CN103118399A - 面向用户QoS要求和网络负载的异构网络接入控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了面向用户QoS要求和网络负载的异构网络接入控制方法。所述方法针对UMTS、WLAN和WiMAX网络的融合架构下移动终端匀速运动时的网络选择问题，综合考虑用户移动速度、用户QoS要求、网络业务的负载、网络覆盖范围等限制，根据用户的移动速度，先对网络进行预选择，若有多个候选网络，则根据用户要求的和网络能够提供的QoS及网络的业务负载状况，计算适性因子，选择用户与网络适性因子值最大的网络接入。本发明方法能有效避免乒乓切换，满足用户QoS要求，尽可能利用网络资源；同时，又非常简单而易于实现，具有很好的应用前景。

Description

面向用户QoS要求和网络负载的异构网络接入控制方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及面向用户QoS要求和网络负载的异构网络接入控制方法。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，出现了无线局域网WLAN、WiMAX、Wi-Fi、无线个域网WPAN、无线Mesh网WMN、无线传感器网WSN、Ad-hoc、3G和B3G移动通信网络等许多新型的采用不同组网技术的异构网络，这些网络在覆盖范围、提供的数据速率、支持的移动性、适于传输的业务等方面存在差异，它们彼此相互补充，共同存在。每个无线接入技术RAT在容量、覆盖范围、支持的移动性、提供给用户的业务质量等方面有不同特征，但没有一个网络能提供统一的覆盖和连续高水平的QoS，因此，联合无线资源管理JRRM成为必要。联合呼叫接纳控制JCAC是JRRM的一个方面，JCAC的基本功能有呼叫接纳控制和RAT选择，分别解决到达呼叫能否被接纳和呼叫接入哪个网络的问题。

RAT选择发生在以下几种情况：1）用户移动性，用户离开当前网络的覆盖范围，接收信号强度（RSS）下降；2）当前网络不足以支持用户QoS要求或用户感受到的QoS下降；3）由切换失败引起的网络选择。RAT选择需要从两个角度考虑：1）从用户角度考虑：用户终端UT移动速度、接收能力，请求的业务类型及对相应业务的QoS要求（带宽、时延等）不同。2）从运营商角度考虑：运营商希望每个网络都不过载的情况下，尽可能服务更多的用户，获得最大网络吞吐量，从而获取最大收益。网络选择需要考虑的因素如图2所示。

目前，大多数相关研究只在一个方面，从用户或运营商角度考虑有效，没有综合考虑用户的移动性、用户QoS的要求和网络提供的QoS和网络负载对接纳用户的影响。

发明内容

本发明针对上述技术问题，特别针对UMTS、WLAN和WiMAX网络的融合架构下移动终端匀速运动时网络选择问题，提出面向用户QoS要求和网络负载的异构网络接入控制方法。

本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：

面向用户QoS要求和网络负载的异构网络接入控制方法，包括步骤如下：

步骤A，网络预选择：计算用户接入WLAN的最大移动速度v_{WLAN_th}：

$v_{\mathrm{WLAN}\_\mathrm{th}}=\frac{2r}{\mathrm{\τ}}\sin \left(\frac{{\mathrm{\πp}}_f}{2}\right)$

其中，r表示WLAN覆盖半径，τ表示切换时延，p_f表示用户要求的切换中断概率；

当终端移动速度小于v_{WLAN_th}时，接入WLAN；

否则，若候选网络列表中有WLAN，将其从候选网络列表中删除；

用户扫描可获得的网络，组成集合A_j,j=1,2,...，j为网络编号，网络预选择后候选网络集合为A_j*；

步骤B，用户i对QoS业务s要求的平均数据速率为R_{i，s_req}，i为自然数，实时业务的R_{i，s_req}是确定的；对于非实时业务R_{i，s_req}具体计算步骤如下：

步骤B-1，计算非实时业务量T的累积分布函数F_T(.)；

步骤B-2，数据包大小G_k=F^-1 _T(k)，F^-1 _T(.)是F_T(.)的反函数，k∈[0,1]；对非实时业务数据包的传输时延不超过δ_max，则：

$R_{i,s\_\mathrm{req}}=q\frac{G_k}{{\mathrm{\δ}}_{\max }}$

其中，q表示不同用户对数据速率要求的调节因子；

步骤C，计算QoS适性因子d_i，j,s，d_i，j,s表示网络j对用户i请求的业务s的匹配性；其计算公式为：

$d_{i,j,s}=\left\{\begin{array}{c}\ln (1+a\frac{R_{j,s}}{R_{i,s\_\mathrm{req}}}),R_{j,s}<R_{i,s\_\mathrm{req}}\\ \ln (1+a),R_{j,s}\&GreaterEqual;R_{i,s\_\mathrm{req}}\end{array}\right.$

