專利名稱：一種基于模糊邏輯的垂直切換控制系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于移動IP領(lǐng)域，具體地說，是提出了基于模糊邏輯的垂直切換決策控制系統(tǒng)及控制方法，對移動節(jié)點MN的網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量、帶寬、價格、電池電量、移動速度及用戶偏好等多方面因素進行綜合的評價，選擇出最優(yōu)適合應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)進行切換。
背景技術(shù)：
無線、移動網(wǎng)絡(luò)無處不在，為用戶提供隨處可及的通信服務(wù)?，F(xiàn)存無線、移動網(wǎng)絡(luò)在覆蓋范圍、接入能力、地址范圍、對移動的支持等方面存在差異，在為用戶提供豐富接入手段的同時，增加了網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性。多種網(wǎng)絡(luò)接口的移動設(shè)備廣泛存在，用戶可以選擇接入“感興趣”的網(wǎng)絡(luò)。如何為應(yīng)用動態(tài)地選擇“最優(yōu)”的承載網(wǎng)絡(luò)，更好地為終端用戶服務(wù)，成為值得我們關(guān)注的問題。
移動IPv6技術(shù)能夠保證移動設(shè)備在移動計算中可以離開本地網(wǎng)絡(luò)仍然可以透明地與互聯(lián)網(wǎng)保持聯(lián)絡(luò)，不用手工配置任何網(wǎng)絡(luò)信息就能夠繼續(xù)通信，并且能保持正在進行的網(wǎng)絡(luò)連接不被中斷。在多種網(wǎng)絡(luò)重疊覆蓋的復(fù)雜情況下，垂直切換中的決策問題就變成了的繼續(xù)解決的關(guān)鍵問題之一。傳統(tǒng)的切換決策均是以AP信號強弱作為參考標準，然而異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的垂直切換將依賴更多的標準來進行切換決策，這樣將使切換決策變得更加復(fù)雜，也難于進行數(shù)學(xué)建模。
模糊邏輯控制方法的思想是用模糊邏輯仿人的邏輯思維來對無法建立數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)實現(xiàn)控制的方法，為處理真實世界中非線性、時變和無法定義的系統(tǒng)提供了一個魯棒的數(shù)學(xué)框架。將基于模糊邏輯的控制算法應(yīng)用于垂直切換決策能很好地解決多網(wǎng)絡(luò)覆蓋環(huán)境下的切換決策問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種基于模糊邏輯的垂直切換決策控制系統(tǒng)及控制方法，對MN的網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量、帶寬、價格、電池電量、移動速度及用戶偏好等多方面因素進行綜合的評價，選擇出最優(yōu)適合應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)進行切換。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種基于模糊邏輯的垂直切換決策控制系統(tǒng)，其特點在于包括模糊化模塊、模糊邏輯推理模塊、解模糊模塊、知識庫和配置管理模塊5個部分，其中模糊化模塊的功能是將測量輸入變量值(信號強度、帶寬、價格、運動速度、電池電量等)向相應(yīng)論域變換的比例映射，實現(xiàn)模糊化，將輸入數(shù)據(jù)裝換成相應(yīng)語言變量的項，并構(gòu)成模糊集合；模糊邏輯推理模塊根據(jù)知識庫中的垂直切換模糊控制規(guī)則對輸入的模糊集合進行綜合評估，以得到一個定性的用語言表示的量，這個結(jié)果是某個確定的輸出范圍，即模糊輸出量，顯然模糊輸出量是不能直接去做控制執(zhí)行部件的，在這確定的輸出范圍中，還必須確定一個人為最具有代表作用的值作為真正的輸出控制量；解模糊化模塊就是將模糊輸出量轉(zhuǎn)化為真正的切換決策結(jié)果，并向切換控制模塊發(fā)送給移動IPv6的切換執(zhí)行模塊完成切換過程；模糊邏輯算法的知識庫，包括應(yīng)用領(lǐng)域的知識和相應(yīng)控制目標的知識，規(guī)則庫是通過一系列語言控制規(guī)則來表征控制目標和該領(lǐng)域?qū)＜业目刂撇呗裕歉鶕?jù)被控系統(tǒng)的行為特性和專家的控制經(jīng)驗寫成的，而數(shù)據(jù)庫是用來定義模糊邏輯中參量的隸屬函數(shù)和解模糊算法；配置管理模塊，負責(zé)整個決策算法中規(guī)則的更新、隸屬函數(shù)的更新和算法狀態(tài)的控制。
