CN103002534B - 一种基于跨层优化的lte-wlan异构无线网络接入点选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于跨层优化的LTE-WLAN异构无线网络接入点选择方法，按以下步骤进行：(1)用户终端估计当前网络中的可用下行带宽R_p；(2)假设除了当前网络，还有n个可选网络供用户终端接入，则对每个可选网络，估计接入后的可用下行带宽分别为R₁,R₂,..,R_n，n为不等于零的自然数；(3)假设可选网络中，网络k的可用下行带宽最大，为R_k；若R_k-R_p＞Δ，则切换到网络k，否则驻留在当前网络；其中，Δ是为了防止发生乒乓效应而设置的阈值，k为≤n的自然数。本发明提出的网络选择方法中，用户终端能感知到所在网络的负荷，如果负荷较重，就会自动切换到其他网络中去，实现了负载均衡，有效地保证了服务质量。

Description

一种基于跨层优化的LTE-WLAN异构无线网络接入点选择方法

技术领域

本发明涉及异构无线网络环境中的切换问题，尤其涉及3GPP长期演进技术（LTE）和无线局域网（WLAN）互联系统架构下的网络选择技术。

背景技术

移动互联网是当今世界发展最快、市场潜力最大、前景最诱人的产业，而无线接入是移动互联网行业的核心技术。目前，多种先进的无线接入技术并存，使得用户终端高速接入无线网络，并享受高质量的服务。其中，典型的技术包括以LTE为代表的无线广域网接入技术，和以IEEE 802.11为代表的无线局域网技术。

LTE是3G长期演进技术。与3G相比，LTE具有各方面的技术优势：更高的数据率、低延时的传输、业务服务质量（QoS）保障。与WLAN相比，LTE具有更广的覆盖，支持用户终端高速移动和漫游。

WLAN是利用无线通信技术在一定局部范围内建立的网络，与LTE相比，WLAN的覆盖范围小，接入速率高，使用成本低。

两种接入技术分别有自己的特点和优势，因此会同时存在，向用户终端提供服务。LTE实现广阔的覆盖，支持用户终端的高速移动和漫游；而WLAN则在数据流量密集区域为用户终端提供高速上网服务。

在多种接入技术并存的条件下，如何选择合适的接入网络，保障用户终端的QoS需求，是一个至关重要的问题。在传统的网络选择方法中，用户终端选择接收信号强度较高的网络接入。但是，该方法没有考虑网络的负载。如果网络的负荷已经饱和，则无论是LTE，还是WLAN，即使接收信号再强，也不能保障其服务质量。为此，本文提出了一种简单易行，并且能充分保障服务质量的网络选择方法。

发明内容

本发明的目的为了克服上述现有技术存在的问题，而提供一种基于跨层优化的LTE-WLAN异构无线网络接入点选择方法，用户终端通过估计当前网络和可选网络中的可用下行带宽，并根据估计的结果接入可用下行带宽最大的网络，从而实现了负载均衡，保障了服务质量。

本发明提出了一种基于跨层优化的LTE-WLAN异构无线网络接入点选择方法，其特征在于按以下步骤进行：

(1)、用户终端估计当前网络中的可用下行带宽R_p；

(2)、假设除了当前网络，还有n个可选网络供用户终端接入，则对每个可选网络，估计接入后的可用下行带宽分别为R₁,R₂,…,R_n，n为不等于零的自然数；

(3)、假设可选网络中，网络k的可用下行带宽最大，为R_k；若R_k-R_p＞Δ，则切换到网络k，否则驻留在当前网络；其中，Δ是为了防止发生乒乓效应而设置的阈值，k为≤n的自然数。

所述的用户终端估计当前网络和可选网络中的LTE可用下行带宽具体步骤为：

 (1)、接收系统信息：用户终端接收LTE小区系统信息并解码，得到下行链路小区带宽，根据带宽和时频资源块数量的关系得到一个子帧内下行链路时频资源块的总数n_total；带宽和时频资源块数量的关系如表1所示；

表 1带宽和时频资源块数量的关系

带宽（MHz）	一个子帧内时频资源块数量（个）
		1.4	6
3	15
		5	25
10	50
		15	75
20	100

(2)、估计剩余频率资源：用户终端监听PDCCH，将当前子帧的PDCCH全部接收并解码，得到其他用户终端的频率资源分配信息；用户终端根据系统信息可得出下行链路的带宽，则当前子帧未被使用的带宽由(5)式计算：

