CN102625370B - 基于网络联合效用优化及负载均衡的异构网络垂直切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于网络联合效用优化及负载均衡的异构网络垂直切换方法，属于无线通信技术领域。本发明通过对异构接入网络共同覆盖区域用户的优化垂直切换及接入网络选择，实现接入网络间负载均衡及网络联合效用最大化。建立用户信息矩阵 ，建模网络联合效用函数，在给定接入网络负载均衡及联合网络用户切换次数等条件下，通过最大化网络联合效用，得到优化用户垂直切换及网络选择方案。本发明实现异构融合网络中，综合考虑接入网络负载、用户切换次数及用户业务特性等因素的用户垂直切换及网络选择方案，并实现网络综合收益的最大化及用户服务质量（Quality of Service，QoS）增强。

Description

基于网络联合效用优化及负载均衡的异构网络垂直切换方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别是异构无线网络中的垂直切换技术。

背景技术

随着移动通信和宽带无线接入技术的发展及人类对信息通信需求的增加，更高传输速率、更大系统容量、更广业务覆盖已经成为未来移动通信发展的主流趋势和演进目标。为了适应不同用户需求，下一代无线网络将支持多种无线接入技术融合共存，具有多模接口的用户设备可在不同接入技术之间无缝切换，以实现业务连续性及最佳业务体验。

用户在采用不同接入技术的异构融合网络的基站/接入点之间的切换，称为垂直切换。异构网络垂直切换过程通常包括三个阶段：网络发现阶段，切换判决阶段及切换执行阶段。其中，切换判决阶段最为关键，该阶段的切换判决算法直接关系到垂直切换的有效性与可靠性。

现有文献中垂直切换判决方法主要包括：基于代价函数或多属性决策理论，实现多因素综合折中的切换判决算法；基于马尔可夫决策理论，建模稳态融合系统，对应系统综合回报最大化的切换判决算法；基于模糊逻辑理论，对多个切换判决因素进行模糊化处理及模糊推理的切换判决算法；以及基于博弈理论，建模用户与网络之间合作及非合作博弈关系，对应博弈参与者均衡状态的切换判决算法。上述切换判决方法各有特点，具体为：

基于信干噪比，并综合考虑用户请求带宽及用户流量开销等多种因素的垂直切换判决算法，通过建模切换回报函数，选取回报函数值最大的候选网络作为切换目标网络，可提高网络吞吐量、降低掉线率并减少接入网络的用户流量开销。基于自定义回报函数的以网络可用带宽、连接时延、接入费用及安全性等多种因素作为代价因子的垂直切换算法，通过对回报函数的优化，实现优化垂直切换目标网络选择。将终端当前接收信号强度、预测信号强度、系统带宽及移动速度等因素作为模糊逻辑处理系统的输入量，利用模糊逻辑方法对信息进行模糊处理，分别得到无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）和通用移动通信系统（Universal Mobile Telecommunications System，UMTS）两个网络的信息参量的隶属度，经过隶属度的归一化处理及量化，由模糊逻辑控制器得到目标网络的综合性能评估值，选取评估值最大的网络为切换优化目标网络。基于模糊逻辑的蜂窝网络/WLAN切换判决算法，考虑用户对WLAN选择度、WLAN的信号强度以及可用带宽等因素，采用学习机制建立模糊集合的隶属度函数，通过模糊推理，最终判决是否由蜂窝网络切换至WLAN。

文献[C.J. Chang, T.L. Tsai and Y.H. Chen. Utility and Game-theory based network selection scheme in heterogeneous wireless networks. WCNC 2009, pp. 1 – 5.]中提出了基于效用函数及博弈理论的异构无线网络选择机制，通过构建合作博弈模型，计算网络性能及联合效用，可选择对应最大效用的目标网络，以实现接入呼叫率最大化，切换发生频率最小化，并满足用户的QoS需求。

