異構無線網(wǎng)絡資源管理與切換控制技術*

章廣梅，鄭友亮，童惠祺，肖汝迪

(1.中國電子科技集團公司第七研究所,廣州 510310；2.廣東省科技基礎條件平臺中心，廣州 510033；3.北京郵電大學 信息與通信工程學院，北京100876)

0 引 言

短波通信和超短波通信由于其抗毀性強、傳播距離遠等優(yōu)點，被廣泛用于軍事領域[1]。然而，短波與超短波通信也有不足之處：首先，短波與超短波通信數(shù)據(jù)傳輸速率低，這是由于短波與超短波通信中可用帶寬窄、頻譜效率低；同時，短波與超短波通信的時延較大，無法滿足目前新興的一些低時延業(yè)務。而移動寬帶網(wǎng)絡等寬帶移動通信網(wǎng)絡則擁有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率與較低的時延[2]，正好可以彌補短波通信與超短波通信的不足，因此有必要研究短波超短波通信網(wǎng)絡與移動寬帶網(wǎng)絡的融合。不僅如此，在軍事領域中，經(jīng)常會出現(xiàn)某種網(wǎng)絡被人為破壞的情況，此時需要用戶從一種網(wǎng)絡中迅速切換至另一種網(wǎng)絡。這更加說明研究短波、超短波通信網(wǎng)絡與移動寬帶網(wǎng)絡的異構網(wǎng)絡融合的重要性。

異構無線網(wǎng)絡融合首先要考慮的是網(wǎng)絡之間的垂直切換問題[3]。由于用戶的移動性以及業(yè)務的多變性，用戶需要隨時切換到其他網(wǎng)絡中，此時需要保證切換的低時延以及切換到最適合當前業(yè)務的網(wǎng)絡中。垂直切換的算法有很多不同的設計方法：在文獻[4]中，作者將切換時異構網(wǎng)絡的選擇設計為一種多屬性決策問題，根據(jù)不同網(wǎng)絡的性能區(qū)別對異構無線網(wǎng)絡中的各個參數(shù)進行自適應加權，最終選擇最優(yōu)網(wǎng)絡；在文獻[5]中，作者考慮了通用無線分組業(yè)務(General Packet Radio Service，GPRS)、無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network，WLAN)、全球微波接入互操作性(World Interoperability for Microwave Access，WiMAX)和通用移動通信系統(tǒng)(Universal Mobile Telecommunications System，UMTS)這四種網(wǎng)絡，根據(jù)通信成本、丟包率、帶寬和時延這幾個網(wǎng)絡參數(shù)，利用熵權法計算了各網(wǎng)絡屬性集的權重，對網(wǎng)絡進行排序后選擇最優(yōu)網(wǎng)絡。

無線資源的管理也是異構網(wǎng)絡融合需要考慮的問題[6]。傳統(tǒng)上，資源分配被設計為最大限度地將信息成功地傳輸給網(wǎng)絡中的用戶。然而，傳統(tǒng)的資源分配方式將無法滿足如今無線通信中各種應用所需的海量數(shù)據(jù)的需求，頻譜的稀缺性要求有效的無線資源管理。因此，有必要設計資源分配技術來優(yōu)化整個系統(tǒng)的性能指標，如系統(tǒng)吞吐量、頻譜效率和服務質量(Quality of Service，QoS)等。在文獻[7]中，作者提出了一種聯(lián)合資源分配方法，根據(jù)用戶的數(shù)據(jù)速率要求對用戶進行分類，然后控制器根據(jù)可用資源決定應該分配給每個用戶的帶寬數(shù)量，從而提升系統(tǒng)整體的吞吐量。在文獻[8]中，作者提出了一種可以最大化小區(qū)頻譜效率與能量效率的資源分配方法，用二分搜索算法構造并求解隨機優(yōu)化問題，通過對每個小區(qū)的功率閾值、基站密度、基站功耗和帶寬劃分進行不同的設置，顯著提高了小區(qū)整體的頻譜效率與能量效率。

