高性能模糊系统的现实世界的问题

把这个特殊的问题

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体积2012年| 文章的ID219602年| https://doi.org/10.1155/2012/219602

WLAN细胞传递延迟减少使用FPGA实现模糊逻辑算法

罗伯特·赛 ,¹ 奥斯卡Montiel-Ross,¹ Jorge Quinones-Rivera,¹ 和埃内斯托·e·一个¹

学术编辑器: 奥斯卡卡斯蒂略

收到了 2012年5月05

接受 2012年5月29日

发表 2012年8月16日

文摘

后设定的路径向4 G LTE和WiMax无线的兄弟姐妹,IEEE 802.11技术,普遍称为WiFi,正在演变成为一个高数据率QoS-enabled移动平台。IEEE 802.11 n标准收益率数据速率高达450 Mbp年代和802.11 e标准确保熟练QoS实时应用程序。还需要更好的性能,多单元的环境,提供扩展保险条款允许移动电台游牧通道之外的一个细胞通过细胞dissociation-association过程称为切换。这个过程构成了挑战等实时应用程序的声音通过IP(150毫秒最大延迟)和视频(200 - 400 ms)会议,给用户一个无缝cell-crossing破损,不会丢失数据或会话。它提出了一个预测模糊逻辑控制器的方法来减少通道扫描过程标准时间的十分之一,及其有效的FPGA实现加快处理时间。模糊控制器的算法是用C语言实现。实验结果。

1。介绍

WiFi无线连接(无线保真)不断渗透几乎在所有类别的消费电子设备。除了传统的应用于笔记本电脑、平板电脑和双模(cellular-WiFi)手机,无线连接是潜伏到电视、媒体播放器、游戏控制台、连接,等等。生产无线设备在2011年达到近11亿,到2015年预计将翻一番。的增长是一个坚实的25 - 39%健康、健身、医疗应用、智能电表、和自动化产品;惊人的109%的增长是在汽车应用,如预测信息娱乐系统、导航和交通监控(<一个href="#B1">1]。

无线网络依赖于IEEE 802.11 [<一个href="#B2">2)广播标准,无线保护访问(WPA)和WPA2安全标准,以及EAP(可扩展认证协议)认证标准。无线接入点(AP)提供无线连接到移动台(MS)在其细胞覆盖率(30 - 110码),不同的商业实现。一个多单元合奏可以安装到一个特定的设置覆盖更广泛的区域与多个APs(图<一个href="//www.newsama.com/journals/afs/2012/219602/fig1/" target="_blank">1)。切换(HO)从一个细胞到另一个女士为流动的用户提供无缝连接超越其目前的广播范围相关的美联社进入邻近的美联社的基本服务集(覆盖范围)。在切换过程中,管理帧之间交换和美联社。女士还涉及的APs女士交换相关的上下文信息表<一个href="//www.newsama.com/journals/afs/2012/219602/tab1/" target="_blank">1介绍了标准,代表着一代又一代进化的WiFi (<一个href="#B3">3]。

声音不是最初支持WiFi,但收敛趋势带来的IP协议把语音IP (VoIP)进入数字多媒体流。同时,VoIP压缩技术的巨大进步和航母的VoIP网络的部署可能极低的价格。坚持VoIP开车,IEEE 802.11 n包含的服务质量(QoS)机制在每个单元的基础上,用严格的性能要求,即:(a)包丢失没有破裂的不到1%的损失;(b)小于50毫秒的延迟;(c)的最大抖动少于50毫秒;(d) VoIP优先于任何其他数据流被美联社处理。然而,何鸿燊并不在高优先级的问题。一个效率低下切换过程可能导致电话中断或在最好的情况下,不舒服的信息损失。情况,可以推动何氏过程其局限性是:(a) WLAN细胞覆盖范围小,和一个快速移动的女士可能产生频繁,短期区间传递。(b)有一个延迟(≈300微秒。)[<一个href="#B4">4)参与交接过程中女士无法发送或接收任何类型的流量。(c) VoIP需要的端到端延迟的不到150毫秒(<一个href="#B5">5]。

