移動(dòng)融合網(wǎng)絡(luò)中基于信道質(zhì)量的分流算法

寇金鋒， 苗金華， 肖　揚(yáng)， 王　瑜， 王　東

(1. 北京交通大學(xué)信息科學(xué)研究所， 北京 100044；

2. 華為技術(shù)有限公司， 北京 100095)

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移動(dòng)融合網(wǎng)絡(luò)中基于信道質(zhì)量的分流算法

寇金鋒1， 苗金華2， 肖揚(yáng)1， 王瑜2， 王東1

(1. 北京交通大學(xué)信息科學(xué)研究所， 北京 100044；

2. 華為技術(shù)有限公司， 北京 100095)

摘要：隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，各種智能終端已經(jīng)成為生活中不可或缺的一部分，如何為其提供快速高效的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。使用移動(dòng)融合網(wǎng)絡(luò)，將固定網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合、充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。首先介紹了移動(dòng)融合網(wǎng)絡(luò)的概念，然后提出了基于信道質(zhì)量的分流算法，以解決移動(dòng)融合網(wǎng)絡(luò)中的分流問(wèn)題。最后進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，分別仿真了數(shù)據(jù)全走長(zhǎng)期演進(jìn)(long term evolution, LTE)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)全走無(wú)線保真(wireless fidelity, WiFi)網(wǎng)絡(luò)、基于信道質(zhì)量進(jìn)行分流3種情況。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)該算法可以顯著提高系統(tǒng)吞吐量、減小時(shí)延，從而驗(yàn)證了其有效性。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)融合網(wǎng)絡(luò); 固定網(wǎng)絡(luò); 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò); 分流; 信道質(zhì)量

0引言

隨著諸如智能手機(jī)、平板電腦等智能終端的不斷普及，用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求越來(lái)越大，通信行業(yè)在期待巨大發(fā)展前景的同時(shí)也面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)[1]。如何在現(xiàn)有傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，為用戶提供更好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。其中，將以長(zhǎng)期演進(jìn)(long term evolution, LTE)[2-3]為代表的傳統(tǒng)固定網(wǎng)絡(luò)與以無(wú)線保真(wireless fidelity, WiFi)[4]為代表的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合[5-18]，是業(yè)界的一致共識(shí)。因?yàn)樵谌诤暇W(wǎng)絡(luò)中，固定網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，既減少網(wǎng)絡(luò)投資費(fèi)用，保留固定網(wǎng)絡(luò)在計(jì)費(fèi)管理、漫游和安全方面的優(yōu)勢(shì)，又能以較低的成本實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)地區(qū)的覆蓋，提供較高的接入速度。

上述融合網(wǎng)絡(luò)在文獻(xiàn)[5]中被定義為移動(dòng)融合網(wǎng)絡(luò)，本文重點(diǎn)探討的就是移動(dòng)融合網(wǎng)絡(luò)中的分流問(wèn)題[12-18]，即固定網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)共存時(shí)，采用何種決策將數(shù)據(jù)流分流進(jìn)不同網(wǎng)絡(luò)以獲得更好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。在本文中提出了一種基于信道質(zhì)量的分流算法，在此算法中首先檢測(cè)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)在上一時(shí)段的信道質(zhì)量，然后據(jù)此計(jì)算當(dāng)前時(shí)段的分流比例，其中信道質(zhì)量越好分流比例就越高。同時(shí)為了驗(yàn)證該算法的性能，我們也對(duì)其進(jìn)行了仿真，并將其與不分流的2種情況，即數(shù)據(jù)全走LTE網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)全走WiFi網(wǎng)絡(luò)的情況進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比結(jié)果顯示基于信道利用質(zhì)量的分流算法具有更好的性能。

1移動(dòng)融合網(wǎng)絡(luò)