基于代价函数或多属性决策理论的切换判决算法，综合考虑了系统性能和用户特性，有助于实现用户业务QoS保障和网络整体性能的提高，但是切换网络选择的函数公式中的各个参数在实际网络中是快速变化的，难以实时测量。基于模糊逻辑理论的切换判决算法，不需要精确的数学模型，系统适应性较好，但由于模糊逻辑过程是非线性的，算法复杂度高，对设备的计算能力要求较高。

综合考虑各异构接入网络特性及用户业务需求，设计合理高效的垂直切换判决算法，在满足用户业务需求的条件下，实现网络性能优化是困难而具有挑战性的问题。由于用户业务体验和网络性能是受多种因素共同影响的复杂的系统问题，因此在数学上很难建模。网络联合效用函数的引入，为解决异构网络垂直切换判决提供了一种新的方法。

目前已有研究基于效用函数进行通信系统优化设计，如文献[俞一帆，白勇，陈岚，在异构无线网络中选择网络的方法和装置，公开号101287280，公开日2008年10月15日]提出异构无线网络中选择网络的方法和装置，通过建模各网络的效用函数，并结合用户及网络的属性权重向量，评估各网络的综合效用值，从而选取最终候选网络；文献[刘干，周亮，周鑫等，一种基于博弈论的认知无线电网络FDM信道选择方法，公开号101321388，公开日2008年12月10日]提出一种基于博弈论的认知无线电网络FDM信道选择方法，建模二级用户的效用函数，各二级用户依次选择使其效用函数最大的传输信道，直至系统收敛，实现所有二级用户的信道优化选择。

异构融合网络用户宽带接入应用中，各网络通过为用户提供接入服务，获得相应收益，该收益由用户数量，用户占用带宽，用户之间的竞争以及网络为用户提供服务所付出成本等因素决定，一方面，各接入网络均以自身收益最大化为资源分配及性能优化的目标，另一方面，各接入网络之间存在的用户资源激烈竞争的关系，导致各接入网络独立收益最大化无法实现，因此，建模系统联合收益函数，通过用户优化接入选择及垂直切换，实现各异构融合接入网络联合收益的最大化成为高效、公平的系统优化方案。本专利建模接入网络联合收益函数，通过优化用户信息，实现联合网络收益最大化及用户优化垂直切换。

发明内容

针对现有异构融合网络垂直切换判决技术中难以兼顾网络效用的提高及用户QoS保障，本发明提出一种基于网络联合效用优化及负载均衡的异构网络垂直切换方法，在异构网络共同覆盖区域内，基于负载均衡及用户切换总数等限定条件，最大化网络联合效用，以实现用户优化垂直切换。具体步骤为：

采集接入网络的用户信息，建立维数为                                                的用户信息矩阵，其中，中元素为对应用户所占用带宽，调用公式：计算接入网络联合收益函数，根据带宽成本函数及带宽竞争函数确定网络为用户提供服务所付出的成本函数，根据切换代价行矩阵、切换用户列矩阵，调用公式计算用户切换代价函数，根据接入网络联合收益函数、成本函数、用户切换代价函数调用公式计算网络联合效用函数，根据网络负载均衡条件和用户切换总次数，获得最大联合效用对应的优化用户信息矩阵，得到最佳切换用户向量矩阵，发送切换控制命令对中非零元素对应的用户执行切换，其中，为长度为的单位行向量；为维数的收益算子矩阵，接入网络j中用户数为，如接入网络1中用户数为。

由用户占用带宽、用户业务类型及当前接入网络确定，X中元素为用户所占用带宽，或0，为第j个网络中第i个用户所占用的带宽，当存在两个接入网络时，X第1列的第1至行元素值为接入网络1中用户所占用带宽，第至行元素为0，即 ，类似地，X第2列的第1至行元素值为0，第至行为接入网络2中用户所占用带宽，即 。

