章廣梅，鄭友亮，童惠祺，肖汝迪

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第七研究所,廣州 510310；2.廣東省科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)中心，廣州 510033；3.北京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京100876)

0 引 言

短波通信和超短波通信由于其抗毀性強(qiáng)、傳播距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于軍事領(lǐng)域[1]。然而，短波與超短波通信也有不足之處：首先，短波與超短波通信數(shù)據(jù)傳輸速率低，這是由于短波與超短波通信中可用帶寬窄、頻譜效率低；同時(shí)，短波與超短波通信的時(shí)延較大，無法滿足目前新興的一些低時(shí)延業(yè)務(wù)。而移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)等寬帶移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)則擁有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率與較低的時(shí)延[2]，正好可以彌補(bǔ)短波通信與超短波通信的不足，因此有必要研究短波超短波通信網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)的融合。不僅如此，在軍事領(lǐng)域中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)某種網(wǎng)絡(luò)被人為破壞的情況，此時(shí)需要用戶從一種網(wǎng)絡(luò)中迅速切換至另一種網(wǎng)絡(luò)。這更加說明研究短波、超短波通信網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的重要性。

異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合首先要考慮的是網(wǎng)絡(luò)之間的垂直切換問題[3]。由于用戶的移動(dòng)性以及業(yè)務(wù)的多變性，用戶需要隨時(shí)切換到其他網(wǎng)絡(luò)中，此時(shí)需要保證切換的低時(shí)延以及切換到最適合當(dāng)前業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)中。垂直切換的算法有很多不同的設(shè)計(jì)方法：在文獻(xiàn)[4]中，作者將切換時(shí)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的選擇設(shè)計(jì)為一種多屬性決策問題，根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)的性能區(qū)別對(duì)異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)，最終選擇最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)；在文獻(xiàn)[5]中，作者考慮了通用無線分組業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service，GPRS)、無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network，WLAN)、全球微波接入互操作性(World Interoperability for Microwave Access，WiMAX)和通用移動(dòng)通信系統(tǒng)(Universal Mobile Telecommunications System，UMTS)這四種網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)通信成本、丟包率、帶寬和時(shí)延這幾個(gè)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，利用熵權(quán)法計(jì)算了各網(wǎng)絡(luò)屬性集的權(quán)重，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行排序后選擇最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)。

無線資源的管理也是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合需要考慮的問題[6]。傳統(tǒng)上，資源分配被設(shè)計(jì)為最大限度地將信息成功地傳輸給網(wǎng)絡(luò)中的用戶。然而，傳統(tǒng)的資源分配方式將無法滿足如今無線通信中各種應(yīng)用所需的海量數(shù)據(jù)的需求，頻譜的稀缺性要求有效的無線資源管理。因此，有必要設(shè)計(jì)資源分配技術(shù)來優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)，如系統(tǒng)吞吐量、頻譜效率和服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)等。在文獻(xiàn)[7]中，作者提出了一種聯(lián)合資源分配方法，根據(jù)用戶的數(shù)據(jù)速率要求對(duì)用戶進(jìn)行分類，然后控制器根據(jù)可用資源決定應(yīng)該分配給每個(gè)用戶的帶寬數(shù)量，從而提升系統(tǒng)整體的吞吐量。在文獻(xiàn)[8]中，作者提出了一種可以最大化小區(qū)頻譜效率與能量效率的資源分配方法，用二分搜索算法構(gòu)造并求解隨機(jī)優(yōu)化問題，通過對(duì)每個(gè)小區(qū)的功率閾值、基站密度、基站功耗和帶寬劃分進(jìn)行不同的設(shè)置，顯著提高了小區(qū)整體的頻譜效率與能量效率。

