5G無線接入網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)切換技術(shù)研究

周劍

[摘? ? 要] 5G時代悄然而至，在這一時代背景中，多種通信技術(shù)巧妙融合，以此滿足用戶個性化服務(wù)需求，并豐富用戶服務(wù)體驗。其中，異構(gòu)切換技術(shù)作為5G無線接入網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的產(chǎn)物，該技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化、定制化服務(wù)需求迎合等方面起到重要作用。本文在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)簡介的基礎(chǔ)上，全面分析異構(gòu)切換技術(shù)方案，最后針對這一技術(shù)重點探究，以期為技術(shù)研究者和5G網(wǎng)絡(luò)實踐者提供借鑒，從而擴大異構(gòu)切換技術(shù)推廣范圍。

[關(guān)鍵詞] 5G;無線網(wǎng)絡(luò);異構(gòu)切換技術(shù);寬帶分配

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 17. 074

[中圖分類號]? TP393? ? [文獻標識碼]? A? ? ? [文章編號]? 1673 - 0194（2019）17- 0192- 02

0? ? ? 前? ? 言

現(xiàn)今，移動用戶的用網(wǎng)需求日益增多，尤其在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換方面，用戶提出了定制化業(yè)務(wù)體驗的差異化需求。隨著5G無線接入網(wǎng)絡(luò)發(fā)展步伐的加快，異構(gòu)切換技術(shù)應運而生，基于此，本文針對該論題深入探究，以期為5G時代發(fā)展提供可靠的技術(shù)支持，進而深化無線接入網(wǎng)絡(luò)改革。由此可見，該論題具有探究的必要性，論題分析的現(xiàn)實意義較顯著。

1? ? ? 異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)基本介紹

近年來，無線通信技術(shù)在人們?nèi)粘Ｉ钪械淖饔萌諠u突顯，無線通信以迎合用戶需求為發(fā)展目的。5G通信時代到來后，多種無線技術(shù)呈融合發(fā)展趨勢，當然，異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)能夠更好地滿足新時期移動終端業(yè)務(wù)拓展需要。下文具體從融合方式、垂直切換、算法選擇這三方面予以探究，以期彰顯無線接入網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢。

1.1? ?融合方式

異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)應用的過程中，WLAN與移動蜂窩網(wǎng)巧妙融合，這既能提高數(shù)據(jù)傳輸效率，又能合理配置頻譜資源。二者融合的過程中，應制定可行的、合理的融合計劃，即細分待傳輸數(shù)據(jù)類型，繼而實現(xiàn)吞吐量提升的目的。在此期間，LTE-WLAN聚合方案的實用性較強，故而，這一方案在考慮的范圍內(nèi)[1]。

1.2? ?垂直切換

多融合網(wǎng)絡(luò)視域下，用戶考慮實際需求，優(yōu)選適合的接入網(wǎng)絡(luò)，以此豐富用網(wǎng)體驗，提升網(wǎng)絡(luò)性能。實際上，網(wǎng)絡(luò)切換細分兩種方式，方式一即垂直切換，分為發(fā)現(xiàn)階段、決策階段、執(zhí)行階段;方式二即水平切換，這種切換方式的限制性條件較多，故而，本文主要針對垂直切換方式著重探究。

1.3? ?算法選擇

異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)接入的過程中，應優(yōu)選算法，從而獲得科學的、實用的切換判決結(jié)果。正常來說，多屬性算法、效用函數(shù)算法、博弈論算法、人工智能算法、馬爾科夫鏈算法最為常用，從長遠角度考慮，后者具有異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)信息動態(tài)切換等優(yōu)點。

2? ? ? 異構(gòu)切換技術(shù)方案設(shè)計分析

5G無線接入網(wǎng)絡(luò)應用的過程中，為擴大該網(wǎng)絡(luò)的行業(yè)應用范圍，并滿足多樣化服務(wù)需求，靈活應用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)——SDN/NFV是極為必要的。設(shè)計異構(gòu)切換技術(shù)方案的過程中，應借助分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)分離任務(wù)，同時，細化方案設(shè)計流程，并通過方案測試驗證方案可行性。

