CN103648129A - 一种基于负载均衡和QoS的异构网络切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了基于负载均衡和QoS的异构网络切换方法。所述方法针对WiFi，UMTS异构网络下无缝切换的问题，综合考虑用户业务模型，通过将网络接入点的QoS指标进行归一化处理，考虑网络接入点的负载情况进行分值的调整，给出一个综合评分。根据评分和业务情况给出一个适当的切换时间，如果有业务运行就给一个较长的评估时间，以防止频繁切换而导致业务中断。本发明方法能够有效地提高终端吞吐率，降低终端网络时延，同时保证系统层面的高吞吐率和稳定性，具有很好的应用前景。

Description

一种基于负载均衡和QoS的异构网络切换方法

技术领域

本发明涉及一种通信技术领域的智能终端异构网络切换的方法，具体是一种基于负载均衡和QoS的异构网络切换方法。

背景技术

随着智能终端，包括手机、平板、PDA等设备的快速发展，迅速膨胀了人们在日常生活及工作中对网络的需求。这些需求主要体现在保证接入互联网的移动性的同时，快速，稳定，灵活的获得所需信息。

第三代移动通信技术（3rd-generation，3G），是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G服务能够同时传送声音及数据信息，速率一般在几百kbps以上。目前3G存在四种标准：CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA，Wi-MAX。即便如此，相对于3G技术覆盖范围大、快速移动时仍能保持稳定数据速率的特点，WLAN技术在特定区域内满足用户高速数据传输的需求具有绝对优势。但WLAN的缺点也很明显，如仅限于热点地区和室内的覆盖，组建广域网没有优势，在服务质量、计费、业务等方面相对3G网络而言还不完善。

由此看来，3G与Wi-Fi不是一种可以互相取代的竞争关系，而是一种可以扬长避短的互补关系。因此在Wi-Fi与3G网络之间的无缝切换，成为无线网络用户的迫切需求，而目前大多数相关研究只在一个方面，终端或系统层面进行考虑，没有综合考虑终端和网络接入点的总体情况。

发明内容

本发明根据上述技术问题，特别针对在WiFI，UMTS下无缝切换，提供一种基于负载均衡和QoS的异构网络切换方法（负载均衡多QoS算法），包括如下步骤：

步骤A：根据周围网络接入点的用户数确定整个系统的平均接入用户数U_a

$U_a=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{W}_u\left(i\right)}{n}$

其中n为当前用户可以扫描得到的网络接入点的数量，W_u(i)为每个网络接入点内的用户数。

步骤B：计算网络接入点的状态W_st

$W_{\mathrm{st}}=\left\{\begin{array}{cc}{s}_1& W_u<U_a\\ s_2& U_a\&le;W_u<U_a+\mathrm{\&delta;}\\ s_3& W_u\&GreaterEqual;U_a+\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.$

其中s₁,s₂,s₃为三个状态，将网络接入点根据其用户的数量分成三个评级underloaded，balanced，overloaded用来避免因负载不均衡造成的网络。

步骤C：计算网络接入点的评分W_sc

-步骤C-1：扫描周围网络接入点，得到其信号强度指标W_R，并将其转化成为归一化的值R_n

$R_n=\frac{-R_{\min }+W_R}{r}$

其中R_min表示RSSI强度的最低值。

-步骤C-2：扫描周围网络接入点，得到其网络时延指标W_D，并将其转化成为归一化的值D_n

$D_n=\left\{\begin{array}{cc}+\&infin;& W_D>L_v\\ d_1+e^{\frac{W_D}{d_2}}& W_D\&le;L_v\end{array}\right.$

其中L_v为voip等语音业务所能接受的最长传输时延。

-步骤C-3：扫描周围网络接入点，得到其下行速率指标W_s，并将其转化成为归一化的值S_n

$S_n=\left\{\begin{array}{cc}0& W_S<L_f\\ {\mathrm{sp}}_1+e^{\frac{W_S}{{\mathrm{sp}}_2}}& W_S\&GreaterEqual;L_f\end{array}\right.$

