WLAN/LTE異構網絡中網絡選擇優化算法

（1.武漢虹信通信技術有限責任公司，湖北武漢 430074;2.武漢郵電科學研究院，湖北武漢 430074）

WLAN/LTE異構網絡中網絡選擇優化算法

龔 潔1，2，黃 濤1，2，明慧芳1，2

（1.武漢虹信通信技術有限責任公司，湖北武漢 430074;2.武漢郵電科學研究院，湖北武漢 430074）

提出了一種在WLAN/LTE異構網絡環境下接入網絡選擇的優化方案。方案不僅考慮了移動節點中的可用參數和它當前所關聯的網絡及備選網絡，還對異構網絡的整體性能進行了優化。介紹了一種基于著名的裝箱問題近似解的優化模型和分布式處理信號的方案。最后用模擬器對方案進行了驗證，結果表明，相比只根據本地可用信息來進行切換，上述解決方案對網絡的性能有明顯改善。

IP流的移動性;網絡選擇優化;異構無線網絡;WLAN;LTE

近年來，由于裝有多種無線接入技術的多模終端和在相同區域內重疊部署不同網絡的比例逐年增多，高效且可擴展的接入網絡選擇方案正變成每個異構網絡環境下非常重要的專題。人們提出了大量的支持移動性異構網絡的體系結構。結構設計中很重要的一點是在通信協議棧中，由哪一層來處理移動性管理。可以在單一的無線接入技術的數據鏈路層來處理，也可以在網絡層通過允許移動節點在子網間漫游時，固定其IP地址的方法來處理。在傳輸層和應用層也存在相應的處理辦法。

結構設計的其他方面還有:方案中是否允許節點同時連接到多個無線網絡，是基于主機還是基于網絡來決定切換，移動節點是否涉及與移動性相關的信號，IP通信協議棧是應該被保持還是需要有所修改。

IEEE，3GPP，IETF等標準化機構一直在積極地將移動性支持和網絡選擇機制引入到他們的標準中。IEEE發布了名為IEEE 802.21［1］的“媒體獨立切換業務”標準，同時，3GPP也正要為此結構增加一個“接入網發現與選擇功能”（ANDSF）的名稱［2-3］。IETF支持以上兩者的機制。

雖然標準化機構都在努力地支持通信節點的移動性，但是不管是IEEE 802.21標準還是3GPP的標準，都僅僅依據運營商提供的規則和關于無線網絡的一些靜態拓撲結構信息，來支持移動節點的網絡選擇功能。而對網絡的一些動態信息如網絡負載的浮動等，都沒有考慮。

本文提出并驗證了一種為移動節點及其每個數據流進行網絡選擇的方案。數據流依據終端的性能和網絡的負載情況，被動態地分配給不同的無線接入網絡。從而使異構網絡或移動覆蓋網絡的整體性能得到較大的優化。

1 建議的解決方案

1.1 移動性體系結構

本文中提出的解決方案，是建立在稱為相對網絡負載（RNL）的流量負載指標的定義［4］和基于端口的多宿主移動IPv6的體系結構之上［5］（見圖1）。

在上面的結構中，移動節點采用集中式的路由器（本地代理），來注冊它們當前所連接網絡的IP地址CoAs（Care of Addresses），同時，在本地代理的子網中，也為每個移動節點分配了一個IP地址HoA（Home of Address），HoA被上層當作移動通信的終結點標識來使用，當移動節點從一個網絡漫游到另一個網絡時，這個地址是不會發生改變的。

圖1 解決方案的體系結構

注冊消息通過綁定更新（BU）消息來發送，并用綁定確認（BAcks）消息來進行確認。本地代理中保存了一張CoAs與HoAs的映射表，數據流從移動節點傳輸到本地代理中，這樣移動節點和本地代理的IP堆棧就對數據流進行了封裝和解封裝的處理。

移動IPv6的標準已經包含了路徑覆蓋優化的內容，方法是允許移動節點和通信節點發送BU消息。在這種情況下，雙向隧道也可以與這些通信節點建立連接，從而允許數據流繞過本地代理，直接路由到任何支持移動IPv6標準的通信節點中。

RNL指標反映了無線接入網的網絡負載情況，它通過移動IPv6的BU消息和BAcks消息來計算，也作為測量時延和抖動的探測數據報。計算RNL的公式為

式中:Si表示BU消息i的發送時間;Ri表示BAcks消息i到達的時間;c和h是正實數常量，其中h確定加權平均計算的歷史記錄窗口，c確定相較于抖動值RTT的權重。變量