定义网络为用户提供服务所获收益函数，以网络为用户服务所收取的费用度量网络收益，第j个网络中第i个用户的收益为：， 为维数的收益算子矩阵，， 其中，为第j个网络的收益算子，定义为，即为对X中元素进行的运算。,为网络j的收益参数，, 当有2个接入网络时j=1,2。

建立包括带宽成本函数及带宽竞争函数的网络为用户提供服务所付出的成本函数，第j个网络的成本函数记为：。其中， 为带宽成本函数，为带宽竞争函数，，，均为给定参数，由具体接入网络类型确定。当存在两个接入网络时，联合网络为用户提供服务所付出的成本函数为：

改为。其中，为单位行向量；表示平方算子；，表示用户分别在网络j中所占用的带宽，对于2个接入网络和的构造如下，令中的，，得到矩阵定义为，令中的，，所得矩阵定义为。

调用公式计算用户切换代价函数，记为，其中，为维度的切换代价行向量，为维度的切换用户列向量。假设第k类业务的用户切换网络所付出的代价为，k=1，2，…,K。设第j个网络中第k类业务的用户数为，当存在两个接入网络时，则网络切换代价行矩阵可表示为：

。用户切换前后，用户信息矩阵分别为及，及为用户信息矩阵及的元素，若中第i个用户未执行切换，则；若中第i个用户执行切换，则，。矩阵的映射规则为：若，则；若，则。

调用公式：计算网络联合效用函数，其中：表示网络为用户提供服务所获得的收益，表示网络为用户提供服务所付出的成本，表示网络对用户执行切换所需的开销。

根据网络负载均衡条件、用户切换总次数调整优化用户信息矩阵X，实现网络联合效用的最大化，根据最大联合效用函数对应的优化用户信息矩阵，可得最佳切换用户向量。对中非零元素对应的用户执行切换，实现优化用户垂直切换及网络接入。

本发明在异构融合网络垂直切换判决中考虑用户业务及接入网络特性，提出一种基于网络联合效用优化及负载均衡的异构网络垂直切换方法，在异构网络共同覆盖区域内，基于负载均衡及用户切换总数等限定条件，最大化网络联合效用，实现用户优化垂直切换。在保证用户QoS需求情况下，可实现接入网络的负载均衡及网络性能的联合优化。

附图说明

图1: UMTS与WLAN覆盖场景图；

图2: 基于负载均衡及网络联合效用优化的异构网络垂直切换方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面以UMTS网络与WLAN网络为例，结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。本发明采用如下技术方案实现：

S1：采集接入网络的用户信息建立用户信息矩阵。用户信息包括：用户占用带宽、用户业务类型及当前接入网络类型。设接入网络j中用户数为，当有2个接入网络时j=1,2。（下面以2个接入网络为例进行说明，多个接入网络的情况类似，）建立维数为的用户信息矩阵，中元素为对应用户所占用带宽，或 0，为第j个网络中第i个用户所占用的带宽，第1列的第1至行元素值为接入网络1中用户所占用带宽，第至行元素为0，即 ，类似地，第2列的第1至行元素值为0，第至行为接入网络2中用户所占用带宽，即 。

假设网络支持K类业务类型，依据用户业务类型对各网络中用户进行归类排列，依据业务类型将用户占用带宽置于用户信息矩阵中接入网络对应列。如对于网络1中用户，依据业务类型k=1，2，…K的顺序，将用户占用带宽置于第1列的第1至行，类似地，对于网络2中用户，按照业务类型，将用户占用带宽置于第2列的第至第行。

S2：调用公式：计算网络联合效用函数，其中：表示网络为用户提供服务所获得的收益函数，表示网络为用户提供服务所付出的成本，表示网络对用户执行切换所需的代价。

S3：根据网络为用户提供服务所获收益函数，以网络为用户服务所收取的费用度量网络收益，该收益为用户占用带宽的非线性函数，第j个网络中第i个用户的收益为：，调用公式：计算接入网络联合收益函数，其中，为长度为的单位行向量；为维数的收益算子矩阵，, 其中，为第j个网络的收益算子，定义为，即为对X中元素进行的运算。,为网络j的收益参数，, j=1,2。

