张 闽，钱晨喜，陈清华

1(浙江工业大学 计算机科学与技术学院，杭州 310014)

2(温州职业技术学院 信息技术系，浙江 温州 325035)

1 介 绍

随着移动通信技术的发展和智能通信设备的普及，人们对高质量和高速率网络技术的需求也急速增长.根据思科网络数据报告显示，2017年到2022年，全球移动数据流量将增长7倍，预计到2022年，全球年度移动数据流量将达到1ZB[1].在用户设备密集部署和频谱资源紧张的情况下，无线访问数据流量的爆炸式增长给无线访问的优质用户体验带来了巨大的挑战.在未来的网络体系中，网络运营商提出各种网络技术之间有效互通的方案来解决网络容量不足和用户速率需求等问题[2]，例如WLAN(Wireless Local Area Network，无线局域网)[3]-LTE(Long Term Evolution，长期演进)异构网络技术、LTE-WLAN聚合技术等.

在众多技术方案中，异构网络技术被公认为具有前景的网络技术之一[4].3GPP 版本12规范[5]指出可以将数据用户从一种网络卸载到另一种网络，这种机制称为移动数据卸载.研究指出使用数据卸载方案可减轻某种网络的压力[6]，而异构网络中的数据卸载技术可以充分利用现有网络的优势，通过将蜂窝网络的数据用户卸载到WLAN网络中，来提升蜂窝网络容量和缓解网络体系压力.异构网络中的用户可以在其覆盖范围重叠的区域内实现LTE网络或WLAN网络相关联[7].通过数据卸载，可以将蜂窝网络中的部分数据用户卸载到WLAN网络，运营商的蜂窝网络流量过载得以缓解.据统计，超过80%的移动数据流量来自于室内，并且当前大多数蜂窝流量都来自具有固定位置的室内或移动用户[8]，室内环境中WLAN网络性能可能会优于蜂窝网络.因此，异构网络中的数据卸载技术[9]提供了一个经济且有效的方案来获得一些性能增益，如提高异构网络系统总吞吐率、降低能耗、充分利用频谱资源以及扩大网络覆盖范围，这些性能增益能够充分提升用户对网络服务质量的满意度，从而获得更好的网络体验[10].

基于IEEE 802.11标准的WLAN发展已有20余年，经历了多次修订，包括IEEE 802.11b、IEEE 802.11g/a、IEEE 802.11n以及IEEE 802.11ac等版本.近年来，研究人员针对基于IEEE 802.11ac及之前版本的传统WLAN提出了多种异构网络中的卸载方案.其中，文献[7]利用马尔可夫决策过程解决LTE网络和WLAN网络中语音用户和数据用户的卸载.文献[11]提出了3种业务卸载的方法，分别是随机卸载、基于距离的卸载和基于信道状态信息的卸载，通过使用博弈论-纳什均衡方法实现LTE系统和WLAN系统吞吐率的双赢.文献[12]量化了LAA和WLAN系统的QoS指标(吞吐率和时延)在保护WLAN用户性能和保证LAA用户的QoS的同时，提出了一种联合用户关联和资源分配方案来最大化免许可频段上的卸载用户数量.文献[13]提出了一种新颖的网络辅助和以用户为中心的业务卸载模型，研究了将LTE业务卸载到WLAN网络的算法来最大化异构网络中的单用户吞吐率.文献[14]提出了流量卸载技术，移动运营商可以部署自己的AP并将数据从LTE系统卸载到特定的WLAN网络以减轻LTE系统的压力.文献[15]提出WLAN卸载由于其高数据传输速率和对设备的低要求，被认为是应对蜂窝网络中爆炸性数据增长的最有前途的技术之一.

