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1、上海交通大学硕士学位论文基于全IP的异构网络中终端垂直切换技术研究姓名：谢宾申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：徐昌庆20090101摘要 I 基于全 IP 的异构网络融合中终端垂直切换技术研究 摘 要 随着移动通信技术的发展，各种接入技术层出不穷，从 GSM、WiFi、到 WCDMA甚至 WiMAX，为用户提供了丰富多彩的接入方式和服务。下一代网络（Next Generation Network，NGN）将致力于建立一个基于 IP 的全新通信网络（IP-based Multimedia System，IMS），能够将各种接入网络汇聚到 IP 网，从而通过分组交换为用户提供包括数据
2、、语音、多媒体在内的共享业务。为了充分利用各种网络资源，移动终端需要在传统意义上改变，使其在跨越网络边界的时候能够快速切换并注册到新网络，这涉及到异构网络终端的垂直切换问题。垂直切换是异构网络中首要解决的问题，快速有效准确的切换能够给用户带来不同网络的体验。本文旨在提出一种通用的垂直切换方案，能够方便地扩展到多个网络。垂直切换首先要考虑的是能耗。本文采用面向应用的主动切换策略，初始时终端只接入一个网络，只有在当前网络不能满足应用需要的时候再切换到其他网络，从而大大减少不必要的被动切换带来的能量损耗。垂直切换涉及到不同的网络，每种网络的结构、接入技术以及 QoS 指标都不同，因此不能采用传统的水
3、平切换算法。如何根据众多 QoS 指标选择目标网络是垂直切换中的关键问题。本文在前人研究的基础上提出了模糊理论（Fuzzy Theory）、层次分析法（Analitical Hirachy Process，AHP）和灰相关分析法（Grey Relational Analysis，GRA）相结合的网络选择算法，能够综合考虑各种网络的 QoS 因子为终端选择最理想的网络。此外垂直切换算法的一个关键目标是减少切换延时，为此本文提出了主动切换预测机制，能够动态检测当前网络的 QoS，并对网络切换进行预判，从而减少切换时延。本文的后半部分以 GSM 和 WiFi 为例，在 OPNET 平台仿真了移动终端
4、的垂直切换过程，以 Matlab 验证了本算法在支持多任务，减少能耗和网络时延方面比传统切换算法的优越性，并在 Linux 平台基本实现了本文所提出的垂直切换管理架构。关键词关键词：异构网络；垂直切换；层次分析法；灰相关分析；模糊理论Abstract II The Research on Vertical Handoff Algorithm of the Terminals in IP-based Heterogenous Networks ABSTRACT More and more wireless access technologies have emerged nowadays,suc
5、h as GSM,WiFi,WCDMA and WiMAX,providing customers with plenty of access modes and services.The next generation network(NGN)is focusing on establishing a new IP Based Multi-media Subsystem(IMS)which can integrates different kinds of networks into IP based network,providing customers with shared data,
6、voice and multi-media services based on packet switching.In order to utilize all these network resources,intelligent mobile terminations need an effective vertical handoff algorithm to switch and register to new network quickly when crossing network boundary.So this thesis will present a network ind
7、ependent vertical handoff algorithm,which can be extended to new type of network conveniently.Power consumption is the prime problem to be solved in vertical handoff.This thesis presents an active application-oriented handoff algorithm,vertical handoff is triggered only when current network cant pro