其中，R_j，s表示网络j对业务s提供的数据速率，a为大于0的常数；

步骤D，计算负载适性因子e_j，s，e_j，s表示网络j对用户请求业务s的负载匹配因子：

$e_{j,s}=\left\{\begin{array}{c}\ln (1+\mathrm{\&Omega;}\frac{l_{j,s\_\mathrm{available}}}{l_{j\_\max }}),l_{j,s\_\mathrm{available}}-N\left(\mathrm{\&Omega;}\right)\&GreaterEqual;l_{i,s\_\mathrm{req}}\\ 0,\mathrm{else}\end{array}\right.$

其中，

l_{j_max}表示当前网络中总体信道数；

Ω表示业务优先级；

N（Ω）表示与业务优先级相关的为避免拥塞预留的信道数目；

l_{j,s_available}表示网络中总体可用的信道数量，l_{j，s_available}表达式如下：

$l_{j,s\_\mathrm{available}}=l_{j\_\max }-\underset{i=1}{\overset{N_v\left(t\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}}{K}_v\left(i\right)-\underset{i=1}{\overset{N_d\left(t\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}}{K}_d\left(i\right)$

其中，N_v(t)、N_d(t)分别表示语音业务和数据业务在第t时刻周期结束时系统中用户数目，K_v(i)、K_d(i)分别表示语音用户i和数据用户i占用的信道数目；

l_{i,s_req}表示用户i要求的信道数目，l_{i,s_req}表示为：

$l_{i,s\_\mathrm{req}}=\underset{i=1}{\overset{N_v(t+1)}{\mathrm{\&Sigma;}}}{K}_v\left(i\right)+\underset{i=1}{\overset{N_d(t+1)}{\mathrm{\&Sigma;}}}{K}_d\left(i\right)$

N_v(t+1)和N_d(t+1)采用随机型时间模型自回归AR预测方法来预测；

步骤E，计算用户与网络之间的适性因子u_i，j,s，u_i，j,s表示用户i请求业务s时与网络j的匹配性：

u_i，j，s=d_i，j,s×e_j,s

对于业务s，只有当用户移动速度、网络提供的QoS满足用户业务要求，且用户接入网络后不过载时，选择适性因子最高的网络j*接入，j*表示为：

$j*=\arg \underset{j\&Element;A_j*}{\max }{u}_{i,j,s}$

即网络j*选取为用户与网络之间的适性因子u_i，j,s最大的网络。

所述步骤B-2中，k取0.5，即G_k取抽样点的数据包大小最大值的50%。

所述步骤B-2中，q取值为1，δ_max取值为4秒。

所述步骤C中，a取值为1。

本发明的有益效果是：本发明提出了面向用户QoS要求和网络负载的异构网络接入控制方法。所述方法针对UMTS、WLAN和WiMAX网络的融合架构下移动终端匀速运动时的网络选择问题，综合考虑用户移动速度、用户QoS要求、网络业务的负载、网络覆盖范围等限制，根据用户的移动速度，先对网络进行预选择，若有多个候选网络，则根据用户要求的和网络能够提供的QoS及网络的业务负载状况，计算适性因子，选择用户与网络适性因子值最大的网络接入。本发明方法能有效避免乒乓切换，满足用户QoS要求，尽可能利用网络资源；同时，又非常简单而易于实现，具有很好的应用前景。

附图说明：

图1为UMTS、WLAN和WiMAX融合架构示意图。

图2为RAT选择考虑的因素。

图3为面向用户QoS要求和网络负载的异构网络接入控制方法流程图。

具体实施方式：

下面结合附图，进一步具体说明本发明面向用户QoS要求和网络负载的异构网络接入控制方法。

本实施例以WLAN、UMTS和WiMAX覆盖网络为例说明，如图1所示，WLAN在UMTS网络覆盖范围内；本发明面向用户QoS要求和网络负载的异构网络接入控制方法的流程如图3所示。

用户扫描可获得的网络，组成集合A_j(j=1,2,...)，不同的用户速度不同、终端设备接口灵敏度不同、对业务的服务质量要求不同，采用终端控制、网络辅助的判决方式，选择最适合的网络接入。

（1）网络预选择

WLAN覆盖范围有限，为防止终端运动速度较大时出现‘乒乓切换’，浪费信令和网带宽等资源，根据WLAN覆盖半径、切换中断概率的要求、切换信令时延等计算出接入WLAN的最大移动速度v_{WLAN_th}。

