閆 偉，徐 浪，申 濱

(重慶郵電大學(xué) 移動通信技術(shù)重慶市重點實驗室，重慶 40065)

0 引 言

伴隨著互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)和移動通信產(chǎn)業(yè)的不斷迭代更新，越來越多的用戶終端接入移動通信網(wǎng)絡(luò)，因此，移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量將呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)所提供的系統(tǒng)容量以及速率已經(jīng)很難滿足新興產(chǎn)業(yè)和巨大流量的需求。研究表明，在未來幾年內(nèi)，移動業(yè)務(wù)量將增長近1 000倍[1]。為滿足大容量和高速率的需求，大量新技術(shù)與解決方案被提出來，如毫米波、大規(guī)模多輸入多輸出(multiple-input multiple-output，MIMO)、密集異構(gòu)蜂窩網(wǎng)等[2-6]。目前，有效減輕長期演進(long term evolution, LTE)網(wǎng)絡(luò)負載、增加系統(tǒng)容量和提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率對運營商來說至關(guān)重要。將LTE網(wǎng)絡(luò)同IEEE 802.11無線局域網(wǎng)(wireless local area network, WLAN) 融合，已經(jīng)成為一種比較合理的方案。WLAN網(wǎng)絡(luò)不僅擁有低成本大量部署的接入點而且還有大量空閑的頻譜，有利于減輕LTE網(wǎng)絡(luò)負載，增加系統(tǒng)容量和提高頻譜利用率。融合WLAN網(wǎng)絡(luò)和LTE網(wǎng)絡(luò)組成LWA(LTE WLAN aggregation)網(wǎng)絡(luò)，且WLAN網(wǎng)絡(luò)的基站必須為運營商所部署的基站，其目的是將部分LTE網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通過WLAN網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)経E，以達到減輕eNB負載與增加系統(tǒng)容量的目的[7]。與非授權(quán)頻道LTE(LTE in unlicensed spectrum, LTE-U)系統(tǒng)不同的是，LWA利用與WLAN網(wǎng)絡(luò)不同的技術(shù)體制和用戶接入點選擇方案，所以并不需要擔(dān)心強占資源所帶來的一系列問題。目前，LWA被認為是解決系統(tǒng)容量與移動數(shù)據(jù)速率有效的技術(shù)之一[8]。

LWA網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)帶來巨大的優(yōu)勢，同時也引入了一些問題與技術(shù)挑戰(zhàn)，例如網(wǎng)絡(luò)接入點選擇、流量控制等。LWA網(wǎng)絡(luò)中流量控制主要指eNB的PDCP層數(shù)據(jù)包的分配，數(shù)據(jù)包被封裝成PDCP協(xié)議數(shù)據(jù)單元(protocol data unit, PDU)，具體分配過程如圖1[9-10]。例如將PDCP層的數(shù)據(jù)包分割為8個PDU，其中PDU序列為1，2，5，7通過eNB傳輸UE，序列為3，4，6，8的PDU通過AP傳輸?shù)経E，最后在UE的PDCP層進行排序重組。在LWA網(wǎng)絡(luò)中，需要被分配的PDU數(shù)量隨時間變化而變化。當(dāng)LTE網(wǎng)絡(luò)負載較大時，需要分配資源的數(shù)量較大，說明請求業(yè)務(wù)的UE數(shù)目越多，則可能會出現(xiàn)PDU分配不公平現(xiàn)象。若一直將PDU分配給LTE或者WLAN網(wǎng)絡(luò)，則會給網(wǎng)絡(luò)帶來巨大的負載，難以為UE提供可靠的服務(wù)質(zhì)量(quality of service,QoS)需求，同時還可能帶來業(yè)務(wù)阻塞、能耗增加等問題[11]。

