CN103987086A - 无线终端接入点的负载均衡方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无线终端接入点的负载均衡方法及系统，该方法包括：获取无线终端接入点LTE回传侧信道质量信息以及所述无线终端接入点的接入侧信息；根据所述LTE回传侧信道质量信息计算无线终端接入点LTE回传侧信道容量；根据所述LTE回传侧信道容量和所述接入侧信息构造负载函数，计算无线终端接入点的负载；将各个无线终端接入点的负载以及所述LTE回传侧信道容量通过Beacon帧广播；或者根据各个无线终端接入点的负载，对接入用户进行无线终端接入点切换。本发明综合考虑LTE回传侧信道容量和接入侧信息，优化了无线终端接入点的负载计算，可以有效解决接入侧通信速率大于回传侧承载能力造成的丢包问题。

Description

无线终端接入点的负载均衡方法及系统

【技术领域】

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种无线终端接入点的负载均衡方法及系统。

【背景技术】

目前由运营商或行业布放的WLAN设备，多采用瘦AP(Access Point，无线访问接入点)架构，多个AP由AC(Access Controlle，接入控制器)进行控制，完成对区域的覆盖。由于存在多个AP，如果不进行控制，让用户进行随机接入，就可能造成大量用户接入到少数热点AP，资源利用效率低，网络拥塞，接入流量超过AP负载等问题，因此需要在接入侧进行负载均衡控制。

负载均衡技术源自于有线网络，为了防止任务的拥塞，通过负载均衡把任务分配到空闲的服务器，从而提高资源利用率和整网速率。随着无线通信技术的发展，负载均衡技术也从有线推广到无线通信。对于WLAN网络，负载均衡技术的侧重点是把用户分配到不同的AP上，对于信号好、处理能力强的AP，可以接入更多的用户。

随着LTE技术的发展，目前已经出现了采用WLAN接入，同时采用LTE进行数据回传的无线接入解决方案，并逐渐成为一种LTE网络应用的主要组网方式之一。由于数据回传侧同样采用无线通信技术，这对负载均衡技术也提出新的要求。传统的WLAN网络负载均衡技术已经不足以起到使资源利用效率最大化、整网吞吐量最优的作用。

【发明内容】

基于此，本发明提供一种无线终端接入点的负载均衡方法，综合考虑LTE回传侧的信道容量和接入侧信息，优化无线终端接入点的负载计算，能够获得比传统负载均衡方法更好的效果。

本发明中无线终端接入点的负载均衡方法包括如下步骤：

获取无线终端接入点的LTE回传侧信道质量信息以及所述无线终端接入点的接入侧信息；根据所述LTE回传侧信道质量信息计算无线终端接入点的LTE回传侧信道容量；

根据所述LTE回传侧信道容量和所述接入侧信息构造负载函数，计算无线终端接入点的负载；

将各个无线终端接入点的负载以及所述LTE回传侧信道容量通过Beacon帧广播；或者根据各个无线终端接入点的负载，对接入用户进行无线终端接入点的切换。

相应地，本发明还提供了一种无线终端接入点的负载均衡系统，包括：

获取模块，用于获取无线终端接入点的LTE回传侧信道质量信息以及所述无线终端接入点的接入侧信息，并根据所述LTE回传侧信道质量信息计算无线终端接入点的LTE回传侧信道容量；

负载计算模块，用于根据所述LTE回传侧信道容量和所述接入侧信息构造负载函数，计算无线终端接入点的负载；

均衡模块，用于将各个无线终端接入点的负载以及所述LTE回传侧信道容量通过Beacon帧广播；或者根据各个无线终端接入点的负载，对接入用户进行无线终端接入点的切换。

本发明提出的负载均衡方法综合考虑LTE回传侧的信道容量和接入侧信息，优化了无线终端接入点的负载计算，可以有效解决接入侧通信速率大于回传侧承载能力造成的丢包问题，优化了网络资源配置，提升了网络吞吐量。

【附图说明】

图1为本发明中一种无线终端接入点的负载均衡方法的流程图；

图2为本发明实施例一中对接入用户进行无线终端接入点切换的流程图；

图3为本发明实施例一中筛选用户并进行无线终端接入点切换的流程图；

图4为本发明实施例三中筛选用户并进行无线终端接入点切换的方法的流程图；

图5为本发明中一种无线终端接入点的负载均衡系统的结构图；

图6为本发明中均衡模块的一种结构图；

图7为本发明中用户切换模块的一种结构图；

图8为本发明中用户切换模块的另一种结构图。

【具体实施方式】

下面结合具体实施例对本发明的内容作进一步的描述。

实施例一

如图1所示，一种无线终端接入点的负载均衡方法，包括如下步骤：

S110获取无线终端接入点的LTE回传侧信道质量信息以及所述无线终端接入点的接入侧信息；根据所述LTE回传侧信道质量信息计算无线终端接入点的LTE回传侧信道容量；