更快的处理时间在何鸿燊是可取的。连续突破超大规模集成电路(VLSI),主要在现场可编程门阵列(FPGA)和特定应用集成电路(ASIC)域,以及开发新的编程工具,允许进行复杂的数字设计创造一个很小的时间提供设计和实现高性能系统嵌入到一个集成电路。其他功能对FPGA,能耗低,可以可重复编程的领域;因此,越来越有兴趣使用FPGA器件设计数字控制器,控制系统越来越感兴趣,需要一个基于模糊逻辑的实时运算。如今,研究和建议来实现模糊系统变为一个FPGA不断增加。<一个href="#B6">6- - - - - -<一个href="#B8">81型的),包括有趣的FPGA实现模糊推理系统(FIS)的电动汽车,如(<一个href="#B9">9]。一些建议实施2型FIS [<一个href="#B10">10- - - - - -<一个href="#B12">12),以及其他关注软件开发的编码2型FIS的高速去模糊化阶段(<一个href="#B13">13]。最近的作品包括(<一个href="#B14">14),间隔2型FIS Karnik-Mendel-type减速器设计,测试和实施。

为了QoS延迟约束的VoIP在注液电池完成交接,我们实现一个模糊逻辑在一个FPGA快速切换算法,而不是扫描多个渠道预测的最佳通道,只扫描选定的通道,减少长期HO的一部分过程到十一分之一,因为十一是相邻细胞通道标准允许的最大数量。论文的以下部分组织如下。部分<一个href="#sec2">2解释802.11切换程序,选择其他变体希望减少时间消耗在这个过程中,我们的解决方案。部分<一个href="#sec3">3论述了FPGA实现。部分<一个href="#sec4">4给出了仿真结果和部分<一个href="#sec5">5总结了纸。

2。注液电池切换程序

2.1。802.11传递标准

主要要求何鸿燊过程必须满足低延迟、可伸缩性、最低下降和快速恢复,QoS(维护或重新谈判),和安全。

当一个女士方法BSS的限制,它的信号强度和质量的恶化,接近断裂点的链接。美联社的无线电信号严重受到各种环境因素的影响,如distance-related衰减,obstacle-induced衰落,多径信号聚合,和其他射频干扰来源。女士的接收信号强度(RSS)美联社从源减少,从邻近的APs女士收到强烈的信号,所以当当地信号晕倒了一个预定义的阈值(即。80 dBm),何氏过程启动(<一个href="#B15">15];参见图<一个href="//www.newsama.com/journals/afs/2012/219602/fig2/" target="_blank">2。

IEEE 802.11考虑两个通道配置进行切换过程:单通道和多通道漫游徘徊。在本文中,我们将处理后者,因为channel-scanning过程花费的时间超过前者。

2.1.1。多通道漫游

分配每个AP灯塔通道,传输一个参考信号每隔100毫秒(<一个href="#B16">16]。多达11个频道可以用在一个扩展服务集(ESS)同时(限制在802.11标准)<一个href="#B17">17]。使用轮询方案扫描每个女士beacon-frame通道载波产生的所有周围的APs。当信号质量低于细胞“开始搜索”门槛,女士发送每个通道的探测,请求立即信标信号(图的传播<一个href="//www.newsama.com/journals/afs/2012/219602/fig3/" target="_blank">3)。邻近APs发送一个响应框架以顺序的方式,所以,女士可以执行实时测量所有APs的接收功率。当AP的信号比阈值,发起移情女士选择AP的邻近细胞。与女士目标AP进行身份验证,同事,和分配资源。后与来源美联社通过inter-accesspoint通信协议(<一个href="#B17">17]。最后,据美联社电离源的女士HO执行时间是可变的,根据渠道的数量为扫描(细胞合奏)礼物。当使用11个频道时,消耗的时间是300 ms (<一个href="#B4">4]。

2.2。相关工作

Mishra et al。<一个href="#B18">18]分析在链路层切换延迟,证明multichannel-scanning总量的贡献与大多数切换延迟,产生可怜的QoS对时间敏感的应用程序。Shin et al。<一个href="#B19">19)使用扫描算法来选择渠道和建立一个通道的一个子集的面具。使用这个面具下切换扫描预定义的子集相比减少30%到60%的扫描延迟的标准程序。李等人。<一个href="#B20">20.)使用一个邻居的图形缓存机制。移动电台将事先知道所使用的通道相邻的访问点,所以没有必要去探索所有可用的通道,减少扫描延迟。Chang et al。<一个href="#B21">21)评估女士的RSS的平均变化,确定服务传递的更合适的美联社。歌等。<一个href="#B22">22]介绍改进移动IPv6快交接协议转让女士子网,子网。公司和罗伊的工作[Purushothaman<一个href="#B4">4]减少了渠道的数量来扫描通过使用一个基于客户机的数据库中存储的信息APs的通道数更高的RSS。Ong和汗<一个href="#B23">23)消除通道扫描阶段基于传统的功率信号指标。何氏触发引用网络数据包丢失的数量,而不应超过总数的2%在一段时间内发送。这种方法削减90%的802.11标准切换时间<一个href="#B4">4]。然而,缺点是成本所带来的更大的网络复杂性的需要增加网络范围的信息交换。

