CN102421139B - 一种基于动态负载传递的异构网络融合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态负载传递的异构网络融合方法，首先让异构网络中的移动终端周期性地报告终端侧信息，然后基站和无线接入点联合决策目标移动终端，最后在基站和无线接入点的配合下目标移动终端完成垂直切换过程并对异构网络性能进行评估，根据评估结果实时调用动态负载传递方案，实现网络负载的动态平衡。本发明提供的基于动态负载传递的异构网络融合方法，引入基于优先级的动态负载传递机制实现异构网络的有效融合，通过设计用户终端的接入选择策略和采用动态闭环反馈机制，有效利用异构网络中的无线资源，整合不同无线接入技术到一个统一的网络环境中，对异构无线网络融合技术的研究具有重要的参考价值。

Description

一种基于动态负载传递的异构网络融合方法

技术领域

本发明涉及异构融合网络中无线资源的管理与分配技术，尤其涉及一种利用异构融合网络动态的网络特性和所支持的业务特性，通过对网络性能实施评估引入闭环反馈机制、有效平衡异构网络中的负载的异构网络融合方法。

背景技术

由于移动通信和宽带无线接入的迅猛发展，出现了层出不穷的无线接入技术如WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access，全球微波互联接入)、WLAN(Wireless Local Area Networks，无线局域网络)和Wi-Fi(Wireless Fidelity，无线相容性认证)与提供具有电信级质量保证的B3G(Beyond Third Generation in mobilecommunication system，超三代移动通信系统)和LTE(Long Term Evolution，长期演进)移动通信网络，未来无线通信网络是多种无线接入技术共存、协同工作、支持终端无缝移动性的全IP(Internet Protocol，网络之间互连的协议)网络，泛在化、协同化和异构融合成为未来宽带无线通信发展的主旋律，不同类型无线网络的“融合”为用户提供多样化的接入服务，有效地满足个人通信和信息获取的要求。无线接入网络的异构性主要体现在频谱资源、组网方式、业务需求、移动终端、运营管理等方面，使得每种无线接入技术在容量、覆盖、数据速率和移动性支持能力方面各有长短，任何一种无线网络都不能满足所有用户的要求。充分利用不同网络间的互补特性，实现异构无线网络技术的有机融合是实现最优网络资源使用和最佳用户体验的根本途径。

如何向用户提供具有服务质量保证的服务且最大化网络资源利用率是异构融合网络的研究热点。传统的无线资源管理的基本出发点是在网络用户终端分布不均匀、信道特性因信道衰落和干扰而起伏变化等情况下，分配和动态调整无线传输部分和网络的可用资源，最大限度的提高无线网络的资源利用率，防止网络拥塞和保持尽可能小的信令负荷，为网络内无线用户终端提供可靠的业务质量保障，但在具体的无线资源管理策略方面，没有针对异构融合网络进行清晰的建模，从而导致资源分配策略以及管理性能都存在很多不足，无法实时应对无线网络的异构性和瞬变性。异构无线网络间联合无线资源管理将是解决上述问题的一个有效途径，联合无线资源管理机制从整体上考虑无线资源的组成，利用动态负载传递机制，通过业务测量，能够进行不同接入网间的业务分流，对异构网络中具有不同特性的接入网络进行联合接纳控制和资源调度，在满足业务需求的基础上，最优化异构网络的资源利用率。目前的仿真和分析表明：基于负载共享的资源重配置的研究可以有效地利用异构融合网络中的资源。在异构融合网络负载共享算法的研究中，可以根据移动终端的当前位置、移动速度、占用当前网络资源的情况以及网络所支持的业务特性和网络状况，引入基于优先级的动态负载传递机制实现异构网络的有效融合，通过对网络性能实时评估以及闭环反馈环节，实时动态的平衡异构融合网络中的负载，有效地利用异构融合网络的资源，提高整个异构网络的容量和性能。因此很有必要对基于动态负载传递的异构网络融合方法进行深入的研究。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于动态负载传递的异构网络融合方法，该方法能够有效平衡异构网络中的负载，实现异构网络的有效融合，提高异构网络中资源的利用率。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于动态负载传递的异构网络融合方法，包括三个过程：移动终端传递优先级决策过程、动态负载传递执行过程和网络性能评估过程；其将周期性报告与集中式决策相结合，首先让异构网络中的移动终端周期性地报告终端侧信息，然后基站和无线接入点联合决策目标移动终端，最后在基站和无线接入点的配合下目标移动终端完成垂直切换过程并对异构网络性能进行评估，根据评估结果实时调用动态负载传递方案，实现网络负载的动态平衡。该方法具体包括如下步骤：