$n_{\mathrm{rest}}=n_{\mathrm{total}}-\mathrm{\Σ}{n}_i---\left(5\right)$

其中，n_rest表示当前子帧未被使用的时频资源块的数量，n_total表示一个子帧内下行链路时频资源块的总数，n_i表示当前子帧调度器分配给用户终端i的时频资源块的数量；

(3)、估计实时的下行信道：用户终端根据下行参考信号估计信道，得到多输入多输出（MIMO）并发数据流的数量L和每个数据流对应的调制编码方式MCS_j(j=1,2,…L)，L为不等于零的自然数；

(4)、计算可用下行带宽：可用下行带宽R_eff LTE由(6)式计算：

$R_{\mathrm{eff}\_\mathrm{LTE}}=n_{\mathrm{rest}}\underset{j=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{r}_j---\left(6\right)$

其中，r_j表示第j个数据流在一个时频资源块上传输的比特数；根据MCS_j与r_j对应关系获得r_j，MCS_j与r_j对应关系如表2，从而得到可用下行带宽R_eff LTE。

MCSj	rj
		0	16
1	24
		2	32
3	40
		4	56
5	72
		6	328
7	104
		8	120
9	136
		10	136
11	144
		12	176
13	208
		14	224
15	256
		16	280
17	280
		18	328
19	336
		20	376
21	408
		22	440
23	488
		24	520
25	552
		26	584
27	616
		28	712

表 2 一个时频资源块上传输的比特数与调制编码方式的关系

本发明提出一种基于可用下行带宽的网络选择方法，相对于传统的基于接收信号强度的网络选择方法，本方法能均衡网络负载，保障用户服务质量。这是因为接收信号强度只能表征物理层点对点的信道容量，但在多用户接入的情况下，用户之间存在接入竞争与资源的互斥分配，单用户无法以期望的最大速率接入网络；而本方法则将多用户接入纳入考虑范围，对物理层、媒体接入控制(MAC)层的参数进行联合优化，得到可用下行带宽，以此作为衡量上层吞吐量、时延、丢包率的度量。

在轻度负载的情况下，LTE和WLAN有足够的带宽，并且采用了自动重传请求(ARQ)技术，因此能给用户终端提供足够的带宽，较小的时延和丢包率，即保障了服务质量。而随着用户终端数量增加，当网络负载接近饱和的时候，LTE和WLAN均不能保障所有用户终端的服务质量。尤其是采用CSMA/CA随机接入协议的WLAN，当竞争用户终端过多时，系统性能会急剧下降。

本发明提出的网络选择方法中，用户终端能感知到所在网络的负荷，如果负荷较重，就会自动切换到其他网络中去，实现了负载均衡，有效地保证了服务质量。

与上行相比，用户终端的下载量更多、下行数据量更大，因此，下行带宽更容易成为系统的瓶颈；同时，用户终端侧可根据下行导频估计下行链路信道质量。因此，本发明采用可用下行带宽作为网络选择的度量。

附图说明

图1为本发明提出的接入点选择方法流程图。

图2为IEEE 802.11标准信标帧示意图。

图3为IEEE 802.11 标准无RTS/CTS情况下的发包示意图。

图4 为IEEE 802.11 标准有RTS/CTS情况下的发包示意图。

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明提出了一种基于跨层优化的LTE-WLAN异构无线网络接入点选择方法，其步骤如图1所示：

(1)、用户终端估计当前网络中的可用下行带宽R_p；

(2)、假设除了当前网络，还有n个可选网络供用户终端接入。则对每个可选网络，估计接入后的可用下行带宽分别为R₁,R₂,…,R_n，n为不等于零的自然数；

(3)、假设可选网络中，网络k的可用下行带宽最大，为R_k；若R_k-R_p＞Δ，则切换到网络k，否则驻留在当前网络；其中，Δ是为了防止发生乒乓效应而设置的阈值，k为≤n的自然数。

下文将对如何估计WLAN和LTE网络中的可用下行带宽展开详细陈述。本发明仅提出网络选择方法，切换实现的具体流程不属于本文讨论的范围。

估计WLAN的可用下行带宽

S. Vasudevan在文献“Facilitating Access Point Selectionin IEEE802.11 Wireless Networks”中提出了一种估计WLAN可用下行带宽的方法。该方法思路如下：用户终端监听接入点（AP）发送一个数据帧的过程，根据数据帧的大小和完成一次传输的总时间T计算可用下行带宽：