8、vide applicaitons with QoS needed,thus greatly reduces power consumption by unnecessary handoff.As different networks have different architectures,access technologies and QoS indicators,traditional handoff algorithm based on received signal strength is no longer suitable,how to select the best suita
9、ble network according to different QoS in different networks is the key problem in vertical handoff.So a network selection algorithm based on Fuzzy Theory,Analytical Hirachy Process(AHP)and Grey Relational Analysis(GRA)is proposed to help termincals select the best network according to Qos factors.B
10、esides,one of the key objectives in vertical handoff is to reduce handoff delay,so this thesis presents an active handoff prediction mechanism.With the help of handoff prediction,terminals can dynamically detect the QoS of current network and make prediction for vertical handoff.In the second half p
11、art of this thesis,an OPNET and Matlab simulation platform based on GSM and WiFi is constructed,and the proposed vertical handoff algorithm is implemented under Linux.The simulation results demonstrate that the new algorithm behaves better than traditional algorithm in supporting multiple tasks,redu
12、cing power consumption and handoff delay.KEY WORDS:Heterogenious Network;Vertical Handoff;AHP;GRA;Fuzzy Theory英文缩略语表 III 英文缩略语表英文缩略语表 AGCH Access Grant Channel 允许接入信道 AHP Analytical Hierachy Process 层次分析法 AP Access Point 接入点 AUC Authentication Center 鉴权中心 BCCH Broadcast Control Channel 广播控制信道 BCH Br
13、oadcast Channel 广播信道 BSC Base Statioin Controller 基站控制器 BSS Base Station System 基站子系统 BSSID Basic Service Set Identifier 基本服务组标识 BTS Base Transceiver Station 基站收发台 CCCH Common Control Channel 公共控制信道 CCH Control Channel 控制信道 CEPT Committee of European Posts&Telephones 欧洲邮电管理委员会 CI Consistency Index 一
14、致性指标 CR Random Conformance Rate 随机一致性比率 CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection 带冲突检测的载波监听多路访问 CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance 带冲突避免的载波监听多路访问 CTS Clear to Send 清除发送 DA Destination Address 目标地址 DCCH Dedicated Control Channel 专用控制信道 DS Distribution
