VLC/Wi-Fi无线异构网中一种降低切换次数的实现方法

VLC/Wi-Fi无线异构网中一种降低切换次数的实现方法

　　技术领域

　　本发明属于可见光通信技术领域，涉及VLC/Wi-Fi无线异构网中一种降低切换次数的实现方法。

　　背景技术

　　目前射频通信(Radio Frequency，RF)和长期演进(Long Term Evolution，LTE)技术对全球用户的移动通信需求(电话、信息的传送、看视频、浏览网页、打游戏等)都起至关重要的作用，也是现有异构无线网络的重要组成部分，但是面对未来车联网、物联网、人工智能等逐步深入和实现，RF通信和LTE通信无论是带宽还是信道速率，很难满足用户日益增长的流量需求。基于发光二极管(Light-emitting Diode，LED)的可见光通信(VisibleLight Communication，VLC)融合了无线通信技术和光通信技术，具有不占用频谱资源、高带宽、无电磁干扰等优点，是实现室内无线高速传输的一种有效补充技术。但VLC存在覆盖范围较小、上行链路缺失、光路遮挡易中断及很难实现室内可见光的全双工通信等问题。基于RF的Wi-Fi技术已非常成熟，具有范围广、支持移动性等优势，但用户的服务体验质量易受用户密度、带宽及射频干扰等因素影响。将VLC网络与Wi-Fi技术组成无线异构网，便可利用二者的优势进一步提高室内场景中用户的服务体验质量。

　　目前随着室内移动终端的增多，研究人员为提高室内通信速率利用VLC和Wi-Fi异构网络的优势，但异构网络用户的切换过程和链路选择是最关键的技术。Rahaim等人研究VLC/Wi-Fi异构网络吞吐量的过程中时，就提出了一种简单的切换机制，把VLC作为候补网络，当Wi-Fi网络的负载超出负载容量时，中心控制器将剩下的用户接入VLC网络，这种切换方式只考虑Wi-Fi网络负载容量不足时的情况，却完全忽视了用户的速率需求和服务质量。Xu Bao等人提出了一种VLC优先接入的切换模式，只要用户处于VLC的覆盖范围内，无论用户速率需求高低，均优先接入VLC网络，但这种切换方式只是考虑到5m×5m×3m范围内用户的速率需求，但却忽视了VLC的覆盖范围小和其带宽的服务能力。郑浩天等人提出了一种等效信干噪比(Signal interference to noise ratio,SINR)的VLC和Wi-Fi无线异构网络用户垂直切换算法，该算法根据用户终端的传输速率计算出不同网络的SINR，根据此信噪比判断网络的性能优劣，用户就接入性能好的网络。该切换算法虽然能够保证用户时刻都能接入到提供最大传输速率的网络中，但是网络切换会频繁，用户的服务质量会下降。王春喜等人提出了一种基于用户服务体验的VLC/Wi-Fi异构网络的切换算法，该算法是用户根据接入点的服务等级进行用户等级符合的网络切换，该算法在一定程度上减少了垂直切换的次数，但同时也会增加网络切换的时延，且不能满足用户需求的速率。Wu Xi-ping等人提出了一种两级接入点选择的切换算法，该算法是首先确定连接到RF中的用户，然后将剩余下的用户分配到VLC网络中。该算法虽然利用了Li-Fi网络速率高的优点，但是，没有考虑到VLC网络中用户高频率的水平切换。

　　发明内容

　　本发明的目的是提供VLC/Wi-Fi无线异构网中一种降低切换次数的实现方法，通过计算信道速率和信噪比的代价函数，与此同时增加了代价函数迟滞和时间函数迟滞的融合算法，有效减少了用户处于VLC/Wi-Fi异构网络的切换次数，降低了乒乓效应，同时明显提升了网络整体的信噪比和传输速率，为用户终端提供更好的用户服务质量。

　　本发明所采用的技术方案是，VLC/Wi-Fi无线异构网中一种降低切换次数的实现方法，具体按以下步骤实施：

　　步骤1，用户进入到VLC/Wi-Fi的覆盖网络中，终端检测到所处环境中可用的网络，将可用的网络信息上传至中心控制器；

　　步骤2，然后通过中心控制器计算步骤1上传的可用网络信息的综合代价函数；

　　步骤3，通过对经步骤2得到的代价函数对比，得出最小的网络代价函数与设定的代价迟滞相比较，若最小的网络代价函数小于代价迟滞，且等待的时间大于设定的时间迟滞，用户进行垂直切换，接入到代价函数小的网络；否则，用户不进行垂直切换。