方案中使用的移動IPv6多宿主版本中，覆蓋移動節點的所有網絡并行發送BU消息，這樣就可以計算出每個移動節點的每個可用網絡的RNL值。

1.2 網絡選擇方案

圖2 增加了M和S標識且包含RNL值的BU消息頭結構

方案中增加了一個數據流的移動性選項（見圖3），這種選項的加入，是為了使移動節點能夠指定可發送BU消息的網絡，來發送不同種類的數據流（通過不同的端口和協議來標識）。方案中為該選項增加了一個R標識，以便移動節點可以通知本地代理保持其當前的網絡綁定狀態，而不考慮其當前連接的網絡是否是異構網絡中最優的接入網。當移動節點中存在某種數據，必須要通過特定的網絡來傳輸時，這種R標識是非常有用的。

圖3 增加了R標識的流移動性選項

表1列舉了本地代理中一個綁定緩存表的例子，綁定緩存表是一張從本地代理傳輸數據流到目的節點的路由映射表。歸屬地址（HoA）是上層作為端點標識的固定IP地址，而轉交地址（CoA）則是移動節點當前所連接的網絡IP，是動態分配給節點的一個臨時IP。多宿主移動IPv6允許多重綁定。表1中列舉了三種綁定:一種用于6935端口的TCP通信，一種用于7830端口的UDP通信，還有一種是標識為“-1”的默認綁定，當在表中沒有協議和端口對應的組合時，業務流就通過這種默認綁定的線路來發送。生命周期表示某一特定的綁定必須保持多長時間，同時要允許軟狀態的處理。移動節點可以發送綁定刷新請求（BRR）來延長每個綁定的生命周期。

表1 綁定緩存表

通過發送含有RNL值的BU消息，本地代理就可以知道每個無線網絡的所有移動節點的值，從而通過對它們的處理，來對整個異構網絡進行優化。

2 優化步驟

本章描述了網絡選擇的優化算法，算法的核心思想是允許本地代理對所有可用的無線網絡分配數據流，以達到異構網絡之間負載的均衡。

算法是一個近似解決“裝箱問題”的方法，是一個著名的“NP-Hard”優化問題。在裝箱問題中，如果它在裝物品a時只依據物品a本身的信息，而不需要利用在a之后到達的物品信息時，稱這種啟發式算法為在線（on-line），反之，則稱為離線（off-line）。用在線的背包問題模型，來分配新收到的數據流到最優的無線網中，同時最小化異構無線網絡中所有流的RNL值的總和。

下面介紹網絡選擇（ANS）問題的定義。

發送端移動節點給數據流分配網絡的算法如下:

1）移動節點依據式（1）～（5），計算其在每個無線網絡上的RNL值。

2）移動節點為數據流選擇使RNL值最小的無線網絡進行發送。同時將移動信號中的數據流連同RNL值一起，發送給本地代理（即流移動性選項）。如果移動節點不接受本地代理為數據流的發送所選擇的網絡，則設置R標識。

3）如果R標識沒有被設置，本地代理將進行全局的優化，并最終選擇一個最優的移動節點可用的網絡來傳輸數據流，以達到負載的均衡。

接收端對收到的數據流的處理如下:

1）如果數據流已經存在一個綁定，本地代理會查找綁定緩存表。若查找到，則此綁定就用來傳輸與該數據流相關的數據報。

2）否則，本地代理為目的節點查找默認路徑（在移動信號中標識為“-1”）。本地代理可能會考慮使用這種默認的路由，但是也可能進行全局的優化，并依據優化結果，選擇使用另外一個網絡。綁定被最終確定之后，本地代理會將它存入綁定緩存表中，以便后續的數據報按照相同的路由來發送。

3 模擬仿真

本文模擬了一種WLAN和LTE組成的且有重復覆蓋區域的異構無線網絡環境（如圖4所示）。時延和抖動的值都來自于模擬器中的仿真數據。

圖4 模擬模型

模擬中有3種類型的移動節點:1）裝有WLAN以及LTE無線接入技術芯片的多模終端;2）LTE單模終端;3）WLAN單模終端。

使用了兩種類型的數據流:1）IP電話（VoIP），采用G.729A 編解碼器，8 kbit/s，100 packet/s;2）一般 IP 流，基于TCP的文件檢索，應用層碼率為100 kbit/s。

每個移動節點都能建立一個IP撥打或普通IP流的均勻分布。所有的這些業務最終都會被傳送到有線網絡的一個服務器中。

語音呼叫按照期望值為3 min的泊松分布到達。利用馬爾科夫開/關模型來對語音撥打進行靜音抑制，模型中突發語音服從期望值為20 s的指數分布，而靜默期服從期望值為10 s的指數分布。一般IP流按照期望值為5 min的泊松分布被發送。

每種無線接入技術的RNL值、正在進行的VoIP呼叫數量及一般IP流的數量等，都由模擬器分別計算出來。常數c和h都設置為1，LTE網絡使用了頻分復用（FDD）配置，為上行和下行都分配了3 MHz的帶寬，而WLAN網絡的傳輸速率設置為54 Mbit/s。

