移動融合網絡中基于信道質量的分流算法

寇金鋒， 苗金華， 肖　揚， 王　瑜， 王　東

(1. 北京交通大學信息科學研究所， 北京 100044；

2. 華為技術有限公司， 北京 100095)

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移動融合網絡中基于信道質量的分流算法

寇金鋒1， 苗金華2， 肖揚1， 王瑜2， 王東1

(1. 北京交通大學信息科學研究所， 北京 100044；

2. 華為技術有限公司， 北京 100095)

摘要：隨著現代社會的發展，各種智能終端已經成為生活中不可或缺的一部分，如何為其提供快速高效的網絡服務是一個亟待解決的問題。使用移動融合網絡，將固定網絡與移動網絡進行融合、充分發揮兩者的優勢，是當前研究的熱點。首先介紹了移動融合網絡的概念，然后提出了基于信道質量的分流算法，以解決移動融合網絡中的分流問題。最后進行了仿真實驗，分別仿真了數據全走長期演進(long term evolution, LTE)網絡、數據全走無線保真(wireless fidelity, WiFi)網絡、基于信道質量進行分流3種情況。通過對比發現該算法可以顯著提高系統吞吐量、減小時延，從而驗證了其有效性。

關鍵詞：移動融合網絡; 固定網絡; 移動網絡; 分流; 信道質量

0引言

隨著諸如智能手機、平板電腦等智能終端的不斷普及，用戶對網絡的需求越來越大，通信行業在期待巨大發展前景的同時也面臨著嚴峻的考驗[1]。如何在現有傳統網絡的基礎上，為用戶提供更好的網絡服務，是當前亟待解決的問題。其中，將以長期演進(long term evolution, LTE)[2-3]為代表的傳統固定網絡與以無線保真(wireless fidelity, WiFi)[4]為代表的移動網絡進行融合[5-18]，是業界的一致共識。因為在融合網絡中，固定網絡與移動網絡可以實現優勢互補，既減少網絡投資費用，保留固定網絡在計費管理、漫游和安全方面的優勢，又能以較低的成本實現熱點地區的覆蓋，提供較高的接入速度。

上述融合網絡在文獻[5]中被定義為移動融合網絡，本文重點探討的就是移動融合網絡中的分流問題[12-18]，即固定網絡和移動網絡共存時，采用何種決策將數據流分流進不同網絡以獲得更好的網絡服務。在本文中提出了一種基于信道質量的分流算法，在此算法中首先檢測各個網絡在上一時段的信道質量，然后據此計算當前時段的分流比例，其中信道質量越好分流比例就越高。同時為了驗證該算法的性能，我們也對其進行了仿真，并將其與不分流的2種情況，即數據全走LTE網絡、數據全走WiFi網絡的情況進行了對比，對比結果顯示基于信道利用質量的分流算法具有更好的性能。

1移動融合網絡

圖1所示為移動融合網絡上行鏈路的示意圖[5]。其中智能終端可以是智能手機、平板電腦或者數據卡，它必須同時支持固定網絡和移動網絡的接入，并且可以同時發起到不同網絡的連接。當智能終端中有數據需要發送時，需要先由移動融合網關(mobility integration gateway, MIG)客戶端進行決策，根據分流算法決定分往各個網絡的分流比例。數據流經由不同的網絡進行傳輸，最后在骨干網中組合成完整的數據流。

圖1　移動融合網絡上行數據鏈路

圖2所示為移動融合網絡下行鏈路的示意圖[5]。當骨干網中有數據需要發送時，需要先由MIG進行決策，根據分流算法決定分往各個網絡的分流比例。數據流經由不同的網絡進行傳輸，最后在智能終端中組合成完整的數據流。