綜上所述，異構無線網(wǎng)絡融合的研究主要著重于垂直切換與資源管理等方面，但目前已有的研究中，垂直切換方面只考慮了各網(wǎng)絡參數(shù)在各網(wǎng)絡中的權重，沒有考慮網(wǎng)絡參數(shù)在不同業(yè)務類型下的主觀權值；資源管理方面則僅對系統(tǒng)吞吐量和頻譜效率等進行了優(yōu)化，而如今的業(yè)務對傳輸時延、連接數(shù)、可靠性等指標需求也提出了要求，現(xiàn)有技術無法針對多樣化需求的業(yè)務進行資源的分配。此外，當無線網(wǎng)絡發(fā)生狀況或用戶業(yè)務需求發(fā)生變化時，現(xiàn)有技術無法快速及時調(diào)整資源的分配，以避免網(wǎng)絡過載或資源供應過剩情況的發(fā)生。

針對上述問題，本文主要研究短波通信網(wǎng)絡、超短波通信網(wǎng)絡與移動寬帶網(wǎng)絡的融合，主要貢獻如下：利用虛擬網(wǎng)絡與資源切塊技術，提出了異構融合網(wǎng)絡的無線資源管理方法；設計了一種異構網(wǎng)絡垂直切換的算法，利用層次分析法與熵權法得到各網(wǎng)絡參數(shù)的綜合權值，加權得到各網(wǎng)絡的效用值并依此選擇最優(yōu)網(wǎng)絡；設計搭建了短波網(wǎng)絡、超短波網(wǎng)絡與移動寬帶網(wǎng)絡的異構融合網(wǎng)絡系統(tǒng)級驗證平臺，綜合評估了異構網(wǎng)絡在正常狀態(tài)與突發(fā)情況下的性能，驗證了所提的資源管理方法與切換算法的有效性。

1 異構無線網(wǎng)絡關鍵技術

1.1 資源管理

本文中設計的異構無線網(wǎng)絡將移動寬帶網(wǎng)絡、短波、超短波子網(wǎng)中各自的無線資源以最小單位的邏輯進行拆分，將拆分出來的所有資源統(tǒng)一管理形成資源庫。資源庫中的同種資源或不同種資源均可以進行重新組合形成資源切塊以進行分配。

異構網(wǎng)絡中設有三種虛擬網(wǎng)絡：第一種為針對語音業(yè)務的虛擬網(wǎng)絡，即語音虛擬網(wǎng)絡，性能需求為足夠低的時延和丟包率；第二種為針對視頻業(yè)務的虛擬網(wǎng)絡，即視頻虛擬網(wǎng)絡，需要提供足夠快的傳輸速率；第三種為針對緩存流業(yè)務的虛擬網(wǎng)絡，需要提供的傳輸速率小于視頻虛擬網(wǎng)絡，但需要較低的丟包率。

在資源調(diào)配前，需要先將網(wǎng)絡中的資源映射為虛擬資源池。首先，中央樞紐節(jié)點的信息收集模塊周期性向所有的網(wǎng)絡節(jié)點發(fā)送無線網(wǎng)絡測量信息，并將網(wǎng)絡節(jié)點反饋的無線網(wǎng)絡信息存儲于數(shù)據(jù)存儲模塊中。之后，中央樞紐節(jié)點中的資源虛擬化模塊，根據(jù)數(shù)據(jù)存儲模塊中的無線資源和緩存資源，使用不同的虛擬化策略對收集到的各種資源信息進行分割、重組，形成邏輯上具有不同特征的虛擬資源池。

對于無線資源的虛擬化，根據(jù)搜集的各網(wǎng)元節(jié)點的無線資源信息進行節(jié)點資源分類標識，并以最小不可分割單元的形式即資源塊的形式重組為具有統(tǒng)一形式的虛擬無線資源池。無線資源表示為U×N的矩陣R，其中，U為終端的數(shù)目，N為網(wǎng)絡節(jié)點可調(diào)配資源塊的數(shù)量。每行為各個終端設備，每列為可調(diào)配的資源塊，矩陣中的每個元素使用0/1編碼，表示資源塊的調(diào)配情況，0表示該網(wǎng)絡資源塊未被調(diào)配給相應的終端設備，1則表示該資源塊已經(jīng)被調(diào)配給相應的終端設備。

