一種LTE與WLAN間垂直切換新算法

王瑞山,郭鳴霄,郝　斌

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,甘肅 蘭州　730070)

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一種LTE與WLAN間垂直切換新算法

王瑞山,郭鳴霄,郝斌

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,甘肅 蘭州730070)

摘要為提高用戶在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)質(zhì)量(QoS),減少切換產(chǎn)生的乒乓效應(yīng),文中提出了一種LTE和WLAN網(wǎng)絡(luò)垂直切換新算法。該算法考慮了衰落對接收信號強(qiáng)度(RSS)的影響,基于RSS選出目標(biāo)網(wǎng)絡(luò),根據(jù)用戶移動(dòng)速度并結(jié)合代價(jià)函數(shù)選出最佳網(wǎng)絡(luò),代價(jià)函數(shù)中采用了層次分析法來確定時(shí)延、資費(fèi)和用戶偏好等參數(shù)的權(quán)重。仿真結(jié)果表明,文中所提的垂直切換算法有效降低了“乒乓效應(yīng)”,并提高了通信網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞LTE;WLAN;垂直切換

隨著無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)在接入技術(shù)、覆蓋范圍、接入速率、系統(tǒng)容量、移動(dòng)性以及業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量要求等方面各有優(yōu)勢,難以相互替代。因此,未來無線移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究將重點(diǎn)集中于異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的共存和融合。隨著能提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)4G網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn),實(shí)現(xiàn)全球異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)無縫漫游成為可能。而在當(dāng)前人們對WLAN網(wǎng)絡(luò)的依賴性日益增加,因此LTE和WLAN的融合必將是值得研究的。

切換就是當(dāng)前業(yè)務(wù)類型從一個(gè)基站或信道切換到另一個(gè)基站或信道的過程[1]。切換又分為水平切換和垂直切換兩類。其中水平切換是發(fā)生在同種接入技術(shù)網(wǎng)絡(luò)間的切換,現(xiàn)階段的研究已相當(dāng)成熟。而垂直切換是發(fā)生在不同接入技術(shù)網(wǎng)絡(luò)間的切換,異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的垂直切換主要包括切換的觸發(fā)和切換的執(zhí)行兩個(gè)階段。這種切換涉及到的參數(shù)較多且較為復(fù)雜,因此本文將重點(diǎn)研究垂直切換。

本文給出了一種LTE和WLAN網(wǎng)絡(luò)垂直切換新算法?？紤]到無線網(wǎng)絡(luò)中衰落的影響,通過RSS對網(wǎng)絡(luò)選擇作預(yù)判決,繼而,該算法又采用了綜合帶寬B,時(shí)延T,資費(fèi)C和用戶偏好S的代價(jià)函數(shù)選出最優(yōu)網(wǎng)絡(luò),這4個(gè)參數(shù)的權(quán)重由層次分析法獲得。同時(shí),該算法還考慮速度v這個(gè)條件以減少不必要的切換。仿真結(jié)果表明,該算法有效降低了乒乓效應(yīng)。

1垂直切換算法

1.1RSS選擇機(jī)制

當(dāng)用戶在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)動(dòng)時(shí),會對其所處環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢測,從而選出合適的接入網(wǎng)絡(luò)。在檢測過程中一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)接受信號強(qiáng)度(RSS)對網(wǎng)絡(luò)的選擇最為重要[2],直接關(guān)系到了網(wǎng)絡(luò)的有效性。而對RSS影響最大的問題就是衰落,包括快衰落和慢衰落[3]。

慢衰落是由于移動(dòng)臺不斷變化,信號傳播路徑地形不斷變化,導(dǎo)致信號傳輸變慢。主要影響因素有:終端與基站的距離D,網(wǎng)絡(luò)信號頻率F,環(huán)境變化產(chǎn)生的損耗L和天線噪聲產(chǎn)生的衰落N。這里不考慮陰影效應(yīng),則慢衰落值PS計(jì)算式為