其中L_f为ftp等数据业务所能接受的最小下行速率。

-步骤C-4：根据步骤B，C-1，C-2，C-3得到的指标，计算附近网络接入点的评分W_sc

$W_{\mathrm{sc}}=\mathrm{\&omega;}\&times;\frac{R_n\&times;S_n}{D_n}$

$\mathrm{\&omega;}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{\mathrm{\&alpha;}}& W_{\mathrm{st}}=s_1\\ 1& W_{\mathrm{st}}=s_2\\ \mathrm{\&alpha;}& W_{\mathrm{st}}=s_3\end{array}\right.$

步骤D：根据网络接入点的评分W_sc进行判决，准备垂直切换

-步骤D-1：检测当前网络接入点的W_sc是否为异常值，如果接入点的得分异常，那么立即执行垂直切换操作，防止业务异常中断。

-步骤D-2：检测当前网络接入点的W_sc与附近网络接入点的最高得分值SC_max的差距，同时记录当前网络接入点的W_sc不为最高得分的时长，记为l。

-步骤D-2-1：在无数据业务和语音视频通话业务时， $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{SC}}_{\max }-W_{\mathrm{sc}}>T_1\\ l>D_1\end{array}\right.,$ 那么执行垂直切换操作，将网络切换至得分更高的网络中。

-步骤D-2-2：在有数据业务或语音视频通话业务时， $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{SC}}_{\max }-W_{\mathrm{sc}}>T_2\\ l>D_2\end{array}\right.,$ 那么执行垂直切换操作，将网络切换至得分更高的网络中。

优选的：所述的步骤C-1中，r取10，R_min取-140。

所述的步骤C-2中，d₁取20，d₂取100。

所述的步骤C-3中，sp₁取20，sp₂取400。

所述的步骤C-4中，α取2。

所述的步骤D-2-1中，T₁取5，D₁取5，所述的步骤D-2-2中，T₂取10，D₂取10。

本发明的有益效果是：本发明提出了基于用户业务模型的QoS评分算法，考虑了负载均衡对于网络接入点的影响的切换算法。所述方法在WiFi，UMTS网络同时存在的异构网络切换中，综合考虑了用户的业务类型，网络的QoS参数指标及负载状况，提出了一整套的切换策略，包括切换时间的确定。本发明方法有效地提升了终端的下载速率，降低了终端时延，同时也提高了在系统层面，网络接入点的稳定性，提升了系统整体的吞吐率。同时方法也易于系统实现，具有很好的应用前景。

附图说明

图1是基于负载均衡和QoS的异构网络切换方法（负载均衡多QoS算法）的总体架构。

图2是基于负载均衡和QoS的异构网络切换方法（负载均衡多QoS算法）的流程图。

图3是基于负载均衡和QoS的异构网络切换方法（负载均衡多QoS算法）在终端吞吐率指标的示意图。

图4是基于负载均衡和QoS的异构网络切换方法（负载均衡多QoS算法）在终端时延指标的示意图。

图5是基于负载均衡和QoS的异构网络切换方法（负载均衡多QoS算法）在系统层面吞吐率的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，进一步具体说明本发明的切换算法：

（1）评分参量的获取

根据周围网络接入点的用户数确定整个系统的平均接入用户数U_a

$U_a=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{W}_u\left(i\right)}{n}$

其中n为当前用户可以扫描得到的网络接入点的数量，W_u(i)为每个网络接入点内的用户数。

计算网络接入点的状态W_st

$W_{\mathrm{st}}=\left\{\begin{array}{cc}{s}_1& W_u<U_a\\ s_2& U_a\&le;W_u<U_a+\mathrm{\&delta;}\\ s_3& W_u\&GreaterEqual;U_a+\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.$

其中s₁,s₂,s₃为三个状态，将网络接入点根据其用户的数量分成三个评级，underloaded，balanced，overloaded用来避免因负载不均衡造成的网络。

（2）计算网络接入点的评分参数的归一化值，其具体步骤如下：

1）扫描周围网络接入点，得到其信号强度指标W_R，并将其转化成为归一化的值R_n

$R_n=\frac{-R_{\min }+W_R}{r}$

其中其中R_min为在WiFi和UMTS中RSSI所能接受的最小值为，一般设为-140dB。W_R为终端接受到的每个网络接入点在此时刻的信号强度。在做归一化处理的时候，将所有网络接入点的信号强度进行差值处理，得到一个相对数值。这里的r作为一个调整因子，由P_dB＝10log₁₀P_w得到，一般设为10。

