梁冀

摘要：為使Wi-Fi技術(shù)更好地融入傳統(tǒng)的移動蜂窩LTE網(wǎng)絡(luò)，以便有效降低移動蜂窩網(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)計了LTE與Wi-Fi之間融合架構(gòu)，綜合評估接收信號強度、信噪比、基站剩余緩存、數(shù)據(jù)服務(wù)業(yè)務(wù)類型，建立四維評價函數(shù)對數(shù)據(jù)進行分流判決。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) ；長期演進； 無線保真技術(shù)

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）04-0028-02

隨著移動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。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)度分配機制。LTE（Long Term Evolution）已成為移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)主流標準制式，是各大運營商重點部署的網(wǎng)絡(luò)制式[1]。LTE無線網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋廣、移動性高、傳輸速率性能穩(wěn)定等特點。而Wi-Fi（Wireless Fidelity）網(wǎng)絡(luò)具備熱點覆蓋、高傳輸速率等優(yōu)點已廣泛應(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)移動蜂窩LTE網(wǎng)絡(luò)中，可以有效降低移動蜂窩網(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，解決日益增長的數(shù)據(jù)流量需求[2]。論文主要研究設(shè)計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，最后進行數(shù)據(jù)流量業(yè)務(wù)仿真測試。實驗結(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)相互獨立，其主要缺點為：（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)元運行狀態(tài)，整體網(wǎng)絡(luò)傳輸性能無法達到最優(yōu)；（2）LTE與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)計費獨立，運營商不能對流量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一計費管理[3]。因此LTE與Wi-Fi異構(gòu)網(wǎng)系統(tǒng)融合可以有效地進行數(shù)據(jù)分流，實現(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)元的主要作用為進行移動蜂窩網(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)。運營商可以根據(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

ANDSF分流架構(gòu)的分點為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)同時在LTE與Wi-Fi兩鏈路進行傳輸，因此在傳輸過程中，需對同一個用戶傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)進行分割。IP數(shù)據(jù)包頭結(jié)構(gòu)，其包含了16bit數(shù)據(jù)包標識。傳輸過程中對IP包16bit的數(shù)據(jù)標識據(jù)進行分割，分割為LTE與Wi-Fi鏈路傳輸數(shù)據(jù)包標示。在終端可以接收不同鏈路的數(shù)據(jù)包，根據(jù)IP包標識進行重排序，防止數(shù)據(jù)包亂序。

ANDSF分流架構(gòu)協(xié)議棧設(shè)計如圖2，PGW為數(shù)據(jù)分流錨點，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，同時收到LTE與Wi-Fi的數(shù)據(jù)，并對IP包數(shù)據(jù)進行重排序后匯聚到APP層。

3 基于ANDSF分流策略設(shè)計

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。運營商可以根據(jù)自己的需求，進行個性化的分流策略。論文分流策略綜合評估了RSRP、SNR、基站緩存、業(yè)務(wù)QoS四個維度建立評價函數(shù)。RSRP和SNR由終端UE測試獲取，由UE上報至ANDSF；LTE基站緩存與Wi-Fi AP緩存分別由eNodeB和Wi-Fi AP獲取并分別上報至ANDSF；數(shù)據(jù)包的業(yè)務(wù)服務(wù)等級QCI由PGW對數(shù)據(jù)包進行解析后獲取，并將QCI信息下發(fā)至ANDSF。ANDSF綜合評估系統(tǒng)RSRP、SNR、基站緩存、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)QCI，進行分流判決對IP數(shù)據(jù)包進行分割。LTE與Wi-Fi數(shù)據(jù)包分流比例，得到LTE網(wǎng)絡(luò)評價函數(shù)、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)評價函數(shù)實現(xiàn)公式為：

式中，為LTE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。各評價函數(shù)實現(xiàn)如下：

（1） 信號強度RSRP評價函數(shù)

信號強度RSRP由UE測量得到，體現(xiàn)UE接收信號強弱。和分別設(shè)置為終端UE測量LTE與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)信號強度評價函數(shù)，計算公式為：

