LTE與Wi—Fi融合架構設計及分流策略算法研究

梁冀

摘要：為使Wi-Fi技術更好地融入傳統的移動蜂窩LTE網絡，以便有效降低移動蜂窩網絡的傳輸數據壓力，提升無線網絡數據傳輸速率，設計了LTE與Wi-Fi之間融合架構，綜合評估接收信號強度、信噪比、基站剩余緩存、數據服務業務類型，建立四維評價函數對數據進行分流判決。仿真得到，LTE與Wi-Fi融合架構結合分流策略算法，系統平均性能優于非融合系統，可以有效提升系統傳輸效率。

關鍵詞：異構網；融合系統 ；長期演進； 無線保真技術

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）04-0028-02

隨著移動無線智能終端的日益普及，如何提升無線網絡的傳輸速率將是未來無線網絡研究的重點。下一代網絡需具備更靈活的組網架構，不同網絡制式之間相互融合，具備聯合靈活調度分配機制。LTE（Long Term Evolution）已成為移動蜂窩網絡主流標準制式，是各大運營商重點部署的網絡制式[1]。LTE無線網絡具有覆蓋廣、移動性高、傳輸速率性能穩定等特點。而Wi-Fi（Wireless Fidelity）網絡具備熱點覆蓋、高傳輸速率等優點已廣泛應用于家庭無線網絡。因此，將Wi-Fi技術融入于傳統移動蜂窩LTE網絡中，可以有效降低移動蜂窩網絡的傳輸數據壓力，有效提升無線網絡數據傳輸速率，解決日益增長的數據流量需求[2]。論文主要研究設計LTE與Wi-Fi之間的融合架構，并在融合架構下，建立分流策略模型，最后進行數據流量業務仿真測試。實驗結論得到，將LTE與Wi-Fi融合架構，可以提升無線蜂窩網絡傳輸速率，緩解移動蜂窩網絡的數據壓力。

1 研究背景

現有異構網系統網絡架構，LTE網絡與Wi-Fi網絡相互獨立，其主要缺點為：（1）LTE與Wi-Fi之間數據無法做到聯合調度，系統無法判斷各網元運行狀態，整體網絡傳輸性能無法達到最優；（2）LTE與Wi-Fi網絡數據計費獨立，運營商不能對流量數據進行統一計費管理[3]。因此LTE與Wi-Fi異構網系統融合可以有效地進行數據分流，實現數據資源聯合調度，提升系統整體容量性能。3GPP提出了接入網絡發現和選擇功能ANDSF（Access Network Discovery and Selection Function），該網元的主要作用為進行移動蜂窩網與Wi-Fi網絡的數據路由算法判決，向用戶發送分流策略。ANDSF分流架構中，ANDSF定義了UE與ANDSF之間的S14接口。通過S14接口ANDSF可以獲取終端上報的信息參數比如位置、UE接收電平等。然而ANDSF具體的分流策略還沒有明確，還處于研究狀態。運營商可以根據自己的業務需求自定義網絡選擇信息與策略。

2 LTE與Wi-Fi異構網融合架構設計

ANDSF分流架構的分點為PGW網元，ANDSF網元分流策略判決決定Internet鏈路還是Wi-Fi鏈路傳輸至UE。論文分流策略考慮數據同時在LTE與Wi-Fi兩鏈路進行傳輸，因此在傳輸過程中，需對同一個用戶傳輸的IP數據進行分割。IP數據包頭結構，其包含了16bit數據包標識。傳輸過程中對IP包16bit的數據標識據進行分割，分割為LTE與Wi-Fi鏈路傳輸數據包標示。在終端可以接收不同鏈路的數據包，根據IP包標識進行重排序，防止數據包亂序。

ANDSF分流架構協議棧設計如圖2，PGW為數據分流錨點，根據ANDSF分流策略將數據分發至LTE與Wi-Fi鏈路。LTE鏈路數據經過PGW、SGW、eNodeB后發送至終端UE，Wi-Fi鏈路數據經過PGW、Wi-Fi AP后發送至終端UE。UE為接收數據匯聚錨點，同時收到LTE與Wi-Fi的數據，并對IP包數據進行重排序后匯聚到APP層。

3 基于ANDSF分流策略設計

分流策略是ANDSF網元的主要功能，需合理地將數據流量分配至兩張網絡，判決哪些數據分流到Wi-Fi網絡，哪些數據由LTE網絡承載。運營商可以根據自己的需求，進行個性化的分流策略。論文分流策略綜合評估了RSRP、SNR、基站緩存、業務QoS四個維度建立評價函數。RSRP和SNR由終端UE測試獲取，由UE上報至ANDSF；LTE基站緩存與Wi-Fi AP緩存分別由eNodeB和Wi-Fi AP獲取并分別上報至ANDSF；數據包的業務服務等級QCI由PGW對數據包進行解析后獲取，并將QCI信息下發至ANDSF。ANDSF綜合評估系統RSRP、SNR、基站緩存、數據業務QCI，進行分流判決對IP數據包進行分割。LTE與Wi-Fi數據包分流比例，得到LTE網絡評價函數、Wi-Fi網絡評價函數實現公式為：