$v_{\mathrm{MLAN}\_\mathrm{th}}=\frac{2r}{\mathrm{\&tau;}}\sin \left(\frac{{\mathrm{\&pi;p}}_f}{2}\right)---\left(1\right)$

其中，r表示WLAN覆盖半径，τ表示切换时延，p_f表示切换中断概率要求，当终端移动速度小于v_{WLAN_th}时，可接入WLAN；否则，若候选网络列表中有WLAN，将其从候选网络列表中删除，预选择后候选网络集合为A_j*,j=1,2,…。

（2）QoS适性因子

定义QoS适性因子d_i，j,s，表示网络j对用户i请求的业务s的匹配性。定义用户对业务QoS要求的平均数据速率R_{i,s_req}，对于实时的时延敏感型业务，R_{i，s_req}可以容易确定；对于非实时的数据业务R_{i，s_req}一般是不确定的，可用代表性业务数据包的大小除以用户对每个数据包传输接纳时间间隔，以网页浏览和电子邮件业务为代表，具体步骤如下：

1）计算F_T(.)，即网页浏览和电子邮件业务大小S的累积分布函数（CDF）。

2）数据包大小G_k=F^-1 _T(k)，F^-1 _T(.)是F_T(.)的反函数，k∈[0,1]，一般k取0.5，即抽样点的数据包大小最大值的50%。虽然一些数据包大小可能较低或较高，但一般用中间值来代表，根据3GPP，用户感受到的满意的网页浏览或电子邮件传输的时延不超过δ_max=4s（其他业务有其他的值），对非实时业务：

$R_{i,s\_\mathrm{req}}=q\frac{G_k}{{\mathrm{\&delta;}}_{\max }}---\left(2\right)$

其中，q表示不同用户对数据速率要求的调节因子，一般为1。因此，网络与用户业务要求的QoS适性因子s_i，j，s可表示为：

$d_{i,j,s}=\left\{\begin{array}{c}\ln (1+a\frac{R_{j,s}}{R_{i,s\_\mathrm{req}}}),R_{j,s}<R_{i,s\_\mathrm{req}}\\ \ln (1+a),R_{j,s}\&GreaterEqual;R_{i,s\_\mathrm{req}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，R_{i,s_req}表示用户i对业务s的数据速率要求，R_j，s表示网络j对业务s提供的数据速率，a为大于0的常数，可设为1。当网络提供的数据速率小于用户要求的数据速率时，适性因子值随用户要求的QoS增加而增加；当网络提供的数据速率大于等于用户要求的数据速率时，适性因子值为固定的值，网络与用户的适性并不随网络提供的QoS增加而增加。对于WLAN，802.11b的理论最大可用带宽为5.6M；WiMAX采用QPSK调制方式、码率为1/2时，最大数据速率为8.4Mbps。对于UMTS网络只考虑下行链路的比特速率，提供的最大数据速率可由用户的路径损耗、噪声功率、负载因子和最大可获得功率求出：

ΔPmax,s=min(P_max，s,P_Tmax-P_T)    （4）

$R_{\mathrm{UMTS},s}=\frac{{\mathrm{\&Delta;P}}_{\max ,s}W}{{\left(\frac{E_b}{N_0}\right)}_i{\left(\frac{P_p}{E_c/I_0}\right)}_i-(1-\mathrm{\&rho;})P_T-{\mathrm{\&rho;\&Delta;P}}_{\max ,s}}---\left(5\right)$

其中，W=3.84Mc/s表示码片速率，

表示对于用户i，目标要求的比特能量与噪声干扰功率谱密度之比，P_T表示基站的发送功率，P_Tmax是最大发送功率，P_max，s表示分配给业务s的最大功率，P_p表示导频功率，E_c/I₀表示用户i在导频信道获得的信噪比，ρ表示正交化因子，ρ=0表示码之间完全正交，ρ＝1表示码之间不正交。这些参数通过终端和网络侧的信息交互即可获得。

（3）负载适性因子

定义负载适性因子e_j，s表示网络j对用户请求业务s的负载匹配因子：

$e_{j,s}=\left\{\begin{array}{c}\ln (1+\mathrm{\&Omega;}\frac{l_{j,s\_\mathrm{available}}}{l_{j\_\max }}),l_{j,s\_\mathrm{available}}-N\left(\mathrm{\&Omega;}\right)\&GreaterEqual;l_{i,s\_\mathrm{req}}\\ 0,\mathrm{else}\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中，l_{j_max}表示当前网络中总体信道数，Ω表示业务优先级，取值是集合[1,n]中的整数，业务优先级越高，则Ω取值越大，最大值n与系统中业务种类相关，优先级越低，则信道保留值越大，从而减小负载适性因子值，为高优先级业务保留更多的资源。l_{j，s_available}表示网络中总体可用的信道数量，当可用的信道数量（减去保留信道值后）大于用户要求的信道数目，网络与用户请求业务的负载适性因子随可用信道数目增加而增大；当可用的信道数量（减去保留信道值后）小于用户要求的信道数目，网络与用户请求业务的负载适性因子为0。l_{j，s_available}表达式如下：

