采用時延限制和資源預測的異構無線網絡選擇策略

李建東，姜 建，劉鑫一

（西安電子科技大學綜合業務網理論及關鍵技術國家重點實驗室，710071，西安）

為了滿足無線網絡中日益增多的用戶數量及其業務需求，多小區多接入點共同覆蓋下的異構無線網絡應運而生［1］，并且成為無線電網絡系統的主要特征。在以往的選擇策略中，通常采用信息論香農容量的概念作為衡量選擇策略好壞的標準［2］，但是香農容量并沒有反映網絡的時延特性和用戶不同業務的時延限制。文獻［3］提出了有效容量的概念，通過有效容量將時延特性引入到傳輸速率中，因此可以更方便地分析無線網絡傳輸時的統計服務質量（QoS）特性。

由于無線網絡資源的使用具有實時性和不確定性，因此在進行網絡選擇之前，如何準確預測所有可接入網絡的資源占用情況，就成為我們首先要解決的主要問題。文獻［4］通過定價機制和凸優化理論進行資源分配，文獻［5］通過加權QoS指標實現資源的動態分配，但是都沒有考慮時延對于網絡資源選擇的影響。以往的一些異構無線選擇策略僅考慮了負載均衡［6］、能量損耗［7］以及用戶沖突碰撞［8］等對網絡吞吐量的影響，而對于網絡資源的不確定性沒有進行研究和分析。

本文提出了一種聯合時延限制和資源預測的網絡選擇（JDPNS）策略。首先通過預測模型獲得各網絡的資源占用情況，解決資源不確定性的問題，避免用戶盲目接入網絡造成的網絡負載不均衡。其次根據有效容量的概念，將時延特性引入到傳輸速率中，根據用戶不同業務的時延需求分配不同的網絡資源，在保障用戶QoS的前提下，提高資源利用率和網絡吞吐量。最后用戶根據預測結果和傳輸速率兩方面因素進行網絡選擇。

1 異構無線網絡系統模型

異構無線網絡系統是由多種異構網絡元素共同構成的，包括宏小區、微小區、微微小區和家庭基站等，相互之間通過傳輸功率、覆蓋范圍、骨干網和傳輸特性的不同加以區分。異構無線網絡系統模型如圖1所示，在宏小區覆蓋范圍內，分布了兩個微小區（長期演進系統（LTE）和通用移動通信系統（UMTS）），LTE小區的接入基站為演進型節點基站（eNodeB），UMTS小區的接入基站為節點基站（NodeB）。在微小區內部，微微小區設置在通信熱點地區，家庭基站由用戶在室內區域隨機構建。

構建異構無線網絡場景的目的是：微微小區可以更好地保證熱點地區的通信質量；家庭基站可以使用戶更方便實時地接入網絡。假設網絡中存在N個用戶，多種網絡共存可以使用戶有選擇地（速率或者QoS）接入最恰當的網絡進行數據傳輸。

圖1 異構無線網絡系統模型

2 聯合時延限制和資源預測的網絡選擇策略

2.1 時延限制對網絡選擇的影響

無線接入網絡技術的發展和用戶業務量的不斷增多，使得不同的數據業務可以根據所需求的QoS不同而接入不同的網絡，從而實現在保證用戶QoS的基礎上最大化網絡的吞吐量。定義參數θ為時延因子［9］，基于時延因子的有效容量α（θ）可表示為

式中：E（·）為期望函數；R（t）表示瞬時信道傳輸速率。瞬時傳輸速率R（t）表示為

式中：γ（t）表示瞬時接收的信噪比，均值為ˉγ。γ（t）的概率密度函數表示為

式中：Γ（·）表示Gamma函數；m表示Nakagamim分布的信道衰落參數。

o（θ，γ（t））表示功率分配準則，定義為時延因子θ和γ（t）的函數。由于信道的傳輸功率為G（t）=o（θ，γ（t））Gmax，式中Gmax表示最大傳輸功率，因此可以得到平均功率限制條件

通過上面的分析，帶有功率限制條件的最大化有效容量函數及其Lagrange最優解［10］表示為

將式（6）帶入式（2）中，最大化的瞬時信道傳輸速率Rmax（t）可以表示為

通過分析時延限制對于用戶傳輸速率的影響，最優的網絡選擇策略為用戶選擇接入既滿足其QoS需求又具有最大傳輸速率的網絡。從上面的分析可以看出，最佳的接入網絡為具有最優功率控制策略的網絡。

