异构无线网络资源管理与切换控制技术*

章广梅，郑友亮，童惠祺，肖汝迪

(1.中国电子科技集团公司第七研究所,广州 510310；2.广东省科技基础条件平台中心，广州 510033；3.北京邮电大学 信息与通信工程学院，北京100876)

0 引 言

短波通信和超短波通信由于其抗毁性强、传播距离远等优点，被广泛用于军事领域[1]。然而，短波与超短波通信也有不足之处：首先，短波与超短波通信数据传输速率低，这是由于短波与超短波通信中可用带宽窄、频谱效率低；同时，短波与超短波通信的时延较大，无法满足目前新兴的一些低时延业务。而移动宽带网络等宽带移动通信网络则拥有较高的数据传输速率与较低的时延[2]，正好可以弥补短波通信与超短波通信的不足，因此有必要研究短波超短波通信网络与移动宽带网络的融合。不仅如此，在军事领域中，经常会出现某种网络被人为破坏的情况，此时需要用户从一种网络中迅速切换至另一种网络。这更加说明研究短波、超短波通信网络与移动宽带网络的异构网络融合的重要性。

异构无线网络融合首先要考虑的是网络之间的垂直切换问题[3]。由于用户的移动性以及业务的多变性，用户需要随时切换到其他网络中，此时需要保证切换的低时延以及切换到最适合当前业务的网络中。垂直切换的算法有很多不同的设计方法：在文献[4]中，作者将切换时异构网络的选择设计为一种多属性决策问题，根据不同网络的性能区别对异构无线网络中的各个参数进行自适应加权，最终选择最优网络；在文献[5]中，作者考虑了通用无线分组业务(General Packet Radio Service，GPRS)、无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)、全球微波接入互操作性(World Interoperability for Microwave Access，WiMAX)和通用移动通信系统(Universal Mobile Telecommunications System，UMTS)这四种网络，根据通信成本、丢包率、带宽和时延这几个网络参数，利用熵权法计算了各网络属性集的权重，对网络进行排序后选择最优网络。

无线资源的管理也是异构网络融合需要考虑的问题[6]。传统上，资源分配被设计为最大限度地将信息成功地传输给网络中的用户。然而，传统的资源分配方式将无法满足如今无线通信中各种应用所需的海量数据的需求，频谱的稀缺性要求有效的无线资源管理。因此，有必要设计资源分配技术来优化整个系统的性能指标，如系统吞吐量、频谱效率和服务质量(Quality of Service，QoS)等。在文献[7]中，作者提出了一种联合资源分配方法，根据用户的数据速率要求对用户进行分类，然后控制器根据可用资源决定应该分配给每个用户的带宽数量，从而提升系统整体的吞吐量。在文献[8]中，作者提出了一种可以最大化小区频谱效率与能量效率的资源分配方法，用二分搜索算法构造并求解随机优化问题，通过对每个小区的功率阈值、基站密度、基站功耗和带宽划分进行不同的设置，显著提高了小区整体的频谱效率与能量效率。

综上所述，异构无线网络融合的研究主要着重于垂直切换与资源管理等方面，但目前已有的研究中，垂直切换方面只考虑了各网络参数在各网络中的权重，没有考虑网络参数在不同业务类型下的主观权值；资源管理方面则仅对系统吞吐量和频谱效率等进行了优化，而如今的业务对传输时延、连接数、可靠性等指标需求也提出了要求，现有技术无法针对多样化需求的业务进行资源的分配。此外，当无线网络发生状况或用户业务需求发生变化时，现有技术无法快速及时调整资源的分配，以避免网络过载或资源供应过剩情况的发生。

针对上述问题，本文主要研究短波通信网络、超短波通信网络与移动宽带网络的融合，主要贡献如下：利用虚拟网络与资源切块技术，提出了异构融合网络的无线资源管理方法；设计了一种异构网络垂直切换的算法，利用层次分析法与熵权法得到各网络参数的综合权值，加权得到各网络的效用值并依此选择最优网络；设计搭建了短波网络、超短波网络与移动宽带网络的异构融合网络系统级验证平台，综合评估了异构网络在正常状态与突发情况下的性能，验证了所提的资源管理方法与切换算法的有效性。