　　本发明的特点还在于：

　　其中步骤2具体技术内容为：采用代价函数判决算法计算综合代价函数，代价函数考虑的只有信道速率Rate与信噪比SNR，代价函数需要给每种网络的决策因素分布一个权重，权重的大小可用来表示异构网络判决因素的侧重，因此，代价函数的通用表达式为：

　　

　　式中，Ci是第i个候选网络计算得到的综合代价函数，ws,n是用户终端需要某种业务时网络的决策因素权值，同时网络中总的权重需要满足∑ws,n＝1，且是用户终端需求某个业务时计算得到的代价函数值；

　　其中综合代价函数具体为：

　　代价函数决策因素包括接收信道速率和信噪比的大小，为信道速率代价函数，为信噪比代价函数，wRate为信道速率代价函数权值，wSINR为系统信噪比代价函数权值，因此，网络的综合代价函数为：

　　

　　式中，信噪比的代价函数权值为wSINR＝0.6，信道速率的代价函数权值为wRate＝0.4，代价函数迟滞为Hcost＝0.35，时间迟滞函数为Htime＝3。

　　其中步骤2中可用网络中VLC网络的代价函数为：

　　信道速率代价函数进行归一化线性处理，当Rate＜10Mbps，代价最大，数值为1；当Rate＞300Mbps，代价函数最小，数值为0；当10Mbps≤Rate≤300Mbps，代价函数线性递减，故其代价函数表达式为：

　　

　　把信道的信干噪比代价函数进行归一化线性处理，当SINR＜-20dB，代价最大，数值为1；当SINR＞25dB，代价函数最小，数值为0；当-20dB≤SINR≤25dB，代价函数线性递减，故其代价函数表达式为：

　　

　　其中步骤2中可用网络中Wi-Fi网络的代价函数

　　当信道速率的代价函数进行归一化线性处理，当Rate＜60Mbps，代价最大，数值为1；当Rate＞70Mbps，代价函数最小，数值为0；当60Mbps≤Rate≤70Mbps，代价函数线性递减，故代价函数表达式为：

　　

　　当信道的信干噪比代价函数进行归一化线性处理，当SINR＜-10dB，代价最大，数值为1；当SINR＞70dB，代价函数最小，数值为0；当-10dB≤SINR≤70dB，代价函数线性递减，故代价函数表达式为：

　　

　　本发明的有益效果是：

　　本发明切换的算法是根据中心控制器得到的综合代价函数，比较网络综合代价函数的大小，哪种网络的代价函数小就接入到哪种网络，但为了避免乒乓切换，切换算法加入了代价函数迟滞和时间迟滞，能有效的降低异构网络中用户切换的乒乓效应；

　　显著提高了网络的信噪比。基于代价函数的切换算法可以使网络的信噪比达到最大；

　　提高用户的传输速率，利用代价函数的切换算法提高整体网络的信噪比，进而使用户获得最大的传输速率。

　　用户获得更好的服务体验质量。本切换算法不仅能减少用户切换的乒乓效应，而且提高了网络的信噪比和用户的传输速率，故终端获得更好的服务用户质量。

　　附图说明

　　图1是本发明VLC/Wi-Fi无线异构网中一种降低切换次数的实现方法中VLC/Wi-Fi异构网络降低切换次数的过程；

　　图2是本发明VLC/Wi-Fi无线异构网中一种降低切换次数的实现方法中切换算法的室内仿真场景。

　　具体实施方式

　　下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

　　本发明的室内仿真场景是由多个RF APs和多个VLC APs，均置于室内的天花板上，且统一用电力线连接到中心控制器上，因可见光具有照明和通信两种功能，所以VLC APs的布局首先满足室内的照明，但室内可见光很难实现全双工通信，是因为其下行链路和上行链路之间存在很大的干扰，故VLC的上行链路很难实现信息的传输，所以，本发明中用户的上行链路均由Wi-Fi信道进行数据传输，只对用户下行链路进行水平或垂直切换的研究，但为便利中心控制器查找用户处于哪个VLC AP的覆盖范围内，为各个VLC AP分配不同的ID序列，并将其ID序列存储于中心控制器，中心控制器通过检测不同的ID序列来确定用户是位于哪个VLC AP的覆盖范围。