圖1 LWA網(wǎng)絡(luò)中PDCP層PDU分配Fig.1 PDCP layer PDU allocation in LWA network

針對LWA網(wǎng)絡(luò)流量控制，為了保證UE 的QoS需求，文獻[12]提出了一種基于LTE網(wǎng)絡(luò)與WLAN網(wǎng)絡(luò)鏈路聚合方案。以保證UE速率為標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計不同的流量控制方案，如將在LTE網(wǎng)絡(luò)中服務(wù)速率未達到要求的UE轉(zhuǎn)移到WLAN小區(qū)、將服務(wù)速率未達到要求的UE轉(zhuǎn)移到LWA小區(qū)、將服務(wù)速率達到要求的UE轉(zhuǎn)移到LWA小區(qū)、將服務(wù)速率未達到要求的UE和服務(wù)速率達到要求的UE都轉(zhuǎn)移到LWA小區(qū)、轉(zhuǎn)移在WLAN信道占用率最小的UE到WLAN小區(qū)等方案。通過性能的對比，總是選擇一個性能最好的方案進行流量控制。將服務(wù)速率未達到要求的UE和服務(wù)速率達到要求的UE轉(zhuǎn)移到不同小區(qū)中，可有效地減少速率未達到要求的用戶數(shù)目，提升系統(tǒng)的性能并增加吞吐量。但存在吞吐量提升不明顯且時延較大的問題。文獻[13]提出一種基于網(wǎng)絡(luò)最小時延的流量控制算法，以時延作為標(biāo)準(zhǔn)，通過評判2種不同網(wǎng)絡(luò)的時延，總是選擇時延較小的網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)包的傳輸，可有效地提高系統(tǒng)吞吐量并且減少傳輸時延，但是提升效果一般且公平性較差。為了得到更好的公平性，文獻[14]提出一種基于模式選擇和承載調(diào)度機制的算法。首先根據(jù)是否使用承載將小區(qū)的UE分為3種情況，即無承載可用、承載只供LWA網(wǎng)絡(luò)使用、承載可供LTE網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)使用，以此達到系統(tǒng)最大化吞吐量的目的。在流量控制時，對LWA網(wǎng)絡(luò)中不同網(wǎng)絡(luò)進行時延評估，總是選擇時延較小的網(wǎng)絡(luò)傳輸PDU。此方案可以很好地協(xié)調(diào)流量控制問題，提高了流量控制公平性和系統(tǒng)的吞吐量，但復(fù)雜度較高。以上都是基于PDCP層的融合流量控制方案，文獻[15]創(chuàng)新性提出了基于無線鏈路層控制協(xié)議(radio link control, RLC)層融合流量控制方案，其先決條件為eNB和訪問接入點(access point, AP)需要集成在一個終端。通過在RLC層附近設(shè)置虛擬調(diào)度器來協(xié)調(diào)WLAN網(wǎng)絡(luò)的資源傳輸，考慮信道質(zhì)量指示(channel quality indicator, CQI)和負載2個因素，其主要方案為最小CQI優(yōu)先傳輸方案、最大CQI優(yōu)先傳輸方案、在RLC層緩沖區(qū)緩存最大優(yōu)先傳輸方案、在RLC層緩沖區(qū)緩存最大且具有最大CQI傳輸方案、在RLC緩沖區(qū)緩存最大且具有最小CQI傳輸方案5種流量控制方案。由于采取了獨特的RLC層融合設(shè)計，此方案不僅在吞吐量而且在時延、公平性方面都能夠取得很好的性能，但實現(xiàn)難度高。

本文針對當(dāng)前LWA網(wǎng)絡(luò)流量控制方案主要存在系統(tǒng)吞吐量不足、單一性選擇某個網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)包造成的數(shù)據(jù)傳輸時延過大以及PDU分配不公平問題，提出一種基于數(shù)據(jù)分類和最小時延(data classification and minimum delay, DCMD)的LWA網(wǎng)絡(luò)流量控制算法。所提算法通過評估網(wǎng)絡(luò)的時延值，可快速有效地選擇不同網(wǎng)絡(luò)傳輸PDU。首先，根據(jù)數(shù)據(jù)對時延敏感程度對數(shù)據(jù)包進行分類；其次，利用時延評估機制對不同接入點的網(wǎng)絡(luò)進行時延評估；最后，對比LTE和WLAN網(wǎng)絡(luò)的時延值，總是選擇時延最小的網(wǎng)絡(luò)來傳輸對時延敏感的業(yè)務(wù)，時延較大的網(wǎng)絡(luò)傳輸時延不敏感業(yè)務(wù)。仿真表明，所提算法可以有效提高LWA網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，降低數(shù)據(jù)傳輸完成時延，增加PDU分配的公平性并提高用戶能量效率。

