CN101827396B - 异构无线环境下多网协作传输的资源分配系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种异构无线环境下多网协作传输的资源分配系统及方法,该系统网络侧包括:业务分流单元,根据网络承载能力以及不同网络之间的约束条件,将一个业务分为多个业务子流;业务控制单元,对多个业务子流进行处理,并将其通过不同的无线接入网络传输至终端侧;终端侧包括:协商单元,识别设备终端接收到的业务子流,并将业务子流转发到其相应的终到设备终端。本发明的系统及方法,充分利用了异构无线环境下各无线接入网络的传输能力,将业务分为多个子流在不同的网络上传输,不仅可使得只支持单一网络的单模终端能够支持多种业务,还能充分利用不同网络的资源,实现不同网络间的负载均衡,从而最优化系统性能。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域,尤其涉及一种异构无线环境下多网协作传输的资源分配系统及方法。
背景技术
未来无线通信系统将包含多种无线接入网络,包括蜂窝通信系统、802.16x WIMAX等无线广域网络、802.11x WLAN无线局域网络及蓝牙、Zigbee等无线个域网络。因此,异构及合作将是未来无线通信系统的重要特征。然而,如何利用网络的异构性,使得具有不同传输能力的系统相互协同以共同为用户服务,成为了当前异构网络研究的热点。
当前广泛应用于单一网络中的单模终端,由于终端能力及网络传输能力有限,并不能支持所有业务,尤其是面向下一代移动通信系统的多媒体业务,因此,在目前对异构无线网络的研究中,大多认为用户终端是多模终端,具备同时接入多个无线系统的能力。然而,如果终端同时与多个不同的网络保持连接以传输数据,将需要多套工作于不同频段、不同功率的收发机,这对于功率受限及硬件复杂度受限的终端设备来说,无疑是极大的挑战。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是:扩展设备终端可支持的业务种类,优化系统性能。
(二)技术方案
为实现上述目的,本发明提供了一种异构无线环境下多网协作传输的资源分配系统,该系统包括:网络侧无线资源管理模块以及终端侧无线资源管理模块,所述网络侧无线资源管理模块包括:业务分流单元,用于根据网络承载能力以及不同网络之间的约束条件,将一个业务分为多个业务子流;业务控制单元,用于对所述多个业务子流进行处理,并将其分别通过不同的无线接入网络传输至终端侧;所述终端侧无线资源管理模块包括:协商单元,用于识别设备终端接收到的业务子流,并将终到设备终端IP地址并非本设备终端IP地址的业务子流转发到所述业务子流相应的终到设备终端。
其中,所述业务控制单元进一步包括:封装子单元,用于对于所述业务子流进行封装,设置转发位,填充其目的地址以及转发地址。
一种基于权上述异构无线环境下多网协作传输的资源分配系统的资源分配方法,该方法包括步骤:
S1.根据网络的承载能力以及不同网络之间的约束,将一个业务流分为多个业务子流;
S2.对所述多个业务子流进行处理,并将其分别通过不同的接入网络传输至终端侧;
S3.终端设备接收并识别接收到的业务子流,判断接收到的业务子流的终到设备终端IP地址是否为本设备终端IP地址,若不是,则将所述业务子流转发至其相应的终到设备终端。
其中,在步骤S1中,将一个业务流分为多个业务子流的原则为:使得系统整体传输时延最小。
其中,在步骤S2中,对所述多个业务子流进行封装处理,其中,对于直接发送至终到设备终端的业务子流,在封装时,将转发位设置为“0”,目的地址设置为终到设备终端IP地址;对于发送到非终到设备终端的其他设备终端的业务子流,在封装时,将转发位设置为“1”,填充包头地址和转发地址,所述包头地址为接收所述业务子流的设备终端IP地址,所述转发地址为所述业务子流的终到设备终端IP地址。
其中,在步骤S3中,若终端设备识别业务子流的转发位为“1”,则根据所述转发地址将所述业务子流转发到所述终到设备终端。
(三)有益效果
