CN102104911A - 一种异构无线网络中基于流切换的群组切换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种异构无线网络中基于流切换的群组切换方法。现有的业务流一般由同一终端承载,它们在选网时可能受到该终端的无线接口类型和数目的限制。本发明是在无线异构网络的群移动场景下,由集中式的JRRM实体收集各网的可用带宽、群组中所有终端的位置、接入能力等信息,做出全局的切换判决,并能够有效支持业务流单独选网。本发明具体包括群组切换的发起、群组切换的判决和群组切换的执行。本发明针对群移动的场景,采用集中式的JMMR进行切换判决,以避免多个终端同时切换带来的乒乓效应。
Description
技术领域
本发明属于无线异构网络中的切换领域,涉及一种基于流切换的群组切换方法。
背景技术
在新技术与市场的共同推动下,无线接入技术取得了巨大的进展,异构无线网络的融合成为未来移动通信系统发展的必然趋势。在某一地理区域内,多个不同类型的网络可能重叠覆盖,相互补充。为了适应这种异构环境,多模的智能终端设备正在不断普及,它们可以选择接入/切换至最适合的网络。当这些终端具有相近的移动特征时,便出现了群移动场景。例如,某一用户拥有多个终端设备,构成了一个PAN,PAN移动时就是一个群移动场景。又如,车载环境下的多名乘客手持终端同时移动,也是一个群移动场景。
在群移动场景下,如果每个终端沿用单用户切换时的算法,可能会出现多个用户同时选择某一个目标网络的情况。该目标网络的质量(带宽、时延)由于拥塞而下降,进而导致终端的再次切换。为了避免这种乒乓效应,在设计群移动切换策略时必须同时考虑多个终端的切换,以及相互造成的影响。目前针对群移动场景提出的切换策略还很少,异构无线网络中多用户的群组切换策略主要分为两类。第一类是由多个切换候选节点随机退避一段时间,再发起切换,从而减少拥塞的概率;第二类是由联合无线资源管理(Joint Radio Resource Management,JRRM)模块收集终端侧和网络侧的信息,做出全局的切换判决策略,再交予各网络执行。
未来的异构无线网络将提供综合业务,即每一个通信连接上可能有多种不同的业务流同时进行传输,且每一种业务都有各自不同的QoS需求。然而,目前的切换控制策略通常是基于通信连接本身的,即在终端移动过程中,保证通信连接可以从一个网络接口转移到另一个网络接口,且保证该通信连接的连续性。在这种切换策略下,目标接入网络必须满足连接中所有业务流的QoS,然后才能顺利完成切换。一旦某项业务的QoS无法满足,通信连接很可能因为没有合适的网络而发生中断。
为了充分利用网络分集的特性,提高资源利用率,有研究提出了流切换技术,即支持不同业务流进行单独选网。然而,若多个业务流由同一终端承载,它们在选网时可能受到该终端的无线接口类型和数目的限制。此外,考虑终端的移动性,业务流的候选网络集合会发生改变。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种异构无线网络中的群组切换方法,在网络资源受限的场景下最大化全体用户的满意度,同时提高网络的利用率及保证负载均衡。
本发明的群组切换方法以移动终端上承载的业务流作为切换研究的对象。具体地说,本发明是在无线异构网络的群移动场景下,由集中式的JRRM实体收集各网的可用带宽、群组中所有终端的位置、接入能力(无线接口的数目和类型)等信息,做出全局的切换判决,并能够有效支持业务流单独选网的一种群组切换方法。
本发明方法中,群组内共包含K(K≥2)个终端,分别用T 1,…,T K 表示。每个终端均具备多个不同的网络接口,且至少承载一个业务流,则群组内K个终端承载的所有业务流的集合表示为S={S 1,…, S M }(M≥K)。系统中共包括N(N≥2)个接入网,分别用N 1,…,N N 表示。JMMR实体位于这些接入网络之上,负责收集网络侧和终端侧的信息。整个系统区域根据不同的网络检测集划分为不同的位置,所有位置的集合为LS={L 1,…,L L }。
本发明方法包括三个阶段:群组切换的发起、群组切换的判决和群组切换的执行。
1、群组切换的发起