1.系統(tǒng)模型

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

考慮一個需要進行PDU分配的LWA網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)置SL={b1,b2,…,bN}表示LTE網(wǎng)絡(luò)eNBs集合，滿足：‖SL‖0=N，其中‖*‖0表示向量0范數(shù)；SW={a1,a2,…,aM}表示W(wǎng)LAN網(wǎng)絡(luò)中APs待選集，滿足：‖SW‖0=M；U={u1,u2,…,uK}表示LWA網(wǎng)絡(luò)中UE集合且滿足：‖U‖0=K。設(shè)置bi表示LTE網(wǎng)絡(luò)基站eNBbi，且bi∈SL；aj表示W(wǎng)LAN網(wǎng)絡(luò)基站APaj，且aj∈SW；uk表示第k個UE，且k∈U。

由此建立系統(tǒng)吞吐量優(yōu)化目標(biāo)

(1)

(1)式中：Csum表示系統(tǒng)內(nèi)所有UE的吞吐量的總和；ci,j,k表示在LWA網(wǎng)絡(luò)中uk同時連接eNBbi和APaj所獲得的吞吐量，其中，θi,j,k表示指示函數(shù)，表示uk與eNBbi和APaj同時連接，θi,j,k∈{0,1}，1表示uk同時與eNBbi和APaj連接，0表示uk只與eNBbi或者APaj連接。

由于使用不同網(wǎng)絡(luò)的無線接入技術(shù)，由此可將優(yōu)化目標(biāo)分解為

(2)

(2)式中：ci,k表示uk在與LTE網(wǎng)絡(luò)eNBbi相連接所獲得的吞吐量；θi,k表示uk與eNBbi相連接且θi,k∈{0,1}，1表示uk與eNBbi相連接，0表示uk與eNBbi未連接。cj,k表示uk在與WLAN網(wǎng)絡(luò)APaj相連接所獲得的吞吐量，θj,k表示uk與APaj相連接且θj,k∈{0,1}，1表示uk與APaj相連接，0表示uk與APaj未連接。

對于uk接入LTE網(wǎng)絡(luò)時，其吞吐量ci,k為

ci,k=BLlb(1+γbi,uk)

(3)

(3)式中：BL代表uk所占用的LTE網(wǎng)絡(luò)信道帶寬；γbi,uk為uk所選擇LTE網(wǎng)絡(luò)的SINR值

(4)

(4)式中：Pbi表eNBbi發(fā)射功率；Gbi,uk表示為eNBbi與UEuk之間的信道增益，包括路徑損耗和陰影衰落等；N0表示噪聲功率譜密度。

對于UEk使用WLAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)時，用戶以競爭方式傳輸數(shù)據(jù)，但此方式容易發(fā)生碰撞。WLAN網(wǎng)絡(luò)采用載波偵聽多址/沖突避免(carrier sense multiple access with collision avoidance, CSMA/CA)機制可以很好處理各站點傳輸碰撞。當(dāng)UEk與APaj相連接時，其平均傳輸時長可以表示為[16-17]

E[Tst]=PrtrPrs(1-Prf)Ts+Prtr(1-Prs)Tc+

PrtrPrsPrfTe+(1-Prtr)Tδ

(5)

(5)式中：Ts，Tc，Te，Tδ分別表示傳輸成功、發(fā)生碰撞、傳輸錯位和空閑時隙的平均時長；Prf表示為傳輸失敗的概率；Prtr表示站點處于傳輸狀態(tài)的概率；Prs表示站點傳輸成功的概率，可表示為

Prtr=1-(1-τ)M

(6)

Prs=Mτ(1-τ)M-1/Prtr

(7)

