SDN架構(gòu)下5G通信網(wǎng)絡(luò)垂直切換算法

凌 云，曹 軍

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

未來5G通信網(wǎng)絡(luò)正朝著泛在化、全I(xiàn)P化以及同時支持多業(yè)務(wù)的方向快速發(fā)展，特別是移動電話的發(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。針對傳統(tǒng)PM算法切換時延大的缺點，本文以垂直切換算法與現(xiàn)有PM算法的優(yōu)劣對比，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。仿真實驗的結(jié)果表明，該垂直切換算法可以大幅降低切換時延，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，通過不同的無線接入技術(shù)整合到同一個移動終端上，使移動終端可以成功應(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)，具備同時訪問多個網(wǎng)絡(luò)的能力。執(zhí)行垂直切換過程會涉及到切換發(fā)起階段、切換判決階段以及切換執(zhí)行階段3個階段[4]。

2 5G通信網(wǎng)絡(luò)垂直切換算法設(shè)計

本文設(shè)計的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，且不同的測試區(qū)域和環(huán)境屬性對量化模型準(zhǔn)確性的影響也不同[5]。基于此，本文對傳統(tǒng)COST-231Hata傳播模型進(jìn)行了改進(jìn)，針對不同測試區(qū)域和不同環(huán)境屬性的綜合影響，對該量化模型進(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的計算公式為：

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

該量化模型的優(yōu)點在于根據(jù)實際測量值可以隨時調(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，該模型還具有計算效率更高及路徑損耗預(yù)測更為簡易等特征，對于更加海量的數(shù)據(jù)該模型也能夠計算和分析。基于海量5G通信網(wǎng)絡(luò)測試數(shù)據(jù)動態(tài)計算量化模型中的環(huán)境修正因子，并使用動態(tài)修正，以提高傳播模型垂直切換算法的精度。

3 仿真實驗

3.1 實驗準(zhǔn)備

通過MATLAB平臺評估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雙核處理器的計算機，主機服務(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個網(wǎng)絡(luò)，分別為WiMAX、WCDMA、WLAN1、WLAN2及WLAN3。其中，WiMAX移動范圍覆蓋最大，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)分布場景圖

表1 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)表

移動終端長期處于一種低速運動的狀態(tài)，移動終端的運動方向會在用戶的一次業(yè)務(wù)類呼叫過程中一直保持不變，但終端業(yè)務(wù)會從會話類、交互類、流類及后臺類4種業(yè)務(wù)中隨機選取一種。觀察在此過程中不同類型點的位置，預(yù)切換機制中的各參數(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，該處的信號強度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)的時延tz=0.2 ms，并將傳統(tǒng)PM算法與垂直切換算法進(jìn)行對比。

3.2 實驗結(jié)果

切換時延指的是從切換開始直到完成這一網(wǎng)絡(luò)成功切換過程花費的總時間。根據(jù)圖2和圖3的結(jié)果分析，與沒有考慮業(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)生時不可避免的切換時延。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，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)信號強度RSS最大的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行切換，垂直切換算法更加符合實際的應(yīng)用場景。

圖3 切換阻塞率

圖2 切換時延

該仿真實驗將垂直切換算法與現(xiàn)有的算法進(jìn)行性能對比，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程，降低了選網(wǎng)耗時，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)計融合了SDN架構(gòu)的優(yōu)勢，對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對網(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。