异构无线网络接入控制演示平台的实现

陈　雯， 丰文斌， 廖小飞， 余海翔

(东华大学 a. 数字化纺织服装技术教育部工程研究中心；b. 信息科学与技术学院，上海 201620)

异构无线网络接入控制演示平台的实现

陈雯a， 丰文斌b， 廖小飞a， 余海翔b

(东华大学 a. 数字化纺织服装技术教育部工程研究中心；b. 信息科学与技术学院，上海 201620)

为优化网络资源利用和用户体验，提出一种基于业务特性和网络负载的网络重配置方案.方案选取网络参数中的优势决策因子，通过层次分析法构造的效用函数得出网络优先级，再通过构造负载优化函数最终选择接入网络.最后结合实际异构无线网络环境，运行多种软硬件技术，设计并实现了运行该接入控制策略的演示平台，并通过测试验证了方案的可行性.

异构无线网络； 接入控制； 演示平台； 软硬件技术

当前各种无线接入技术(radio access technologies, RATs)异构共存，蜂窝通信技术(2G/3G/LTE)不断演进，以无线局域网技术(wireless local area networks, WLAN)为代表的无线宽带接入技术飞速发展.联合无线资源管理(joint radio resource management, JRRM)能对异构环境下的无线资源进行管理和控制，实现扩展业务范围、优化无线资源利用率的目的.JRRM中的联合会话控制(joint session admission control, JOSAC)，即如何保证用户在充分利用网络资源的同时选择最优的网络接入，是目前相关工程和科研领域的热点问题之一.

演示平台的设计与实现能够直观地体现JOSAC对网络资源的高效利用与最优网络的选择效果.文献[1]提出了一种异构网络无线资源管理平台的设计方案，并搭建了试验系统，但该设计方案侧重于宏观调控异构网络资源的分布表现，对具体的多模客户端的接入情况未做详细阐述.文献[2]提出一种基于有效重配置策略的多模终端的设计方案，实现了多模客户端的重构选择，但方案中未对多媒体业务模块进行开发，无法演示业务在网络选择过程中的性能表现.

网络选择接入算法作为演示平台的核心部分之一，用以实现网络重构演示.目前主要的网络选择接入算法有基于多属性决策[3]和基于数学模型[4]的选择接入算法[5].基于多属性决策因素的选择算法有如文献[6]提出的一种在3G/WLAN情景下，根据网络的状态信息、用户偏好、用户业务特征等参数采用模糊层次分析法进行网络选择，但其没有充分考虑网络负载均衡，会出现网络之间负载差距较大的问题.基于数学模型的选择接入算法存在建模复杂、对硬件要求高、实现困难的特点.文献[7]提出一种基于模糊神经网络的选择接入算法，将信号强度、网络负载等网络参数作为神经网络的训练数据，但随请求数目与备选网络数目的增加，该算法的复杂度剧烈增长，导致网络选择效用降低.为兼顾决策因素和减少计算开销，本文选取对网络选择影响较大的优势决策因子设计网络选择接入算法.在异构网络中，小流量、高速率、广域移动性的数据业务在3G网络中表现良好，而流量大、速率高、局域型强的业务适合WLAN网络.网络带宽与网络负载对宏观网络运行影响较大.此外，网络偏好体现了用户对网络的依赖性，引入该属性可以减少在网络选择过程中的乒乓效应.因此，优势决策因子包括业务类型、网络偏好、网络带宽、网络可用负载.

综上所述，本文提出一种基于层次分析法(AHP)和负载均衡控制的网络重配置(network reconfiguration management, NRM)策略指导业务选择接入网络，同时改进并搭建了一种用于模拟真实异构无线网络环境下多媒体业务选择网络接入的演示平台，旨在优化网络资源利用率和多媒体业务体验.其中，层次分析法用于确定优势决策因子的绝对权重，构造效用函数获得备选网络的接入优先级，再由网络带宽与网络负载确定的均衡效用函数确定网络接入触发门限，实现最优网络接入.最后，阐述了NRM策略并介绍了演示平台软硬件设计的关键技术，并验证本重配置管理策略的可行性.

1　重配置网络管理策略

假设用户处在m个无线网络重叠覆盖区域中，当用户发起多媒体业务(语音通信、网页浏览、视频播放)接入请求时，将触发网络接入选择机制.本文的重配置策略步骤如下所述.