然而，基于IEEE 802.11ac及之前版本的传统WLAN并不适用于用户密集的环境，存在无线链路不稳定和网络碰撞概率大等问题，难以满足用户的速率、公平性和时延需求.因此，基于802.11ax的下一代高效WLAN网络中引入了OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交频分多址)技术来提高密集用户环境下的用户性能指标[16]，该技术将整个信道分成不同的称为RU(Resource Unit，资源单元)的子载波集.不同用户可以同一时间在不同的RU上进行数据传输，获得信道传输资源的增益.IEEE 802局域网/城域网标准委员会提出新标准，亦即IEEE 802.11ax[17]，预计于2020年11月发布(1)http：//www.ieee802.org/11/Reports/802.11_Timelines.htm..利用该特性可将LTE网络的蜂窝用户卸载到基于802.11ax下一代WLAN网络中以更有效地缓解LTE网络频谱紧张和流量过载的压力.特别是当蜂窝网络过载时，卸载带来的效果将更加显著.目前，相关工作并未结合下一代WLAN网络多用户特性对WLAN-LTE数据卸载技术展开研究.

本文基于LTE和802.11ax WLAN网络共存的异构密集网络系统，考虑在用户设备密集的环境下将LTE网络的部分蜂窝用户直接卸载到802.11ax WLAN网络中进行数据传输，目的是缓解蜂窝网络频谱资源紧张的压力、提高异构网络中用户吞吐率以及实现异构网络共存环境中两种网络的高效共存.同时，本文结合即将发布的基于802.11ax的下一代WLAN网络的优势，创新性提出最大化LTE网络单用户吞吐率的数据卸载方案.主要工作及贡献有：

1)本文结合LTE、基于802.11ax的下一代高效WLAN的吞吐率公式，设计了WLAN和LTE异构网络中的最优卸载用户数搜索方案，在保证WLAN用户服务质量的同时，寻找最优的蜂窝用户卸载数来最大限度地提高LTE网络用户吞吐率；

2)根据优化问题，提出算法求解最优卸载用户数搜索方案，由于优化问题可行域较小且都是离散值，算法遍历满足WLAN性能约束条件的用户数，可以很快找到最优的卸载用户数来最大化LTE网络用户吞吐率；

3)仿真实验中，通过Matlab数值分析证明使用本文提出的方案，可有效地将蜂窝用户卸载到基于802.11ax的下一代WLAN网络来实现用户性能指标，一定程度上解决了蜂窝网络频谱稀缺和用户速率慢等问题.

2 网络模型

本文考虑的是用户密集情境下由LTE网络和有基础设施的IEEE 802.11ax下一代高效 WLAN组成的异构网络系统.该异构网络中，同一用户的语音业务和数据业务在网络体系中分开处理，即将LTE基站的用户卸载到WLAN网络上进行数据传输时，数据卸载方案也同时能保证用户的性能.系统中的LTE网络存在一个基站，WLAN中由一个AP与多个站点组成，两者相互覆盖且存在一个集中控制器.该集中控制器具有两个网络的总体视图并协调网络完成用户卸载策略[18].在大时间尺度内，该集中控制器包含两个网络的用户数、信道状态等网络信息.当LTE蜂窝网络数据流量过载时，可将LTE部分蜂窝用户卸载到WLAN网络.未知新用户加入WLAN进行数据传输时，系统可在大时间尺度内获得异构网络的用户信息并完成相应的卸载操作.

图1 LTE和WLAN共存的系统模型

2.1 LTE网络模型

在LTE网络中，考虑基站中每个用户的平均吞吐率，在所有用户和信道的随机性之间求其平均值[19].将基站的部分用户通过数据卸载方法转移到WLAN网络中，数据卸载是在大时间尺度内完成的，因此，LTE网络模型不需要考虑用户的多样性，例如用户的位置、用户的QoS和随机衰落信道等因素.

在LTE网络中，协议规定LTE系统的带宽被分成多个相互正交的子载波，用户的数据在各个子载波上并行传输且相互之间没有干扰.LTE网络信道容量是指信道能够传输的最大平均信息速率.具体来说，LTE网络在一定信道带宽和信噪比下，通过编解码方式可以实现无差错的传输，从而达到最大吞吐率的上界.假设基站和蜂窝用户之间的信道增益为G，基站与用户间的发射功率为P，噪声功率为σ2.则对于LTE蜂窝基站许可频段上的SNR(Signal Noise Ratio，信噪比)可表示为：

(1)

根据香侬公式，可以得到LTE网络实际总吞吐率为[19]：

C=BLlog2(1+γ)

(2)

其中，BL是LTE蜂窝网络的带宽.