　　本发明提供了VLC/Wi-Fi无线异构网中一种降低切换次数的实现方法，如图1所示，具体按以下步骤实施：

　　步骤1，用户进入到VLC/Wi-Fi的覆盖网络中，终端检测到所处环境中可用的网络，将可用的网络信息上传至中心控制器；

　　步骤2，然后通过中心控制器计算步骤1上传的可用网络信息的综合代价函数：

　　采用代价函数判决算法，本发明中代价函数考虑的只有信道速率(Rate)与信噪比(SNR)，代价函数需要给每种网络的决策因素分布一个权重，权重的大小可用来表示异构网络判决因素的侧重。因此，代价函数的通用表达式为：

　　

　　式中，Ci是第i个候选网络计算得到的综合代价函数，ws,n是用户终端需要某种业务时网络的决策因素权值，同时网络中总的权重需要满足∑ws,n＝1，且是用户终端需求某个业务时计算得到的代价函数值；

　　代价函数决策因素包括接收信道速率和信噪比的大小，为信道速率代价函数，为信噪比代价函数，wRate为信道速率代价函数权值，wSINR为系统信噪比代价函数权值，因此，网络的综合代价函数为：

　　

　　本发明中考虑到网络信道中整体的信噪比、速率等信道特性和用户的服务质量，信噪比的代价函数权值为wSINR＝0.6，信道速率的代价函数权值为wRate＝0.4，代价函数迟滞为Hcost＝0.35，时间迟滞函数为Htime＝3；

　　因为VLC和Wi-Fi在信道带宽、传输速率和覆盖范围等方面均不相同，故二者代价函数的计算过程不同。

　　(1)VLC网络的代价函数：

　　当信道速率代价函数进行归一化线性处理，当Rate＜10Mbps，代价最大，数值为1；当Rate＞300Mbps，代价函数最小，数值为0；当10Mbps≤Rate≤300Mbps，代价函数线性递减。故其代价函数表达式为：

　　

　　把信道的信干噪比代价函数进行归一化线性处理，当SINR＜-20dB，代价最大，数值为1；当SINR＞25dB，代价函数最小，数值为0；当-20dB≤SINR≤25dB，代价函数线性递减。故其代价函数表达式为：

　　

　　(2)Wi-Fi网络的代价函数：

　　当信道速率的代价函数进行归一化线性处理，当Rate＜60Mbps，代价最大，数值为1；当Rate＞70Mbps，代价函数最小，数值为0；当60Mbps≤Rate≤70Mbps，代价函数线性递减。故代价函数表达式为：

　　

　　当信道的信干噪比代价函数进行归一化线性处理，当SINR＜-10dB，代价最大，数值为1；当SINR＞70dB，代价函数最小，数值为0；当-10dB≤SINR≤70dB，代价函数线性递减，故代价函数表达式为：

　　

　　步骤3，通过对经步骤2得到的代价函数对比，得出最小的网络代价函数与设定的代价迟滞相比较，若最小的网络代价函数小于代价迟滞，且等待的时间大于设定的时间迟滞，用户进行垂直切换，接入到代价函数小的网络；否则，用户不进行垂直切换。

　　本发明为了保证用户在机场、火车站、医院等人口密度大的环境运动过程中获得高数据传输，提出一种降低VLC/Wi-Fi异构网络切换次数的算法，当VLC、Wi-Fi、LTE等多种网络同时出现时，用户对通信链路有信噪比高、吞吐量大、速率高、误码率低等要求，本发明中用户的切换准则是通过中心控制器比较网络信噪比和速率综合代价函数的大小，与此同时加入了代价函数迟滞和时间迟滞，若中心控制器中最小的综合代价函数小于代价函数迟滞和等待的时间大于时间迟滞，用户进行切换，则接入到综合代价函数小的网络；本发明的切换算法合理使用无线网络的频谱资源，降低用户的切换次数，防止用户切换时出现严重的乒乓效应，提高了整个系统的信噪比和信道速率，故用户得到更好的服务质量体验(Quality of Experience，QoE)。

　　用户的垂直切换融合算法切换判决：

　　用户终端将接收信号质量(信道速率)、信噪比的数据传输至中心控制器(CenterUnit，CU)，中心控制器可以计算各个异构网络系统的代价函数，用户终端可以根据代价函数，判决终端是否进行垂直切换，为了避免用户终端在不同接入点之间出现乒乓切换，在切换判决过程中引入切换代价函数门限迟滞Hcost与切换时间门限迟滞Htime，当且仅当异构网络中最小代价函数与终端当前接入网络的代价函数小于Hcost且必须满足时间迟滞大于Htime，用户才能在VLC网络和Wi-Fi网络之间的切换。