WLAN/LTE异构网络中网络选择优化算法

（1.武汉虹信通信技术有限责任公司，湖北武汉 430074;2.武汉邮电科学研究院，湖北武汉 430074）

WLAN/LTE异构网络中网络选择优化算法

龚 洁1，2，黄 涛1，2，明慧芳1，2

（1.武汉虹信通信技术有限责任公司，湖北武汉 430074;2.武汉邮电科学研究院，湖北武汉 430074）

提出了一种在WLAN/LTE异构网络环境下接入网络选择的优化方案。方案不仅考虑了移动节点中的可用参数和它当前所关联的网络及备选网络，还对异构网络的整体性能进行了优化。介绍了一种基于著名的装箱问题近似解的优化模型和分布式处理信号的方案。最后用模拟器对方案进行了验证，结果表明，相比只根据本地可用信息来进行切换，上述解决方案对网络的性能有明显改善。

IP流的移动性;网络选择优化;异构无线网络;WLAN;LTE

近年来，由于装有多种无线接入技术的多模终端和在相同区域内重叠部署不同网络的比例逐年增多，高效且可扩展的接入网络选择方案正变成每个异构网络环境下非常重要的专题。人们提出了大量的支持移动性异构网络的体系结构。结构设计中很重要的一点是在通信协议栈中，由哪一层来处理移动性管理。可以在单一的无线接入技术的数据链路层来处理，也可以在网络层通过允许移动节点在子网间漫游时，固定其IP地址的方法来处理。在传输层和应用层也存在相应的处理办法。

结构设计的其他方面还有:方案中是否允许节点同时连接到多个无线网络，是基于主机还是基于网络来决定切换，移动节点是否涉及与移动性相关的信号，IP通信协议栈是应该被保持还是需要有所修改。

IEEE，3GPP，IETF等标准化机构一直在积极地将移动性支持和网络选择机制引入到他们的标准中。IEEE发布了名为IEEE 802.21［1］的“媒体独立切换业务”标准，同时，3GPP也正要为此结构增加一个“接入网发现与选择功能”（ANDSF）的名称［2-3］。IETF支持以上两者的机制。

虽然标准化机构都在努力地支持通信节点的移动性，但是不管是IEEE 802.21标准还是3GPP的标准，都仅仅依据运营商提供的规则和关于无线网络的一些静态拓扑结构信息，来支持移动节点的网络选择功能。而对网络的一些动态信息如网络负载的浮动等，都没有考虑。

本文提出并验证了一种为移动节点及其每个数据流进行网络选择的方案。数据流依据终端的性能和网络的负载情况，被动态地分配给不同的无线接入网络。从而使异构网络或移动覆盖网络的整体性能得到较大的优化。

1 建议的解决方案

1.1 移动性体系结构

本文中提出的解决方案，是建立在称为相对网络负载（RNL）的流量负载指标的定义［4］和基于端口的多宿主移动IPv6的体系结构之上［5］（见图1）。

在上面的结构中，移动节点采用集中式的路由器（本地代理），来注册它们当前所连接网络的IP地址CoAs（Care of Addresses），同时，在本地代理的子网中，也为每个移动节点分配了一个IP地址HoA（Home of Address），HoA被上层当作移动通信的终结点标识来使用，当移动节点从一个网络漫游到另一个网络时，这个地址是不会发生改变的。

图1 解决方案的体系结构

注册消息通过绑定更新（BU）消息来发送，并用绑定确认（BAcks）消息来进行确认。本地代理中保存了一张CoAs与HoAs的映射表，数据流从移动节点传输到本地代理中，这样移动节点和本地代理的IP堆栈就对数据流进行了封装和解封装的处理。

移动IPv6的标准已经包含了路径覆盖优化的内容，方法是允许移动节点和通信节点发送BU消息。在这种情况下，双向隧道也可以与这些通信节点建立连接，从而允许数据流绕过本地代理，直接路由到任何支持移动IPv6标准的通信节点中。

RNL指标反映了无线接入网的网络负载情况，它通过移动IPv6的BU消息和BAcks消息来计算，也作为测量时延和抖动的探测数据报。计算RNL的公式为

式中:Si表示BU消息i的发送时间;Ri表示BAcks消息i到达的时间;c和h是正实数常量，其中h确定加权平均计算的历史记录窗口，c确定相较于抖动值RTT的权重。变量