本发明的群组切换由JRRM发起,具体的方法是:
JRRM通过无线接入通告功能,周期性地检测群组内K个终端所处的位置。用矢量 和分别表示K个终端在上一检测周期和当前检测周期所处的位置,其中,l k ∈LS,k =1,…,K。JRRM一旦监测到某个终端发生了位置变化,即存在l k ≠(1≤ k ≤ K),则发起切换判决。
2、群组切换的判决
本发明的群组切换以业务流为切换单位。
矩阵Z={z ij } M×N 表示群组内M个业务流当前的连接状态,其中z ij ∈{0,1},1≤ i ≤ M ,1≤ j≤N。z ij =1表示业务流i连接至网络j,z ij =0表示业务流i未连接至网络j。
矩阵A={a ij } M×N 表示群组内M个业务流的选网或切换策略,其中a ij ∈{0,1},1≤ i ≤ M ,1≤ j≤N。a ij =1表示业务流i切换至网络j,a ij =0表示业务流i不切换至网络j。所有可能的策略集合用AS表示,则A∈AS。
群组切换的判决阶段包括优化目标的确定、约束条件的限制和优化策略的求解三个步骤:
步骤1:优化目标的确定
本发明的目标是找到最优的群组切换策略A*,使得系统获得的报酬最大。当切换决策为A时,系统报酬GR(A)表示如下:
GR(A)=GB(A)+λGP(A),
其中,GB(A)为用户侧的收益函数,GP(A)为网络侧的惩罚函数,λ为两者的折中系数。优化目标为:
1) 确定用户侧的收益函数GB(A)
在群移动场景下,切换策略需考虑群组内所有用户的满意度。业务流接入的网络越适合,获得的QoS越高,用户的满意度越大。当切换决策为A时,GB(A)可以表示为群组内所有业务流的收益之和:
其中,B ij (1≤i≤M ,1≤j≤N)表示业务流S i (1≤i≤M)接入或切换至网络N j (1≤ j≤N)获得的收益。SP ij (1≤i≤ M ,1≤j≤N)表示业务流S i 对网络N j 的偏好程度,QM ij (1≤i≤M ,1≤j≤N)表示业务流S i 与网络N j 之间QoS的匹配程度。α和β分别为两者的权重,有α+β=1。
i.设定偏好程度SP的具体方法是:
对于每类业务流,分别设定其对每类网络的偏好系数,使其总和为1。语音业务对时延敏感,因此对WCDMA网络的偏好系数较高;而数据业务适合接入高带宽的网络,因此对WiFiTM网络的偏好系数较高;视频业务既对时延敏感、又对带宽敏感,因此对WiMaxTM网络的偏好系数较高。上述较高的偏好系数一般设定为0.6~0.8。
ii. 计算匹配程度QM的具体方法是:
若某一业务流S i 包含X(X≥1)个参数(如带宽、时延、丢包等),则其切换至候选网络N j 时的QM按照下式计算:
若第x个参数越大越好,有
若第x个参数越小越好,有
2) 确定网络侧的惩罚函数GP(A)
在群移动场景下,若多个业务流同时选择某个网络,会导致该网的负载较重。因此,本发明的切换判决方法还从网络侧的角度考虑,在提高利用率的同时尽量使负载均衡。当切换策略为A时,GP(A)可以表示为:
其中,BU j (1≤j≤N)为网络N j 的带宽利用率,bw(N j )(1≤j≤N)为网络N j 的总带宽,ρ j (1≤j≤N)为网络N j 中已利用的带宽,bw max(S i )(1≤i≤M)是业务流S i 的最大带宽需求。
本发明的群切换方法用于网络资源受限的场景,每个网络的利用率不为零,有0<BU j ≤1,GP(A) ≤0。当各网的利用率BU j (j=1,2,…,N)越高且越均衡时,GP(A)越大。
步骤2:约束条件的限制
本发明的切换方法受到4个约束条件的限制,具体包括:
2) 对于需要切换的业务流S i (),若S i 由终端T k (1≤ k ≤ K)承载,则候选网络集C i 由T k 所处的位置l k 决定,S i 的选网策略限制为C i 中的1个。当网络资源受限时,也允许S i 被阻塞。
3) 对于每个接入网络都有负载的限制,即接入网络N j (1≤ j≤ N) 的所有业务流的最大带宽需求之和不得超过网络N j 的可用带宽。
4) 针对单个终端承载的多个业务流,在切换选网时可能受到无线接口的限制:
步骤3:优化策略的求解