使用軟件來演示模擬過程，到達率λ={0.5，1，1.5，2，2.5，3，3.5，4，4.5，5}用戶數/min，每個到達率分別模擬100次。模擬持續了1 800 s，但是只收集了最后900 s的結果。收集的結果包括每個網絡的RNL加權平均值和MOS值小于2.0的語音呼叫的比例。

4 結果描述

3種網絡選擇策略:1）移動節點只要在任何一個WLAN接入點的覆蓋范圍內，就直接使用WLAN網絡;2）移動節點使用RNL值最小的網絡，選擇哪個網絡僅僅依據移動節點自身計算的RNL來決定;3）移動節點在所有可用的網絡中測量RNL值，并將這些RNL值發送給本地代理，由本地代理來決定將新收到的數據流發送到哪個無線網絡。

從仿真工具中獲得的WLAN和LTE的RNL值分別顯示在圖5和圖6中。從圖中可以得知，當普通IP業務流的數量大于5時，在LTE中的RNL值要高于在WLAN中的。而發送語音撥打業務到LTE中時，RNL值一直處于較低的水平。

接下來比較3種不同的策略，圖7中顯示了VoIP被分配到WLAN中的比例與到達率λ的分布。圖8中顯示了MOS值小于2.0的VoIP的比例與到達率λ的分布。圖7中的結果清晰地說明了使用RNL值來決定網絡的選擇，比使用現在很多手機所用的策略要好。此外，允許本地代理來對數據流進行網絡分配，則會使整個網絡性能得到很大的提高。

圖7 3種策略中被分配到WLAN中的VoIP的比例與到達率的分布

圖8 3種策略中MOS值小于2.0的VoIP的比例與到達率的分布

以上使用時延和抖動值來計算RNL的原理，是基于網絡負載越高，時延和抖動值越高的理論。由于WLAN和LTE使用共享的隧道，所有數據流都競爭使用共同的資源。從而使RNL值可以反映每個無線網絡的負載情況。在本方案中，信號的頭部已經被最小化，這是因為重復使用了一些移動信號，如移動IPv6協議的BU消息和BAck消息等。

本文中的網絡選擇方案算法中，沒有使用無線接入網的特殊接入參數，如最大容量、典型的信噪比強度等。在大幅度提高異構網絡整體性能的同時，本方案簡化了具體實施的難度，充分體現了算法的有效性和實用性。

:

［1］IEEE802.21，Local and metropolitan area networks:Media independent handover services［S］.2009.

［2］3GPP TS 23.402，Architecture enhancements for non-3GPP accesses［S］.2010.

［3］3GPP TS 24.302，Access to the 3GPP evolved packet core（EPC）via non-3GPP access networks［S］.2010.

［4］AHLUND C，BRANNSTROM R，ZASLAVSKY A.Traffic load metrics for multihomed mobile IP and global connectivity［J］.Telecommunication Systems，2006，33（1/2/3）:155-185.

［5］BRANNSTRAM R，AHLUND C，ANDERSSON K，et al.Multimedia flow mobility in heterogeneous networks using multihomed mobile IP［J］.Journal of Mobile Multimedia，2007，3（3）:218-234.

Optimization Algorithm of Network Selection in WLAN/LTE Heterogeneous Network Environment

GONG Jie1，2，HUANG Tao1，2，MING Huifang1，2

（1.Wuhan Research Institute of Posts＆Telecommunications，Wuhan 430074，China;2.Wuhan Hongxin Telecommunication Technologies Co.，Ltd.，Wuhan 430074，China）

In this article，a new access network selection procedure is proposed and evaluated in such a combined WLAN/LTE environment.The proposed solution takes not only parameters available in the mobile node and its current and candidate access networks into account，but also performs an optimization on the heterogeneous wireless network level as well.An optimization model based on an approximate solution to the well-known bin packing problem is presented.Also，there is a signaling scheme for distribution handling presented.Results from simulations performed in modeler show improvements compared to basing handover decisions on locally available information only.

IP flow mobility;optimized access network selection;heterogeneous wireless networks;WLAN;LTE

TN929.5

A

【本文獻信息】龔潔，黃濤，明慧芳.WLAN/LTE異構網絡中網絡選擇優化算法［J］.電視技術，2013，37（3）.

新一代寬帶無線移動通信網國家科技重大專項（2010ZX03001－001－02）

龔 潔（1987— ），女，碩士生，主研無線通信及軟件;

黃 濤（1970— ），碩士生導師，總工程師，主研無線通信;

明慧芳（1979— ），女，碩士，副總經理，主研無線通信及軟件。

責任編輯:許 盈

2012－06－10