基于异构网络上下文感知垂直切换判决策略的研究
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【摘 要】为了解决车载移动终端在异构网络环境下无缝切换的问题，采用层次分析法和简单加权法，分析了垂直切换过程中目标发现、切换决策和切换执行三个关键阶段存在的问题，并提出了一种基于上下文感知的垂直切换判决策略。通过实验验证，表明了该方法能有效地改善异构网络环境中切换时延和吞吐量等方面的问题。
doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.12.012 中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：1006-1010（2016）12-0055-04
引用格式：郭稳涛. 基于异构网络上下文感知垂直切换判决策略的研究[J]. 移动通信， 2016，40（12）： 55-58.
1 引言
随着汽车的普及，城市道路越来越拥堵。将车辆与道路信息进行联网形成车联网，能有效减少城市拥堵，无线通信技术的发展使得这一设想变为现实。然而车载移动终端处于运动状态，不可能长期处于一个独立的网络，因此车联网的发展趋势一定是多种网络并存的异构网络。为了保证车载移动终端在异构网络环境下服务的连续性，要求移动终端进行网络接入切换时必须做到无缝切换，所以在研究垂直切换技术时，解决问题的关键是切换时的时延，可选择一种合适的上下文感知垂直切换判决策略应用到切换当中，能够有效提高垂直切换的性能。
2 基于SCTP协议的垂直切换技术
2.1 SCTP协议
SCTP（Stream Control Transmission Protocol，流控制传输协议）是一种点对点、面向传输层的协议，它能够使两个端点之间的数据传送更加稳定、有序。SCTP在一定程度上是TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）的改进，它保留了TCP较为完善的拥塞控制，同时对TCP的不足之处进行了改进，如改单地址连接为多宿主（Multi-homing）连接等。
SCTP通信前必须建立通信关联，关联指的是两个端点之间的通信关系，任何时候两个端点之间只有一个关联，SCTP用传输地址唯一识别。但是SCTP的多宿主性允许每个端点有多个IP地址，通过IP关联，一个关联有多个实现路径。
SCTP关联示意图如图1所示：
2.2 mSCTP协议
SCTP协议与DAR扩展一起被称为mSCTP（移动SCTP），为了满足SCTP协议移动性的要求，IETF（The Internet Engineering Task Force，国际互联网工程任务组）专家对协议进行了动态地址扩展重置，使得SCTP协议满足点对点的移动性。
在mSCTP协议中，一个点可以同时绑定多个IP，能对IP地址进行动态删减或增加，当IP地址发生改变时，动态地告知关联的连接点。关联路径可以通过主路径和备选路径实现，通信一旦建立，只有一条路径即主路径，其余的路径则都是备选路径。主路径的IP为mSCTP协议通信服务，当这个主IP发生故障时，备选IP地址中信号最好的可作为此时的主IP继续完成数据传送。
从上述过程来看，在传输层垂直切换过程中，信号的强弱仍然是传统的判决策略选择依据。但是在异构网络环境下，来自不同的网络在物理层采用的技术不一样，导致信号的强弱也不一样，以信号的强弱作为垂直切换的依据显然不能满足异构网络的需求，基于上下文感知的垂直切换判决策略能够解决此类问题。
3 上下文感知切换判决策略
3.1 上下文感知的判决策略
上下文感知是无线网络通信的核心技术之一，控制系统能够根据上下文的环境变化随时调整自身行为，解放人对控制系统的管理，上下文感知是智能控制的有效实施途径。
在车联网环境下，车载移动终端、用户的需求喜好和不同网络的背景信息都是需要综合考虑的，基于上下文感知的判决策略能够有效解决上述问题。它包含自适应管理和上下文背景资料库两个主要部分。自适应管理负责垂直切换的判决，以上下文背景的变化为依据自适应调整切换执行过程；来自不同网络、不同层级的上下文背景信息则由上下文背景资料库负责收集和管理，同时上下文背景资料库对信息进行评估。在此基础上，终端位置的变化、网络QoS（Quality of Service，服务质量）都是评估对象，通过评估来判决切换的时间和切换的目标网络。
基于上下文感知的判决策略流程图如图2所示：
首先收集信息，包括车载终端信息、用户喜好信息和网络信息等，这些信息都是判决的依据；然后利用AHP（Analytic Hierarchy Process，层次分析法）和SAW（Simple Additive Weight，简单加权法）对收集的信息进行分析，在上下文背景信息库中进行查询，如果有相同的案例则直接进入切换过程，如果没有则采用层次分析法对当前的网络权值进行计算，针对用户的喜好信息，利用简单加权法分析后选择最适宜的网络进行切入；最后对通信连接进行垂直切换判决，同时对连接信息表进行维护，控制网络信息和移动节点。