S210根据所述LTE回传侧信道容量和所述接入侧信息构造负载函数，计算无线终端接入点的负载；

S310根据各个无线终端接入点的负载，对接入用户进行无线终端接入点的切换。

具体的，在本实施例中两个无线终端接入点A和B分别与基站保持LTE数据通信连接，它们均在AC的管控中。其中，无线终端接入点A有两个用户接入，分别为用户1和用户2，而无线终端接入点B没有用户接入。

AC收集无线终端接入点A和B的LTE回传侧信道质量信息，分别记为H_A，H_B。同时AC还获取无线终端接入点A和B接入侧信息，本实施例中接入侧信息为接入的用户数以及接入用户的速率。

根据下式计算无线终端接入点A和B LTE回传侧信道容量：

$C_i=W_i{\log }_2\det (I+\frac{P_i}{M_{\mathrm{Ti}}{\mathrm{\σ}}^2}{H}_i{H}_i^H),i=A,B$

其中I为单位矩阵，M_Ti是无线终端接入点i的发射天线数，(·)^H表示矩阵的共轭转置，det(·)表示计算行列式，W_i为无线终端接入点i的通信带宽，σ²为噪声方差，可以根据经验设定或者测量获得。

举例说明LTE回传侧信道容量计算结果，如表1所示：

	无线终端接入点A	无线终端接入点B
			LTE回传侧信道容量C	11Mbps	22Mbps

表1LTE回传侧信道容量计算结果

表2为AC获取的接入侧信息：

表2无线终端接入点的接入侧信息

根据获取的LTE回传侧信道容量和接入侧信息构造负载函数，计算无线终端接入点的负载；然后根据计算结果对接入用户进行无线终端接入点切换。

如图2所示，具体的，对接入用户进行无线终端接入点切换的过程包括如下步骤：

S311判断所述无线终端接入点的负载是否大于预设门限；

S312当所述无线终端接入点的负载大于预设门限时，根据设定执行策略筛选用户并进行无线终端接入点的切换。

筛选用户并进行无线终端接入点切换可以采用现有技术中的多种方式，如图3所示，本实施例中采用如下方法：

S3121通过所述负载函数获取过载因素并根据所述过载因素确定待切换用户和目标无线终端接入点；

S3122将所述待切换用户从当前无线终端接入点切换至所述目标无线终端接入点。

具体的，在本实施例中，根据获取的LTE回传侧信道容量和接入侧信息,计算各个无线终端接入点的负载函数：

${\mathrm{Load}}_i=\left\{\begin{array}{c}{L}_{\max i},{\mathrm{Num}}_i\≥N_{\max i}\\ L_{\max i},\max \left\{{\stackrel{\→}{R}}_i\right\}>C_i\\ f\left({\stackrel{\→}{R}}_i\right),\mathrm{otherwise}\end{array}\right.$

其中Load_i表示第i个无线终端接入点的负载；L_maxi为一个足够大(大于预设门限Z_i)的常数，这里预设门限Z_i取100Mpbs，L_maxi设为10000Mbps；是一个速率矢量，其中的分量就是当前无线终端接入点i各个接入用户的速率；Num_i为无线终端接入点i当前接入的用户数；N_maxi为无线终端接入点i能够接入的最大用户数，可以事先设定；C_i为无线终端接入点i的LTE回传侧信道容量，是一个关于无线终端接入点i各个接入用户的速率的函数。

根据前面的参数，经过计算，本实施例中两个无线终端接入点负载情况如表3所示：

无线终端接入点	A	B
			Load	10000Mbps	0Mbps

表3无线终端接入点负载情况汇总

由于无线终端接入点A接入用户2的速率R₂为15Mbps，超过了A的LTE回传侧信道容量，故无线终端接入点A的负载为10000Mbps,大于预设门限，因此需要进行用户切换。

根据负载函数可以确定当前的过载因素(即造成负载超过预设门限的原因)为无线终端接入点A接入用户2的速率大于LTE回传侧信道容量，因此确定待切换用户为用户2，目标无线终端接入点为B。可以采用表4给出的方案，根据不同的过载因素确定待切换用户和目标无线终端接入点，当然其他传统负载均衡中的用户切换技术均可采用。