式中，為LTE網絡各維度判決函數，為各維度判數權值，滿足；為Wi-Fi網絡各維度判決函數，為各維度判決權值，并滿足。各評價函數實現如下：

（1） 信號強度RSRP評價函數

信號強度RSRP由UE測量得到，體現UE接收信號強弱。和分別設置為終端UE測量LTE與Wi-Fi網絡信號強度評價函數，計算公式為：

式中為UE測量得到LTE網絡信號強度RSRP值，取值為-65dBm，取值為-120dBm；計算公式為：

式中為UE測量得到Wi-Fi網絡信號強度RSRP值，取值為-65dBm，取值為-120dBm。

（2） 信噪比SNR評價函數

信噪比SNR由UE測量得到，直接決定了系統的傳輸速率。和分別設置為終端UE測量LTE與Wi-Fi網絡信噪比評價函數，計算公式為：

式中為UE測量得到LTE網絡信號強度SNR值，取值為30dB，取值為-5dB；計算公式為：

式中為UE測量得到Wi-Fi網絡信號強度SNR值，取值為30dB，取值為-5dB。

（3） 基站剩余緩存評價函數

基站剩余緩存BSR由基站獲取，決定了基站當前可以傳輸數據量。剩余緩存越大，能傳輸的數據量越大，反之越小。和分別設置為終端UE測量LTE與Wi-Fi網絡剩余緩存 評價函數，計算公式為：

式中與分別為LTE與Wi-Fi網絡基站剩余緩存狀態，和分別為LTE與Wi-Fi網絡空口最大可傳輸速率。

（4） 數據業務類型評價函數

服務質量QoS（Quality of Service）主要通過帶寬、時延、速率、顫抖等多因素進行衡量。LTE協議將業務分為9個等級QCI（QoS Class Identifier）。QCI1～QCI4為保證比特率業務，優先級高，需優先在LTE鏈路傳輸；QCI5～QCI9為非保證比特業務，優先級相對低，可綜合評估在LTE還是Wi-Fi鏈路傳輸。和分別設置為終端UE測量LTE與Wi-Fi網絡服務質量函數，并且設置，LTE服務質量計算公式為：

4 異構網融合分流算法仿真

異構網融合分流算法仿真流程可以設置為：ANDSF分別獲取UE、基站、PGW發送過來的數據，包括：信號強度、信噪比、基站剩余緩存、QCI信息。ANDSF根據獲取信息，采用評價函數對LTE、Wi-Fi分別進行計算，得到LTE與Wi-Fi分流評價值。ANDSF根據評價值計算出LTE與Wi-Fi的分流比例系數。ANDSF將分流比例上報至PGW，PGW根據分流比例對IP數據包進行分割，將IP包封裝后發送至LTE與Wi-Fi網絡中。

利用Matlab軟件編程仿真測試，根據設置流程編程建模，以驗證設計的正確性及有效性。仿真中，設置LTE宏站站間距為500m，覆蓋半徑為250m，LTE基站分布呈蜂窩六邊形分布；在每個LTE基站覆蓋區域內，隨機生成5個Wi-Fi基站，Wi-Fi基站間站距大于50m。對單用戶進行仿真。仿真模型參數設置為：LTE基站發射功率為46dBm，Wi-Fi的發射功率為23dBm。基站傳輸信號經過大尺度損耗、穿透損耗、小尺度損耗后到達UE，UE進行RSRP與SNR估計。LTE與Wi-Fi各子代價函數的權值設置一致為：信號強度評價函數權值為0.2，信噪比評價函數權值為0.2，基站緩存評價函數權值設置為0.3，服務質量QoS評價函數權值設置為0.3。LTE與Wi-Fi代價函數權值仿真如圖4。設置LTE最大傳輸速率為100Mbps，Wi-Fi最大傳輸速率為300Mbps。當Wi-Fi與LTE分流比例為1：3，系統整體平均吞吐量達到最優。實際仿真，綜合評估了RSRP、SNR、BSR、QCI，Wi-Fi與LTE會根據實際鏈路狀態進行評價，調整分流系數；特別在QCI在大于5和小于5分流系統變化較大，以保證業務的服務質量。

對系統進行Fullbuffer業務，分別用UDP與TCP業務進行測試。當LTE與Wi-Fi系統相互獨立，不進行聯合調度分流LTE與 Wi-Fi，UDP平均傳輸速率為242Mbps，TCP平均傳輸速率為185.52Mbps；LTE與Wi-Fi融合組網，資源經統一調度，可以充分評估異系統之間的評價優劣，融合系統的UDP平均傳輸速率為260. Mbps，TCP平均傳輸速率為105.22Mbps，融合系統可以有效提升整體系統容量。

5 結束語

Wi-Fi已經廣泛應用于家庭無線網。由于其具備高速率、低建網成本，將Wi-Fi網絡融合到傳統的移動蜂窩網絡LTE是無線網絡研究的重點內容。文中設計了一種LTE與Wi-Fi融合的架構，并在融合架構上，利用系統信號強度、信噪比、基站緩存、業務服務質量等，綜合評估異系統傳輸性能，制定出異系統間的分流策略。通過實驗仿真可知，融合組網架構結合分流策略，可以有效提升系統整體性能。

參考文獻：

[1] 王昊.信息物理融合系統中基于網關的異構網絡通信問題研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學， 2016.

[2] 楊靜，孫滔，魏冰.基于ANDSF實現WLAN和蜂窩網間選網機制的增強[J].電信科學，2012，28（5）：99-103.

[3] 劉珊珊，郭娟，張繼榮.ANDSF實現的無線異構網絡選擇算法[J].傳感器與微統，2017，36（1）：143-145+148.