CN103648131A - 一种异构网络融合场景下的联合会话接纳控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异构网络融合场景下的联合会话接纳控制方法，包括如下步骤：（1）将各个无线通信网络的带宽资源汇集为一个矢量带宽资源库；（2）对矢量带宽资源库，按照“最小化会话接入代价、最优化系统负载均衡”两个优化目标，建立联合会话接纳控制通用模型；（3）使用人工智能方法求解联合会话接纳控制通用模型，给出联合会话接纳控制方案。本发明提供的异构网络融合场景下的联合会话接纳控制方法，将联合会话接入控制问题建模为多目标优化问题，即：把用户会话接入代价作为一个优化目标，把系统的负载均衡性能作为另一个优化目标；较好地兼顾了负载均衡目标和用户会话接入代价目标。

Description

一种异构网络融合场景下的联合会话接纳控制方法

技术领域

本发明涉及一种异构网络融合场景下的联合会话接纳控制方法，解决各个通信网络负载均衡问题，以消弱用户会话在时域（时间上）和空域（空间上）分布的不均衡对通信系统所产生的不良影响。

背景技术

目前，在无线通信网络系统中，将既有技术完全成熟的第二代（2G）移动通信网络，又有以WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA为代表的第三代（3G）移动通信网络、4G网络，还有以IEEE802.11a/b/g、HiperLan/2、WiMAX为代表的宽带无线局域网/城域网（WLAN/WMAN），由于各个通信网络所采用的无线接入技术（radio access technology,RAT）不同导致了网络的管理架构和业务支撑均有所不同，从而构成了异构网络环境。

在泛在的异构无线网络环境中，必须保证用户在跨越不同的接入网络时能够实现无缝持续通信，从而满足业务应用的需要。接入控制是无线资源管理的重要内容之一，也是无线通信网络研究的难点之一。异构网络中的联合会话接入控制是针对异构无线通信系统的一种宏观资源管理，其目的是使用户会话在各个接入网络中合理分布，以消弱用户会话在时域（时间上）和空域（空间上）分布的不均衡对异构系统所产生的不良影响。联合会话接入控制是提高接入带宽资源利用率的有效手段，也是实现各个无线接入网络负载均衡的有效途径。联合会话接入控制问题应当要考虑接入带宽的利用效率、接入阻塞率、负载均衡等目标，因此它是一种多目标优化问题。

国内外知名高校与研究机构（如斯坦福大学、英国利兹大学、开普敦大学、东南大学、北京邮电大学、南京邮电大学、西安电子科技大学等）的研究团队对联合会话接入控制进行了较深入的研究，他们所采用的策略多是把联合会话接入控制问题建模为单目标优化问题，即：仅考虑接入带宽的利用效率目标，忽略接入阻塞率、负载均衡等目标。这样的处理方式所带来的问题是：尽管接入带宽的利用率较高，但当会话数目增多到一定数目后，会话阻塞率随之增大，降低了用户体验。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种异构网络融合场景下的联合会话接纳控制方法，将联合会话接入控制问题建模为多目标优化问题，即：把用户会话接入代价作为一个优化目标，把系统的负载均衡性能作为另一个优化目标；较好地兼顾了负载均衡目标和用户会话接入代价目标，消弱了用户会话在时域（时间上）和空域（空间上）分布的不均衡对异构系统所产生的不良影响，有效地提高了无线接入带宽的利用效率。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

在异构通信网络融合场景下，当有新接入请求到达时，根据请求的业务类型、各个网络的状态、网络运营商的策略以及用户偏好等信息，决定是否接纳会话请求以及接入到哪一个网络，即完成接入网络选择的过程。联合会话接纳控制是异构网络系统带宽资源的宏观管理。

一种异构网络融合场景下的联合会话接纳控制方法，包括如下步骤：

（1）使用统一的异构网络带宽资源特征描述和表达方法，将各个无线通信网络的带宽资源汇集为一个矢量带宽资源库；可以采用认知无线电技术，通过对各个无线通信网络的带宽资源使用状况进行实时感知，将感知的信息进行描述和表达；