一些作品依赖使用模糊逻辑(FL) WLAN在不同方面的操作。帕蒂尔和Kolte<一个href="#B24">24)描述5个参数FL切换算法的优化。然而,它是通用的,不适用于802.11 WLAN的情况。Gharehbaghi和Badamchizadeh<一个href="#B25">25)执行四个FL的拥塞控制算法的比较,一个特殊的高容量包到达的目标AP导致服务拒绝接近女士。

我们的建议依赖于链路层received-signal-power检测已经在使用,和女士的方向的计算与邻近的APs(用于<一个href="#B20">20.]),建立两个输入预测模糊逻辑控制(PFLC)提前设计计算中,美联社资质最高价值承认女士当切换开始变得必要。因此,为了符合IEEE.802.11触发过程,只有一个通道扫描。我们的建议,因此,方法(获得的时间减少<一个href="#B23">23),但修改限于女士,而不是整个网络。

3所示。细胞传递模糊逻辑控制器的设计和实现

3.1。预测模糊逻辑控制器

图<一个href="//www.newsama.com/journals/afs/2012/219602/fig4/" target="_blank">4说明了预测模糊逻辑控制器(PFLC)参与过程。在100毫秒。,time intervals the APs broadcast beacon signals. The MS receives the RSS information from each channel and the PFLC performs an analysis that yields the channel number identifying the AP with the highest aptitude value at that time. In this manner, the MS has an updated knowledge of the best fitted AP to associate with. So, when the AP1 signal quality falls to the search threshold, triggering the handoff, the MS knows, among the eleven contiguous AP's channels, that AP2 has the higher aptitude. The standard's scanning operation is performed only once on the preselected channel.

Mamdani-type模糊系统被设计来预测,从一群细胞,美联社安装服务流动的女士图是最好的<一个href="//www.newsama.com/journals/afs/2012/219602/fig4/" target="_blank">4说明了two-input-one-output模糊控制器;相同的模糊系统可以看到更多的细节图<一个href="//www.newsama.com/journals/afs/2012/219602/fig11/" target="_blank">11。第一项代表的平均信号强度(ASI),以两秒的时间间隔计算从信标信号接收到移动电台每100毫秒。ASI构成主要指标通常用于无线系统测量信号质量执行切换的目的。虽然女士信标信号不降至细胞搜索阈值(设置- 80 dBm这项工作),切换过程不是触发。第二个输入信号强度变化(SIV)参数,提供信息的方向女士对美联社(接近或距离)。

喂两个输入模糊控制器,基于历史数据和知识规则允许它估计的能力价值特殊的美联社。相同的计算执行al美联社渠道和资质最高的输出表明将目标AP。

推理机制应用“不等式”,广泛被称为Mamdani方法,以其实现简单性和有效性。同时,重心法,因为它提供了更具代表性的结果output-weighted值不同的隶属度函数。

三个变量的方法定义隶属度函数范围(两个输入,一个输出)描述如下。

(我)输入变量:平均信号强度
四个隶属度函数提出了ASI:低,介质,好,很好。第一个和最后一个梯形和三角形,如图<一个href="//www.newsama.com/journals/afs/2012/219602/fig5/" target="_blank">5。
语言的选择条件对应于接收信号的质量。
常提出的表达等。<一个href="#B21">21)用于获取ASI由移动电台接收。
ASI的论域提出变量如图<一个href="//www.newsama.com/journals/afs/2012/219602/fig5/" target="_blank">5ASI表达的是(<一个href="#EEq1">1),是当前时间,代表信标帧的数量收到时间,最后SSbeacon ()代表接收到的信号强度在时间””(图<一个href="//www.newsama.com/journals/afs/2012/219602/fig6/" target="_blank">6)。