本發(fā)明的基于模糊邏輯的垂直切換決策控制方法，是通過在MN上構(gòu)建基于模糊邏輯算法的切換決策模糊控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)能夠根據(jù)MN的運行時狀態(tài)信息對于網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量進行綜合的評價，指導(dǎo)MN切換到最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)中，具體包括如下步驟(1)MN的狀態(tài)監(jiān)測模塊監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)的實時狀態(tài)，并根據(jù)狀態(tài)的改變觸發(fā)垂直切換過程；(2)切換決策過程首先檢測是否有用戶定義的強制性規(guī)則，如果有這類規(guī)則并且用戶指定的網(wǎng)絡(luò)可用，則直接按照用戶的規(guī)則進行切換，否則進入基于模糊邏輯的切換決策過程；(3)MN的狀態(tài)監(jiān)測模塊將實時采集的系統(tǒng)性能參數(shù)測量值(如網(wǎng)絡(luò)信號輕度、價格、帶寬等因素)輸入模糊化模塊，模糊化器將輸入的精確量轉(zhuǎn)化為用隸屬函數(shù)表示的模糊變量的值，并構(gòu)成能用于模糊控制規(guī)則進行推理的模糊集合；(4)模糊邏輯推理模塊根據(jù)知識庫中的垂直切換模糊控制規(guī)則對輸入的模糊集合進行綜合評估，以得到一個定性的用語言表示的量，這個結(jié)果是某個確定的輸出范圍，即模糊輸出量；(5)解模糊化模塊是將模糊輸出量轉(zhuǎn)化為真正的切換決策結(jié)果，并向移動IPv6的切換執(zhí)行模塊發(fā)送切換指令完成切換過程；(6)用戶可以通過配置管理模塊中的規(guī)則更新、隸屬函數(shù)更新及實時的狀態(tài)監(jiān)控來完成用戶對算法的調(diào)整和控制。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于本發(fā)明利用模糊邏輯理論為重疊覆蓋的多制式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)的選擇問題構(gòu)建了特定的模糊控制系統(tǒng)，對信號強度、帶寬等不精確的實際影響因子進行建模評估，解決了移動設(shè)備垂直切換決策算法問題。


圖1為重疊覆蓋的多制式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下垂直切換的場景描述圖；圖2為本發(fā)明基于模糊邏輯的垂直切換控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明基于模糊邏輯的垂直切換控制方法的流程圖；圖4為本發(fā)明的影響因子的隸屬函數(shù)圖。
具體實施例方式
如圖1所示，為重疊覆蓋的多制式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下垂直切換的場景描述圖，MN為具備多種制式網(wǎng)絡(luò)接口的移動設(shè)備，其中包括802.3、802.11、GPRS、CDMA1X、3G等網(wǎng)絡(luò)制式。MN在移動的過程中，完成在重疊覆蓋的多制式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中選擇最優(yōu)的接入網(wǎng)絡(luò)進行切換。本發(fā)明適用于具有多制式網(wǎng)絡(luò)接口的移動節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)接口編號為1-n，其中網(wǎng)絡(luò)制式包括802.3、802.11、GPRS、CDMA1X、3G等。
如圖2所示，本發(fā)明的基于模糊邏輯的垂直切換決策控制系統(tǒng)包括5個基本組成部分模糊化模塊、模糊邏輯推理模塊、解模糊模塊、知識庫和配置管理模塊，其中模糊化模塊的功能是完成測試輸入量的值(如信號強度、帶寬、價格、運動速度等)，并將數(shù)字表示形式的輸入量轉(zhuǎn)化為通常用語言值表示的某一限定碼的序數(shù)，即一個模糊集合，每個限定碼表示論域內(nèi)的一個模糊子集，由其隸屬函數(shù)來定義。