S4：根据带宽成本函数及带宽竞争函数建立网络为用户提供服务所付出的成本函数，可采用二次效用函数表征，第j个网络的成本函数记为：。其中， 为带宽成本函数，为带宽竞争函数，，，均为给定参数，具体由接入网络类型确定。联合网络为用户提供服务所付出的成本函数为：

 。其中，为长度为的单位行向量；表示平方算子，即；接入网络1、2的带宽矩阵和的构造如下，令中的，，得到矩阵定义为，令中的，，所得矩阵定义为。

S5：调用公式计算用户切换代价函数，记为，其中，为维度的切换代价行向量，为维度的切换用户列向量。

由于各类业务对切换导致的丢包、延时等QoS性能指标敏感程度不同，对应网络的用户切换代价有所不同。假设第k类业务的用户切换网络所付出的代价为，k=1，2，…,K，（K为业务类型数）。设第j个网络中第k类业务的用户数为，则网络切换代价行矩阵可表示为：

。

根据用户是否执行切换设置用户信息矩阵中对应元素建立切换后用户信息矩阵，建立矩阵、的映射矩阵及，调用公式确定切换用户列向量。具体为，假设用户切换前后，用户信息矩阵分别为及，及为用户信息矩阵及的元素，构造规则如下：若中第i个用户未执行切换，则；若中第i个用户执行切换，则，。矩阵为的映射矩阵，矩阵的映射规则为：若，则；若，则，（与的映射规则类似），为的映射矩阵，为切换用户列向量，切换用户列向量矩阵中元素表示第i个用户已执行切换，则表示该用户不发生切换。

S6：设置网络负载均衡限制条件，网络负载为网络已用带宽与网络总带宽之比，即第j个网络的负载为，其中，为第j个网络的总带宽。接入网络负载均衡条件为。其中，为长度为的单位行向量，为给定常数，标识各接入网络负载状况差异。

S7：设定用户切换总次数限制条件，用户切换次数应满足限定条件。其中，为给定常数，由网络切换开销及用户业务切换敏感程度决定。

S8：根据网络负载均衡限制条件和用户切换总次数限制条件，采用数值优化方法，调节用户信息矩阵中各行元素在不同列中的位置，对应用户在不同接入网络之间的切换，得到新的用户信息矩阵，计算对应的联合效用函数值。求解对应最大联合效用函数的，即为优化用户信息矩阵。

S9：根据S5中所述Z向量计算方法，基于最大联合效用对应的优化用户信息矩阵，建立矩阵、的映射矩阵、，调用公式可得最佳切换用户向量。对中非零元素对应的用户执行切换，实现优化用户垂直切换及网络接入。

图1为UMTS网络与WLAN覆盖区域的场景图，本发明可以应用于图中两个网络同时覆盖的A、B、C、D区域。

以区域A为例，设该区域内UMTS网络用户数为，WLAN网络用户数为。假设用户业务类型分别为数据、语音和视频流，UMTS网络中三类业务的用户数分别为、和，WLAN网络中三类业务的用户数分别为、和。

图2为本发明提出的基于负载均衡及网络联合效用优化的异构网络垂直切换及接入网络选择方案流程图。具体包括：

S1：建立用户信息矩阵。

a) 定义矩阵为用户信息矩阵，其维数为。或0，为第j个网络中第i个用户所占用的带宽，X第1列的1至行元素值为UMTS网络的用户所占用带宽，第至行元素为0，即 ，类似地，第2列的第1至行元素值为0，第至为WLAN中用户所占用带宽，即 。

b) 考虑数据、语音、视频流三类业务，依据用户业务类型对各网络中用户进行归类排列，如对于UMTS网络中用户，依据数据、语音、视频流的业务类型，将用户占用带宽置于第1列的第1至行，即第1列的第1行至第行，第行至行，第行至行分别为UMTS的数据、语音、视频流用户所占系统带宽；类似地，对于WLAN网络用户，按照同样的业务类型顺序，将用户占用带宽置于第二列的第至第行。

