基于QoS保證的負載均衡頻譜決策算法

趙智濤,董 旭,王 霞,江 汀,魏勝群

(1.解放軍理工大學通信工程學院,江蘇南京210007;2.中國電子系統(tǒng)設備工程公司,北京100141;3.西安通信學院,陜西西安710106;4.中國人民解放軍61855部隊,北京100088;5.中國衛(wèi)星海上測控部,江蘇江陰214400)

0 引言

頻譜資源的固定分配模式和利用率低下制約著無線通信的發(fā)展,1999年Mitola博士提出的“認知無線電(Cognitive Radio,CR)”[1]為解決這個問題提供了新的機遇。認知無線電可以通過頻譜感知,使終端動態(tài)的接入頻譜空洞,從而提高頻譜效率。另一方面,有著不同空中接口的多種無線接入網并存的局面,使得無線資源在各個無線接入網間不能得到動態(tài)有效的配置和利用。針對這個問題,IEEE 1900.4標準化組利用認知無線電技術提出了“異構無線網絡環(huán)境下分布式無線資源利用率優(yōu)化的決策架構”[2]。該架構為多無線接入網之間的融合提供了依據(jù),也為頻譜資源的有效利用提供了基礎。

在IEEE 1900.4架構的基礎上,通過設計快速有效的頻譜決策算法可以實現(xiàn)異構無線網絡間的頻譜資源的有效利用,進而提高網絡整體性能。下面首先對IEEE 1900.4標準進行簡要介紹,然后針對IEEE 1900.4標準中的分布式無線資源利用率優(yōu)化場景,設計基于QoS保證的負載均衡算法,最后通過仿真驗證算法對網絡性能的提升。

1 IEEE 1900.4標準

IEEE 1900.4標準旨在異構無線網絡環(huán)境下,通過定義適當?shù)捏w系結構和協(xié)議以及網絡—終端間的交互信息,實現(xiàn)分布式無線資源利用率的優(yōu)化,以改善無線系統(tǒng)的全局性能和QoS。為此該標準定義了其系統(tǒng)的組成,包括網絡資源管理、終端資源管理和系統(tǒng)模塊間的交互信息,用以實現(xiàn)網絡—終端間的協(xié)作和分布式決策,其系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構

其中運營商頻譜管理(Operator Spectrum Manager,OSM)、網絡重構管理(Network Reconfiguration Manager,NRM)、接入網重構控制(RAN Reconfiguration Controller,RRC)和接入網測量收集(RAN Measurement Collector,RMC)為網絡資源管理實體。OSM負責控制NRM動態(tài)制定頻譜分配決策。RMC負責收集無線接入網(Radio Wireless Network,RAN)的上下文信息并提供給NRM。NRM負責管理網絡和終端進行分布式頻譜利用率的優(yōu)化。RRC負責根據(jù)NRM的重構請求控制RAN重構。

終端重構管理(Terminal Reconfiguration Manager,TRM)、終端重構控制(Terminal Reconfiguration Controller,TRC)和終端測量收集(Terminal Measurement Collector,TMC)為終端資源管理實體。TMC負責收集終端的上下文信息并提供給TRM。TRM負責根據(jù)NRM的決策、用戶喜好和相應上下文信息管理終端進行分布式頻譜利用率優(yōu)化。TRC負責根據(jù)TRM的重構請求控制終端重構。

無線使能器(Radio Enabler,RE)是NRM和TRM之間的邏輯信道。RE可能是映射到1個或多個進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腞AN的帶內信道,或是1個或多個專屬RAN的帶外信道。

此外,IEEE 1900.4標準還詳細定義了其功能需求和功能結構,信息模型以及基本協(xié)議流程,并描述了其應用場景和部署案例,用以幫助系統(tǒng)架構實現(xiàn)分布式頻譜資源利用率的優(yōu)化。

2 負載均衡算法

IEEE 1900.4標準對異構無線網絡環(huán)境下的分布式頻譜決策框架進行了詳細定義,此外,很多學者也對頻譜決策的框架進行了研究[3,4],但都沒有涉及具體的頻譜決策算法。