圖1所示為移動(dòng)融合網(wǎng)絡(luò)上行鏈路的示意圖[5]。其中智能終端可以是智能手機(jī)、平板電腦或者數(shù)據(jù)卡，它必須同時(shí)支持固定網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的接入，并且可以同時(shí)發(fā)起到不同網(wǎng)絡(luò)的連接。當(dāng)智能終端中有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，需要先由移動(dòng)融合網(wǎng)關(guān)(mobility integration gateway, MIG)客戶端進(jìn)行決策，根據(jù)分流算法決定分往各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的分流比例。數(shù)據(jù)流經(jīng)由不同的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，最后在骨干網(wǎng)中組合成完整的數(shù)據(jù)流。

圖1　移動(dòng)融合網(wǎng)絡(luò)上行數(shù)據(jù)鏈路

圖2所示為移動(dòng)融合網(wǎng)絡(luò)下行鏈路的示意圖[5]。當(dāng)骨干網(wǎng)中有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，需要先由MIG進(jìn)行決策，根據(jù)分流算法決定分往各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的分流比例。數(shù)據(jù)流經(jīng)由不同的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，最后在智能終端中組合成完整的數(shù)據(jù)流。

圖2　移動(dòng)融合網(wǎng)絡(luò)下行數(shù)據(jù)鏈路

本文主要研究移動(dòng)融合網(wǎng)絡(luò)中分流算法的問(wèn)題，重點(diǎn)討論包含LTE與WiFi的移動(dòng)融合網(wǎng)絡(luò)。

2基于信道質(zhì)量的分流算法

基于信道質(zhì)量的分流算法，主要是依據(jù)媒體接入控制層(media acess control layer, MAC)的信道質(zhì)量對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分流。在本文中對(duì)信道質(zhì)量P的衡量使用如式(1)所示：

(1)

式中，T為網(wǎng)絡(luò)的最大吞吐量；Pq為網(wǎng)絡(luò)的譜效率因子，即當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)調(diào)制編碼方式(modulation and coding scheme, MCS)的譜效率與最大MCS譜效率的比值；Pl為某段時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的信道利用率。

T、Pq均可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的配置參數(shù)計(jì)算得到；Pl也可以通過(guò)計(jì)算某段時(shí)間內(nèi)信道忙碌的比例而得到，例如：若在1個(gè)傳輸時(shí)間間隔(transmission time interval, TTI)內(nèi)信道忙碌的時(shí)間有600 us，那么這個(gè)TTI內(nèi)信道的利用率為600/1 000=0.6。

假設(shè)LTE網(wǎng)絡(luò)與WiFi網(wǎng)絡(luò)的信道質(zhì)量分別為

P_Lte=T_lte×Pq_lte×(1-Pl_lte)

(2)

P_wifi=T_wifi×Pq_wifi×(1-Pl_wifi)

(3)

式中，T_Lte、T_wifi分別代表LTE網(wǎng)絡(luò)和WiFi網(wǎng)絡(luò)的最大吞吐量；Pq_Lte、Pq_wifi分別代表LTE網(wǎng)絡(luò)和WiFi網(wǎng)絡(luò)的譜效率因子；Pl_lte、Pl_wifi分別代表LTE網(wǎng)絡(luò)和WiFi網(wǎng)絡(luò)的信道利用率。那么LTE網(wǎng)絡(luò)與WiFi網(wǎng)絡(luò)的分流比例分別為

(4)

(5)

如果有一個(gè)大小為Size的數(shù)據(jù)包需要傳輸，那么LTE網(wǎng)絡(luò)和WiFi網(wǎng)絡(luò)需要分別傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包大小分別為

Size_lte=Size×Ratio_lte

(6)

Size_wifi=Size×Ratio_wifi

(7)