PS=32.44+20log10D+20log10F+L-N

(1)

快衰落是由于多普勒效應(yīng)導(dǎo)致散射體引起信號的多徑傳輸,使到達(dá)的信號相互疊加。本文中根據(jù)經(jīng)典瑞利信道模型-Jakes計(jì)算快衰落。R(t,k)是經(jīng)時(shí)間t后第k個(gè)波形的瑞利分布,表達(dá)式為

(2)

式(2)中,M是散射體個(gè)數(shù);Ak(n)是k的權(quán)重函數(shù);βn是信號衰落相位。因此快衰落值PF計(jì)算式為

(3)

(RSS)LTE=33-(PF+PS)

(4)

(RSS)WLAN=23-(PF+PS)

(5)

1.2切換決策

1.2.1代價(jià)函數(shù)

上述選擇機(jī)制在進(jìn)行預(yù)判決時(shí)只考慮了RSS一個(gè)條件,為使用戶得到更好的服務(wù),垂直切換應(yīng)當(dāng)充分考慮帶寬B,時(shí)延T,資費(fèi)C和用戶偏好S等相關(guān)參數(shù),因此是一個(gè)多屬性決策問題,需要構(gòu)建代價(jià)函數(shù)。代價(jià)函數(shù)的建立是為了保證選出最佳切換網(wǎng)絡(luò)[4-5]。假設(shè)接入網(wǎng)絡(luò)為I,則接入最優(yōu)網(wǎng)為

(6)

(7)

1.2.2網(wǎng)絡(luò)參數(shù)權(quán)重

式(7)中wj是網(wǎng)絡(luò)i中的第j個(gè)參數(shù)的權(quán)重,表示pj對網(wǎng)絡(luò)或用戶的影響程度,可通過層次分析法(AHP)[6-8]求得。歸一化權(quán)重向量

Awj=λmaxwj

(8)

其中,λmax是決策矩陣A的最大特征值;wj是相應(yīng)的特征向量;wj歸一化后可作為各參數(shù)的權(quán)重。本文將業(yè)務(wù)分成高速率業(yè)務(wù)和低速率業(yè)務(wù),按照AHP中一致性檢驗(yàn)進(jìn)行判斷

(9)

其中,CI表示一致性指標(biāo);CR為一致性比率;n為參數(shù)個(gè)數(shù);RI為相應(yīng)n的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。當(dāng)CI<0.1時(shí),就認(rèn)為判決滿足要求,反之則需要修正。

1.2.3切換限定

除上述所提參量外,在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)選擇時(shí),為減少不必要的切換,移動(dòng)終端的速度不容忽視。可通過全球定位系統(tǒng)(GPS)計(jì)算出終端的移動(dòng)速度v和位置[9]。具體計(jì)算如下

(10)

v=R/t

(11)

其中,R是位移,(x1,y1)和(x2,y2)表示終端變化前后的位置;t是時(shí)間間隔。因此根據(jù)速度對切換做如下限定

(12)

式(12)中,Pj是切換概率;vj是用戶j的速度;vth是速度門限;k是斜率。當(dāng)用戶在高速運(yùn)動(dòng)時(shí),即速度超過門限值則不發(fā)生切換。反之,切換次數(shù)依據(jù)速度而定。

2切換流程設(shè)計(jì)

經(jīng)過以上算法分析,給出兩種網(wǎng)絡(luò)的切換流程圖。此處,假設(shè)LTE的接入點(diǎn)為BS,WLAN的接入點(diǎn)為AP。如下圖所示,切換一般發(fā)生在用戶接入到BS或AP時(shí)。

圖1　當(dāng)接入WLAN時(shí)

圖2　當(dāng)接入LTE時(shí)