方案中使用的移动IPv6多宿主版本中，覆盖移动节点的所有网络并行发送BU消息，这样就可以计算出每个移动节点的每个可用网络的RNL值。

1.2 网络选择方案

图2 增加了M和S标识且包含RNL值的BU消息头结构

方案中增加了一个数据流的移动性选项（见图3），这种选项的加入，是为了使移动节点能够指定可发送BU消息的网络，来发送不同种类的数据流（通过不同的端口和协议来标识）。方案中为该选项增加了一个R标识，以便移动节点可以通知本地代理保持其当前的网络绑定状态，而不考虑其当前连接的网络是否是异构网络中最优的接入网。当移动节点中存在某种数据，必须要通过特定的网络来传输时，这种R标识是非常有用的。

图3 增加了R标识的流移动性选项

表1列举了本地代理中一个绑定缓存表的例子，绑定缓存表是一张从本地代理传输数据流到目的节点的路由映射表。归属地址（HoA）是上层作为端点标识的固定IP地址，而转交地址（CoA）则是移动节点当前所连接的网络IP，是动态分配给节点的一个临时IP。多宿主移动IPv6允许多重绑定。表1中列举了三种绑定:一种用于6935端口的TCP通信，一种用于7830端口的UDP通信，还有一种是标识为“-1”的默认绑定，当在表中没有协议和端口对应的组合时，业务流就通过这种默认绑定的线路来发送。生命周期表示某一特定的绑定必须保持多长时间，同时要允许软状态的处理。移动节点可以发送绑定刷新请求（BRR）来延长每个绑定的生命周期。

表1 绑定缓存表

通过发送含有RNL值的BU消息，本地代理就可以知道每个无线网络的所有移动节点的值，从而通过对它们的处理，来对整个异构网络进行优化。

2 优化步骤

本章描述了网络选择的优化算法，算法的核心思想是允许本地代理对所有可用的无线网络分配数据流，以达到异构网络之间负载的均衡。

算法是一个近似解决“装箱问题”的方法，是一个著名的“NP-Hard”优化问题。在装箱问题中，如果它在装物品a时只依据物品a本身的信息，而不需要利用在a之后到达的物品信息时，称这种启发式算法为在线（on-line），反之，则称为离线（off-line）。用在线的背包问题模型，来分配新收到的数据流到最优的无线网中，同时最小化异构无线网络中所有流的RNL值的总和。

下面介绍网络选择（ANS）问题的定义。

发送端移动节点给数据流分配网络的算法如下:

1）移动节点依据式（1）～（5），计算其在每个无线网络上的RNL值。

2）移动节点为数据流选择使RNL值最小的无线网络进行发送。同时将移动信号中的数据流连同RNL值一起，发送给本地代理（即流移动性选项）。如果移动节点不接受本地代理为数据流的发送所选择的网络，则设置R标识。

3）如果R标识没有被设置，本地代理将进行全局的优化，并最终选择一个最优的移动节点可用的网络来传输数据流，以达到负载的均衡。

接收端对收到的数据流的处理如下:

1）如果数据流已经存在一个绑定，本地代理会查找绑定缓存表。若查找到，则此绑定就用来传输与该数据流相关的数据报。

2）否则，本地代理为目的节点查找默认路径（在移动信号中标识为“-1”）。本地代理可能会考虑使用这种默认的路由，但是也可能进行全局的优化，并依据优化结果，选择使用另外一个网络。绑定被最终确定之后，本地代理会将它存入绑定缓存表中，以便后续的数据报按照相同的路由来发送。

3 模拟仿真

本文模拟了一种WLAN和LTE组成的且有重复覆盖区域的异构无线网络环境（如图4所示）。时延和抖动的值都来自于模拟器中的仿真数据。

图4 模拟模型

模拟中有3种类型的移动节点:1）装有WLAN以及LTE无线接入技术芯片的多模终端;2）LTE单模终端;3）WLAN单模终端。

使用了两种类型的数据流:1）IP电话（VoIP），采用G.729A 编解码器，8 kbit/s，100 packet/s;2）一般 IP 流，基于TCP的文件检索，应用层码率为100 kbit/s。

每个移动节点都能建立一个IP拨打或普通IP流的均匀分布。所有的这些业务最终都会被传送到有线网络的一个服务器中。

语音呼叫按照期望值为3 min的泊松分布到达。利用马尔科夫开/关模型来对语音拨打进行静音抑制，模型中突发语音服从期望值为20 s的指数分布，而静默期服从期望值为10 s的指数分布。一般IP流按照期望值为5 min的泊松分布被发送。

每种无线接入技术的RNL值、正在进行的VoIP呼叫数量及一般IP流的数量等，都由模拟器分别计算出来。常数c和h都设置为1，LTE网络使用了频分复用（FDD）配置，为上行和下行都分配了3 MHz的带宽，而WLAN网络的传输速率设置为54 Mbit/s。