2.2 基于802.11ax的下一代WLAN网络随机接入模型

基于OFDMA的物理层技术，IEEE 802.11ax草案提出了基于OFDMA的上行随机接入机制.该信道接入机制依旧遵循带有冲突避免的载波侦听多路访问的二进制指数退避机制.当有用户传输失败时，用户会进行二进制退避过程.在用户完成退避过程后，会随机选择特定RU进行信道接入.如图2所示，在一个完整的触发间隔中，考虑触发帧携带了7个可供随机接入的RU.当用户接收到触发帧后，为了避免冲突，在发送数据前，用户采用OFDMA随机接入退避机制来竞争信道资源.在退避过程中，每个用户从OCW(OFDMA Contention Window，OFDMA的竞争窗口)中随机选择一个数值进行退避，退避计数器为0后开始传输数据.图中有5个用户完成了退避过程，开始进入随机接入RU的过程.当用户发送完数据，收到确认帧，接着进入下一个触发间隔阶段.

图2 OFDMA随机接入的过程

假设WLAN网络在饱和状态下工作，即每个用户始终有要发送的数据包.WLAN网络中Nuser个用户的饱和吞吐率表示用户在稳定条件下可以承受的最大负载，可以使用文献[20]中的离散时间马尔科夫链模型进行分析.

对于给定的用户j，j∈Nuser，最小的OCW为OCWmin=W，第s次传输OCW的大小为Ws=2s·W，最大的OCW为OCWmax=2h·W，其中h表示最大退避等级，s∈[0，h-1]表示用户的退避次数.信道中固定的RU数量用NRU来表示，用户j在每个触发间隔时间内发送数据的传输概率为[21]：

(3)

结合文献[20，21]的计算吞吐率公式，得到用户的传输概率τ是未可知的，取决于RU上用户发生冲突的概率p.在网络模型中提出将LTE网络中的X个用户卸载到WLAN网络中，则WLAN用户在原有用户的基础上变成了(Nuser+X)个.在给定(Nuser+X)个用户与WLAN网络相连接的情况下，用户在RU上发生冲突的概率为：

(4)

令Ptr为RU上至少有一个用户在传输的概率，Ps为RU上用户成功传输的概率，分别表示为：

(5)

(6)

在OFDMA随机接入过程中，RU中没有用户传输的时间可以分为2种类型.第1种是所有RU中都没有传输的用户且用户都处于等待时间Tθ，第2种是RU中有正在传输的用户且RU信道处于繁忙状态，则用户的等待时间为Twait.因此，用户等待RU来进行数据传输的概率为：

Pwait=1-(1-Ptr)NRU-1

(7)

根据文献[21]可知，WLAN系统中每个RU的吞吐率为：

φ=(1-Ptr)(1-Pwait)Tθ

(8)

(9)

其中L表示数据包有效载荷大小，Ts表示RU上用户传输成功的时隙时间，Tc表示RU上用户传输发生冲突的时隙时间，表示为：

(10)

式中，H=PHYhdr+MAChdr是数据包头部的长度，TTF是触发帧的持续时间，ϑ是传播时延，TSIFS和TACK是IEEE 802.11ax标准中给出的相应参数值.r表示ax网络的信道传输速率，假设r在以上公式中为常数且数值为11.8Mbps，这是因为信道传输速率是WLAN系统中的一个参数，不会随着用户分布、网络负载和信道状态信息而出现瞬时变化.