圖2　移動融合網絡下行數據鏈路

本文主要研究移動融合網絡中分流算法的問題，重點討論包含LTE與WiFi的移動融合網絡。

2基于信道質量的分流算法

基于信道質量的分流算法，主要是依據媒體接入控制層(media acess control layer, MAC)的信道質量對數據進行分流。在本文中對信道質量P的衡量使用如式(1)所示：

(1)

式中，T為網絡的最大吞吐量；Pq為網絡的譜效率因子，即當前網絡調制編碼方式(modulation and coding scheme, MCS)的譜效率與最大MCS譜效率的比值；Pl為某段時間內網絡的信道利用率。

T、Pq均可通過網絡的配置參數計算得到；Pl也可以通過計算某段時間內信道忙碌的比例而得到，例如：若在1個傳輸時間間隔(transmission time interval, TTI)內信道忙碌的時間有600 us，那么這個TTI內信道的利用率為600/1 000=0.6。

假設LTE網絡與WiFi網絡的信道質量分別為

P_Lte=T_lte×Pq_lte×(1-Pl_lte)

(2)

P_wifi=T_wifi×Pq_wifi×(1-Pl_wifi)

(3)

式中，T_Lte、T_wifi分別代表LTE網絡和WiFi網絡的最大吞吐量；Pq_Lte、Pq_wifi分別代表LTE網絡和WiFi網絡的譜效率因子；Pl_lte、Pl_wifi分別代表LTE網絡和WiFi網絡的信道利用率。那么LTE網絡與WiFi網絡的分流比例分別為

(4)

(5)

如果有一個大小為Size的數據包需要傳輸，那么LTE網絡和WiFi網絡需要分別傳輸的數據包大小分別為

Size_lte=Size×Ratio_lte

(6)

Size_wifi=Size×Ratio_wifi

(7)

圖3和圖4分別介紹了在上行鏈路和下行鏈路中基于信道質量分流算法的分流過程：在上行鏈路中，當智能終端中有數據需要傳輸時，首先由其內的MIG客戶端進行處理，使用基于信道質量的分流算法決定分往LTE網絡和WiFi網絡的分流比例，然后數據分別經由LTE網絡和WiFi網絡進行傳輸，最后在骨干網中組合成完整的數據流；在下行鏈路中，當骨干網中有數據需要傳輸時，首先由MIG進行處理，使用基于信道質量的分流算法，決定分往LTE網絡和WiFi網絡的分流比例，然后數據分別經由LTE網絡和WiFi網絡進行傳輸，最后在智能終端中組合成完整的數據流。

圖3　基于信道質量分流算法的分流過程(上行)

圖4　基于信道質量分流算法的分流過程(下行)

3仿真實驗

為了驗證基于信道質量分流算法的性能，我們對其進行了仿真，并將其與不分流的2種情況，即數據全走LTE網絡、數據全走WiFi網絡的情況進行了對比。

3.1仿真配置

為了不失一般性，采用常用的文件傳輸(file transfer protocol, FTP)業務進行仿真，并控制發送速率為0∶7.5∶90 Mbps，以觀察不同發送速率時吞吐量的變化情況。主要的仿真配置如表1所示。

