基于Matlab的LTE與Wi-Fi垂直切換多屬性算法研究

梁 冀

(廣西民族師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院， 廣西 崇左 532200)

引言

隨著無線通信的飛速發(fā)展、智能設(shè)備的普及使用，大眾的用戶體驗要求越來越高，用戶希望無論身在何時何地，智能終端都能利用當?shù)氐木W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與任何人進行無間斷性通信[1]。因此，在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上，如何設(shè)計部署網(wǎng)絡(luò)的無縫切換以及提升整體服務(wù)性能，以滿足更多用戶接入與更大的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，將是未來網(wǎng)絡(luò)研究的重點與難點[2]。

LTE稱為長期演進，項目以制定3G演進型系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范作為目標。LTE的實質(zhì)是為了移動通信與寬帶無線接入技術(shù)的融合，不僅改進、而且增強了3G的空中接入技術(shù)，采用正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)和多入多出技術(shù)(MIMO)作為其無線網(wǎng)絡(luò)演進的唯一標準[3]。具體來說，可在20 MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100 Mbps、上行50 Mbps的峰值速率；小區(qū)容量得到強勢提高，用戶的性能得到明顯改善，用戶平面內(nèi)部單向傳輸時延低于5 ms，控制平面從駐留狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時間小于100 ms，從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)遷移時間低于50 ms；當移動用戶處在350 Km/h高速移動中時，也能得到超過100 Kbps速率的接入服務(wù)。

無線技術(shù)Wi-Fi主要包括IEEE的802.1l，其中以基于802.11協(xié)議的無線局域網(wǎng)接入技術(shù)Wi-Fi為主。IEEE802.11工作組研究和實現(xiàn)了Wi-Fi完整技術(shù)體系的標準化，涵蓋從物理層核心配置到頻譜資源、管理、視頻車載應(yīng)用等多方面等一系列標準[4]。當前的最新協(xié)議802.11 ad可支持10天線MIMO，最大傳輸速率能夠達到6.7 Gbps，可為無線網(wǎng)絡(luò)傳輸提供更大的系統(tǒng)容量。

作為應(yīng)用上最為廣泛，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)架構(gòu)已臻至完善的2種網(wǎng)絡(luò)，LTE與Wi-Fi異系統(tǒng)融合技術(shù)研究，目前吸引了通信界的廣泛關(guān)注與重視。LTE與Wi-Fi異系統(tǒng)間的垂直切換性能，直接決定了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的整體性能[2]。過去對2種異系統(tǒng)間垂直切換研究主要以2種不同網(wǎng)絡(luò)的信號強度作為依據(jù)，算法比較簡單，實現(xiàn)容易，并未考慮到兩系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、信號覆蓋范圍等方面存在的差異，從而導(dǎo)致閾值判決并不精準，乒乓效應(yīng)嚴重等問題。多屬性垂直判決算法綜合考慮多個系統(tǒng)屬性，如誤碼率、網(wǎng)絡(luò)帶寬、數(shù)據(jù)速率等，并從多個指標出發(fā)，設(shè)計建立一組切換判決備選方案，利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的判決信息，經(jīng)由算法運行判決方案給出判決選擇，執(zhí)行垂直切換，達到異系統(tǒng)融合服務(wù)的目的。

1 多屬性垂直切換算法原理

多屬性垂直切換算法一般根據(jù)多個系統(tǒng)屬性進行判決選擇，以達到最佳目的。選擇經(jīng)典的加權(quán)和法、乘法指數(shù)加權(quán)法這2種多屬性切換算法進行設(shè)計。對于加權(quán)和法，首先給各個判決因素分配一定量的權(quán)值，然后進行線性組合，比較組合的大小，做出切換選擇。綜上可得，數(shù)學(xué)公式如下：

(1)

其中，fi為第i個判決因素的度量值；wi為此因素的加權(quán)權(quán)重；Q為網(wǎng)絡(luò)的決策函數(shù)，值最大對應(yīng)的候選網(wǎng)絡(luò)為最優(yōu)切換目標。本次研究中，設(shè)計引入了系統(tǒng)信號強度、信噪比、數(shù)據(jù)速率與基站剩余緩存、傳輸時延4個屬性。對此，研究將給出解析分述內(nèi)容如下。

(1)信號強度分析。信號強度RSRP由UE測量得到，體現(xiàn)為UE接入網(wǎng)絡(luò)的難易程度。f1設(shè)置為終端UE測量LTE或Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)信號強度評價函數(shù)，f1計算公式可見如下：

(2)

其中，RSRP為UE得到LTE或Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)信號強度值，RSRPMax取值為-65 dBm，RSRPMin取值為-120 dBm。

(2)信噪比分析。信噪比SNR可由UE測量。據(jù)香農(nóng)定律，系統(tǒng)的信噪比直接決定了傳輸速率。因此，系統(tǒng)信噪比可以有效評估異系統(tǒng)間的傳輸速率優(yōu)劣。f2設(shè)置為終端UE測量LTE或Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)信噪比評價函數(shù)，推導(dǎo)可得f2的運算公式為：

(3)

其中，SNR為UE測量得到LTE或Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)信號與噪聲比值，SNRMax取值為30 dB，SNRMin取值為-5 dB。