綜上所述，異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合的研究主要著重于垂直切換與資源管理等方面，但目前已有的研究中，垂直切換方面只考慮了各網(wǎng)絡(luò)參數(shù)在各網(wǎng)絡(luò)中的權(quán)重，沒有考慮網(wǎng)絡(luò)參數(shù)在不同業(yè)務(wù)類型下的主觀權(quán)值；資源管理方面則僅對(duì)系統(tǒng)吞吐量和頻譜效率等進(jìn)行了優(yōu)化，而如今的業(yè)務(wù)對(duì)傳輸時(shí)延、連接數(shù)、可靠性等指標(biāo)需求也提出了要求，現(xiàn)有技術(shù)無法針對(duì)多樣化需求的業(yè)務(wù)進(jìn)行資源的分配。此外，當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)生狀況或用戶業(yè)務(wù)需求發(fā)生變化時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)無法快速及時(shí)調(diào)整資源的分配，以避免網(wǎng)絡(luò)過載或資源供應(yīng)過剩情況的發(fā)生。

針對(duì)上述問題，本文主要研究短波通信網(wǎng)絡(luò)、超短波通信網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)的融合，主要貢獻(xiàn)如下：利用虛擬網(wǎng)絡(luò)與資源切塊技術(shù)，提出了異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)的無線資源管理方法；設(shè)計(jì)了一種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換的算法，利用層次分析法與熵權(quán)法得到各網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的綜合權(quán)值，加權(quán)得到各網(wǎng)絡(luò)的效用值并依此選擇最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)；設(shè)計(jì)搭建了短波網(wǎng)絡(luò)、超短波網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證平臺(tái)，綜合評(píng)估了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在正常狀態(tài)與突發(fā)情況下的性能，驗(yàn)證了所提的資源管理方法與切換算法的有效性。

1 異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

1.1 資源管理

本文中設(shè)計(jì)的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)將移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)、短波、超短波子網(wǎng)中各自的無線資源以最小單位的邏輯進(jìn)行拆分，將拆分出來的所有資源統(tǒng)一管理形成資源庫。資源庫中的同種資源或不同種資源均可以進(jìn)行重新組合形成資源切塊以進(jìn)行分配。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)有三種虛擬網(wǎng)絡(luò)：第一種為針對(duì)語音業(yè)務(wù)的虛擬網(wǎng)絡(luò)，即語音虛擬網(wǎng)絡(luò)，性能需求為足夠低的時(shí)延和丟包率；第二種為針對(duì)視頻業(yè)務(wù)的虛擬網(wǎng)絡(luò)，即視頻虛擬網(wǎng)絡(luò)，需要提供足夠快的傳輸速率；第三種為針對(duì)緩存流業(yè)務(wù)的虛擬網(wǎng)絡(luò)，需要提供的傳輸速率小于視頻虛擬網(wǎng)絡(luò)，但需要較低的丟包率。

在資源調(diào)配前，需要先將網(wǎng)絡(luò)中的資源映射為虛擬資源池。首先，中央樞紐節(jié)點(diǎn)的信息收集模塊周期性向所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送無線網(wǎng)絡(luò)測(cè)量信息，并將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)反饋的無線網(wǎng)絡(luò)信息存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中。之后，中央樞紐節(jié)點(diǎn)中的資源虛擬化模塊，根據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中的無線資源和緩存資源，使用不同的虛擬化策略對(duì)收集到的各種資源信息進(jìn)行分割、重組，形成邏輯上具有不同特征的虛擬資源池。

對(duì)于無線資源的虛擬化，根據(jù)搜集的各網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)的無線資源信息進(jìn)行節(jié)點(diǎn)資源分類標(biāo)識(shí)，并以最小不可分割單元的形式即資源塊的形式重組為具有統(tǒng)一形式的虛擬無線資源池。無線資源表示為U×N的矩陣R，其中，U為終端的數(shù)目，N為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可調(diào)配資源塊的數(shù)量。每行為各個(gè)終端設(shè)備，每列為可調(diào)配的資源塊，矩陣中的每個(gè)元素使用0/1編碼，表示資源塊的調(diào)配情況，0表示該網(wǎng)絡(luò)資源塊未被調(diào)配給相應(yīng)的終端設(shè)備，1則表示該資源塊已經(jīng)被調(diào)配給相應(yīng)的終端設(shè)備。