15、 System 分配系统 DSAP Destination Service Access point 目标服务访问点 DSSS Direct Sequence Spread Spectrum 直接序列扩频 ESS Extended Service Set 扩展服务单元 ETSI European Telecommumications Standards Institute 欧洲电信标准协会 FA Foreign Agent 外地代理 FACCH Fast Associated Control Channel 快速随路控制信道 FCCH Frequency Correction Channel
16、频率校正信道 FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum 跳频扩频 FN Fuzzy Number 模糊数字 FS Fuzzy Set 模糊集合 GPRS General Packet Radio Service 通用分组无线业务 GRA Grey Relational Analysis 灰相关分析 GRC Grey Relational Coefficient 灰相关系数 GSM Global System for Mobile Communications 全球移动通信系统 HA Home Agent 家乡代理 HI Host Identity 主机标识
17、HIP Host Identity Protocol 主机标识协议 HIT Host Identity Tag 主机标识标签 HLR Home Location Register 归属位置寄存器 英文缩略语表 IV ICI Interface Control Information 接口控制信息 LLC Logic Link Control 逻辑链路控制 LSI Local Scope Identity 局部标识符 MAC Media Access Control 媒体接入控制 MIP Mobile Internet Protocol 移动因特网协议 MN Mobile Node 移动节点 M
18、S Mobile Station 移动台 MSC Mobile Switching Center 移动交换中心 NSS Network Sub System 网络子系统 OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing 正交频分复用 PCH Paging Channel 寻呼信道 PID Packet Identifier 包身份描述符 QoS Quality of Service 业务质量 RA Receiver Address 接收站地址 RACH Random Access Channel 随机接入信道 RI Random Index 随机一
19、致性指标 RTS Request to Send 请求发送 SA Source Address 源地址 SACCH Slow Associated Control Channel 慢速随路控制信道 SCH Synchronization Channel 同步信道 SDCCH Stand-alone Dedicated Control Channel 独立专用控制信道 SID Session Identifier 会话身份描述符 SSAP Souce Service Access Point 源服务访问点 TA Transmitter Address 发送站地址 TACS Total Acces
20、s Communication System 全接入通信系统 TCH Traffic Channel 业务信道 VLR Visiting Location Register 访问位置寄存器 WCDMA Wideband Code Devision Multiple Access 宽带码分多址接入 WiFi Wireless Fidelity 无线局域网标准 上海交通大学硕士学位论文 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表
21、或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：谢宾 日期：2009 年 2 月 2 日 上海交通大学硕士学位论文 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文
22、属于 不保密不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：谢宾 指导教师签名：徐昌庆 日期：2009 年 2 月 2 日 日期：2009 年 2 月 2 日第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 研究背景 第一章 绪论 1.1 研究背景 本研究课题是科技部 863 课题“支持新一代自组织、泛在与异构网络终端的切换技术研究”中的一部分。异构网络指具有不同架构和接入技术的网络，异构网络融合是将不同的射频接入技术进行结合，对用户而言形成一个资源共享的网络，使具有不同接入协议的通信终端可以访问一切共享资源。自组织、泛在与异构网络能够为许多领域带来根本性的变革，它能将所有领域的信息进行共享，用户可以
