CN101600239A - 异构无线环境下群体垂直切换方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及异构无线环境下群体垂直切换方法，包括：终端侧设备采集所属接入网络的各种上层信息和底层信息，并计算得到用户目标向量与网络能力向量的夹角和距离；判断是否符合预设的阈值条件，不符合则向接入设备发送切换请求；接入设备将切换请求转发到决策服务器；决策服务器根据各个接入网络的负载情况和业务情况对切换请求进行集中处理，并将获得的切换判决结果通过各个接入网络的接入设备返回给对应的终端侧设备；终端侧设备根据切换判决结果执行切换操作。本发明还涉及一种异构无线环境下群体垂直切换系统。本发明从系统全局的角度出发，充分利用网络的异构性以提升系统的整体性能，有效的提升系统资源利用率。

Description

异构无线环境下群体垂直切换方法及系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种异构无线环境下群体垂直切换方法及系统。

背景技术

随着各种无线接入技术的蓬勃发展，异构性将是未来无线通信网络的一个重要特征。而由于数字信号处理技术、芯片集成技术及射频技术的发展，具备多网络接入能力也成为未来智能终端发展的重要趋势。对于网络运营商来说，如何合理利用网络异构性以优化系统整体性能，为用户提供无缝的最佳业务体验，是当前异构网络研究的热点问题。

与传统蜂窝网络中小区间的水平切换不同，具有多网络接入能力的智能终端能够根据其移动性、业务需求及用户偏好等指标变化在不同的网络间切换，这种切换形式被称为垂直切换。垂直切换的目的是合理地利用各网络的承载能力。

现有对于垂直切换控制的研究主要是基于先到先服务机制(FCFS，First Come First Served)的，但在多个切换请求同时到达的群体切换场景中，如果按照先到先服务的机制，由于网络侧的信息不对称，即网络侧尚未完全掌握所有切换请求处理结果，将无法兼顾全局以得到优化系统整体性能的处理结果，从而导致不能充分利用网络的异构性以提升系统的整体性能。

此外，群体切换场景的最初提出则是针对火车离站和进站时移动用户集体切换到某一网络的场景，并未给出垂直切换控制的具体方法。因此，针对多个垂直切换同时到达的典型群体垂直切换场景，现有的基于先到先服务机制的垂直切换控制方案不能满足系统需求，难以有效的提升系统资源利用率。

发明内容

本发明的目的是提出一种异构无线环境下群体垂直切换方法及系统，能够充分利用网络的异构性以提升系统的整体性能，有效的提升系统资源利用率。

为实现上述目的，本发明提供了一种异构无线环境下群体垂直切换方法，包括以下步骤：

终端侧设备采集所属接入网络的各种上层信息和底层信息，并根据所述上层信息和底层信息计算得到用户目标向量与网络能力向量的夹角和距离；

判断所述用户目标向量与网络能力向量的夹角和距离是否符合预设的阈值条件，如果不符合，则向所述接入网络的接入设备发送切换请求；

所述接入设备在接收到所述切换请求后，将所述切换请求转发到决策服务器；

所述决策服务器根据各个接入网络的负载情况和业务情况对接收的所述切换请求进行集中处理，并将获得的切换判决结果通过各个接入网络的接入设备返回给对应的终端侧设备；

所述终端侧设备根据所述切换判决结果执行切换操作。

进一步的，所述根据上层信息和底层信息计算得到用户目标向量与网络能力向量的夹角和距离的操作具体包括：

根据上层信息和底层信息确定所述用户目标向量和网络能力向量的各项指标；

对所述用户目标向量和网络能力向量中的各项指标分别进行归一化处理，获得多维空间下的用户目标向量Z_target＝(w₁y₁，w₂y₂，......，w_ny_n)，以及所述终端侧设备所属接入网络N_j的网络能力向量为 $Z_j=(w_1{y}_1^{\left(j\right)},w_2{y}_2^{\left(j\right)},......,w_n{y}_n^{\left(j\right)}),$ 其中y_i表示第i项指标的归一化值，y_i ^(j)表示在N_j的接入网络所提供能力的第i项指标的归一化值，j∈S，S＝{1，2，...，k}表示可用接入网络集合；

