宋漢文，何 健

(重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶400065)

隨著通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)在的無(wú)線通信技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，任何一種無(wú)線通信都不能獨(dú)立支持所有業(yè)務(wù)的發(fā)展，可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)必然是一種相互共存，互相依賴(lài)的網(wǎng)絡(luò)［1］。為了順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的要求，如何設(shè)計(jì)一個(gè)融合各種移動(dòng)網(wǎng)優(yōu)勢(shì)的耦合網(wǎng)絡(luò)，為用戶(hù)提供更好更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，就成為了網(wǎng)絡(luò)融合中一個(gè)值得研究的方向［2］。本文提出的算法能有效降低垂直切換中的“乒乓效應(yīng)”和系統(tǒng)的切換時(shí)延，改善UE的服務(wù)質(zhì)量體驗(yàn)。

1 切換原理

垂直切換主要是指UE在連接模式下從一個(gè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)系統(tǒng)，并且通信業(yè)務(wù)質(zhì)量能保證在可控制范圍內(nèi)的一種行為。根據(jù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，切換一般可以分為切換判決、切換執(zhí)行、切換結(jié)束3個(gè)步驟［3］，至于切換形式主要可以劃分為以下3種:

1)根據(jù)UE接收的無(wú)線信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行切換

此種情況下，UE主要是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)下發(fā)的Measure Control消息，將目前所處環(huán)境的服務(wù)小區(qū)和鄰近小區(qū)的信號(hào)質(zhì)量上報(bào)給網(wǎng)絡(luò)，然后網(wǎng)絡(luò)下發(fā)切換命令，讓UE切換到通信信道質(zhì)量更優(yōu)的小區(qū)或異系統(tǒng)上去。

2)根據(jù)無(wú)線信號(hào)覆蓋的范圍進(jìn)行切換

此種情況下，主要是UE在移動(dòng)的過(guò)程中，當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境已經(jīng)不能繼續(xù)支持當(dāng)前業(yè)務(wù)的正常進(jìn)行，就會(huì)尋求其他系統(tǒng)接入來(lái)繼續(xù)當(dāng)前的通信業(yè)務(wù)。比如:當(dāng)UE從市區(qū)覆蓋的LTE－A(TDD)網(wǎng)絡(luò)逐漸向邊遠(yuǎn)郊區(qū)移動(dòng)時(shí)，由于LTE－A(TDD)的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量就會(huì)逐漸下降，網(wǎng)絡(luò)就會(huì)讓UE切換到通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較好的WiMax2中去，盡量維持當(dāng)前的通信業(yè)務(wù)。

3)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載量進(jìn)行切換

此種情況下，主要是因?yàn)樵诋?dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下UE用戶(hù)數(shù)激增時(shí)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)能夠給每一個(gè)用戶(hù)提供的資源緊張所導(dǎo)致的切換到另一種無(wú)線接入技術(shù)的情況。例如，在用戶(hù)集中的熱點(diǎn)地區(qū)時(shí)，當(dāng)前的LTE－A(TDD)環(huán)境已很難滿(mǎn)足所有人通信業(yè)務(wù)穩(wěn)定可靠的使用，那么Node B/E Node B就會(huì)要求部分UE切換到負(fù)載相對(duì)較低的WiMax2網(wǎng)絡(luò)中去。

2 切換流程

根據(jù)LTE－A(TDD)與WiMax2在網(wǎng)絡(luò)覆蓋、業(yè)務(wù)方面的側(cè)重點(diǎn)及信道特性等各個(gè)方面的實(shí)際特點(diǎn)，可以分別詳細(xì)地給出兩者互相進(jìn)行垂直切換的流程圖。首先假設(shè)UE在移動(dòng)的過(guò)程中，已經(jīng)處于LTE－A(TDD)與WiMax2二者網(wǎng)絡(luò)覆蓋的交叉區(qū)域，并且已經(jīng)開(kāi)始對(duì)二者的RSS值進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1)從LTE－A(TDD)到WiMax2的垂直切換方案