(2)输入变量:信号强度变化(SIV)
女士的相对位置对一个特定的美联社,SIV代表的变化率两ASI读数两秒分开。三个成员函数被定义为猴免疫缺陷病毒,其语言术语“负面”“零”,和“积极”的两个梯形的形状,和一个三角形如图<一个href="//www.newsama.com/journals/afs/2012/219602/fig7/" target="_blank">7。
表达式计算SIV在(<一个href="#EEq2">2)。SSa (t)是目前,ASI价值和SSa (t−k)代表了ASI阅读k= 2秒。这个变量的范围被设置为(−3,3)
因此,信号强度的变化包含女士的信息运动的速度和方向的女士在美联社引用(图<一个href="//www.newsama.com/journals/afs/2012/219602/fig8/" target="_blank">8)。正值表明位移向美联社和负面价值,移动分开。

传统的切换方案只考虑ASI,而ASI和SIV带来一个更好的女士的行为。

(3)变量输出:资质
能力代表了决策的基础上,两个输入的历史数据,ASI和SIV。五个隶属度函数被认为是适合这个变量:负,负小,零,小正的,积极的,如图<一个href="//www.newsama.com/journals/afs/2012/219602/fig9/" target="_blank">9。范围是(−2,2)。
定义的模糊系统的决策能力是其知识库,由12个规则。(1)如果ASI优秀然后SIV是正的资质是正的。(2)如果ASI优秀然后SIV是零资质是正的。(3)如果ASI是优秀和SIV是负的,那么资质小正的。(4)如果ASI猴免疫缺陷病毒是好的,是积极的能力是正的。(5)如果ASI好然后SIV是零资质小正的。(6)如果ASI猴免疫缺陷病毒是好的,是负的,那么能力为零。(7)如果ASI媒体和SIV是正的资质是小正。(8)如果ASI是中型和SIV是零那么能力为零。(9)如果ASI介质和SIV -然后才能很小-。(10)如果ASI低然后SIV是正的资质是零。(11)如果ASI d低自己和SIV是零便资质小相负。(12)如果ASI低然后SIV是负的资质是负的。

语言的每个条目的数量集的规则数量,在这种情况下规则。知识库安排如下表所示的矩阵<一个href="//www.newsama.com/journals/afs/2012/219602/tab2/" target="_blank">2。决定采取的预测模糊控制显然是定义的两个输入值。表<一个href="//www.newsama.com/journals/afs/2012/219602/tab3/" target="_blank">3提供了一个合成的值,定义隶属度函数。

3.2。模糊逻辑的实现

硬件实现是使用“SmartFusion评价”进行开发工具包爱特公司FPGA A2F200M3F(图<一个href="//www.newsama.com/journals/afs/2012/219602/fig10/" target="_blank">10),其主要规格如下:200 K盖茨,256 Kb内存flash, 64 Kb SRAM, 20 Mhz晶体振荡器(<一个href="#B26">26,32位ARM皮层M3软处理器(图<一个href="//www.newsama.com/journals/afs/2012/219602/fig11/" target="_blank">11)。FPGA使用其逻辑块,允许定制“自由人,”综合设计软件,固件版本,并在C语言编译。

Fuzzytech软件(<一个href="#B27">27)被用来设计金融中间人。PFLC设置为16位分辨率,并评估使用c函数EvalFis (Var_ASI浮动,浮动Var_SIV)接收输入值ASI和SIV并返回输出变量能力的结果。图<一个href="//www.newsama.com/journals/afs/2012/219602/fig11/" target="_blank">11说明了嵌入式FLPC设计。我们使用的C语言工具Fuzzytech PFLC算法的发展。

4所示。实验和结果

该部分提出了一些执行的测试是为了验证PFLC设计和性能。

4.1。流动的女士在细胞来源:不切换

在其最简单的表情,一个女士服务范围内的细胞。像往常一样,收到信标帧100微秒。时间间隔和用于计算ASI。SIV每2秒更新一次。,一个s well as the aptitude value. Since a user can find obstacles and move around to avoid them, signal intensity by itself is not a good reference to determine an MS's direction. So, the SIV provides this information, as stated before in (<一个href="#EEq2">2)。

表<一个href="//www.newsama.com/journals/afs/2012/219602/tab4/" target="_blank">4显示了一些示例值美联社的女士收到的信号强度。