根据公式 ${\cos \mathrm{\θ}}_j=\frac{Z_{t\arg \mathrm{et}}\·Z_j}{\left|Z_{t\arg \mathrm{et}}\right|\left|Z_{t\arg \mathrm{et}}\right|}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(w_i^2{y}_i^{\left(j\right)}{y}_i\right)}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(w_i{y}_i^{\left(j\right)}\right)}^2}\·\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(w_i{y}_i\right)}^2}}$ 获得用户目标向量Z_target与网络能力向量Z_j间的夹角θ_j，以及通过公式 $d(Z_{t\arg \mathrm{et}},Z_j)=\left|\right|Z_{t\arg \mathrm{et}}-Z_j\left|\right|=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(w_i{y}_i-w_i{y}_i^{\left(j\right)})}^2}$ 获得用户目标向量Z_target与网络能力向量Z_j的距离。

进一步的，所述判断用户目标向量与网络能力向量的夹角和距离是否符合预设的阈值条件的操作具体为：

判断所述用户目标向量与网络能力向量的夹角是否小于等于预设的角度阈值θ_t，以及所述用户目标向量与网络能力向量的距离是否小于等于预设的距离阈值D_t。

进一步的，所述决策服务器对接收的所述切换请求进行集中处理的群体切换决策过程包括：

所述决策服务器根据接收到的各个接入网络的接入设备转发的切换请求建立切换请求向量 ${\mathrm{VHO}}_i=\{n_1^{\left(i\right)},n_2^{\left(i\right)},n_3^{\left(i\right)},...,n_m^{\left(i\right)}\},$ 并建立网络切换呼出矩阵A，

$A={\{{\mathrm{VHO}}_1,{\mathrm{VHO}}_2,...,{\mathrm{VHO}}_i,...,{\mathrm{VHO}}_k\}}^T$

$=\left[\begin{array}{ccc}{a}_{11}& \·\·\·& a_{1m}\\ \·& \·& \·\\ a_{k1}& \·\·\·& a_{\mathrm{km}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{n}_1^{\left(1\right)}& \·\·\·& n_m^{\left(1\right)}\\ \·& \·& \·\\ n_1^{\left(k\right)}& \·\·\·& n_m^{\left(k\right)}\end{array}\right]$

其中i∈S，S＝{1，2，...，k}表示可用接入网络集合，m表示异构环境下的业务种类，而 $n_j^{\left(i\right)}\∈Z$ (j＝1，...，m)表示发起的切换请求中属于第j类业务的用户数目；

采用负载均衡原则求解获得垂直切换判决矩阵B，

$B={\{{\mathrm{VHI}}_1,{\mathrm{VHI}}_2,...,{\mathrm{VHI}}_i,...,{\mathrm{VHI}}_k\}}^T$

$=\left[\begin{array}{ccc}{b}_{11}& \·\·\·& b_{1m}\\ \·& \·& \·\\ b_{k1}& \·\·\·& b_{\mathrm{km}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{t}_1^{\left(1\right)}& \·\·\·& t_m^{\left(1\right)}\\ \·& \·& \·\\ t_1^{\left(k\right)}& \·\·\·& t_m^{\left(k\right)}\end{array}\right]$

其中 $t_j^{\left(i\right)}\∈Z$ (j＝1，...，m)表示第i个接入网络能接受的属于业务类型j的用户数目。

进一步的，所述采用负载均衡原则的求解过程具体包括：

根据各种业务的速率要求建立速率需求向量R＝{r₁，r₂，...，r_m}，其中r_j(j＝1，...，m)表示第j类业务的速率需求；

对于第i个接入网络，i∈S，网络负载参数更新为：

${\mathrm{\η}}_i=\frac{L_i-{\mathrm{VHO}}_i\·R^T+{\mathrm{VHI}}_i\·R^T}{C_i},$

其中C_i表示第i个接入网络的网络容量，L_i表示第i个接入网络中已使用的资源；

根据下式求解垂直切换判决矩阵B，使得：

$\underset{B}{\min }\left(\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\right|{\mathrm{\η}}_i-\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}\left|\right).$