基于上下文感知的执行流程图如图3所示：
3.2 层次分析法规范网络参数权值
层次分析法（AHP）是20世纪70年代由美国运筹学家匹茨堡大学教授萨蒂提出，它的特点是把复杂问题的关联因素进行层次划分，一般形成措施层、准则层和目标层等层次，然后对每个层次中的要素进行两两比较，形成重要性的定量描述，最后通过数学方法计算每层的重要性权值，把各层的结果求和得到总排序。本设计采用层次分析法（AHP）对网络进行判决，选择网络信号强度、网络延时和网络带宽3种关键因素参数作为分析依据，具体如下：
（1）建立层次结构模型。根据网络属性特点，将系统分为目标层、指标层和方案层。其中，把可选网络的权重作为目标层；指标层则包括网络信号强度、网络延时和网络带宽三个内容；把UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移动通信系统）、WLAN（Wireless Local Area Networks，无线局域网络）作为方案层。
（2）构造判断矩阵。把指标层网络信号强度、网络延时和网络带宽三个网络参数分别定义为a1、a2、a3，用1至9及其倒数标度的方法构造判断矩阵，其中网络参数变量的取值不同反映了车载移动终端对各要素重要性的认识。
（3）计算权值向量做出一致性判断。根据之前构造的矩阵计算其权值向量，判断矩阵的完全一致性，如果计算出矩阵不具有完全一致性，则需要重新构造矩阵，直至达到完全一致性，此时计算出来的权值向量就是相应的网络权重。
（4）得出不同网络的最终权值。各个可选网络的权值都可以通过矩阵计算的方法得到，然而不同网络的收费标准不一样，服务质量也不尽相同，这些原因都造成了用户对网络的选择有一定的主观性，所以层次分析法计算出来的权值也不能作为最终的切换依据，必须把用户的喜好等因素考虑进来，利用简单加权法对信息进行综合分析，最终得到每个不同网络的权值，然后再选择最优网络进行切入。
3.3 策略实现过程
本方案设计选择的异构网络环境为WLAN和UMTS两种无线网络重叠区域，当车载移动终端从WLAN网络区域驶入UMTS网络区域时，收集满足切换条件的各种信息，如网络信息、用户喜好等，采用层次分析法和简单加权法进行分析判决，看所处网络是否满足切换条件，一旦满足切换条件，则车载移动终端自动切换到最优目标网络。基于上下文感知的垂直切换过程具体如下：
（1）关联通信
车载移动终端作为移动节点，在WLAN网络中访问到接入点信号后分配IP地址，在WLAN网络中与通信对端建立SCTP关联，SCTP进行初始化，把分配的IP地址设置成主IP地址并进行通信。
（2）判决切换
车载移动终端在通信的过程中同时收集一些相关信息，然后在上下文信息库中查找，通过扫描看库中是否存在相同的判决和切换案例。如果发现有相同的案例，那么车载移动终端直接按照相同的切换过程进行切换；如果库中没有找到相同的案例，那么就要通过层次分析法和简单加权法进行分析、计算，最终得到综合权值，车载移动终端再根据权值结果在网络中选择最优的网络进行切入。切入后，再从最新的网络重新获得IP，通知SCTP协议栈，与现有的SCTP进行关联绑定，实现通信。
（3）新增IP关联
当车载移动终端从WLAN进入UMTS后，重新获得IP地址，把新的IP地址加入到自己的IP地址列表的同时，将参数的地址配置变化信息向通信对端发送，同时把新的地址信息进行关联，通信对端接收后向移动终端发送确认信息进行确认。
（4）重新关联通信
当车载移动终端继续向UMTS网络覆盖的区域移动时，由于先前的WLAN网络不能再用，需要把IP地址进行变更，从UMTS网络重新获得新的IP，将这个IP作为主IP进行通信关联，IP的更换过程通过移动终端与通信对端的应答实现，当新的IP关联形成之后，车载移动终端就能够在新的UMTS网络环境中进行新的通信。
（5）删除旧的IP
随着车载移动终端的继续移动，UMTS网络信号可能越来越弱甚至不能再用时，移动终端必须在IP地址列表中把在UMTS网络获得的IP地址进行删除，这一过程可以通过与通信对端的应答得以实现。当移动终端成功地从WLAN网络中接收到第一个数据包时，切换过程完成。当车载移动终端继续前进，进入到新的无线网络覆盖区域时，重复执行上述相同的切换过程。
4 结束语
本文通过对目前mSCTP协议进行修改，引入上下文感知的垂直切换技术，对车载移动终端、用户的喜好、通信网络等因素综合考虑，采取层次分析法和简单加权法优化判决策略，将垂直切换中的目标发现、判决决策和切换执行三个关键过程有效融合，对垂直切换的时延和吞吐量等问题进行了有效地改善，提高了异构网络中的垂直切换性能。
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作者简介
郭稳涛：副教授，硕士毕业于湖南大学，现任职于湖南机电职业技术学院，研究方向为嵌入式系统的研究与开发、人工智能理论研究和通信技术等。