（2）对矢量带宽资源库，按照“最小化会话接入代价、最优化系统负载均衡”两个优化目标，建立联合会话接纳控制通用模型；

（3）使用人工智能方法（比如免疫优化算法、模拟退火算法等）求解联合会话接纳控制通用模型，获得最优的联合会话接纳控制方案；

（4）在仿真环境下，对求出的联合会话接纳控制方案进行验证、评估，获取评估数据，修正联合会话接纳控制通用模型的相关参数，获得联合会话接纳控制优选模型；

（5）求解联合会话接纳控制优选模型，获得最终的联合会话接纳控制方案。

所述步骤（1）中，统一的异构网络带宽资源特征描述和表达方法为：将无线带宽资源和用户需求用广义矢量资源空间网格中的矢量表示，首先根据带宽资源分布，建立带宽资源使用约束条件，将矢量资源划分为可用矢量资源、已用矢量资源和禁用矢量资源，将带宽资源使用的决策转化为可用矢量资源和资源需求矢量匹配的过程。在这种思想的指导下，根据不完整、不一致和不确定的资源信息，利用广义矢量资源空间网格，实现资源特征信息的识别、汇聚、组织、描述，建立统一的异构网络带宽资源特征描述和表达方式；通过使用统一的异构网络带宽资源特征描述和表达方法，把各个无线通信网络的带宽资源汇集为一个矢量带宽资源库。

在单个无线通信网络情况下，一般基于网络优化工程师的个人经验，对本网内的会话接纳控制进行静态优化分配；基于网络优化工程师的个人经验，难以解决异构多网络融合场景下的联合会话接纳控制问题；另外，异构多网络融合场景下的联合会话接纳控制通用模型是非常复杂的，传统的数学方法难以求解，我们采用人工智能算法求解联合会话接纳控制通用模型，从而获得最优的联合会话接纳控制方案。通过系统仿真、实地检测等方式对联合会话接纳控制方案进行验证和评估，通过调整影响异构多网络融合场景下联合会话接纳控制通用模型的相关参数，从而获得最终的联合会话接纳控制方案。

无线通信网络的带宽（又叫频宽）是指在固定的时间可传输的资料数量，即在传输管道中可以传递数据的能力。在数字设备中，频宽通常以bps表示，即每秒可传输之位数。在模拟设备中，频宽通常以每秒传送周期或赫兹Hertz（Hz）来表示。模拟设备中带宽就是频率的最大值和最小值之间的差值。

优选的，所述步骤（1）中，统一的异构网络带宽资源特征描述和表达方法，具体为：设无线通信网络拥有的带宽资源为R，将带宽资源R特征描述抽象为以下三元组：

R=<ID(R),SA(R),DA(R)>

ID(R)为带宽资源R的全局唯一标识符，在整个异构网络系统中，每个无线接入网络拥有的带宽资源都具有一个全局唯一标识符；

SA(R)为带宽资源R的静态信息描述集；

DA(R)为带宽资源R的动态信息描述集。

优选的，SA(R)={属主信息,单位带宽的基本使用代价q}

属主信息：带宽资源R属于哪一个无线通信网络；

单位带宽的基本使用代价q：当用户会话申请使用带宽资源R时，使用单位带宽资源的基本代价；

DA(R)={当前负载率d，最大负载率dMax，负载率阈值θ，代价上浮因子ξ}

当前负载率d：带宽资源R在当前时段内的占用率，例如在t时段，某无线通信网络的当前负载率d为20%，即该无线网络的带宽资源R在t时段内的占用率为20%；

最大负载率dMax：无线通信网络提供的最大带宽占用率；

负载率阈值θ：小于负载率阈值θ时，无线通信网络中单位带宽的使用代价为基本使用代价；

代价上浮因子ξ：大于等于负载率阈值时，无线通信网络中单位带宽的使用代价相对于基本使用代价将上浮，上浮的比例记为上浮因子ξ。

在一个特定区域内，异构网络系统的总接入带宽资源是有限的，每个无线通信网络按照通信政策获得了相应比例的接入带宽资源，不同无线通信网络带宽资源的使用代价是不同的。

优选的，所述步骤（2）中，对矢量带宽资源库，按照“最小化会话接入代价、最优化系统负载均衡”两个优化目标，建立联合会话接纳控制通用模型，具体包括如下步骤：

（2a）设在异构网络中存在M个无线通信网络，第i个无线通信网络拥有的带宽资源为R_i，单位带宽的基本使用代价为q_i，当前负载率为d_i，最大负载率为dMax_i，负载率阈值为θ_i，代价上浮因子为ξ_i；