資源分配時，根據(jù)網(wǎng)絡中各虛擬網(wǎng)絡的優(yōu)先級以及虛擬網(wǎng)絡的需求性能指標從資源庫中以資源切塊作為基本單位劃分資源給各個虛擬網(wǎng)絡。具體地，對于需求足夠低的時延與丟包率的語音虛擬網(wǎng)絡，優(yōu)先分配資源庫中的短波資源切塊；對于需要提供足夠快的傳輸速率的視頻虛擬網(wǎng)絡，優(yōu)先分配資源庫中的移動寬帶網(wǎng)絡資源切塊；對于需要提供較快傳輸速率與較低丟包率的緩存流虛擬網(wǎng)絡，優(yōu)先分配資源庫中的超短波資源切塊。虛擬網(wǎng)絡間的資源分配流程如圖1所示。

圖1 虛擬網(wǎng)絡間資源分配流程圖

從資源庫中劃分資源給各個切片后，還需要在每個虛擬網(wǎng)絡內(nèi)調(diào)度資源給切片內(nèi)的各個用戶，資源調(diào)度流程如圖2所示。與為虛擬網(wǎng)絡分配資源時一樣，資源是以資源切塊作為基本單位調(diào)配給用戶的，同時，調(diào)配時按照用戶的優(yōu)先級順序分配資源，用戶的優(yōu)先級可以是一開始指定好的，也可以是根據(jù)感知到的用戶業(yè)務的性能需求來確定的。在本文的驗證中，優(yōu)先根據(jù)用戶的業(yè)務類型進行排序，在用戶業(yè)務類型相同的情況下再依據(jù)指定好的用戶順序進行用戶優(yōu)先級的排序。

圖2 虛擬網(wǎng)絡內(nèi)資源調(diào)配流程圖

1.2 切換控制

為了模擬現(xiàn)實中網(wǎng)絡被破壞的情況，本文中的異構網(wǎng)絡在某些時刻會將某子網(wǎng)設為不可用，這種情況下，接入該子網(wǎng)的用戶需要切換至其他子網(wǎng)。同時，網(wǎng)絡中用戶的移動性以及業(yè)務大小的隨機性也會影響用戶的通信質量，此時也需要用戶進行子網(wǎng)間或是子網(wǎng)內(nèi)的切換，使得網(wǎng)絡的整體性能達到最佳。因此，本節(jié)主要介紹異構網(wǎng)絡中的用戶切換設計。

用戶在進行切換時，首先判斷是否需要進行子網(wǎng)間的切換，此時網(wǎng)絡樞紐節(jié)點根據(jù)可用網(wǎng)絡列表中的網(wǎng)絡屬性數(shù)據(jù)進行服務質量感知，在可用網(wǎng)絡中選擇最優(yōu)網(wǎng)絡進行切換，具體步驟如下：

Step1 網(wǎng)絡選擇模塊的計算單元根據(jù)網(wǎng)絡中不同業(yè)務類型，即會話類語音業(yè)務、會話類視頻業(yè)務和緩存流業(yè)務，確定可用帶寬、吞吐量以及丟包率這三個參考網(wǎng)絡屬性在不同業(yè)務類型下的主觀權值矩陣：

(1)根據(jù)不同的業(yè)務類型，構造相應的層次分析判斷矩陣A=(aij)l*l，其中aij表示屬性對業(yè)務類型的重要程度，按照1～9標度法則進行賦值，aij越大說明屬性i比屬性j越重要；

(2)采用特征根法計算各個屬性的權重值λmax，得到相應的特征向量ω；

(3)對權重結果進行一致性檢驗，若一致性比率小于或等于0.1時，矩陣的一致性即滿足要求。

Step2 網(wǎng)絡選擇模塊的計算單元利用各個無線接入點上傳的實際網(wǎng)絡側數(shù)據(jù)確定客觀權值，網(wǎng)絡內(nèi)使用熵權法，具體如下：