1 异构无线网络关键技术

1.1 资源管理

本文中设计的异构无线网络将移动宽带网络、短波、超短波子网中各自的无线资源以最小单位的逻辑进行拆分，将拆分出来的所有资源统一管理形成资源库。资源库中的同种资源或不同种资源均可以进行重新组合形成资源切块以进行分配。

异构网络中设有三种虚拟网络：第一种为针对语音业务的虚拟网络，即语音虚拟网络，性能需求为足够低的时延和丢包率；第二种为针对视频业务的虚拟网络，即视频虚拟网络，需要提供足够快的传输速率；第三种为针对缓存流业务的虚拟网络，需要提供的传输速率小于视频虚拟网络，但需要较低的丢包率。

在资源调配前，需要先将网络中的资源映射为虚拟资源池。首先，中央枢纽节点的信息收集模块周期性向所有的网络节点发送无线网络测量信息，并将网络节点反馈的无线网络信息存储于数据存储模块中。之后，中央枢纽节点中的资源虚拟化模块，根据数据存储模块中的无线资源和缓存资源，使用不同的虚拟化策略对收集到的各种资源信息进行分割、重组，形成逻辑上具有不同特征的虚拟资源池。

对于无线资源的虚拟化，根据搜集的各网元节点的无线资源信息进行节点资源分类标识，并以最小不可分割单元的形式即资源块的形式重组为具有统一形式的虚拟无线资源池。无线资源表示为U×N的矩阵R，其中，U为终端的数目，N为网络节点可调配资源块的数量。每行为各个终端设备，每列为可调配的资源块，矩阵中的每个元素使用0/1编码，表示资源块的调配情况，0表示该网络资源块未被调配给相应的终端设备，1则表示该资源块已经被调配给相应的终端设备。

资源分配时，根据网络中各虚拟网络的优先级以及虚拟网络的需求性能指标从资源库中以资源切块作为基本单位划分资源给各个虚拟网络。具体地，对于需求足够低的时延与丢包率的语音虚拟网络，优先分配资源库中的短波资源切块；对于需要提供足够快的传输速率的视频虚拟网络，优先分配资源库中的移动宽带网络资源切块；对于需要提供较快传输速率与较低丢包率的缓存流虚拟网络，优先分配资源库中的超短波资源切块。虚拟网络间的资源分配流程如图1所示。

图1 虚拟网络间资源分配流程图

从资源库中划分资源给各个切片后，还需要在每个虚拟网络内调度资源给切片内的各个用户，资源调度流程如图2所示。与为虚拟网络分配资源时一样，资源是以资源切块作为基本单位调配给用户的，同时，调配时按照用户的优先级顺序分配资源，用户的优先级可以是一开始指定好的，也可以是根据感知到的用户业务的性能需求来确定的。在本文的验证中，优先根据用户的业务类型进行排序，在用户业务类型相同的情况下再依据指定好的用户顺序进行用户优先级的排序。

图2 虚拟网络内资源调配流程图

1.2 切换控制

为了模拟现实中网络被破坏的情况，本文中的异构网络在某些时刻会将某子网设为不可用，这种情况下，接入该子网的用户需要切换至其他子网。同时，网络中用户的移动性以及业务大小的随机性也会影响用户的通信质量，此时也需要用户进行子网间或是子网内的切换，使得网络的整体性能达到最佳。因此，本节主要介绍异构网络中的用户切换设计。

用户在进行切换时，首先判断是否需要进行子网间的切换，此时网络枢纽节点根据可用网络列表中的网络属性数据进行服务质量感知，在可用网络中选择最优网络进行切换，具体步骤如下：

Step1 网络选择模块的计算单元根据网络中不同业务类型，即会话类语音业务、会话类视频业务和缓存流业务，确定可用带宽、吞吐量以及丢包率这三个参考网络属性在不同业务类型下的主观权值矩阵：

(1)根据不同的业务类型，构造相应的层次分析判断矩阵A=(aij)l*l，其中aij表示属性对业务类型的重要程度，按照1～9标度法则进行赋值，aij越大说明属性i比属性j越重要；

(2)采用特征根法计算各个属性的权重值λmax，得到相应的特征向量ω；

(3)对权重结果进行一致性检验，若一致性比率小于或等于0.1时，矩阵的一致性即满足要求。

Step2 网络选择模块的计算单元利用各个无线接入点上传的实际网络侧数据确定客观权值，网络内使用熵权法，具体如下：

(2)对各类数据进行归一化处理，包括但不限于最大最小归一化方法等，归一化后的各参数值为xij；

(3)根据如下公式确定各类参考属性的熵值：

(1)