(6)—(7)式中，τ表示一個AP站點發(fā)生一次數(shù)據(jù)包傳輸?shù)母怕省?/p>

通過分析，當(dāng)WLAN網(wǎng)絡(luò)傳輸一個E[L]bit長度的數(shù)據(jù)包時，可以得出UEk使用WLAN網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸時，其吞吐量cj,k為

(8)

在通信系統(tǒng)中，公平性通常反映UE獲得吞吐量的公平程度，用Jain公平指數(shù)來評估當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的公平性，根據(jù)式(1)可將Jain公平指數(shù)定義為

(9)

1.2 問題公式化

LWA的核心目標(biāo)為減輕LTE網(wǎng)絡(luò)基站的負載同時增加整個系統(tǒng)的吞吐量。由此可以將此問題視為優(yōu)化問題，轉(zhuǎn)化為效用函數(shù)，求其最值即可，由此可建模

(10)

C3:θi,j,k∈{0,1}

C4:θi,k∈{0,1}

C5:θj,k∈{0,1}

(10)式中：C1—C2表示用戶分別連接于LTE和WLAN網(wǎng)絡(luò)的吞吐量限制；CLTE和CWLAN分別表示LTE網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)的容量限制，這里指所能承載的最大負載數(shù)。C3—C5表示用戶與LTE和WLAN都連接、只與LTE網(wǎng)絡(luò)連接以及只與WLAN網(wǎng)絡(luò)連接的指示函數(shù)。ci,j,k為LWA網(wǎng)絡(luò)中UEk與eNBbi和APaj都連接所獲得的吞吐量，U(·)表示關(guān)于UE吞吐量的效用函數(shù)。利用α公平效用函數(shù)，定義其為

(11)

根據(jù)文獻[18—19]，UE使用LTE網(wǎng)絡(luò)能耗分為基本的固定功耗PLf,k、傳輸功耗PLt,k和接收功耗PLr,k，則單個UE使用LTE網(wǎng)絡(luò)時的總功耗為

PL,k=PLf,k+PLt,k+PLr,k

(12)

與LTE網(wǎng)絡(luò)不同，UE使用WLAN網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)之前，需要對信道進行檢測，采用載波監(jiān)聽多直接入/碰撞避免(CSMA/CA)技術(shù)，所以使用WLAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對應(yīng)的能耗除了基本的固定功耗PWf,k、傳輸功耗PWt,k和接收功耗PWr,k，以及監(jiān)聽功耗PWm,k。因此，LWA網(wǎng)絡(luò)中APbj總功耗PW,k為

PW,k=PWf,k+PWt,k+PWr,k+PWm,k

(13)

基于上述分析，為了在降低系統(tǒng)能耗的同時提高系統(tǒng)的能效，可以將LWA網(wǎng)絡(luò)中系統(tǒng)吞吐量與UE總能耗的比值定義為用戶能效函數(shù)η為

(14)

s.t.C1—C5

該能效最大化問題可以轉(zhuǎn)化為求解用戶最大吞吐量問題，即通過選擇合適的方案來控制PDU的傳輸使得用戶獲得最大能效。

2 基于DCMD的LWA流量控制算法

2.1 數(shù)據(jù)分類

每個UE的業(yè)務(wù)種類存在區(qū)別，并且不同的業(yè)務(wù)類型對QoS有不同的需求。在計算機網(wǎng)絡(luò)中，QoS主要的衡量標(biāo)準(zhǔn)有：延遲、數(shù)據(jù)速率、抖動、誤碼率、比特率、響應(yīng)時間、帶寬。延遲主要指：發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)包到接收端接收到這個數(shù)據(jù)包之間的時間間隔。根據(jù)目前業(yè)務(wù)對時延的要求，對業(yè)務(wù)分為四大類，其主要為會話類、流類、交互類和背景類[20]，如表1。

表1 基于時延的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)分類

1)第1類業(yè)務(wù)。會話類，主要指無線通信網(wǎng)絡(luò)中實時交流信息的業(yè)務(wù)，其特征為實時性，端到端的時延小。因此，對網(wǎng)絡(luò)傳輸時延有著嚴格限制的要求，主要有語音、手游、IP電話、視頻電話等。