表4待切换用户和目标无线终端接入点的选取

通过上述方法，综合考虑LTE回传侧信道容量以及接入侧信息，并据此构造负载函数，通过负载函数对接入用户进行无线终端接入点切换完成无线终端接入点的负载均衡。

实施例二

本实施例中有两个无线终端接入点C和D在AC的管控下，用户c接入到无线终端接入点C，用户d接入到无线终端接入点D，用户e为新接入用户，有接入的需求。

首先AC获取无线终端接入点C和D的LTE回传侧信道质量信息和接入侧信息，根据各自的LTE回传侧信道质量信息计算各自的LTE回传侧信道容量；然后根据LTE回传侧信道容量和接入侧信息构造负载函数，计算无线终端接入点的负载，具体方法可参照实施例一。

计算出无线终端接入点C和D的负载之后，将负载情况以及各自的LTE回传侧信道容量进行广播，即：无线终端接入点C通过它的Beacon帧广播其负载Load_C和LTE回传侧信道容量C_C，无线终端接入点D通过它的Beacon帧广播其负载Load_D和LTE回传侧信道容量C_D。新用户e在接入网络之前，会搜索当前网络中的无线终端接入点，获取Beacon中的信息，优先接入负载较轻且回传侧信道容量较大的网络，通过这种方法，实现负载均衡。当然新用户对无线终端接入点的选取策略并不唯一，但是无论何种方法，都需要考虑无线终端接入点的负载、LTE回传侧信道容量以及接入侧信息这些参数。

实施例三

本实施例中两个无线终端接入点X和Y分别与基站保持LTE数据通信连接，它们均在AC的管控中,其中，无线终端接入点X有三个用户接入，分别为User1、User2和User3，User4接入无线终端接入点Y。

采用实施例一中的方法计算出无线终端接入点X和Y的负载，当有负载超过预设门限时，根据以下策略筛选用户并进行无线终端接入点的切换。

如图4所示，包括如下步骤：

S3221根据用户接入关系构造网络吞吐量函数；

S3222计算出使得所述网络吞吐量函数达到最优值的用户接入关系，并按该用户接入关系进行无线终端接入点的切换。

本实施例中提供一种构造网络吞吐量函数的方法。

首先，无线终端接入点X和无线终端接入点Y获取网络中所有其能听到的用户接入自身的速率估算，例如可以根据用户接入时的Probe Request(调查请求)信号的接收信号强度RSS来估算，并将速率估算上报AC。AC统计所有无线终端接入点的情况，如表5所示：

表5用户速率估算对应表

其中Rate_ji,j＝1,2,3,4；i＝X,Y表示如果Userj接入无线终端接入点i的接入速率。

然后将速率估算转化为负载估算：

Load_ji＝F(Rate_ji)

形成如表6所示的负载估算结果：

表6用户负载估算表

其中Load_ji,j＝1,2,3,4；i＝X,Y表示如果用户Userj接入无线终端接入点i给无线终端接入点i带来的负载。

检查表6中的每一列，若某一列中的负载均超过预设门限，则把该列删除，在后面的用户切换方案中不考虑该用户，而是在切换完毕后，保持该用户自由接入的无线终端接入点不变。在本实施例中假设不存在某一列中的负载均超过预设门限的情况。

把表中的每一行看做一个矢量，记为：

Load_i＝[Load_1i,Load_2i,Load_3i,Load_4i]^T,i＝X,Y

根据用户接入组合构建网络吞吐量函数：

$\mathrm{Troughput}\left({\mathrm{Access}}_i\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\left|\right|{\mathrm{Load}}_i\⊗{\mathrm{Access}}_i\left|\right|}_1}{{\left|\right|{\mathrm{Load}}_i\⊗{\mathrm{Access}}_i\left|\right|}_0},i\∈\{X,Y|{\mathrm{Load}}_i\⊗{\mathrm{Access}}_i\≠\stackrel{\→}{0}\}$

其中Access_i表示第i个无线终端接入点和用户之间的接入关系：

Access_i＝[a₁,a₂,a₃,a₄]^T,a_j＝0or1,j＝1,2,3,4

其中a_j＝1表示用户Userj和该无线终端接入点i之间有连接关系，如果a_j＝0则表示其没有建立连接关系。表示两个矢量F,D的对应位置分量相乘获得新矢量的运算。||·||₁表示矢量的L₁范数，||·||₀表示矢量中非零元素的个数(它不是严格意义下的范数)。

构造网络吞吐量函数之后，将确定负载分配问题就变成了在无线终端接入点接入能力的限制下，在可能的接入关系集合中寻找合适的用户接入关系，使网络吞吐量最大的优化问题。也就是求解如下优化问题：