(2)

式中：gij为网络i中第j项参数在所有备选网络中的比重；ej为第j项网络性能参数指标的熵值；n为可用网络的个数；k为常数值，且k=1/ln(n)；

(4)根据如下公式利用熵值计算各个参考属性的权值sj：

(3)

(4)

Step3 计算单元通过设定的加权因子，利用主观权值和客观权值计算综合权值：

Wj=α·ω+(1-α)·sj。

(5)

式中：Wj为综合权值；α为加权因子。

Step4 选择模块的网络判断单元利用简单加权法，根据上一步计算的综合权值，得到各个网络的效用值，若备选网络中的最大效用值等于当前接入网络的效用值或者其比率小于设定的阈值，则终端停留在当前接入网络，否则选择效用值最大的网络为接入网络进行切换，具体方法如下：

(6)

(7)

(8)

式中：Fi为第i个网络的效用值；Fmax为所有备选网络中最大的效用值；Fcur为当前接入网络的效用值；Fbest为最终选择接入网络的效用值。

在用户切换至最优子网后，用户还需要进行子网内的切换，此时，用户需要计算自己与子网内所有基站之间的参考信号接收功率(Reference Signal Receiving Power，RSRP)值，选择RSRP值最大的基站进行接入。至此，用户的整个切换流程结束，在下一个切换周期时再次重复此流程。

2 验证平台设计

本文中异构网络验证平台分为移动宽带子网、短波子网和超短波子网三个子网，在平台中三个子网共存，共同服务网络中的所有用户。平台中的用户依据平台枢纽节点的指令被分配到一个子网进行通信或者进行子网间的切换。本节主要介绍平台整体的拓扑结构、业务模型以及各个子网的信道模型和验证假设。

2.1 拓扑结构

验证平台以移动宽带子网为基础搭建，移动宽带子网的拓扑结构如图3所示。平台采取蜂窝网络结构，共有7个小区，小区半径为1 000 m，每个小区分为3个扇区，共21个扇区，每个扇区中10个用户，用户在扇区范围内均匀撒点。

图3 移动宽带子网拓扑结构

异构网络验证则是在此基础上加入了短波子网与超短波子网，短波子网与超短波子网各设置一个基站在网络的正中央。由于三个子网的通信频率互不重叠，因此子网间不存在干扰。异构网络平台的拓扑结构如图4所示。同时，将移动宽带子网中小区数量减少为3个，并且设置中央控制节点对所有基站进行控制。关于平台中带宽的设置，移动宽带子网的带宽为5 MHz/扇区，短波子网的总带宽为5 MHz，超短波子网的总带宽为25 MHz。

图4 异构网络验证平台拓扑结构

2.2 信道模型

平台中移动宽带子网的信道模型设计参考的是3GPP标准，其中路径损耗的公式如下：

L=40(1-4×10-3Δhb)lg(R)-18lg(Δhb)+21lg(f)+80。

(9)

式中：L为路径损耗，单位为dB；Δhb为基站天线相对于平均建筑物顶部的高度，单位为m；R为基站和终端之间的距离，单位为km；f为载波频率,单位为MHz。

除了路径损耗，平台中还考虑了穿透损耗与阴影衰落。

短波子网的传输损耗计算采用改进后的Okumura-Hata经验模型，具体公式如下：

LHF=147.15+18.93lg(f)-6.68lg(ht)-α(hr)+

[44.9-6.55lg(ht)]lg(d)-K，

(10)

α(hr)=[1.1lg(f)-0.7]hr-[1.56lg(f)-0.8]。

(11)

式中：LHF为路径损耗，单位为dB；f为载波频率,单位为MHz；hr为接收天线有效高度，单位为m；ht为发送天线有效高度，单位为m；d为基站和终端之间的距离，单位为km；K为使用地区环境的修正系数；α(hr)为接收高度修正因子。

超短波子网的传输损耗计算采用Okumura-Hata经验模型，具体公式如下：

LVHF=69.55+26.16lg(f)-13.82lg(ht)-α(hr)+

[44.9-6.55lg(ht)]lg(d)-K。

(12)