在判决时刻t,群组内的业务流S i ()连接至原先网络,获得的收益不变。因此,我们只需对业务流 S i ()确定选网策略,即求解最优决策A*可以简化为求解(|△| 代表集合△中元素的个数),具体步骤如下:
3、群组切换的执行
群组切换的具体实现依赖于终端侧的流切换控制。JRRM实体做出全局的切换判决后,由切换执行模块向终端侧发送各业务流的目标网络信息。根据该信息,各终端为其承载的每一个业务流选择对应的无线接口,并分配该接口的IP地址。数据链路层的多接口管理模块负责完成各接口的启动和停止,以及业务流在多个接口之间的切换。
本发明方法所具有的优点:
(1) 本发明针对群移动的场景,采用集中式的JMMR进行切换判决,以避免多个终端同时切换带来的乒乓效应。
(2) 本发明采用基于业务流的切换机制,比基于通信连接的切换机制具有更大的灵活性。特别是在网络带宽受限的情况下,可以有效地改善资源利用率。
(3) 本发明对目标网络的选择综合考虑了用户侧的收益和网络侧的惩罚。在最大化用户满意度的同时,能够提高网络的带宽利用率与保证负载均衡。
附图说明
图1为无线异构网络中的群移动场景图。
图2为本发明的群组切换方法的基本框图。
具体实施方式
本发明适用于无线异构网络中的群移动场景,如图1所示。本实施例中,系统的整个服务区域被WCDMA网络覆盖,WiMaxTM网络位于WCDMA网络的覆盖范围内,3个WiFiTM网络位于WiMaxTM的覆盖范围内,且WiFiTM网络之间有交叠。上述接入网络分别用N 1,…,N 5表示。整个系统区域根据不同的网络检测集划分为7个不同的位置,集合为LS={L 1,…, L 7}。多个终端以群组的方式移动,路径为L 1→ L 2→L 3→L 4→ L 5→ L 6→L 7→ L 2→ L 1。
图2为本发明的群组切换方法的基本框图。本实施例中,终端侧共包含9个终端,分别用T 1,…,T 9表示。这些终端均具备WCDMA、WiMaxTM与WiFiTM三种无线接口各1个。T 3、T 5和T 6分别承载了2个业务流,其余终端分别承载了1个业务流,则群组内9个终端共承载了12个业务流,集合为S={S 1,…,S 12}。JMMR实体位于网络侧的所有接入网之上,负责收集终端和网络的信息,并做出全局的切换判决。
本发明方法包括三个阶段:群组切换的发起阶段、群组切换的判决阶段和群组切换的执行阶段。
1、群组切换的发起
本发明的群组切换由JRRM发起,具体的方法是:
JRRM通过无线接入通告功能,周期性地检测群组内9个终端所处的位置。矢量和分别表示这9个终端在上一检测周期和当前检测周期所处的位置,其中,l k ∈LS,k =1,…,9。以某一判决时刻t 0 为例,有=(L 2,L 2,L 2,L 2,L 2,L 2 ,L 2,L 2,L 2),而l=(L 3,L 3, L 3,L 3,L 3,L 3 ,L 2,L 2,L 3)。JRRM监测到除T 7和T 8外,群组内其余终端均发生了位置变化,则发起切换判决。
2、群组切换的判决
本发明的群组切换以业务流为切换单位。
矩阵Z={z ij }12×5表示群组内12个业务流当前的连接状态,其中z ij ∈{0,1},1≤i≤12 ,1≤j≤5。z ij =1表示业务流i连接至网络j,z ij =0表示业务流i未连接至网络j。
矩阵A={a ij }12×5表示群组内12个业务流的选网/切换策略,其中a ij ∈{0,1},1≤i≤12 ,1≤j≤5。a ij =1表示业务流i切换至网络j,a ij =0表示业务流i不切换至网络j。所有可能的策略集合用AS表示,则A∈AS。
群组切换的判决阶段包括优化目标的确定、约束条件的限制和优化策略的求解三个步骤:
步骤1:优化目标的确定
本发明的目标是找到最优的群组切换策略A*,使得系统获得的报酬最大。当切换决策为A时,系统报酬GR(A)表示如下:
GR(A)=GB(A)+λGP(A),
其中,GB(A)为用户侧的收益函数,GP(A)为网络侧的惩罚函数。本实施例中假定两者具有同等的重要性,则取折中系数λ=1,优化目标为:
1) 确定用户侧的收益函数GB(A)
当切换决策为A时,GB(A)可以表示为群组内12个业务流的收益之和:
其中,B ij (1≤i≤12 ,1≤j≤5)表示业务流S i (1≤i≤12)接入/切换至网络N j (1≤j≤5)获得的收益。SP ij (1≤i≤12 ,1≤j≤5)表示业务流S i 对网络N j 的偏好程度,QM ij (1≤i≤12 ,1≤j≤5)表示业务流S i 与网络N j 之间QoS的匹配程度。α和β分别为两者的权重,设定α=β=0.5。
i.设定偏好程度SP的具体方法是:
对于语音、数据、视频三类业务流,分别设定其对WCDMA网络、WiMaxTM网络和WiFiTM网络的偏好系数,使其总和为1。例如,语音业务对时延敏感,因此对WCDMA网络的偏好系数较高,可设定其对WCDMA、WiMaxTM和WiFiTM网络的偏好系数分别为0.7,0.15和0.15。
ii. 计算匹配程度QM的具体方法是:
以包含两个参数(可用带宽、丢包率)的数据流S 1为例,其切换至候选网络N 1时的QM可以按照下式计算:
其中,和分别为业务流S 1选取网络N 1时可用带宽(第1个参数)和丢包率(第2个参数)的匹配值,w 1和w 2分别为可用带宽和丢包率的权重。若其中某个参数的匹配值小于0,则业务流S 1与网络N 1的匹配值为0。
对于可用带宽参数,因为越大越好,有
对于丢包率参数,因为越小越好,有
,
2) 确定网络侧的惩罚函数GP(A)
当切换策略为A时,GP(A)可以表示为:
其中,BU j (1≤j≤5)为网络N j 的带宽利用率,bw(N j )(1≤j≤5)为网络N j 的总带宽,ρ j (1≤j≤5)为网络N j 中已利用的带宽,bw max(S i )(1≤ i≤12)是业务流S i 的最大带宽需求。当各网的利用率BU j (j=1,2,3,4,5)越高且越均衡时,GP(A)越大。
步骤2:约束条件的限制
在本实施例的判决时刻t 0 ,由于T 7和T 8的位置较上一周期未发生改变,其承载的S 10和S 11在t 0 时刻仍保持原有的网络连接,而其余业务流均需在t 0 时刻进行切换判决。因此,业务流集合S可划分为2个子集:和 ,分别表示t 0 时刻需要接入/切换的业务流集合和保持原有网络连接的业务流集合。有={S 10,S 11},={S 1,S 2,…,S 8, S 9,S 12}。
本发明的切换方法受到4个约束条件的限制,具体包括:
1) 对于当前判决时刻不需要切换的业务流S i (i=10,11),选网策略固定为当前连接的网络。
2) 对于需要切换的业务流S i (i=1,2,…8,9,12),承载它们的终端在t 0时刻均处于位置L 3,则候选网络集C i ={1,2,3} (i=1,2,…,8,9,12)。S i 的选网策略限制为C i 中的1个。当网络资源受限时,也允许S i 被阻塞。
3) 接入网络N j (1≤j≤5) 的所有业务流的最大带宽需求之和不得超过网络N j 的可用带宽。
4) 针对单个终端承载的多个业务流,在切换选网时可能受到无线接口的限制。本实施例中,终端T k (k=3,5,6)均承载了2个业务流,当它们移至多个WiFiTM网络重叠覆盖的区域(L 4和L 6)时,需限制其承载的业务流所选择的WiFiTM网络数目小于或等于WiFiTM接口数1。
对于任一k∈{3,5,6},
步骤3:优化策略的求解
在判决时刻t 0 ,群组内的业务流S i (i=10,11)连接至原先网络,获得的收益不变。因此,我们只需对业务流S i (i=1,2,…8,9,12)确定选网策略,即求解最优决策A*可以简化为求解,具体步骤如下:
1) 将业务流S i (i=10,11)看作背景业务,更新各网当前的可用带宽。
2) 计算业务流S i (i=1,2,…,8,9,12)切换至各候选网络时的收益。
3) 业务流 S i (i=1,2,…8,9,12)的候选网络数目均为3,若考虑阻塞情况,则可能的策略组合总数为(3+1)10。采用0-1整数规划中常用的隐枚举法求解最优策略。
3、群组切换的执行
群组切换的具体实现依赖于终端侧的流切换控制。JRRM实体做出全局的切换判决后,由切换执行模块向终端侧发送各业务流的目标网络信息。例如,业务流S 3,S 4的目标网络分别为N 2和N 3。根据该信息,终端T 3为S 3,S 4选择对应的无线接口:WiMaxTM和WiFiTM,并分配各接口的IP地址。数据链路层的多接口管理模块负责完成各接口的启动和停止,以及业务流在多个接口之间的切换。