$R_{\mathrm{eff}\_\mathrm{WLAN}}=\frac{\mathrm{DATA}}{T}---\left(1\right)$

其中，DATA表示数据帧的字节数；而完成一次传输的总时间T需要根据监听到的信标帧、数据帧来估计，根据是否有请求发送（RTS）和清除发送（CTS），T的估计又分为2种情况。

无RTS/CTS的情况

在没有RTS/CTS的情况下，AP发送一个帧的过程如图3所示。为了完成这一个帧的传输，传输的总时间T为：

$T=T_D+\frac{\mathrm{DATA}}{R}+\mathrm{SIFS}+\frac{\mathrm{ACK}}{R}---\left(2\right)$

其中，T_D表示AP为了发送这个帧，等待信道空闲的时间；DATA表示这个帧的比特数；R表示此用户终端的物理层信道容量；SIFS为用户终端接收完数据到发送确认之间的时间间隔，在IEEE 802.11g 标准中取10us；ACK表示确认帧的比特数，参考值为34字节。

用户终端的物理层信道容量R由式(3)计算：

$R=\mathrm{BW}\×{\log }_2(1+\frac{S}{N})---\left(3\right)$

其中，BW是WLAN的可用频率带宽，S是接收信号功率，N是白噪声的功率。

用户终端端无法直接获得AP，为了发送这个帧，等待信道空闲的时间T_D，只能通过信标帧来估计这段时间。如图2所示，在没有用户终端接入的情况下，AP每隔固定的周期发送一个信标帧。在用户终端接入后，为了避免冲突，和发送普通数据帧一样，发送信标帧之前也需要等待一段时间T_B，而用户终端能计算出T_B，因此把T_B作为T_D的估计值。

有RTS/CTS的情况

在有RTS/CTS的情况下，AP发送一个数据帧的过程如图4所示。这一个数据帧的传输过程如所示，传输的总时间T为：

$T=T_D+\frac{\mathrm{RTS}}{R}+\mathrm{SIFS}+\frac{\mathrm{CTS}}{R}+\mathrm{SIFS}+\frac{\mathrm{DATA}}{R}+\mathrm{SIFS}+\frac{\mathrm{ACK}}{R}---\left(4\right)$

其中，RTS和CTS分别表示RTS帧和CTS帧的比特数；和式(2)相比，有RTS/CTS的情况下，为了完成一个数据帧传输，额外加入了RTS帧和CTS帧的传输和2个SIFS的时间间隔，T_D、R、SIFS、DATA和ACK的计算方法和没有RTS/CTS的情况的计算方法相同。

估计LTE的可用下行带宽

LTE下行传输流程如下：不同QoS需求的IP包被映射到不同的核心网承载中；由分组数据汇聚协议（PDCP）层进行报头压缩和加密处理后，映射到对应的无线承载中；无线链路控制（RLC）层对数据包进行分割重组，将无线承载映射到逻辑信道；媒体接入控制（MAC）的主要功能为链路自适应、调度、混合自动请求重传（HARQ）和将逻辑信道映射到传输信道；物理层则对传输信道的数据进行编码、调制，并通过天线发送给用户设备（UE）。

LTE传输机制的核心是采用共享信道传输，用户间动态地共享时频资源。基站端的调度器根据实时的信道状态，将时频资源块动态地分配给信道质量好的用户终端，充分地利用了无线信道的时间选择性和频率选择性，在时间和频率两个维度都获得了多用户增益。LTE调度的基本单位是时频资源块，调度的结果利用物理下行控制信道（PDCCH）通知用户终端。

为了在时变信道条件下充分利用信道容量，LTE中使用了链路自适应技术。该技术使传输方案的效率和实际信道状态保持动态匹配，从而保证在信道状态差时能够自动降低传输效率以提高纠错能力，在信道状态变好时自动提高传输效率。下行链路自适应技术主要包括自适应调制编码和多输入多输出(MIMO)传输模式选择。自适应调制编码是根据信道状态来选择恰当的调制方案和编码率，在保证较低误码率的情况下，实现数据率的最大化。LTE支持多种MIMO传输模式：发射分集、波束成形和空分复用等。其中，发射分集、波束成形能改善接收信号与干扰加噪声比（SINR），增加系统的容量和覆盖；空分复用通过多个并行的数据流增大了数据率。在空分复用的情况下，每个并行的数据流称为一个层，各层可以采用不同的调制编码方式（MCS）；在其他MIMO传输模式下，只有一个数据流，也就是一个层，采用一种调制编码方式。