(3)數(shù)據(jù)速率與基站剩余緩存分析。 基站剩余緩存BSR與基站帶寬均由基站獲取，體現(xiàn)基站當前可以傳輸數(shù)據(jù)量。基站傳輸帶寬B與剩余緩存BSR越大，能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越大，反之越小。f3設(shè)置為基站測量UE接入網(wǎng)絡(luò)與待切換目標網(wǎng)絡(luò)剩余緩存評價函數(shù)，計算公式為：

(4)

其中，BSRsource與BSRtarget分別為UE當前接入網(wǎng)絡(luò)與目標網(wǎng)絡(luò)基站剩余緩存狀態(tài)，Bsource和Btarget分別為UE當前接入網(wǎng)絡(luò)與目標網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶寬。

(4)傳輸時延分析。系統(tǒng)傳輸時延有基站獲取，可以有效評估異系統(tǒng)之間的傳輸服務(wù)質(zhì)量。f4設(shè)置系統(tǒng)傳輸時延評價函數(shù)，數(shù)學(xué)公式可表述為：

(5)

為了避免終端在不同基站之間出現(xiàn)乒乓切換，在切換判決過程中配設(shè)了切換判決函數(shù)門限遲滯Qcost與切換時間門限遲滯Htime。當且僅當異系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中最大判決函數(shù)與前接入基站的判決函數(shù)大于Qcost與滿足次數(shù)大于Htime才執(zhí)行異系統(tǒng)垂直切換。

2 多屬性算法的Matlab實現(xiàn)設(shè)計

基于多屬性垂直切換算法仿真流程如圖1所示。

圖1 基于多屬性垂直切換算法仿真流程

Fig.1Verticalhandoveralgorithmsimulationprocessbasedonmultiattributes

UE根據(jù)接收信號計算各異構(gòu)網(wǎng)系統(tǒng)信號強度RSRP與信噪比SNR，并將異構(gòu)網(wǎng)系統(tǒng)RSRP與SNR值上報至基站；基站之間互通，各基站傳輸帶寬B、剩余緩存BSR、平均傳輸時延T進行共享。源基站根據(jù)各種屬性建立評估判決模型，計算各基站對當前UE評價值，判斷是否滿足判決函數(shù)門限遲滯與時間遲滯，選擇評價最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)進行垂直切換接入。

利用Matlab軟件驗證設(shè)計的正確性及有效性。實驗設(shè)置LTE宏站站間距500 m，覆蓋半徑250 m，基站分布呈蜂窩六邊形；LTE基站覆蓋區(qū)域，隨機生成5個Wi-Fi基站，站間距大于50 m。每個LTE范圍內(nèi)隨機生成200個用戶。仿真參數(shù)設(shè)置：LTE基站發(fā)射功率46 dBm，Wi-Fi基站發(fā)射功率23 dBm；LTE系統(tǒng)帶寬設(shè)置20 MHz，Wi-Fi系統(tǒng)帶寬設(shè)置40 MHz；LTE中心頻率1 800 MHz，Wi-Fi中心頻率為2 400 MHz；LTE與Wi-Fi發(fā)射信號傳輸至UE經(jīng)過大尺度衰落、穿透損耗、小尺度衰落；穿透損耗設(shè)置LTE平均穿透2堵墻，Wi-Fi平均穿透1堵墻，每一堵墻的衰減為20 dB;小尺度衰落采用經(jīng)典的Jakes功率譜模型；信號強度評價函數(shù)、信噪比評價函數(shù)、基站剩余緩存評價函數(shù)、時延評價函數(shù)的權(quán)值都設(shè)置0.25。為減少終端產(chǎn)生乒乓切換效應(yīng)，多屬性評價函數(shù)遲滯門限設(shè)置為0.05，時間遲滯門限設(shè)置為3。

仿真實驗得到的用戶在LTE與Wi-Fi異系統(tǒng)多屬性評價函數(shù)效果如圖2所示，用戶垂直切換駐留網(wǎng)絡(luò)仿真分析如圖3所示。

圖2 基于多屬性評價函數(shù)仿真Fig. 2 Evaluation function simulation based on multi attributes

圖3 基于多屬性評價函數(shù)用戶駐留仿真

Fig.3User-residentsimulationbasedonmulti-attributeevaluationfunction

由仿真圖2、3可知，多屬性垂直切換算法可使得終端在不同的網(wǎng)絡(luò)之間實現(xiàn)成功的切換，同時算法結(jié)合評價函數(shù)遲滯與時間遲滯，可以減少LTE與Wi-Fi異系統(tǒng)之間的兵乓切換，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了提升。

3 結(jié)束語

多屬性評價切換算法，利用系統(tǒng)信號強度、信噪比、基站緩存與傳輸帶寬、系統(tǒng)傳輸時延等，綜合評估異系統(tǒng)傳輸性能，制定出異系統(tǒng)間垂直切換策略。通過實驗仿真可知，文中基于多屬性垂直切換算法可以判決出當前最優(yōu)的無線網(wǎng)絡(luò)，同時減少系統(tǒng)之間乒乓切換，提升異系統(tǒng)垂直切換的穩(wěn)定性。

[1] 劉敏,李忠誠,過曉冰,等. 異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中垂直切換算法的評測與改進[J]. 軟件學(xué)報,2007，18(7):1652-1659.

[2] 李洋. 異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)垂直切換方法研究[D]. 上海：上海師范大學(xué),2016.

[3] 陳廣泉. 認知異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 北京：北京郵電大學(xué),2011.

[4] 紀曉龍,張靜. 一種異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的多屬性垂直切換方案[J]. 上海師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014,43(2):153-158.