WLAN/LTE異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)選擇優(yōu)化算法

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

WLAN/LTE異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)選擇優(yōu)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(shù)有限責(zé)任公司，湖北武漢 430074;2.武漢郵電科學(xué)研究院，湖北武漢 430074）

提出了一種在WLAN/LTE異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下接入網(wǎng)絡(luò)選擇的優(yōu)化方案。方案不僅考慮了移動節(jié)點(diǎn)中的可用參數(shù)和它當(dāng)前所關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)及備選網(wǎng)絡(luò)，還對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的整體性能進(jìn)行了優(yōu)化。介紹了一種基于著名的裝箱問題近似解的優(yōu)化模型和分布式處理信號的方案。最后用模擬器對方案進(jìn)行了驗證，結(jié)果表明，相比只根據(jù)本地可用信息來進(jìn)行切換，上述解決方案對網(wǎng)絡(luò)的性能有明顯改善。

IP流的移動性;網(wǎng)絡(luò)選擇優(yōu)化;異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò);WLAN;LTE

近年來，由于裝有多種無線接入技術(shù)的多模終端和在相同區(qū)域內(nèi)重疊部署不同網(wǎng)絡(luò)的比例逐年增多，高效且可擴(kuò)展的接入網(wǎng)絡(luò)選擇方案正變成每個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下非常重要的專題。人們提出了大量的支持移動性異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)設(shè)計中很重要的一點(diǎn)是在通信協(xié)議棧中，由哪一層來處理移動性管理?？梢栽趩我坏臒o線接入技術(shù)的數(shù)據(jù)鏈路層來處理，也可以在網(wǎng)絡(luò)層通過允許移動節(jié)點(diǎn)在子網(wǎng)間漫游時，固定其IP地址的方法來處理。在傳輸層和應(yīng)用層也存在相應(yīng)的處理辦法。

結(jié)構(gòu)設(shè)計的其他方面還有:方案中是否允許節(jié)點(diǎn)同時連接到多個無線網(wǎng)絡(luò)，是基于主機(jī)還是基于網(wǎng)絡(luò)來決定切換，移動節(jié)點(diǎn)是否涉及與移動性相關(guān)的信號，IP通信協(xié)議棧是應(yīng)該被保持還是需要有所修改。

IEEE，3GPP，IETF等標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)一直在積極地將移動性支持和網(wǎng)絡(luò)選擇機(jī)制引入到他們的標(biāo)準(zhǔn)中。IEEE發(fā)布了名為IEEE 802.21［1］的“媒體獨(dú)立切換業(yè)務(wù)”標(biāo)準(zhǔn)，同時，3GPP也正要為此結(jié)構(gòu)增加一個“接入網(wǎng)發(fā)現(xiàn)與選擇功能”（ANDSF）的名稱［2-3］。IETF支持以上兩者的機(jī)制。

雖然標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)都在努力地支持通信節(jié)點(diǎn)的移動性，但是不管是IEEE 802.21標(biāo)準(zhǔn)還是3GPP的標(biāo)準(zhǔn)，都僅僅依據(jù)運(yùn)營商提供的規(guī)則和關(guān)于無線網(wǎng)絡(luò)的一些靜態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息，來支持移動節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)選擇功能。而對網(wǎng)絡(luò)的一些動態(tài)信息如網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的浮動等，都沒有考慮。

本文提出并驗證了一種為移動節(jié)點(diǎn)及其每個數(shù)據(jù)流進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)選擇的方案。數(shù)據(jù)流依據(jù)終端的性能和網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況，被動態(tài)地分配給不同的無線接入網(wǎng)絡(luò)。從而使異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)或移動覆蓋網(wǎng)絡(luò)的整體性能得到較大的優(yōu)化。

1 建議的解決方案

1.1 移動性體系結(jié)構(gòu)

本文中提出的解決方案，是建立在稱為相對網(wǎng)絡(luò)負(fù)載（RNL）的流量負(fù)載指標(biāo)的定義［4］和基于端口的多宿主移動IPv6的體系結(jié)構(gòu)之上［5］（見圖1）。

在上面的結(jié)構(gòu)中，移動節(jié)點(diǎn)采用集中式的路由器（本地代理），來注冊它們當(dāng)前所連接網(wǎng)絡(luò)的IP地址CoAs（Care of Addresses），同時，在本地代理的子網(wǎng)中，也為每個移動節(jié)點(diǎn)分配了一個IP地址HoA（Home of Address），HoA被上層當(dāng)作移動通信的終結(jié)點(diǎn)標(biāo)識來使用，當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)從一個網(wǎng)絡(luò)漫游到另一個網(wǎng)絡(luò)時，這個地址是不會發(fā)生改變的。