資源分配時(shí)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中各虛擬網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)先級(jí)以及虛擬網(wǎng)絡(luò)的需求性能指標(biāo)從資源庫中以資源切塊作為基本單位劃分資源給各個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)。具體地，對(duì)于需求足夠低的時(shí)延與丟包率的語音虛擬網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)先分配資源庫中的短波資源切塊；對(duì)于需要提供足夠快的傳輸速率的視頻虛擬網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)先分配資源庫中的移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)資源切塊；對(duì)于需要提供較快傳輸速率與較低丟包率的緩存流虛擬網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)先分配資源庫中的超短波資源切塊。虛擬網(wǎng)絡(luò)間的資源分配流程如圖1所示。

圖1 虛擬網(wǎng)絡(luò)間資源分配流程圖

從資源庫中劃分資源給各個(gè)切片后，還需要在每個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)內(nèi)調(diào)度資源給切片內(nèi)的各個(gè)用戶，資源調(diào)度流程如圖2所示。與為虛擬網(wǎng)絡(luò)分配資源時(shí)一樣，資源是以資源切塊作為基本單位調(diào)配給用戶的，同時(shí)，調(diào)配時(shí)按照用戶的優(yōu)先級(jí)順序分配資源，用戶的優(yōu)先級(jí)可以是一開始指定好的，也可以是根據(jù)感知到的用戶業(yè)務(wù)的性能需求來確定的。在本文的驗(yàn)證中，優(yōu)先根據(jù)用戶的業(yè)務(wù)類型進(jìn)行排序，在用戶業(yè)務(wù)類型相同的情況下再依據(jù)指定好的用戶順序進(jìn)行用戶優(yōu)先級(jí)的排序。

圖2 虛擬網(wǎng)絡(luò)內(nèi)資源調(diào)配流程圖

1.2 切換控制

為了模擬現(xiàn)實(shí)中網(wǎng)絡(luò)被破壞的情況，本文中的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在某些時(shí)刻會(huì)將某子網(wǎng)設(shè)為不可用，這種情況下，接入該子網(wǎng)的用戶需要切換至其他子網(wǎng)。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中用戶的移動(dòng)性以及業(yè)務(wù)大小的隨機(jī)性也會(huì)影響用戶的通信質(zhì)量，此時(shí)也需要用戶進(jìn)行子網(wǎng)間或是子網(wǎng)內(nèi)的切換，使得網(wǎng)絡(luò)的整體性能達(dá)到最佳。因此，本節(jié)主要介紹異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的用戶切換設(shè)計(jì)。

用戶在進(jìn)行切換時(shí)，首先判斷是否需要進(jìn)行子網(wǎng)間的切換，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)樞紐節(jié)點(diǎn)根據(jù)可用網(wǎng)絡(luò)列表中的網(wǎng)絡(luò)屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行服務(wù)質(zhì)量感知，在可用網(wǎng)絡(luò)中選擇最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行切換，具體步驟如下：

Step1 網(wǎng)絡(luò)選擇模塊的計(jì)算單元根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中不同業(yè)務(wù)類型，即會(huì)話類語音業(yè)務(wù)、會(huì)話類視頻業(yè)務(wù)和緩存流業(yè)務(wù)，確定可用帶寬、吞吐量以及丟包率這三個(gè)參考網(wǎng)絡(luò)屬性在不同業(yè)務(wù)類型下的主觀權(quán)值矩陣：

(1)根據(jù)不同的業(yè)務(wù)類型，構(gòu)造相應(yīng)的層次分析判斷矩陣A=(aij)l*l，其中aij表示屬性對(duì)業(yè)務(wù)類型的重要程度，按照1～9標(biāo)度法則進(jìn)行賦值，aij越大說明屬性i比屬性j越重要；

(2)采用特征根法計(jì)算各個(gè)屬性的權(quán)重值λmax，得到相應(yīng)的特征向量ω；

(3)對(duì)權(quán)重結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，若一致性比率小于或等于0.1時(shí)，矩陣的一致性即滿足要求。

Step2 網(wǎng)絡(luò)選擇模塊的計(jì)算單元利用各個(gè)無線接入點(diǎn)上傳的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)側(cè)數(shù)據(jù)確定客觀權(quán)值，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)使用熵權(quán)法，具體如下：

(2)對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，包括但不限于最大最小歸一化方法等，歸一化后的各參數(shù)值為xij；