$\left\{\begin{array}{c}\max \left(\mathrm{Troughput}\left(\mathrm{Access}\right)\right)\\ s.t.L_{\max }-{\left|\right|{\mathrm{Load}}_i\⊗{\mathrm{Access}}_i\left|\right|}_{\∞}>0\\ {\mathrm{Access}}_i\∈R^4,\mathrm{and}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Access}}_i=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{[a_{1i},a_{2i},a_{3i},a_{4i}]}^T={\left[\mathrm{1,1,1,1}\right]}^T,a_{\mathrm{ij}}\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\}\end{array}\right.$

其中||·||_∞为搜索矢量中最大元素的运算。

求解以上组合优化问题有很多现有的数学工具，比如可以借助遗传算法迭代进行解的搜索，这里不赘述。

经过求解获得使吞吐量最优的用户接入关系，然后按照该用户接入关系进行无线终端接入点的切换。

综合以上实施例，本发明提出的负载均衡方法综合考虑LTE回传侧的信道容量和接入侧信息，优化了无线终端接入点的负载计算，并提供了多种用户切换的策略，可以有效解决接入侧通信速率大于回传侧承载能力造成的丢包问题，从而优化了网络资源配置，提升了网络吞吐量。

本发明还提供了一种无线终端接入点的负载均衡系统，如图5所示，包括：

获取模块110，用于获取无线终端接入点的LTE回传侧信道质量信息以及所述无线终端接入点的接入侧信息，并根据所述LTE回传侧信道质量信息计算无线终端接入点的LTE回传侧信道容量；

负载计算模块210，用于根据所述LTE回传侧信道容量和所述接入侧信息构造负载函数，计算无线终端接入点的负载；

均衡模块310，用于将各个无线终端接入点的负载以及所述LTE回传侧信道容量通过Beacon帧广播；或者根据各个无线终端接入点的负载，对接入用户进行无线终端接入点切换。。

AC通过获取模块110收集各个无线终端接入点的LTE回传侧信道质量信息以及各自的接入侧信息，其中接入侧信息可以为接入的用户数以及接入用户的速率，并根据LTE回传侧信道质量信息计算出LTE回传侧信道容量。

接着利用负载计算模块210计算出各个无线终端接入点的负载，并根据计算结果启动均衡模块310，均衡模块310的功能可以进行预设。

如图6所示，在一种实施方式中，均衡模块310包括如下子模块：

判断模块311，用于判断所述无线终端接入点的负载是否大于预设门限；

用户切换模块312，用于根据设定执行策略筛选用户并进行无线终端接入点的切换。

筛选用户并进行无线终端接入点的切换可以有多种方式，如图7所示，在一种实施方式中，用户切换模块312包括：

切换信息确定模块3121，用于通过所述负载函数获取过载因素并根据所述过载因素确定待切换用户和目标无线终端接入点；

第一无线终端接入点切换模块3122，用于将所述待切换用户从当前无线终端接入点切换至所述目标无线终端接入点。

当通过判断模块311得出无线终端接入点的负载大于预设门限时，启动用户切换模块312进行无线终端接入点的切换，首先通过切换信息确定模块3121分析负载函数，找出过载因素，并根据过载因素挑选出待切换用户和目标无线终端接入点，然后第一无线终端接入点切换模块3122将挑选出的待切换用户切换至挑选出的目标无线终端接入点，完成整个负载均衡过程。

在另一种实施方式中，用户切换模块312还可以由图8所示的子模块构成，即包括：

函数构造模块3221，用于根据用户接入关系构造网络吞吐量函数；

第二无线终端接入点切换模块3222，用于计算出使得所述网络吞吐量函数达到最优值的用户接入关系，并按该用户接入关系进行无线终端接入点的切换。

在本系统中，均衡模块310也可以设置为广播模式，当使用此模式时，均衡模块310可以将负载计算模块210计算出的各个无线终端接入点的负载以及获取模块110得到的LTE回传侧信道容量通过Beacon帧广播，新用户在接入网络之前，会搜索当前网络中的无线终端接入点，获取Beacon中的信息，优先接入负载较轻且回传侧信道容量较大的网络。

以上系统中各模块实现其功能可以采用上述实施例中的方法，这里不再赘述。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种无线终端接入点的负载均衡方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取无线终端接入点的LTE回传侧信道质量信息以及所述无线终端接入点的接入侧信息；根据所述LTE回传侧信道质量信息计算无线终端接入点的LTE回传侧信道容量；

