LTE與Wi—Fi融合架構(gòu)設(shè)計(jì)及分流策略算法研究

梁冀

摘要：為使Wi-Fi技術(shù)更好地融入傳統(tǒng)的移動(dòng)蜂窩LTE網(wǎng)絡(luò)，以便有效降低移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的傳輸數(shù)據(jù)壓力，提升無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率，設(shè)計(jì)了LTE與Wi-Fi之間融合架構(gòu)，綜合評(píng)估接收信號(hào)強(qiáng)度、信噪比、基站剩余緩存、數(shù)據(jù)服務(wù)業(yè)務(wù)類型，建立四維評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分流判決。仿真得到，LTE與Wi-Fi融合架構(gòu)結(jié)合分流策略算法，系統(tǒng)平均性能優(yōu)于非融合系統(tǒng)，可以有效提升系統(tǒng)傳輸效率。

關(guān)鍵詞：異構(gòu)網(wǎng)；融合系統(tǒng) ；長(zhǎng)期演進(jìn)； 無線保真技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）04-0028-02

隨著移動(dòng)無線智能終端的日益普及，如何提升無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率將是未來無線網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)。下一代網(wǎng)絡(luò)需具備更靈活的組網(wǎng)架構(gòu)，不同網(wǎng)絡(luò)制式之間相互融合，具備聯(lián)合靈活調(diào)度分配機(jī)制。LTE（Long Term Evolution）已成為移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)主流標(biāo)準(zhǔn)制式，是各大運(yùn)營(yíng)商重點(diǎn)部署的網(wǎng)絡(luò)制式[1]。LTE無線網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋廣、移動(dòng)性高、傳輸速率性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。而Wi-Fi（Wireless Fidelity）網(wǎng)絡(luò)具備熱點(diǎn)覆蓋、高傳輸速率等優(yōu)點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于家庭無線網(wǎng)絡(luò)。因此，將Wi-Fi技術(shù)融入于傳統(tǒng)移動(dòng)蜂窩LTE網(wǎng)絡(luò)中，可以有效降低移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的傳輸數(shù)據(jù)壓力，有效提升無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率，解決日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流量需求[2]。論文主要研究設(shè)計(jì)LTE與Wi-Fi之間的融合架構(gòu)，并在融合架構(gòu)下，建立分流策略模型，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)流量業(yè)務(wù)仿真測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)論得到，將LTE與Wi-Fi融合架構(gòu)，可以提升無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳輸速率，緩解移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)壓力。

1 研究背景

現(xiàn)有異構(gòu)網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，LTE網(wǎng)絡(luò)與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)相互獨(dú)立，其主要缺點(diǎn)為：（1）LTE與Wi-Fi之間數(shù)據(jù)無法做到聯(lián)合調(diào)度，系統(tǒng)無法判斷各網(wǎng)元運(yùn)行狀態(tài)，整體網(wǎng)絡(luò)傳輸性能無法達(dá)到最優(yōu)；（2）LTE與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)計(jì)費(fèi)獨(dú)立，運(yùn)營(yíng)商不能對(duì)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一計(jì)費(fèi)管理[3]。因此LTE與Wi-Fi異構(gòu)網(wǎng)系統(tǒng)融合可以有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)分流，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源聯(lián)合調(diào)度，提升系統(tǒng)整體容量性能。3GPP提出了接入網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)和選擇功能ANDSF（Access Network Discovery and Selection Function），該網(wǎng)元的主要作用為進(jìn)行移動(dòng)蜂窩網(wǎng)與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)路由算法判決，向用戶發(fā)送分流策略。ANDSF分流架構(gòu)中，ANDSF定義了UE與ANDSF之間的S14接口。通過S14接口ANDSF可以獲取終端上報(bào)的信息參數(shù)比如位置、UE接收電平等。然而ANDSF具體的分流策略還沒有明確，還處于研究狀態(tài)。運(yùn)營(yíng)商可以根據(jù)自己的業(yè)務(wù)需求自定義網(wǎng)絡(luò)選擇信息與策略。

2 LTE與Wi-Fi異構(gòu)網(wǎng)融合架構(gòu)設(shè)計(jì)

ANDSF分流架構(gòu)的分點(diǎn)為PGW網(wǎng)元，ANDSF網(wǎng)元分流策略判決決定Internet鏈路還是Wi-Fi鏈路傳輸至UE。論文分流策略考慮數(shù)據(jù)同時(shí)在LTE與Wi-Fi兩鏈路進(jìn)行傳輸，因此在傳輸過程中，需對(duì)同一個(gè)用戶傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)進(jìn)行分割。IP數(shù)據(jù)包頭結(jié)構(gòu)，其包含了16bit數(shù)據(jù)包標(biāo)識(shí)。傳輸過程中對(duì)IP包16bit的數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)據(jù)進(jìn)行分割，分割為L(zhǎng)TE與Wi-Fi鏈路傳輸數(shù)據(jù)包標(biāo)示。在終端可以接收不同鏈路的數(shù)據(jù)包，根據(jù)IP包標(biāo)識(shí)進(jìn)行重排序，防止數(shù)據(jù)包亂序。