S2：建立网络联合效用函数。

调用公式：计算网络联合效用函数，其中：表示网络为用户提供服务所获得收益，表示网络为用户提供服务所付出的成本，表示网络对用户执行切换所需的代价。

S3：获取网络为用户提供服务所获收益函数。

a) UMTS网络从单个用户处收取的费用为：，其中，为第i个用户在UMTS网络中所占带宽，、均为UMTS网络价格参数，则UMTS网络所收取的总费用为 。

b) 类似地，WLAN网络所收取的总费用为，其中，为第i个用户在WLAN网络中所占带宽，、均为WLAN网络价格参数。

c) 则联合网络收取的总费用为 。

以矩阵表示为， 其中，为长度为的单位行向量，为维数的收益算子矩阵,  , 其中，为第j个网络的收益算子，定义为，即为对X中元素进行的运算。

S4：计算网络为用户提供服务所付出的成本函数                     

    a) UMTS网络为用户提供服务所付出的成本主要包括带宽成本函数及带宽竞争函数，采用二次效用函数表征，可得，其中，为UMTS网络带宽成本函数，为UMTS网络带宽竞争函数，，，均为UMTS网络成本参数。

b) 类似地，WLAN网络为用户提供服务所付出的成本为，其中，为WLAN网络带宽成本函数，为WLAN网络带宽竞争函数，，，均为WLAN网络成本参数。

c) 构造矩阵和，令中的，，所得矩阵为，令中的，，所得矩阵定义为。

d) 联合网络成本函数为：

以矩阵表示为：

其中，为长度为的单位行向量；表示平方算子，运算规则与S3中算子运算规则相同，即。

S5：确定用户切换代价函数。           

a) 根据公式计算用户切换代价函数，其中，为维度为的切换代价行向量，为维度为的切换用户列向量。

b) 由于各类业务对切换导致的丢包、延时等QoS性能指标敏感程度不同，对应网络的用户切换代价有所不同。假设第k类业务的用户切换网络所付出的代价为，在如以数据、语音和视频流为例， k=1,2,3，则切换代价行向量可表示为：

c) 确定切换用户向量：假设用户切换前后，用户信息矩阵分别为及，构造规则如下：若中第i个用户未执行切换，则；若中第i个用户执行切换，则，。建立矩阵的映射：若，则；若，则。

为的映射矩阵，根据公式确定切换用户向量，由切换用户向量中元素的值判断用户是否发生切换，其元素表示第i个用户已执行切换，则表示该用户未发生切换。

S6：设置网络负载均衡限制条件

a) 设网络负载为网络已用带宽与网络总带宽之比，即第j个网络的负载为，其中，为第j个网络的总带宽。

b) 接入网络负载均衡条件为：。

S7：设置用户切换总次数限制条件。

用户切换次数应满足限定条件为。

S8：在S6及S7的限制条件下，通过调整用户信息矩阵，实现网络联合效用的最大化。

 S9：对应最大网络效用，可得优化用户信息矩阵，进而得到最佳切换用户向量。发送切换命令对中非零元素对应的用户执行切换，实现优化用户垂直切换。

上述实施例假设接入网络数目为2，所述方法可扩展至多个接入网络融合场景。

Claims (7)

