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(yàn)要求越來越高，用戶希望無論身在何時(shí)何地，智能終端都能利用當(dāng)?shù)氐木W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與任何人進(jìn)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(jì)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(diǎn)與難點(diǎn)[2]。

LTE稱為長期演進(jìn)，項(xiàng)目以制定3G演進(jìn)型系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范作為目標(biāo)。LTE的實(shí)質(zhì)是為了移動(dòng)通信與寬帶無線接入技術(shù)的融合，不僅改進(jìn)、而且增強(qiáng)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(jìn)的唯一標(biāo)準(zhǔn)[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(qiáng)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(shí)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(shí)間小于100 ms，從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)遷移時(shí)間低于50 ms；當(dāng)移動(dòng)用戶處在350 Km/h高速移動(dòng)中時(shí)，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(shí)現(xiàn)了Wi-Fi完整技術(shù)體系的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)[4]。當(dāng)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(dá)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(duì)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(hào)強(qiáng)度作為依據(jù)，算法比較簡單，實(shí)現(xiàn)容易，并未考慮到兩系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、信號(hào)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(zhǔn)，乒乓效應(yīng)嚴(yán)重等問題。多屬性垂直判決算法綜合考慮多個(gè)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(gè)指標(biāo)出發(fā)，設(shè)計(jì)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(yùn)行判決方案給出判決選擇，執(zhí)行垂直切換，達(dá)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(gè)系統(tǒng)屬性進(jìn)行判決選擇，以達(dá)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(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于加權(quán)和法，首先給各個(gè)判決因素分配一定量的權(quán)值，然后進(jìn)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(gè)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(duì)應(yīng)的候選網(wǎng)絡(luò)為最優(yōu)切換目標(biāo)。本次研究中，設(shè)計(jì)引入了系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度、信噪比、數(shù)據(jù)速率與基站剩余緩存、傳輸時(shí)延4個(gè)屬性。對(duì)此，研究將給出解析分述內(nèi)容如下。

(1)信號(hào)強(qiáng)度分析。信號(hào)強(qiáng)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(hào)強(qiáng)度評(píng)價(jià)函數(shù)，f1計(jì)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(hào)強(qiáng)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(píng)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(píng)價(jià)函數(shù)，推導(dǎo)可得f2的運(yùn)算公式為：

(3)

其中，SNR為UE測量得到LTE或Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)信號(hào)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(dāng)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(biāo)網(wǎng)絡(luò)剩余緩存評(píng)價(jià)函數(shù)，計(jì)算公式為：

(4)

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

(4)傳輸時(shí)延分析。系統(tǒng)傳輸時(shí)延有基站獲取，可以有效評(píng)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(shí)延評(píng)價(jià)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(shí)間門限遲滯Htime。當(dāng)且僅當(dāng)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(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

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(hào)計(jì)算各異構(gòu)網(wǎng)系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度RSRP與信噪比SNR，并將異構(gòu)網(wǎng)系統(tǒng)RSRP與SNR值上報(bào)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(shí)延T進(jìn)行共享。源基站根據(jù)各種屬性建立評(píng)估判決模型，計(jì)算各基站對(duì)當(dāng)前UE評(píng)價(jià)值，判斷是否滿足判決函數(shù)門限遲滯與時(shí)間遲滯，選擇評(píng)價(jià)最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行垂直切換接入。

利用Matlab軟件驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性及有效性。實(shí)驗(yàn)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(jī)生成5個(gè)Wi-Fi基站，站間距大于50 m。每個(gè)LTE范圍內(nèi)隨機(jī)生成200個(gè)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(hào)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(hào)強(qiáng)度評(píng)價(jià)函數(shù)、信噪比評(píng)價(jià)函數(shù)、基站剩余緩存評(píng)價(jià)函數(shù)、時(shí)延評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)函數(shù)遲滯門限設(shè)置為0.05，時(shí)間遲滯門限設(shè)置為3。

仿真實(shí)驗(yàn)得到的用戶在LTE與Wi-Fi異系統(tǒng)多屬性評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)函數(shù)仿真Fig. 2 Evaluation function simulation based on multi attributes

圖3 基于多屬性評(píng)價(jià)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(shí)現(xiàn)成功的切換，同時(shí)算法結(jié)合評(píng)價(jià)函數(shù)遲滯與時(shí)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(píng)價(jià)切換算法，利用系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度、信噪比、基站緩存與傳輸帶寬、系統(tǒng)傳輸時(shí)延等，綜合評(píng)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(shí)驗(yàn)仿真可知，文中基于多屬性垂直切換算法可以判決出當(dāng)前最優(yōu)的無線網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)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。

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