實際在多種無線接入技術并存的系統(tǒng)中,主要問題是頻譜利用率的不均衡,垂直切換就是解決這個問題的重要途徑[5]。而認知無線電技術則改變了垂直切換中終端被動響應的局面,使得終端可以動態(tài)選擇接入的網絡。無論垂直切換還是動態(tài)頻譜接入最終的目的都是達到多無線接入網間的負載均衡,從而提高網絡整體性能。因此負載均衡算法[6]應是解決異構無線網絡中分布式頻譜決策的有效方法。

2.1 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)模型將由異構無線網絡和具有認知能力的終端所構成。異構無線網絡包含多個無線接入點,這些無線接入點可能分屬于不同的無線接入網絡,并使用不同的空中接口。分步式無線資源利用率優(yōu)化場景示意圖如圖2所示。

圖2 分布式無線資源利用率優(yōu)化場景

NRM為多個RAN所共享,NRM為IP核心網內的網絡實體。RAN將各自的上下文信息發(fā)送給NRM,NRM再將各個RAN的上下文信息通過RE的下行鏈路發(fā)送給終端,供終端進行接入決策。每個終端包含一個TRM,TRM將終端的上下文信息通過RE的上行鏈路發(fā)送給NRM。NRM根據(jù)RAN和終端的上下文信息,制定無線資源選擇政策。最后終端根據(jù)自身需求和無線資源選擇政策進行重構。

從系統(tǒng)模型中可以看到,各個RAN被分配不同的頻率資源,但其資源的利用情況有著很大的差別,有的RAN頻譜利用率很高,有的卻很低。終端可以動態(tài)進行頻譜的選擇和接入,從而使得各個RAN的無線資源得到合理的利用,并最終提升網絡的整體性能。

2.2 算法設計

為了實現(xiàn)分布式無線資源利用率的優(yōu)化,算法設計也必不可少。NRM會利用一些算法分析RAN和終端的上下文信息并對無線資源進行合理分配和調度,從而產生分布式無線資源選擇政策。

基于QoS保證的負載均衡算法是分布式無線資源利用率優(yōu)化的主要方法之一。其主要特點是可以根據(jù)用戶需求和網絡負載情況使終端動態(tài)的接入不同RAN,達到負載的均衡,同時保證QoS需求。下面將詳細介紹基于QoS保證的負載均衡算法。

根據(jù)上述的系統(tǒng)模型,假設異構無線網絡環(huán)境包含I個無線接入點,這些接入點分屬于不同的無線接入網絡并使用不同的空中接口技術。每個接入點的無線資源是有限的(Smax(i)),這與幀間隔(d(i))等的限制有關。網絡將對J個認知終端提供接入服務。每個認知終端有K種無線接入模式,接入模式的選擇將根據(jù)終端所要接入的接入點所采用的空中接口技術。每個終端有其QoS需求。該算法將只考慮一個QoS參數(shù),即最小平均數(shù)據(jù)速率(Rmin(j))。該場景中將使用自適應調制編碼方式。根據(jù)不同終端和RAN之間的信道狀況SNR(ρ(i,j))采用不同的調制編碼模式,可以實現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)速率(R(ρ(i,j)))。

該算法將使用吞吐量為目標函數(shù)。其中網絡吞吐量是基于QoS保證,即用戶吞吐量等于用戶的平均數(shù)據(jù)速率情況下的網絡吞吐量。那么該算法的數(shù)學模型可以表示為如下的吞吐量優(yōu)化問題。

式中,

約束條件:

Ω為網絡吞吐量;s(i,j)為無線接入點i分配給終端j一幀中的無線資源;δ(i,j)為此為1表示終端 j接入無線接入點i的上行鏈路,否則為0;式(3)描述無線資源的限制;式(4)滿足QoS需求。

終端選擇接入的無線接入點是根據(jù)終端移動、鏈路質量和網絡性能動態(tài)變化的。每次接入的切換對于一個終端來說只能選擇一個接入點,即 δ(i,j)對于j只能有一個值等于1,其余值均為0。同時終端對接入網選擇還要受限于其接入模式的數(shù)量K。

利用基于QoS保證的負載均衡算法解決上述條件優(yōu)化問題。首先定義無線接入點的負載如下:

該算法實際上就是在保證QoS的基礎上對優(yōu)化參數(shù)δ(i,j)和s(i,j)的選擇,選擇的方法就是最小化最大負載,從而達到負載均衡,算法如圖3所示。