2)第2類業(yè)務(wù)。流類，主要指視頻流與音頻流等流媒體業(yè)務(wù)，其特征為單向傳輸，且不需要與服務(wù)器進行交互，實時性比會話類弱。因此，對網(wǎng)絡(luò)傳輸時延有限制的要求，主要指音樂與視頻。

(3)第3類業(yè)務(wù)。即交互類，主要指用戶與服務(wù)器之間業(yè)務(wù)的請求與響應(yīng)，其主要特征為請求響應(yīng)模式。因此對網(wǎng)絡(luò)傳輸時延要求比較寬松，主要有地圖導(dǎo)航、web瀏覽、數(shù)據(jù)庫檢索、機器之間的交互、電子商務(wù)等。

4)第4類業(yè)務(wù)。背景類，主要指后臺的email接收，文件下載，協(xié)議傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)。其特征為用戶對傳輸時延沒有特別的要求，其主要的業(yè)務(wù)有協(xié)議、電子郵件、手機下載、傳真等。

根據(jù)文獻[21]對用戶行為的數(shù)據(jù)調(diào)查，在下行傳輸中，交互類業(yè)務(wù)占主導(dǎo)地位，大部分下行傳輸流量都屬于交互類業(yè)務(wù)。為了順利地傳輸數(shù)據(jù)PDU數(shù)據(jù)包，需要對分類后數(shù)據(jù)進行分割，用D1,i表示第1類業(yè)務(wù)第i個數(shù)據(jù)包的包長；D2,i表示第2類業(yè)務(wù)第i個數(shù)據(jù)包的包長；D3,i表示第3類業(yè)務(wù)第i個數(shù)據(jù)包的包長；D4,i表示第4類業(yè)務(wù)第i個數(shù)據(jù)包的包長。為了評估不同網(wǎng)絡(luò)時延的準(zhǔn)確性，這里需要將PDU的大小進行處理，考慮公平性，在評估時延過程中，定義PDU平均包長為

(15)

同時為了增加后續(xù)過程中業(yè)務(wù)時延的可靠性，并增加預(yù)測數(shù)據(jù)包，取最大數(shù)據(jù)包值，定義為

D*=MAX{D1,i,D2,i,D3,i,D4,i}

(16)

2.2 網(wǎng)絡(luò)時延評估

為了減少PDCP層PDU傳輸?shù)経E的時間，選擇時延最小流量控制的準(zhǔn)則。所提算法首先需要針對不同網(wǎng)絡(luò)鏈路，評估PDU從eNB分離到達到UE的時延值(稱為鏈路延遲)；其次選擇時延值最小的網(wǎng)絡(luò)鏈路進行轉(zhuǎn)發(fā)。對于一個PDU從eNB到UE所需要的時間，可以使用利特爾法則進行評估[22]。此時延主要取決于網(wǎng)絡(luò)鏈路的容量和延遲，包括鏈路上排隊數(shù)量和外部因素(如LTE網(wǎng)絡(luò)與WLAN網(wǎng)絡(luò)連接通道的Xw所帶來的時延值)。根據(jù)利特爾法則，在任意一個穩(wěn)定的排隊系統(tǒng)中，其時延δ可以計算為：δ=B/R，其中，B在系統(tǒng)中平均排隊比特數(shù)，R表示系統(tǒng)平均速率。

2.2.1LTE網(wǎng)絡(luò)時延

根據(jù)上面的思想，當(dāng)選擇LTE鏈路時，LTE網(wǎng)絡(luò)中平均排隊比特數(shù)應(yīng)由3部分組成：PDUsize即數(shù)據(jù)包平均大小、EL即LTE緩沖區(qū)排隊比特數(shù)、D*即預(yù)測數(shù)據(jù)包大小。傳輸單個PDU所用時延值由下面3部分組成。

(17)

(17)式中，RL表示LTE所能提供的速率。對于LTE網(wǎng)絡(luò)初始速率，可以通過發(fā)送ACK數(shù)據(jù)包進行測量，其定義為

(18)