當(dāng)UE在LTE－A(TDD)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋下進(jìn)行通信業(yè)務(wù)時(shí)，而且從WiMax2接入點(diǎn)獲取的RW已經(jīng)大于或等于從LTE－A(TDD)基站處獲取的RL，從原則上來(lái)說(shuō)，UE應(yīng)盡可能快地切換到質(zhì)量相對(duì)較好的WiMax2上去，但本文所提及的方案中，會(huì)優(yōu)先判決UE在原網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行的是否為RT(Real－Time)業(yè)務(wù)。因?yàn)槿绻鸘E在LTE－A(TDD)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行的是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)，就會(huì)立刻觸發(fā)LTE－A(TDD)到側(cè)重于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)寬帶化的WiMax2網(wǎng)絡(luò)的垂直切換;若在LTE－A(TDD)上進(jìn)行的是非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，那么在垂直切換到WiMax2網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中必須要進(jìn)行數(shù)據(jù)速率的調(diào)整過(guò)程，此時(shí)就會(huì)繼續(xù)監(jiān)測(cè)RW＞RL的時(shí)間，且UE利用這一段時(shí)間來(lái)協(xié)調(diào)通信業(yè)務(wù)的傳輸速率，便于穩(wěn)定可靠地切換到異系統(tǒng)WiMax2網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)RW＞RL的時(shí)間達(dá)到TTT時(shí)長(zhǎng)時(shí)，就會(huì)觸發(fā)LTE－A(TDD)到WiMax2的切換。具體的切換流程可如圖1所示。

圖1 LTE－A(TDD)到WiMax2的切換

2)從WiMax2到LTE－A(TDD)的垂直切換方案

當(dāng)UE在WiMax2的網(wǎng)絡(luò)覆蓋下進(jìn)行通信業(yè)務(wù)時(shí)，而且從LTE－A(TDD)基站處獲取的RL已經(jīng)大于或等于WiMax2接入點(diǎn)獲取的RW，從原則上來(lái)說(shuō)，UE應(yīng)盡快切換到質(zhì)量相對(duì)較好的LTE－A(TDD)上，但在本文所提及的方案中，也會(huì)優(yōu)先判決UE在原網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行的是否為RT(Real Timing)業(yè)務(wù)。因?yàn)閷?shí)時(shí)性業(yè)務(wù)對(duì)質(zhì)量的可靠性和時(shí)延具有相對(duì)高的要求，如果處理不好，就會(huì)帶來(lái)業(yè)務(wù)的中斷。因此，若UE在WiMax2下進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)，由于WiMax2側(cè)重于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的寬帶化，且呼吸效應(yīng)要弱于LTE－A(TDD)網(wǎng)絡(luò)，在其網(wǎng)絡(luò)覆蓋下的UE進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)，數(shù)據(jù)速率相對(duì)較穩(wěn)定，所以UE仍然會(huì)駐留在傾向于寬帶化的WiMax2網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)說(shuō)明LTE－A(TDD)的網(wǎng)絡(luò)條件在TTT的一段時(shí)間內(nèi)一直保持得很好，這就為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的順利切換提供了質(zhì)量保證，觸發(fā)WiMax2到LTE－A(TDD)的垂直切換;反之，如果在RL≥RW的條件滿(mǎn)足后，判定UE此時(shí)進(jìn)行的為非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)時(shí)，此時(shí)UE對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸速率的平穩(wěn)性要求相對(duì)要弱一些，具體的切換流程如圖2所示。

圖2 WiMax2到LTE－A(TDD)的切換

3 仿真環(huán)境的搭建與驗(yàn)證

上文給出了一種在LTE－A(TDD)與WiMax2異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，UE在連接模式下進(jìn)行垂直切換的原理與流程，本節(jié)基于給出的垂直切換策略，利用MATLAB對(duì)該切換模型［4］進(jìn)行仿真與驗(yàn)證［5］，并通過(guò)一些參數(shù)或性能指標(biāo)的對(duì)比來(lái)說(shuō)明該方案在某種程度上的優(yōu)越性。

