CN103796244B

CN103796244B - 一种均衡负载的无线异构多网接入选择方法

Info

Publication number: CN103796244B
Application number: CN201410082235.XA
Authority: CN
Inventors: 李洪兵; 姜文浩; 余华兴; 冯文江; 李志勇; 唐夲; 蒲廖江; 廖玉祥; 王勇; 吴彬; 周霞
Original assignee: Chongqing University; State Grid Corp of China SGCC; Jiangbei Power Supply Co of State Grid Chongqing Electric Power Co Ltd
Current assignee: Chongqing University; State Grid Corp of China SGCC; Jiangbei Power Supply Co of State Grid Chongqing Electric Power Co Ltd
Priority date: 2014-03-07
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2017-10-20
Anticipated expiration: 2034-03-07
Also published as: CN103796244A

Abstract

本发明公开了一种均衡负载的无线异构多网接入选择方法，解决现有异构网络接入选择技术中未考虑不同业务对于QoS需求不同，造成资源浪费，系统收益低及网络负载差异大的问题。本发明在网络参数中选择判决因素，构造网络选择效用函数。然后根据不同业务对于QoS的不同需求，为其分配不同的判决因素权重值。当有业务到达时，剔除不满足业务QoS的备选网络，计算其他备选网络的各判决因素的评估函数值。将各判决因素的评估函数值结合其权重带入，计算得到各备选网络的效用。最终选择效用最高的网络接入。本发明在异构多网覆盖的情况下，利用不同网络各自的性能优势，为用户选择最佳网络的同时均衡了网络负载，实现了资源的充分利用。

Description

一种均衡负载的无线异构多网接入选择方法

技术领域

本发明属于无线异构网络的技术，具体涉及一种均衡负载的无线异构多网接入选择方法。

背景技术

随着无线通信技术的不断发展，现今对于无线网络覆盖范围、容量、业务类型及服务质量(QoS) 的要求也越来越高，单一网络已经不能满足人们对通信的需求。并且无线通信业务迅速增长，多媒体业务的应用愈发广泛，这就要求多种无线接入网络的合作，为用户提供更优质的服务。下一代无线网络致力于通过多种无线接入技术的集成和合作来支持多样化的网络接入。对于装备了多种网卡的移动终端而言，网络接入选择是其保证服务连续性和性能最优化的关键，起着非常重要的作用。随着广域蜂窝移动通信网络和无线局域网等无线网络的普及应用，视频点播、移动商务等新业务不断出现。不同业务对于QoS的需求各不相同。

对异构网络的接入选择，归根结底主要解决QoS保障和网络资源的合理、高效利用问题。迄今为止，学者已经提出了许多的选择方法，可归纳为：基于策略启动的网络选择方法、采用效用函数的网络评估方法、引入网络排除因子的代价函数方法和基于模糊神经网络的自适应网络选择方法等。上述方法虽各有优点，但是都没有考虑对用户的不同业务类型进行区分，难以保证用户通信的不同QoS需求。同时上述方法也没有考虑网络不同负载对于通信质量的影响，对于网络资源的利用不尽合理。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种均衡负载的无线异构多网接入选择方法，它能解决现有的异构网络接入选择技术中忽略不同业务对于QoS需求差异，从而造成资源浪费，系统收益低以及各网络负载差异较大的问题。

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括下述步骤：

步骤一、在多个网络因素中选择判决因素。综合考虑各网络因素对网络选择的影响，选取数据率R，连接时延D，误码率E和服务费用C这四个参数作为判决因素；

步骤二、构造网络接入选择效用函数:

U ^(s) _n =w ^(s) _R f ^(s) _R,n +w ^(s) _D f ^(s) _D,n +w ^(s) _E f ^(s) _E,n +w ^(s) _C f ^(s) _C,n,

其中，U ^(s) _n是网络n中服务s的效用值；f ^(s) _R,n，f ^(s) _D,n ，f ^(s) _E,n，f ^(s) _C,n,分别是网络n中，服务s的数据率评估函数，时延评估函数，误码率评估函数以及服务费用评估函数；而w ^(s) _R，w ^(s) _D，w ^(s) _E，w ^(s) _C分别是网络n中，服务s的数据率权重值，时延权重值，误码率权重值以及服务费用权重值，且满足w ^(s) _R+w ^(s) _D+w ^(s) _E+w ^(s) _C = 1；