(18)式中：DACKL表示ACK數(shù)據(jù)包的包長；ΔTL表示傳輸ACK數(shù)據(jù)包所消耗的時間。

2.2.2WLAN網(wǎng)絡(luò)時延

同上，當(dāng)選擇WLAN鏈路時，WLAN網(wǎng)絡(luò)中平均排隊比特數(shù)應(yīng)有3部分組成：PDUsize即數(shù)據(jù)包平均大小、EW即W2.2LAN緩沖區(qū)排隊比特數(shù)、D*即預(yù)測數(shù)據(jù)包大小。傳輸單個PDU所用時延值構(gòu)成同樣由下面3部分組成。

(19)

(19)式中，RW表示W(wǎng)LAN網(wǎng)絡(luò)提供的速率。由于eNB和AP之間鏈路存在Xw通道，其同樣會帶來時延即dXw，所以在第二部分時延值中，選擇Xw通道時延與緩沖區(qū)帶來時延的最大值。對于WLAN網(wǎng)絡(luò)初始速率，可以通過發(fā)送ACK數(shù)據(jù)包進行測量，其定義為

(20)

(20)式中，DACKW表示ACK數(shù)據(jù)包的包長;ΔTw表示傳輸ACK數(shù)據(jù)包消耗的時間。

2.3 基于DCMD的流量控制算法

假設(shè)在傳輸PDCP層PDU之前，各網(wǎng)絡(luò)的速率值已經(jīng)測量并保存至網(wǎng)絡(luò)端。在網(wǎng)絡(luò)活動過程中，eNB與AP需要周期性地向網(wǎng)絡(luò)端上報自身的網(wǎng)絡(luò)負載。若LTE網(wǎng)絡(luò)負載大于某個限定值，則開啟LWA網(wǎng)絡(luò)進行相關(guān)的操作；若低于該值則不采取LWA相關(guān)操作，具體地上報信息反饋時序如圖2。

圖2 開啟LWA網(wǎng)絡(luò)時序圖Fig.2 Open LWA network timing diagram

根據(jù)上述分析，基于時延分類及最小時延的流量控制方案的具體步驟如下。

(21)

(22)

bi∈SL;aj∈SW

(23)

算法1：基于負載信息上報的LWA初始化算法

Fori=1:1:N

Else

Forj=1:1:M

Else

End If

End For

End If

End For

Step2利用算法1對LWA網(wǎng)絡(luò)中新增加的數(shù)據(jù)流進行分類，并根據(jù)分類的原則，用D1,i表示第1類業(yè)務(wù)第i個數(shù)據(jù)包的包長，D2,i表示第2類業(yè)務(wù)第i個數(shù)據(jù)包的包長，D3,i表示第3類業(yè)務(wù)第i個數(shù)據(jù)包的包長，D4,i表示第4類業(yè)務(wù)第i個數(shù)據(jù)包的包長。

(24)

(25)

Step4利用(26)式來比較LTE網(wǎng)絡(luò)時延和WLAN網(wǎng)絡(luò)時延，并得到時延最小值網(wǎng)絡(luò)。

(26)

Step5基于步驟4，利用(26)式進行流量控制的判決。具體算法流程如算法2。

算法2：基于DCMD的流量控制算法

Forz=1: 1:Z

D*=MAX{D1,i,D2,i,D3,i,D4,i};

利用(17)式和(19)式得到dL;dW;

利用(24)式，(25)式選擇各網(wǎng)絡(luò)中時延最小的點;

EL=EL+D1,i+D2,i;EW=EW+D3,i+D4,i;

Else

EL=EL+D3,i+D4,i;EW=EW+D1,i+D2,i;

End If

End for

3 仿真驗證與分析

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

為了便于分析，假設(shè)4種類型的數(shù)據(jù)包大小分別服從[100,1 000]、[500,1 500]、[200,1 000]和[1 000,1 500]Byte的均勻分布。