圖3和圖4分別介紹了在上行鏈路和下行鏈路中基于信道質(zhì)量分流算法的分流過(guò)程：在上行鏈路中，當(dāng)智能終端中有數(shù)據(jù)需要傳輸時(shí)，首先由其內(nèi)的MIG客戶端進(jìn)行處理，使用基于信道質(zhì)量的分流算法決定分往LTE網(wǎng)絡(luò)和WiFi網(wǎng)絡(luò)的分流比例，然后數(shù)據(jù)分別經(jīng)由LTE網(wǎng)絡(luò)和WiFi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，最后在骨干網(wǎng)中組合成完整的數(shù)據(jù)流；在下行鏈路中，當(dāng)骨干網(wǎng)中有數(shù)據(jù)需要傳輸時(shí)，首先由MIG進(jìn)行處理，使用基于信道質(zhì)量的分流算法，決定分往LTE網(wǎng)絡(luò)和WiFi網(wǎng)絡(luò)的分流比例，然后數(shù)據(jù)分別經(jīng)由LTE網(wǎng)絡(luò)和WiFi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，最后在智能終端中組合成完整的數(shù)據(jù)流。

圖3　基于信道質(zhì)量分流算法的分流過(guò)程(上行)

圖4　基于信道質(zhì)量分流算法的分流過(guò)程(下行)

3仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于信道質(zhì)量分流算法的性能，我們對(duì)其進(jìn)行了仿真，并將其與不分流的2種情況，即數(shù)據(jù)全走LTE網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)全走WiFi網(wǎng)絡(luò)的情況進(jìn)行了對(duì)比。

3.1仿真配置

為了不失一般性，采用常用的文件傳輸(file transfer protocol, FTP)業(yè)務(wù)進(jìn)行仿真，并控制發(fā)送速率為0∶7.5∶90 Mbps，以觀察不同發(fā)送速率時(shí)吞吐量的變化情況。主要的仿真配置如表1所示。

表1　仿真實(shí)驗(yàn)中的主要配置

3.2仿真結(jié)果

3.2.1數(shù)據(jù)全走LTE網(wǎng)絡(luò)

數(shù)據(jù)全走LTE網(wǎng)絡(luò)時(shí)，系統(tǒng)的吞吐量和時(shí)延分別如圖5和圖6所示。

圖5　數(shù)據(jù)全走LTE網(wǎng)絡(luò)時(shí)的吞吐量

圖6　數(shù)據(jù)全走LTE網(wǎng)絡(luò)時(shí)的時(shí)延

從圖5中可以看出，數(shù)據(jù)全走LTE網(wǎng)絡(luò)時(shí)，吞吐量先隨發(fā)送速率的增加而增加，隨后穩(wěn)定在25 Mbps左右。

從圖6中可以看出，數(shù)據(jù)全走LTE網(wǎng)絡(luò)時(shí)，時(shí)延隨著發(fā)送速率的增加而增加，最大時(shí)延約為19 s。

3.2.2數(shù)據(jù)全走WiFi網(wǎng)絡(luò)

數(shù)據(jù)全走WiFi網(wǎng)絡(luò)時(shí)，系統(tǒng)的吞吐量和時(shí)延分別如圖7和圖8所示。

圖7　數(shù)據(jù)全走WiFi網(wǎng)絡(luò)時(shí)的吞吐量

圖8　數(shù)據(jù)全走WiFi網(wǎng)絡(luò)時(shí)的時(shí)延

從圖7中可以看出，數(shù)據(jù)全走WiFi網(wǎng)絡(luò)時(shí)，吞吐量先隨發(fā)送速率的增加而增加，隨后穩(wěn)定在25 Mbps左右。

從圖8中可以看出，數(shù)據(jù)全走WiFi網(wǎng)絡(luò)時(shí)，時(shí)延隨著發(fā)送速率的增加而增加，最大時(shí)延約為20 s。

3.2.3基于信道質(zhì)量進(jìn)行分流

基于信道質(zhì)量進(jìn)行分流時(shí)，系統(tǒng)的吞吐量和時(shí)延分別如圖9和圖10所示。

圖9　基于信道質(zhì)量分流時(shí)的吞吐量

圖10　基于信道質(zhì)量分流時(shí)的時(shí)延

從圖9中可以看出，基于信道質(zhì)量進(jìn)行分流時(shí)，吞吐量先隨發(fā)送速率的增加而增加，隨后穩(wěn)定在45 Mbps左右。

從圖10中可以看出，基于信道質(zhì)量進(jìn)行分流時(shí)，時(shí)延隨著發(fā)送速率的增加而增加，最大時(shí)延約為14 s。

3.3仿真分析

當(dāng)數(shù)據(jù)全走LTE網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)全走WiFi網(wǎng)絡(luò)時(shí)，最大吞吐量約為25 Mbps；在基于信道質(zhì)量進(jìn)行分流時(shí)，最大吞吐量可達(dá)45 Mbps。