表1　仿真實驗中的主要配置

3.2仿真結果

3.2.1數據全走LTE網絡

數據全走LTE網絡時，系統的吞吐量和時延分別如圖5和圖6所示。

圖5　數據全走LTE網絡時的吞吐量

圖6　數據全走LTE網絡時的時延

從圖5中可以看出，數據全走LTE網絡時，吞吐量先隨發送速率的增加而增加，隨后穩定在25 Mbps左右。

從圖6中可以看出，數據全走LTE網絡時，時延隨著發送速率的增加而增加，最大時延約為19 s。

3.2.2數據全走WiFi網絡

數據全走WiFi網絡時，系統的吞吐量和時延分別如圖7和圖8所示。

圖7　數據全走WiFi網絡時的吞吐量

圖8　數據全走WiFi網絡時的時延

從圖7中可以看出，數據全走WiFi網絡時，吞吐量先隨發送速率的增加而增加，隨后穩定在25 Mbps左右。

從圖8中可以看出，數據全走WiFi網絡時，時延隨著發送速率的增加而增加，最大時延約為20 s。

3.2.3基于信道質量進行分流

基于信道質量進行分流時，系統的吞吐量和時延分別如圖9和圖10所示。

圖9　基于信道質量分流時的吞吐量

圖10　基于信道質量分流時的時延

從圖9中可以看出，基于信道質量進行分流時，吞吐量先隨發送速率的增加而增加，隨后穩定在45 Mbps左右。

從圖10中可以看出，基于信道質量進行分流時，時延隨著發送速率的增加而增加，最大時延約為14 s。

3.3仿真分析

當數據全走LTE網絡和數據全走WiFi網絡時，最大吞吐量約為25 Mbps；在基于信道質量進行分流時，最大吞吐量可達45 Mbps。

在數據全走LTE網絡時，最大時延約為19 s；當數據全走WiFi網絡時，最大時延約為20 s；在基于信道質量進行分流時，最大時延約為14 s。

因此可以得出結論：基于信道質量的分流算法可以顯著提高系統吞吐量、減小時延。

4小結

在本文中首先介紹了移動融合網絡的概念，然后提出了基于信道質量的分流算法，并對其分流過程進行了詳細介紹，同時也開展了仿真實驗，對所提出的基于信道質量的分流算法進行了驗證。

通過與不分流的2種情況，即數據全走LTE網絡和數據全走WiFi網絡的情況進行對比，發現基于信道質量的分流算法可以顯著提高系統吞吐量、減小時延。因此驗證了該算法的有效性，為解決移動融合網絡中的分流問題提供了一種新的思路。

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寇金鋒(1989-)，女，博士研究生，主要研究方向為無線通信技術。

E-mail：xiaokouzi922@126.com

苗金華(1986-)，女，工程師，碩士，主要研究方向為無線通信。

E-mail：miaojinhua1@163.com

肖揚(1955-)，男，博士研究生導師，博士，主要研究方向為通信信號處理、多維信號處理。

E-mail：yxiao@bjtu.edu.cn

王瑜(1977-)，男，工程師，博士，主要研究方向為無線通信。

E-mail：nick.wangyu@huawei.com

王東(1981-)，男，講師，博士后，主要研究方向為高性能數字信號系統、集成電路。

E-mail：wangdong@bjtu.edu.cn

網絡優先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20141121.0956.011.html

Offloading algorithm based on channel quality in

mobile integration network

KOU Jin-feng1, MIAO Jin-hua2, XIAO Yang1, WANG Yu2, WANG Dong1

(1.InstituteofInformationScience,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China；

2.HuaweiTechnologiesCompanyLimited,Beijing100095,China)

Abstract:With the fast development of modern society, various intelligent terminals have already been a part of daily life. How to support them with an excellent network service is a serious problem which needs to be solved quickly. In all solutions, mobile integration network, which integrates fixed network and mobile network, and make full use of both of them, is a hot area of current research. A mobile integration network is introduced firstly, and then an offloading algorithm based on channel quality is proposed to solve its offloading problem. Finally, a simulation experiment is performed, and the proposed offloading algorithm and two other situations that traffics transmit only through long term evolution (LTE) network and only through wireless fidelity (WiFi) network are simulated respectively. By comparing their results, we find that the proposed offloading algorithm has higher throughput and less delay, which verifies its efficiency.

Keywords:mobile integration network; fixed network; mobile network; offloading; channel quality

作者簡介：

中圖分類號：TN 929.5

文獻標志碼：ADOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2015.05.33

基金項目：國家自然科學基金(61106022)；北京交通大學-華為技術有限公司合作項目(YB2012100216)資助課題

收稿日期：2014-05-09；修回日期：2014-10-27；網絡優先出版日期：2014-11-21。