本发明提出的异构无线环境下多网协作传输的资源分配系统及方法,充分利用了异构无线环境下各无线接入网络的传输能力,将业务分为多个子流在不同的网络上传输,不仅可使得只支持单一网络的单模终端能够支持多种业务甚至是高数据速率的业务,还能充分利用不同网络的资源,实现不同网络间的负载均衡,从而最优化系统性能。
附图说明
图1为依照本发明一种实施方式的异构无线环境下多网协作传输的资源分配系统结构图;
图2为依照本发明一种实施方式的异构无线环境下多网协作传输的资源分配方法流程图;
图3(a)为本发明实施例的方法中直接发送到终端子系统中主设备终端的数据格式图;
图3(b)为本发明实施例的方法中发送给终端子系统中非主设备终端的数据格式图;
图4为本发明实施例的异构无线环境下无线广域网与无线个域网相互协作、业务分流及终端子系统示意图;
图5为本发明实施例的不同资源分配方法下系统整体传输时延性能图;
图6为只考虑广域网系统间负载均衡的资源分配方法与本发明实施例的方法的系统整体传输时延的性能对比图。
具体实施方式
本发明提出的异构无线环境下多网协作传输的资源分配系统及方法,结合附图和实施例详细说明如下。
本发明提出了终端子系统的概念,即,以业务最终到达的单模终端为主设备终端,而其他连接于不同无线接入网的单模终端通过其他无线个域网与主设备终端相连。从网络侧观测,终端子系统具有多模终端所拥有的多连接特性,既同时与多个无线通信网络保持连接,并能同时收发数据。
如图1所示,依照本发明一种实施方式的异构无线环境下多网协作传输的资源分配系统,该系统包括:
网络侧无线资源管理模块,即在网络侧部署的联合无线资源管理实体(Common Radio Resource Management,CRRM),位于各无线接入网络之上,负责管理及分配包含多个无线接入网络的系统的整体无线资源。在本发明中,网络侧的联合无线资源管理模块具体包括:
业务分流单元(Traffic Splitter)及业务控制单元(TrafficController)。业务分流器用于根据网络承载能力以及不同网络之间的约束条件,将一个大数据速率业务合理地分为多个业务子流,其内部署有资源分配策略,该策略遵循原则为使得系统整体传输时延最小化;业务控制单元,由于未来无线通信系统都是基于全IP的网络架构,因此,该模块根据业务分流单元的决策结果,根据业务子流是否发送至主设备终端而对进行处理,封装不同的数据格式单元,以建立多网协作模式下的IP传输隧道,并将其分别通过不同的无线接入网络传输至终端侧,具体传输的方法在下文中进行叙述。业务控制单元还包括封装子单元,用于对于业务子流进行封装,设置转发标志位以及填充其终到设备终端地址以及转发地址。
终端侧无线资源管理模块,即在终端侧部署的联合无线资源管理实体(Common Radio Resource Management,CRRM),包括:组成终端子系统的各单模设备终端,其接收并识别接收到的业务流,当读取数据包中的标志位为“1”,表明所接收到的业务流为业务子流,然后将继续读取该数据包中的转发地址字段,将业务子流按照该转发IP地址发送到其相应的终到设备终端(即主设备终端)。在本发明中,为了尽可能少的对现有终端结构进行调整和改变,需要根据网络协同及终端子系统的功能,对终端侧的无线资源管理模块进行升级,在终端设备增设协商单元,用于协调广域网与个域网的同时连接,防止网络间冲突,识别接收到的业务子流,对业务子流的转发做出处理,将其发送至相应的设备终端。
本发明还提供了一种基于上述系统的异构无线环境下多网协作传输的资源分配方法,当用户请求具有大数据速率的业务时,由于单模终端及单个无线网络的能力有限,不能单独承载该业务,将该业务切分为多个业务子流,通过不同的无线接入网络将业务子流发送到终端子系统中的不同单模终端;最后,业务子流在终端子系统内部通过无线个域网传输到主设备终端。本发明的方法根据不同无线网络的承载能力及网络之间的约束条件,将业务合理的分为多个业务子流,分别在不同的网络中传输,将这一资源分配方法归纳为非线性最优化问题,通过Kuhn-Tucker条件得到全局最优解,使得协作模式下的资源分配能够实现多个网络间的负载均衡,最终使得系统整体传输时延最小化。