$l_{j,s\_\mathrm{available}}=l_{j\_\max }-\underset{i=1}{\overset{N_v\left(t\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}}{K}_v\left(i\right)-\underset{i=1}{\overset{N_d\left(t\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}}{K}_d\left(i\right)---\left(7\right)$

其中，N_v(t)、N_d(t)表示语音业务和数据业务在第t时刻周期结束时系统中用户数目，K_v(i)、K_d(i)表示语音用户i和数据用户i占用的信道数目。l_{i，s_req}是判断负载适性因子的重要参数，表示下一时刻（接入网络后）信道数目，在当前判决时刻此值并不可知，因此需要建立合适的预测模型对其进行预测。l_{i，s_req}可表示为：

$l_{i,s\_\mathrm{req}}=\underset{i=1}{\overset{N_v(t+1)}{\mathrm{\&Sigma;}}}{K}_v\left(i\right)+\underset{i=1}{\overset{N_d(t+1)}{\mathrm{\&Sigma;}}}{K}_d\left(i\right)---\left(8\right)$

由式7可知，l_{i,s_req}的预测重点在于下一时刻语音用户和数据用户数目的预测，N_v(t+1)和N_d(t+1)可采用随机型时间模型自回归(AR)来预测。

定义z_t,z_t-1,z_t-2,…,z_t-(N-1)为在t,t-T,t-2T,…t-（N-1)T时刻测量的语音或数据用户数，T表示测量的时间间隔，N表示时间窗口大小，当T取值0.5s,时间窗长为5s时，N=10。AR(P)模型中p=5，t+1时刻的用户数目表示为前面时刻用户数目的线性函数和零均值方差为σ_a ²不相关的噪声a_t之和，μ表示时间窗内平均语音或数据用户数目的值，定义则有

${\hat{z}}_t={\mathrm{\&phi;}}_1{z}_{t-1}+{\mathrm{\&phi;}}_2{z}_{t-2}+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+{\mathrm{\&phi;}}_p{z}_{t-p}+a_t---\left(9\right)$

其中，φ_i(i＝1,2,…p)指模型参数，可通过

的自相关函数获得。

t时刻k步前向预测用户数目预测可表示为：

其中，k可取值为1，μ表示时间窗内平均语音或数据用户数目的值，

表示k步前向预测值；

表示不大于X的最大整数，则

表示t+k时刻语音或数据用户数目的预测值。则k=1时，t+1语音用户和数据用户数目N_v(t+1)、N_d(t+1)可通过相应求出。

（4）用户与网络的适性因子

网络选择过程可看作适配过程，用户与网络之间的适性因子u_i，j,s，表示用户i请求服务s时与网络j的匹配性。u_i，j,s由式（11）表示。

u_i，j,s=d_i，j,s×e_j,s    （11）

其中，d_i，j，s表示用户i请求业务s时与网络j的QoS适性因子，e_j，s表示网络j中用户请求业务s的负载适性因子，式（12）表示对于业务s，只有当用户移动速度，网络提供的QoS满足用户业务要求，且用户接入网络后不过载时，选择适性因子最高的网络j*接入：

$j*=\arg \underset{j\&Element;A_j*}{\max }{u}_{i,j,s}---\left(12\right)$

其中，A_j*表示预选择后的候选网络集合，arg(.)表示选择一个网络，这里表示选择最大适性因子所在的网络。

对该技术领域的普通技术人员而言，根据以上实施类型可以很容易联想其他的优点和变形。因此，本发明并不局限于上述具体实例，其仅仅作为例子对本发明的一种形态进行详细、示范性的说明。在不背离本发明宗旨的范围内，本领域普通技术人员根据上述具体实例通过各种等同替换所得到的技术方案，均应包含在本发明的权利要求范围及其等同范围之内。

Claims (4)

1.面向用户QoS要求和网络负载的异构网络接入控制方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤A，网络预选择：计算用户接入WLAN的最大移动速度v_{WLAN_th}：

$v_{\mathrm{WLAN}\_\mathrm{th}}=\frac{2r}{\mathrm{\&tau;}}\sin \left(\frac{{\mathrm{\&pi;p}}_f}{2}\right)$

