移动融合网络中基于信道质量的分流算法

寇金锋， 苗金华， 肖　扬， 王　瑜， 王　东

(1. 北京交通大学信息科学研究所， 北京 100044；

2. 华为技术有限公司， 北京 100095)



移动融合网络中基于信道质量的分流算法

寇金锋1， 苗金华2， 肖扬1， 王瑜2， 王东1

(1. 北京交通大学信息科学研究所， 北京 100044；

2. 华为技术有限公司， 北京 100095)

摘要：随着现代社会的发展，各种智能终端已经成为生活中不可或缺的一部分，如何为其提供快速高效的网络服务是一个亟待解决的问题。使用移动融合网络，将固定网络与移动网络进行融合、充分发挥两者的优势，是当前研究的热点。首先介绍了移动融合网络的概念，然后提出了基于信道质量的分流算法，以解决移动融合网络中的分流问题。最后进行了仿真实验，分别仿真了数据全走长期演进(long term evolution, LTE)网络、数据全走无线保真(wireless fidelity, WiFi)网络、基于信道质量进行分流3种情况。通过对比发现该算法可以显著提高系统吞吐量、减小时延，从而验证了其有效性。

关键词：移动融合网络; 固定网络; 移动网络; 分流; 信道质量

0引言

随着诸如智能手机、平板电脑等智能终端的不断普及，用户对网络的需求越来越大，通信行业在期待巨大发展前景的同时也面临着严峻的考验[1]。如何在现有传统网络的基础上，为用户提供更好的网络服务，是当前亟待解决的问题。其中，将以长期演进(long term evolution, LTE)[2-3]为代表的传统固定网络与以无线保真(wireless fidelity, WiFi)[4]为代表的移动网络进行融合[5-18]，是业界的一致共识。因为在融合网络中，固定网络与移动网络可以实现优势互补，既减少网络投资费用，保留固定网络在计费管理、漫游和安全方面的优势，又能以较低的成本实现热点地区的覆盖，提供较高的接入速度。

上述融合网络在文献[5]中被定义为移动融合网络，本文重点探讨的就是移动融合网络中的分流问题[12-18]，即固定网络和移动网络共存时，采用何种决策将数据流分流进不同网络以获得更好的网络服务。在本文中提出了一种基于信道质量的分流算法，在此算法中首先检测各个网络在上一时段的信道质量，然后据此计算当前时段的分流比例，其中信道质量越好分流比例就越高。同时为了验证该算法的性能，我们也对其进行了仿真，并将其与不分流的2种情况，即数据全走LTE网络、数据全走WiFi网络的情况进行了对比，对比结果显示基于信道利用质量的分流算法具有更好的性能。

1移动融合网络

图1所示为移动融合网络上行链路的示意图[5]。其中智能终端可以是智能手机、平板电脑或者数据卡，它必须同时支持固定网络和移动网络的接入，并且可以同时发起到不同网络的连接。当智能终端中有数据需要发送时，需要先由移动融合网关(mobility integration gateway, MIG)客户端进行决策，根据分流算法决定分往各个网络的分流比例。数据流经由不同的网络进行传输，最后在骨干网中组合成完整的数据流。

图1　移动融合网络上行数据链路

图2所示为移动融合网络下行链路的示意图[5]。当骨干网中有数据需要发送时，需要先由MIG进行决策，根据分流算法决定分往各个网络的分流比例。数据流经由不同的网络进行传输，最后在智能终端中组合成完整的数据流。

图2　移动融合网络下行数据链路

本文主要研究移动融合网络中分流算法的问题，重点讨论包含LTE与WiFi的移动融合网络。

2基于信道质量的分流算法

基于信道质量的分流算法，主要是依据媒体接入控制层(media acess control layer, MAC)的信道质量对数据进行分流。在本文中对信道质量P的衡量使用如式(1)所示：

(1)

式中，T为网络的最大吞吐量；Pq为网络的谱效率因子，即当前网络调制编码方式(modulation and coding scheme, MCS)的谱效率与最大MCS谱效率的比值；Pl为某段时间内网络的信道利用率。

T、Pq均可通过网络的配置参数计算得到；Pl也可以通过计算某段时间内信道忙碌的比例而得到，例如：若在1个传输时间间隔(transmission time interval, TTI)内信道忙碌的时间有600 us，那么这个TTI内信道的利用率为600/1 000=0.6。

假设LTE网络与WiFi网络的信道质量分别为

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分别代表LTE网络和WiFi网络的最大吞吐量；Pq_Lte、Pq_wifi分别代表LTE网络和WiFi网络的谱效率因子；Pl_lte、Pl_wifi分别代表LTE网络和WiFi网络的信道利用率。那么LTE网络与WiFi网络的分流比例分别为

(4)

(5)

如果有一个大小为Size的数据包需要传输，那么LTE网络和WiFi网络需要分别传输的数据包大小分别为

Size_lte=Size×Ratio_lte

(6)