结合文献[20，21]推出IEEE 802.11ax WLAN网络的饱和系统总吞吐率为：

S=NRU·SRU

(11)

3 802.11ax WLAN-LTE密集网络数据卸载方案

3.1 最大化LTE单用户吞吐率数据卸载方案

当LTE蜂窝网络数据流量过载时，IEEE 802.11ax WLAN适用于用户密集环境且能够提供较高的数据速率，考虑将重叠区域的部分蜂窝用户卸载到WLAN上.当部分蜂窝用户卸载到WLAN网络时，在同一时刻，存在一系列未知新用户同时加入WLAN，并进行数据传输.通过观察WLAN网络的冲突概率得出WLAN AP现有的用户数.在大时间尺度范围内，为了避免WLAN网络过载而影响用户性能，AP可以根据网络用户数的情况来保证WLAN的用户需求[22].经过数据卸载方案后，基站中剩下的蜂窝用户将拥有更多的频带资源，蜂窝网络剩余用户的平均吞吐率将有所增加，有利于缓解蜂窝网络的压力.

尽管LTE网络中选择哪个用户进行卸载会影响异构网络的性能，但是在大时间尺度下系统的总吞吐率是取决于卸载用户的数量X.因此，只需要考虑LTE网络卸载了多少个用户给WLAN网络，考虑将基站中蜂窝单用户平均吞吐率作为性能指标.根据上节吞吐率公式，本文给出基站中用户平均吞吐率的优化方程如下：

(12)

w.r.t.：X

s.t.：X≤M

(12a)

(12b)

将LTE网络中X个用户卸载到基于802.11ax 的下一代WLAN网络中，M表示LTE网络中的用户总数，式(12a)确保了LTE网络的卸载用户数不超出LTE网络的用户数；式(12b)确保了卸载X个用户后，WLAN平均单用户吞吐率大于WLAN平均单用户吞吐率的阈值，对于WLAN网络中的用户，需要保证每个用户的最小平均吞吐率，这个值是保证LTE与WLAN共存系统之间公平性的重要参数，可由LTE和WLAN网络进行谈判或者取决于WLAN网络系统此时的性能指标.公式(12)在计算LTE网络单用户平均吞吐率时，不需要考虑那些已经卸载到WLAN网络中的蜂窝用户，因为那些蜂窝用户已经和WLAN AP相连接且性能由WLAN网络来保证.

3.2 最优卸载用户数搜索算法

为解优化问题，算法1给出了查找最优卸载用户数X的过程，输入各项参数，输出X则表示异构网络中最优的卸载用户数.

算法1.查找最优的卸载用户数X

输入：M，Nuser，NRU，W，h，e，s，L，Sthreshold

输出：X

1.T_max←0；

2.fori=0 toM

3. flag←Is_Statisfy(i，Nuser，NRU，W，h，e，s)；

4.ifflag==TRUEthen

5.t_m←C/(M-i)；

6.ift_m>T_maxthen

7.T_max←t_m

8.X←i；

9.endif

10.endif

11.endfor

12.ReturnX；

13. FunctionIs_Statisfy

14.输入：X，Nuser，NRU，W，h，e，s，L，Sthreshold

15.输出：flag

16.δ←+∞；

17.forp=0：1：e

20.If|τ1-τ2|<δthen

21.δ←|τ1-τ2|；

22.p_opt←p；

23.τ_opt←τ1；

24.endif

25.endfor

26.Ptr=1-(1-τ_opt/NRU)Nuser+1

27.Ps=((Nuser+X)τ/NRU)(1-τ/NRU)Nuser+X-1/Ptr

28.Pwait=1-(1-Ptr)NRU-1

29.φ=(1-Ptr)(1-Pwait)Tθ

30.SRU=PsPtrL/(φ+(1-Ptr)PwaitTwait+PsPtrTs+Ptr(1-Ps)Tc)

31.if(NRU·SRU)/(Nuser+X)≥Sthresholdthen

32.flag←TRUE；

33.else

34.flag←FALSE；

35.endif

36.Returnflag；

其中，语句1至12是求解最优的卸载用户数X的过程，语句13至36是遍历X来解出符合吞吐率公式和约束条件的值.语句1设置最大LTE单用户吞吐率，调用Is_Statisfy函数来求解最大的LTE单用户吞吐率.当语句5中算出的吞吐率大于T_max时，执行语句7得出最大LTE单用户吞吐率，则退出循环，并返回对应的X值，记为最优的卸载用户数.

