CN102630093A

CN102630093A - 一种用于异构无线网络中负载均衡的网络接入方法

Info

Publication number: CN102630093A
Application number: CN2012101314986A
Authority: CN
Inventors: 刘凯明; 刘元安; 孙梦梦; 朱鹏; 张文通; 杜潇; 陈星�; 寇科昊; 谢刚; 刘芳
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2012-05-02
Filing date: 2012-05-02
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2032-05-02
Also published as: CN102630093B

Abstract

本发明涉及一种用于异构无线网络中负载均衡的网络接入方法。本方法结合用户对网络的评价效用值和各网络对于新业务请求的负载效用评价，对用户和网络相互的评价效用值进行综合分析，得出在用户选择某一网络的前提下该网络接受用户接入请求的综合效用最大化策略，最终达成用户和网络间的最佳服务连接。该方法得出的网络选择结果在满足用户需求的同时，相比以往的网络接入选择方法，能够在多用户数时实现各网络间均匀的负载分配，从而达到优化的网络间负载均衡状态。

Description

一种用于异构无线网络中负载均衡的网络接入方法

技术领域

一种用于异构无线网络中负载均衡的网络接入方法。通过综合判决用户和网络之间互相的评价效用，选择用户和网络整体利益最大化的策略。

背景技术

无线移动通信网络因服务的移动性，其移动性管理是其区别于其它网络的重要特征。异构无线网络间的移动性管理机制是为了让用户无论在场景下、使用任何业务、切换到任何网络都能得到网络提供的一致性、无缝性和多样性的高质量服务。网络融合后，特别是松耦合模式的融合网络中，需要针对异构无线网络的多网络模式架设专属的移动性管理模块，且需要在融合网络间实现移动IP协议，这使得异构无线网接入选择机制和切换机制成为网络融合后急需解决的技术难关。目前，对于接入选择机制的研究已经取得了许多研究成果。接入选择是多标准决策问题，决策中涉及的属性、度量多种多样且标准不一。因此如何根据多类参数进行合理、综合的决策和判断至关重要。

异构网络中，用户的多模终端可自主选择接入网络。通常情况下，用户都会选择QoS良好而通信费用较低的网络接入，而网络运营商也偏向于选择将有限的网络资源提供给优质的用户群体(从网络角度即为消费能力强)，或以尽可能少的网络资源来保证用户最低的QoS需求，从而寻求利润的最大化。所以在异构网络竞争环境中，用户可自由选择不同网络接入，而网络对用户的接入选择请求也可选择拒绝或接受，并为用户提供不同的网络服务等级；因此，本质上来说服务提供商和用户在网络接入选择过程中存在非合作的博弈关系，博弈双方的收益等效为网络和用户各自的利益，即网络的总体利润和用户的业务服务满意度。

发明内容

本发明的目的是实现所有市场竞争者的总体效用最大，确保用户接入的网络能够为用户提供QoS服务的同时需要较低终端能耗、通信费用，用户接入后网络的负载状况实现最优化的均衡状态。

为实现上述目的，本方法首先通过以用户为中心评价方法计算得到用户对网络的评价效用值，结合异构无线网络中用户和网络间存在的非合作博弈关系，通过综合判决用户和网络之间互相的评价效用，选择用户和网络整体利益最大化的策略。

本发明的步骤是：

第一步骤：采用一种分段策略，分别对网络的服务质量(即QoS)，能耗及费用进行衡量，首先设置参考网络，通过改进的TOPSIS数学方法对候选网络进行QoS值的排序，得到的结果中，QoS值大于参考QoS值的候选网络才进一步评判其能耗和费用。

第二步骤：采用一种S型效用函数来处理QoS指标，通过调整S曲线的上升率和中间值，得到QoS参数。

第三步骤：候选网络中，所选择的网络达到用户要求的QoS值，并保证终端能耗和业务费用较低，得到其效用值，即按照下面式子求得：

N_{finali} = λ \frac{E_{i}}{\underset{i}{Σ} E_{i}^{2}} + (1 - λ) \frac{C_{i}}{\underset{i}{Σ} C_{i}^{2}}, i &Element; L, N_{best} = \min (N_{finali}) - - - (1)

其中，N_finali为用户对网络的效用评价值，E_i和C_i分别为网络i的能耗和成本，N_best为最佳效用值，当N_finali最低时取得其值，λ为满足0＜λ＜1的用户对于终端能耗和业务费用的权重。

第四步骤：根据当前网络状况给出对用户服务请求的评价效用值，即按照下面式子求得：

T_{j} = \frac{L_{cur} (1 - P_{old}) (1 + P_{new}) + L_{new}}{L_{th}} - - - (2)

其中L_cur为当前网络负载值，L_new为提供新业务后网络的负载值，L_th为网络负载门限，P_old和P_new分别为加载新业务前后所需要的物理资源块数目。

第五步骤：根据权利要求1所述的一种用于异构无线网络中负载均衡的网络接入方法，其特征在于，步骤C进一步包括：在用户和网络之间运用斯塔克伯格数学策略进行非合作博弈，用户的策略集为PN＝{PN₁，PN₂...，PN_m}，m个网络的策略分别为PT₁，PT₂...，PT_m，在用户选择策略PN_i的前提下，m个网络的策略{PT₁，PT₂...，PT_m}的效用值，即按照下面式子求得：

μ (P T_{j} | P N_{i}) = \frac{μ (P T_{j}) μ (P N_{i} | P T_{j})}{Σ_{j}^{m} μ (P T_{j}) μ (P N_{i} | P T_{j})} - - - (3)