(1)周期性报告终端侧信息：蜂窝网中的移动终端独立地、周期性地向基站报告其当前的服务质量等级、当前的位置和移动速度等相关终端侧信息，同时无线局域网中的用户终端也周期性地向无线接入点报告其当前的相关终端侧信息；

(2)优先级分析及联合决策过程：根据移动终端报告的其相关终端侧信息以及其所在异构网络的带宽占用情况、能够提供的服务质量等级等相关网络侧因素，蜂窝网的基站联合无线局域网的无线接入点共同决定移动终端进行负载传递的优先级等级，决策优先级等级最高的移动终端作为进行动态负载传递的目标移动终端；

(3)动态负载传递执行过程：蜂窝网的基站联合无线局域网的无线接入点将垂直切换请求发送给目标移动终端，目标移动终端在收到垂直切换请求后在基站和无线接入点配合下完成垂直切换过程，实现负载的动态传递；

(4)网络性能评估过程：蜂窝网的基站和无线局域网的无线接入点联合评估进行负载传递后的整个异构网络性能，如整个异构网络的呼叫阻塞概率和支持业务的响应时间等；

(5)过程的完整性：根据异构网络性能评估结果，判断异构网络中系统级QoS和用户级QoS是否达到要求，若判断结果为否，则返回步骤(2)；若判断结果为是，则实现异构网络的有效融合，共享异构网络中的资源。

所述步骤(2)优先级分析及联合决策过程具体包括如下步骤：

(2-1)分别对移动终端报告的其服务质量等级、当前的位置和移动速度等相关终端侧信息以及其所在异构网络的带宽占用情况、能够提供的服务质量等级等相关网络侧因素按照权重大小进行加权处理，并以此构建决策负载传递的代价函数；

(2-2)蜂窝网的基站联合无线局域网的无线接入点通过求解步骤(2-1)中的代价函数来共同决定移动终端进行负载传递的优先级等级；

(2-3)决策优先级等级最高的移动终端作为进行动态负载传递的目标移动终端。

所述步骤(4)网络性能评估过程具体包括如下步骤：

(4-1)采用二维Markov分析模型根据Markov链状态转移率图建立动态过程的稳态概率方程组；

(4-2)通过超松弛迭代算法求解稳态概率方程组得到异构网络的稳态概率；

(4-3)由稳态概率计算得到进行负载传递后的整个异构网络性能参数。

上述方法中，终端侧信息和网络侧因素共同决策移动终端进行负载传递的优先级等级，然后根据异构网络性能评估结果和异构网络中系统级QoS、用户级QoS的要求，实时调用动态负载传递方法，按照优先级分析及联合决策过程、动态负载传递执行过程、网络性能评估过程有效平衡异构网络中的负载，实现异构网络的有效融合。

有益效果：本发明提供的基于动态负载传递的异构网络融合方法，引入基于优先级的动态负载传递机制实现异构网络的有效融合，通过设计用户终端的接入选择策略和采用动态闭环反馈机制，有效利用异构网络中的无线资源，整合不同无线接入技术到一个统一的网络环境中，对异构无线网络融合技术的研究具有重要的参考价值。

附图说明

图1为本发明方法的框图；

图2为本发明方法中动态负载传递执行过程示意图；

图3为动态负载传递过程的多维Markov链状态转移率图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1、2所示为一种基于动态负载传递的异构网络融合方法，将周期性报告与集中式决策相结合，首先异构网络中的移动终端周期性的报告终端侧信息，然后基站和无线接入点联合决策将进行负载传递的目标移动终端，最后在基站和无线接入点的配合下目标移动终端完成垂直切换过程并对网络性能进行评估，根据评估结果实时调用动态负载传递方案，实现网络负载的动态平衡。该方法具体包括如下步骤：

(1)周期性报告终端侧信息：蜂窝网中的移动终端独立地、周期性地向基站报告其当前的服务质量等级、当前的位置和移动速度等相关终端侧信息，同时无线局域网中的用户终端也周期性地向无线接入点报告其当前的相关终端侧信息；

(2)优先级分析及联合决策过程：根据移动终端报告的其相关终端侧信息以及其所在异构网络的带宽占用情况、能够提供的服务质量等级等相关网络侧因素，蜂窝网的基站联合无线局域网的无线接入点共同决定移动终端进行负载传递的优先级等级，决策优先级等级最高的移动终端作为进行动态负载传递的目标移动终端；

(3)动态负载传递执行过程：蜂窝网的基站联合无线局域网的无线接入点将垂直切换请求发送给目标移动终端，目标移动终端在收到垂直切换请求后在基站和无线接入点配合下完成垂直切换过程，实现负载的动态传递；