算法中的函数Is_Statisfy用于遍历所有满足约束条件的X值.由于语句18和19中的传输概率τ和冲突概率p两者交叉相关，通过下降法，语句17至25逐步搜索出满足误差最小条件的冲突概率p_opt和传输概率τ_opt.语句26至30求解出IEEE 802.11ax网络中单个RU的吞吐率.根据语句31的约束条件，查找符合约束条件的卸载用户数X，直至算法结束.

LTE基站将X个蜂窝用户卸载到WLAN网络来蜂窝网络的频谱压力.对于WLAN网络来说，AP中用户数太多会引发用户冲突概率增大的问题，从而导致WLAN网络信道的利用率降低，传输时隙中会出现空闲RU.根据文献[23]可知，IEEE 802.11ax网络尽量利用空闲RU以尽可能地提高IEEE 802.11ax WLAN用户总吞吐率.最终得出了传输概率τ=NRU/(Nuser+X)时，IEEE 802.11ax可达到最高的RU信道接入率，实现网络用户总吞吐率最大化，此时结果为WLAN网络吞吐率的上界.当LTE网络卸载X个蜂窝用户到WLAN AP上，WLAN网络若能充分利用信道中的RU来分配用户，提高用户的传输概率，从而实现更高的吞吐率.若WLAN网络得到更高的吞吐率，意味着WLAN网络可以容纳更多的卸载用户，则LTE基站将更多的蜂窝用户卸载给WLAN AP来缓解LTE网络数据激增的压力.

4 仿真结果及性能分析

4.1 仿真参数

本节将给出上述问题的数值仿真结果，在MATLAB仿真中，考虑一个基站和4个AP的异构密集网络场景.LTE网络工作于许可频段且信道带宽为10MHz，WLAN网络工作于5GHz的免许可频段并支持IEEE 802.11ax协议.假设LTE基站的发射功率为20dBm，信道增益为6dB，许可频段中蜂窝网络的噪声功率为-95dBm.根据IEEE 802.11ax标准草案[24]，仿真实验中WLAN网络采用的信道带宽为20MHz，用户接入的RU个数默认数量为9个.根据协议，用户随机接入过程中默认的最小退避窗口值OCWmin和最大退避窗口值OCWmax分为为7和31，随机接入过程中最大退避等级为2.其余仿真参数在表1中给出.

表1 仿真参数列表

4.2 性能分析

图3描绘了不同LTE基站发射功率下，卸载用户数和LTE单用户平均吞吐率之间的关系.LTE单用户吞吐率随着基站发射功率的增加而增加.当卸载用户数的增加时，LTE单用户平均吞吐率也随之增加.主要原因是：基站的发射功率影响着基站总吞吐率，若基站中部分用户卸载到其他网络中，基站有限的频谱资源分给剩下的用户，LTE单用户吞吐率将得到提高.因此，LTE基站卸载更多的蜂窝用户给WLAN AP，可以缓解LTE网络频谱的压力，提高LTE网络单用户吞吐率.

图3 卸载用户数vs LTE单用户吞吐率

图4描绘了不同WLAN饱和吞吐率下，WLAN单用户吞吐率阈值和卸载用户数的关系.当WLAN单用户吞吐率阈值较大时，WLAN网络能容纳的最大用户数变小，则可以卸载的用户数也减少.WLAN网络能容纳多少用户数取决于WLAN网络的饱和吞吐率，当蜂窝用户卸载到WLAN网络后，IEEE 802.11ax协议尽可能多的利用信道上的空闲RU来提高WLAN网络的信道利用率.当传输概率为τ=NRU/(Nuser+X)时，IEEE 802.11ax网络可达到最高的网络信道接入率，实现饱和总吞吐率最大化，此时为WLAN网络吞吐率的上界，从图中可以看出，WLAN网络吞吐率为上界时，可以容纳更多的卸载用户.