模糊邏輯推理模塊根據(jù)知識庫中的垂直切換模糊控制規(guī)則對輸入的模糊集合進行綜合評估，以得到一個定性的用語言表示的量，這個結(jié)果是某個確定的輸出范圍，即模糊輸出量。
顯然模糊輸出量是不能直接去做控制執(zhí)行部件的，在這確定的輸出范圍中，還必須確定一個人為最具有代表作用的值作為真正的輸出控制量，解模糊化模塊就是將模糊輸出量轉(zhuǎn)化為真正的切換決策結(jié)果，并向切換控制模塊發(fā)送給移動IPv6的切換執(zhí)行模塊完成切換過程。
模糊邏輯算法的知識庫，包括應(yīng)用領(lǐng)域的知識和相應(yīng)控制目標的知識。規(guī)則庫是通過一系列語言控制規(guī)則來表征控制目標和該領(lǐng)域?qū)＜业目刂撇呗?，它是根?jù)被控系統(tǒng)的行為特性和專家的控制經(jīng)驗寫成的，通常采用“IF...THEN...”的規(guī)則形式；而數(shù)據(jù)庫主要包括量化等級的選擇、量化方式、比例因子和模糊子集的隸屬函數(shù)，這些概念都是建立在經(jīng)驗和工程判斷基礎(chǔ)上了，定義帶有主觀性。
配置管理模塊，負責(zé)整個決策算法中規(guī)則的更新、隸屬函數(shù)的更新和算法狀態(tài)的控制。
如圖3所示，本發(fā)明的基于模糊邏輯的垂直切換決策控制方法具體包括如下步驟(1)MN的狀態(tài)監(jiān)測模塊監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)的實時狀態(tài)，如各接入網(wǎng)絡(luò)的帶寬、信號強度、系統(tǒng)電池電量及移動節(jié)點運動速度等實時狀態(tài)參數(shù)，并在相關(guān)參數(shù)發(fā)生改變時觸發(fā)垂直切換過程，如發(fā)現(xiàn)新的接入網(wǎng)絡(luò)、當前使用網(wǎng)絡(luò)的信號急劇衰減或電池電量不足等情況；(2)切換決策過程首先檢測是否有用戶定義的強制性規(guī)則，如果有這類規(guī)則并且用戶指定的網(wǎng)絡(luò)可用，則直接按照用戶的規(guī)則進行切換，否則進入基于模糊邏輯的切換決策過程；(3)MN的狀態(tài)監(jiān)測模塊將實時采集的系統(tǒng)性能參數(shù)測量值(如網(wǎng)絡(luò)信號輕度、價格、帶寬等因素)輸入模糊化模塊，模糊化器將輸入的精確測量值做標準化處理，即把其變化范圍通過相應(yīng)的隸屬函數(shù)映射到相應(yīng)的論域中，再將該論域中的該輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的語言變量的術(shù)語，并構(gòu)成能用于模糊控制規(guī)則進行推理的模糊集合。比如一個信號強度可能對應(yīng)“高”和“中”兩種限定碼有不同的隸屬度，而這兩組限定碼與相應(yīng)隸屬度構(gòu)成的集合就是得到的模糊集合；(4)模糊邏輯推理模塊根據(jù)知識庫中的垂直切換模糊控制規(guī)則對輸入的模糊集合代入控制規(guī)則進行運算，本發(fā)明采用的是Mamdani推理法，以得到一個定性的用語言表示的量，這個結(jié)果是某個確定的輸出范圍，即模糊輸出量，這個模糊的輸出量并不是精確的一個值，而是“是”、“否”、“可能是”、“可能否”對應(yīng)的可能性數(shù)值，；(5)解模糊化模塊是將模糊輸出量利用解模糊函數(shù)轉(zhuǎn)化為真正的切換決策結(jié)果，該結(jié)果是一個精確的數(shù)值。解模糊的算法很多，本專利采用的是加權(quán)平均法。每個網(wǎng)絡(luò)將計算出一個精確的數(shù)值，通過比較不同接入網(wǎng)絡(luò)的最終結(jié)果就能夠確定哪個網(wǎng)絡(luò)是最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)，之后向切換執(zhí)行模塊發(fā)送切換指令來完成切換過程；
(6)用戶可以通過規(guī)則更新、隸屬函數(shù)更新及實時的狀態(tài)監(jiān)控來完成用戶對算法的調(diào)整和控制。