使用软件来演示模拟过程，到达率λ={0.5，1，1.5，2，2.5，3，3.5，4，4.5，5}用户数/min，每个到达率分别模拟100次。模拟持续了1 800 s，但是只收集了最后900 s的结果。收集的结果包括每个网络的RNL加权平均值和MOS值小于2.0的语音呼叫的比例。

4 结果描述

3种网络选择策略:1）移动节点只要在任何一个WLAN接入点的覆盖范围内，就直接使用WLAN网络;2）移动节点使用RNL值最小的网络，选择哪个网络仅仅依据移动节点自身计算的RNL来决定;3）移动节点在所有可用的网络中测量RNL值，并将这些RNL值发送给本地代理，由本地代理来决定将新收到的数据流发送到哪个无线网络。

从仿真工具中获得的WLAN和LTE的RNL值分别显示在图5和图6中。从图中可以得知，当普通IP业务流的数量大于5时，在LTE中的RNL值要高于在WLAN中的。而发送语音拨打业务到LTE中时，RNL值一直处于较低的水平。

接下来比较3种不同的策略，图7中显示了VoIP被分配到WLAN中的比例与到达率λ的分布。图8中显示了MOS值小于2.0的VoIP的比例与到达率λ的分布。图7中的结果清晰地说明了使用RNL值来决定网络的选择，比使用现在很多手机所用的策略要好。此外，允许本地代理来对数据流进行网络分配，则会使整个网络性能得到很大的提高。

图7 3种策略中被分配到WLAN中的VoIP的比例与到达率的分布

图8 3种策略中MOS值小于2.0的VoIP的比例与到达率的分布

以上使用时延和抖动值来计算RNL的原理，是基于网络负载越高，时延和抖动值越高的理论。由于WLAN和LTE使用共享的隧道，所有数据流都竞争使用共同的资源。从而使RNL值可以反映每个无线网络的负载情况。在本方案中，信号的头部已经被最小化，这是因为重复使用了一些移动信号，如移动IPv6协议的BU消息和BAck消息等。

本文中的网络选择方案算法中，没有使用无线接入网的特殊接入参数，如最大容量、典型的信噪比强度等。在大幅度提高异构网络整体性能的同时，本方案简化了具体实施的难度，充分体现了算法的有效性和实用性。

:

［1］IEEE802.21，Local and metropolitan area networks:Media independent handover services［S］.2009.

［2］3GPP TS 23.402，Architecture enhancements for non-3GPP accesses［S］.2010.

［3］3GPP TS 24.302，Access to the 3GPP evolved packet core（EPC）via non-3GPP access networks［S］.2010.

［4］AHLUND C，BRANNSTROM R，ZASLAVSKY A.Traffic load metrics for multihomed mobile IP and global connectivity［J］.Telecommunication Systems，2006，33（1/2/3）:155-185.

［5］BRANNSTRAM R，AHLUND C，ANDERSSON K，et al.Multimedia flow mobility in heterogeneous networks using multihomed mobile IP［J］.Journal of Mobile Multimedia，2007，3（3）:218-234.

Optimization Algorithm of Network Selection in WLAN/LTE Heterogeneous Network Environment

GONG Jie1，2，HUANG Tao1，2，MING Huifang1，2

（1.Wuhan Research Institute of Posts＆Telecommunications，Wuhan 430074，China;2.Wuhan Hongxin Telecommunication Technologies Co.，Ltd.，Wuhan 430074，China）

In this article，a new access network selection procedure is proposed and evaluated in such a combined WLAN/LTE environment.The proposed solution takes not only parameters available in the mobile node and its current and candidate access networks into account，but also performs an optimization on the heterogeneous wireless network level as well.An optimization model based on an approximate solution to the well-known bin packing problem is presented.Also，there is a signaling scheme for distribution handling presented.Results from simulations performed in modeler show improvements compared to basing handover decisions on locally available information only.

IP flow mobility;optimized access network selection;heterogeneous wireless networks;WLAN;LTE

TN929.5

A

【本文献信息】龚洁，黄涛，明慧芳.WLAN/LTE异构网络中网络选择优化算法［J］.电视技术，2013，37（3）.

新一代宽带无线移动通信网国家科技重大专项（2010ZX03001－001－02）

龚 洁（1987— ），女，硕士生，主研无线通信及软件;

黄 涛（1970— ），硕士生导师，总工程师，主研无线通信;

明慧芳（1979— ），女，硕士，副总经理，主研无线通信及软件。

责任编辑:许 盈

2012－06－10