图4 WLAN阈值vs卸载用户数

图5(a)描绘了不同WLAN单用户吞吐率阈值下，WLAN网络中原有用户数和LTE单用户吞吐率之间的关系.当WLAN AP中原有用户数增加时，能容纳的卸载用户数会减少，则LTE网络能卸载到WLAN网络的用户数减少，LTE单用户平均吞吐率也随之减少.当WLAN用户吞吐率阈值(Sthreshold=7Mbps)较大时，AP可以容纳的最大用户数变小，随之卸载用户数也会变小，引发LTE单用户平均吞吐率变小.随着WLAN用户吞吐率阈值的降低，LTE网络可以卸载更多的用户给WLAN AP，LTE单用户平均吞吐率也随之变大.图中看出，WLAN单用户吞吐率阈值几乎是大于LTE单用户平均吞吐率，表明蜂窝用户卸载到WLAN网络可以实现更高的速率，同时也可以缓解蜂窝网络频谱紧张的压力.图5(b)描绘了不同WLAN单用户吞吐率阈值下，LTE网络中原有用户数和LTE单用户吞吐率之间的关系.当LTE基站中用户数增加时，LTE单用户平均吞吐率会随之降低.当WLAN用户吞吐率阈值(Sthreshold=6Mbps)较大时，表示AP可以容纳的最大用户数变小，随之卸载用户数也会变小，引发LTE单用户平均吞吐率变小.随着WLAN用户吞吐率阈值的降低，WLAN AP可以容纳更多的卸载用户，LTE单用户平均吞吐率也随之变大.

图5 网络用户数对LTE吞吐率的影响分析

图6(a)描绘了IEEE 802.11ax网络的不同RU数量下，卸载用户数和WLAN网络单用户平均吞吐率之间的关系.WLAN单用户平均吞吐率随着卸载用户数的增加而降低，主要原因是：LTE基站将更多的用户卸载到WLAN AP上，AP上的用户数不断增加导致WLAN网络的冲突概率增加，WLAN网络单用户平均吞吐率减少.WLAN网络单用户平均吞吐率随着IEEE 802.11ax草案中RU的个数的增加而增加，因为WLAN网络中可以随机接入的RU数变多会导致用户在信道中的冲突概率降低，意味着WLAN网络中可以接入更多的用户来实现更高的吞吐率.图6(b)描绘了不同WLAN阈值下，RU数量和LTE单用户吞吐率之间的关系，随着信道中RU数量的增加，WLAN饱和吞吐率随之增加且AP可以容纳更多的用户，LTE基站卸载了更多的蜂窝用户给WLAN网络，因此，LTE网络单用户吞吐率会随着卸载用户数增加而增加.WLAN网络的吞吐率阈值越大，AP能容纳的用户数越少，主要原因是：WLAN对用户吞吐率进行阈值保护，来保证WLAN网络的性能，卸载的用户数减少导致LTE单用户吞吐率降低.

图6 RU数量对吞吐率的影响分析

显然，LTE基站将蜂窝用户卸载到基于802.11ax的下一代WLAN网络中，通过使用下一代WLAN的多信道特征有效缓解了数据流量过载的压力.WLAN网络中的RU数量、用户数和吞吐率阈值同时也影响着卸载用户数和LTE单用户吞吐率.综上所述，异构网络中的数据卸载方案，利用下一代WLAN网络的优点，一定程度上可以解决蜂窝网络频谱稀缺和用户速率慢等问题.

5 结束语

针对基于IEEE 802.11ax的下一代高效WLAN和LTE构成的异构网络，提出了用户密集部署环境下最大化LTE单用户吞吐率方案.该方案根据WLAN网络的网络容量，在保障WLAN网络基本需求的同时，通过搜索最优卸载用户数来提升LTE网络中用户体验.所提方案充分利用了免许可频段的WLAN网络传输能力来缓解许可频段上蜂窝网络数据量过载的压力.本文给出的求解最优网络吞吐率和最优卸载用户数的算法利用可行域小、且都是离散值的特质，采用穷举法来快速查找最优卸载用户数.仿真证明了该方案的有效性，对未来异构网络的发展有一定的借鉴作用.在接下来的研究中将关注基于802.11ax的下一代WLAN和LTE密集异构网络中用户的移动性问题.