0 引言

    在通信發(fā)展的過(guò)程中產(chǎn)生了多種通信方式，通信技術(shù)層出不窮，每種通信類(lèi)型都有其存在的意義，都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。因此多種通信方式間的融合問(wèn)題成為值得研究的方向。針對(duì)GMR-1 Release3衛(wèi)星通信與FDD-LTE系統(tǒng)間切換研究較少的情況，設(shè)計(jì)這兩種系統(tǒng)間的聯(lián)合切換策略。

    GMR-1全稱(chēng)GEO-Mobile Radio interface specifications，GMR-1標(biāo)準(zhǔn)是基于GSM或3G核心網(wǎng)的GEO衛(wèi)星系統(tǒng)的空中接口規(guī)范^[1]。GMR-1標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)商用，應(yīng)用此標(biāo)準(zhǔn)的有Thuraya（舒拉亞）系統(tǒng)等。隨著陸地蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展，GMR-1標(biāo)準(zhǔn)在演進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生了三個(gè)版本：Release1、Release2、Release3。Release3是Release2演進(jìn)過(guò)程中的增強(qiáng)版本，基于3G標(biāo)準(zhǔn)而來(lái)。FDD-LTE技術(shù)為頻分雙工模式，采用成對(duì)的頻譜。FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)已在歐洲北美等國(guó)家正式商用，使用此制式的運(yùn)營(yíng)商多為主流運(yùn)營(yíng)商，其產(chǎn)業(yè)鏈成熟，具有很好的發(fā)展前景。為了更好地適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展，研究4G與GMR-1網(wǎng)絡(luò)間的切換判決策略具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的意義。

1 系統(tǒng)間切換概述

    系統(tǒng)間切換是不同接入技術(shù)網(wǎng)絡(luò)間的垂直切換，其垂直切換又可以分為向上垂直切換和向下垂直切換。移動(dòng)終端在隨機(jī)移動(dòng)過(guò)程中，用戶(hù)終端需要時(shí)刻滿(mǎn)足“ABC”準(zhǔn)則（always-best-connected）來(lái)為用戶(hù)提供最佳的服務(wù)^[2]。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)出現(xiàn)以下情形時(shí)，將執(zhí)行垂直切換。

    (1)終端移出當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)入另一種網(wǎng)絡(luò)；

    (2)終端已選擇一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，但為了服務(wù)趨勢(shì)垂直切換到另一覆蓋網(wǎng)絡(luò)；

    (3)終端選擇一個(gè)系統(tǒng)，為了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的優(yōu)化，需要垂直切換到另一系統(tǒng)。

2 TOPSIS算法

    TOPSIS（逼近理想點(diǎn)排序法）基本原則是所選網(wǎng)絡(luò)與理想網(wǎng)絡(luò)方案差距最小并且與最差網(wǎng)絡(luò)方案差距最大[3]。其所有理想?yún)?shù)值構(gòu)成理想方案，所有最差參數(shù)值構(gòu)成最差方案。對(duì)于n個(gè)屬性m個(gè)網(wǎng)絡(luò)的多屬性決策問(wèn)題看成幾何系統(tǒng)中的n維空間m個(gè)節(jié)點(diǎn)的問(wèn)題進(jìn)行處理，求取系統(tǒng)的最優(yōu)解，最優(yōu)解的選取通過(guò)比較被選網(wǎng)絡(luò)與理想網(wǎng)絡(luò)之間在幾個(gè)空間具有的最小Euclid（歐幾里得）距離的方案^[4]。

其中，A_target為所選的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)；Bi為被選網(wǎng)絡(luò)與理想網(wǎng)絡(luò)之間的差距，表示被選網(wǎng)絡(luò)解決方案與理想網(wǎng)絡(luò)解決方案的貼近程度^[5-6]。

    TOPSIS算法步驟：

    （1）建立標(biāo)準(zhǔn)化矩陣。對(duì)各項(xiàng)決策參量進(jìn)行歸一化，這個(gè)步驟將各種類(lèi)型的決策參量轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱的參量，得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣R。每個(gè)屬性都具有長(zhǎng)度相同的向量。決策矩陣R中的元素r_ij計(jì)算公式：

    （4）計(jì)算各方案與理想解和負(fù)理想解之間的距離。與理想解和負(fù)理想解方案之間的距離可以通過(guò)n維Euclid距離來(lái)計(jì)算。各方案與理想解之間的距離為^[8]：

各方案與負(fù)理想解之間的距離：

3 聯(lián)合切換判決

    通過(guò)比較GMR-1和FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)與理想方案的距離大小來(lái)選擇接入到哪一種網(wǎng)絡(luò)。假設(shè)FDD-LTE代表網(wǎng)絡(luò)1，GMR-1代表網(wǎng)絡(luò)2。將網(wǎng)絡(luò)的RSSI（接收信號(hào)強(qiáng)度）、帶寬、時(shí)延、費(fèi)用、滿(mǎn)意度5個(gè)屬性作為T(mén)OPSIS算法的輸入，對(duì)輸出網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行切換判決。系統(tǒng)模型如圖1所示。