圖1 解決方案的體系結(jié)構(gòu)

注冊消息通過綁定更新（BU）消息來發(fā)送，并用綁定確認(rèn)（BAcks）消息來進(jìn)行確認(rèn)。本地代理中保存了一張CoAs與HoAs的映射表，數(shù)據(jù)流從移動節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)奖镜卮碇?，這樣移動節(jié)點(diǎn)和本地代理的IP堆棧就對數(shù)據(jù)流進(jìn)行了封裝和解封裝的處理。

移動IPv6的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)包含了路徑覆蓋優(yōu)化的內(nèi)容，方法是允許移動節(jié)點(diǎn)和通信節(jié)點(diǎn)發(fā)送BU消息。在這種情況下，雙向隧道也可以與這些通信節(jié)點(diǎn)建立連接，從而允許數(shù)據(jù)流繞過本地代理，直接路由到任何支持移動IPv6標(biāo)準(zhǔn)的通信節(jié)點(diǎn)中。

RNL指標(biāo)反映了無線接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)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(shù)據(jù)報。計算RNL的公式為

式中:Si表示BU消息i的發(fā)送時間;Ri表示BAcks消息i到達(dá)的時間;c和h是正實數(shù)常量，其中h確定加權(quán)平均計算的歷史記錄窗口，c確定相較于抖動值RTT的權(quán)重。變量

方案中使用的移動IPv6多宿主版本中，覆蓋移動節(jié)點(diǎn)的所有網(wǎng)絡(luò)并行發(fā)送BU消息，這樣就可以計算出每個移動節(jié)點(diǎn)的每個可用網(wǎng)絡(luò)的RNL值。

1.2 網(wǎng)絡(luò)選擇方案

圖2 增加了M和S標(biāo)識且包含RNL值的BU消息頭結(jié)構(gòu)

方案中增加了一個數(shù)據(jù)流的移動性選項（見圖3），這種選項的加入，是為了使移動節(jié)點(diǎn)能夠指定可發(fā)送BU消息的網(wǎng)絡(luò)，來發(fā)送不同種類的數(shù)據(jù)流（通過不同的端口和協(xié)議來標(biāo)識）。方案中為該選項增加了一個R標(biāo)識，以便移動節(jié)點(diǎn)可以通知本地代理保持其當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)綁定狀態(tài)，而不考慮其當(dāng)前連接的網(wǎng)絡(luò)是否是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中最優(yōu)的接入網(wǎng)。當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)中存在某種數(shù)據(jù)，必須要通過特定的網(wǎng)絡(luò)來傳輸時，這種R標(biāo)識是非常有用的。

圖3 增加了R標(biāo)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(shù)據(jù)流到目的節(jié)點(diǎn)的路由映射表。歸屬地址（HoA）是上層作為端點(diǎn)標(biāo)識的固定IP地址，而轉(zhuǎn)交地址（CoA）則是移動節(jié)點(diǎn)當(dāng)前所連接的網(wǎng)絡(luò)IP，是動態(tài)分配給節(jié)點(diǎn)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(biāo)識為“-1”的默認(rèn)綁定，當(dāng)在表中沒有協(xié)議和端口對應(yīng)的組合時，業(yè)務(wù)流就通過這種默認(rèn)綁定的線路來發(fā)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(tài)的處理。移動節(jié)點(diǎn)可以發(fā)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(fā)送含有RNL值的BU消息，本地代理就可以知道每個無線網(wǎng)絡(luò)的所有移動節(jié)點(diǎn)的值，從而通過對它們的處理，來對整個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化。

2 優(yōu)化步驟

本章描述了網(wǎng)絡(luò)選擇的優(yōu)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(wǎng)絡(luò)分配數(shù)據(jù)流，以達(dá)到異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間負(fù)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(yōu)化問題。在裝箱問題中，如果它在裝物品a時只依據(jù)物品a本身的信息，而不需要利用在a之后到達(dá)的物品信息時，稱這種啟發(fā)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(shù)據(jù)流到最優(yōu)的無線網(wǎng)中，同時最小化異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中所有流的RNL值的總和。

下面介紹網(wǎng)絡(luò)選擇（ANS）問題的定義。

發(fā)送端移動節(jié)點(diǎn)給數(shù)據(jù)流分配網(wǎng)絡(luò)的算法如下:

1）移動節(jié)點(diǎn)依據(jù)式（1）～（5），計算其在每個無線網(wǎng)絡(luò)上的RNL值。

2）移動節(jié)點(diǎn)為數(shù)據(jù)流選擇使RNL值最小的無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行發(fā)送。同時將移動信號中的數(shù)據(jù)流連同RNL值一起，發(fā)送給本地代理（即流移動性選項）。如果移動節(jié)點(diǎn)不接受本地代理為數(shù)據(jù)流的發(fā)送所選擇的網(wǎng)絡(luò)，則設(shè)置R標(biāo)識。

3）如果R標(biāo)識沒有被設(shè)置，本地代理將進(jìn)行全局的優(yōu)化，并最終選擇一個最優(yōu)的移動節(jié)點(diǎn)可用的網(wǎng)絡(luò)來傳輸數(shù)據(jù)流，以達(dá)到負(fù)載的均衡。

接收端對收到的數(shù)據(jù)流的處理如下:

1）如果數(shù)據(jù)流已經(jīng)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(shù)據(jù)流相關(guān)的數(shù)據(jù)報。

2）否則，本地代理為目的節(jié)點(diǎn)查找默認(rèn)路徑（在移動信號中標(biāo)識為“-1”）。本地代理可能會考慮使用這種默認(rèn)的路由，但是也可能進(jìn)行全局的優(yōu)化，并依據(jù)優(yōu)化結(jié)果，選擇使用另外一個網(wǎng)絡(luò)。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(xù)的數(shù)據(jù)報按照相同的路由來發(fā)送。

3 模擬仿真

本文模擬了一種WLAN和LTE組成的且有重復(fù)覆蓋區(qū)域的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)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(shù)據(jù)。

圖4 模擬模型

模擬中有3種類型的移動節(jié)點(diǎn):1）裝有WLAN以及LTE無線接入技術(shù)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(shù)據(jù)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(yīng)用層碼率為100 kbit/s。

每個移動節(jié)點(diǎn)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(yè)務(wù)最終都會被傳送到有線網(wǎng)絡(luò)的一個服務(wù)器中。

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

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

使用軟件來演示模擬過程，到達(dá)率λ={0.5，1，1.5，2，2.5，3，3.5，4，4.5，5}用戶數(shù)/min，每個到達(dá)率分別模擬100次。模擬持續(xù)了1 800 s，但是只收集了最后900 s的結(jié)果。收集的結(jié)果包括每個網(wǎng)絡(luò)的RNL加權(quán)平均值和MOS值小于2.0的語音呼叫的比例。

4 結(jié)果描述

3種網(wǎng)絡(luò)選擇策略:1）移動節(jié)點(diǎn)只要在任何一個WLAN接入點(diǎn)的覆蓋范圍內(nèi)，就直接使用WLAN網(wǎng)絡(luò);2）移動節(jié)點(diǎn)使用RNL值最小的網(wǎng)絡(luò)，選擇哪個網(wǎng)絡(luò)僅僅依據(jù)移動節(jié)點(diǎn)自身計算的RNL來決定;3）移動節(jié)點(diǎn)在所有可用的網(wǎng)絡(luò)中測量RNL值，并將這些RNL值發(fā)送給本地代理，由本地代理來決定將新收到的數(shù)據(jù)流發(fā)送到哪個無線網(wǎng)絡(luò)。

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(dāng)普通IP業(yè)務(wù)流的數(shù)量大于5時，在LTE中的RNL值要高于在WLAN中的。而發(fā)送語音撥打業(yè)務(wù)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(dá)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(dá)率λ的分布。圖7中的結(jié)果清晰地說明了使用RNL值來決定網(wǎng)絡(luò)的選擇，比使用現(xiàn)在很多手機(jī)所用的策略要好。此外，允許本地代理來對數(shù)據(jù)流進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分配，則會使整個網(wǎng)絡(luò)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(dá)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(dá)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(wǎng)絡(luò)負(fù)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(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況。在本方案中，信號的頭部已經(jīng)被最小化，這是因為重復(fù)使用了一些移動信號，如移動IPv6協(xié)議的BU消息和BAck消息等。

本文中的網(wǎng)絡(luò)選擇方案算法中，沒有使用無線接入網(wǎng)的特殊接入?yún)?shù)，如最大容量、典型的信噪比強(qiáng)度等。在大幅度提高異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)整體性能的同時，本方案簡化了具體實施的難度，充分體現(xiàn)了算法的有效性和實用性。

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［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(xiàn)信息】龔潔，黃濤，明慧芳.WLAN/LTE異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)選擇優(yōu)化算法［J］.電視技術(shù)，2013，37（3）.

新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)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(dǎo)師，總工程師，主研無線通信;

明慧芳（1979— ），女，碩士，副總經(jīng)理，主研無線通信及軟件。

責(zé)任編輯:許 盈

2012－06－10