Claims (1)
1.一种异构无线网络中基于流切换的群组切换方法,其特征在于:该方法首先进行群组切换的发起,然后进行群组切换的判决,最后执行群组切换判决结果;
步骤A群组切换的发起,具体的是:
JRRM通过无线接入通告功能,周期性地检测群组内K个终端所处的位置,用矢量 和分别表示K个终端在上一检测周期和当前检测周期所处的位置,其中,l k ∈LS,k =1,…,K,LS表示终端位置集合;JRRM一旦监测到某个终端发生了位置变化,即存在l k ≠(1≤k≤K),则发起切换判决;
步骤B群组切换的判决,
定义系统中的网络数目为N, K个终端承载的所有业务流的数目为M;矩阵Z={z ij } M×N 表示M个业务流当前的连接状态,其中z ij ∈{0,1},1≤i≤M ,1≤j≤N;z ij =1表示业务流i连接至网络j,z ij =0表示业务流i未连接至网络j;
定义矩阵A={a ij } M×N 表示M个业务流的选网或切换策略,其中a ij ∈{0,1},a ij =1表示业务流i切换至网络j,a ij =0表示业务流i不切换至网络j;所有可能的策略集合用AS表示,则A∈AS;
按上述定义后,该群组切换的判决具体包括以下步骤:
步骤1:优化目标的确定,具体是确定一个矩阵A使得系统报酬GR(A) 取得最大值;
GR(A)=GB(A)+λGP(A),
其中,GB(A)为用户侧的收益函数,GP(A)为网络侧的惩罚函数,λ为两者的折中系数;
所述的用户侧的收益函数GB(A) 确定方法为:
当切换策略为A时,GB(A)表示为群组内所有业务流的收益之和:
其中,B ij 表示业务流S i 接入或切换至网络N j 获得的收益;SP ij 表示业务流S i 对网络N j 的偏好程度,QM ij 表示业务流S i 与网络N j 之间QoS的匹配程度;α和β分别为两者的权重,有α+β=1;
所述的偏好程度SP的具体确定方法是:对于每类业务流,分别设定其对每类网络的偏好系数,使其总和为1;
所述的匹配程度QM的计算方法是:
若某一业务流S i 包含X个参数,则其切换至候选网络N j 时的QM按照下式计算:
若第x个参数越大越好,有
若第x个参数越小越好,有
所述的网络侧的惩罚函数GP(A) 确定方法为:
当切换策略为A时,GP(A)表示为:
,
其中,BU j 为网络N j 的带宽利用率,bw(N j )为网络N j 的总带宽,ρ j 为网络N j 中已利用的带宽,bw max(S i )是业务流S i 的最大带宽需求;
切换的判决受到4个约束条件的限制,具体包括:
1) 对于当前判决时刻不需要切换的业务流,选网策略固定为当前连接的网络;
2) 对于需要切换的业务流S i ,若S i 由终端T k 承载,则候选网络集C i 由T k 所处的位置l k 决定,S i 的选网策略限制为C i 中的1个;当网络资源受限时,也允许S i 被阻塞;
3) 对于每个接入网络都有负载的限制,即接入网络N j 的所有业务流的最大带宽需求之和不得超过网络N j 的可用带宽;
4) 针对单个终端承载的多个业务流,在切换选网时可能受到无线接口的限制:
步骤3:优化策略的求解,在判决时刻t,群组内的不需要切换的业务流连接至原先网络,获得的收益不变;因此,只需对需要切换的业务流确定选网策略,即求解最优决策A*可以简化为求解,|△| 代表集合△中元素的个数,具体步骤如下:
a 将不需要切换的业务流看作背景业务,更新各网当前的可用带宽;
b计算需要切换的业务流切换至各候选网络时的收益;
步骤C执行群组切换判决结果,具体是:
JRRM实体做出全局的切换判决后,由切换执行模块向终端侧发送各业务流的目标网络信息,根据该信息,各终端为其承载的每一个业务流选择对应的无线接口,并分配该接口的IP地址,数据链路层的多接口管理模块负责完成各接口的启动和停止,以及业务流在多个接口之间的切换。
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