圖4所示為部分與服務(wù)質(zhì)量相關(guān)的影響因子的隸屬函數(shù)(未列出的因子函數(shù)模型基本相同)。以信號強度為例，與傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型不同，當測量的信號強度r介于R1和R2之間的時候，得到的函數(shù)值并不是唯一的，對應(yīng)低信號的隸屬度為0.25而對應(yīng)中等信號強度的隸屬度為0.75。通過隸屬函數(shù)的匹配，所有的決策因子將被轉(zhuǎn)化為一個模糊集合，供模糊邏輯推理模塊使用。例如，若移動節(jié)點選取圖4所列出的4個影響因子信號強度(R)、帶寬(B)、運動速度(V)、電池電量(E)，對于每組輸入的精確測量值(r、v、b、e)，每種因子的取值分為3個等級高(H)、中(M)、低(L)，通過模糊化模塊模糊之后將得到類似如下的模糊集合信號強度(＝r)(L，0.25)(M，0.75)；運動速度(＝v)(M，0.25)(H，0.75)；帶寬(＝b)(L，0.7)(M，0.3)；電池電量(＝e)(M，0.2)(H，0.8)；模糊邏輯推理模塊是基于一系列規(guī)則IF-THEN模式的規(guī)則構(gòu)成的，決策的結(jié)論分為4類，即是(Y)、否(N)、可能是(PY)、可能否(PN)。決策的規(guī)則最多可以有34＝81條規(guī)則，81是這種情況下規(guī)則的最大值，但實際中通常不會定義81條規(guī)則。以下事例性列出幾條規(guī)則IF R＝H and B＝H and V＝L and E＝H THEN Handover＝Y(jié)；IF R＝L and B＝L and V＝H and E＝L THEN Handover＝N；IF R＝H and B＝H and V＝H and E＝H THEN Handover＝PY；…模糊推理引擎將利用Mamdani極大極小推理法，根據(jù)定義的規(guī)則矩陣與輸入的模糊集合進行運算，系統(tǒng)將得到一組模糊決策輸出F，例如(Y＝0.3，PY＝0.35，PN＝0.2，N＝0.25)。
這組數(shù)據(jù)將輸入解模糊化模塊，得到最終的一個介于0-1之間的決策數(shù)值(FHD)。解模糊化的方法可以有很多種，本專利采用的解模糊化的公式為FHD=ΣFiWiΣFi,]]>其中Wi是F的加權(quán)值集合，如(1.0，0.8，0.5，0.2)，取值根據(jù)用戶的設(shè)定。
比較不同網(wǎng)絡(luò)接口的FHD就可以的到最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)接口，并發(fā)送指令，使MN切換到最優(yōu)的接口，從而實現(xiàn)最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)的選擇。
對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說可顯而易見的得出其他優(yōu)點和修改。因此，具有更廣方面的本發(fā)明并不局限于這里所示出的并且所描述的具體說明及示例性實施例。因此，在不脫離由隨后權(quán)利要求及其等價體所定義的一般發(fā)明構(gòu)思的精神和范圍的情況下，可對其做出各種修改。
權(quán)利要求
1.一種基于模糊邏輯的垂直切換決策控制系統(tǒng)，其特征在于包括模糊化模塊、模糊邏輯推理模塊、解模糊模塊、知識庫和配置管理模塊5個部分，其中模糊化模塊的功能是將測量輸入變量值向相應(yīng)論域變換的比例映射，實現(xiàn)模糊化，將輸入數(shù)據(jù)裝換成相應(yīng)語言變量的項，并構(gòu)成模糊集合；模糊邏輯推理模塊根據(jù)知識庫中的垂直切換模糊控制規(guī)則對輸入的模糊集合進行綜合評估，以得到一個定性的用語言表示的量，這個結(jié)果是某個確定的輸出范圍，即模糊輸出量；解模糊化模塊就是將模糊輸出量轉(zhuǎn)化為真正的切換決策結(jié)果，并向切換控制模塊發(fā)送給移動IPv6的切換執(zhí)行模塊完成切換過程；模糊邏輯算法的知識庫，包括應(yīng)用領(lǐng)域的知識和相應(yīng)控制目標的知識；配置管理模塊，負責(zé)整個決策算法中規(guī)則的更新、隸屬函數(shù)的更新和算法狀態(tài)的控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模糊邏輯的垂直切換決策控制系統(tǒng)，其特征在于所述的模糊化模塊主要完成測試輸入量的值，并將數(shù)字表示形式的輸入量轉(zhuǎn)化為通常用語言值表示的某一限定碼的序數(shù)，即一個模糊集合，每個限定碼表示論域內(nèi)的一個模糊子集，由其隸屬函數(shù)來定義。