1.一种基于网络联合效用优化及负载均衡的异构网络垂直切换方法，其特征在于：采集接入网络的用户信息，建立维数为(N₁+N₂+……+N_j)×2的用户信息矩阵X，其中，X中元素为对应用户所占用带宽，调用公式：P＝I·(X·P⁰)计算接入网络联合收益函数，根据带宽成本函数及带宽竞争函数确定网络为用户提供服务所付出的成本函数L(X)，根据切换代价行矩阵S、切换用户列矩阵Z，调用公式H＝SZ计算用户切换代价函数，根据接入网络联合收益函数、成本函数、用户切换代价函数调用公式U(X)＝P(X)-L(X)-H(X)计算网络联合效用函数U(X)，根据网络负载均衡条件和用户切换总次数，获得最大联合效用对应的优化用户信息矩阵X^*，得到最佳切换用户向量矩阵Z^*，发送切换控制命令对Z^*中非零元素对应的用户执行切换，其中，I为长度为(N₁+N₂+……+N_j)的单位行向量；P⁰为维数2×1的收益算子矩阵，接入网络j中用户数为N_j。

2.根据权利要求1所述的异构网络垂直切换方法，其特征在于：用户信息矩阵X由用户占用带宽、用户业务类型及当前接入网络确定，X中元素x_i,j＝b_i,j或0，b_i,j为第j个网络中第i个用户所占用的带宽，当有两个接入网络时，X中第1列的第1至N₁行元素值为接入网络1中用户所占用带宽，第N₁+1至N₁+N₂行元素为0，X第2列的第1至N₁行元素值为0，第N₁+1至N₁+N₂行为接入网络2中用户所占用带宽。

3.根据权利要求1所述的异构网络垂直切换方法，其特征在于：确定切换用户列矩阵Z具体为：根据用户是否执行切换，设置用户信息矩阵X中对应元素建立切换后用户信息矩阵X′，建立矩阵X、X′的映射矩阵Y及Y′，根据公式 $Z=\frac{1}{2}(Y-Y^{\′})\left[\begin{array}{c}f(\·)\\ f(\·)\end{array}\right]$ 确定切换用户列矩阵，其中，f(·)表示平方算子。

4.根据权利要求1所述的异构网络垂直切换方法，其特征在于：如第k类业务的用户切换网络所付出的代价为s_k，第j个网络中第k类业务的用户数为k＝1，2，…,K，则网络切换代价行矩阵S为：

5.根据权利要求1所述的异构网络垂直切换方法，其特征在于：采用二次效用函数表示成本函数L(X)，根据公式： $l_j={\mathrm{\α}}_j\underset{i=1}{\overset{N_j}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{i,j}+{\mathrm{\β}}_j\underset{i=1}{\overset{N_j}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{i,j}^2+{\mathrm{\γ}}_j\underset{i_1=1}{\overset{N_j}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i_2=1,i_1\≠i_2}{\overset{N_j}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{i_1,j}{b}_{i_2,j}$ 确定第j个网络的成本函数，其中， ${\mathrm{\α}}_j\underset{i=1}{\overset{N_j}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{i,j}+{\mathrm{\β}}_j\underset{i=1}{\overset{N_j}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{i,j}^2$ 为带宽成本函数， ${\mathrm{\γ}}_j\underset{i_1=1}{\overset{N_j}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i_2=1,i_1\≠i_2}{\overset{N_j}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{i_1,j}{b}_{i_2,j}$ 为带宽竞争函数，α_j，β_j，γ_j均为由接入网络类型确定的参数，b_i,j为第j个网络中第i个用户所占用的带宽。

6.根据权利要求1所述的异构网络垂直切换方法，其特征在于：建立矩阵X、X^*的映射矩阵Y、Y^*，调用公式 $Z^{*}=\frac{1}{2}(Y-Y^{*})\left[\begin{array}{c}f(\·)\\ f(\·)\end{array}\right]$ 确定最佳切换用户向量矩阵Z^*。

7.根据权利要求3所述的异构网络垂直切换方法，其特征在于：用户切换后用户信息矩阵X′构造规则如下：若X中第i个用户未执行切换，则x′_i,j＝x_i,j；若X中第i个用户执行切换，则x′_i,1＝x_i,2，x′_i,2＝x_i,1，矩阵X→Y的映射规则为：若x_i,j＝0，则y_i,j＝0；若x_i,j≠0，则y_i,j＝1，X′→Y′的映射规则类似。