第一个值接近最小可检测信号强度,表明远非美联社女士和边界附近。随着女士,的值开始增加,这意味着女士越来越接近美联社。表<一个href="//www.newsama.com/journals/afs/2012/219602/tab5/" target="_blank">5显示各种ASI值。

如图<一个href="//www.newsama.com/journals/afs/2012/219602/fig11/" target="_blank">11,PFLC执行决策基于两个输入(ASI SIV)及其知识库,产生一个数值结果,称为能力值。在我们的设计中,最大能力+ 3,−3最小。图<一个href="//www.newsama.com/journals/afs/2012/219602/fig12/" target="_blank">12提出了一种计算的实例。

4.2。流动的女士一百一十一年跨越细胞边界Aps合奏

仿真考虑一个女士收到信标帧从一群11周围的细胞。说明细胞交叉和相关的切换,图<一个href="//www.newsama.com/journals/afs/2012/219602/fig13/" target="_blank">13只显示了四个细胞。

女士的FLPC执行ASI-SIV计算每两秒获得11 APs的能力值并选择更高的价值;这样,ARM处理器获得11 ASI和SIV信号的值,然后嵌入FLPC执行每一个推理和商店每个APs输出结果,然后选择最大价值。

满足适当的条件触发切换时,最好的位置据美联社和通道是已知的。女士作为旅行沿着轨迹,它通过不同的覆盖区域,能力值计算,和信标信号从不同的细胞成为重要的竞争和源,但它是女士,直到4点,当将触发切换的条件。图<一个href="//www.newsama.com/journals/afs/2012/219602/fig14/" target="_blank">14说明了十一PFLC嵌入式频道,选择最好的能力。

在正常情况下,IEEE 802.11所得的扫描过程11频道确定最高的信号强度,然后决定哪一个目标AP。在我们的提议,扫描过程简化为单通道,因为提前知道这女士AP有更高的能力。

图<一个href="//www.newsama.com/journals/afs/2012/219602/fig15/" target="_blank">15展示了三维控制表面计算Mamdani-type FLPC。轴的值对应于ASI, SIV和资质。可以看到,当猴免疫缺陷病毒是负的ASI最低,能力值是负的,说明一个美联社不应视为切换的目的。最高价值的能力从一起获得高ASI值吗和积极的SIV值。

图<一个href="//www.newsama.com/journals/afs/2012/219602/fig15/" target="_blank">15显示了模糊切换控制器的控制表面。这个表面控制了AVS的变化率和SIV信号,获得实验;然而它可以改变使用任何方法,如简单的调优方法(<一个href="#B28">28),或者考虑其他目标,在这种情况下有必要使用多目标优化方法,以调整隶属度函数(<一个href="#B29">29日]。

比较分析表<一个href="//www.newsama.com/journals/afs/2012/219602/tab6/" target="_blank">6我们有不同的值的输出ASI和SIV, PFLC设计的Matlab模糊工具箱(<一个href="#B30">30.),而获得的价值与我们的提议。差异是最低。

5。结论

网络电话是一个实时应用敏感时间延迟超过200毫秒。标准IEEE 802.11可以切换到300毫秒的延迟。保持不间断的网络连接的能力而穿越多个无线单元基本通信系统的生存在竞争激烈的无线领域。基于预测模糊逻辑控制的平均信号强度和信号强度变化参数作为输入模糊推理算法产生访问点的能力值11 APs,最好选择最高,并指定美联社执行细胞传递。这种方法降低了切换扫描时间近30毫秒,和完整的HO的60毫秒。,thus providing better quality of service to VoIP and other real time applications, where multiple-cell arrangements are involved.

软计算工具(模糊逻辑、神经网络和遗传算法)使用量增长的解决高度复杂的问题,大部分产生令人满意的结果。模糊逻辑已广泛应用于控制和预测的应用程序由于人类语言的并行性,使其独立于严格的分析精度,从而提供分析功能在不确定性情况下,not-well-defined极限在哪里找到。这种情况下的决策过程女士推出切换而接近细胞边界。在多个移动环境中,接收功率和方向在毫秒间隔计算推理引擎决定时间和最佳拟合目标AP。

如今,Systems-on-Chip (SoC)是高度密集的硅片,这完全定制的系统由微处理器和集成设备接口屏幕和键盘,移动终端的情况。因此,将实时高性能模糊系统可以实现多个任务在不牺牲性能。