步骤三、针对不同业务给不同判决因素分配不同的权重值：

根据IEEE 802.16d的业务分类原则所分成的四类业务包括：实时固定速率业务、实时变速率业务、非实时可变速率业务和尽力而为业务，依据四类业务的不同QoS要求，为四类不同业务分配不同的判决因素权重值，也就是，确定w ^(s) _R，w ^(s) _D，w ^(s) _E，w ^(s) _C的值；

步骤四、当有业务到达时，将不满足业务QoS要求的备选网络从备选网络集合中剔除；

步骤五、将业务的各判决因素代入到各自的评估函数中，结合各备选网络的负载情况，计算出各备选网络不同判决因素的评估函数值；各判决因素的评估函数如下：

f ^(s) _R,n= G((1+α)R ^(s) _n, R ^*(s)) ，f ^(s) _D,n= G((1+α)D ^(s) _n, D ^*(s)) ，

f ^(s) _E,n= G((1+α)E ^(s) _n, E ^*(s)) ，f ^(s) _C,n= G((1+α)C ^(s) _n, C ^*(s)) 。

其中，G(·)是一个钟型函数，α是负载均衡因子，R ^(s) _n，D ^(s) _n，E ^(s) _n，C ^(s) _n分别是网络n提供的数据率，时延，误码率和服务费用。而R ^*(s)，D ^*(s)，E ^*(s)，C ^*(s)则分别是服务s要求的数据率，时延，误码率和服务费用；

G(·)的表达式为：G(x,μ) = exp[−(x−μ)² /(2μ ²)]；

由于步骤四中已经剔除了不满足QoS需求，即R ^(s) _n < R ^*(s)或者D ^(s) _n <D ^*(s)或者E ^(s) _n < E ^*(s)或者C ^(s) _n <C ^*(s) 的网络，故R ^(s) _n，D ^(s) _n，E ^(s) _n，C ^(s) _n分别大于等于R ^*(s)，D ^*(s)，E ^*(s)，C ^*(s) 总是成立。能使上述评估函数值最大化的网络，是R ^(s) _n，D ^(s) _n，E ^(s) _n，C ^(s) _n分别最接近于R ^*(s)，D ^*(s)，E ^*(s)，C ^*(s)的网络。

负载均衡因子α定义为：α= max{0, (ρ _n −ρ _n0)}，

其中ρ _n表示网络n当前的负载情况，ρ _n0是网络n的低负载阈值，是一个预设值，根据不同网络的具体情况，值可能不同。负载均衡因子将各网络的负载情况引入考虑，将降低选择负载将重的网络的概率，起到了均衡网络负载的作用；

步骤六、将各判决因素的评估函数值f ^(s) _R,n， f ^(s) _D,n， f ^(s) _E,n，f ^(s) _C,n结合在步骤三中根据业务类型所确定的权重w ^(s) _R，w ^(s) _D，w ^(s) _E，w ^(s) _C代入步骤二中的网络接入选择效用函数中，计算各备选网络的效用U ^(s) _n；

步骤七、选择效用最高的备选网络接入。

步骤六和步骤七中的网络效用U ^(s) _n，由于引入了权重w ^(s) _R，w ^(s) _D，w ^(s) _E，w ^(s) _C，考虑到了不同业务对于QoS的不同需求。在步骤五中计算判决因素的评估函数值时，负载均衡因子α引入了对各网络负载的均衡，而钟型函数G(·)选择的是，在考虑负载的情况下，能够提供尽可能接近（但不小于）服务需求的R ^*(s)，D ^*(s)，E ^*(s)，C ^*(s)的网络。因此，所提出的网络接入选择方法，既考虑到了不同业务对于QoS的不同需求，又考虑到了网络负载对于服务的影响，实现了负载均衡，同时选择了能够提供最接近服务需求的资源的网络，而把资源更优的网络留给了QoS需求更高的网络，有效地避免了浪费。