（2b）设在一个时间周期T内，有N个接入请求，第j个接入请求的请求带宽为w_j；

（2c）将第j个接入请求分配给第i个无线通信网络的情况为x_ij：

（2d）将第j个接入请求分配给第i个无线通信网络的接纳代价为p_ij：

（2e）将N个接入请求分配给M个无线通信网络的总代价为f₁：

$f_1=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ij}}\&CenterDot;p_{\mathrm{ij}}$

（2f）在时间周期T内，第i个无线通信网络接纳接入请求后的负载率为

$\widetilde{d_i}=d_i+\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\frac{w_j}{R_i}\&CenterDot;x_{\mathrm{ij}})$

（2g）将N个接入请求接纳到M个无线通信网络后的网络负载均衡性为f₂：

$f_2=\underset{i=1}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}|\widetilde{d_i}-\widetilde{d_{i+1}}|$

（2h）建立联合会话接纳控制通用模型如下：

$\min f_1=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ij}}\&CenterDot;p_{\mathrm{ij}}$

$\min f_2=\underset{i=1}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}|\widetilde{d_i}-\widetilde{d_{i+1}}|$

$s.t.\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ij}}=1$

$\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ij}}\&GreaterEqual;0$

其中，目标函数minf₁表示接纳控制的总代价最小，目标函数minf₂表示接纳控制后的网络系统的负载均衡性最好，约束条件表示每个接入请求最多被一个无线通信网络接纳，约束条件

表示每个无线通信网络可以接纳多个会话请求。

有益效果：本发明提供的异构网络融合场景下的联合会话接纳控制方法，相对于现有技术，具有如下优势：

1、将联合会话接入控制问题建模为多目标优化问题，即：把用户会话接入代价作为一个优化目标，把系统的负载均衡性能作为另一个优化目标；本发明所设计的接入控制方案较好地兼顾了负载均衡目标和用户会话接入代价目标；

2、本发明利用人工智能方法，可以解决大规模联合会话接纳控制问题，能够找出最优的会话接纳控制方案；

3、今后，随着4G网络的应用，异构网络融合现象日趋显著；本发明从提高整个异构网络系统的带宽资源利用率角度和负载均衡性出发，解决了异构网络融合场景下的联合会话接纳控制问题，这种技术对发展绿色通信提供了有力的支持。

附图说明

图1为本发明的流程框图；

其中，实线表示处理流程，虚线表示控制信息或采用方法。

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所示为一种异构网络融合场景下的联合会话接纳控制方法，包括如下步骤：

（1）使用统一的异构网络带宽资源特征描述和表达方法，将各个无线通信网络的带宽资源汇集为一个矢量带宽资源库；

（2）对矢量带宽资源库，按照“最小化会话接入代价、最优化系统负载均衡”两个优化目标，建立联合会话接纳控制通用模型；

（3）使用人工智能方法求解联合会话接纳控制通用模型，获得最优的联合会话接纳控制方案；

（4）在仿真环境下，对求出的联合会话接纳控制方案进行验证、评估，获取评估数据，修正联合会话接纳控制通用模型的相关参数，获得联合会话接纳控制优选模型；

（5）求解联合会话接纳控制优选模型，获得最终的联合会话接纳控制方案。

所述步骤（1）中，统一的异构网络带宽资源特征描述和表达方法为：将无线带宽资源和用户需求用广义矢量资源空间网格中的矢量表示，首先根据带宽资源分布，建立带宽资源使用约束条件，将矢量资源划分为可用矢量资源、已用矢量资源和禁用矢量资源，将带宽资源使用的决策转化为可用矢量资源和资源需求矢量匹配的过程。