进一步的，所述求解垂直切换判决矩阵B的操作具体为：

将所述垂直切换判决矩阵B的求解归纳为非线性目标的整数规划问题，并根据以下约束条件

$\∀i\∈\{\mathrm{1,2},...,k\},$ j∈{1，2，...，m}，b_ij∈{1，2，...，max(a_ij)}

$\∀i\∈\{\mathrm{1,2},...,k\},$ j∈{1，2，...，m}，(L_i-VHO_i·R^T+VHI_i·R^T)≤C_i

进行试错搜索，获得切换判决结果。

进一步的，在所述决策服务器将所述切换判决结果通过所述各个接入网络的接入设备返回给对应的终端侧设备时，还包括以下步骤：

接收到切换判决结果的所述接入设备通过网络间接口通知目标切换网络，并根据接收到的切换判决结果更新网络负载：

$L_i^{*}=L_i-{\mathrm{VHO}}_i\·R^T+{\mathrm{VHI}}_i\·R^T.$

为实现上述目的，本发明还提供了一种异构无线环境下群体垂直切换系统，包括：

探测模块，设于终端侧设备中，用于采集终端侧设备所属接入网络的各种上层信息和底层信息；

执行模块，设于终端侧设备中，用于根据所述上层信息和底层信息计算得到用户目标向量与网络能力向量的夹角和距离，并判断所述用户目标向量与网络能力向量的夹角和距离是否符合预设的阈值条件，如果不符合，则向所述接入网络的接入设备发送切换请求；以及根据接收到的所述切换判决结果执行切换操作；

信息收发模块，设于各个接入网络的接入设备中，用于转发所述切换请求和切换判决结果；

决策服务器，用于根据各个接入网络的负载情况和业务情况对接收的所述切换请求进行集中处理，并将获得的切换判决结果通过所述信息收发模块返回给对应的终端侧设备。

基于上述技术方案，本发明从系统资源全局出发，综合考虑业务需求及网络负载，利用异构网络的不同网络承载能力，实现用户业务与网络能力的匹配，实现异构网络间的负载均衡，以提升系统可用资源数目。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明中异构无线环境下热点覆盖区域中的典型群体垂直切换场景的示意图。

图2为本发明异构无线环境下群体垂直切换系统的一实施例的结构示意图。

图3为本发明异构无线环境下群体垂直切换方法的一实施例的流程示意图。

图4为本发明中在多维向量空间中构建的“弹性空间”对切换次数控制的对比曲线图。

图5为在不同网络负载情况下，本发明的技术方案与基于先到先服务机制的技术方案对系统可用资源数目的对比曲线图。

图6为本发明的技术方案与基于先到先服务机制的技术方案对于网络负载均衡效果的对比曲线图。

图7为在不同切换请求到达速率情况下，本发明的技术方案与基于先到先服务机制的技术方案对系统可用资源数目的对比曲线图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，为本发明中异构无线环境下热点覆盖区域中的典型群体垂直切换场景的示意图。在该热点覆盖区域，有多个无线接入网络(例如图中所示的WiMAX、UMTS及WLAN)，由于热点区域的用户较为集中，因为用户移动及业务需求的变化将可能导致多个切换请求同时到达。

不失一般性，针对当前小区内可用网络，建立可用接入网络集合S＝{1，2，...，k}，其中k表示可用网络的编号；对于当前小区可用网络集合S中的任一网络i∈S，其网络容量记为C_i，该接入网络中已使用的资源记为L_i(0＜L_i≤C_i)。由于不同接入网络的容量具有较大的差异性，不宜进行比较，因此定义网络负载参数η。对于任一网络i∈S，网络负载参数η_i定义如下：

${\mathrm{\η}}_i=\frac{L_i}{C_i}---\left(1\right)$

式(1)的主要功能是通过归一化处理消除异构环境下不同网络间网络负载衡量参数的差异性，使得各网络间能通过统一的标准进行横向对比，有利于异构环境下对于负载均衡的分析。

在此基础上，将进一步分析异构环境下垂直切换的目标及其数学量化。在异构网络环境下，其优势就是可以利用不同网络的承载能力，根据各个网络的负载变化，通过网络间的相互协同与资源共享，优化利用系统资源，即在满足用户QoS的前提下使用尽可能少的资源承载业务。因此，根据式(1)定义的各网络负载参数，将此目标量化如下：

$\max (K-\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\η}}_i)---\left(2\right)$

其中K表示在各系统容量归一化的条件下异构环境中所有网络的容量之和，在归一化后，各接入网络的容量为1，对于当前小区内的k个网络，其归一化后的整体系统容量为各网络容量之和，因此，从数值上来说：K＝k。而式(2)表达的意思是：在满足用户QoS的前提下，使得整个系统的可用资源最大化，即使用最小的资源承载用户请求的业务。

根据式(2)的目标，将根据平均值不等式及其约束条件证明达到这一目标的条件是实现异构网络间的负载均衡，而负载均衡是本发明的群体垂直切换方法所遵循的基本准则。

因为0＜η_i≤1，根据均值不等式，对式(2)做出如下推导：

$k-\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\η}}_i\≤k-k\sqrt[k]{{\mathrm{\η}}_1{\mathrm{\η}}_2..{\mathrm{\η}}_i..{\mathrm{\η}}_k}=k[1-{\left(\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Π}}}{\mathrm{\η}}_i\right)}^{\frac{1}{k}}]---\left(3\right)$