如图2所示为依照本发明一种实施方式资源分配方法流程图,该方法包括步骤:
S1.当用户请求具有大数据速率的业务(例如多媒体业务)时,由于单模终端及单个无线网络的能力有限,不能单独承载该业务,因此,业务分流单元根据网络的承载能力以及不同网络之间的约束,将该大数据业务流分为多个业务子流,分配原则遵循使得系统整体传输时延最小化;
S2.业务控制单元对属于该业务流的多个业务子流进行处理,并将其分别通过不同的接入网络传输至终端侧;
S3.设备终端的协商单元接收并识别接收到的业务子流,判断接收到的业务子流的终到设备终端的IP地址是否为本设备终端的IP地址,若不是,则将该业务子流转发至其相应的终到设备终端。
为了实现属于同一业务的多个业务子流在不同的无线接入网中进行传输,并最后通过无线个域网技术汇聚到主设备终端恢复成原有业务,本发明采用了全IP的网络构架,即所有无线接入网络都是采用包交换(Packet Switch)。因此网络可以通过IP地址识别不同的设备终端,即设备终端可以通过分配的IP地址来识别。
在步骤S1中,当大数据速率的业务到达网络侧时,业务分流单元根据将业务分为多个业务子流,并将分配结果告知业务控制单元。因为业务信息中包含其终到设备终端的IP地址,因此,在步骤S2中,业务控制单元区别对待传输给终端子系统中主设备终端及其他设备终端的业务子流,由封装子单元对业务子流进行封装处理,对于直接发送到主设备终端的业务子流,在数据封装时,目的地址使用主设备终端的IP地址,并将转发指示标志位标识为“0”;对于发送到终端子系统中其他设备终端的业务子流,在数据封装时,将填充两个地址,即包头地址和转发地址。包头地址是接收该业务子流的设备终端的IP地址,而转发地址是该业务最终到达的主设备终端的IP地址。此外,还将转发标志位标识为“1”。
当终端侧接收到数据后,在步骤S3中,协商单元将首先剥离包头,读取转发标志位,若转发标志位为“1”,则继续读取转发地址,并按照转发地址将该数据发送到与该地址相应的设备终端;若转发标志位为“0”,则无需转发。
如图3(a)和3(b)所示为依照本发明一种实施方式的业务子流数据包格式说明图。网络侧的业务控制单元将根据图3(a)和3(b)所给的数据包格式为不同的业务子流进行数据封装。
如图3(a)所示,该图给出了直接发送到终端子系统中主设备终端的数据格式,该数据格式主要分为三部分:数据包头:包含主设备终端的IP地址;转发标志位:1bit,标识为“0”;数据承载部分:承载业务子流的IP数据包。
如图3(b)所示,该图给出了发送给终端子系统中非主设备终端的数据格式,该数据格式主要分为三部分:数据包头:包含两个IP地址,首先是该非主设备终端的IP地址,然后是主设备终端的IP地址;转发标志位:1bit,标识为“1”;数据承载部分:承载业务子流的IP数据包。
网络侧的业务控制单元首先根据第一个IP地址将封装后的数据包发送到相应接入网的设备终端中,该设备终端中的协商模块接收到数据后,首先读转发标志位,若为“1”,则在包头中读取第二个IP地址,并按照该地址将数据包转发到主设备终端。
实施例
图4示出了本实施例中异构无线环境下无线广域网与无线个域网相互协作、业务分流及终端子系统的说明图。在该异构无线环境中,有四种不同的无线接入网络,分别记为无线接入网1(简记为RAN1)、无线接入网2(简记为RAN 2)、无线接入网3(简记为RAN 3)及无线接入网4(简记为RAN 4)。其中,RAN 1、RAN 2及RAN 3为无线广域网络,RAN 4为无线个域网络。而工作在三种不同无线广域网中的终端设备分别为终端1(简记为MT 1)、终端2(简记为MT 2)及终端3(简记为MT 3),其中MT 1为主设备终端,其余设备终端通过无线个域网RAN 4连接到MT 1,从而形成终端子系统。
如图所示,大数据速率的业务被分为三个业务子流,分别在三个不同的网络上进行传输,除了直接传输到主设备终端MT 1的业务子流外,其他两条业务子流都必须通过无线广域网与无线个域网的协同传输而最终传输到MT 1,如图中链路2和链路3所示。