本发明有效解决了现有的异构网络接入选择技术中存在的没有考虑不同业务对于QoS需求不同，从而造成资源浪费，系统收益低以及各网络负载差异较大的问题。

附图说明

图1为本发明的实施例流程图。

具体实施方式

参见图1，本实施例中的均衡负载的无线异构网络接入选择方法包括如下步骤：

步骤一、在多种网络参数中选择判决因素。综合考虑各因素对网络选择的影响，选取数据率R，连接时延D，误码率E和服务费用C这四个参数作为判决因素。这是因为：

（1）不同网络所提供的数据率不同，而数据率是保障业务能否顺利进行的关键因素；

（2）根据IEEE 802.16d所划分的四类业务对于时延的要求差别很大，所以必须要考虑时延这一因素；

（3）不同业务对于误码率的要求也有较大差别；

（4）对于相同业务，有时不同网络对其收取的费用差别很大，因此费用因素也必须纳入考虑。

步骤二、构造网络接入选择效用函数:

其中，U ^(s) _n是网络n中服务s的效用值, U ^(s) _n值最大的网络就是我们要接入的目标网络。f ^(s) _R,n，f ^(s) _D,n ，f ^(s) _E,n，f ^(s) _C,n,分别是网络n中，服务s的数据率评估函数，时延评估函数，误码率评估函数以及服务费用评估函数。而w ^(s) _R，w ^(s) _D，w ^(s) _E，w ^(s) _C分别是网络n中，服务s的数据率权重值，时延权重值，误码率权重值以及服务费用权重值，且满足w ^(s) _R+w ^(s) _D+w ^(s) _E+w ^(s) _C = 1。

步骤三、根据IEEE 802.16d的业务分类原则所划分的四类业务包括：实时固定速率业务、实时变速率业务、非实时可变速率业务和尽力而为业务，依据四类业务的不同QoS要求，为不同业务分配不同的判决因素权重值。表1为四类业务及其QoS特征。

表1 IEEE802.16d对业务的分类

业务类型	主要QoS特征	典型业务
			实时固定速率业务	较小的时延，较高的数据率	T1/E1业务，VoIP业务
实时变速率业务	小的时延，数据率要求不固定	MPEG视频流
			非实时可变速率业务	时延要求低，误码率要求较高	FTP业务
尽力而为业务	时延要求最低，误码率要求高	E-mail，短信业务

根据表1列出的业务及其对应的QoS特征，本例中我们对不同业务的判决因素权重值作如下分配：对于实时固定速率业务，w ^(s) _R = 0.3，w ^(s) _D = 0.3，w ^(s) _E = 0.2，w ^(s) _C= 0.2 ;对于实时变速率业务，w ^(s) _R = 0.2，w ^(s) _D = 0.4，w ^(s) _E = 0.2，w ^(s) _C= 0.2 ;对于非实时可变速率业务，w ^(s) _R = 0.25，w ^(s) _D = 0.2，w ^(s) _E = 0.3，w ^(s) _C= 0.25 ;对于尽力而为业务，w ^(s) _R =0.25，w ^(s) _D = 0.1，w ^(s) _E =0.4，w ^(s) _C= 0.25。

步骤四、当有业务到达时，将不满足业务QoS要求的备选网络从备选网络集合中剔除。即剔除掉R ^(s) _n < R ^*(s)或者D ^(s) _n <D ^*(s)或者E ^(s) _n <E ^*(s)或者C ^(s) _n <C ^*(s) 的网络。因为一旦某网络出现上述情况，业务就不能在该网络上顺利进行。

步骤五、将业务的各判决因素代入到各自的评估函数中，结合各备选网络的负载情况，计算出各备选网络不同判决因素的评估函数值。各判决因素的评估函数如下：

f ^(s) _E,n= G((1+α)E ^(s) _n, E ^*(s)) ，f ^(s) _C,n= G((1+α)C ^(s) _n, C ^*(s))

其中，G(·)是钟型函数，α是负载均衡因子，R ^(s) _n，D ^(s) _n，E ^(s) _n，C ^(s) _n分别是网络n提供的数据率，时延，误码率和服务费用。而R ^*(s)，D ^*(s)，E ^*(s)，C ^*(s)则分别是服务s要求的数据率，时延，误码率和服务费用；

