一种LTE与WLAN间垂直切换新算法

王瑞山,郭鸣霄,郝　斌

(兰州交通大学 电子与信息工程学院,甘肃 兰州　730070)



一种LTE与WLAN间垂直切换新算法

王瑞山,郭鸣霄,郝斌

(兰州交通大学 电子与信息工程学院,甘肃 兰州730070)

摘要为提高用户在异构网络中的服务质量(QoS),减少切换产生的乒乓效应,文中提出了一种LTE和WLAN网络垂直切换新算法。该算法考虑了衰落对接收信号强度(RSS)的影响,基于RSS选出目标网络,根据用户移动速度并结合代价函数选出最佳网络,代价函数中采用了层次分析法来确定时延、资费和用户偏好等参数的权重。仿真结果表明,文中所提的垂直切换算法有效降低了“乒乓效应”,并提高了通信网络的服务质量。

关键词LTE;WLAN;垂直切换

随着无线网络的发展,网络在接入技术、覆盖范围、接入速率、系统容量、移动性以及业务的服务质量要求等方面各有优势,难以相互替代。因此,未来无线移动通信系统的研究将重点集中于异构无线网络的共存和融合。随着能提供高速数据业务4G网络的出现,实现全球异构网络无缝漫游成为可能。而在当前人们对WLAN网络的依赖性日益增加,因此LTE和WLAN的融合必将是值得研究的。

切换就是当前业务类型从一个基站或信道切换到另一个基站或信道的过程[1]。切换又分为水平切换和垂直切换两类。其中水平切换是发生在同种接入技术网络间的切换,现阶段的研究已相当成熟。而垂直切换是发生在不同接入技术网络间的切换,异构网络间的垂直切换主要包括切换的触发和切换的执行两个阶段。这种切换涉及到的参数较多且较为复杂,因此本文将重点研究垂直切换。

本文给出了一种LTE和WLAN网络垂直切换新算法。考虑到无线网络中衰落的影响,通过RSS对网络选择作预判决,继而,该算法又采用了综合带宽B,时延T,资费C和用户偏好S的代价函数选出最优网络,这4个参数的权重由层次分析法获得。同时,该算法还考虑速度v这个条件以减少不必要的切换。仿真结果表明,该算法有效降低了乒乓效应。

1垂直切换算法

1.1RSS选择机制

当用户在异构无线网络中运动时,会对其所处环境中的网络进行检测,从而选出合适的接入网络。在检测过程中一项关键指标接受信号强度(RSS)对网络的选择最为重要[2],直接关系到了网络的有效性。而对RSS影响最大的问题就是衰落,包括快衰落和慢衰落[3]。

慢衰落是由于移动台不断变化,信号传播路径地形不断变化,导致信号传输变慢。主要影响因素有:终端与基站的距离D,网络信号频率F,环境变化产生的损耗L和天线噪声产生的衰落N。这里不考虑阴影效应,则慢衰落值PS计算式为

PS=32.44+20log10D+20log10F+L-N

(1)

快衰落是由于多普勒效应导致散射体引起信号的多径传输,使到达的信号相互叠加。本文中根据经典瑞利信道模型-Jakes计算快衰落。R(t,k)是经时间t后第k个波形的瑞利分布,表达式为

(2)

式(2)中,M是散射体个数;Ak(n)是k的权重函数;βn是信号衰落相位。因此快衰落值PF计算式为

(3)

(RSS)LTE=33-(PF+PS)

(4)

(RSS)WLAN=23-(PF+PS)

(5)

1.2切换决策

1.2.1代价函数

上述选择机制在进行预判决时只考虑了RSS一个条件,为使用户得到更好的服务,垂直切换应当充分考虑带宽B,时延T,资费C和用户偏好S等相关参数,因此是一个多属性决策问题,需要构建代价函数。代价函数的建立是为了保证选出最佳切换网络[4-5]。假设接入网络为I,则接入最优网为

(6)

(7)

1.2.2网络参数权重

式(7)中wj是网络i中的第j个参数的权重,表示pj对网络或用户的影响程度,可通过层次分析法(AHP)[6-8]求得。归一化权重向量

Awj=λmaxwj

(8)

其中,λmax是决策矩阵A的最大特征值;wj是相应的特征向量;wj归一化后可作为各参数的权重。本文将业务分成高速率业务和低速率业务,按照AHP中一致性检验进行判断

(9)

其中,CI表示一致性指标;CR为一致性比率;n为参数个数;RI为相应n的平均随机一致性指标。当CI<0.1时,就认为判决满足要求,反之则需要修正。

1.2.3切换限定

除上述所提参量外,在进行网络选择时,为减少不必要的切换,移动终端的速度不容忽视。可通过全球定位系统(GPS)计算出终端的移动速度v和位置[9]。具体计算如下

(10)

v=R/t

(11)