所述步骤（1）中，统一的异构网络带宽资源特征描述和表达方法，具体为：设无线通信网络拥有的带宽资源为R，将带宽资源R特征描述抽象为以下三元组：

R=<ID(R),SA(R),DA(R)>

ID(R)为带宽资源R的全局唯一标识符，在整个异构网络系统中，每个无线接入网络拥有的带宽资源都具有一个全局唯一标识符；

SA(R)为带宽资源R的静态信息描述集：

SA(R)={属主信息,单位带宽的基本使用代价q}

属主信息：带宽资源R属于哪一个无线通信网络；

单位带宽的基本使用代价q：当用户会话申请使用带宽资源R时，使用单位带宽资源的使用代价；

DA(R)为带宽资源R的动态信息描述集：

DA(R)={当前负载率d，最大负载率dMax，负载率阈值θ，代价上浮因子ξ}

当前负载率d：带宽资源R在当前时段内的占用率，例如在t时段，某无线通信网络的当前负载率d为20%，即该无线网络的带宽资源R在t时段内的占用率为20%；

最大负载率dMax：无线通信网络提供的最大带宽占用率；

负载率阈值θ：小于负载率阈值θ时，无线通信网络中单位带宽的使用代价为基本使用代价；

代价上浮因子ξ：大于等于负载率阈值时，无线通信网络中单位带宽的使用代价相对于基本使用代价将上浮，上浮的比例记为上浮因子ξ。

所述步骤（2）中，对矢量带宽资源库，按照“最小化会话接入代价、最优化系统负载均衡”两个优化目标，建立联合会话接纳控制通用模型，具体包括如下步骤：

（2a）设在异构网络中存在M个无线通信网络，第i个无线通信网络拥有的带宽资源为R_i，单位带宽的基本使用代价为q_i，当前负载率为d_i，最大负载率为dMax_i，负载率阈值为θ_i，代价上浮因子为ξ_i；

（2b）设在一个时间周期T内，有N个接入请求，第j个接入请求的请求带宽为w_j；

（2c）将第j个接入请求分配给第i个无线通信网络的情况为x_ij：

（2d）将第j个接入请求分配给第i个无线通信网络的接纳代价为p_ij：

（2e）将N个接入请求分配给M个无线通信网络的总代价为f₁：

$f_1=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ij}}\&CenterDot;p_{\mathrm{ij}}$

（2f）在时间周期T内，第i个无线通信网络接纳接入请求后的负载率为

$\widetilde{d_i}=d_i+\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\frac{w_j}{R_i}\&CenterDot;x_{\mathrm{ij}})$

（2g）将N个接入请求接纳到M个无线通信网络后的网络负载均衡性为f₂：

$f_2=\underset{i=1}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}|\widetilde{d_i}-\widetilde{d_{i+1}}|$

（2h）建立联合会话接纳控制通用模型如下：

$\min f_1=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ij}}\&CenterDot;p_{\mathrm{ij}}$

$\min f_2=\underset{i=1}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}|\widetilde{d_i}-\widetilde{d_{i+1}}|$

$s.t.\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ij}}=1$

$\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ij}}\&GreaterEqual;0$

其中，目标函数minf₁表示接纳控制的总代价最小，目标函数minf₂表示接纳控制后的网络系统的负载均衡性最好，约束条件

表示每个接入请求最多被一个无线通信网络接纳，约束条件表示每个无线通信网络可以接纳多个会话请求。

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 (5)

1.一种异构网络融合场景下的联合会话接纳控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）使用统一的异构网络带宽资源特征描述和表达方法，将各个无线通信网络的带宽资源汇集为一个矢量带宽资源库；