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模糊邏輯的垂直切換決策控制系統(tǒng)，其特征在于所述的模糊邏輯推理模塊是利用知識庫的信息模擬人類的推理決策過程，給出合適的控制量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模糊邏輯的垂直切換決策控制系統(tǒng)，其特征在于所述的解模糊模塊是將在推理得到的模糊集合中取一個能最佳代表這個模糊推理結(jié)果可能性的精確值的過程，精確計算的方法本發(fā)明采用的是加權(quán)平均的方法。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模糊邏輯的垂直切換決策控制系統(tǒng)，其特征在于所述的知識庫包括規(guī)則庫和數(shù)據(jù)庫，其中規(guī)則庫是通過一系列語言控制規(guī)則來表征目標和該領(lǐng)域?qū)＜业目刂撇呗?，它是根?jù)被控系統(tǒng)的行為特征和專家的控制經(jīng)驗寫成的；數(shù)據(jù)庫用于定義模糊數(shù)據(jù)操作的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模糊邏輯的垂直切換決策控制系統(tǒng)，其特征在于所述的配置管理模塊包括規(guī)則更新、隸屬函數(shù)更新和控制狀態(tài)顯示模塊，其中規(guī)則更新模塊負責(zé)更新規(guī)則庫中的控制規(guī)則的；隸屬函數(shù)更新模塊負責(zé)更新數(shù)據(jù)庫中模糊數(shù)據(jù)的隸屬函數(shù)；控制狀態(tài)顯示模塊負責(zé)顯示當前的控制狀態(tài)。
7.一種基于模糊邏輯的垂直切換決策控制方法，其特征在于通過如下步驟實現(xiàn)(1)MN的狀態(tài)監(jiān)測模塊監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)的實時狀態(tài)，并根據(jù)狀態(tài)的改變觸發(fā)垂直切換過程；(2)切換決策過程首先檢測是否有用戶定義的強制性規(guī)則，如果有這類規(guī)則并且用戶指定的網(wǎng)絡(luò)可用，則直接按照用戶的規(guī)則進行切換，否則進入基于模糊邏輯的切換決策過程；(3)MN的狀態(tài)監(jiān)測模塊將實時采集的系統(tǒng)性能參數(shù)測量值輸入模糊化模塊，模糊化器將輸入的精確量轉(zhuǎn)化為用隸屬函數(shù)表示的模糊變量的值，并構(gòu)成能用于模糊控制規(guī)則進行推理的模糊集合；(4)模糊邏輯推理模塊根據(jù)知識庫中的垂直切換模糊控制規(guī)則對輸入的模糊集合進行綜合評估，以得到一個定性的用語言表示的量，這個結(jié)果是某個確定的輸出范圍，即模糊輸出量；(5)解模糊化模塊是將模糊輸出量轉(zhuǎn)化為真正的切換決策結(jié)果，并向切換控制模塊發(fā)送給移動IPv6的切換執(zhí)行模塊完成切換過程；(6)用戶可以通過規(guī)則更新、隸屬函數(shù)更新及實時的狀態(tài)監(jiān)控來完成用戶對算法的調(diào)整和控制。
全文摘要
一種基于模糊邏輯的垂直切換決策控制系統(tǒng)及控制方法，包括模糊化模塊、模糊邏輯推理模塊、解模糊模塊、知識庫和配置管理模塊5個部分通過模糊決策算法對移動節(jié)點(MN)的網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量、帶寬、價格、電池電量、移動速度及用戶偏好等多方面因素進行綜合的評價，選擇出最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)進行切換。本發(fā)明所提供的方法解決了具備多種網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)的移動設(shè)備在異構(gòu)重疊覆蓋的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中垂直切換過程中最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)的選擇決策問題。
文檔編號H04W24/08GK1889776SQ200610088980
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月28日
發(fā)明者王劍白, 周瓊瓊, 李未, 孫波, 樓亦華, 陳 峰, 魏嵬 申請人:北京航空航天大學(xué)