其中,R是位移,(x1,y1)和(x2,y2)表示终端变化前后的位置;t是时间间隔。因此根据速度对切换做如下限定

(12)

式(12)中,Pj是切换概率;vj是用户j的速度;vth是速度门限;k是斜率。当用户在高速运动时,即速度超过门限值则不发生切换。反之,切换次数依据速度而定。

2切换流程设计

经过以上算法分析,给出两种网络的切换流程图。此处,假设LTE的接入点为BS,WLAN的接入点为AP。如下图所示,切换一般发生在用户接入到BS或AP时。

图1　当接入WLAN时

图2　当接入LTE时

当用户接入WLAN,若当前RSS低于其门限值θWLAN就可能发生切换。当用户接入LTE时,若检查到AP点的RSS比LTE门限值θLTE高就可能发生切换。当上述条件均满足时,检测当前网络是否有用户接入,目的就是为了确保用户的QoS,连接网络的用户要比没有连接的用户具有更高的优先级。为实现切换,增加了一个持续时间T。当切换发生在当前网络有用户接入时,T时间后,判断RSS<θWLAN或θLTE;当切换发生在当前网络没有用户接入时,切换立即发生,为用户释放网络资源。为减少不必要的切换,一些切换参数需要考虑,像移动终端的速度、带宽、时延、资费和用户偏好等,具体切换流程如图1和图2所示。

3仿真结果及分析

根据LTE和WLAN相关协议规定,假定LTE网络的覆盖半径为1 500m,发射功率为33dBm,载波频率2 000MHz;WLAN的覆盖半径为300m,AP的发射功率为23dBm,载波频率是2 400MHz。信号采样间隔为0.4s,最小距离35m。仿真时,同一个LTE网络的覆盖范围中存在3个WLAN网络,其他参数如表1所示。

表1　LTE和WLAN主要仿真参数

图3　LTE和WLAN的接受信号强度

图4　LTE和WLAN的切换变化

从图3和图4易看出,LTE和WLAN共完成了6次切换,其中在T=87s和T=90s时,完成了2次切换。这两种网络在这一时间段的接收信号强度(RSS)接近,易产生乒乓效应。与传统只考虑RSS单一变量的相比,文中提出的算法考虑到衰落的影响。并从用户的角度出发,利用代价函数计算其他参量的比重。所提算法明显降低了切换次数,验证了本方案在减少“乒乓效应”中发挥的作用,进而提高了QoS,增加用户满意度。

4结束语

文中针对LTE与WLAN的融合建立混合组网模型,充分考虑用户在移动过程中的快衰落与慢衰落效应。仿真结果选取用户在移动过程中的切换次数作为评价参数,进一步论证了所提出的算法在降低“乒乓效应”的作用,使用户对业务的体验达到满意。

参考文献

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[2]MahardhikaG,IsmailM,MatK.Multi-criteriaverticalhandoverdecisioninheterogeneousnetwork[C].London:IEEESymposiumonWirelessTechnologyandApplications(ISWTA),IEEE,2012.

[3]YangP,SunY,LiuC,etal.Anovelfuzzylogicbasedverticalhandoffdecisionalgorithmforheterogeneouswirelessnetworks[C].Nanjing:16thInternationalSymposiumonWirelessPersonalMultimediaCommunications(WPMC),IEEE,2013.

[4]纪晓龙,张静.一种异构无线网络的多属性垂直切换方案[J].上海师范大学学报:自然科学版,2014,43(2):153-158.

[5]柴蓉,肖敏,唐伦,等.异构网络垂直切换性能参数分析及算法研究[J].重庆邮电大学学报:自然科学版,2010,22(1):63-70.

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[7]齐新光,梁俊,肖楠,等.基于模糊多属性综合权重的异构网络选择算法研究[J].现代防御技术,2013,41(6):76-82.

[8]贺昕,李斌.异构无线网络切换技术[M].北京:北京邮电大学出版社,2008.

[9]贺锋.异构无线网络中切换技术研究[D].武汉:华中科技大学,2009.

A New Algorithm for Vertical Handoff Between LTE and WLAN

WANG Ruishan,GUO Mingxiao,HAO Bin

(School of Electronic and Information Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

AbstractIn order to improve the quality of service in heterogeneous networks and reduce the ping-pong effect caused by handover,this paper presents a new algorithm for vertical handoff in LTE and WLAN networks.The algorithm takes into account the fading impact on the received signal strength,selects the target network based on RSS,and then selects the best network according to the user’s mobile speed and the cost function.In the cost function,the analytic hierarchy process is used to determine the weight of the delay and the parameters of the price and the user’s preference.The simulation results show that the vertical handoff algorithm proposed in this paper can effectively reduce the “ping-pong effect” and improve the service quality of the communication network.

KeywordsLTE;WLAN;vertical handoff

中图分类号TN92

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)04-053-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.014

作者简介:王瑞山(1989—),男,硕士研究生。研究方向:无线通信网。

收稿日期:2015- 08- 31