3.1 仿真模型的建立

根據(jù)3GPP協(xié)議36.814中對(duì)LTE－A(TDD)傳播模型的限定，在此處選取其中的3GPPCase3作為L(zhǎng)TE－A的仿真模型，對(duì)應(yīng)的仿真參數(shù)［6］如表1所示。

表1 LTE－A(TDD)主要仿真參數(shù)

由于WiMax2剛成為4G標(biāo)準(zhǔn)不久，與之相匹配的設(shè)備性能還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并且WiMax2與之前的WiMax標(biāo)準(zhǔn)相比，其側(cè)重點(diǎn)是為同樣數(shù)目的用戶(hù)提供更大容量的數(shù)據(jù)傳輸速率，所以WiMax2的覆蓋半徑并沒(méi)有比當(dāng)前的WiMax網(wǎng)絡(luò)提高多少，因此此處WiMax2傳播模型中的部分參數(shù)為參考WiMax網(wǎng)絡(luò)，具體的參數(shù)［7］設(shè)定可如表2所示。

表2 WiMax2主要仿真參數(shù)

根據(jù)協(xié)議及相應(yīng)文獻(xiàn)對(duì)二者傳播模型界定，那么在仿真環(huán)境下，假設(shè)LTE－A(TDD)的載波頻率為2×109Hz，WiMax2的載波頻率為2.5 ×109Hz，且 LTE－A(TDD)的Node B/ENode B的發(fā)射功率值為46 dBm，WiMax2的發(fā)射功率為36 dBm;二者網(wǎng)絡(luò)的覆蓋半徑分別為1 732m與495 m，基站架設(shè)的盲區(qū)為(－35 m，35 m)。以垂直坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，假設(shè)LTE－A(TDD)基站所處位置為(0，0)，WiMax2的位置為(900，0)。信號(hào)的采樣間隔為T(mén)c，切換的滯后時(shí)間為T(mén)TT，滯后差值為HOM，UE所處的位置為(100，0)，并且在熱點(diǎn)覆蓋地區(qū)，UE以假定速度(36 km/h)由LTE－A(TDD)向WiMax2基站處運(yùn)動(dòng)。

那么根據(jù)上述參數(shù)，LTE－A(TDD)與WiMax2單基站網(wǎng)絡(luò)覆蓋下的切換模型就可以構(gòu)造成如圖3所示結(jié)構(gòu)。

3.2 切換仿真與結(jié)果分析

在實(shí)際的通信信道中，除了最基本的路徑損耗之外，還可能存在其他環(huán)境因素的影響，如快衰落效應(yīng)或慢衰落效應(yīng)［4］等，上述因素都會(huì)對(duì)信號(hào)在傳播過(guò)程中的質(zhì)量產(chǎn)生一定的干擾。那么在本文的仿真環(huán)境中將考慮這兩種因素對(duì)整個(gè)通信鏈路的影響。

圖3 LTE－A(TDD)與WiMax2的基本模型

在設(shè)計(jì)仿真的過(guò)程中，基于快衰落與慢衰落效應(yīng)的垂直切換流程關(guān)系到圖4中7個(gè)M文件和兩個(gè)模型的調(diào)用，調(diào)用關(guān)系如圖4所示。

圖4 垂直切換的流程調(diào)用

具體的算法通過(guò)代碼的表現(xiàn)形式如圖5所示。

圖5描述的就是二者混合組網(wǎng)時(shí)的垂直切換算法的主要判決代碼，其中第1行至第15行描述的是當(dāng)UE進(jìn)行實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)時(shí)，垂直切換的判決情況;第16行至第29行描述的是UE進(jìn)行非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)時(shí)，垂直切換的判決情況。在上述切換代碼中，count_handoff_number記錄的是具體切換的次數(shù)，觸發(fā)時(shí)長(zhǎng)TTT在代碼中表現(xiàn)為handoff_drop的值。

1)service_type為1時(shí)，即UE進(jìn)行非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)時(shí)

(1)當(dāng)TTT=0 s，HOM=0 dBm時(shí)的仿真情況如圖6所示。

由切換的狀態(tài)圖6可知，本次仿真過(guò)程中UE切換了54次，當(dāng)采樣的次數(shù)N為10時(shí)，切換的次數(shù)分別為54，60，50，52，56，52，46，48，58，56。