当且仅当“η₁＝η₂＝...＝η_i＝...＝η_k”时，式(3)中的“＝”成立。

由式(3)可以得到，式(2)的最大值存在上确界，而达到这一上确界的条件是：各网络间达到绝对的负载均衡。

如图3所示，为本发明异构无线环境下群体垂直切换方法的一实施例的流程示意图，具体包括以下步骤：

步骤101，终端侧设备采集提供自身所属接入网络的各种上层信息(例如用户喜好信息、业务类型信息等)和底层信息(例如无线链路信息、网络状态信息等)，这些收集的信息将用于切换决策；

步骤102，终端侧设备在收集到的各种上层信息和底层信息后，根据上层信息和底层信息计算得到用户目标向量与网络能力向量的夹角和距离。

终端侧设备由上层信息和底层信息确定用户目标向量与网络能力向量，并进行维护，然后根据由两个向量的角度关系及距离关系阈值确定的“弹性空间”，判断是否触发切换请求，如果是，则向网络侧发起切换请求；否则，回到步骤101，继续检测各种信息的变化。

对于多维空间中用户目标向量及网络能力向量的建立以及“弹性空间”的构建规则详述如下：

不失一般性，假设在垂直切换过程中需要考虑n个相互独立的QoS指标，构成多维空间，并根据这些指标对垂直切换的影响程度分配权值，记为w₁，w₂，w₃，...，w_n，将其定义为权重向量W＝(w₁，w₂，w₃，...，w_n)。

根据用户需求及所请求业务的特征，对用户目标向量中的各项指标进行归一化处理，将得到多维空间下的用户目标向量Z_target＝(w₁y₁，w₂y₂，......，w_ny_n)，其中y_i表示第i项指标的归一化值。同时，对当前接入网络的相应指标按照同样的归一化处理，得到接入网络N_j的网络能力向量为 $Z_j=(w_1{y}_1^{\left(j\right)},w_2{y}_2^{\left(j\right)},......,w_n{y}_n^{\left(j\right)}),$ y_i ^(j)表示在N_j的接入网络所提供能力的第i项指标的归一化值，j∈S，S＝{1，2，...，k}表示可用接入网络集合。

定义用户目标向量Z_target与网络能力向量Z_j间的夹角为θ_j，则得到：

${\cos \mathrm{\θ}}_j=\frac{Z_{t\arg \mathrm{et}}\·Z_j}{\left|Z_{t\arg \mathrm{et}}\right|\left|Z_{t\arg \mathrm{et}}\right|}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(w_i^2{y}_i^{\left(j\right)}{y}_i\right)}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(w_i{y}_i^{\left(j\right)}\right)}^2}\·\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(w_i{y}_i\right)}^2}}---\left(4\right)$

此外，定义多维空间上的度量函数d(X，Y)＝‖X-Y‖，该函数表征两个向量之间的距离。根据度量函数，定义用户目标向量Z_target与当前接入网络的网络能力向量Z_j的距离：

$d(Z_{t\arg \mathrm{et}},Z_j)=\left|\right|Z_{t\arg \mathrm{et}}-Z_j\left|\right|=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(w_i{y}_i-w_i{y}_i^{\left(j\right)})}^2}---\left(5\right)$

定义角度阈值θ_t及距离阈值D_t，并做出切换触发约束：如果当前网络的参考向量与用户需求目标向量间同时满足式(6)及(7)两个条件，则不发生切换；否则，触发切换请求。

(Z_targetΛZ_j)≤θ_t                       (6)

d(Z_target，Z_j)≤D_t                       (7)

其中，(Z_targetΛZ_j)表示用户目标向量Z_target与网络参考向量Z_j之间的夹角θ_j。

因此通过定义角度阈值θ_t及距离阈值D_t，为业务需求及网络参数的变化提供一个“弹性空间”，以便确保用户需求与网络能力之间一定程度的匹配，从而在满足用户需求的情况下，尽量减小切换次数，降低切换频度。

步骤103，如果切换过程被触发，则终端侧设备向该终端侧设备所属接入网络(例如WiMax、UMTS及WLAN等)的接入设备发送切换请求，该切换请求的内容可以包括用户标识及业务类型。