在數(shù)據(jù)全走LTE網(wǎng)絡(luò)時(shí)，最大時(shí)延約為19 s；當(dāng)數(shù)據(jù)全走WiFi網(wǎng)絡(luò)時(shí)，最大時(shí)延約為20 s；在基于信道質(zhì)量進(jìn)行分流時(shí)，最大時(shí)延約為14 s。

因此可以得出結(jié)論：基于信道質(zhì)量的分流算法可以顯著提高系統(tǒng)吞吐量、減小時(shí)延。

4小結(jié)

在本文中首先介紹了移動(dòng)融合網(wǎng)絡(luò)的概念，然后提出了基于信道質(zhì)量的分流算法，并對(duì)其分流過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)介紹，同時(shí)也開(kāi)展了仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)所提出的基于信道質(zhì)量的分流算法進(jìn)行了驗(yàn)證。

通過(guò)與不分流的2種情況，即數(shù)據(jù)全走LTE網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)全走WiFi網(wǎng)絡(luò)的情況進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)基于信道質(zhì)量的分流算法可以顯著提高系統(tǒng)吞吐量、減小時(shí)延。因此驗(yàn)證了該算法的有效性，為解決移動(dòng)融合網(wǎng)絡(luò)中的分流問(wèn)題提供了一種新的思路。

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寇金鋒(1989-)，女，博士研究生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信技術(shù)。

E-mail：xiaokouzi922@126.com

苗金華(1986-)，女，工程師，碩士，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信。

E-mail：miaojinhua1@163.com

肖揚(yáng)(1955-)，男，博士研究生導(dǎo)師，博士，主要研究方向?yàn)橥ㄐ判盘?hào)處理、多維信號(hào)處理。

E-mail：yxiao@bjtu.edu.cn

王瑜(1977-)，男，工程師，博士，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信。

E-mail：nick.wangyu@huawei.com

王東(1981-)，男，講師，博士后，主要研究方向?yàn)楦咝阅軘?shù)字信號(hào)系統(tǒng)、集成電路。

E-mail：wangdong@bjtu.edu.cn

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20141121.0956.011.html

Offloading algorithm based on channel quality in

mobile integration network

KOU Jin-feng1, MIAO Jin-hua2, XIAO Yang1, WANG Yu2, WANG Dong1

(1.InstituteofInformationScience,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China；

2.HuaweiTechnologiesCompanyLimited,Beijing100095,China)

Abstract:With the fast development of modern society, various intelligent terminals have already been a part of daily life. How to support them with an excellent network service is a serious problem which needs to be solved quickly. In all solutions, mobile integration network, which integrates fixed network and mobile network, and make full use of both of them, is a hot area of current research. A mobile integration network is introduced firstly, and then an offloading algorithm based on channel quality is proposed to solve its offloading problem. Finally, a simulation experiment is performed, and the proposed offloading algorithm and two other situations that traffics transmit only through long term evolution (LTE) network and only through wireless fidelity (WiFi) network are simulated respectively. By comparing their results, we find that the proposed offloading algorithm has higher throughput and less delay, which verifies its efficiency.

Keywords:mobile integration network; fixed network; mobile network; offloading; channel quality

作者簡(jiǎn)介：

中圖分類(lèi)號(hào)：TN 929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2015.05.33

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(61106022)；北京交通大學(xué)-華為技術(shù)有限公司合作項(xiàng)目(YB2012100216)資助課題

收稿日期：2014-05-09；修回日期：2014-10-27；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期：2014-11-21。