(3)根據(jù)如下公式確定各類參考屬性的熵值：

(1)

(2)

式中：gij為網(wǎng)絡(luò)i中第j項(xiàng)參數(shù)在所有備選網(wǎng)絡(luò)中的比重；ej為第j項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)指標(biāo)的熵值；n為可用網(wǎng)絡(luò)的個(gè)數(shù)；k為常數(shù)值，且k=1/ln(n)；

(4)根據(jù)如下公式利用熵值計(jì)算各個(gè)參考屬性的權(quán)值sj：

(3)

(4)

Step3 計(jì)算單元通過設(shè)定的加權(quán)因子，利用主觀權(quán)值和客觀權(quán)值計(jì)算綜合權(quán)值：

Wj=α·ω+(1-α)·sj。

(5)

式中：Wj為綜合權(quán)值；α為加權(quán)因子。

Step4 選擇模塊的網(wǎng)絡(luò)判斷單元利用簡(jiǎn)單加權(quán)法，根據(jù)上一步計(jì)算的綜合權(quán)值，得到各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的效用值，若備選網(wǎng)絡(luò)中的最大效用值等于當(dāng)前接入網(wǎng)絡(luò)的效用值或者其比率小于設(shè)定的閾值，則終端停留在當(dāng)前接入網(wǎng)絡(luò)，否則選擇效用值最大的網(wǎng)絡(luò)為接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行切換，具體方法如下：

(6)

(7)

(8)

式中：Fi為第i個(gè)網(wǎng)絡(luò)的效用值；Fmax為所有備選網(wǎng)絡(luò)中最大的效用值；Fcur為當(dāng)前接入網(wǎng)絡(luò)的效用值；Fbest為最終選擇接入網(wǎng)絡(luò)的效用值。

在用戶切換至最優(yōu)子網(wǎng)后，用戶還需要進(jìn)行子網(wǎng)內(nèi)的切換，此時(shí)，用戶需要計(jì)算自己與子網(wǎng)內(nèi)所有基站之間的參考信號(hào)接收功率(Reference Signal Receiving Power，RSRP)值，選擇RSRP值最大的基站進(jìn)行接入。至此，用戶的整個(gè)切換流程結(jié)束，在下一個(gè)切換周期時(shí)再次重復(fù)此流程。

2 驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)

本文中異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證平臺(tái)分為移動(dòng)寬帶子網(wǎng)、短波子網(wǎng)和超短波子網(wǎng)三個(gè)子網(wǎng)，在平臺(tái)中三個(gè)子網(wǎng)共存，共同服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的所有用戶。平臺(tái)中的用戶依據(jù)平臺(tái)樞紐節(jié)點(diǎn)的指令被分配到一個(gè)子網(wǎng)進(jìn)行通信或者進(jìn)行子網(wǎng)間的切換。本節(jié)主要介紹平臺(tái)整體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)模型以及各個(gè)子網(wǎng)的信道模型和驗(yàn)證假設(shè)。

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

驗(yàn)證平臺(tái)以移動(dòng)寬帶子網(wǎng)為基礎(chǔ)搭建，移動(dòng)寬帶子網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。平臺(tái)采取蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，共有7個(gè)小區(qū)，小區(qū)半徑為1 000 m，每個(gè)小區(qū)分為3個(gè)扇區(qū)，共21個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)中10個(gè)用戶，用戶在扇區(qū)范圍內(nèi)均勻撒點(diǎn)。

圖3 移動(dòng)寬帶子網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證則是在此基礎(chǔ)上加入了短波子網(wǎng)與超短波子網(wǎng)，短波子網(wǎng)與超短波子網(wǎng)各設(shè)置一個(gè)基站在網(wǎng)絡(luò)的正中央。由于三個(gè)子網(wǎng)的通信頻率互不重疊，因此子網(wǎng)間不存在干擾。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。同時(shí)，將移動(dòng)寬帶子網(wǎng)中小區(qū)數(shù)量減少為3個(gè)，并且設(shè)置中央控制節(jié)點(diǎn)對(duì)所有基站進(jìn)行控制。關(guān)于平臺(tái)中帶寬的設(shè)置，移動(dòng)寬帶子網(wǎng)的帶寬為5 MHz/扇區(qū)，短波子網(wǎng)的總帶寬為5 MHz，超短波子網(wǎng)的總帶寬為25 MHz。

