SDN架构下5G通信网络垂直切换算法

凌 云，曹 军

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210000）

0 引 言

未来5G通信网络正朝着泛在化、全IP化以及同时支持多业务的方向快速发展，特别是移动电话的发明和第一代模拟蜂窝通信网络的成功商用，开启了多种接入方式融合的复杂网络[1]。5G通信网络提供越来越高速的数据服务，涵盖各种业务模式和业务系统，但其自身仍有不足，不能很全面地满足所有用户的通信网络需求。根据不同的网络背景和接入技术，用户在终端接入的异构网络之间切换，这种切换方式称为垂直切换[2]。作为研究SDN架构的基础和关键技术，垂直切换可根据切换前后接入网络覆盖面积的大小分为上行垂直切换和下行垂直切换。针对传统PM算法切换时延大的缺点，本文以垂直切换算法与现有PM算法的优劣对比，提出了一种基于SDN架构的5G通信网络垂直切换算法。仿真实验的结果表明，该垂直切换算法可以大幅降低切换时延，也能够保证选网准确。

1 SDN架构与垂直切换算法概述

软件定义网络（Software Defined Network，SDN）是网络通信领域近几年才兴起的一项新技术，其工作原理为在不改变传统IP数据包转发行为的基础上采用集中控制的新型网络架构，通过集中化管理调度和开放可编程等方式，将传统数据转发设备中的功能分离为数据转发功能和逻辑控制功能，来达成数据层与控制层的解耦，使数据转发及设备管理更加高效灵活[3]。在5G通信网络中，实现网络之间的切换和漫游有两种技术可供选择，一是网络选择技术，二是垂直切换技术。当前的垂直切换技术能够以多模多频的形式，通过不同的无线接入技术整合到同一个移动终端上，使移动终端可以成功应用于5G通信网络。垂直切换相较于网络选择技术终端性能更优，具备同时访问多个网络的能力。执行垂直切换过程会涉及到切换发起阶段、切换判决阶段以及切换执行阶段3个阶段[4]。

2 5G通信网络垂直切换算法设计

本文设计的5G通信网络垂直切换算法采用改进的COST-231Hata模型作为量化模型，对不同环境因素进行科学估算，进而准确修正量化模型。

量化模型的准确性受环境影响很大，且不同的测试区域和环境属性对量化模型准确性的影响也不同[5]。基于此，本文对传统COST-231Hata传播模型进行了改进，针对不同测试区域和不同环境属性的综合影响，对该量化模型进行准确描述。量化模型为：

式中，Pr为终端接收功率，Pr1为接收地在基站天线状态正常情况下1 km处的接收功率，γ为距离衰减因子，d为收发天线间水平距离，α0为—终端收发修正因子，GAREA为传播环境修正因子。α0的计算公式为：

式中，h1为基站实际天线高度，htREF为基站发射功率，Pt为基站天线增益，PtREF为测量Pr1和γ时的基站天线高度，Gt为测量Pr1和γ时的基站发射功率，GtREF为测量Pr1和γ时的基站天线增益。d取1 km，f0取850 MHz，n由f和f0决定，即：

该量化模型的优点在于根据实际测量值可以随时调整其算法中的参数，适合5G通信网络的传播环境，大大提高了拟合的准确性。此外，该模型还具有计算效率更高及路径损耗预测更为简易等特征，对于更加海量的数据该模型也能够计算和分析。基于海量5G通信网络测试数据动态计算量化模型中的环境修正因子，并使用动态修正，以提高传播模型垂直切换算法的精度。

3 仿真实验

3.1 实验准备

通过MATLAB平台评估5G通信网络的垂直切换算法性能，采用Windows10版本装有3.60 MHz双核处理器的计算机，主机服务器配备267 GB内存、2×4 Intel Xeon 3.00 GHz处理器，系统的服务区域内存在5个网络，分别为WiMAX、WCDMA、WLAN1、WLAN2及WLAN3。其中，WiMAX移动范围覆盖最大，WLAN的覆盖范围最小，这几种网络在服务区内存在多处重叠，分布情况如图1所示，网络参数如表1所示。

图1 仿真网络分布场景图

表1 网络参数表

移动终端长期处于一种低速运动的状态，移动终端的运动方向会在用户的一次业务类呼叫过程中一直保持不变，但终端业务会从会话类、交互类、流类及后台类4种业务中随机选取一种。观察在此过程中不同类型点的位置，预切换机制中的各参数设置如下，终端当前接入网络的衰减参考距离d0=1 m，该处的信号强度P(d0)=3.16×10-6dBm，平坦信道的衰落指数β=2，而终端切换至目标网络的时延tz=0.2 ms，并将传统PM算法与垂直切换算法进行对比。

3.2 实验结果

切换时延指的是从切换开始直到完成这一网络成功切换过程花费的总时间。根据图2和图3的结果分析，与没有考虑业务区别的传统PM算法相比，垂直切换算法综合考虑多业务对通信网络的不同要求，使得切换判决更加准确合理，一定程度上降低了切换发生时不可避免的切换时延。由图3可知，业务达到率的不断增加意味着两种不同算法的切换阻塞率都在增加，但是垂直切换算法的切换阻塞率低于PM算法。在使用用户人数较少时，网络可用的带宽充足，两种算法的接入阻塞率都接近于随着用户人数的增加而增大，但是PM算法只是单纯选择了网络信号强度RSS最大的网络进行切换，垂直切换算法更加符合实际的应用场景。

图3 切换阻塞率

图2 切换时延

该仿真实验将垂直切换算法与现有的算法进行性能对比，能够得出垂直切换使用户和网络的效用提升，保证基础业务的持续通信，且提前了切换判决的分析过程，降低了选网耗时，有效提升选网效率，在5G通信网络中具有有效性和优越性。

4 结 论

SDN架构下5G通信网络垂直切换算法的设计融合了SDN架构的优势，对5G通信网络的垂直切换进行编排，提高了数据转发效率，提升了网络服务质量，且增强了设备管理的灵活性。但此算法仍然存在一定的不足，为此在今后的研究中会对网络垂直切换算法进行深入分析，进一步提升5G通信的效率。