ANDSF分流架構(gòu)協(xié)議棧設(shè)計(jì)如圖2，PGW為數(shù)據(jù)分流錨點(diǎn)，根據(jù)ANDSF分流策略將數(shù)據(jù)分發(fā)至LTE與Wi-Fi鏈路。LTE鏈路數(shù)據(jù)經(jīng)過PGW、SGW、eNodeB后發(fā)送至終端UE，Wi-Fi鏈路數(shù)據(jù)經(jīng)過PGW、Wi-Fi AP后發(fā)送至終端UE。UE為接收數(shù)據(jù)匯聚錨點(diǎn)，同時(shí)收到LTE與Wi-Fi的數(shù)據(jù)，并對(duì)IP包數(shù)據(jù)進(jìn)行重排序后匯聚到APP層。

3 基于ANDSF分流策略設(shè)計(jì)

分流策略是ANDSF網(wǎng)元的主要功能，需合理地將數(shù)據(jù)流量分配至兩張網(wǎng)絡(luò)，判決哪些數(shù)據(jù)分流到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，哪些數(shù)據(jù)由LTE網(wǎng)絡(luò)承載。運(yùn)營(yíng)商可以根據(jù)自己的需求，進(jìn)行個(gè)性化的分流策略。論文分流策略綜合評(píng)估了RSRP、SNR、基站緩存、業(yè)務(wù)QoS四個(gè)維度建立評(píng)價(jià)函數(shù)。RSRP和SNR由終端UE測(cè)試獲取，由UE上報(bào)至ANDSF；LTE基站緩存與Wi-Fi AP緩存分別由eNodeB和Wi-Fi AP獲取并分別上報(bào)至ANDSF；數(shù)據(jù)包的業(yè)務(wù)服務(wù)等級(jí)QCI由PGW對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析后獲取，并將QCI信息下發(fā)至ANDSF。ANDSF綜合評(píng)估系統(tǒng)RSRP、SNR、基站緩存、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)QCI，進(jìn)行分流判決對(duì)IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行分割。LTE與Wi-Fi數(shù)據(jù)包分流比例，得到LTE網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)函數(shù)、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)函數(shù)實(shí)現(xiàn)公式為：

式中，為L(zhǎng)TE網(wǎng)絡(luò)各維度判決函數(shù)，為各維度判數(shù)權(quán)值，滿足；為Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)各維度判決函數(shù)，為各維度判決權(quán)值，并滿足。各評(píng)價(jià)函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下：

（1） 信號(hào)強(qiáng)度RSRP評(píng)價(jià)函數(shù)

信號(hào)強(qiáng)度RSRP由UE測(cè)量得到，體現(xiàn)UE接收信號(hào)強(qiáng)弱。和分別設(shè)置為終端UE測(cè)量LTE與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度評(píng)價(jià)函數(shù)，計(jì)算公式為：

式中為UE測(cè)量得到LTE網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度RSRP值，取值為-65dBm，取值為-120dBm；計(jì)算公式為：

式中為UE測(cè)量得到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度RSRP值，取值為-65dBm，取值為-120dBm。

（2） 信噪比SNR評(píng)價(jià)函數(shù)

信噪比SNR由UE測(cè)量得到，直接決定了系統(tǒng)的傳輸速率。和分別設(shè)置為終端UE測(cè)量LTE與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)信噪比評(píng)價(jià)函數(shù)，計(jì)算公式為：

式中為UE測(cè)量得到LTE網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度SNR值，取值為30dB，取值為-5dB；計(jì)算公式為：

式中為UE測(cè)量得到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度SNR值，取值為30dB，取值為-5dB。

（3） 基站剩余緩存評(píng)價(jià)函數(shù)

基站剩余緩存BSR由基站獲取，決定了基站當(dāng)前可以傳輸數(shù)據(jù)量。剩余緩存越大，能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越大，反之越小。和分別設(shè)置為終端UE測(cè)量LTE與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)剩余緩存 評(píng)價(jià)函數(shù)，計(jì)算公式為：

式中與分別為L(zhǎng)TE與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)基站剩余緩存狀態(tài)，和分別為L(zhǎng)TE與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)空口最大可傳輸速率。

（4） 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)類型評(píng)價(jià)函數(shù)