优化策略PO_best即按照下面式子求得：

P O_{best} (P N_{i}, P T_{j}) = \arg \max_{P N_{i}} \max_{P T_{j}} Σ_{i = 1}^{m} Σ_{j = 1}^{m} μ (P T_{j} | P N_{i}) - - - (4)

其中，arg函数为当PN_i和PT_j都达到最大时就可得到优化策略。

附图说明

图1是用户选择备选网络的流程图。

图2是非合作博弈过程的总流程图。

图3是应用示例网络图。

具体实施方式

图1中，箭头表示用户对候选网络的选择步骤，具体可以分为三个部分。

1)用户选择网络的QoS参数，包括时延，抖动，丢包率，比特率等；

2)运用改进的TOPSIS方法对参考网络进行排序，删除低于QoS要求的网络；

3)根据终端能耗及费用来选择最优的网络，根据公式(1)得到用户对参考网络的效用评价。

图2中，箭头表示整个非合作博弈过程的流程，用户对参考网络的选择已在图1中给出，用户选择最优网络后发送服务请求，非合作博弈过程展开。根据公式(2)得到网络对用户服务请求的评价效用值，利用公式(3)和(4)进行用户和网络的非合作博弈，选择综合效用最高的网络。

图3是应用示例网络图，其具体参数如下表所示：

参数	LTE	WLAN	WiMAX
				小区半径	2Km	0.1Km	1.6Km
帧时长(时隙长)	10ms	9us	5ms
				载频	2GHz	2.4GHz	2.5GHz
负载门限L_th	0.75	0.75	1
				小区数目	7	30	7
R(SINR_u)	180kbps	-	-
				子信道数目K	-	-	4
每个子信道的数据承载数目q	-	-	48
				每帧时隙数L	-	-	16

通过步骤A得到用户对网络的效用评价N_i：

λ取值	候选网络L＝(UMTS，LTE，WiMAX)	最佳接入网络N_best＝min(N_finali)
			λ＝0.75	N_finali＝(0.3018，0.6840，0.6216)	UMTS
λ＝0.90	N_finali＝(0.2719，0.6515，0.6895)	UMTS
			λ＝1.00	N_finali＝(0.2519，0.6298，0.7348)	UMTS

流类业务对网络的速率要求以及网络的实时参数如下表所示：

根据如上参数进行仿真，按照图2所示步骤，通过本专利方法可以得出在流类数据的家庭环境下，场景1网络选择的结果为WiMAX，场景2网络选择的结果为WLAN，场景3网络选择的结果为WLAN。

Claims

1.一种用于异构无线网络中负载均衡的网络接入方法，其步骤如下：

A)用户根据网络提供的参数，分段对候选网络进行筛选，得到各入选网络的效用值；

B)各个网络在用户给出选择策略的前提下，根据网络负载状态和用户业务负载对网络的影响做出决策，得到用户接入请求的效用值；

C)根据网络和用户接入请求的效用值，进行非合作博弈，得到接入策略。

2.根据权利要求1所述的一种用于异构无线网络中负载均衡的网络接入方法，其特征在于，步骤A进一步包括：采用一种分段策略，分别对网络的服务质量(即QoS)，能耗及费用进行衡量，设置参考网络，通过改进的TOPSIS数学方法对候选网络进行QoS值的排序，得到的结果中，QoS值大于参考QoS值的候选网络才进一步评判其能耗和费用。

3.根据权利要求1和2所述的一种用于异构无线网络中负载均衡的网络接入方法，其特征在于，步骤A进一步包括：采用一种S型效用函数来处理QoS指标，通过调整S曲线的上升率和中间值，得到QoS参数。

4.根据权利要求1所述的一种用于异构无线网络中负载均衡的网络接入方法，其特征在于，步骤B进一步包括：在候选网络中，所选择的网络达到用户要求的QoS值，并保证终端能耗和业务费用较低，得到其效用值，即按照下面式子求得：

N_{finali} = λ \frac{E_{i}}{\underset{i}{Σ} E_{i}^{2}} + (1 - λ) \frac{C_{i}}{\underset{i}{Σ} C_{i}^{2}}, i &Element; L, N_{best} = \min (N_{finali})

其中，N_finali为用户对网络的效用评价值，E_i和C_i分别为网络i的能耗和成本，N_best为最佳效用值(当N_finali最低时取得其值)，λ为满足0＜λ＜1的用户对于终端能耗和业务费用的权重。

5.根据权利要求1所述的一种用于异构无线网络中负载均衡的网络接入方法，其特征在于，步骤B进一步包括：根据当前网络状况给出对用户服务请求的评价效用值，即按照下面式子求得：

T_{j} = \frac{L_{cur} (1 - P_{old}) (1 + P_{new}) + L_{new}}{L_{th}}

6.根据权利要求1所述的一种用于异构无线网络中负载均衡的网络接入方法，其特征在于，步骤C进一步包括：在用户和网络之间运用斯塔克伯格数学策略进行非合作博弈，用户的策略集为PN＝{PN₁，PN₂，...，PN_m}，m个网络的策略分别为PT₁，PT₂，...，PT_m，在用户选择策略PN_i的前提下，m个网络的策略{PT₁，PT₂，...，PT_m}的效用值，即按照下面式子求得：

μ (P T_{j} | P N_{i}) = \frac{μ (P T_{j}) μ (P N_{i} | P T_{j})}{Σ_{j}^{m} μ (P T_{j}) μ (P N_{i} | P T_{j})}

优化策略PO_best，即按照下面式子求得：

P O_{best} (P N_{i}, P T_{j}) = \arg \max_{P N_{i}} \max_{P T_{j}} Σ_{i = 1}^{m} Σ_{j = 1}^{m} μ (P T_{j} | P N_{i})

其中，arg函数为当PN_i和PT_j都达到最大值时得到的优化策略。