圖4 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證平臺(tái)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 信道模型

平臺(tái)中移動(dòng)寬帶子網(wǎng)的信道模型設(shè)計(jì)參考的是3GPP標(biāo)準(zhǔn)，其中路徑損耗的公式如下：

L=40(1-4×10-3Δhb)lg(R)-18lg(Δhb)+21lg(f)+80。

(9)

式中：L為路徑損耗，單位為dB；Δhb為基站天線相對(duì)于平均建筑物頂部的高度，單位為m；R為基站和終端之間的距離，單位為km；f為載波頻率,單位為MHz。

除了路徑損耗，平臺(tái)中還考慮了穿透損耗與陰影衰落。

短波子網(wǎng)的傳輸損耗計(jì)算采用改進(jìn)后的Okumura-Hata經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，具體公式如下：

LHF=147.15+18.93lg(f)-6.68lg(ht)-α(hr)+

[44.9-6.55lg(ht)]lg(d)-K，

(10)

α(hr)=[1.1lg(f)-0.7]hr-[1.56lg(f)-0.8]。

(11)

式中：LHF為路徑損耗，單位為dB；f為載波頻率,單位為MHz；hr為接收天線有效高度，單位為m；ht為發(fā)送天線有效高度，單位為m；d為基站和終端之間的距離，單位為km；K為使用地區(qū)環(huán)境的修正系數(shù)；α(hr)為接收高度修正因子。

超短波子網(wǎng)的傳輸損耗計(jì)算采用Okumura-Hata經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停唧w公式如下：

LVHF=69.55+26.16lg(f)-13.82lg(ht)-α(hr)+

[44.9-6.55lg(ht)]lg(d)-K。

(12)

式中：LVHF為路徑損耗，單位為dB；其余變量含義與式(10)和式(11)相同。

2.3 業(yè)務(wù)模型

在3GPP的標(biāo)準(zhǔn)中，定義了9種不同的業(yè)務(wù)類型，本文選取其中的3種業(yè)務(wù)類型進(jìn)行仿真，分別是會(huì)話類語音業(yè)務(wù)、會(huì)話類視頻業(yè)務(wù)和緩沖視頻業(yè)務(wù)。每種業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)周期、業(yè)務(wù)大小以及丟包率和時(shí)延的要求見表1，其中業(yè)務(wù)為周期性業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)大小服從均勻分布。

表1 終端業(yè)務(wù)類型

2.4 平臺(tái)流程

平臺(tái)包括控制節(jié)點(diǎn)、基站節(jié)點(diǎn)和用戶節(jié)點(diǎn)三部分，其中控制節(jié)點(diǎn)包括參數(shù)初始化模塊和全局定時(shí)模塊兩部分，基站節(jié)點(diǎn)包括基站無線資源管理模塊，用戶節(jié)點(diǎn)包括用戶無線資源管理模塊和用戶移動(dòng)性模塊。平臺(tái)流程如圖5所示。

圖5 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證平臺(tái)流程

2.5 驗(yàn)證場(chǎng)景

場(chǎng)景參數(shù)見表2。

表2 場(chǎng)景參數(shù)

3 結(jié)果與分析

本文利用搭建的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)級(jí)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證主要分為兩個(gè)方面：首先是網(wǎng)絡(luò)正常狀態(tài)下異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的基礎(chǔ)性能評(píng)估，將文中設(shè)計(jì)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性能與單移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)和資源隨機(jī)分配的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性能進(jìn)行對(duì)比，說明了網(wǎng)絡(luò)的融合對(duì)用戶服務(wù)質(zhì)量的提升有很大幫助，同時(shí)證明了本文設(shè)計(jì)的資源分配方法可以提高各類型業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)滿意度；之后對(duì)突發(fā)情況下異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行了驗(yàn)證，模擬現(xiàn)實(shí)中網(wǎng)絡(luò)被破壞的場(chǎng)景，將部分用戶的移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)設(shè)為不可用狀態(tài)，研究這種狀態(tài)下文中設(shè)計(jì)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與無垂直切換的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性能差異，說明了本文設(shè)計(jì)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中用戶的垂直切換是可行的并且可以有效應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況。