    采用雙模移動(dòng)終端作為終端的類(lèi)型，與GMR-1和FDD-LTE兩種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，但同一時(shí)刻只能與其中一種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。對(duì)FDD-LTE采用經(jīng)典的Log-linear路徑損耗模型作為通信模型進(jìn)行分析，并考慮到陰影衰落對(duì)接收信號(hào)強(qiáng)度的影響。接收信號(hào)強(qiáng)度RSSI為^[9]：

其中，d表示終端和BS（Base Station）之間的距離；P_t為信號(hào)的發(fā)射功率，單位為dBm；L為傳播過(guò)程中產(chǎn)生的路徑損耗；n為路徑損耗因子，其取值的范圍[2-4]之間；N(μ，σ)為高斯隨機(jī)變量，其均值為μ，標(biāo)準(zhǔn)差為σ。對(duì)接收信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行離散化，以T_s為周期對(duì)設(shè)計(jì)的連續(xù)的接收信號(hào)進(jìn)行抽樣。

其中k表示時(shí)間序列。RSS(k)，S_RSS(k)的單位為dBm。

    d表示在k時(shí)刻移動(dòng)終端和BS之間的距離，在計(jì)算接收信號(hào)強(qiáng)度的過(guò)程中，距離是影響其變化的唯一因素。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，假設(shè)移動(dòng)臺(tái)以一定的速度v遠(yuǎn)離BS基站，向衛(wèi)星波束中心靠近。在通信過(guò)程中，移動(dòng)終端從一種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入另外一種網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生切換的依據(jù)因素很多，RSSI（接收信號(hào)強(qiáng)度）是其中關(guān)鍵的一個(gè)參量。針對(duì)RSSI的計(jì)算，采用對(duì)時(shí)間連續(xù)的接收信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行抽樣，在一定時(shí)間內(nèi)，測(cè)定離散抽樣值作為接收信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)量。

    仿真采用RSSI（接收信號(hào)強(qiáng)度）、帶寬、時(shí)延、費(fèi)用、滿(mǎn)意度5個(gè)屬性作為T(mén)OPSIS算法的輸入，這些參數(shù)是時(shí)刻變化的，為了仿真的方便，對(duì)算法輸入網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行部分固定。假定FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)帶寬40 Mbps，時(shí)延20 ms，費(fèi)用0.2，滿(mǎn)意度0.7；GMR-1網(wǎng)絡(luò)帶寬10 Mb/s，時(shí)延400 ms，費(fèi)用0.5，滿(mǎn)意度0.4。接收信號(hào)強(qiáng)度是時(shí)刻變化的，計(jì)算判決因子對(duì)輸出網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行切換判決。

3.1 算法流程

    基于TOPSIS的聯(lián)合切換判決策略如圖2所示，由圖2可以看出，F(xiàn)DD-LTE向GMR-1切換時(shí)，切換判決在切換定時(shí)器周期內(nèi)，要滿(mǎn)足總接收信號(hào)強(qiáng)度大于能量門(mén)限并且時(shí)間也要滿(mǎn)足響應(yīng)的限制，采用此種策略切換更加準(zhǔn)確。

3.2 接收信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量

    假設(shè)移動(dòng)終端以速度v均勻地移動(dòng)，用周期T_s間隔時(shí)間對(duì)RSSI進(jìn)行抽樣，在周期T_s的時(shí)間內(nèi)，移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)的距離為d_l=v×T_s，平均接收信號(hào)強(qiáng)度為：

其中，為平均接收信號(hào)強(qiáng)度；P₀為P_T與信號(hào)功率損耗的差值，P₀=P_T-L；n為路徑損耗因子。

    在垂直切換判決策略設(shè)計(jì)中，通過(guò)引入切換定時(shí)器（Handoff Timer）來(lái)對(duì)切換進(jìn)行控制，盡量減少乒乓效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的影響。在一個(gè)切換計(jì)時(shí)周期T內(nèi)，計(jì)算累積接收信號(hào)強(qiáng)度。在T內(nèi)抽樣的次數(shù)為L(zhǎng)（T=LT_s），其接收信號(hào)強(qiáng)度累積之和為：

式中，j的取值范圍為j∈{1，…，J}，J為在一個(gè)切換周期內(nèi)抽樣得到的接收信號(hào)強(qiáng)度大于接收信號(hào)門(mén)限RSSth的次數(shù)，1≤J≤L。是服從正態(tài)分布的隨機(jī)變量，因此，S為J個(gè)正態(tài)隨機(jī)變量之和。切換判決的重要依據(jù)之一就是累積接收信號(hào)強(qiáng)度S>Q，其中Q為能量門(mén)限。即可為系統(tǒng)間切換提供一定的延遲時(shí)間來(lái)減少乒乓效應(yīng)。