2.1? ?分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)

它由三部分組成，第一部分即應用層，用戶借助應用程序進行網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度，繼而發(fā)揮應用功能優(yōu)勢;第二部分即控制層，用戶為實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應用需求，借助本地控制器和中心控制器來實現(xiàn)設(shè)備集中管控目的;第三部分即基礎(chǔ)設(shè)施層，它連接本地控制器，在調(diào)度決策接收、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等方面發(fā)揮重要作用。5G無線網(wǎng)絡(luò)時代背景下，分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)控制、分離數(shù)據(jù)的過程中，體現(xiàn)集中控制、靈活定制等特點。其中，集中控制即有效調(diào)度全網(wǎng)資源，以此提高資源利用率，并減輕控制器流量運行壓力，借此提升網(wǎng)絡(luò)拓展性能，并為網(wǎng)絡(luò)維護操作提供便利。靈活定制即以差異化業(yè)務(wù)需求為出發(fā)點，借助NFV技術(shù)構(gòu)建定制化網(wǎng)絡(luò)切片，以此實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源公開管理目的。

2.2? ?設(shè)計及流程

RAN方案設(shè)計期間，圍繞中心控制器、RAN切片這兩部分完成設(shè)計任務(wù)。其中，中心控制器由移動管理、RAN切片管理、資源管理、拓撲管理、網(wǎng)絡(luò)信息管理等模塊組成，它既能輔助切換策略制定，又能滿足信息交互需要，同時，能為移動用戶管理奠定良好基礎(chǔ)。各管理模塊協(xié)作配合，為實現(xiàn)分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)功能彰顯這一目標而共同努力，這對異構(gòu)切換技術(shù)高效運用、5G無線接入網(wǎng)絡(luò)大范圍普及有促進作用。RAN切片設(shè)計期間，分別掌握LTERAN和WLANRAN切片設(shè)計技巧，運用控制與數(shù)據(jù)分離理念完成無線接入網(wǎng)引入任務(wù)，基于現(xiàn)有低頻資源，針對基站合理化部署，以此提高數(shù)據(jù)傳輸效率，并迎合用戶監(jiān)控、虛擬資源靈活調(diào)度等多樣化需要。最終實現(xiàn)低成本、用戶體驗豐富這一目的。

RAN方案實踐流程主要為：觀察中心控制器待處理信息需求，據(jù)此制定決策目標和資源配置方案→查詢RAN切片，根據(jù)查詢結(jié)果執(zhí)行相應操作→傳遞RAN切片創(chuàng)建請求指令→配置相關(guān)參數(shù)，有計劃的調(diào)度數(shù)據(jù)信息資源，并反饋信息指令于中心控制器→更新數(shù)據(jù)信息→傳遞切換請求→連接請求與客戶端，并反饋數(shù)據(jù)信息→提供數(shù)據(jù)服務(wù)[2]。

2.3? ?方案測試

為驗證上述RAN切片方案設(shè)計效果，通過平臺搭建、方案測試等方式予以驗證。平臺搭建的過程中，逐步完成中心控制器、LTERAN切片、WLANRAN切片的可行性校驗。具體來說，首先構(gòu)建分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)原型平臺;然后測試已有設(shè)計方案的可行性，在這一過程中，合理配置參數(shù)，并對比分析設(shè)計方案的實踐體驗，針對視頻卡頓頻次、視頻畫面清晰度、RAN切片切換靈活度等內(nèi)容具體記錄;最后分析測試結(jié)果，客觀總結(jié)異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)平臺實踐特點。

3? ? ? 基于5G無線接入網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)切換技術(shù)探究