(1) 异构网络中对于不同的判决准则，各指标的量纲差异很大，不能直接用于计算.为消除原始属性值量纲的影响，运用线性刻度转换的方法对网络参数进行无量纲化处理，如式(1)所示.

(1)

其中：Bi， Li， Hi分别为网络i的网络带宽、可用负载、网络偏好的原始属性值；fBi,fLi,fHi分别为经过无量纲化后的网络带宽、可用负载、网络偏好的指标值；i为当前进行无量纲化处理的网络；j为备选m个网络中属性值最大的网络.

(2) 针对业务类型，可以将其分为实时业务(语音)和非实时业务(网页、视频)，非实时业务具有一定的数据突发性，对网络带宽、可用负载要求较高，而实时业务对带宽、可用负载要求较低.依据 1～9 标度法，属性越重要，赋值越高的原则，定义非实时业务和实时业务的网络带宽B、可用负载L和网络偏好H的重要性比值分别如表1和2所示.

表1　非实时业务的属性比值Table 1　Attribute ratio of non real-time business

表2　实时业务的属性比值Table 2　Attribute ratio of real-time business

(3) 由表1和2构建的非实时业务和实时业务的网络参数判决矩阵A1和A2，求取判决矩阵A1和A2的最大特征根λmax1和λmax2及所对应的特征向量，归一化后得到实时业务和非实时业务的绝对权重为ωt和ωnt.

(4) 根据AHP的一致性检验方法，计算一致性指标CI，计算式如式(2)所示，查找 1～9 阶矩阵的平均值随机一致性指标RI[8]，计算经过RI调整后的一致性比率CR，计算式如式(3)所示，当CR<0.1 时，判决矩阵的一致性可以接受.

(2)

(3)

(5) 构建效用函数.采用线性加权法将所求得的权重向量与式(1)求得的各参数的属性值加权，得到复合效用函数如式(4)和(5)，通过比较效用函数值的大小来确定备选网络接入的优先级.

U(i, t)=ωt·(fBifLifHi)T

(4)

U(i, nt)=ωnt·(fBifLifHi)T

(5)

其中:U(i,t)为网络i对实时业务的效用函数值；U(i,nt)为网络i对非实时业务的效用函数值.

(6) 不同类型的业务对网络负载的增量是不同的，依据各网络带宽和业务特性，业务所占网络带宽与网络的容限值可以被量化.为实现业务接入异构网络间的均衡负载，定义基于网络负载与网络带宽的均衡优化函数如式(6)所示.

(6)

其中：假设新业务接入到网络之中，则xj为新业务接入网络i时网络为j的负载；xi为新业务接入前网络i的负载；WT,j为网络j允许接入的最大负载；WT,i为网络i允许接入的最大负载；ΔL为业务对负载的增量；k为可选网络的总数.当网络G值超过预设接入门限Gth时，业务由该G值对应的网络接入.如果所有网络都小于门限值，则拒绝该业务请求.

2　系统架构与实现

2.1总体结构设计

本文的演示平台包括具有多媒体演示功能的多模客户端和实现网络重配置管理的NRM服务器.在不改变现有网络体制结构的前提下，设计以个人计算机(PC)结合多个通信模块作为硬件开发平台，以Visual Studio 2008作为软件开发平台，通过串口通信、Active控件、网络API函数、套接字通信等多种软硬件技术相结合的方法，实现异构网络间的兼容与协同工作.演示平台系统的整体模块结构如图1所示.

图1　系统模块结构Fig.1　System function model structure

客户端包括数据收发模块、业务演示模块和网络选择模块.(1)数据收发模块: 实现发送业务请求和接收服务器处理结果的功能.依据终端所在网络不同，信息传输媒介分为短信信道和WLAN网络两种.(2) 网络选择模块：实现对各个异构网络的连接与断开的控制.(3)业务演示模块：包括实现异构网络选择过程中用户对多媒体业务(语音、网页、视频)体验的3个子业务模块.NRM服务器包括数据收发模块和业务处理模块.数据收发模块实现接收客户端的业务请求与反馈决策结果的功能，该模块同样支持短信和WLAN网络两种传输媒介.业务处理模块包括网络监测和运行网络重配置选择策略的两个子模块.