考慮LTE網(wǎng)絡(luò)與WLAN網(wǎng)絡(luò)融合的一個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)該LWA網(wǎng)絡(luò)中包含3個LTE網(wǎng)絡(luò)小區(qū)，每個小區(qū)中都有50個WLAN網(wǎng)絡(luò)小區(qū)且一個AP代表一個WLAN網(wǎng)絡(luò)小區(qū)。為了保持網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，設(shè)定eNBs和APs都一直處于開啟狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)中的APs位置服從泊松分布，UE位置服從均勻分布。宏小區(qū)與WLAN網(wǎng)絡(luò)小區(qū)的路徑損耗模型分別為[23]

PL1=22.7+36.7lg(R)+26lg(fc)

(27)

PL2=11.5+43.3lg(R)+20lg(fc)

(28)

(27)—(28)式中：R為UE與eNB或者AP之間的距離，單位為km；fc為載波中心頻率，單位為GHz。具體仿真參數(shù)如表2。

表2 仿真參數(shù)設(shè)置表

3.2 對比方案設(shè)置

為便于仿真結(jié)果對比與分析說明，對各方案作如下說明。

方案1：無LWA網(wǎng)絡(luò)機制。網(wǎng)絡(luò)中一直采用LTE傳輸；

方案2：基于比例公平(proportional fairness，PF)流量控制。在eNB負載過重時，不需要考慮時延的問題，隨機選擇相鄰的AP進行資源的分配；

方案3：基于最小時延(minimum delay, MD)流量控制方案[12]；

方案4(本文方案)：基于DCMD的流量控制方案。

3.3 仿真結(jié)果分析

圖3為系統(tǒng)吞吐量與UE數(shù)目的關(guān)系圖。從圖3中可看出，方案2、方案3和方案4在吞吐量上較方案1中LTE網(wǎng)絡(luò)單獨傳輸數(shù)據(jù)所獲得的吞吐量有明顯提升，其主要原因是LWA網(wǎng)絡(luò)中WLAN網(wǎng)絡(luò)將承擔(dān)一部分PDU數(shù)據(jù)包的傳輸，為整個網(wǎng)絡(luò)吞吐量帶來明顯收益。方案3利用最小時延的網(wǎng)絡(luò)鏈路傳輸對數(shù)據(jù)所得到的吞吐量較方案2有明顯的提升。而所提方案比方案3在系統(tǒng)吞吐量上表現(xiàn)更為優(yōu)異。這是由于對時延敏感的數(shù)據(jù)一般都為較小的數(shù)據(jù)包，利用時延最小的網(wǎng)絡(luò)去傳輸這些數(shù)據(jù)，可以有效地在短時間內(nèi)傳輸更多的數(shù)據(jù)，提升整個系統(tǒng)的吞吐量。

圖3 系統(tǒng)吞吐量與UE數(shù)目的關(guān)系Fig.3 Relationship between system throughput and number of Ues

圖4為邊緣UE總吞吐量與UE數(shù)目(整個小區(qū))的關(guān)系圖?？梢钥闯觯S著整個系統(tǒng)的UE數(shù)目增加，采用LWA網(wǎng)絡(luò)的方案其邊緣UE的總吞吐量比方案1有明顯的提升，方案4邊緣UE總吞吐量較方案2和方案3都有所提升。綜合圖2與圖3可知，所提方案不僅可以增加整個系統(tǒng)的吞吐量，還可以增加邊緣UE總吞吐量。

圖4 邊緣UE總吞吐量與UE數(shù)目(整個小區(qū))的關(guān)系Fig.4 Relationship between the total throughput of edge UEs and the number of UEs (the entire cell)

圖5為UE吞吐量大小概率累積分布圖。圖5中有3種相同數(shù)字的線，每個數(shù)字分別代表宏小區(qū)1、宏小區(qū)2和宏小區(qū)3。同時設(shè)置在每個宏小區(qū)內(nèi)，UE數(shù)目為300。從圖5中可以明顯看出，方案4明顯優(yōu)于方案1、方案2和方案3，即所提方案可有效提高單個UE的吞吐量。