其中，r表示WLAN覆盖半径，τ表示切换时延，p_f表示用户要求的切换中断概率；

当终端移动速度小于v_{WLAN_th}时，接入WLAN；

否则，若候选网络列表中有WLAN，将其从候选网络列表中删除；

用户扫描可获得的网络，组成集合A_j,j=1,2,...，j为网络编号，网络预选择后候选网络集合为A_j*；

步骤B，用户i对QoS业务s要求的平均数据速率为R_{i，s_req}，i为自然数，实时业务的R_{i，s_req}是确定的；对于非实时业务R_{i，s_req}具体计算步骤如下：

步骤B-1，计算非实时业务量T的累积分布函数F_T(.)；

步骤B-2，数据包大小G_k=F^-1 _T(k)，F^-1 _T(.)是F_T(.)的反函数，k∈[0,1]；对非实时业务数据包的传输时延不超过δ_max，则：

$R_{i,s\_\mathrm{req}}=q\frac{G_k}{{\mathrm{\&delta;}}_{\max }}$

其中，q表示不同用户对数据速率要求的调节因子；

步骤C，计算QoS适性因子d_i，j,s，d_i，j,s表示网络j对用户i请求的业务s的匹配性；其计算公式为：

$d_{i,j,s}=\left\{\begin{array}{c}\ln (1+a\frac{R_{j,s}}{R_{i,s\_\mathrm{req}}}),R_{i,s}<R_{i,s\_\mathrm{req}}\\ \ln (1+a),R_{j,s}\&GreaterEqual;R_{i,s\_\mathrm{req}}\end{array}\right.$

其中，R_j，s表示网络j对业务s提供的数据速率，a为大于0的常数；

步骤D，计算负载适性因子e_j，s，e_j，s表示网络j对用户请求业务s的负载匹配因子：

$e_{j,s}=\left\{\begin{array}{c}\ln (1+\mathrm{\&Omega;}\frac{l_{j,s\_\mathrm{available}}}{l_{j\_\max }}),l_{j,s\_\mathrm{available}}-N\left(\mathrm{\&Omega;}\right)\&GreaterEqual;l_{i,s\_\mathrm{req}}\\ 0,\mathrm{else}\end{array}\right.$

其中，

l_{j_max}表示当前网络中总体信道数；

Ω表示业务优先级；

N（Ω）表示与业务优先级相关的为避免拥塞预留的信道数目；

l_{j，s_available}表示网络中总体可用的信道数量，l_{j，s_available}表达式如下：

$l_{j,s\_\mathrm{available}}=l_{j\_\max }-\underset{i=1}{\overset{N_v\left(t\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}}{K}_v\left(i\right)-\underset{i=1}{\overset{N_d\left(t\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}}{K}_d\left(i\right)$

其中，N_v(t)、N_d(t)分别表示语音业务和数据业务在第t时刻周期结束时系统中用户数目，K_v(i)、K_d(i)分别表示语音用户i和数据用户i占用的信道数目；

l_{i,s_req}表示用户i要求的信道数目，l_{i，s_req}表示为：

$l_{i,s\_\mathrm{req}}=\underset{i=1}{\overset{N_v(t+1)}{\mathrm{\&Sigma;}}}{K}_v\left(i\right)+\underset{i=1}{\overset{N_d(t+1)}{\mathrm{\&Sigma;}}}{K}_d\left(i\right)$

N_v(t+1)和N_d(t+1)采用随机型时间模型自回归AR预测方法来预测；

步骤E，计算用户与网络之间的适性因子u_i，j,s，u_i，j,s表示用户i请求业务s时与网络j的匹配性：

u_i,j,s=d_i,j,s×e_j,s

对于业务s，只有当用户移动速度、网络提供的QoS满足用户业务要求，且用户接入网络后不过载时，选择适性因子最高的网络j^*接入，j^*表示为：

$j^{*}=\arg \underset{j\&Element;{A_j}^{*}}{\max }{u}_{i,j,s}$

即网络j^*选取为用户与网络之间的适性因子u_i，j,s最大的网络。

2.根据权利要求1所述的面向用户QoS要求和网络负载的异构网络接入控制方法，其特征在于，所述步骤B-2中，k取0.5，即G_k取抽样点的数据包大小最大值的50%。

3.根据权利要求1所述的面向用户QoS要求和网络负载的异构网络接入控制方法，其特征在于，所述步骤B-2中，q取值为1，δ_max取值为4秒。

4.根据权利要求1所述的面向用户QoS要求和网络负载的异构网络接入控制方法，其特征在于，所述步骤C中，a取值为1。

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