圖3 負載均衡算法

在初始化過程中,根據(jù)每個接入網和終端之間的信道狀態(tài),可以估計每個終端最大的數(shù)據(jù)速率R(ρ(i,j))(通過選擇不同的調制編碼模式和預測誤碼率)并按大小進行排序。根據(jù)式(4)計算可以滿足QoS需求的各個終端所需的無線資源s(i,j),并計算每個接入網的負載情況,判斷是否達到負載均衡狀態(tài)。如果網絡沒有達到均衡狀態(tài),那么就從最大負載的網絡中減少一個負載最大的用戶,并將其分配到負載最小的網絡中,直到最大負載不能再減小了,即最小化最大負載。此時確定的一組參數(shù)δ(i,j)和s(i,j)就是網絡的優(yōu)化參數(shù),NRM將根據(jù)優(yōu)化參數(shù)制定無線資源選擇政策。

3 仿真及分析

仿真中將設置3個無線接入節(jié)點,每個無線接入節(jié)點分配不同的頻率,因此不考慮不同無線接入節(jié)點之間的干擾。終端的移動以及鏈路質量的變化通過信噪比的隨機變化體現(xiàn),并假設在一幀內不同終端和無線接入點之間的信噪比不會變化。系統(tǒng)采用頻分雙工(FDD)的模式,上下鏈路彼此獨立,因此可以只考慮下行鏈路,并假設每個終端到無線接入點之間只有一條下行鏈路。采用自適應調制編碼模式,可根據(jù)不同的信噪比使用不同調制編碼模式以滿足傳輸速率需求。信道模型為AWGN信道。

圖4和圖5分別仿真了采用負載均衡方法得到的網絡吞吐量隨時間和用戶數(shù)量變化的曲線。作為負載均衡方法的比較,同時仿真了基于SNR選擇無線接入點的方法,2種方法都采用了QoS保證機制。

圖4 網絡吞吐量隨時間變化曲線

圖5 網絡吞吐量隨用戶數(shù)量變化曲線

當用戶采用基于SNR的方法接入時,如果超出接入節(jié)點無線資源的限制,用戶將不能再接入網絡,即使其他節(jié)點可能還有空閑的資源。而使用負載均衡方法接入時,網絡可以根據(jù)負載均衡算法主動將空余的資源分配給需要的用戶,只要用戶數(shù)沒有達到整個網絡的容量,都可以接入網絡。因此負載均衡較之傳統(tǒng)的基于SNR的方法有著明顯的優(yōu)勢,通過圖4和圖5的比較也可以看出,負載均衡方法比基于SNR的方法有著較大的增益。

4 結束語

通過分析異構網絡環(huán)境下頻譜資源利用率不均衡的問題,在IEEE 1900.4標準的框架下,提出了基于QoS保證的負載均衡頻譜決策算法用于無線接入網的選擇。從仿真結果可以看出,通過負載均衡,無線資源的利用率得到了均衡,從而大幅提高了網絡的吞吐量。另外,異構無線網絡由于空中接口技術的不同,其無線資源的統(tǒng)一表示與建模問題是設計頻譜決策算法的難點問題,也是今后要研究的重點。

[1]MITOLA JⅢ.Cognitive Radio:Making Software Radios More Personal[J].IEEE Personal Communications,1999,6(4):13-18.

[2]IEEE Std 1900.4TM-2009.IEEE Standard for Architectural Building Blocks Enabling Network-device Distributed Decision Making for Optimized Radio Resource Usage in Heterogeneous WirelessAccess Networks[S],2009.

[3]AKYILDIZ IF.A Surveyon Spectrum Management in Cognitive Radio Networks[J].IEEE Communications Magazine,2008,46(4):40-48.

[4]LEE W Y,AKYILDIZ I F.A Spectrum DecisionFramework for Cognitive Radio Networks[J].IEEE Transactions on Mobile Computing,2011,10(2):161-174.

[5]XIAO Y.WiMAX/MobileFi:Advanced Research and Technology[M].New York:Auerbach Publications,2008:320-321.

[6]FILIN S H,HAR ADA M,HASEGAWA,et al.QoS:QoSGuaranteed Load-Balancing Dynamic Spectrum Access Algorithm[C].Proceeding2008 IEEE 19st International Symposium on PIMRC Workshops,2008:1-6.