服務(wù)質(zhì)量QoS（Quality of Service）主要通過帶寬、時(shí)延、速率、顫抖等多因素進(jìn)行衡量。LTE協(xié)議將業(yè)務(wù)分為9個(gè)等級(jí)QCI（QoS Class Identifier）。QCI1～QCI4為保證比特率業(yè)務(wù)，優(yōu)先級(jí)高，需優(yōu)先在LTE鏈路傳輸；QCI5～QCI9為非保證比特業(yè)務(wù)，優(yōu)先級(jí)相對(duì)低，可綜合評(píng)估在LTE還是Wi-Fi鏈路傳輸。和分別設(shè)置為終端UE測(cè)量LTE與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量函數(shù)，并且設(shè)置，LTE服務(wù)質(zhì)量計(jì)算公式為：

4 異構(gòu)網(wǎng)融合分流算法仿真

異構(gòu)網(wǎng)融合分流算法仿真流程可以設(shè)置為：ANDSF分別獲取UE、基站、PGW發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，包括：信號(hào)強(qiáng)度、信噪比、基站剩余緩存、QCI信息。ANDSF根據(jù)獲取信息，采用評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)LTE、Wi-Fi分別進(jìn)行計(jì)算，得到LTE與Wi-Fi分流評(píng)價(jià)值。ANDSF根據(jù)評(píng)價(jià)值計(jì)算出LTE與Wi-Fi的分流比例系數(shù)。ANDSF將分流比例上報(bào)至PGW，PGW根據(jù)分流比例對(duì)IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行分割，將IP包封裝后發(fā)送至LTE與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中。

利用Matlab軟件編程仿真測(cè)試，根據(jù)設(shè)置流程編程建模，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性及有效性。仿真中，設(shè)置LTE宏站站間距為500m，覆蓋半徑為250m，LTE基站分布呈蜂窩六邊形分布；在每個(gè)LTE基站覆蓋區(qū)域內(nèi)，隨機(jī)生成5個(gè)Wi-Fi基站，Wi-Fi基站間站距大于50m。對(duì)單用戶進(jìn)行仿真。仿真模型參數(shù)設(shè)置為：LTE基站發(fā)射功率為46dBm，Wi-Fi的發(fā)射功率為23dBm?；緜鬏斝盘?hào)經(jīng)過大尺度損耗、穿透損耗、小尺度損耗后到達(dá)UE，UE進(jìn)行RSRP與SNR估計(jì)。LTE與Wi-Fi各子代價(jià)函數(shù)的權(quán)值設(shè)置一致為：信號(hào)強(qiáng)度評(píng)價(jià)函數(shù)權(quán)值為0.2，信噪比評(píng)價(jià)函數(shù)權(quán)值為0.2，基站緩存評(píng)價(jià)函數(shù)權(quán)值設(shè)置為0.3，服務(wù)質(zhì)量QoS評(píng)價(jià)函數(shù)權(quán)值設(shè)置為0.3。LTE與Wi-Fi代價(jià)函數(shù)權(quán)值仿真如圖4。設(shè)置LTE最大傳輸速率為100Mbps，Wi-Fi最大傳輸速率為300Mbps。當(dāng)Wi-Fi與LTE分流比例為1：3，系統(tǒng)整體平均吞吐量達(dá)到最優(yōu)。實(shí)際仿真，綜合評(píng)估了RSRP、SNR、BSR、QCI，Wi-Fi與LTE會(huì)根據(jù)實(shí)際鏈路狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，調(diào)整分流系數(shù)；特別在QCI在大于5和小于5分流系統(tǒng)變化較大，以保證業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行Fullbuffer業(yè)務(wù)，分別用UDP與TCP業(yè)務(wù)進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)LTE與Wi-Fi系統(tǒng)相互獨(dú)立，不進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度分流LTE與 Wi-Fi，UDP平均傳輸速率為242Mbps，TCP平均傳輸速率為185.52Mbps；LTE與Wi-Fi融合組網(wǎng)，資源經(jīng)統(tǒng)一調(diào)度，可以充分評(píng)估異系統(tǒng)之間的評(píng)價(jià)優(yōu)劣，融合系統(tǒng)的UDP平均傳輸速率為260. Mbps，TCP平均傳輸速率為105.22Mbps，融合系統(tǒng)可以有效提升整體系統(tǒng)容量。

5 結(jié)束語

Wi-Fi已經(jīng)廣泛應(yīng)用于家庭無線網(wǎng)。由于其具備高速率、低建網(wǎng)成本，將Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)融合到傳統(tǒng)的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)LTE是無線網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。文中設(shè)計(jì)了一種LTE與Wi-Fi融合的架構(gòu)，并在融合架構(gòu)上，利用系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度、信噪比、基站緩存、業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量等，綜合評(píng)估異系統(tǒng)傳輸性能，制定出異系統(tǒng)間的分流策略。通過實(shí)驗(yàn)仿真可知，融合組網(wǎng)架構(gòu)結(jié)合分流策略，可以有效提升系統(tǒng)整體性能。

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