式中為UE測量得到LTE網(wǎng)絡(luò)信號強度RSRP值，取值為-65dBm，取值為-120dBm；計算公式為：

式中為UE測量得到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)信號強度RSRP值，取值為-65dBm，取值為-120dBm。

（2） 信噪比SNR評價函數(shù)

信噪比SNR由UE測量得到，直接決定了系統(tǒng)的傳輸速率。和分別設(shè)置為終端UE測量LTE與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)信噪比評價函數(shù)，計算公式為：

式中為UE測量得到LTE網(wǎng)絡(luò)信號強度SNR值，取值為30dB，取值為-5dB；計算公式為：

式中為UE測量得到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)信號強度SNR值，取值為30dB，取值為-5dB。

（3） 基站剩余緩存評價函數(shù)

基站剩余緩存BSR由基站獲取，決定了基站當前可以傳輸數(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測量LTE與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)剩余緩存 評價函數(shù)，計算公式為：

式中與分別為LTE與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)基站剩余緩存狀態(tài)，和分別為LTE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)類型評價函數(shù)

服務(wù)質(zhì)量QoS（Quality of Service）主要通過帶寬、時延、速率、顫抖等多因素進行衡量。LTE協(xié)議將業(yè)務(wù)分為9個等級QCI（QoS Class Identifier）。QCI1～QCI4為保證比特率業(yè)務(wù)，優(yōu)先級高，需優(yōu)先在LTE鏈路傳輸；QCI5～QCI9為非保證比特業(yè)務(wù)，優(yōu)先級相對低，可綜合評估在LTE還是Wi-Fi鏈路傳輸。和分別設(shè)置為終端UE測量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：信號強度、信噪比、基站剩余緩存、QCI信息。ANDSF根據(jù)獲取信息，采用評價函數(shù)對LTE、Wi-Fi分別進行計算，得到LTE與Wi-Fi分流評價值。ANDSF根據(jù)評價值計算出LTE與Wi-Fi的分流比例系數(shù)。ANDSF將分流比例上報至PGW，PGW根據(jù)分流比例對IP數(shù)據(jù)包進行分割，將IP包封裝后發(fā)送至LTE與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中。

利用Matlab軟件編程仿真測試，根據(jù)設(shè)置流程編程建模，以驗證設(shè)計的正確性及有效性。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LTE基站覆蓋區(qū)域內(nèi)，隨機生成5個Wi-Fi基站，Wi-Fi基站間站距大于50m。對單用戶進行仿真。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?；緜鬏斝盘柦?jīng)過大尺度損耗、穿透損耗、小尺度損耗后到達UE，UE進行RSRP與SNR估計。LTE與Wi-Fi各子代價函數(shù)的權(quán)值設(shè)置一致為：信號強度評價函數(shù)權(quán)值為0.2，信噪比評價函數(shù)權(quán)值為0.2，基站緩存評價函數(shù)權(quán)值設(shè)置為0.3，服務(wù)質(zhì)量QoS評價函數(shù)權(quán)值設(shè)置為0.3。LTE與Wi-Fi代價函數(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Wi-Fi與LTE分流比例為1：3，系統(tǒng)整體平均吞吐量達到最優(yōu)。實際仿真，綜合評估了RSRP、SNR、BSR、QCI，Wi-Fi與LTE會根據(jù)實際鏈路狀態(tài)進行評價，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。

對系統(tǒng)進行Fullbuffer業(yè)務(wù)，分別用UDP與TCP業(yè)務(wù)進行測試。當LTE與Wi-Fi系統(tǒng)相互獨立，不進行聯(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，可以充分評估異系統(tǒng)之間的評價優(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)的移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)LTE是無線網(wǎng)絡(luò)研究的重點內(nèi)容。文中設(shè)計了一種LTE與Wi-Fi融合的架構(gòu)，并在融合架構(gòu)上，利用系統(tǒng)信號強度、信噪比、基站緩存、業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量等，綜合評估異系統(tǒng)傳輸性能，制定出異系統(tǒng)間的分流策略。通過實驗仿真可知，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。

參考文獻：

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