(2)當(dāng)TTT=0.04 s，HOM=0.5 dBm 時(shí)的仿真情況如圖7所示。

圖5 垂直切換的判決代碼(截圖)

圖6 信號(hào)質(zhì)量變化與切換狀態(tài)1

由切換的狀態(tài)圖7可知，本次仿真過(guò)程中UE切換了18次，當(dāng)采樣的次數(shù)N為10時(shí)，切換的次數(shù)分別為18，20，20，14，16，18，16，18，18，16。

圖7 信號(hào)質(zhì)量變化與切換狀態(tài)2

(3)當(dāng)TTT=0.1 s，HOM=1 dBm時(shí)的仿真情況如圖8所示。

圖8 信號(hào)質(zhì)量變化與切換狀態(tài)3

由切換的狀態(tài)圖8可知，本次仿真過(guò)程中UE切換了4次，當(dāng)采樣的次數(shù)N為10時(shí)，切換的次數(shù)分別為4，6，6，6，4，8，4，6，6，6。

那么在觸發(fā)時(shí)長(zhǎng)(TTT)與滯后差值(HOM)取值不同，且經(jīng)N(N=10)次采樣結(jié)果統(tǒng)計(jì)后，UE在移動(dòng)過(guò)程中切換的次數(shù)對(duì)比圖可如圖9所示。

圖9 當(dāng)取不同參數(shù)時(shí)垂直切換對(duì)比情況(非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù))

在UE進(jìn)行非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)速率的平穩(wěn)性要求相對(duì)要弱一些，那么UE會(huì)傾向于駐留在峰值速率更高的LTE－A(TDD)網(wǎng)絡(luò)制式中，當(dāng) LTE－A(TDD)向WiMax2切換時(shí)，就會(huì)考慮TTT對(duì)鏈路的影響;而當(dāng)WiMax2向LTE－A(TDD)切換時(shí)，就考慮HOM對(duì)鏈路的影響。通過(guò)仿真，由上述結(jié)果可知，在TTT與HOM取不同的值時(shí)，UE切換的次數(shù)也各不相同。當(dāng)TTT=0 s，HOM=0 dBm時(shí)，即采用基于簡(jiǎn)單的RSS值大小來(lái)進(jìn)行切換，在采樣數(shù)N=10次時(shí)，切換次數(shù)大致為53.2次，且大約在第t=62 s與t=108～115 s時(shí)刻，多次發(fā)生了切換中比較嚴(yán)重的“乒乓效應(yīng)”;當(dāng)TTT=0.04 s，HOM=0.5 dBm時(shí)，雖然在t=62 s和110 s的時(shí)刻，也發(fā)生了重復(fù)切換，但與前面相比，切換的次數(shù)有了明顯的下降，大約只有17.4 次;當(dāng)TTT=0.1 s，HOM=1 dBm，切換的次數(shù)更是下降到了5.6次，基本上趨于最小值(最小切換次數(shù)為4次)，有效地克服了垂直切換中影響通信質(zhì)量的“乒乓效應(yīng)”。

2)當(dāng)service_type=0，即UE進(jìn)行實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)時(shí)

(1)當(dāng)HOM=0 dBm，TTT=0 s的仿真情況

由切換的狀態(tài)圖10可知，本次仿真過(guò)程中UE切換了50次，當(dāng)采樣的次數(shù)N為10時(shí)，切換的次數(shù)分別為50，56，48，60，56，44，56，54，48，52。

(2)當(dāng)HOM=0.5 dBm，TTT=0.04 s的仿真情況

由切換的狀態(tài)圖11可知，本次仿真過(guò)程中UE切換了18次，當(dāng)采樣的次數(shù)N為10時(shí)，切換的次數(shù)分別為18，18，18，20，12，14，20，12，20，24。

(3)當(dāng)HOM=1 dBm，TTT=0.1 s的仿真情況

由切換的狀態(tài)圖12可知，本次仿真過(guò)程中UE切換了8次，當(dāng)采樣的次數(shù)N為10時(shí)，切換的次數(shù)分別為8，6，4，6，6，4，6，6，6，4。