23、根据自己的需求，选择低成本、高数据速率、高可靠性的网络资源。同时，系统运营商可以通过提供最优质的服务，获取更大的商机，得到更优厚的经济效益。尽管自组织、泛在与异构网络具有良好的发展前景和迫切的应用需求，但发展这类网络仍然面临很多关键问题，其中垂直切换机制便是自组织异构网络面临的主要挑战。切换过程由网络发起，并在通信终端的协助下完成，忽略了移动终端在切换过程中的主导作用。同水平切换机制相比，它不仅仅要考虑信号能量强度，还要考虑 QoS机制，服务类型和网络费用等。由于不同的接入技术很难相互解析，因此在核心网层面上，不同的接入网络通过IP 实现网络融合。由于 IP 网络覆盖范围大、成本低、速度快，选
24、择 IP 网作为各种移动接入网的载体受到运营商的青睐。除了网络层面融合的支持外，移动终端本身也需要改变以使其能够接入和切换到不同网络。但是过去对切换管理的研究只是集中在单一网络环境中，因此在异构网络环境下，需要从整个网络层面重新设计终端的移动管理模块，使得终端能够充分利用异构网络资源。切换技术是移动性管理的核心任务，可以分为水平切换和垂直切换，水平切换发生在同一网络中，目前已趋成熟，而垂直切换发生在不同网络间，目前对于垂直切换仍然没有一个完整的解决方案。因此本课题主要任务之一就是提出一种通用的垂直切换解决方案，使终端能够方便有效地切换到不同网络。第一章 绪论 2 1.2 异构网络终端垂直切换研
25、究现状 1.2 异构网络终端垂直切换研究现状 由于移动性，网络终端经常会从一个网络漫游到另一个网络，这时必然要进行水平或垂直切换。水平切换是在相同无线接入方式的网络间漫游时进行的，这种切换技术已经比较成熟，相关报道也非常多。当移动终端在不同接入方式的网络间漫游时，就需要进行垂直切换。较早提出垂直切换问题的是 M.Stemm 和 R.H.Katz1，他们描述的异构网络雏形如图 1-1 所示。网络中进行垂直切换要解决的关键问题有两个：一是在很难预测和特征化的无线信道中，如何最小化切换时延和包丢失率；二是如何将可用的商业服务和不可优化的技术进行结合。图 1-1 M.Stemm and R.H.Kat
26、z 提出的泛在与异构网络构架 Fiture 1-1 Heterogenious Network Architecture proposed by M.Stemm and R.H.Katz 为了最小化切换时延和包丢失率，2提出了本地代理（Home Agent，HA）概念，HA 采用隧道技术转发数据包至移动终端。目前支持两种网络的融合方案已经有很多介绍，例如，3介绍了 UMTS 网络和 WLAN 的融合，提出了一种基于移动 IPv6 的无缝切换方案，提供了 UMTS 和 802.11 WLAN 之间的移动管理方案。4介绍了GSM/GPRS 和 WLAN 的融合，5介绍了 802.11 WLAN 和
27、 3G 的融合等等。以上方案都是迫使通信终端被动的接受网络发出的垂直切换请求，导致一些不必要的垂直切换处理及能量消耗。为了解决这个问题，6给出了一种面向主动应用（Active Application Oriented，AAO）的垂直切换方案，在这种方案中，移动终端能够主动地请求和初始化切换过程，它能为多接口移动终端提供有效的接口管理，以此第一章 绪论 3 来减少由不必要接口活动所造成的能量消耗。该方案把运行在移动终端上的应用作为垂直切换的主要决定因素，能够在适当的时间把移动终端切换到最适合的网络，而且最小化网络资源的浪费。但是该方案仅仅考虑了单一应用的场合。文献7提出的方案则是针对多应用的垂直
28、切换，这种切换能够满足不同的 QoS 要求，其思想实质是当所有的应用需求和 QoS 要求都得到满足时才执行切换过程，详细描述见图 1-2。图 1-2 针对多应用的垂直切换过程 Fiture 1-2 Vertical Handoff Procedure in Multiple Applications 8中提出一种基于移动 IP 的快速切换方案，展现了移动终端从 WLAN 到3G/UMTS的漫游过程及基于移动IPv6的快速切换过程。文中定义了一系列性能参数，如：切换次数、连接的中断率及网络吞吐量等，分析了垂直切换算法对于各个性能参数的影响。另外，有关 QoS 参数在9中被提出，如包延迟和包损失率
29、等。以上介绍的研究成果，基本上是针对特定网络之间的垂直切换，对多任务的支持较少，且尚未提出一种通用，可以方便地扩展到任意多个网络的垂直切换算法。1.3 论文的主要贡献及内容安排 1.3 论文的主要贡献及内容安排 本文的主要贡献在以下几个方面：1仔细阅读 863 项目“支持新一代的自组织、泛在与异构网络终端的垂直切换技术研究”的项目申请书及国内外垂直切换方面的文献资料，在前人研究的基础上将层次分析法，灰相关分析法以及模糊理论融合到通信领域，提出了一种面向应用的通用第一章 绪论 4 垂直切换算法。该算法综合考虑各种网络的 QoS 因子来为用户选择最佳接入网络，并且能够方便地扩展到多个网络。2 学习