2.2系统架构设计

当前移动终端具有高度集成的特点，无法满足平台对系统的定制与扩展要求，因此，本文设计的硬件平台由PC和多个无线网络接入模块组合而成.搭建的网络接入控制平台系统架构如图2所示.客户终端硬件平台由一台PC、一个华为GT9000 GSM通信模块、两个华为MC323 CDMA通信模块、一块OURLink无线网卡组成.其中客户端的GSM和CDMA通信模块通过串口与PC相连接入中国联通2G/3G网络.GSM与其中一个CDMA模块实现语音功能和短信发送功能，另一个CDMA模块经由PC端设置成调制解调器，通过拨号上网实现高速数据业务.客户端通过无线网卡接入WLAN网络中.NRM服务器硬件平台由一台PC、一个华为GT9000 GSM模块、一块OURLink无线网卡组成.NRM服务器通过GSM模块接入中国联通2G网络;NRM服务器通过无线网卡接入到WLAN网络中.

图2　演示平台硬件架构Fig.2　Hardware architecture of demo platform

2.3客户端技术实现

客户端处于WLAN网络时，通过基于TCP的SOCKET套接字方式与服务器端通信.客户端处于蜂窝网络时，微软基础类库(microsoft foundation class, MFC)提供的MSCOMM[10]控件向通信模块发送与短信有关的AT (attention)命令.该操作可以实现在GSM或CDMA网络中短信的收发，完成与服务器的通信.关键系统函数和变量有：

{intsend(Socket s， const char *buf， int len， int flags);//Socket数据发送函数

intrecv( Socket s， char FAR *buf， int len， int flags );//Socket数据接收函数

void CMscomm::put_Output(VARIANT newValue);//串口数据发送函数

VARIANT CMscomm::get_Input(void);// 串口数据读取函数

CStringgsmsend= ″AT+CMGS=″;//GSM中短信发送命令

CStringgsmrend=″ AT+CMGR=″；// GSM中短信接收命令

CStringcdmasend=″ AT^HCMGS″;//CDMA中短信发送命令

CStringcdmaread=″AT^HCMGR″;//CDMA中短信接收命令}

对于业务演示模块，蜂窝网络中的语音业务通过向串口模块发送有关拨号的AT命令(GSM中为“ATD”，CDMA中为“AT+CDV”)来控制实现，在WLAN网络中语音业务则通过调用Win 32中的Wave系列API函数完成语音的采集与播放，并经由Socket完成传输.网页浏览与视频点播是通过调用MFC中的WebBrowser ActiveX插件实现的.对于网络选择模块，MSCOMM控件中的put_PortOpen成员函数控制串口的通断，进而实现对GSM/CDMA网络接入选择；Ras系列API函数[11]实现对于拨号上网的配置和连接控制.Native Wifi系列API函数能够列出和控制网卡接口上可用无线接入点，并管理无线网络配置信息.异构网络的连接控制的关键网络API函数有

{voidCMscomm::put_PortOpen(BOOL newValue);//控制串口的通断，1代表打开，0代表关闭

DWORD APIENTRY RasDialA ( LPRASDIALEXTENSIONS， LPCSTR，

LPRASDIALPARAMSA， DWORD，LPVOID， LPHRASCONN );//建立一个拨号上网连接

DWORD APIENTRY RasHangUpA( HRASCONN);//关闭一个拨号上网连接

DWORD WINAPI WlanConnect(HANDLE hClientHandle，CONST GUID

*pInterfaceGuid，CONST PWLAN_CONNECTION_PARAMETERS

pConnectionParameters，PVOID pReserved);//连接一个无线网络

DWORD WINAPI WlanDisconnect(HANDLE hClientHandle，CONST GUID

*pInterfaceGuid，PVOID pReserved);//断开一个无线网络}

演示客户端的工作流程如图3所示.

图3　客户端工作流程图Fig.3　Operation process chart of demo client

客户端工作时，支持手动预先接入某一网络.当用户主动体验业务时，客户端会采集当前所在网络、网络覆盖、业务类型、业务优先级等网络参数.经过数据编码后，将其存储在程序中自定义的结构体STRU_UE_REQUEST中，并写入log文件备份在本地客户端.系统将结构体信息封装成CString类数据，经由当前所处网络进行发送.演示客户端程序中，ListenThread线程监听NRM服务器反馈的重配置网络结果：MSCOMM控件的OnComm事件函数在短信信道中响应接收;Socket中的recv函数在无线局域网中响应接收.通过网络API函数控制各网络的通断，实现指定网络的选择接入，最后在对话框程序中完成功能业务的作业.业务请求数据的结构体定义如下所示：

struct STRU_UE_REQUEST

{CString net_current;//当前网络 bit5-GSM bit6-CDMA bit7-WLAN

CString net_reconfigurability ;//重配置网络 bit5-GSM bit6-CDMA bit7-WLAN

int service_type;//业务类型0-VOICE 1-WEB 2-VIDEO

Char BytePreference;//历史偏好 “1”-非偏好网络 “2”-偏好网络

};