2.2 網絡可用資源預測機制

由于無線網絡資源的使用具有實時性和不確定性，用戶在進行網絡選擇時，只能獲得過去時隙的網絡資源使用情況，而不知道下一時隙網絡資源的使用情況，因此在進行網絡選擇之前需要準確地估計網絡資源的占用情況。

采用ON-OFF模型來表示網絡信道資源的可用情況，OFF表示信道資源空閑，ON表示信道資源被占用。S0表示信道在OFF狀態的駐留時間，S1表示信道在ON狀態的駐留時間，PS0（t）表示信道在OFF狀態下駐留時間的概率密度函數，PS1（t）表示信道在ON狀態下駐留時間的概率密度函數。信道在OFF狀態的平均概率密度函數可以表示為

信道在ON狀態的平均概率密度函數可以表示為

令SON-OFF表示信道從ON到OFF狀態的變化點。從SON-OFF時刻開始，信道在OFF狀態持續N個時隙，s表示用戶準備進行網絡接入的時間點，每個時隙的持續時長為τ，信道狀態變化情況如圖2所示。

圖2 信道從ON到OFF狀態變化示意圖

式中：T（s-SON-OFF）表示OFF狀態的持續時長為s-SON-OFF。

下一時隙信道仍然處于OFF狀態的概率AS0（s）表示為

圖2中，下一時隙信道處于ON狀態的概率AS1（s）表示為

令SOFF-ON表示信道從OFF到ON狀態的變化點，信道狀態變化情況如圖3所示。

圖3 信道從OFF到ON狀態變化示意圖

圖3中，用戶在s時刻接入網絡后，下一時隙信道處于OFF狀態的概率AS0（s）為

式中：T（s-SOFF-ON）表示ON狀態的持續時長為s-SOFF-ON。

下一時隙信道仍然處于ON狀態的概率AS1（s）表示為

通過上面的分析，用戶可以預先估計下一時隙網絡信道資源的使用情況，確保用戶可以準確地接入具有充足可用資源的網絡。

2.3 JDPNS的策略流程

由于異構無線網絡中存在時延限制，因此用戶可以根據業務所需求的QoS不同來選擇恰當的網絡，從而在保障用戶QoS的基礎上最大化網絡的吞吐量，提高網絡資源的利用率。例如：實時業務（包括話音和視頻通信）需要較低的時延以保證通信過程的流暢；非實時業務（包括數據傳輸服務），需要較高的吞吐量以保證數據傳輸速率；其他業務（例如網頁瀏覽等）既不需要實時業務的高時延保障，也不需要非實時業務的高吞吐量。因此，用戶在具有充足可用資源的網絡之間進行選擇時，總是根據時延限制下的用戶傳輸速率選擇具有最優傳輸速率的網絡進行接入。

由于網絡存在資源不確定性，使得用戶在接入網絡時并不能保證接入的網絡具有充足的可用資源，因此通過資源預測機制估計網絡中的資源占用情況，可以提高網絡選擇的有效性，避免接入網絡不恰當造成的QoS下降以及重復網絡選擇造成的資源浪費。

通過上面的分析，JDPNS策略流程描述如下。

（1）根據本時隙的網絡信道占用情況，預測下一時隙網絡中的信道占用率，估計下一時隙的可用資源情況。

（2）如果只有一個網絡滿足用戶所需的資源，則用戶直接接入。

（4）如果不存在具有足夠可用資源的網絡，則用戶等待下一時隙，返回步驟1。

在策略執行中，用戶首先估計下一時隙網絡資源的使用情況。如果只有單一網絡滿足其所需的可用資源，則用戶直接接入；如果存在多個滿足所需資源的網絡時，用戶總是選擇接入在時延限制下具有最優傳輸速率的網絡。當用戶在M′個網絡中的最優傳輸速率相同時，用戶以=1／M′的概率接入網絡j。

假設異構無線網絡中的網絡數為M，用戶數為N，網絡j中的信道數為Kj，網絡中的總信道數為，策略循環復雜度表示為O（NK）。最大化網絡總信息傳輸速率可以表示為

式中：Bi，j表示用戶i在網絡j中需求的信道帶寬；B′j表示網絡j中的單位信道帶寬；Bj表示網絡j的總信道帶寬；Rj表示接入網絡j所獲得的傳輸速率；Pj=［κ1j，κ2j，…，κkj］，j∈［1，M］表示網絡j中的預測信道狀態，當信道k的狀態概率AS1（s）＞AS0（s），即κkj=1時，表示信道被占用，反之κkj=0表示該信道可用；約束 ）B′j表示用戶接入的信道帶寬應小于預測的可用總帶寬。