(2)對各類數(shù)據(jù)進行歸一化處理，包括但不限于最大最小歸一化方法等，歸一化后的各參數(shù)值為xij；

(3)根據(jù)如下公式確定各類參考屬性的熵值：

(1)

(2)

式中：gij為網(wǎng)絡i中第j項參數(shù)在所有備選網(wǎng)絡中的比重；ej為第j項網(wǎng)絡性能參數(shù)指標的熵值；n為可用網(wǎng)絡的個數(shù)；k為常數(shù)值，且k=1/ln(n)；

(4)根據(jù)如下公式利用熵值計算各個參考屬性的權值sj：

(3)

(4)

Step3 計算單元通過設定的加權因子，利用主觀權值和客觀權值計算綜合權值：

Wj=α·ω+(1-α)·sj。

(5)

式中：Wj為綜合權值；α為加權因子。

Step4 選擇模塊的網(wǎng)絡判斷單元利用簡單加權法，根據(jù)上一步計算的綜合權值，得到各個網(wǎng)絡的效用值，若備選網(wǎng)絡中的最大效用值等于當前接入網(wǎng)絡的效用值或者其比率小于設定的閾值，則終端停留在當前接入網(wǎng)絡，否則選擇效用值最大的網(wǎng)絡為接入網(wǎng)絡進行切換，具體方法如下：

(6)

(7)

(8)

式中：Fi為第i個網(wǎng)絡的效用值；Fmax為所有備選網(wǎng)絡中最大的效用值；Fcur為當前接入網(wǎng)絡的效用值；Fbest為最終選擇接入網(wǎng)絡的效用值。

在用戶切換至最優(yōu)子網(wǎng)后，用戶還需要進行子網(wǎng)內(nèi)的切換，此時，用戶需要計算自己與子網(wǎng)內(nèi)所有基站之間的參考信號接收功率(Reference Signal Receiving Power，RSRP)值，選擇RSRP值最大的基站進行接入。至此，用戶的整個切換流程結束，在下一個切換周期時再次重復此流程。

2 驗證平臺設計

本文中異構網(wǎng)絡驗證平臺分為移動寬帶子網(wǎng)、短波子網(wǎng)和超短波子網(wǎng)三個子網(wǎng)，在平臺中三個子網(wǎng)共存，共同服務網(wǎng)絡中的所有用戶。平臺中的用戶依據(jù)平臺樞紐節(jié)點的指令被分配到一個子網(wǎng)進行通信或者進行子網(wǎng)間的切換。本節(jié)主要介紹平臺整體的拓撲結構、業(yè)務模型以及各個子網(wǎng)的信道模型和驗證假設。

2.1 拓撲結構

驗證平臺以移動寬帶子網(wǎng)為基礎搭建，移動寬帶子網(wǎng)的拓撲結構如圖3所示。平臺采取蜂窩網(wǎng)絡結構，共有7個小區(qū)，小區(qū)半徑為1 000 m，每個小區(qū)分為3個扇區(qū)，共21個扇區(qū)，每個扇區(qū)中10個用戶，用戶在扇區(qū)范圍內(nèi)均勻撒點。

圖3 移動寬帶子網(wǎng)拓撲結構

異構網(wǎng)絡驗證則是在此基礎上加入了短波子網(wǎng)與超短波子網(wǎng)，短波子網(wǎng)與超短波子網(wǎng)各設置一個基站在網(wǎng)絡的正中央。由于三個子網(wǎng)的通信頻率互不重疊，因此子網(wǎng)間不存在干擾。異構網(wǎng)絡平臺的拓撲結構如圖4所示。同時，將移動寬帶子網(wǎng)中小區(qū)數(shù)量減少為3個，并且設置中央控制節(jié)點對所有基站進行控制。關于平臺中帶寬的設置，移動寬帶子網(wǎng)的帶寬為5 MHz/扇區(qū)，短波子網(wǎng)的總帶寬為5 MHz，超短波子網(wǎng)的總帶寬為25 MHz。