3.1 異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)性能

首先對(duì)網(wǎng)絡(luò)正常狀態(tài)下的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估的性能為不同類型業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)滿意度。若網(wǎng)絡(luò)在傳輸過程中滿足某用戶業(yè)務(wù)的時(shí)延、丟包率等性能需求(各業(yè)務(wù)的性能需求見2.3)，則視為滿意，統(tǒng)計(jì)每種業(yè)務(wù)下所有用戶中滿意用戶的比率，記為業(yè)務(wù)滿意度。驗(yàn)證時(shí)對(duì)比三種平臺(tái)的性能：第一個(gè)為單移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)；第二個(gè)為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，但平臺(tái)中的資源分配方式為每個(gè)資源塊隨機(jī)分配；第三個(gè)為使用本文設(shè)計(jì)的資源分配方式的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。驗(yàn)證結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同平臺(tái)中各業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)滿意度對(duì)比

從圖6中可以看出，相比于單移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)，資源隨機(jī)分配的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中各業(yè)務(wù)的滿意度有少量提升，這是因?yàn)楫悩?gòu)網(wǎng)絡(luò)中擁有短波資源與超短波資源，緩解了移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載壓力。同時(shí)，使用本文設(shè)計(jì)的資源分配方法異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)可以使語音的業(yè)務(wù)滿意度提高到100%，使緩存流的業(yè)務(wù)滿意度提高到96.78%。這是因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)的資源分配方法中資源根據(jù)業(yè)務(wù)的性能需求進(jìn)行調(diào)配，更容易滿足業(yè)務(wù)的性能需求。而對(duì)于視頻業(yè)務(wù)，由于短波與超短波的傳輸速率低，無法完全滿足視頻業(yè)務(wù)的性能需求，因此本文設(shè)計(jì)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)對(duì)視頻業(yè)務(wù)的滿意度提升影響很小。

3.2 突發(fā)情況下異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)性能

本節(jié)進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)突發(fā)狀況下的網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證，在運(yùn)行到一半時(shí)將部分用戶的移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)設(shè)為不可用狀態(tài)，用于模擬現(xiàn)實(shí)中網(wǎng)絡(luò)被破壞的場(chǎng)景。驗(yàn)證比較了本文設(shè)計(jì)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與無切換的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在突發(fā)狀況下的各子網(wǎng)用戶占比與各業(yè)務(wù)的滿意度的差異，驗(yàn)證結(jié)果如圖7和圖8所示，其中，圖7為10%用戶移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)不可用時(shí)的仿各子網(wǎng)用戶占比，圖8為10%用戶移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)不可用時(shí)各業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)滿意度。

(a)無垂直切換的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)各子網(wǎng)用戶占比

圖8 突發(fā)情況下各業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)滿意度

從圖7中可以看出，沒有垂直切換的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在突發(fā)情況下會(huì)有部分用戶變得無法通信，而本文設(shè)計(jì)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在10%用戶移動(dòng)寬帶子網(wǎng)不可用時(shí)可以將這部分用戶切換到其他子網(wǎng)，從而應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況。從圖8中可以看出，本文設(shè)計(jì)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在突發(fā)情況下各業(yè)務(wù)滿意度均高于無垂直切換的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，說明了本文設(shè)計(jì)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中用戶的垂直切換是可行的，并且可以有效應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況。

4 結(jié) 論

本文首先提出了一種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的無線資源管理方法，并針對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中子網(wǎng)間的垂直切換問題設(shè)計(jì)了一種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換算法，該算法根據(jù)各網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以及用戶業(yè)務(wù)的性能需求計(jì)算出最適合此用戶的網(wǎng)絡(luò)；之后，設(shè)計(jì)了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證平臺(tái)，驗(yàn)證結(jié)果證明了本文中設(shè)計(jì)的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的有效性，為后續(xù)異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的研究提供了參考。