30、了 GSM 和 WiFi 网络数据链路层、物理层的协议和信令过程，并在 OPNET平台以此两种网络为基础搭建了异构网络切换平台，结合 matlab 仿真验证了本算法在传输有效性，支持多任务扩展、减少能量损耗和切换延时方面与传统垂直切换算法相比具有的优越性。3在 Linux 系统下采用 Qt 开发用户界面，通过外接网卡在普通 PC 上基本实现了本文所提出的垂直切换算法，能够直观的展示切换过程。由于 Linux 和 Qt 均有很好的可移植性，从而为将来移植到开发板上做了前瞻性的工作。4在解决终端移动性问题上，目前已有移动 IPv6 和 HIP 两种比较成熟的解决方案，考虑到实现的复杂度，本文初步研
31、究了 HIP 协议，论证了 HIP 协议结合本文所提出的垂直切换算法作为异构网络中终端无缝切换算法的可行性，指明了下一阶段的工作目标。本文的后续内容安排如下：在第二章中重点讨论了本文所提出的一种通用垂直切换架构以及该架构中各个模块的功能和所涉及到的算法。第三章介绍了 GSM 和 WiFi 网络的基本知识：主要集中在 GSM 空中接口协议部分、逻辑信道和物理信道种类及帧格式、WiFi 的工作模式、信道竞争机制以及 MAC层帧结构。同时还介绍了 GSM 和 WiFi 网络的水平切换过程，为 OPNET 平台的搭建打下了基础。本文的第四章分成两部分：第一部分介绍了网络仿真软件 OPNET 及“三层建
32、模”机制、离散事件仿真机制、通信机制以及无线信道建模的管道阶段，并利用 OPNET搭建 GSM 和 WiFi 异构网络切换平台，实现了终端在数据传输过程中的垂直切换；第二部分以 Matlab 搭建仿真平台，结合仿真结果验证算法在支持多任务扩展，有效利用能量以及减少切换延时方面比传统算法所具有的优越性。第五章在 Linux 平台下，以 Qt 为界面，C+为编程语言基本实现本文所提出的通用垂直切换管理架构，通过提出了业务 ID 等概念使得在 IP 地址改变后，发送端不需要重复传输就可以将数据经过其他网络有效的送往对方。第六章为结论部分，将对本设计的研究成果进行总结，并制定今后的研究工作和未来的发展
33、方向。第二章 通用垂直切换架构 5 第二章 通用垂直切换架构 第二章 通用垂直切换架构 针对异构网络之间的垂直切换，目前已经提出了众多解决方案，文献7中给出了面向应用的主动切换方案。在这种方案中，移动终端能够主动地请求和初始化切换过程，减少了许多不必要的被动切换。同水平切换机制相比，垂直切换不仅仅要考虑信号能量强度，还要考虑网络的QoS参数等，传统的仅考虑接收信号强度（Receive Signal Strengh，RSS）和门限值的切换算法并不能全面地反映出不同网络的差异，因此10引入 AHP 算法来计算各个因子的权重，并结合 GRA 算法综合衡量不同网络的性能。在支持多应用方面，文献7提出的
34、方案能够满足不同的 QoS 要求，其思想实质是选择一个网络，使其能够同时满足所有应用的最大 QoS 需求。然而往往不存在这样一个能满足所有应用需求的网络，因此怎样在多个网络之间分配任务是一个关键问题。综上所述，本文将在前人研究的基础上提出一种基于终端决策、支持多任务、综合考虑 QoS 机制的通用垂直切换管理架构。本文提出的切换管理架构如图 2-1 所示：应用层切换预测用户参数多任务管理传输层网络层媒体接入层网卡1 网卡2 网卡3 网卡n切换管理算法执行切换执行网络检测 图 2-1 垂直切换管理架构 Fiture 2-1 Vertical Handoff Architecture 该切换管理架构
35、主要包括多任务管理模块、网络检测模块、切换预测模块、切换管理模块、算法执行模块、用户参数模块和切换执行模块。在详细介绍每个模块的功能前先介绍其中将要用到的数学方法。第二章 通用垂直切换架构 6 2.1 层次分析法 2.1.1 问题的提出 2.1 层次分析法 2.1.1 问题的提出 传统的水平切换算法仅仅以接收信号强度作为切换依据，但是在异构网络中情况更复杂，比如当终端出于网络边界的时候，或者当前网络能够满足应用需要但是相邻网络质量更好，如果仍以接收信号强度作为切换依据，则可能造成误切换或者不必要的切换开销。通常在异构网络中用户需要考虑的因素更多，比如带宽、延时、价格、安全性等，因此需要提出一种
36、新的切换算法来综合考虑这些因素。但是通常人们在面对众多因素的时候，往往无法准确把握各个因素的权重，这种情况下采用层次分析法（Analytical Hirachy Process，AHP）11是比较好的选择。AHP算法起源于 20 世纪 70 年代，最初是美国运筹学家托马斯塞蒂（Thomas L.Satty）为衡量各个工业部门对国家福利贡献大小而提出的一种权重决策分析方法，后经各国学者不断深入学习和改进，目前已经在世界范围得到重视，应用遍及经济、能源、军事、运输、教育、医疗、环境各领域。AHP 采用分层思想：将复杂问题分解成目标层、准则层和决策层，通过两两比较各层因素的相对重要性来建立判别矩阵，
