SDN架構(gòu)下5G通信網(wǎng)絡(luò)垂直切換算法

凌 云，曹 軍

（中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

未來(lái)5G通信網(wǎng)絡(luò)正朝著泛在化、全I(xiàn)P化以及同時(shí)支持多業(yè)務(wù)的方向快速發(fā)展，特別是移動(dòng)電話的發(fā)明和第一代模擬蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)的成功商用，開啟了多種接入方式融合的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)[1]。5G通信網(wǎng)絡(luò)提供越來(lái)越高速的數(shù)據(jù)服務(wù)，涵蓋各種業(yè)務(wù)模式和業(yè)務(wù)系統(tǒng)，但其自身仍有不足，不能很全面地滿足所有用戶的通信網(wǎng)絡(luò)需求。根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)背景和接入技術(shù)，用戶在終端接入的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間切換，這種切換方式稱為垂直切換[2]。作為研究SDN架構(gòu)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)，垂直切換可根據(jù)切換前后接入網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積的大小分為上行垂直切換和下行垂直切換。針對(duì)傳統(tǒng)PM算法切換時(shí)延大的缺點(diǎn)，本文以垂直切換算法與現(xiàn)有PM算法的優(yōu)劣對(duì)比，提出了一種基于SDN架構(gòu)的5G通信網(wǎng)絡(luò)垂直切換算法。仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，該垂直切換算法可以大幅降低切換時(shí)延，也能夠保證選網(wǎng)準(zhǔn)確。

1 SDN架構(gòu)與垂直切換算法概述

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）是網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域近幾年才興起的一項(xiàng)新技術(shù)，其工作原理為在不改變傳統(tǒng)IP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)行為的基礎(chǔ)上采用集中控制的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過(guò)集中化管理調(diào)度和開放可編程等方式，將傳統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備中的功能分離為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能和邏輯控制功能，來(lái)達(dá)成數(shù)據(jù)層與控制層的解耦，使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及設(shè)備管理更加高效靈活[3]。在5G通信網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間的切換和漫游有兩種技術(shù)可供選擇，一是網(wǎng)絡(luò)選擇技術(shù)，二是垂直切換技術(shù)。當(dāng)前的垂直切換技術(shù)能夠以多模多頻的形式，通過(guò)不同的無(wú)線接入技術(shù)整合到同一個(gè)移動(dòng)終端上，使移動(dòng)終端可以成功應(yīng)用于5G通信網(wǎng)絡(luò)。垂直切換相較于網(wǎng)絡(luò)選擇技術(shù)終端性能更優(yōu)，具備同時(shí)訪問(wèn)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能力。執(zhí)行垂直切換過(guò)程會(huì)涉及到切換發(fā)起階段、切換判決階段以及切換執(zhí)行階段3個(gè)階段[4]。

2 5G通信網(wǎng)絡(luò)垂直切換算法設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的5G通信網(wǎng)絡(luò)垂直切換算法采用改進(jìn)的COST-231Hata模型作為量化模型，對(duì)不同環(huán)境因素進(jìn)行科學(xué)估算，進(jìn)而準(zhǔn)確修正量化模型。

量化模型的準(zhǔn)確性受環(huán)境影響很大，且不同的測(cè)試區(qū)域和環(huán)境屬性對(duì)量化模型準(zhǔn)確性的影響也不同[5]?；诖耍疚膶?duì)傳統(tǒng)COST-231Hata傳播模型進(jìn)行了改進(jìn)，針對(duì)不同測(cè)試區(qū)域和不同環(huán)境屬性的綜合影響，對(duì)該量化模型進(jìn)行準(zhǔn)確描述。量化模型為：

式中，Pr為終端接收功率，Pr1為接收地在基站天線狀態(tài)正常情況下1 km處的接收功率，γ為距離衰減因子，d為收發(fā)天線間水平距離，α0為—終端收發(fā)修正因子，GAREA為傳播環(huán)境修正因子。α0的計(jì)算公式為：

式中，h1為基站實(shí)際天線高度，htREF為基站發(fā)射功率，Pt為基站天線增益，PtREF為測(cè)量Pr1和γ時(shí)的基站天線高度，Gt為測(cè)量Pr1和γ時(shí)的基站發(fā)射功率，GtREF為測(cè)量Pr1和γ時(shí)的基站天線增益。d取1 km，f0取850 MHz，n由f和f0決定，即：