式中：LVHF为路径损耗，单位为dB；其余变量含义与式(10)和式(11)相同。

2.3 业务模型

在3GPP的标准中，定义了9种不同的业务类型，本文选取其中的3种业务类型进行仿真，分别是会话类语音业务、会话类视频业务和缓冲视频业务。每种业务的业务周期、业务大小以及丢包率和时延的要求见表1，其中业务为周期性业务，业务大小服从均匀分布。

表1 终端业务类型

2.4 平台流程

平台包括控制节点、基站节点和用户节点三部分，其中控制节点包括参数初始化模块和全局定时模块两部分，基站节点包括基站无线资源管理模块，用户节点包括用户无线资源管理模块和用户移动性模块。平台流程如图5所示。

图5 异构网络验证平台流程

2.5 验证场景

场景参数见表2。

表2 场景参数

3 结果与分析

本文利用搭建的异构无线网络系统级平台进行验证。验证主要分为两个方面：首先是网络正常状态下异构无线网络平台的基础性能评估，将文中设计的异构网络的系统性能与单移动宽带网络和资源随机分配的异构网络的系统性能进行对比，说明了网络的融合对用户服务质量的提升有很大帮助，同时证明了本文设计的资源分配方法可以提高各类型业务的业务满意度；之后对突发情况下异构无线网络的性能进行了验证，模拟现实中网络被破坏的场景，将部分用户的移动宽带网络设为不可用状态，研究这种状态下文中设计的异构网络与无垂直切换的异构网络的系统性能差异，说明了本文设计的异构网络中用户的垂直切换是可行的并且可以有效应对突发状况。

3.1 异构无线网络基础性能

首先对网络正常状态下的异构无线网络性能进行评估，评估的性能为不同类型业务的业务满意度。若网络在传输过程中满足某用户业务的时延、丢包率等性能需求(各业务的性能需求见2.3)，则视为满意，统计每种业务下所有用户中满意用户的比率，记为业务满意度。验证时对比三种平台的性能：第一个为单移动宽带网络平台；第二个为异构网络平台，但平台中的资源分配方式为每个资源块随机分配；第三个为使用本文设计的资源分配方式的异构网络平台。验证结果如图6所示。

图6 不同平台中各业务的业务满意度对比

从图6中可以看出，相比于单移动宽带网络，资源随机分配的异构网络中各业务的满意度有少量提升，这是因为异构网络中拥有短波资源与超短波资源，缓解了移动宽带网络的负载压力。同时，使用本文设计的资源分配方法异构网络可以使语音的业务满意度提高到100%，使缓存流的业务满意度提高到96.78%。这是因为本文设计的资源分配方法中资源根据业务的性能需求进行调配，更容易满足业务的性能需求。而对于视频业务，由于短波与超短波的传输速率低，无法完全满足视频业务的性能需求，因此本文设计的异构网络对视频业务的满意度提升影响很小。

3.2 突发情况下异构无线网络性能

本节进行了网络突发状况下的网络验证，在运行到一半时将部分用户的移动宽带网络设为不可用状态，用于模拟现实中网络被破坏的场景。验证比较了本文设计的异构网络与无切换的异构网络在突发状况下的各子网用户占比与各业务的满意度的差异，验证结果如图7和图8所示，其中，图7为10%用户移动宽带网络不可用时的仿各子网用户占比，图8为10%用户移动宽带网络不可用时各业务的业务满意度。

(a)无垂直切换的异构网络各子网用户占比

图8 突发情况下各业务的业务满意度

从图7中可以看出，没有垂直切换的异构网络在突发情况下会有部分用户变得无法通信，而本文设计的异构网络在10%用户移动宽带子网不可用时可以将这部分用户切换到其他子网，从而应对突发状况。从图8中可以看出，本文设计的异构网络在突发情况下各业务满意度均高于无垂直切换的异构网络，说明了本文设计的异构网络中用户的垂直切换是可行的，并且可以有效应对突发状况。

4 结 论

本文首先提出了一种异构网络的无线资源管理方法，并针对异构网络中子网间的垂直切换问题设计了一种异构网络垂直切换算法，该算法根据各网络的网络参数以及用户业务的性能需求计算出最适合此用户的网络；之后，设计了异构网络系统级验证平台，验证结果证明了本文中设计的异构无线网络的有效性，为后续异构无线网络的研究提供了参考。