圖4 異構網(wǎng)絡驗證平臺拓撲結構

2.2 信道模型

平臺中移動寬帶子網(wǎng)的信道模型設計參考的是3GPP標準，其中路徑損耗的公式如下：

L=40(1-4×10-3Δhb)lg(R)-18lg(Δhb)+21lg(f)+80。

(9)

式中：L為路徑損耗，單位為dB；Δhb為基站天線相對于平均建筑物頂部的高度，單位為m；R為基站和終端之間的距離，單位為km；f為載波頻率,單位為MHz。

除了路徑損耗，平臺中還考慮了穿透損耗與陰影衰落。

短波子網(wǎng)的傳輸損耗計算采用改進后的Okumura-Hata經(jīng)驗模型，具體公式如下：

LHF=147.15+18.93lg(f)-6.68lg(ht)-α(hr)+

[44.9-6.55lg(ht)]lg(d)-K，

(10)

α(hr)=[1.1lg(f)-0.7]hr-[1.56lg(f)-0.8]。

(11)

式中：LHF為路徑損耗，單位為dB；f為載波頻率,單位為MHz；hr為接收天線有效高度，單位為m；ht為發(fā)送天線有效高度，單位為m；d為基站和終端之間的距離，單位為km；K為使用地區(qū)環(huán)境的修正系數(shù)；α(hr)為接收高度修正因子。

超短波子網(wǎng)的傳輸損耗計算采用Okumura-Hata經(jīng)驗模型，具體公式如下：

LVHF=69.55+26.16lg(f)-13.82lg(ht)-α(hr)+

[44.9-6.55lg(ht)]lg(d)-K。

(12)

式中：LVHF為路徑損耗，單位為dB；其余變量含義與式(10)和式(11)相同。

2.3 業(yè)務模型

在3GPP的標準中，定義了9種不同的業(yè)務類型，本文選取其中的3種業(yè)務類型進行仿真，分別是會話類語音業(yè)務、會話類視頻業(yè)務和緩沖視頻業(yè)務。每種業(yè)務的業(yè)務周期、業(yè)務大小以及丟包率和時延的要求見表1，其中業(yè)務為周期性業(yè)務，業(yè)務大小服從均勻分布。

表1 終端業(yè)務類型

2.4 平臺流程

平臺包括控制節(jié)點、基站節(jié)點和用戶節(jié)點三部分，其中控制節(jié)點包括參數(shù)初始化模塊和全局定時模塊兩部分，基站節(jié)點包括基站無線資源管理模塊，用戶節(jié)點包括用戶無線資源管理模塊和用戶移動性模塊。平臺流程如圖5所示。

圖5 異構網(wǎng)絡驗證平臺流程

2.5 驗證場景

場景參數(shù)見表2。

表2 場景參數(shù)

3 結果與分析

本文利用搭建的異構無線網(wǎng)絡系統(tǒng)級平臺進行驗證。驗證主要分為兩個方面：首先是網(wǎng)絡正常狀態(tài)下異構無線網(wǎng)絡平臺的基礎性能評估，將文中設計的異構網(wǎng)絡的系統(tǒng)性能與單移動寬帶網(wǎng)絡和資源隨機分配的異構網(wǎng)絡的系統(tǒng)性能進行對比，說明了網(wǎng)絡的融合對用戶服務質量的提升有很大幫助，同時證明了本文設計的資源分配方法可以提高各類型業(yè)務的業(yè)務滿意度；之后對突發(fā)情況下異構無線網(wǎng)絡的性能進行了驗證，模擬現(xiàn)實中網(wǎng)絡被破壞的場景，將部分用戶的移動寬帶網(wǎng)絡設為不可用狀態(tài)，研究這種狀態(tài)下文中設計的異構網(wǎng)絡與無垂直切換的異構網(wǎng)絡的系統(tǒng)性能差異，說明了本文設計的異構網(wǎng)絡中用戶的垂直切換是可行的并且可以有效應對突發(fā)狀況。