該量化模型的優(yōu)點(diǎn)在于根據(jù)實(shí)際測(cè)量值可以隨時(shí)調(diào)整其算法中的參數(shù)，適合5G通信網(wǎng)絡(luò)的傳播環(huán)境，大大提高了擬合的準(zhǔn)確性。此外，該模型還具有計(jì)算效率更高及路徑損耗預(yù)測(cè)更為簡(jiǎn)易等特征，對(duì)于更加海量的數(shù)據(jù)該模型也能夠計(jì)算和分析?；诤Ａ?G通信網(wǎng)絡(luò)測(cè)試數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)計(jì)算量化模型中的環(huán)境修正因子，并使用動(dòng)態(tài)修正，以提高傳播模型垂直切換算法的精度。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

通過(guò)MATLAB平臺(tái)評(píng)估5G通信網(wǎng)絡(luò)的垂直切換算法性能，采用Windows10版本裝有3.60 MHz雙核處理器的計(jì)算機(jī)，主機(jī)服務(wù)器配備267 GB內(nèi)存、2×4 Intel Xeon 3.00 GHz處理器，系統(tǒng)的服務(wù)區(qū)域內(nèi)存在5個(gè)網(wǎng)絡(luò)，分別為WiMAX、WCDMA、WLAN1、WLAN2及WLAN3。其中，WiMAX移動(dòng)范圍覆蓋最大，WLAN的覆蓋范圍最小，這幾種網(wǎng)絡(luò)在服務(wù)區(qū)內(nèi)存在多處重疊，分布情況如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如表1所示。

圖1 仿真網(wǎng)絡(luò)分布場(chǎng)景圖

表1 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)表

移動(dòng)終端長(zhǎng)期處于一種低速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，移動(dòng)終端的運(yùn)動(dòng)方向會(huì)在用戶的一次業(yè)務(wù)類呼叫過(guò)程中一直保持不變，但終端業(yè)務(wù)會(huì)從會(huì)話類、交互類、流類及后臺(tái)類4種業(yè)務(wù)中隨機(jī)選取一種。觀察在此過(guò)程中不同類型點(diǎn)的位置，預(yù)切換機(jī)制中的各參數(shù)設(shè)置如下，終端當(dāng)前接入網(wǎng)絡(luò)的衰減參考距離d0=1 m，該處的信號(hào)強(qiáng)度P(d0)=3.16×10-6dBm，平坦信道的衰落指數(shù)β=2，而終端切換至目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延tz=0.2 ms，并將傳統(tǒng)PM算法與垂直切換算法進(jìn)行對(duì)比。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

切換時(shí)延指的是從切換開始直到完成這一網(wǎng)絡(luò)成功切換過(guò)程花費(fèi)的總時(shí)間。根據(jù)圖2和圖3的結(jié)果分析，與沒(méi)有考慮業(yè)務(wù)區(qū)別的傳統(tǒng)PM算法相比，垂直切換算法綜合考慮多業(yè)務(wù)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的不同要求，使得切換判決更加準(zhǔn)確合理，一定程度上降低了切換發(fā)生時(shí)不可避免的切換時(shí)延。由圖3可知，業(yè)務(wù)達(dá)到率的不斷增加意味著兩種不同算法的切換阻塞率都在增加，但是垂直切換算法的切換阻塞率低于PM算法。在使用用戶人數(shù)較少時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可用的帶寬充足，兩種算法的接入阻塞率都接近于隨著用戶人數(shù)的增加而增大，但是PM算法只是單純選擇了網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度RSS最大的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行切換，垂直切換算法更加符合實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景。

圖3 切換阻塞率

圖2 切換時(shí)延

該仿真實(shí)驗(yàn)將垂直切換算法與現(xiàn)有的算法進(jìn)行性能對(duì)比，能夠得出垂直切換使用戶和網(wǎng)絡(luò)的效用提升，保證基礎(chǔ)業(yè)務(wù)的持續(xù)通信，且提前了切換判決的分析過(guò)程，降低了選網(wǎng)耗時(shí)，有效提升選網(wǎng)效率，在5G通信網(wǎng)絡(luò)中具有有效性和優(yōu)越性。

4 結(jié) 論

SDN架構(gòu)下5G通信網(wǎng)絡(luò)垂直切換算法的設(shè)計(jì)融合了SDN架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)5G通信網(wǎng)絡(luò)的垂直切換進(jìn)行編排，提高了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率，提升了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，且增強(qiáng)了設(shè)備管理的靈活性。但此算法仍然存在一定的不足，為此在今后的研究中會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)垂直切換算法進(jìn)行深入分析，進(jìn)一步提升5G通信的效率。