(4)网络性能评估过程：蜂窝网的基站和无线局域网的无线接入点联合评估进行负载传递后的整个异构网络性能，如整个异构网络的呼叫阻塞概率和支持业务的响应时间等；

(5)过程的完整性：根据异构网络性能评估结果，判断异构网络中系统级QoS和用户级QoS是否达到要求，若判断结果为否，则返回步骤(2)；若判断结果为是，则实现异构网络的有效融合，共享异构网络中的资源。

其中，步骤(2)优先级分析及联合决策过程，是本方法中关键的一个步骤，首先对每个移动终端提供的终端侧信息如目前的位置信息、移动速度、占用当前网络带宽情况、目前的服务质量等级和所要求的服务质量等级等影响传递优先级决策的参数做代价归一化处理；然后对移动终端目前所在网络的带宽占用情况和阻塞情况、能够提供相应服务质量等级的网络的带宽占用情况和阻塞情况等影响传递优先级决策的网络侧参数做代价归一化处理；最后按照其在决策中的权重大小进行加权处理，以此构建决策负载传递的代价函数。蜂窝网的基站联合无线局域网的无线接入点通过求解决策参数归一化后的代价函数来共同决定移动终端进行负载传递的优先级等级。最后将优先级传递等级最高的移动终端作为进行动态负载传递的目标移动终端，执行动态负载传递过程。

步骤(4)网络性能评估过程，也是本方法中关键的一个步骤，蜂窝网的基站和无线局域网的无线接入点联合评估进行负载传递后的整个异构网络性能，包括对异构网络的资源利用率、异构网络的阻塞概率及异构网络的数据吞吐量等；该网络性能评估首先采用二维Markov分析模型描述动态负载传递前、后的异构网络状态，其次根据Markov链状态转移率图建立动态过程的稳态概率方程组，然后通过求解线性方程组的超松弛迭代算法求解稳态概率方程组得到异构网络的稳态概率，最后由稳态概率计算得到整个异构网络的资源利用率、呼叫阻塞概率和数据吞吐量等网络性能参数。

根据网络性能评估结果、异构网络中系统级QoS和用户级QoS要求，采用闭环反馈机制可以实时调用动态负载传递方法，依次按照步骤(2)、(3)、(4)进行实时动态的平衡异构网络中的负载，实现异构网络的融合，有效地利用异构融合网络的资源，提高整个异构网络的容量和性能。

下面结合实例对本发明方案设计作进一步的具体分析和描述。

(1)移动终端传递优先级分析决策及执行过程

假设某个区域由网络S和其它n个不同网络共同覆盖，构成多无线接入异构网络环境。区域中有m个移动终端正在进行呼叫服务，移动终端MT_i(i＝1，2，...，m)周期性地向基站和无线接入点报告其目前的位置信息、移动速度、占用当前网络带宽情况、目前的服务质量等级和所要求的服务质量等级等影响传递优先级决策的终端侧参数，代价归一化处理后得到终端侧归一化代价矢量其中k为影响传递优先级决策的终端侧信息参数的个数。移动终端MT_i(i＝1，2，...，m)垂直切换至其它n个网络所得到的网络侧归一化代价矢量表示为其中

$r_i^j=[{\mathrm{\η}}_{\mathrm{ij}}^1,{\mathrm{\η}}_{\mathrm{ij}}^2,...,{\mathrm{\η}}_{\mathrm{ij}}^l]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_1\\ {\mathrm{\λ}}_2\\ ...\\ {\mathrm{\λ}}_l\end{array}\right](j=\mathrm{1,2},...,n)---\left(1\right)$

其中由移动终端目前所在网络的带宽占用情况和阻塞情况、网络j的带宽占用情况和阻塞情况等影响传递优先级决策的网络侧参数做代价归一化处理得到；λ_α(α＝1，2，...，l)是归一化的网络侧参数的加权系数；l为影响传递优先级决策的网络侧参数的个数。

由区域内的m个移动终端的终端侧归一化代价矢量和将其垂直切换至其它n个网络所得到的网络侧归一化代价矢量组成一个m×(k+n)维矩阵T，表示为

$T=\left[\begin{array}{ccc}{P}_1& M& R_1\\ P_2& M& R_2\\ & M& \\ P_m& M& R_m\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccccccc}{p}_1^1& p_1^2& L& p_1^k& \text{M}& r_1^1& r_1^2& L& r_1^n\\ p_2^1& p_2^2& L& p_2^k& \text{M}& r_2^2& r_2^2& L& r_2^n\\ & & L& & M& & & L& \\ p_m^1& p_m^2& L& p_m^k& M& r_m^1& r_m^2& L& r_m^n\end{array}\right]---\left(2\right)$