3.1? ?模型構(gòu)建

基于分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建系統(tǒng)模型，促使用戶在多網(wǎng)絡(luò)覆蓋環(huán)境下選擇迎合用戶需求的網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)模型構(gòu)建期間，既要提升系統(tǒng)性能，又要合理配置信息資源，以此豐富用戶體驗。其中，本文構(gòu)建的系統(tǒng)模型支持多網(wǎng)絡(luò)介入，用戶在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中能夠自由移動、順利切換，當然，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息不會因此受到影響。

3.2? ?網(wǎng)絡(luò)優(yōu)選

網(wǎng)絡(luò)選擇的過程中，遵循初步篩選、屬性權(quán)重計算、構(gòu)建候選網(wǎng)絡(luò)集合、確定用戶網(wǎng)絡(luò)這一程序。具體來說，運用下面的一次篩選函數(shù)完成網(wǎng)絡(luò)集合篩選任務(wù)，針對網(wǎng)絡(luò)接入的無效條件及時濾除。與此同時，參照相關(guān)需求進行參數(shù)調(diào)整，借此提高異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)使用效率。

Un，n=u（RSSn，m-RSSTH，m）×u（VTH，n-Vm），？坌n∈N，？坌m∈M

由于用戶用網(wǎng)需求存在差異性，故而，應通過二次篩選對參數(shù)歸一化處理，同時，一一對應網(wǎng)絡(luò)與屬性間的關(guān)系。在這一過程中，借助層次分析法構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)，并構(gòu)建判決矩陣，準確確定權(quán)重，最后通過一致性檢驗來驗證其合理性。二次篩選后，用戶自動選擇原網(wǎng)絡(luò)接入或當前網(wǎng)絡(luò)接入，以便更好的迎合用戶用網(wǎng)需求。

3.3? ?帶寬分配

用戶選擇網(wǎng)絡(luò)的過程中，首選考慮在性能較優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)，一旦多用戶同時選擇同一網(wǎng)絡(luò)，必然會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負載加重、業(yè)務(wù)阻塞現(xiàn)象，最終影響網(wǎng)絡(luò)整體運行效果。基于此，務(wù)必合理化配置帶寬，確保各類型業(yè)務(wù)帶寬使用需要被及時滿足，殊不知，這一過程即網(wǎng)絡(luò)高效切換的過程。實踐帶寬分配活動的過程中，技術(shù)人員構(gòu)建異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景，通過用戶數(shù)閾值NUM接入、條件約束等方式來控制用戶接入行為，自此提高異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換效率。切換效率計算公式為：系統(tǒng)吞吐量/切換次數(shù)，由公式可知，切換效率與系統(tǒng)吞吐量成正比，隨著系統(tǒng)吞吐量的增加，切換效率相應提高。

3.4? ?算法設(shè)計

針對上述混合約束優(yōu)化問題處理時，為在短時間內(nèi)求得最優(yōu)解，通過細化子優(yōu)化問題來降低求解難度。同時，分步優(yōu)化法和循環(huán)迭代法均有較高的實用性。算法設(shè)計期間，事前確定約束條件，即設(shè)定網(wǎng)絡(luò)篩選過程、確定網(wǎng)絡(luò)接入關(guān)系。接下來優(yōu)選網(wǎng)絡(luò)篩選方案，以此縮短算法實踐時間。迭代算法設(shè)計期間，應遵循合理的設(shè)計思路，以便為算法設(shè)計實踐提供可靠指導，最終取得算法實現(xiàn)的良好效果[3]。