本实施例所提的多网协作传输的资源分配方法是综合考虑了不同无线广域网的承载能力及广域网及个域网间的相互限制,从而得到了使得系统整体时延最小的业务分配方法。以下将上述过程进行数学抽象和数学描述,并寻求最优解。
不失一般性,假设当前到来的业务的速率为RMbps,而业务数据包的长度为Lpbits,假设业务子流数据包到达设备终端的速率服从参数为λ的泊松分布,则有λ=R/Lp。此外,各无线网络的可用无线资源为而各无线网络的服务速率服从参数为μi(i=1,2,3)的指数分布,则因此可以将业务子流在RAN 1,RAN 2及RAN 3的传输过程抽象为M/M/1排队模型,其中,M为排队论中约定俗成的表示方法:第一个M表示数据包的到达服从泊松分布,第二个M表示网络的服务时间服从指数分布,第三个参数“1”表示该排队模型只有一个服从窗口。
而对于功率受限的通信系统,节省功率的一个有效途径就是提高单位能效的数据吞吐量,而提高吞吐量在一定程度上取决于系统整体传输时延。时延较大的通信系统,在消耗相同功率的情况下,其数据吞吐量小于系统平均时延较小的系统。因此,使得系统整体传输时延最小化的目标可以抽象为:
其中λ=(λ1,λ2,λ3),λi(i=1,2,3)表示经过业务分流单元后分到RAN1,RAN 2及RAN 3中的业务子流的包到达速率。而Dtotal(λ)表示不同业务分配方案下的系统总体时延。
虽然业务子流在RAN 1,RAN 2及RAN 3的传输过程抽象为M/M/1排队模型,但是在经过无线广域网的传输后,业务子流的包到达速率是否仍然是泊松过程则不能确定。因此,将给出下面定理以证明业务子流通过RAN 4的传输过程仍然可以抽象为M/M/1排队模型。
定理1:一个顾客到达速率为γ,服务速率为μ的M/M/1队列,如果γ<μ,则当该系统处于稳定工作状态时,顾客离开的输出过程是一个速率为γ的泊松过程。
在本发明提出的资源分配方法中,业务子流分配时考虑各无线广域网的承载能力,因此,λ2<μ2,λ3<μ3。所以业务子流在通过RAN 2及RAN 3后,其输出过程仍然服从参数为λ2及λ3的泊松过程。由于RAN 4的服务速率服从参数为μ4的指数分布,因此,在链路2及链路3中,业务子流通过RAN 4进行传输的过程仍然可以抽象为M/M/1排队模型。因此,业务子流在链路2及链路3中的传输过程则可以抽象为两个连续的M/M/1排队模型。
以链路2为例,分析业务子流在链路2中传输的时延,记为D2。假设状态(n,m)表示当前链路2上在RAN 2中有n个数据包,在RAN 4中有m个数据包。根据排队论相关定理,RAN 2中的数据包数目与RAN 4中的数据包数目相互独立,因此得到如下的概率分布:
其中,Pn,m表示状态(n,m)的概率。则链路2中平均的数据包数目L为:
根据李特尔公式,则链路2上的平均时延D2为:
同理可以得到链路1及链路3的平均时延,因此,多网协作模式下资源分配的目标可以进一步从式(1)演化为:
如上式所示,多网协作下的资源分配问题归纳为具有等式及不等式约束的非线性目标优化问题。通过Kuhn-Tucker(K-T)条件进行求解:
令式(5)中的优化目标为下面的多维函数:
之后,引入非负的拉格朗日乘子ω={ω0,ω1,ω2,ω3},将式(5)的等式约束及不等式约束及优化目标都变成如下的新的拉格朗日函数:
定义g1(λ)=μ1-λ1,g2(λ)=min(μ2,μ4)-λ2,及g3(λ)=min(μ3,μ4)-λ3。根据K-T条件,ωigi(λ)=0,(i=1,2,3)。如果μ1=λ1或λi=min(μi,μ4),(i=1,2,3),则会导致系统工作在不稳定状态,为了满足K-T条件,ωi=0(i=1,2,3)。若ω0=0,则拉格朗日乘子将失去其作用,因此ω0≠0。
通过解方程组(8),将得到λ0={λ0 1,λ0 2,λ0 3},其被定义为K-T点。根据K-T理论,若f(λ1,λ2,λ3)是凸函数,而gi(λ)是凹函数,并且gi(λ)在λ0=(λ0 1,λ0 2,λ0 3}连续,则K-T点位全局最优点。根据上述公式,不难证明上述结论正确。因此λ0={λ0 1,λ0 2,λ0 3}是优化问题(5)的全局最优解。