通过设定影响传递优先级决策的终端侧归一化代价参数和网络侧归一化代价参数的权值矢量ξ＝[ξ₁，ξ₂，L，ξ_k，ξ_k+1，L，ξ_k+n](对于移动终端MT_i(i＝1，2，...，m)，将其网络侧归一化代价参数中最小的代价参数对应的ξ_k+β(β＝1，2，...，n)设定为ξ，其余的设定为0)。最后对相应归一化代价参数进行加权处理，得到决策代价函数H，有

$H=T{\mathrm{\ξ}}^T=T{[{\mathrm{\ξ}}_1,{\mathrm{\ξ}}_2,L,{\mathrm{\ξ}}_k,{\mathrm{\ξ}}_{k+1},L,{\mathrm{\ξ}}_{k+n}]}^T=\left[\begin{array}{c}{h}_1\\ h_2\\ M\\ h_m\end{array}\right]---\left(3\right)$

通过求解决策参数归一化后的决策代价函数来决定移动终端进行负载传递的优先级等级，最后将优先传递等级最高的移动终端作为进行动态负载传递的目标终端，执行动态负载传递过程，使得异构网络中的负载达到动态平衡，实现异构网络的融合。

通过上述移动终端传递优先级分析及决策过程，由蜂窝网的基站BS和无线局域网的接入点AP共同决策得到的优先传递等级最高的移动终端A和接纳该移动终端的网络N_j。网络N_i和N_j之间的动态负载传递过程如图2所示，首先BS向移动终端A发送垂直切换请求，然后此移动终端在收到垂直切换请求后在基站BS和接入点AP配合下从网络N_i垂直切换到N_j，最后实现负载的动态传递，有效平衡异构网络N_i和N_j中的负载，实现异构网络的有效融合。

(2)异构网络性能的实时评估

异构网络性能实时评估首先采用Markov分析模型描述动态负载传递前后的网络状态。假设某个区域由N个不同的网络共同覆盖，构成多无线接入异构网络环境。其中nⁱ(i＝1，2，...，N)表示网络i中正在进行呼叫服务的移动终端数目；γ^ij|_i≠j表示在动态负载传递过程中，将网络i中的移动终端垂直切换到网络j的概率，γ^ij|_i≠j的大小由移动终端传递优先级分析及决策过程决定。动态负载传递过程的多维Markov链状态转移率图如图3所示。

其次根据Markov链状态转移率图建立动态过程的稳态概率方程组，然后通过求解线性方程组的超松弛迭代算法求解稳态概率方程组得到异构网络的稳态概率，最后分析得到整个网络的资源利用率、呼叫阻塞概率和数据吞吐量等网络性能参数，为闭环反馈过程提供网络性能数据。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于动态负载传递的异构网络融合方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

（1）周期性报告终端侧信息：蜂窝网中的移动终端独立地、周期性地向基站报告其当前的相关终端侧信息，同时无线局域网中的用户终端也周期性地向无线接入点报告其当前的相关终端侧信息；

（2）优先级分析及联合决策过程：根据移动终端报告的其相关终端侧信息以及其所在异构网络的相关网络侧因素，蜂窝网的基站联合无线局域网的无线接入点共同决定移动终端进行负载传递的优先级等级，决策优先级等级最高的移动终端作为进行动态负载传递的目标移动终端；

（3）动态负载传递执行过程：蜂窝网的基站联合无线局域网的无线接入点将垂直切换请求发送给目标移动终端，目标移动终端在收到垂直切换请求后在基站和无线接入点配合下完成垂直切换过程，实现负载的动态传递；

（4）网络性能评估过程：蜂窝网的基站和无线局域网的无线接入点联合评估进行负载传递后的整个异构网络性能；

（5）过程的完整性：根据异构网络性能评估结果，判断异构网络中系统级QoS和用户级QoS是否达到要求，若判断结果为否，则返回步骤（2）；若判断结果为是，则实现异构网络的有效融合，共享异构网络中的资源；

其中，所述步骤（2）优先级分析及联合决策过程具体包括如下步骤：

（2-1）分别对移动终端报告的其相关终端侧信息以及其所在异构网络的网络侧相关因素按照权重大小进行加权处理，并以此构建决策负载传递的代价函数；

（2-2）蜂窝网的基站联合无线局域网的无线接入点通过求解步骤（2-1）中的代价函数来共同决定移动终端进行负载传递的优先级等级；

（2-3）决策优先级等级最高的移动终端作为进行动态负载传递的目标移动终端；

所述步骤（4）网络性能评估过程具体包括如下步骤：

（4-1）采用二维Markov分析模型根据Markov链状态转移率图建立动态过程的稳态概率方程组；

（4-2）通过超松弛迭代算法求解稳态概率方程组得到异构网络的稳态概率；

（4-3）由稳态概率计算得到进行负载传递后的整个异构网络性能参数。