37、运用矩阵理论和一致性检测手段计算各个因素的权重，从而将经验判断给予量化，为决策提供定量依据。AHP 的优势就在于用两两比较方法来避免同时考虑所有因素，极大的降低了分析问题的难度，适用于目标复杂，因素众多且缺乏必要数据的场合。由于 AHP在处理复杂决策问题上的实用性和有效性，因此将其引入到异构网络垂直切换算法的决策上。2.1.2 基本原理 2.1.2 基本原理 复杂问题分层判别矩阵特征向量一致性检验权重 图 2-2 AHP 基本流程 Figure 2-2 AHP Procedure AHP 的基本流程如图 2-2 所示。首先按照目标、准则和决策结构将复杂问题进行分解，对准则层的各要素进行逐对比较
38、建立判别矩阵，计算该判别矩阵的最大特征值和对应的正交特征向量，如果矩阵通过稍后介绍的一致性检测，则正交特征向量各分第二章 通用垂直切换架构 7 量就是该层要素所占的权重，有了这些权重，就可以结合实际数据通过加权平均或灰相关分析评价不同方案的性能，为选择最优方案提供依据。为了验证 AHP 算法的正确性，假设有 n 个准则12,nO OO?，权重已知，分别记为12,nW WW?，不同准则间两两权重比较结果如下：表 2-1 不同准则两两权重比值表 1O 2O?nO 1O 11W W 12W W?1nW W 2O 21W W 22W W?2nW W?nO 1nW W 2nW W?nnW W 由此建立判
39、别矩阵如下：111212122212nnnnnnW W W WW WW W W WW WAW W W WW W=?取权重向量12,TnWW WW=?的归一化值*|WWW=，则有恒等式：ikkjijbbb=(2-1)由此可知*W是判别矩阵A的一个特征向量，n是对应的特征值，可以证明n是A的唯一最大非零特征值。反过来，如果需要在缺乏精确数据的情况下判断一组规则的相对权重，那么可以通过两两比较它们的相对重要性来构造判别矩阵，然后通过求解该矩阵的最大特征值及其所对应的正交特征向量，从而可以得到这组规则各自的相对权重。2.1.3 基本步骤 2.1.3 基本步骤 1建立多级层次结构模型 深入分析复杂问题所
40、包含的各个因素，将这些因素自上而下建立层次结构，最上层为目标层，通常只有一个因素，最下层为备选方案层，中间为准则层，都可以包含多个因素。最简单的层次结构如图2-3所示：第二章 通用垂直切换架构 8 目标准则2准则1准则n方案2方案1方案m目标层准则层决策层 图 2-3 最简单的层次结构图 Figure 2-3 A Simple Hierachy Architecture for AHP 通常某个准则还可以细分为多个子准则，如图2-4所示：目标准则2准则1准则n方案2方案1方案m目标层准则层决策层子准则1子准则s子准则层 图 2-4 多准则层次结构图 Figure 2-4 A Hierachy
41、Architecture with Multiple Criteria Layers 2建立判别矩阵 判别矩阵是以上层某一要素为评价准则，对本层要素作成对比较来确定矩阵元素，这需要保证被比较元素具有相同性质和可比性，矩阵建立方法已如前述。假设*()ijn nBb=为判别矩阵，ijb是第i个元素和第j个元素关于准则C的比值，其取值可以参考satty提出的19标度，由表2-2给出。表 2-2 19 标度法建立判别矩阵11 ijb取值 取值依据 ijb取值取值依据 9 ib比jb极为重要 1/9 ib比jb极为次要 7 ib比jb重要很多 1/7 ib比jb次要很多 5 ib比jb重要 1/5 ib
42、比jb次要 3 ib比jb稍重要 1/3 ib比jb稍次要 1 ib和jb同等重要 第二章 通用垂直切换架构 9 3一致性检验 理论上，如果判别矩阵是完全一致矩阵，则ikkjijbbb=。但是通过成对比较来构造判别矩阵时往往不能满足该条件，因此引入矩阵的一致性指标来衡量成对比较结果的合理性。一致性指标（Consistency Index，CI）定义为：max1nCIn=(2-2)其中max表示矩阵的最大特征值，n表示矩阵维数。由前述分析可知，完全一致矩阵的最大特征值为矩阵的维数，因此对矩阵一致性的判决实际上转换为对矩阵最大特征值的判决。一般情况下，若0.10CI，即最大特征值与矩阵维数相差不大
43、，就认为判别矩阵具有一致性，计算结果是可以接受的。但是随着矩阵维数的增加判断误差就会增加，因此实际运用中使用随机一致性比率（Random Conformance Rate，CR）来衡量矩阵的一致性：CRCI RI=(2-3)其中RI为平均随机一致性指标，是通过随机构造正互反矩阵（其元素值包含在表2-2中）并计算CI值的平均值，文献12中给出了15阶以内矩阵的平均随机一致性指标，由表2-3给出。15阶以上矩阵的RI计算可以参考13。如果0.1CR 则认为计算结果符合一致性检验，否则需要重新构造判别矩阵。表2-3 15阶内矩阵的随机一致性指标12 阶数 1 2 3 4 5 6 7 RI 0 0 0