根据所述LTE回传侧信道容量和所述接入侧信息构造负载函数，计算无线终端接入点的负载；

将各个无线终端接入点的负载以及所述LTE回传侧信道容量通过Beacon帧广播；或者根据各个无线终端接入点的负载，对接入用户进行无线终端接入点的切换。

2.根据权利要求1所述的无线终端接入点的负载均衡方法，其特征在于，所述对接入用户进行无线终端接入点的切换的过程包括如下步骤：

判断所述无线终端接入点的负载是否大于预设门限；

当所述无线终端接入点的负载大于预设门限时，根据设定执行策略筛选用户并进行无线终端接入点的切换。

3.根据权利要求2所述的无线终端接入点的负载均衡方法，其特征在于，所述根据设定执行策略筛选用户并进行无线终端接入点的切换的过程包括如下步骤：

通过所述负载函数获取过载因素并根据所述过载因素确定待切换用户和目标无线终端接入点；

将所述待切换用户从当前无线终端接入点切换至所述目标无线终端接入点。

4.根据权利要求2所述的无线终端接入点的负载均衡方法，其特征在于，所述根据设定执行策略筛选用户并进行无线终端接入点的切换的过程包括如下步骤：

根据用户接入关系构造网络吞吐量函数；

计算出使得所述网络吞吐量函数达到最优值的用户接入关系，并按该用户接入关系进行无线终端接入点的切换。

5.根据权利要求1所述的无线终端接入点的负载均衡方法，其特征在于，根据所述LTE回传侧信道质量信息通过如下公式计算无线终端接入点的LTE回传侧信道容量：

$C_i=W_i{\log }_2\det (I+\frac{P_i}{M_{\mathrm{Ti}}{\mathrm{\σ}}^2}{H}_i{H}_i^H)$

其中I为单位矩阵，M_Ti为无线终端接入点i的发射天线数，H_i为无线终端接入点i的LTE回传侧信道质量信息，P_i为无线终端接入点i的发射功率，(·)^H表示矩阵的共轭转置，det(·)表示计算行列式，W_i为无线终端接入点i的通信带宽，σ²为噪声方差。

6.根据权利要求2所述的无线终端接入点的负载均衡方法，其特征在于，所述接入侧信息包括接入用户的速率和接入的用户数，根据所述LTE回传侧信道容量和所述接入侧信息通过如下公式构造负载函数：

${\mathrm{Load}}_i=\left\{\begin{array}{c}{L}_{\max i},{\mathrm{Num}}_i\≥N_{\max i}\\ L_{\max i},\max \left\{{\stackrel{\→}{R}}_i\right\}>C_i\\ f\left({\stackrel{\→}{R}}_i\right),\mathrm{otherwise}\end{array}\right.$

其中Load_i表示第个无线终端接入点i的负载；L_maxi为一个大于所述预设门限的常数；是一个速率矢量，其中的分量就是无线终端接入点i各个接入用户的速率；Num_i为无线终端接入点i当前接入的用户数；N_maxi为预先设定的无线终端接入点i能够接入的最大用户数，C_i为无线终端接入点i的LTE回传侧信道容量，是一个关于无线终端接入点i各个接入用户的速率的函数。

7.一种无线终端接入点的负载均衡系统，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取无线终端接入点的LTE回传侧信道质量信息以及所述无线终端接入点的接入侧信息，并根据所述LTE回传侧信道质量信息计算无线终端接入点的LTE回传侧信道容量；

负载计算模块，用于根据所述LTE回传侧信道容量和所述接入侧信息构造负载函数，计算无线终端接入点的负载；

均衡模块，用于将各个无线终端接入点的负载以及所述LTE回传侧信道容量通过Beacon帧广播；或者根据各个无线终端接入点的负载，对接入用户进行无线终端接入点的切换。

8.根据权利要求7所述的无线终端接入点的负载均衡系统，其特征在于，所述均衡模块包括：

判断模块，用于判断所述无线终端接入点的负载是否大于预设门限；

用户切换模块，用于根据设定执行策略筛选用户并进行无线终端接入点的切换。

9.根据权利要求8所述的无线终端接入点的负载均衡系统，其特征在于，所述用户切换模块包括：

切换信息确定模块，用于通过负载函数获取过载因素并根据过载因素确定待切换用户和目标无线终端接入点；

第一无线终端接入点切换模块，用于将所述待切换用户从当前无线终端接入点切换至所述目标无线终端接入点。

10.根据权利要求8所述的无线终端接入点的负载均衡系统，其特征在于，所述用户切换模块包括：

函数构造模块，用于根据用户接入关系构造网络吞吐量函数；

第二无线终端接入点切换模块，用于计算出使得所述网络吞吐量函数达到最优值的用户接入关系，并按该用户接入关系进行无线终端接入点的切换。