一方面，帶寬分配。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)接入方案和用網(wǎng)需求，逐步完成帶寬配置任務(wù)，繼而實現(xiàn)規(guī)劃問題的順利轉(zhuǎn)換，并在短時間內(nèi)求得最優(yōu)解。在此期間，運用凸規(guī)劃理論予以證明函數(shù)凹凸性，將推斷結(jié)果與約束條件相對照，直到選出最優(yōu)解。因為帶寬動態(tài)變化，所以求解的過程中，應借助拉格朗日乘子法探究連續(xù)變量約束問題解答方法，最終獲得最優(yōu)帶寬分配方案。另一方面，用戶網(wǎng)接入選擇。在帶寬分配的基礎(chǔ)上，適當調(diào)整接入網(wǎng)，換言之，借助最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)矩陣來處理子問題。以往常用窮舉法進行求解，隨著計算量的增多，窮舉法的適用性相對弱化?，F(xiàn)今，分支定界法能夠彌補窮舉法的不足，它既能簡化計算流程，又能降低計算難度，最終順利求得最優(yōu)解。此外，優(yōu)選適合的分支策略，一般來說，隨機分支策略具有操作便捷、算法效率低下這一特點;最大系數(shù)分支策略具有計算量少、算法效率明顯提高等特點;偽貢獻分支具有高效率、最優(yōu)解等特點。對比而言，偽貢獻分支策略最為實用，該策略在用戶網(wǎng)接入選擇的范圍內(nèi)。

3.5? ?仿真分析

首先，模擬異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)仿真場景。網(wǎng)絡(luò)類型細分LTE和WLAN兩種，并且網(wǎng)絡(luò)間互不干擾，網(wǎng)絡(luò)集合構(gòu)建的過程中，基于網(wǎng)絡(luò)初次篩選完成多屬性判決。仿真參數(shù)主要為：LTE、WLAN1、WLAN2的覆蓋半徑分別為1 500 m、150 m、150 m;發(fā)射功率分別為20 W、0.1 W、0.1 W;可用寬帶分別為20MHz、15MHz、15MHz;最大可接入用戶數(shù)分別為200、25、30;誤碼率分別為0.08、0.06、0.07;價格分別為0.5、0.25、0.3。

隨著用戶數(shù)的增加和減少，算法收斂性較良好。究其原因，網(wǎng)絡(luò)預篩選環(huán)節(jié)有效引入，這在一定程度上節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)方案優(yōu)選時間，進而能夠大大提高算法收斂效率。仿真分析結(jié)果顯示：迭代算法在系統(tǒng)性能提升、網(wǎng)絡(luò)有效切換等方面具有一定優(yōu)勢，進而系統(tǒng)成本會大幅度降低。對比于其他算法，迭代算法實用性較強，因此，5G無線接入網(wǎng)絡(luò)能在這一算法的輔助下取得良好的優(yōu)化效果。簡言之，5G時代背景下，要想提高數(shù)據(jù)傳輸效率，滿足用戶網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息獲取的差異性需要，靈活運用異構(gòu)切換技術(shù)是極為必要的[4]。

4? ? ? 總? ? 結(jié)

綜上所述，5G通信技術(shù)發(fā)展的過程中，基于融合方式、垂直切換、算法選擇來掌握異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)，同時，深入分析異構(gòu)切換技術(shù)方案設(shè)計及流程，并對其進行有效性驗證。異構(gòu)切換技術(shù)探究期間，結(jié)合5G無線接入網(wǎng)絡(luò)使用需要，通過模型構(gòu)建、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)選、帶寬分配、算法設(shè)計、仿真分析來掌握該技術(shù)實踐特點，以便為5G無線接入網(wǎng)絡(luò)有效應用提供技術(shù)支持，最終提高數(shù)據(jù)信息傳輸效率，從整體上優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量，并為用戶帶來良好的通信體驗。

主要參考文獻

[1]孟宓.5G通信技術(shù)在異構(gòu)車載網(wǎng)絡(luò)中的應用研究[J].數(shù)字通信世界，2019（4）：169.

[2]曹素珍，郎曉麗，劉祥震，等.5G網(wǎng)絡(luò)下新的異構(gòu)簽密方案[J].信息網(wǎng)絡(luò)安全，2018（11）：33-39.

[3]譚曉衡，謝朝臣，郭坦.基于區(qū)域感知貝葉斯決策的5G超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合垂直切換技術(shù)研究[J].電子學報，2018，46（3）：582-588.

[4]鄧安達，王韜，周雙波，等.4G+及5G網(wǎng)絡(luò)中雙連接技術(shù)的應用[J].電信科學，2018，34（z1）：24-29.