本方案所提的多网协作模式下的资源分配方法可使得系统整体时延最小。
图5示出了不同资源分配方法对系统总体传输时延的性能图。该图给出了不同资源分配结果下系统总体时延(对数值)的性能对比图。
图6示出了只考虑广域网系统间负载均衡的资源分配方法与本发明提出的资源分配方法间关于系统总体传输时延的性能对比图。对于只考虑广域网间负载均衡的资源分配策略,其分配方法为:
通过对比,显然本发明所提出的资源分配方法具有更好的系统性能。
本发明的方法还适用于有无线局域网、无线城域网等网络参与的协作传输的情形,还可覆盖多模终端的情况。
以上实施方式仅用于说明本发明,而并非对本发明的限制,有关技术领域的普通技术人员,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,还可以做出各种变化和变型,因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴,本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (6)
1.一种异构无线环境下多网协作传输的资源分配系统,该系统包括:网络侧无线资源管理模块以及终端侧无线资源管理模块,其特征在于,
所述网络侧无线资源管理模块包括:
业务分流单元,用于根据网络承载能力以及不同网络之间的约束条件,将一个业务分为多个业务子流;
业务控制单元,用于对所述多个业务子流进行处理,并将其分别通过不同的无线接入网络传输至终端侧;
所述终端侧无线资源管理模块包括:
协商单元,用于识别设备终端接收到的业务子流,并将终到设备终端IP地址并非本设备终端IP地址的业务子流转发到所述业务子流相应的终到设备终端;
协商单元还用于协调广域网与个域网的同时连接,防止网络间冲突;
其中,所述设备终端是单模终端。
2.如权利要求1所述的异构无线环境下多网协作传输的资源分配系统,其特征在于,所述业务控制单元进一步包括:
封装子单元,用于对于所述业务子流进行封装,设置转发位,填充其目的地址以及转发地址。
3.一种基于权利要求1-2任一项所述的异构无线环境下多网协作传输的资源分配系统的资源分配方法,该方法包括步骤:
S1.根据网络的承载能力以及不同网络之间的约束,将一个业务流分为多个业务子流;
S2.对所述多个业务子流进行处理,并将其分别通过不同的接入网络传输至终端侧;
S3.终端设备接收并识别接收到的业务子流,判断接收到的业务子流的终到设备终端IP地址是否为本设备终端IP地址,若不是,则将所述业务子流转发至其相应的终到设备终端。
4.如权利要求3所述的异构无线环境下多网协作传输的资源分配系统的资源分配方法,其特征在于,在步骤S1中,将一个业务流分为多个业务子流的原则为:使得系统整体传输时延最小。
5.如权利要求3所述的异构无线环境下多网协作传输的资源分配系统的资源分配方法,其特征在于,在步骤S2中,对所述多个业务子流进行封装处理,其中,对于直接发送至终到设备终端的业务子流,在封装时,将转发位设置为“0”,目的地址设置为终到设备终端IP地址;对于发送到非终到设备终端的其他设备终端的业务子流,在封装时,将转发位设置为“1”,填充包头地址和转发地址,所述包头地址为接收所述业务子流的设备终端IP地址,所述转发地址为所述业务子流的终到设备终端IP地址。
6.如权利要求5所述的异构无线环境下多网协作传输的资源分配系统的资源分配方法,其特征在于,在步骤S3中,若终端设备识别业务子流的转发位为“1”,则根据所述转发地址将所述业务子流转发到所述终到设备终端。
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Legal Events
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C10 | Entry into substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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