摘要：多种无线网络的覆盖使网络环境明显变的复杂，网络用户希望接入性能和服务质量较好的网络，鉴于异构无线网络环境中多种可接入网络要求选择最优网络的情况，本文提出网络选择算法基于多属性层次分析和群体决策。文中介绍了采用多属性层次分析法得到用户对网络的偏好分析，同时考虑网络客观属性，通过群体决策选出最适可用网络，由仿真实验结果表明，所提算法结合主观偏向和客观性，效用较高性能稳定，有效做出网络选择减少切换保证了用户QoS。
　　关键词：异构无线网络；网络选择；多属性；群体决策
　　Abstract： The coverage of a variety of wireless network makes the environment of network more complex. The users want to access the network with better network performance and service quality. Based on the optimal application of the accessable-networks in heterogeneous wireless network environment， this paper puts forward a network selection algorithm on the basic of multiple attribute analytic hierarchy process and group decision making （GDM）. This paper introduces the user preference for network analysis obtained by the multiple attribute analytic hierarchy process （AHP）. Meanwhile， through considering network objective attributes， the optimum network is selected by the group decision making， the simulation experiment results show that， the proposed algorithm which combines with the subjective bias and objectivity and relatively utility has high effectiveness and stable performance. It chooses the network effectively， reduces switch and ensures the user's QoS.
　　Key words： heterogeneous wireless networks；network selection；multiple attribute；group decision making
　　0 引言
　　随着移动和无线互联网的发展，无线网络环境已明显变的复杂，同时也成为我们生活不可或缺的部分。移动通信从最初主要支持语音服务到4G移动数据网络，进而无线接入技术（RAT）广泛应用。对于无线接入技术、接入方式和数据服务在性能上和使用上都有了很大的提升，同时在经济效益上也有着不可估量的发展空间。处在多种无线网络共存的异构无线网络环境中，用户希望得到既不掉线中断，又能持续服务的性能良好的更经济的网络。各种无线网络有其不同的参数特性，通信费用、服务质量（QoS）、带宽、时延、服务速率和抖动等都有所不同，如WiFi或WLAN提供了较小范围的拥有较高带宽的无线网络环境，而GPRS、WCDMA等网络提供了较大覆盖的无线网络环境，但用户体验和QoS较低，经济意义不同，再者WLAN和GPRS的经济效益又不一样。