3.1 異構無線網(wǎng)絡基礎性能

首先對網(wǎng)絡正常狀態(tài)下的異構無線網(wǎng)絡性能進行評估，評估的性能為不同類型業(yè)務的業(yè)務滿意度。若網(wǎng)絡在傳輸過程中滿足某用戶業(yè)務的時延、丟包率等性能需求(各業(yè)務的性能需求見2.3)，則視為滿意，統(tǒng)計每種業(yè)務下所有用戶中滿意用戶的比率，記為業(yè)務滿意度。驗證時對比三種平臺的性能：第一個為單移動寬帶網(wǎng)絡平臺；第二個為異構網(wǎng)絡平臺，但平臺中的資源分配方式為每個資源塊隨機分配；第三個為使用本文設計的資源分配方式的異構網(wǎng)絡平臺。驗證結果如圖6所示。

圖6 不同平臺中各業(yè)務的業(yè)務滿意度對比

從圖6中可以看出，相比于單移動寬帶網(wǎng)絡，資源隨機分配的異構網(wǎng)絡中各業(yè)務的滿意度有少量提升，這是因為異構網(wǎng)絡中擁有短波資源與超短波資源，緩解了移動寬帶網(wǎng)絡的負載壓力。同時，使用本文設計的資源分配方法異構網(wǎng)絡可以使語音的業(yè)務滿意度提高到100%，使緩存流的業(yè)務滿意度提高到96.78%。這是因為本文設計的資源分配方法中資源根據(jù)業(yè)務的性能需求進行調(diào)配，更容易滿足業(yè)務的性能需求。而對于視頻業(yè)務，由于短波與超短波的傳輸速率低，無法完全滿足視頻業(yè)務的性能需求，因此本文設計的異構網(wǎng)絡對視頻業(yè)務的滿意度提升影響很小。

3.2 突發(fā)情況下異構無線網(wǎng)絡性能

本節(jié)進行了網(wǎng)絡突發(fā)狀況下的網(wǎng)絡驗證，在運行到一半時將部分用戶的移動寬帶網(wǎng)絡設為不可用狀態(tài)，用于模擬現(xiàn)實中網(wǎng)絡被破壞的場景。驗證比較了本文設計的異構網(wǎng)絡與無切換的異構網(wǎng)絡在突發(fā)狀況下的各子網(wǎng)用戶占比與各業(yè)務的滿意度的差異，驗證結果如圖7和圖8所示，其中，圖7為10%用戶移動寬帶網(wǎng)絡不可用時的仿各子網(wǎng)用戶占比，圖8為10%用戶移動寬帶網(wǎng)絡不可用時各業(yè)務的業(yè)務滿意度。

(a)無垂直切換的異構網(wǎng)絡各子網(wǎng)用戶占比

圖8 突發(fā)情況下各業(yè)務的業(yè)務滿意度

從圖7中可以看出，沒有垂直切換的異構網(wǎng)絡在突發(fā)情況下會有部分用戶變得無法通信，而本文設計的異構網(wǎng)絡在10%用戶移動寬帶子網(wǎng)不可用時可以將這部分用戶切換到其他子網(wǎng)，從而應對突發(fā)狀況。從圖8中可以看出，本文設計的異構網(wǎng)絡在突發(fā)情況下各業(yè)務滿意度均高于無垂直切換的異構網(wǎng)絡，說明了本文設計的異構網(wǎng)絡中用戶的垂直切換是可行的，并且可以有效應對突發(fā)狀況。

4 結 論

本文首先提出了一種異構網(wǎng)絡的無線資源管理方法，并針對異構網(wǎng)絡中子網(wǎng)間的垂直切換問題設計了一種異構網(wǎng)絡垂直切換算法，該算法根據(jù)各網(wǎng)絡的網(wǎng)絡參數(shù)以及用戶業(yè)務的性能需求計算出最適合此用戶的網(wǎng)絡；之后，設計了異構網(wǎng)絡系統(tǒng)級驗證平臺，驗證結果證明了本文中設計的異構無線網(wǎng)絡的有效性，為后續(xù)異構無線網(wǎng)絡的研究提供了參考。