圖5 UE吞吐量概率累積分布Fig.5 Cumulative distribution of UE throughput

圖6為傳輸PDU時延值概率累積分布圖。圖6中有3種相同數(shù)字的線，每個數(shù)字分別代表宏小區(qū)1、宏小區(qū)2和宏小區(qū)3。同時設(shè)置在每個宏小區(qū)內(nèi)UE數(shù)目為300。從圖6中可看出，采用LWA網(wǎng)絡(luò)方案的時延值較方案1中LTE網(wǎng)絡(luò)單獨傳輸數(shù)據(jù)所消耗的時延值均明顯減小，這主要是歸功于LWA網(wǎng)絡(luò)中WLAN網(wǎng)絡(luò)與LTE同時傳輸PDU。而采用MD的方案即利用最小時延的網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，其時延值較方案2也有明顯的縮短。主要原因為利用2個網(wǎng)絡(luò)中時延最小的網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。所提方案比方案3的時延值更小，主要原因為方案3只是單一性選擇時延最小網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)從而造成另外一個網(wǎng)絡(luò)資源被浪費，而所提方案對數(shù)據(jù)進行分類后，利用時延最小的網(wǎng)絡(luò)去傳輸對時延敏感的數(shù)據(jù)，而時延較大網(wǎng)絡(luò)傳輸對時延不敏感的數(shù)據(jù)，綜合圖4與圖5可知，所提方案不僅可以增加單個UE的吞吐量，還可以減少時延值。

圖6 傳輸PDU時延值概率累積分布Fig.6 Cumulative distribution of transmission PDU delay

圖7為Jain公平性指數(shù)圖。通過利用Jain函數(shù)來計算公平性[24]從圖7中可以明顯看出，方案2較方案1和方案3的公平性更好，而基于DCMD的流量控制方案比方案2更好。隨著UE數(shù)目的增加，LWA網(wǎng)絡(luò)中流量控制的公平性緩慢地增加。對比可以看出，所提方案可以有效的提高流量控制的公平性。

圖7 Jain公平性指數(shù)Fig.7 Jain fairness index

圖8為UE能量效率值概率累積分布。從圖8中可知，能量效率最高的方案為方案四，較其他方案能有效地提高LWA網(wǎng)絡(luò)中UE能量效率。方案2、方案3和方案4的UE能量效率值比方案1更高，主要原因為LWA網(wǎng)絡(luò)中UE使用WLAN網(wǎng)絡(luò)增加了能耗，但吞吐量的提升更加明顯，使得UE能量效率值遠高于方案1。結(jié)合圖5和圖8可以看出，所提方案不僅在UE吞吐量取得優(yōu)勢，而且有利用能量效率提升。對比可以看出，所提方案可以有效提高流量控制的能量效率。

圖8 UE能量效率值概率累積分布Fig.8 Probability cumulative distribution of UE energy efficiency

4 總 結(jié)

針對由于大量用戶接入而帶來的LTE網(wǎng)絡(luò)eNB負載過大，導(dǎo)致LTE網(wǎng)絡(luò)并不能保證用戶QoS需求，且流量控制存在不公平性現(xiàn)象，提出一種基于DCMD的LWA網(wǎng)絡(luò)流量控制算法。相比于以往方案只是單一性將流量控制某個性能更好的網(wǎng)絡(luò)，從而造成浪費另一網(wǎng)絡(luò)資源現(xiàn)象，所提方案通過利用對數(shù)據(jù)進行分類，并讓2個網(wǎng)絡(luò)同時傳輸數(shù)據(jù)的方式的流量控制方案，其更加有利于數(shù)據(jù)快速地傳輸。仿真表明，本文算法不但能有效地提升LWA網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和邊緣地區(qū)UE吞吐量，而且還能有效地減少數(shù)據(jù)傳輸完成的時間并增加了流量控制的公平性。相比于無LWA網(wǎng)絡(luò)的LTE網(wǎng)絡(luò)方案和在LWA網(wǎng)絡(luò)中比例公平分配資源的方案，所提算方法能夠提高LWA網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用率，保證UE的QoS需求，減輕eNB的負載，提高用戶的能量效率。