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1、(10)申请公布号 CN 103002534 A (43)申请公布日 2013.03.27 CN 103002534 A *CN103002534A* (21)申请号 201210551224.2 (22)申请日 2012.12.18 H04W 36/22(2009.01) (71)申请人 华中科技大学 地址 430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路 1037 号 (72)发明人 王德胜 田科亮 林宏志 熊磊 余想 杨逸帆 杨波 马璇 (74)专利代理机构 武汉开元知识产权代理有限 公司 42104 代理人 唐正玉 (54) 发明名称 一种基于跨层优化的 LTE-WLAN 异构无线网 络接入点选。
2、择方法 (57) 摘要 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 Rp； (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,Rn， 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 Rk； 若 Rk-Rp ， 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。本 发明提出的网络选择方法中， 用户终端。
3、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。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 9 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 9 页 附图 3 页 1/1 页 2 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 Rp； (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。
4、为 R1,R2,Rn， 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 Rk； 若 Rk-Rp ， 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。 2.根据权利要求1所述的LTE-WLAN异构无线网络接入点选择方法， 其特征在于所述的 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 ntotal；。
5、 (2)、 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 ： 其中， nrest表示当前子帧未被使用的时频资源块的数量， ntotal表示一个子帧内下行链 路时频资源块的总数， ni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 。
6、MCSj(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 Reff LIE由 (6) 式计算 ： 其中， rj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 MCSj与 rj对应关 系获得 rj， 从而得到可用下行带宽 Reff LIE。 权 利 要 求 书 CN 103002534 A 2 1/9 页 3 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 0001 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。
7、技术。 背景技术 0002 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。 0003 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。 0004 。
8、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。 0005 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。 0006 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，。
9、 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 0007 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。 0008 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 ： 0009 (1)、 用户终端估计当前网。
10、络中的可用下行带宽 Rp； 0010 (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,Rn， n 为不等于零的自然数 ； 0011 (3)、 假设可选网络中， 网络 k 的可用下行带宽最大， 为 Rk； 若 Rk-Rp ， 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 说 明 书 CN 103002534 A 3 2/9 页 4 自然数。 0012 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 ： 0013 (1)、 接收。
11、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 ntotal； 带宽和时频资源块数量的关系如表 1 所示 ； 0014 表 1 带宽和时频资源块数量的关系 0015 带宽 （MHz）一个子帧内时频资源块数量 （个） 1.46 315 525 1050 1575 20100 0016 (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。
12、的带宽由 (5) 式计算 ： 0017 0018 其中， nrest表示当前子帧未被使用的时频资源块的数量， ntotal表示一个子帧内下 行链路时频资源块的总数， ni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 ； 0019 (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MCSj(j=1,2,L)， L为 不等于零的自然数 ； 0020 (4)、 计算可用下行带宽 ： 可用下行带宽 Reff LTE由 (6) 式计算 ： 0021 0022 其中， rj表示第 j 个数据。
13、流在一个时频资源块上传输的比特数 ； 根据 MCSj与 rj对 应关系获得 rj， MCSj与 rj对应关系如表 2， 从而得到可用下行带宽 Reff LTE。 0023 说 明 书 CN 103002534 A 4 3/9 页 5 MCSj rj 016 124 232 340 456 572 6328 7104 8120 9136 10136 11144 12176 13208 14224 15256 16280 17280 18328 19336 20376 21408 22440 说 明 书 CN 103002534 A 5 4/9 页 6 23488 24520 25552 2658。
14、4 27616 28712 0024 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 0025 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。 0026 在轻度。
15、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。 0027 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。 0028 与上行相比， 用户终端的下载量更多、 下行数据量。
16、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 0029 图 1 为本发明提出的接入点选择方法流程图。 0030 图 2 为 IEEE 802.11 标准信标帧示意图。 0031 图 3 为 IEEE 802.11 标准无 RTS/CTS 情况下的发包示意图。 0032 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 0033 结合附图对本发明作进一步的描述。 0034 本发明提出了一种基于跨层优化的 LTE-WLAN 异构无。
17、线网络接入点选择方法， 其 步骤如图 1 所示 ： 0035 (1)、 用户终端估计当前网络中的可用下行带宽 Rp； 说 明 书 CN 103002534 A 6 5/9 页 7 0036 (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,Rn， n 为不等于零的自然数 ； 0037 (3)、 假设可选网络中， 网络 k 的可用下行带宽最大， 为 Rk； 若 Rk-Rp ， 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。 0038 下文将对如何估。
18、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。 0039 估计 WLAN 的可用下行带宽 0040 S. Vasudevan在文献 “Facilitating Access Point Selection in IEEE 802.11 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 ： 0041 0042 其中， DATA 表示数据帧的。
19、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。 0043 无 RTS/CTS 的情况 0044 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 ： 0045 0046 其中， TD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 802.1。
20、1g 标准中取 10us ； ACK 表示确认帧的比特数， 参考值为 34 字节。 0047 用户终端的物理层信道容量 R 由式 (3) 计算 ： 0048 0049 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。 0050 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 TD， 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 TB， 而用户终端能计算出 TB， 因此。
21、把 TB作为 TD的估计值。 0051 有 RTS/CTS 的情况 0052 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 ： 说 明 书 CN 103002534 A 7 6/9 页 8 0053 0054 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， TD、 R、 SIFS、 DATA 和 ACK 的计算方法和没有 R。
22、TS/CTS 的情况的计算方法相同。 0055 估计 LTE 的可用下行带宽 0056 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） 。 0057 LTE 传输机制的核心。
23、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。 0058 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。
24、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。 0059 本发明提出一。
25、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 ： 0060 (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 ntotal； 0061 表 1 带宽和时频资源块数量的关系 0062 说 明 书 CN 103002534 A 8 7/9 页 9 带宽 （MHz）一个子帧内时频资源块数量 （个） 1.46 315 525 1050 1575 20100 0063 (2)、 估计剩余频率资源 ： 用户终端监听 PDCCH， 将当前子帧的 PDCCH 。
26、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 ： 0064 0065 其中， nrest表示当前子帧未被使用的时频资源块的数量， ntotal表示一个子帧内下 行链路时频资源块的总数， ni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 ； 0066 (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 MCSj(j=1,2,L)， L 为不等于零的自然数 ； 0067 (。
27、4)、 计算可用下行带宽 ： 可用下行带宽 Reff LTE由 (6) 式计算 ： 0068 0069 其中， rj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 MCSj查 表 2 获得， 从而得到可用下行带宽 Reff LTE。 0070 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。 0071 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 0072 MCSj rj 016 124 说 。
28、明 书 CN 103002534 A 9 8/9 页 10 232 340 456 572 6328 7104 8120 9136 10136 11144 12176 13208 14224 15256 16280 17280 18328 19336 20376 21408 22440 23488 24520 25552 说 明 书 CN 103002534 A 10 9/9 页 11 26584 27616 28712 说 明 书 CN 103002534 A 11 1/3 页 12 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103002534 A 12 2/3 页 13 图 3 说 明 书 附 图 CN 103002534 A 13 3/3 页 14 图 4 说 明 书 附 图 CN 103002534 A 14 。