步骤104、接入设备在接收到切换请求后，将该切换请求转发给决策服务器，该决策服务器可以为独立于具体无线接入网络的第三方实体--决策实体，也可以由某个无线接入网络内的决策实体实现。在转发的切换请求中，信息内容除了包含用户标识和业务类型之外，还可以包括用于表示当前接入网络的网络标识。

步骤105，决策服务器在接收到各接入网络的接入设备发送的切换请求后，通知各接入设备将对应的接入网络的负载情况信息发送到决策实体，并根据业务情况及各网络的负载情况对所有到达的切换请求进行集中处理，给出切换判决结果。

具体群体垂直切换决策过程如下所述：

在多业务环境中，不同的业务具有不同的速率要求，建立速度需求向量R＝{r₁，r₂，...，r_m}，其中r_j(j＝1，...，m)表示第j类业务的速率需求。对于其中的任一网络i∈S(S＝{1，2，...，k}，其中k表示可用网络的编号，针对新发起的切换请求向量 ${\mathrm{VHO}}_i=\{n_1^{\left(i\right)},n_2^{\left(i\right)},n_3^{\left(i\right)},...,n_m^{\left(i\right)}\},$ 其中m表示异构环境下的业务种类，而 $n_j^{\left(i\right)}\∈Z$ (j＝1，...，m)表示发起的切换请求中属于第j类业务的用户数目。

因此，当前小区内所有可用网络、所有业务的垂直切换请求向量将构成k×m的网络切换呼出矩阵A，其定义如下：

$A={\{{\mathrm{VHO}}_1,{\mathrm{VHO}}_2,...,{\mathrm{VHO}}_i,...,{\mathrm{VHO}}_k\}}^T$

$=\left[\begin{array}{ccc}{a}_{11}& \·\·\·& a_{1m}\\ \·& \·& \·\\ a_{k1}& \·\·\·& a_{\mathrm{km}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{n}_1^{\left(1\right)}& \·\·\·& n_m^{\left(1\right)}\\ \·& \·& \·\\ n_1^{\left(k\right)}& \·\·\·& n_m^{\left(k\right)}\end{array}\right]---\left(8\right)$

此外，对于任一网络i∈S，它不仅有可能作为切换请求的呼出网络，也可能是其他切换请求的呼入网络，因此，建立网络的呼入向量，也即切换请求判决向量 ${\mathrm{VHI}}_i=\{t_1^{\left(i\right)},t_2^{\left(i\right)},t_3^{\left(i\right)},...,t_m^{\left(i\right)}\},$ 其中t_j ⁽ⁱ⁾为整数(j＝1，...，m)，如当前系统中使用的业务类型有：视频传输、VoIP、网页浏览、交互式游戏等，而t_j ⁽ⁱ⁾第i个接入网络能接受的属于业务类型j的用户数目。同理，在多网络、多业务场景下，构成k×m的垂直切换判决矩阵B，其定义如下：

$B={\{{\mathrm{VHI}}_1,{\mathrm{VHI}}_2,...,{\mathrm{VHI}}_i,...,{\mathrm{VHI}}_k\}}^T$

$=\left[\begin{array}{ccc}{b}_{11}& \·\·\·& b_{1m}\\ \·& \·& \·\\ b_{k1}& \·\·\·& b_{\mathrm{km}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{t}_1^{\left(1\right)}& \·\·\·& t_m^{\left(1\right)}\\ \·& \·& \·\\ t_1^{\left(k\right)}& \·\·\·& t_m^{\left(k\right)}\end{array}\right]---\left(9\right)$

因此，群体切换场景下的垂直切换处理问题就转化为在已知当前到达的垂直切换数目及业务类型的情况下，即已知呼出矩阵A中各元素取值情况后，选取恰当的准则给出优化系统性能的垂直切换判决矩阵B的问题。

根据前述对图1的说明中所论述的实现系统整体资源优化利用的目标是异构网络间达到负载均衡，因此，判断矩阵B的求解将围绕负载均衡原则展开。

由于各网络可能有呼出的垂直切换请求，同时，各网络也会按照负载均衡的目标，确定是否允许呼入的切换请求接入本网络，因此，网络的负载情况将会发生变化，对与任一网络i∈S，其负载情况更新如下：

${\mathrm{\η}}_i=\frac{L_i-{\mathrm{VHO}}_i\·R^T+{\mathrm{VHI}}_i\·R^T}{C_i}---\left(10\right)$

其中，VHI_i中的元素还是未知数，其将在下式中进行求解：

$\underset{B}{\min }\left(\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\right|{\mathrm{\η}}_i-\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}\left|\right)---\left(11\right)$