　　对于最优网络选择的方法研究也已经有不少，文献[1]中以无线信号强度（RSS） 阈值和迟滞值作为输入参数基于模糊逻辑算法的网络选择算法易产生乒乓效应；文献[2]提出一个多属性加权结合理想值近似排序的方案决策异构无线网络中的网络的选取但未考虑主客观的影响；文献[3]介绍了一种在异构网络中动态感知接入的网络切换选择方法，方法基于网络访问的改进加权方法，但该方法增加了网络选择的计算的过程，对于决策时间上效率较低；文献[4]提出了一个优化的成本函数通过制定马尔可夫决策来选择最好可用的无线接入从而达到切换网络的目的，但为考虑不同业务对网络选择的影响。文献[5]中使用RAT技术结合分支界限法和贪婪算法进行网络选择，虽然有较低的计算负载但以用户为主的网络选择方法较偏向主观。对上述的问题，本文引入接收信号强度（RSS）参数作为首次筛选条件，通过层次分析法获取QoS参数的权重，考虑网络客观动态权重使用群体决策选择目标网络，提出了本文算法。

　　1 网络选择算法设计
　　无线异构网络环境中有多种无线网络共存，而多模终端也拥有支持多种网络接口实现不间断服务，要得到有价值相对最优的网络连接就要先对网络参数及性能进行分析，如经典的切换决策算法是基于所接收的信号强度（RSS）或如延迟、丢包等参数[6]。本文所提算法步骤如下，先测网络接收信号强度（RSS）确定网络的可用性及稳定性，避免后续频繁切换；再通过层次分析方法（AHP）对网络进行多属性分析，对不同服务状态的各个属性的主次程度关系进行划分，即通过权重的分配来实现，且加入历史喜好属性，结合动态调整权重方法实现权值动态调整；最后用群体决策算法决策最优网络。
　　1.1 信号接收强度
　　对于信号接受强度（RSS）的检测，设定一个RSS阈值，大于该阈值表示该网络可用，阈值选取参考文献[7]，此处表示为式（1）。对于可用的网络才进行后续的网络分析，否则便不考虑后续的分析。
　　RSS接收=ε-10滋glog10ds+ξ>RSS阈值 （1） 式中的ε、？滋、ds、ξ分表示路径损耗参数、路径损耗指数、距离和衰落参数。
　　1.2 AHP层次分析
　　层次分析法（AHP）适用多属性权重判别问题，分析网络属性，本文使用的AHP方法增加了历史喜好属性和动态权重分配的属性分析。在此属性选取延时、抖动、资费、带宽、服务速率、网络负载及历史喜好为网络选择判别条件。每个属性与其他属性两两相对比，定义rij为第i个网络的第j属性，由此得到比较矩阵 R=（rij）m×n 。属性值之间没有统一的标准对其进行标准化处理消除量纲差异，令ri_max=max{ rij |1≤i≤m}；ri_min=min{ rij |1≤i≤m}，对于属性值愈小愈好的成本型属性（如：延时、抖动、资费和网络负载），根据式（2）进行规范化处理，对于属性值愈大愈好的效益型属性（如：服务速率），根据式（3）处理。
　　aij=（ri_max+ri_min-rij）/（ri_max+ri_min） （2）
　　aij=rij/（ri_max+ri_min） （3）
　　处理后得到标准化属性的比较矩阵A=（aij）m×n。设网络属性集 S={ s1，s2，…，s7}，用sij表示因素i与因素j之间的影响程度即比较结果。由此这7个属性构成了两两比较的属性判决矩阵P=（sij）7×7，显然有sij = l /sji，sij>0，sii=1，其中i，j=1，2，3，…，7，其中sij使用数字1到9分别呈现重要程度级，如1，3，5，7，9分别表示重要程度级：相同，稍重要，重要，很重要，十分重要。
　　1.3 客观属性动态权值
　　由于AHP的权重分配有一定的主观偏向在过程中还考虑网络的客观变化，以减弱AHP的主观性因素，增进网络选择的客观性。设网络的客观参数矩阵为K1=（xij）n×m其中n和m分别表示n个网络和m个属性而xij代表第i中网络的j参数值。用式（2）和式（3）对K1规范化得到新的K=（xij）n×m；再使用式（4）和式（5）处理得到客观权值向量Wk=（k1，k2，…，kn）T。
　　最后由权值向量Wk和动态向量Wd得到Wkd。
　　1.4 群体决策
　　网络选择方法中考虑了网络客观的参数同时也涉及了网络选择者的实际主观偏好，等同于多因素决策策略即群体决策（GDM），结合文献[10][11]介绍使用GDM对异构网络进行决策。兼容性则是检测两个矩阵之间的不同，上节得到的权值矩阵之间存在维数和单位等的差异，因此先考虑兼容性。兼容性通过式子C（M，N）=eT（M*NT）e来计算，其中e为单位行向量，M*NT为矩阵M和N的Hadamard卷积。为便于计算将其表达成lg形式如式（7）所示。