44、.580.9 1.121.241.32 8 9 10 11 12 13 14 15 1.41 1.45 1.491.521.541.561.581.59 2.2 模糊数据的精确化 2.2.1 问题的提出 2.2 模糊数据的精确化 2.2.1 问题的提出 如前所述，异构网络中需要考虑许多QoS因子，如链路质量、传输速率、传输延时、价格、网络安全性等。其中前四个QoS因子都可以用精确数据来衡量，而对于网络安全性，通常只会用“较好”、“较可靠”、“较差”来形容，无法用精确数据表达，这就是所谓的模糊语义。但是包括本文在内的几乎所有垂直切换算法都是针对精确数据的，因此在运用垂直切换算法之前需要将这些模糊
45、语义按照一定规则转换为对第二章 通用垂直切换架构 10 应的精确数据。2.2.2 模糊集合理论 2.2.2 模糊集合理论 模糊集合理论于1965年由Zadeh教授提出。Zadhe教授在研究过程中发现人类的思维、推理、感知在本质上都具有相当大的模糊性，人类语言中就有许多诸如“大概”、“差不多”之类的模糊语句，且事物本身在形态或类属方面也常常具有或此或彼，模棱两可性。因此在对事物的判断上，精确的二值或多值表述往往不能客观的反映事物本质，而采用模糊的逻辑概念描述事物的某种性质反而具有很大的现实意义。以下介绍模糊理论中的相关概念14：1模糊集合（Fuzzy Set，FS）传统集合是指具有某种相同属性的
46、对象的全体，这种情况下对象和集合的隶属关系是明确的，对象要么属于集合，要么不属于集合；但是在模糊数学领域，模糊集合表示元素隶属于某集合的程度，这种情况下元素和集合的隶属关系是不明确的。元素隶属于模糊集合的程度可以用隶属函数（Membership Function）来描述。隶属函数取值范围为0到1之间的某个值，这个值称为该元素隶属于集合的隶属度，1表示完全属于，0表示完全不属于，0和1之间的数表示不同的隶属程度。2模糊数（Fuzzy Number，FN）模糊数不是一个精确数，更确切的说，模糊数对应一个集合，且该集合的隶属函数是一凸函数。隶属函数是以实数域为自变量的连续函数，取值范围为0，1，且至
47、少存在一个实数使其取值为1。模糊数可以分为多种：矩形模糊数、梯形模糊数以及本文将用到的三角模糊数。3三角模糊数 三角模糊数表示为(,)Aa b c=，其隶属函数()Aux为,()0,Axaaxbbaxcbxcuxbcotherwise=(2-4)其中0abc，由图2-5表示。第二章 通用垂直切换架构 11 图 2-5 三角模糊数的隶属函数 Figure 2-5 Membership Function of Triangle Fuzzy Number 4三角模糊数的运算 假设111(,)Aa b c=与222(,)Ba b c=为两个三角模糊数，则依据扩张原理其运算法则如下:121212(,)A
48、Baa bb cc=+(2-5)121212(,)ABaa bb cc=(2-6)为模糊数的加法运算，为模糊数的乘法运算。5语意变数的精确化 语意变数是以自然语言中的词语为值，例如在天气预报中可以用“很冷”、“冷”、“暖和”、“热”和“很热”来表达人们对于气温的直观感受。为了把这些直观感受以定量方式表达，可先通过已有的语意尺度转换规则，将其转化为模糊数，再将模糊数精确化。为了将语意变数转换成对应的模糊数，Chen&Hwang提出了一种较简单的方法,将13种模糊语意分为8种转换尺度表15，用户可以根据实际需求选择其中的一种，如表2-4所示。第二章 通用垂直切换架构 12 表 2-4 Chen&H
49、wang 提出的模糊语意变数表 尺度分类 1 2 3 4 5 6 7 8 语意措辞个数 2 3 5 5 6 7 9 11 极不重要?非常不重要?不重要与非常不重要之间?不重要?稍不重要?有点不重要?普通?有点重要?稍重要?重要?重要与非常重要之间?非常重要?极重要?本文将采用第三类尺度表，其包含5个语意变数，每个语意变数经转换后所代表的三角模糊数如表2-5所示。表 2-5 第三类语意变数与三角模糊数转换表15 语意变数 三角模糊数 非常差(0,0.1,0.2)比较差(0.1,0.25,0.4)一般(0.3,0.5,0.7)比较好(0.6,0.75,0.9)非常好(0.8,1,1)6解模糊化 将
50、模糊数转换成精确值的方法即为解模糊化，目前已提出众多的解模糊化方法，包括最大隶属度法、中位数法、加权平均法、重心法等，其中以Teng&Tzeng（1993）第二章 通用垂直切换架构 13 所提出的重心法（Center of Gravity Method）16最为简单实用，本文将采用重心法解模糊化。其基本原理是以三角模糊数的中心值来代表整个模糊集合，设(,)Aa b c=为一三角模糊数，其解模糊化后的精确值DF为()()3cabaDFa+=+(2-7)在介绍了算法所涉及到的数学方法后，以下将详细介绍每个模块的功能。2.3 网络检测模块 2.3 网络检测模块 网络检测模块用于发现终端所在位置的可用