3.3 滿(mǎn)意度因子

    每種網(wǎng)絡(luò)的滿(mǎn)意度因子可以按照抽樣接收信號(hào)強(qiáng)度和平均接收信號(hào)強(qiáng)度下降速率和滿(mǎn)足某種應(yīng)用的QoS值之間關(guān)系來(lái)計(jì)算。其滿(mǎn)足某種應(yīng)用QoS的持續(xù)時(shí)間估計(jì)網(wǎng)絡(luò)的滿(mǎn)意度因子：

其中，D_RSS為接收信號(hào)強(qiáng)度平均下降速率，可以通過(guò)數(shù)學(xué)公式計(jì)算為滿(mǎn)足某種應(yīng)用的QoS需求；T_s[k]表示按照目前的平均接收信號(hào)強(qiáng)度下降速率能夠維持這種應(yīng)用的持續(xù)時(shí)間，表示網(wǎng)絡(luò)的滿(mǎn)意度因子。

4 仿真

4.1 仿真參數(shù)

    仿真參數(shù)如表1所示。

4.2 仿真結(jié)果

    移動(dòng)終端的切換次數(shù)定義為N_handoff，其切換次數(shù)可以通過(guò)移入和移出轉(zhuǎn)移概率得到^[9]。

式中，n為MES切換時(shí)刻索引。

    從平均切換次數(shù)仿真圖3（a）可以看出，基于TOPSIS算法的聯(lián)合垂直切換算法相對(duì)與傳統(tǒng)的算法有很大的改善?；赥OPSIS的聯(lián)合垂直切換算法的平均切換次數(shù)大約在2次左右，而基于滯后余量的傳統(tǒng)垂直切換算法的平均切換次數(shù)明顯高于改善的算法。隨著移動(dòng)終端速度逐漸升高，基于滯后余量的垂直切換算法平均切換次數(shù)逐漸降低。速度較小時(shí)，平均切換次數(shù)降低速率大；速度較大時(shí)，平均切換次數(shù)降低速率小?；赥OPSIS的聯(lián)合垂直切換算法有效降低了乒乓效應(yīng)，切換次數(shù)得到了明顯的改善。

    從圖3（b）可以看出，采用基于TOPSIS的聯(lián)合垂直切換算法，移動(dòng)終端可以獲得的FDD-LTE可用帶寬從19.2 Mb/s～21.6 Mb/s。而采用基于滯后余量的垂直切換算法，終端可以獲得的可用帶寬從14 Mb/s～17.5 Mb/s。當(dāng)采用同樣的速度時(shí)，采用改善的聯(lián)合垂直切換算法比傳統(tǒng)算法可用帶寬大4 Mb/s。

    在性能評(píng)估過(guò)程中，用戶(hù)可以通過(guò)線(xiàn)頭（Head of Line，HoL）分組時(shí)延來(lái)估計(jì)用戶(hù)的滿(mǎn)意程度。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)的接收信號(hào)強(qiáng)度降低到一定程度時(shí)，其分組時(shí)延影響QoS的感知。

    從圖4（a）分組時(shí)延概率可以看出，采用基于TOPSIS的聯(lián)合垂直切換算法，其HoL分組時(shí)延遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的切換算法。這是因?yàn)橐苿?dòng)終端在FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)的邊緣時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度和信道條件極大的惡化，而FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)先級(jí)高，采用TOPSIS的垂直切換算法致使移動(dòng)臺(tái)還在繼續(xù)使用FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)，使得其分組時(shí)延變大。

    圖4(b)為GoS（Grade of Service）圖，QoS不能直接獲得，GoS很方便得到，在一定程度可以表征QoS。

其中，K為服務(wù)終端產(chǎn)生的代價(jià)；P_hf為切換失敗的概率；P_nb為新服務(wù)阻塞的概率。采用基于TOPSIS的聯(lián)合垂直切換算法GoS的值明顯比傳統(tǒng)切換算法低。隨著業(yè)務(wù)量的增加，基于滯后門(mén)限的切換算法GoS的增長(zhǎng)率比聯(lián)合切換算法更大一些。

    綜上所述，采用基于TOPSIS的垂直切換算法可以有效地降低移動(dòng)臺(tái)的平均切換次數(shù)，提高FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬，GoS（服務(wù)等級(jí)）有所提升。但這是有代價(jià)的，其增加了分組時(shí)延的概率來(lái)?yè)Q取這些性能的提高。

5 總結(jié)

    針對(duì)衛(wèi)星通信GMR-1和4G蜂窩通信FDD-LTE系統(tǒng)間切換問(wèn)題進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種基于TOPSIS的聯(lián)合切換策略。此策略考慮多種屬性參數(shù)，仿真分析得出相對(duì)于基于滯后門(mén)限的切換策略，平均切換次數(shù)大大降低，網(wǎng)絡(luò)可用帶寬變大，服務(wù)等級(jí)升高，然而代價(jià)為分組時(shí)延有所升高。下一步，將對(duì)業(yè)務(wù)類(lèi)型劃分研究切換策略的性能。

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