　　2 建模与仿真
　　处在异构无线网络中首先对无线网络的RSS进行检测，满足（1）后，终端监测获取异构可用网络得到网络的QoS跟延时（D）、抖动（J）、资费（C）、带宽（B）、服务速率（SV）和网络负载（L）参数值以及中断概率，初始历史喜好（HL）考虑用户策略及业务类型建模分析。
　　业务类型可分实时和非实时性业务，用户要求或偏好不同类型则网络的偏好选择不用。如实时性业务对于延时、抖动、服务速率的要求较高，这些属性的重要度较其他属性高，因此得到业务类型判断矩阵如表1，表2所示。
　　再考虑用户偏好分析，用户的喜好一般有资费、服务体验问题，对于用户偏好策略的判断矩阵如表3所示。
　　至此由表1，2，3得到权重向量分别为：
　　W实时={0.3760，0.1041，0.0365，0.2267，0.1732，0.1433，0.1192}；
　　W非实时={0.0938，0.1306，0.0381，0.2878，0.2776，0.1302，0.0419}；
　　W用户={0.1006，0.0696，0.3628，0.0675，0.3324，0.0463，
　　0.0228}。
　　本文的仿真环境在Matlab下进行，现选取四个无线网络设置仿真异构无线网络环境，分别为TD-LTE，WCDMA，WLAN1，WLAN2，模拟一个多模移动终端（MT）在各网络基站（BS）场景中从左到右匀速移动，无线网络设置的仿真环境如图2所示。
　　初始四个网络的参数如表4中所示，其中历史喜好（HL）一项由于不能先人为评定喜好高低则均先初始为1。
　　3 结果与分析
　　3.1 网络选择验证
　　在网络选择验证中，用户进入覆盖范围AP1点首先使用实时性业务策略，到了AP2点开始使用用户资费和服务体验优先策略，直到AP3点后依然使用用户资费和服务体验优先策略，到了AP4点开始选择非实时性业务策略，到了AP5点开始选择用户资费和服务体验优先策略直到AP6之后不变。图3所示为各情况下的选择结果。
　　结果分析：在过AP1点后网络选择TD-LTE，信号强度（RSS）均满足要求而实时性业务要求延时、抖动、服务速率较好因此所选为最好；在AP2点后网络选择了WLAN1，由信号强度参数不考虑LWAN2，用户资费和服务体验策略看重的是资费和服务因WLAN1有较低的资费较高服务速度因此为所选；到AP3点后仍然选择WLAN1，此网络覆盖内虽然WLAN2资费比WLAN1稍低但服务体验差；到AP4选择TD-LET非实时性业务对延时、抖动等要求不高对带宽服务要求高；AP5点后资费跟服务偏好则选择WLAN2，WLAN1被RSS条件去除，AP6点只有TD-LTE覆盖由RSS条件筛选离开WLAN2覆盖就做此切换接入，选择结果与分析知算法符合逻辑和实际情况。
　　3.2 性能验证
　　仿真环境中网络接收信号由式（1）强度随基站的距离变大而减小。切换检测设置场景：使终端MT在点AP3到AP5之间来回移动（a）采用非实时业务（b）采用实时业务，本文算法与文献[7]和[10]结果对比，如图4、图5所示。
　　结果分析：在点AP3到AP5之间覆盖的网络较多系统可能产生的切换次数也相对不确定，在图4中随着用户方位变化和网络覆盖范围不同信号接受强度在变，非实时业务对延时等要求不很高可能产生的目标切换较多因此结果产生的切换次数相对较多；图5中算法中实时业务考虑了延时、服务速率、抖动等多种因素可切换的目标网络较少因此产生的切换相对较少。
　　仿真结果表明提出的算法优于其他相比较的两个算法得到的服务质量，结合历史喜好以及动态权重中和了客观和主观因素的影响，有效减少了切换次数，进而减少了乒乓效应，所能做出的网络选择满足多种用户策略，从用户选择网络取决于他们的偏好出发，同时平衡了主观客观影响。

　　4 结束语
　　本文提出的选择算法，通过结合多属性的层次分析法和动态权重由群体决策算法进行决策，加入了RSS参数判断并介绍了一致性判断和兼容性验证，文中考虑到层次分析的主观性加入了动态权重的客观性从而以减少主观性主导；再者实验结果表明该算法可有效做出网络选择，减少不必要的切换，性能稳定，同时可避免因用户个性选择而导致的用户偏好对选择结果的影响，所以选择结果符合逻辑和实际情况，保证了用户网络服务的QoS。这种方法给未来复杂无线网络应用提供了较好的方法。