G(·)的表达式为：G(x,μ) = exp[−(x−μ)² /(2μ ²)]。

由于步骤四中已经剔除了不满足QoS需求的网络，故R ^(s) _n，D ^(s) _n，E ^(s) _n，C ^(s) _n分别大于等于R ^*(s)，D ^*(s)，E ^*(s)，C ^*(s) 总是成立。能使上述评估函数值最大化的网络，是R ^(s) _n，D ^(s) _n，E ^(s) _n，C ^(s) _n分别最接近于R ^*(s)，D ^*(s)，E ^*(s)，C ^*(s)的网络。

负载均衡因子α定义为：α= max{0, (ρ _n −ρ _n0)}，

其中ρ _n表示网络n当前的负载情况，ρ _n0是网络n的低负载阈值，是一个预设值，根据不同网络的具体情况，值可能不同。本例中ρ _n可以用当前网络用户数与网络最大可以承载的用户数的比值来表示，而ρ _n0统一设置为30%。负载均衡因子α降低了选择负载将重的网络的概率。起到了均衡网络负载的作用。

步骤六、将各判决因素的评估函数值f ^(s) _R,n， f ^(s) _D,n， f ^(s) _E,n，f ^(s) _C,n结合在步骤三中根据业务类型所确定的权重w ^(s) _R，w ^(s) _D，w ^(s) _E，w ^(s) _C代入步骤二中的网络接入选择效用函数中，计算各备选网络的效用U ^(s) _n。

步骤七、选择效用最高的备选网络接入。

Claims

1.一种均衡负载的无线异构多网接入选择方法，其特征在于，包含下述步骤：

(1)在多个网络因素中选择判决因素；

(2)构造网络接入选择效用函数；

(3)对于不同业务，为不同判决因素分配不同的权重值；

(4)当有业务到达时，将不满足业务QoS(Quality of Service)要求的备选网络从备选网络集合中剔除；

(5)将业务的各判决因素代入到各自的评估函数中，结合各备选网络的负载情况，计算出各备选网络不同判决因素的评估函数值；

(6)将各判决因素的评估函数值结合其权重值代入网络接入选择效用函数中，计算各备选网络的效用函数值；

(7)选择效用函数值最大的备选网络接入；

步骤(1)中，判决因素为数据率R，连接时延D，误码率E和服务费用C这四个参数；

步骤(2)中，所述网络接入选择效用函数为：

其中，和分别是网络n中，服务s的数据率评估函数，连接时延评估函数，误码率评估函数和服务费用评估函数；而和分别是网络n中，服务s的数据率权重值，连接时延权重值，误码率权重值和服务费用权重值，且满足

步骤(3)中，根据IEEE 802.16d的业务分类原则所分成的四类业务包括：实时固定速率业务、实时变速率业务、非实时可变速率业务和尽力而为业务，其中，实时固定速率业务包括T1/E1业务、VoIP业务等，其主要特征是较小的连接时延，较高的数据率；实时变速率业务包括视频业务等，其主要特征是小的连接时延，数据率要求不固定；非实时可变速率业务包括FTP业务等，其主要特征是连接时延要求较低，误码率要求较高；尽力而为业务包括电子邮件业务、短信业务等，其主要特征是连接时延要求低，误码率要求高；

为四类不同业务分配不同的判决因素权重值：对于实时固定速率业务，对于实时变速率业务，对于非实时可变速率业务，对于尽力而为业务，

步骤(5)中，各判决因素的评估函数如下：

其中，G(*,*)是一个钟型函数，α是负载均衡因子，R_n，D_n，E_n和C_n分别是网络n能提供的数据率，连接时延，误码率和服务费用；而R^(s)，D^(s)，E^(s)和C^(s)分别是服务s要求的数据率，连接时延，误码率和服务费用；

钟型函数G(*,*)的表达式为：

负载均衡因子α定义为：

α＝max{0,(ρ_n-ρ_n0)}

其中，ρ_n为网络n当前的负载，ρ_n0网络n的低负载阈值，是一个预设值；

步骤(6)中，将各判决因素的评估函数值和结合步骤(3)中根据业务类型确定的权重和代入步骤(2)中的网络接入选择效用函数中，计算各备选网络的效用函数值