式(11)表示使得括号中表达式取值最小的B，其约束条件是：

$\∀i\∈\{\mathrm{1,2},...,k\},$ j∈{1，2，...，m}，b_ij∈{1，2，...，max(a_ij)}

                                            (12)

$\∀i\∈\{\mathrm{1,2},...,k\},$ j∈{1，2，...，m}，(L_i-VHO_i·R^T+VHI_i·R^T)≤C_i

式(11)表示在各种约束条件下，找到最佳判决矩阵，使得各网络的负载与平均负载的偏差之和最下，即达到更好的网络负载均衡效果。

对于式(12)中的两个约束条件，第一条限定了判决矩阵中各元素的取值范围，即每一个网络不仅可以作为垂直切换请求的源网络，也能作为多个垂直切换请求的目标接收网络；第二条则是判断若允许某个呼入请求接入后，系统负载是否超出了网络容量，即保证系统能够满足用户的速率要求，提供可靠的QoS保障。

根据式(11)及式(12)，将判决矩阵的求解归纳为非线性目标的整数规划问题，然后通过在约束条件下的试错搜索，得到最佳判决矩阵，从而得到垂直切换判决结果。

决策服务器在得到垂直切换判决结果后，根据用户标识及网络标识将切换结果发送给各接入网络的接入设备。

步骤106，各接入网络的接入设备在接收到切换判决结果后，根据用户标识通过切换请求应答信息通知相应用户，信息内容包括用户标识及目标切换网络标识。接入设备还可以通过网络间接口目标切换网络，并根据接收到的切换判决结果更新网络负载，如公式(13)：

$L_i^{*}=L_i-{\mathrm{VHO}}_i\·R^T+{\mathrm{VHI}}_i\·R^T---\left(13\right)$

步骤107，终端侧设备接收到切换请求应答信息后，提取目标切换网络，并控制执行模块启动切换过程，执行切换操作。

上述本发明的实施例在异构环境下热点区域中由于用户移动及业务需求变化所带来的多个切换请求同时到达的典型群体切换场景中，从系统整体资源利用的角度出发，利用平均值不等式及其约束条件论证了使得整体资源利用率最大化的条件是实现异构系统的负载均衡，并基于上述结论，本发明的实施例提出了基于网络负载均衡的群体垂直切换方法，综合考虑乐同时到达的多个垂直切换请求的业务类型及各网络负载变化情况，将优化系统性能的判决矩阵的得出归纳为非线性目标的整数规划问题的求解，采用并行处理的方法，从系统全局角度出发，通过试错搜索，协调系统间资源，在满足用户QoS需求的前提下寻求垂直切换请求与系统负载状态的最佳匹配，得到优化的垂直切换判决矩阵，实现系统间的负载均衡，提升系统整体可用资源数目。

如图2所示，为本发明异构无线环境下群体垂直切换系统的一实施例的结构示意图，本实施例包括：探测模块1、执行模块2、信息收发模块3和决策服务器4。其中探测模块1设于终端侧设备5中，用于采集终端侧设备所属接入网络的各种上层信息和底层信息。

执行模块2设于终端侧设备5中，用于根据所述上层信息和底层信息计算得到用户目标向量与网络能力向量的夹角和距离，并判断所述用户目标向量与网络能力向量的夹角和距离是否符合预设的阈值条件，如果不符合，则向所述接入网络(例如WiMax、UMTS及WLAN等)的接入设备61、...、63等发送切换请求；以及根据接收到的所述切换判决结果执行切换操作。信息收发模块3，设于各个接入网络的接入设备61、...、63中，用于转发所述切换请求和切换判决结果。决策服务器4用于根据各个接入网络的负载情况和业务情况对接收的所述切换请求进行集中处理，并将获得的切换判决结果通过所述信息收发模块3返回给对应的终端侧设备5。

在本实施例中的各个功能模块的具体实现过程参见前述异构无线环境下群体垂直切换方法实施例的说明。

由图4可以看出，在不同用户速度下，与没有使用“弹性空间”控制的方案相比，本发明实施例能有效降低垂直切换次数，这是因为使用“弹性空间”控制的方案能够对用户需求及网络参数的时变有一定的“容忍空间”，在满足用户需求的基础上减小垂直切换的发生，保证了业务的连续性。