本发明提出一种根据PDCCH和下行信道估计计算可用下行带宽的方法；该方法包括以下4个步骤：

(1)、接收系统信息：用户终端接收LTE小区系统信息并解码，得到下行链路小区带宽，根据带宽查表1得到一个子帧内下行链路时频资源块的总数n_total；

表1带宽和时频资源块数量的关系

带宽（MHz）	一个子帧内时频资源块数量（个）
		1.4	6
3	15
		5	25
10	50
		15	75
20	100

(2)、估计剩余频率资源：用户终端监听PDCCH，将当前子帧的PDCCH全部接收并解码，得到其他用户终端的频率资源分配信息；用户终端根据系统信息可得出下行链路的带宽，则当前子帧未被使用的带宽可由(5)式计算：

$n_{\mathrm{rest}}=n_{\mathrm{total}}-\mathrm{\Σ}{n}_i---\left(5\right)$

其中，n_rest表示当前子帧未被使用的时频资源块的数量，n_total表示一个子帧内下行链路时频资源块的总数，n_i表示当前子帧调度器分配给用户终端i的时频资源块的数量；

(3)、估计实时的下行信道：用户终端根据下行参考信号估计信道，得到多输入多输出（ MIMO）并发数据流的数量L和每个数据流对应的调制编码方式MCS_j(j=1,2,…,L)，L为不等于零的自然数；

(4)、计算可用下行带宽：可用下行带宽R_eff LTE由(6)式计算：

$R_{\mathrm{eff}\_\mathrm{LTE}}=n_{\mathrm{rest}}\underset{j=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{r}_j---\left(6\right)$

其中，r_j表示第j个数据流在一个时频资源块上传输的比特数；可根据把MCS_j查表2获得，从而得到可用下行带宽R_eff LTE。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

表2 一个时频资源块上传输的比特数与调制编码方式的关系

MCSj	rj
		0	16
1	24
		2	32
3	40
		4	56
5	72
		6	328
7	104
		8	120
9	136
		10	136
11	144
		12	176
13	208
		14	224
15	256
		16	280
17	280
		18	328
19	336
		20	376
21	408
		22	440
23	488
		24	520
25	552
		26	584
27	616
		28	712

Claims (1)

1.一种基于跨层优化的LTE-WLAN异构无线网络接入点选择方法，其特征在于按以下步骤进行：

(1)、用户终端估计当前网络中的可用下行带宽                                               ；具体步骤为：

 (a)、接收系统信息：用户终端接收LTE小区系统信息并解码，得到下行链路小区带宽，根据带宽和时频资源块数量的关系得到一个子帧内下行链路时频资源块的总数；

 (b)、估计剩余频率资源：用户终端监听物理下行控制信道（PDCCH），将当前子帧的PDCCH全部接收并解码，得到其他用户终端的频率资源分配信息；用户终端根据系统信息可得出下行链路的带宽，则当前子帧未被使用的带宽由(5)式计算：

               (5)

其中，表示当前子帧未被使用的时频资源块的数量，表示一个子帧内下行链路时频资源块的总数，表示当前子帧调度器分配给用户终端i的时频资源块的数量；

(c)、估计实时的下行信道：用户终端根据下行参考信号估计信道，得到多输入多输出（MIMO）并发数据流的数量L和每个数据流对应的调制编码方式，L为不等于零的自然数；

(d)、计算可用下行带宽：可用下行带宽由(6)式计算：

               (6)

其中，表示第j个数据流在一个时频资源块上传输的比特数；根据与对应关系获得，从而得到可用下行带宽;

(2)、假设除了当前网络，还有n个可选网络供用户终端接入，则对每个可选网络，估计接入后的可用下行带宽分别为，n为不等于零的自然数；

(3)、假设可选网络中，网络k的可用下行带宽最大，为；若，则切换到网络k，否则驻留在当前网络；其中，是为了防止发生乒乓效应而设置的阈值，k为≤n的自然数。