Size_wifi=Size×Ratio_wifi

(7)

图3和图4分别介绍了在上行链路和下行链路中基于信道质量分流算法的分流过程：在上行链路中，当智能终端中有数据需要传输时，首先由其内的MIG客户端进行处理，使用基于信道质量的分流算法决定分往LTE网络和WiFi网络的分流比例，然后数据分别经由LTE网络和WiFi网络进行传输，最后在骨干网中组合成完整的数据流；在下行链路中，当骨干网中有数据需要传输时，首先由MIG进行处理，使用基于信道质量的分流算法，决定分往LTE网络和WiFi网络的分流比例，然后数据分别经由LTE网络和WiFi网络进行传输，最后在智能终端中组合成完整的数据流。

图3　基于信道质量分流算法的分流过程(上行)

图4　基于信道质量分流算法的分流过程(下行)

3仿真实验

为了验证基于信道质量分流算法的性能，我们对其进行了仿真，并将其与不分流的2种情况，即数据全走LTE网络、数据全走WiFi网络的情况进行了对比。

3.1仿真配置

为了不失一般性，采用常用的文件传输(file transfer protocol, FTP)业务进行仿真，并控制发送速率为0∶7.5∶90 Mbps，以观察不同发送速率时吞吐量的变化情况。主要的仿真配置如表1所示。

表1　仿真实验中的主要配置

3.2仿真结果

3.2.1数据全走LTE网络

数据全走LTE网络时，系统的吞吐量和时延分别如图5和图6所示。

图5　数据全走LTE网络时的吞吐量

图6　数据全走LTE网络时的时延

从图5中可以看出，数据全走LTE网络时，吞吐量先随发送速率的增加而增加，随后稳定在25 Mbps左右。

从图6中可以看出，数据全走LTE网络时，时延随着发送速率的增加而增加，最大时延约为19 s。

3.2.2数据全走WiFi网络

数据全走WiFi网络时，系统的吞吐量和时延分别如图7和图8所示。

图7　数据全走WiFi网络时的吞吐量

图8　数据全走WiFi网络时的时延

从图7中可以看出，数据全走WiFi网络时，吞吐量先随发送速率的增加而增加，随后稳定在25 Mbps左右。

从图8中可以看出，数据全走WiFi网络时，时延随着发送速率的增加而增加，最大时延约为20 s。

3.2.3基于信道质量进行分流

基于信道质量进行分流时，系统的吞吐量和时延分别如图9和图10所示。

图9　基于信道质量分流时的吞吐量

图10　基于信道质量分流时的时延

从图9中可以看出，基于信道质量进行分流时，吞吐量先随发送速率的增加而增加，随后稳定在45 Mbps左右。

从图10中可以看出，基于信道质量进行分流时，时延随着发送速率的增加而增加，最大时延约为14 s。

3.3仿真分析

当数据全走LTE网络和数据全走WiFi网络时，最大吞吐量约为25 Mbps；在基于信道质量进行分流时，最大吞吐量可达45 Mbps。

在数据全走LTE网络时，最大时延约为19 s；当数据全走WiFi网络时，最大时延约为20 s；在基于信道质量进行分流时，最大时延约为14 s。

因此可以得出结论：基于信道质量的分流算法可以显著提高系统吞吐量、减小时延。

4小结

在本文中首先介绍了移动融合网络的概念，然后提出了基于信道质量的分流算法，并对其分流过程进行了详细介绍，同时也开展了仿真实验，对所提出的基于信道质量的分流算法进行了验证。

通过与不分流的2种情况，即数据全走LTE网络和数据全走WiFi网络的情况进行对比，发现基于信道质量的分流算法可以显著提高系统吞吐量、减小时延。因此验证了该算法的有效性，为解决移动融合网络中的分流问题提供了一种新的思路。

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寇金锋(1989-)，女，博士研究生，主要研究方向为无线通信技术。

E-mail：xiaokouzi922@126.com

苗金华(1986-)，女，工程师，硕士，主要研究方向为无线通信。

E-mail：miaojinhua1@163.com

肖扬(1955-)，男，博士研究生导师，博士，主要研究方向为通信信号处理、多维信号处理。

E-mail：yxiao@bjtu.edu.cn

王瑜(1977-)，男，工程师，博士，主要研究方向为无线通信。

E-mail：nick.wangyu@huawei.com

王东(1981-)，男，讲师，博士后，主要研究方向为高性能数字信号系统、集成电路。

E-mail：wangdong@bjtu.edu.cn

网络优先出版地址：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

作者简介：

中图分类号：TN 929.5

文献标志码：ADOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2015.05.33

基金项目：国家自然科学基金(61106022)；北京交通大学-华为技术有限公司合作项目(YB2012100216)资助课题

收稿日期：2014-05-09；修回日期：2014-10-27；网络优先出版日期：2014-11-21。