SDN架構下5G通信網絡垂直切換算法

凌 云，曹 軍

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

未來5G通信網絡正朝著泛在化、全IP化以及同時支持多業務的方向快速發展，特別是移動電話的發明和第一代模擬蜂窩通信網絡的成功商用，開啟了多種接入方式融合的復雜網絡[1]。5G通信網絡提供越來越高速的數據服務，涵蓋各種業務模式和業務系統，但其自身仍有不足，不能很全面地滿足所有用戶的通信網絡需求。根據不同的網絡背景和接入技術，用戶在終端接入的異構網絡之間切換，這種切換方式稱為垂直切換[2]。作為研究SDN架構的基礎和關鍵技術，垂直切換可根據切換前后接入網絡覆蓋面積的大小分為上行垂直切換和下行垂直切換。針對傳統PM算法切換時延大的缺點，本文以垂直切換算法與現有PM算法的優劣對比，提出了一種基于SDN架構的5G通信網絡垂直切換算法。仿真實驗的結果表明，該垂直切換算法可以大幅降低切換時延，也能夠保證選網準確。

1 SDN架構與垂直切換算法概述

軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）是網絡通信領域近幾年才興起的一項新技術，其工作原理為在不改變傳統IP數據包轉發行為的基礎上采用集中控制的新型網絡架構，通過集中化管理調度和開放可編程等方式，將傳統數據轉發設備中的功能分離為數據轉發功能和邏輯控制功能，來達成數據層與控制層的解耦，使數據轉發及設備管理更加高效靈活[3]。在5G通信網絡中，實現網絡之間的切換和漫游有兩種技術可供選擇，一是網絡選擇技術，二是垂直切換技術。當前的垂直切換技術能夠以多模多頻的形式，通過不同的無線接入技術整合到同一個移動終端上，使移動終端可以成功應用于5G通信網絡。垂直切換相較于網絡選擇技術終端性能更優，具備同時訪問多個網絡的能力。執行垂直切換過程會涉及到切換發起階段、切換判決階段以及切換執行階段3個階段[4]。

2 5G通信網絡垂直切換算法設計

本文設計的5G通信網絡垂直切換算法采用改進的COST-231Hata模型作為量化模型，對不同環境因素進行科學估算，進而準確修正量化模型。

量化模型的準確性受環境影響很大，且不同的測試區域和環境屬性對量化模型準確性的影響也不同[5]。基于此，本文對傳統COST-231Hata傳播模型進行了改進，針對不同測試區域和不同環境屬性的綜合影響，對該量化模型進行準確描述。量化模型為：

式中，Pr為終端接收功率，Pr1為接收地在基站天線狀態正常情況下1 km處的接收功率，γ為距離衰減因子，d為收發天線間水平距離，α0為—終端收發修正因子，GAREA為傳播環境修正因子。α0的計算公式為：

式中，h1為基站實際天線高度，htREF為基站發射功率，Pt為基站天線增益，PtREF為測量Pr1和γ時的基站天線高度，Gt為測量Pr1和γ時的基站發射功率，GtREF為測量Pr1和γ時的基站天線增益。d取1 km，f0取850 MHz，n由f和f0決定，即：

該量化模型的優點在于根據實際測量值可以隨時調整其算法中的參數，適合5G通信網絡的傳播環境，大大提高了擬合的準確性。此外，該模型還具有計算效率更高及路徑損耗預測更為簡易等特征，對于更加海量的數據該模型也能夠計算和分析。基于海量5G通信網絡測試數據動態計算量化模型中的環境修正因子，并使用動態修正，以提高傳播模型垂直切換算法的精度。

3 仿真實驗

3.1 實驗準備

通過MATLAB平臺評估5G通信網絡的垂直切換算法性能，采用Windows10版本裝有3.60 MHz雙核處理器的計算機，主機服務器配備267 GB內存、2×4 Intel Xeon 3.00 GHz處理器，系統的服務區域內存在5個網絡，分別為WiMAX、WCDMA、WLAN1、WLAN2及WLAN3。其中，WiMAX移動范圍覆蓋最大，WLAN的覆蓋范圍最小，這幾種網絡在服務區內存在多處重疊，分布情況如圖1所示，網絡參數如表1所示。

圖1 仿真網絡分布場景圖

表1 網絡參數表

移動終端長期處于一種低速運動的狀態，移動終端的運動方向會在用戶的一次業務類呼叫過程中一直保持不變，但終端業務會從會話類、交互類、流類及后臺類4種業務中隨機選取一種。觀察在此過程中不同類型點的位置，預切換機制中的各參數設置如下，終端當前接入網絡的衰減參考距離d0=1 m，該處的信號強度P(d0)=3.16×10-6dBm，平坦信道的衰落指數β=2，而終端切換至目標網絡的時延tz=0.2 ms，并將傳統PM算法與垂直切換算法進行對比。

3.2 實驗結果

切換時延指的是從切換開始直到完成這一網絡成功切換過程花費的總時間。根據圖2和圖3的結果分析，與沒有考慮業務區別的傳統PM算法相比，垂直切換算法綜合考慮多業務對通信網絡的不同要求，使得切換判決更加準確合理，一定程度上降低了切換發生時不可避免的切換時延。由圖3可知，業務達到率的不斷增加意味著兩種不同算法的切換阻塞率都在增加，但是垂直切換算法的切換阻塞率低于PM算法。在使用用戶人數較少時，網絡可用的帶寬充足，兩種算法的接入阻塞率都接近于隨著用戶人數的增加而增大，但是PM算法只是單純選擇了網絡信號強度RSS最大的網絡進行切換，垂直切換算法更加符合實際的應用場景。

圖3 切換阻塞率

圖2 切換時延

該仿真實驗將垂直切換算法與現有的算法進行性能對比，能夠得出垂直切換使用戶和網絡的效用提升，保證基礎業務的持續通信，且提前了切換判決的分析過程，降低了選網耗時，有效提升選網效率，在5G通信網絡中具有有效性和優越性。

4 結 論

SDN架構下5G通信網絡垂直切換算法的設計融合了SDN架構的優勢，對5G通信網絡的垂直切換進行編排，提高了數據轉發效率，提升了網絡服務質量，且增強了設備管理的靈活性。但此算法仍然存在一定的不足，為此在今后的研究中會對網絡垂直切換算法進行深入分析，進一步提升5G通信的效率。