2）扫描周围网络接入点，得到其网络时延指标W_D，并将其转化成为归一化的值D_n

$D_n=\left\{\begin{array}{cc}+\&infin;& W_D>L_v\\ d_1+e^{\frac{W_D}{d_2}}& W_D\&le;L_v\end{array}\right.$

其中W_D为终端接受到的每个网络接入点在此时刻的网络时延数值。L_v为voip等语音业务所能接受的最长传输时延，由于ftp业务对时延指标不敏感，因此这里只考虑voip等语音业务所能接受的最长传输时延。这里的d₁，d₂为调整参数，一般设为20，100。

3）扫描周围网络接入点，得到其下行速率指标W_S，并将其转化成为归一化的值S_n

$S_n=\left\{\begin{array}{cc}0& W_S<L_f\\ {\mathrm{sp}}_1+e^{\frac{W_S}{{\mathrm{sp}}_2}}& W_S\&GreaterEqual;L_f\end{array}\right.$

其中W_sp为终端接受到的每个网络接入点在此时刻的网络下行速率数值。其中L_f为ftp等数据业务所能接受的最小下行速率，由于voip业务较ftp业务来说对下行速度指标不敏感，因此这里只考虑ftp等数据业务所能接受的最小下行速率。这里的sp₁，sp₂为调整参数，一般设为20，400。

（3）根据负载均衡情况，计算附近网络接入点的评分W_sc

$W_{\mathrm{sc}}=\mathrm{\&omega;}\&times;\frac{R_n\&times;S_n}{D_n}$

$\mathrm{\&omega;}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{\mathrm{\&alpha;}}& W_{\mathrm{st}}=s_1\\ 1& W_{\mathrm{st}}=s_2\\ \mathrm{\&alpha;}& W_{\mathrm{st}}=s_3\end{array}\right.$

其中R_n，D_n，S_n为之前所得到的三个归一化的数值，ω为根据负载均衡指标得到的一个加权指标，根据网络接入点三种不同的状态可以得到不同的ω值。为了取得较好的效果，α可以设为2。

（4）根据网络接入点的评分W_sc进行判决，准备垂直切换，其具体步骤如下：

1）检测当前网络接入点的W_sc是否为异常值，如果接入点的得分异常，那么立即执行垂直切换操作，防止业务异常中断。

2）记录当前网络接入点的W_sc与附近网络接入点的最高得分值SC_max的差距，同时记录当前网络接入点的W_sc不为最高得分的时长，记为l。

3）根据终端所在运行的业务不同，给出不同的标准

a.在无数据业务和语音视频通话业务时， $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{SC}}_{\max }-W_{\mathrm{sc}}>T_1\\ l>D_1\end{array}\right.,$ 那么执行垂直切换操作，将网络切换至得分更高的网络中。

b.在有数据业务或语音视频通话业务时， $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{SC}}_{\max }-W_{\mathrm{sc}}>T_2\\ l>D_2\end{array}\right.,$ 那么执行垂直切换操作，将网络切换至得分更高的网络中。

其中T₁较T₂来说是一个较低的门限，用于衡量分数差距。D₁较D₂来说是一个较低的门限，用于表示分数的差距的时间长度。一般设T₁=5，D₁=5，T₂=10，D₂=10。

（5）图3给出了在使用了负载均衡的评分算法后的终端吞吐率（负载均衡多QoS算法），相比虚线是未考虑负载均衡的多QoS评分算法，点线是一般的WiFi-First的算法，从中可以看出使用了负载均衡的评分算法在终端吞吐率上可以获得很大提升。

（6）图4给出了在使用了负载均衡的评分算法后的终端时延（负载均衡多QoS算法），相比虚线是未考虑负载均衡的多QoS评分算法，点线是一般的WiFi-First的算法，从中可以看出使用了负载均衡的评分算法在终端时延上比WiFi-First的算法小很多。