2.4服务器技术实现

在NRM服务器的软件平台中，数据收发模块在短信信道或套接字信道接收客户端的业务请求，并基于相同信道将决策结果反馈回客户端.依据各网络带宽和业务特性，业务所占网络带宽与网络的容限值可以被量化.仿真时，系统在某一时刻各个网络负载状况、容限值及业务所占带宽如表3所示.

表3　网络负载和业务带宽Table 3　Network load and service bandwidth

服务器的工作流程如图4所示.NRM服务器定义的ListenThread线程在两条信道中监听到从客户端发来的业务请求，对收到的CString数据进行解析，把获取到的网络参数存储到服务器的结构体STRUCT_NRM_RECEIVE中，其数据类型与STRU_UE_REQUEST相同.通过SendMessage函数通知给主对话框类，反馈到前端界面部分进行显示.同时调用第1节中的网络重配置管理策略所设计的函数，计算出最优网络并基于当前信道向客户端发送反馈结果.如果网络负载阈值未被触发，则NRM服务器向客户端发送错误报告.最后通过一个消息传递函数SendMessage通知给主对话框类，将网络选择结果与各网络负载状况在界面进行更新.

图4　服务器工作流程图Fig.4　Operation process chart of server

3　测试结果

运行演示平台，由图5所示的演示客户端运行图可以看到，当前演示客户端可以接入2G/3G/WLAN这3种网络并预先手动接入3G网络，用户在客户端体验网页业务时，按下“sendMessage”按钮向服务器端发送业务请求.

图5　演示客户端截图Fig.5　Screenshot of demo client

NRM服务器监测到的界面如图6所示.由图6可以看出，当前客户端所在网络为CDMA，该区域可重配置的网络有GSM/WLAN，业务请求为WEB型.重配置决策后，NRM服务器将WEB业务接入WLAN网络，WLAN网络的负载由1 200 KByte增加到1 264 KByte，客户端接收到反馈后切换到WLAN网络.在测试中，客户端从CDMA网络切换到轻负载的WLAN过程中，业务运行流畅、用户体验表现良好.

图6　NRM服务器截图Fig.6　Screenshot of NRM sever

不同时间段内执行不同类型的业务时，各网络业务流量的变化如图7所示.由图7的测试结果可知，本文所论述的方案是可行的.

图7　业务流量图Fig.7　Network traffic

4　结　语

本文基于异构网络中联合会话控制的设计思想，在现有的异构网络环境下，通过多种软硬件技术，设计并搭建了一种异构网络协同工作的服务平台，完成多种业务的演示.利用当前中国联通2G/3G网络以及WLAN技术，实现对常用多媒体业务的控制与接入，提高网络利用率与用户体验.随着4G技术的普及应用，集成更多的无线接入技术，并加入更加合理的网络选择管理机制可以深化该平台的实际意义，这也是未来要继续探讨和研究的问题.

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Implementation of Demo Platform Based on an Access Control Scheme in Heterogeneous Wireless Network

CHENWena,FENGWen-binb,LIAOXiao-feia,YUHai-xiangb

(a.Engineering Research Center of Digitized Textile and Fashion Technology, Ministry of Education;b.College of Information Science and Technology, Donghua University, Shanghai 201620, China)

A network reconfiguration management scheme is proposed based on a combination of the characteristics of different network services and network load, which has a significant impact on resource utilization efficiency and QoS satisfaction. The dominant decision factors are selected in the scheme. The scheme is composed of two parts, one is the utility function based on analytic hierarchy process which calculates the priority list of access networks, the other is joint optimization function which decides the final access select network. Lastly, a demo platform of the network reconfiguration management scheme is designed with a variety of hardware and software technologies, considering the real heterogeneous wireless network. Then the feasibility of the scheme is verified through experiment.

heterogeneous wireless network; access control; demo platform; software and hardware technology

1671-0444(2015)03-0335-06

国家自然科学基金资助项目(61201249)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(14D110404)

陈雯(1977—)，女，湖南郴州人，副教授，博士，研究方向为无线网络的资源管理.E-mail: chenwen@dhu.edu.cn

TP 311.1

A

投稿日期：2014-04-07