由图5可以看出，本发明所提出的群体垂直切换策略能有效提高系统资源利用率，使得系统可用资源比使用基于FCFS的垂直切换算法有所提高，尤其是在初始化负载差异较大的情况下，基于FCFS的垂直切换算法所表现的性能波动较大，而本发明所提出的基于并行处理方式的群体垂直切换策略则体现出了较好的稳定性，说明本发明所提的群体垂直切换策略能够实现更好的网络负载均衡，所以能提升系统整体的可用资源。

由图6可以看出，由于本发明所提垂直切换策略是从系统全局角度对各网络垂直切换请求进行并行处理及全局协调，从而得到利于系统整体性能提升的判决矩阵，因而能合理的利用不同网络的承载能力对不同业务的垂直切换请求进行接纳，实现更好的网络间负载均衡；而使用基于FCFS的算法由于实行的是串行处理模式，从而造成网络侧的信息不对称，其处理结果的优化性能具有极大的局限性，因此基于FCFS算法的垂直切换效果虽然也能使得各网络的负载差异有所减小，但其负载均衡的效果并没有本发明所提方案出色。

由图7可以看出，本发明所提群体垂直切换算法能够显著的提升系统资源的利用率，并且随着切换请求到达速率的增加，两者间的性能差异更加明显，显示了本发明所提算法在群体切换场景下具有更优异、更稳定的性能。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (8)

1、一种异构无线环境下群体垂直切换方法，包括以下步骤：

终端侧设备采集所属接入网络的各种上层信息和底层信息，并根据所述上层信息和底层信息计算得到用户目标向量与网络能力向量的夹角和距离；

判断所述用户目标向量与网络能力向量的夹角和距离是否符合预设的阈值条件，如果不符合，则向所述接入网络的接入设备发送切换请求；

所述接入设备在接收到所述切换请求后，将所述切换请求转发到决策服务器；

所述决策服务器根据各个接入网络的负载情况和业务情况对接收的所述切换请求进行集中处理，并将获得的切换判决结果通过各个接入网络的接入设备返回给对应的终端侧设备；

所述终端侧设备根据所述切换判决结果执行切换操作。

2、根据权利要求1所述的异构无线环境下群体垂直切换方法，其中，所述根据上层信息和底层信息计算得到用户目标向量与网络能力向量的夹角和距离的操作具体包括：

根据上层信息和底层信息确定所述用户目标向量和网络能力向量的各项指标；

对所述用户目标向量和网络能力向量中的各项指标分别进行归一化处理，获得多维空间下的用户目标向量Z_target＝(w₁y₁，w₂y₂，......，w_ny_n)，以及所述终端侧设备所属接入网络N_j的网络能力向量为 $Z_j=(w_1{y}_1^{\left(j\right)},w_2{y}_2^{\left(j\right)},.....,w_n{y}_n^{\left(j\right)}),$ 其中y_i表示第i项指标的归一化值，y_i ^(j)表示在N_j的接入网络所提供能力的第i项指标的归一化值，j∈S，S＝{1，2，...，k}表示可用接入网络集合；

根据公式 $\cos {\mathrm{\θ}}_j=\frac{Z_{t\arg \mathrm{et}}\·Z_j}{\left|Z_{t\arg \mathrm{et}}\right|\left|Z_{t\arg \mathrm{et}}\right|}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(w_i^2{y}_i^{\left(j\right)}{y}_i\right)}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(w_i{w}_i^{\left(j\right)}\right)}^2}\·\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(w_i{y}_i\right)}^2}}$ 获得用户目标向量Z_target与网络能力向量Z_j间的夹角θ_j，以及通过公式 $d(Z_{t\arg \mathrm{et}},Z_j)=\left|\right|Z_{t\arg \mathrm{et}}-Z_j\left|\right|=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(w_i{y}_i-w_i{w}_i^{\left(j\right)})}^2}$ 获得用户目标向量Z_target与网络能力向量Z_j的距离。

3、根据权利要求1所述的异构无线环境下群体垂直切换方法，其中，所述判断用户目标向量与网络能力向量的夹角和距离是否符合预设的阈值条件的操作具体为：

判断所述用户目标向量与网络能力向量的夹角是否小于等于预设的角度阈值θ_t，以及所述用户目标向量与网络能力向量的距离是否小于等于预设的距离阈值D_t。

4、根据权利要求1所述的异构无线环境下群体垂直切换方法，其中，所述决策服务器对接收的所述切换请求进行集中处理的群体切换决策过程包括：

所述决策服务器根据接收到的各个接入网络的接入设备转发的切换请求建立切换请求向量 ${\mathrm{VHO}}_i=\{n_1^{\left(i\right)},n_2^{\left(i\right)},n_3^{\left(i\right)},...,n_m^{\left(i\right)}\},$ 并建立网络切换呼出矩阵A，

