездротових мережах [Електронний ресурс]. Спосіб доступу: http://ea.donntu.ru:8080/jspui/handle/123456789/18258

12. Штовба С.Д. Введение в теорию нечетких множеств и нечеткую логику. Винница: Издательство Винницкого государственного технического университета, 2001. – 198с.