圖10 信號(hào)質(zhì)量變化與切換狀態(tài)4

圖11 信號(hào)質(zhì)量變化與切換狀態(tài)5

那么在滯后差值(HOM)取值不同，且經(jīng)N(N=10)次采樣結(jié)果統(tǒng)計(jì)后，UE在移動(dòng)過(guò)程中切換的次數(shù)對(duì)比圖可如圖13所示。

圖12 信號(hào)質(zhì)量變化與切換狀態(tài)6

圖13 當(dāng)取不同參數(shù)時(shí)垂直切換對(duì)比情況(實(shí)時(shí)業(yè)務(wù))

在UE進(jìn)行實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)平穩(wěn)性的要求更高一些，此時(shí)在臨界區(qū)域內(nèi)，UE就更傾向于駐留在側(cè)重?cái)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)寬帶化的WiMax2網(wǎng)絡(luò)，所以當(dāng)UE從LTE－A(TDD)向WiMax2切換時(shí)，此時(shí)選取HOM參數(shù)作為判決條件;反之，當(dāng)由WiMax2向LTE－A(TDD)切換時(shí)，就考慮TTT對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)鏈路的影響。

由圖10～圖13可知，在選取不同的HOM與TTT時(shí)，UE切換的次數(shù)也各不相同。當(dāng)HOM=0 dBm、TTT=0 s時(shí)，此種情況相當(dāng)于只采用RSS值的大小來(lái)判決，在采樣次數(shù)N=10時(shí)，切換的平均次數(shù)為52.4次，并且大約在t為60～64 s及t為105～115 s時(shí)刻，嚴(yán)重地發(fā)生了切換中的“乒乓效應(yīng)”;當(dāng)HOM=0.5 dBm，TTT=0.04 s時(shí)，切換的次數(shù)也有了明顯下降，平均次數(shù)降到大致17.6次，大約只有在t=61 s和t=112 s的時(shí)刻，發(fā)生切換中的“乒乓效應(yīng)”;當(dāng)HOM=1 dBm，TTT=0.1 s時(shí)，切換的次數(shù)更是下降到了5.6次，且UE處于二者信號(hào)的相近的臨界區(qū)時(shí)，異構(gòu)系統(tǒng)切換中的“乒乓效應(yīng)”得到了很好的解決，顯著提高了整個(gè)系統(tǒng)的通信質(zhì)量。

但是，上述結(jié)論并不意味著HOM與TTT越大越好，因?yàn)楫?dāng)HOM或TTT增加到一定程度，即TTT的值高于不斷仿真的經(jīng)驗(yàn)值，HOM大于所計(jì)算的值，此時(shí)UE在二者網(wǎng)絡(luò)之間移動(dòng)時(shí)，垂直切換次數(shù)不會(huì)繼續(xù)減少，特別是當(dāng)服務(wù)模式的質(zhì)量比目標(biāo)模質(zhì)量差到一定范圍時(shí)，如果UE還不進(jìn)行垂直切換，UE同網(wǎng)絡(luò)之間的連接就會(huì)受到嚴(yán)重的影響，甚至發(fā)生無(wú)線鏈路失敗，降低用戶(hù)的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

4 總結(jié)

本文通過(guò)建立熱點(diǎn)地區(qū)環(huán)境下LTE－A(TDD)與WiMax2混合組網(wǎng)的模型，并充分考慮UE在該環(huán)境下移動(dòng)的環(huán)境因素(快衰落和慢衰落)影響的情況下，從垂直切換的乒乓次數(shù)與切換過(guò)程中的系統(tǒng)時(shí)延這兩個(gè)方面來(lái)詳細(xì)論證了本文提及的垂直切換算法，根據(jù)仿真的結(jié)果可以清楚地看出，在采用給出的基于業(yè)務(wù)實(shí)際特點(diǎn)算法之后，切換中的“乒乓效應(yīng)”及整個(gè)系統(tǒng)的切換時(shí)延都得到了改善，大大提高了UE的體驗(yàn)質(zhì)量效果。

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