當(dāng)用戶接入WLAN,若當(dāng)前RSS低于其門限值θWLAN就可能發(fā)生切換。當(dāng)用戶接入LTE時(shí),若檢查到AP點(diǎn)的RSS比LTE門限值θLTE高就可能發(fā)生切換。當(dāng)上述條件均滿足時(shí),檢測當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)是否有用戶接入,目的就是為了確保用戶的QoS,連接網(wǎng)絡(luò)的用戶要比沒有連接的用戶具有更高的優(yōu)先級。為實(shí)現(xiàn)切換,增加了一個(gè)持續(xù)時(shí)間T。當(dāng)切換發(fā)生在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)有用戶接入時(shí),T時(shí)間后,判斷RSS<θWLAN或θLTE;當(dāng)切換發(fā)生在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)沒有用戶接入時(shí),切換立即發(fā)生,為用戶釋放網(wǎng)絡(luò)資源。為減少不必要的切換,一些切換參數(shù)需要考慮,像移動(dòng)終端的速度、帶寬、時(shí)延、資費(fèi)和用戶偏好等,具體切換流程如圖1和圖2所示。

3仿真結(jié)果及分析

根據(jù)LTE和WLAN相關(guān)協(xié)議規(guī)定,假定LTE網(wǎng)絡(luò)的覆蓋半徑為1 500m,發(fā)射功率為33dBm,載波頻率2 000MHz;WLAN的覆蓋半徑為300m,AP的發(fā)射功率為23dBm,載波頻率是2 400MHz。信號采樣間隔為0.4s,最小距離35m。仿真時(shí),同一個(gè)LTE網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍中存在3個(gè)WLAN網(wǎng)絡(luò),其他參數(shù)如表1所示。

表1　LTE和WLAN主要仿真參數(shù)

圖3　LTE和WLAN的接受信號強(qiáng)度

圖4　LTE和WLAN的切換變化

從圖3和圖4易看出,LTE和WLAN共完成了6次切換,其中在T=87s和T=90s時(shí),完成了2次切換。這兩種網(wǎng)絡(luò)在這一時(shí)間段的接收信號強(qiáng)度(RSS)接近,易產(chǎn)生乒乓效應(yīng)。與傳統(tǒng)只考慮RSS單一變量的相比,文中提出的算法考慮到衰落的影響。并從用戶的角度出發(fā),利用代價(jià)函數(shù)計(jì)算其他參量的比重。所提算法明顯降低了切換次數(shù),驗(yàn)證了本方案在減少“乒乓效應(yīng)”中發(fā)揮的作用,進(jìn)而提高了QoS,增加用戶滿意度。

4結(jié)束語

文中針對LTE與WLAN的融合建立混合組網(wǎng)模型,充分考慮用戶在移動(dòng)過程中的快衰落與慢衰落效應(yīng)。仿真結(jié)果選取用戶在移動(dòng)過程中的切換次數(shù)作為評價(jià)參數(shù),進(jìn)一步論證了所提出的算法在降低“乒乓效應(yīng)”的作用,使用戶對業(yè)務(wù)的體驗(yàn)達(dá)到滿意。

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A New Algorithm for Vertical Handoff Between LTE and WLAN

WANG Ruishan,GUO Mingxiao,HAO Bin

(School of Electronic and Information Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

AbstractIn order to improve the quality of service in heterogeneous networks and reduce the ping-pong effect caused by handover,this paper presents a new algorithm for vertical handoff in LTE and WLAN networks.The algorithm takes into account the fading impact on the received signal strength,selects the target network based on RSS,and then selects the best network according to the user’s mobile speed and the cost function.In the cost function,the analytic hierarchy process is used to determine the weight of the delay and the parameters of the price and the user’s preference.The simulation results show that the vertical handoff algorithm proposed in this paper can effectively reduce the “ping-pong effect” and improve the service quality of the communication network.

KeywordsLTE;WLAN;vertical handoff

中圖分類號TN92

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1007-7820(2016)04-053-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.014

作者簡介:王瑞山(1989—),男,碩士研究生。研究方向:無線通信網(wǎng)。

收稿日期:2015- 08- 31