本文提出的JDPNS策略既考慮了時延對于用戶業務傳輸的影響，保證用戶傳輸QoS的前提下提升網絡的吞吐量，又根據預測機制來獲得網絡帶寬信息，使得網絡資源的使用更具可靠性，避免了盲目接入所帶來的QoS下降以及資源浪費。

3 仿真與結果分析

UMTS和LTE的帶寬分別為5MHz和20MHz，將網絡帶寬平均劃分為多個子頻帶（信道），網絡中可用信道數多，代表網絡中的帶寬資源較多。重疊區域的2個微微小區和1個家庭基站使用UMTS和LTE的資源，網絡中的用戶數為50，無線衰落信道服從Nakagami-m 的平坦衰落［11］。m=1／2時信道是單邊高斯衰落信道，此時無線信道處于最差的衰落狀態；m=1表示高斯信道模型；m＞1表示近似萊斯對數正態分布的衰落信道；m=+∞說明信道處于加性高斯白噪聲狀態。

圖4給出了不同的時延因子和信道衰落參數對網絡傳輸速率的影響。信噪比的均值為ˉγ=10dB［9］。從圖4可以看出，在相同的信道衰落條件下，由于注水策略對信道條件好的網絡分配多的用戶，對信道條件差的網絡分配較少的用戶，因此造成部分網絡用戶擁塞，而其他網絡資源浪費。本文提出的JDPNS策略由于綜合考慮了時延QoS對于整體速率和用戶需求的影響，因此提高了網絡資源利用率，網絡傳輸速率優于注水策略。

θ較小時，表示網絡只提供較低的QoS保障，大部分對于時延要求不敏感的業務可以通過網絡傳輸，此時網絡傳輸速率較高；θ較大時，網絡提供較高的QoS保障，僅實時業務可以進行傳輸，網絡傳輸速率變小。無論θ如何變化，本文提出的JDPNS策略仍優于注水策略。

由于JDPNS策略的信道條件服從Nakagami-m的平坦衰落，因此根據選取m的不同，可以適用于各種信道條件。從圖4中也可以看出，在不同的信道衰落條件下，本文提出的JDPNS策略都具有優越性。

圖4 時延因子和信道衰落參數對傳輸速率的影響

假設信道在OFF狀態下的駐留時間服從對數正態分布［12］，則概率密度函數PS0（t）可以表示為

式中：μ和σ分別表示概率密度分布的均值和方差。

圖5給出了當用戶的駐留時間服從對數正態分布時的網絡傳輸速率。當可用信道數較少時，網絡滿負載，因此傳輸速率較小；可用信道數較多時，網絡空閑，所有用戶可以被服務，傳輸速率達到上界；可用信道數中等時，由于JDPNS策略使用了預測機制，可以很好地獲得網絡資源的使用情況，根據不同網絡的空閑情況分配資源，因此傳輸速率更接近理論速率上界，避免網絡資源的浪費。

圖5 基于對數正態分布預測的網絡選擇策略（m=1，θ=0.07）

若信道在OFF狀態下的駐留時間服從帕累托分布［12］，則概率密度函數PS0（t）可以表示為

式中：α為正的參數。

圖6給出了m=1、θ=0.07時當用戶的駐留時間服從帕累托分布時的網絡傳輸速率。從圖中可以看出，JDPNS策略可以更好地利用網絡資源，獲得的傳輸速率優于不使用預測的策略，但是由于存在錯誤預測概率，因此未達到理論上界。

圖6 基于帕累托分布預測的網絡選擇策略

圖5 和圖6也可以看出，用戶的駐留時間服從不同分布時，本文提出的JDPNS策略都優于不使用預測的策略，因此JDPNS策略可以很好地估計網絡資源空閑情況，服務盡可能多的用戶，從而提高資源利用率，并且普遍適用于不同的業務類型和衰落信道模型。

4 結 論

在異構無線網絡環境下，本文提出了一種聯合時延限制和資源預測的網絡選擇策略，綜合考慮了不同業務的時延QoS特性、功率控制和網絡資源的不確定性。用戶首先根據預測機制來估計網絡資源的空閑情況，然后根據不同業務的QoS特性，獲得滿足QoS需求的最大傳輸速率，最后根據預測結果和傳輸速率兩方面因素選擇網絡進行接入。理論分析和實驗仿真表明，在不同信道衰落條件下，本文提出的JDPNS策略的性能均優于注水策略，在滿足用戶QoS的前提下提高了網絡總的傳輸速率。

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