（2）对矢量带宽资源库，按照“最小化会话接入代价、最优化系统负载均衡”两个优化目标，建立联合会话接纳控制通用模型；

（3）使用人工智能方法求解联合会话接纳控制通用模型，获得最优的联合会话接纳控制方案；

（4）在仿真环境下，对求出的联合会话接纳控制方案进行验证、评估，获取评估数据，修正联合会话接纳控制通用模型的相关参数，获得联合会话接纳控制优选模型；

（5）求解联合会话接纳控制优选模型，获得最终的联合会话接纳控制方案。

2.根据权利要求1所述的异构网络融合场景下的联合会话接纳控制方法，其特征在于：所述步骤（1）中，统一的异构网络带宽资源特征描述和表达方法为：将无线带宽资源和用户需求用广义矢量资源空间网格中的矢量表示，首先根据带宽资源分布，建立带宽资源使用约束条件，将矢量资源划分为可用矢量资源、已用矢量资源和禁用矢量资源，将带宽资源使用的决策转化为可用矢量资源和资源需求矢量匹配的过程。

3.根据权利要求1所述的异构网络融合场景下的联合会话接纳控制方法，其特征在于：所述步骤（1）中，统一的异构网络带宽资源特征描述和表达方法，具体为：设无线通信网络拥有的带宽资源为R，将带宽资源R特征描述抽象为以下三元组：

R=<ID(R),SA(R),DA(R)>

ID(R)为带宽资源R的全局唯一标识符；

SA(R)为带宽资源R的静态信息描述集；

DA(R)为带宽资源R的动态信息描述集。

4.根据权利要求3所述的异构网络融合场景下的联合会话接纳控制方法，其特征在于：

SA(R)={属主信息,单位带宽的基本使用代价q}

属主信息：带宽资源R属于哪一个无线通信网络；

单位带宽的基本使用代价q：当用户会话申请使用带宽资源R时，使用单位带宽资源的基本代价；

DA(R)={当前负载率d，最大负载率dMax，负载率阈值θ，代价上浮因子ξ}

当前负载率d：带宽资源R在当前时段内的占用率；

最大负载率dMax：无线通信网络提供的最大带宽占用率；

负载率阈值θ：小于负载率阈值θ时，无线通信网络中单位带宽的使用代价为基本使用代价；

代价上浮因子ξ：大于等于负载率阈值时，无线通信网络中单位带宽的使用代价相对于基本使用代价将上浮，上浮的比例记为上浮因子ξ。

5.根据权利要求4所述的异构网络融合场景下的联合会话接纳控制方法，其特征在于：所述步骤（2）中，对矢量带宽资源库，按照“最小化会话接入代价、最优化系统负载均衡”两个优化目标，建立联合会话接纳控制通用模型，具体包括如下步骤：

（2a）设在异构网络中存在M个无线通信网络，第i个无线通信网络拥有的带宽资源为R_i，单位带宽的基本使用代价为q_i，当前负载率为d_i，最大负载率为dMax_i，负载率阈值为θ_i，代价上浮因子为ξ_i；

（2b）设在一个时间周期T内，有N个接入请求，第j个接入请求的请求带宽为w_j；

（2c）将第j个接入请求分配给第i个无线通信网络的情况为x_ij：

（2d）将第j个接入请求分配给第i个无线通信网络的接纳代价为p_ij：

（2e）将N个接入请求分配给M个无线通信网络的总代价为f₁：

$f_1=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ij}}\&CenterDot;p_{\mathrm{ij}}$

（2f）在时间周期T内，第i个无线通信网络接纳接入请求后的负载率为

$\widetilde{d_i}=d_i+\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\frac{w_j}{R_i}\&CenterDot;x_{\mathrm{ij}})$

（2g）将N个接入请求接纳到M个无线通信网络后的网络负载均衡性为f₂：

$f_2=\underset{i=1}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}|\widetilde{d_i}-\widetilde{d_{i+1}}|$

（2h）建立联合会话接纳控制通用模型如下：

$\min f_1=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ij}}\&CenterDot;p_{\mathrm{ij}}$

$\min f_2=\underset{i=1}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}|\widetilde{d_i}-\widetilde{d_{i+1}}|$

$s.t.\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ij}}=1$

$\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ij}}\&GreaterEqual;0$

其中，目标函数minf₁表示接纳控制的总代价最小，目标函数minf₂表示接纳控制后的网络系统的负载均衡性最好，约束条件

表示每个接入请求最多被一个无线通信网络接纳，约束条件

表示每个无线通信网络可以接纳多个会话请求。

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