基于LTE和wimax异构网络的垂直切换算法matlab仿真
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随着无线通信技术的快速发展,多种无线接入技术(RAT)共存已成为常态。LTE和WiMAX作为两种主流的无线通信技术,各自具有独特的优势。在异构网络中,用户设备(UE)可能需要在不同的RAT之间进行切换,以保持最佳的网络连接质量。垂直切换算法就是用于在这种异构网络环境中实现UE在不同RAT之间平滑切换的关键技术。
1.LTE和WiMAX
在基于LTE和WiMAX的异构网络中,多个无线接入技术共存并相互协作以提供更加灵活、高效且广泛的覆盖范围。这种异构网络环境通常包括宏蜂窝(如LTE eNodeB)、小蜂窝(如femtocell或picocell)、WiMAX基站以及其他类型的接入点(如Wi-Fi热点),所有这些共同构成了一个多层次、多维度的无线通信架构。
在这样的网络环境中,设计一种有效的垂直切换算法至关重要,该算法能够在不同的RAT之间做出最优决策,确保用户设备(UE)始终连接到最佳可用网络节点。
2.垂直切换算法的基本原理
垂直切换算法的核心是根据一定的决策准则,在LTE和WiMAX网络之间选择最佳的接入点(AP)或基站(BS)。这些决策准则通常基于网络性能参数,如信号强度、带宽、延迟、抖动等。算法的目标是最大化用户的服务质量(QoS)和网络的整体性能。在一个包含LTE和WiMAX网络的异构网络中,垂直切换是指用户设备(UE)从一个无线接入技术(RAT)切换到另一种不同类型的RAT的过程。为了实现高效、无缝的垂直切换,算法通常考虑以下几个主要方面:
2.1 切换决策准则
信道质量测量:UE需要实时评估其在当前服务小区(例如LTE eNodeB或WiMAX BS)以及邻区小区的信号强度(RSRP, Reference Signal Received Power)和信号质量(SINR, Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio)。
切换门限:基于系统参数设定切换阈值,SINR_{LTE} > SINR_{th,LTE},SINR_{WiMAX} < SINR_{th,WiMAX} 。基于吞吐量预测 Throughput_{LTE} > Throughput_{WiMAX}。
2.2 切换判决函数
可以构建一个综合评判函数,结合多种因素,如延迟要求、带宽需求、剩余电池电量等,来决定是否进行切换。此函数可以表示为:
2.3切换成本分析
考虑切换过程中的开销,包括传输时延、重配置消息的发送、业务中断时间等。这些成本可以通过数学模型量化,如切换时延模型:
其中 Tproc 表示处理时间,Ttrans 表示传输时间。
2.4 负载均衡
在大规模部署中,算法还应考虑网络负载平衡问题,即通过切换引导UE进入相对空闲的小区,这可以通过更复杂的数学优化模型来实现。
2.5 切换决策算法
常见的切换算法如最差小区删除(WCD)、比例公平(Proportional Fairness)原则等,它们涉及到对多个候选小区排序和选择的过程,可能使用如效用函数最大化这样的策略:
2.6切换决策过程
切换决策过程通常包括以下几个步骤:
网络发现:UE检测并收集周围可用的LTE和WiMAX网络的信息。
参数测量:UE测量各网络的性能参数,如接收信号强度(RSS)、信噪比(SNR)等。
切换触发:当当前网络的性能下降到某个阈值以下或另一个网络的性能更好时,触发切换过程。
切换决策:根据预定义的决策算法和测量到的参数,UE选择最佳的目标网络。
切换执行:UE断开与当前网络的连接,并建立与目标网络的连接。
3.matlab程序
...............................................................
while countinue_run
%################# measure the receieved signal strength ############
%if the mobile station is in the LTE network
if is_in_LTE_coverage(MS_coordinate)
RSS_LTE=calculate_RSS(MS_coordinate,MS_speed,'LTE',record_time*Tc,Tc);
else
RSS_LTE=-inf;
end
%if the mobile station is in the LTE network
if is_in_Wimax_coverage(MS_coordinate)
RSS_Wimax=calculate_RSS(MS_coordinate,MS_speed,'Wimax',...
record_time*Tc,Tc);
else
RSS_Wimax=-inf;
end
%############### decide whether to handoff according to RSS #########
if Net_state==0&&RSS_LTE<RSS_Wimax
if handoff_clock>handoff_drop
count_handoff_number=count_handoff_number+1;
Net_state=1;
handoff_clock=0; %reset the counter
else
handoff_clock=handoff_clock+Tc;
end
elseif Net_state==1&&RSS_LTE>RSS_Wimax
if handoff_clock>handoff_drop
count_handoff_number=count_handoff_number+1;
Net_state=0;
handoff_clock=0; %reset the counter
else
handoff_clock=handoff_clock+Tc;
end
else
handoff_clock=0;
end
%##################### decide whether to continue run ################
if is_in_LTE_coverage(MS_coordinate)||...
is_in_Wimax_coverage(MS_coordinate)
%######################## record the data ########################
record_time=record_time+1;
record_RSS_LTE(record_time)=RSS_LTE;
record_RSS_Wimax(record_time)=RSS_Wimax;
record_Net_state(record_time)=Net_state;
MS_coordinate(1)=MS_coordinate(1)+MS_speed*Tc;
else
countinue_run=false;
end
end
%######################## plot the simulation results ####################
t=[1:record_time]*Tc;
plot(t,record_RSS_LTE,'--ro','MarkerEdgeColor','g','MarkerFaceColor','y',...
'MarkerSize',2);
hold on
plot(t,record_RSS_Wimax,'-.ks','MarkerEdgeColor','b',...
'MarkerFaceColor','c','MarkerSize',2);
hold off
grid on
xlabel('time(s)');
ylabel('RSS(dBm)');
legend('LTE','Wimax');
title('the received signal strength about two networks');
figure
plot(t,record_Net_state,'--ro','MarkerEdgeColor','g','MarkerFaceColor','y',...
'MarkerSize',2)
grid on
xlabel('time(s)');
ylabel('mark of network');
text(0,0,'\leftarrow LTE','FontSize',10)
text(0,1,'\leftarrow Wimax','FontSize',10)
title('the state of mobile station in LTE and Wimax network')
%############################END THE PROGRAM ##############################
up4045
4.仿真结果
在实际应用中,垂直切换的具体算法会结合上述因素设计,并利用实时的网络状态信息做出最优决策。此外,切换过程还可能涉及复杂的协议交互,如X2接口或者非3GPP接口的消息传递。