（7）图5给出了在使用了负载均衡的评分算法后的系统吞吐率（负载均衡多QoS算法），相比虚线是未考虑负载均衡的多QoS评分算法，点线是一般的WiFi-First的算法，从中可以看出使用了负载均衡的评分算法在系统吞吐率上也相比其他算法有很大提升。

Claims (2)

1.一种基于负载均衡和QoS的异构网络切换方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A：根据周围网络接入点的用户数确定整个系统的平均接入用户数U_a

$U_a=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{W}_u\left(i\right)}{n}$

其中n为当前用户可以扫描得到的网络接入点的数量，W_u(i)为每个网络接入点内的用户数；

步骤B：计算网络接入点的状态W_st

$W_{\mathrm{st}}=\left\{\begin{array}{cc}{s}_1& W_u<U_a\\ s_2& U_a\&le;W_u<U_a+\mathrm{\&delta;}\\ s_3& W_u\&GreaterEqual;U_a+\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.$

其中s₁,s₂,s₃为三个状态，将网络接入点根据其用户的数量分成三个评级underloaded，balanced，overloaded用来避免因负载不均衡造成的网络；

步骤C：计算网络接入点的评分W_sc

步骤C-1：扫描周围网络接入点，得到其信号强度指标W_R，并将其转化成为归一化的值R_n

$R_n=\frac{-R_{\min }+W_R}{r}$

其中R_min表示RSSI强度的最低值；

步骤C-2：扫描周围网络接入点，得到其网络时延指标W_D，并将其转化成为归一化的值D_n

$D_n=\left\{\begin{array}{cc}+\&infin;& W_D>L_v\\ d_1+e^{\frac{W_D}{d_2}}& W_D\&le;L_v\end{array}\right.$

其中L_v为voip等语音业务所能接受的最长传输时延；

步骤C-3：扫描周围网络接入点，得到其下行速率指标W_S，并将其转化成为归一化的值S_n

$S_n=\left\{\begin{array}{cc}0& W_S<L_f\\ {\mathrm{sp}}_1+e^{\frac{W_S}{{\mathrm{sp}}_2}}& W_S\&GreaterEqual;L_f\end{array}\right.$

其中L_f为ftp等数据业务所能接受的最小下行速率；

步骤C-4：根据步骤B，C-1，C-2，C-3得到的指标，计算附近网络接入点的评分W_sc

$W_{\mathrm{sc}}=\mathrm{\&omega;}\&times;\frac{R_n\&times;S_n}{D_n}$

$\mathrm{\&omega;}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{\mathrm{\&alpha;}}& W_{\mathrm{st}}=s_1\\ 1& W_{\mathrm{st}}=s_2\\ \mathrm{\&alpha;}& W_{\mathrm{st}}=s_3\end{array}\right.$

步骤D：根据网络接入点的评分W_sc进行判决，准备垂直切换

步骤D-1：检测当前网络接入点的W_sc是否为异常值，如果接入点的得分异常，那么立即执行垂直切换操作，防止业务异常中断；

步骤D-2：检测当前网络接入点的W_sc与附近网络接入点的最高得分值Sc_max的差距，同时记录当前网络接入点的W_sc不为最高得分的时长，记为l；

步骤D-2-1：在无数据业务和语音视频通话业务时， $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{SC}}_{\max }-W_{\mathrm{sc}}>T_1\\ l>D_1\end{array}\right.,$ 那么执行垂直切换操作，将网络切换至得分更高的网络中；

步骤D-2-2：在有数据业务或语音视频通话业务时， $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{SC}}_{\max }-W_{\mathrm{sc}}>T_2\\ l>D_2\end{array}\right.$ 那么执行垂直切换操作，将网络切换至得分更高的网络中。

2.根据权利要求1所述的基于负载均衡和QoS的异构网络切换方法，其特征在于，所述的步骤C-1中，r取10，R_min取-14；所述的步骤C-2中，d₁取20，d₂取100；所述的步骤C-3中，sp₁取20，sp₂取400；所述的步骤C-4中，α取2；所述的步骤D-2-1中，T₁取5，D₁取5，所述的步骤D-2-2中，T₂取10，D₂取10。

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