$A={\{{\mathrm{VHO}}_1,{\mathrm{VHO}}_2,...,{\mathrm{VHO}}_i,...,{\mathrm{VHO}}_k\}}^T$

$=\left[\begin{array}{ccc}{a}_{11}& ...& a_{1m}\\ .& .& .\\ a_{k1}& ...& a_{\mathrm{km}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{n}_1^{\left(1\right)}& ...& n_m^{\left(1\right)}\\ .& .& .\\ n_1^{\left(k\right)}& ...& n_m^{\left(k\right)}\end{array}\right]$

其中i∈S，S＝{1，2，...，k}表示可用接入网络集合，m表示异构环境下的业务种类，而 $n_j^{\left(i\right)}\∈Z(j=1,...,m)$ 表示发起的切换请求中属于第j类业务的用户数目；

采用负载均衡原则求解获得垂直切换判决矩阵B，

$B={\{{\mathrm{VHI}}_1,{\mathrm{VHI}}_2,...,{\mathrm{VHI}}_i,...,{\mathrm{VHI}}_k\}}^T$

$=\left[\begin{array}{ccc}{b}_{11}& ...& b_{1m}\\ .& .& .\\ b_{k1}& ...& b_{\mathrm{km}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{t}_1^{\left(1\right)}& ...& t_m^{\left(1\right)}\\ .& .& .\\ t_1^{\left(k\right)}& ...& t_m^{\left(k\right)}\end{array}\right]$

其中VHI_i表示切换请求判决向量， $t_j^{\left(i\right)}\∈Z(j=1,...,m)$ 表示第i个接入网络能接受的属于业务类型j的用户数目。

5、根据权利要求4所述的异构无线环境下群体垂直切换方法，其中，所述采用负载均衡原则的求解过程具体包括：

根据各种业务的速率要求建立速率需求向量R＝{r₁，r₂，...，r_m}，其中r_j(j＝1，...，m)表示第j类业务的速率需求；

对于第i个接入网络，i∈S，网络负载参数更新为：

${\mathrm{\η}}_i=\frac{L_i-{\mathrm{VHO}}_i\·R^T+{\mathrm{VHI}}_i\·R^T}{C_i},$

其中C_i表示第i个接入网络的网络容量，L_i表示第i个接入网络中已使用的资源；

根据下式求解垂直切换判决矩阵B，

$\underset{B}{\min }\left(\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\right|{\mathrm{\η}}_i-\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}\left|\right).$

6、根据权利要求5所述的异构无线环境下群体垂直切换方法，其中，所述求解垂直切换判决矩阵B的操作具体为：

将所述垂直切换判决矩阵B的求解归纳为非线性目标的整数规划问题，并根据以下约束条件

$\∀i\∈\{\mathrm{1,2},...,k\},$ j∈{1，2，...，m}，b_ij∈{1，2，...，max(a_ij)}

$\∀i\∈\{1,2,...,k\},$ j∈{1，2，...，m}，(L_i-VHO_i·R^T+VHI_i·R^T)≤C_i

进行试错搜索，获得切换判决结果。

7、根据权利要求5或6所述的异构无线环境下群体垂直切换方法，其中，在所述决策服务器将所述切换判决结果通过各个接入网络的接入设备返回给对应的终端侧设备时，还包括以下步骤：

接收到切换判决结果的所述接入设备通过网络间接口通知目标切换网络，并根据接收到的切换判决结果更新网络负载：

$L_i^{*}=L_i-{\mathrm{VHO}}_i\·R^T+{\mathrm{VHI}}_i\·R^T.$

8、一种异构无线环境下群体垂直切换系统，包括：

探测模块，设于终端侧设备中，用于采集终端侧设备所属接入网络的各种上层信息和底层信息；

执行模块，设于终端侧设备中，用于根据所述上层信息和底层信息计算得到用户目标向量与网络能力向量的夹角和距离，并判断所述用户目标向量与网络能力向量的夹角和距离是否符合预设的阈值条件，如果不符合，则向所述接入网络的接入设备发送切换请求；以及根据接收到的所述切换判决结果执行切换操作；

信息收发模块，设于各个接入网络的接入设备中，用于转发所述切换请求和切换判决结果；

决策服务器，用于根据各个接入网络的负载情况和业务情况对接收的所述切换请求进行集中处理，并将获得的切换判决结果通过所述信息收发模块返回给对应的终端侧设备。

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