CN104066138A - 一种阻塞率约束下的基于业务优先级的群组切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阻塞率约束下的基于业务优先级的群组切换方法，该方法首先将网络中的群组切换用户按业务种类进行区分，同时为各个种类的用户分配以不同的优先级，从而形成优先级队列，用户按优先级队列依次进行切换。当用户处在同一个优先级时，构建阻塞率函数，通过限制当前阻塞率在给定阻塞率约束之下，从而确定当前时隙可以进行切换的用户数目。确定了允许切换的用户数目之后，在当前时刻只让这些用户进行切换，从而可以有效地避免网络拥塞问题。该方法包括：步骤1：对用户分类，生成优先级队列；步骤2：用户选择网络概率的确定；步骤3：切换阻塞率的定义；步骤4：每个时隙上切换用户数目的确定；步骤5：切换的具体执行。

Description

一种阻塞率约束下的基于业务优先级的群组切换方法

技术领域

本发明涉及一种多业务存在的场景中群组切换的方法，属于计算机无线异构网络中垂直切换技术领域。

背景技术

随着各种无线接入技术的蓬勃发展，无线通信网络已呈现出异构共存的格局。在异构网络中的用户面临的一个基本问题就是网络选择，也就是如何选择满足用户需求的最佳网络。用户进行网络选择时，往往只是选择对自己来说最佳的网络，若是在用户密集的环境中，大量用户同时进行网络选择，那么就有可能出现大量用户集中选择同一个网络的情况，这种情况下该网络的资源就有可能被耗尽，从而造成网络拥塞乃至整个无线网络系统的性能受损。

在无线异构网络中，特别是在用户密集的区域，大量用户发生群组切换的情况很普遍，如图1所示。在群组切换的场景中，大量用户聚集在一处同时进行网络选择，对于其中的每个用户而言，按某种准则(为研究方便起见，本发明中使用网络的可用带宽作为网络选取准则)选择的最优网络是相同的。当大量用户切换到同一个网络后，会造成该网络的负载加重甚至造成网络拥塞，同时网络性能也会因此受到严重影响，这时用户会发现当时选择的网络并不是最优的。造成这一问题的原因在于群组切换环境下单个用户进行网络选择时无法获知其他用户的选择情况。

普遍解决方法是：为了解决群组切换中网络拥塞的问题，为同时到来的用户分配不同的时延，从而用户可以在不同的时隙上进行切换，那么用户就不会切换到同一个网络，即用户的选择会得到进一步的优化。

上述方法的不足是：虽然这个方案可以避免大量用户同时切换的情况，但是在切换过程中，只是考虑了单一业务的场景，没有对不同业务种类的用户进行区分。当网络中存在不同种类的业务时，该方案仍是将不同种类业务当作同种业务进行处理，因此对于不同业务种类的用户不能得到较好的性能，同时也不能保证重要的实时性业务优先得到切换。而本发明能够很好地解决上面的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种能够有效地解决多业务场景时群组切换带来的网络拥塞问题的方法，同时考虑群组切换中多业务的情况，不同业务种类的用户可以获得不同的优先级，从而可以保证重要性的实时性业务优先得到切换。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明提供一种阻塞率约束下的基于业务优先级的群组切换方法，该方法首先将网络中的群组切换用户按业务种类进行区分，同时为各个种类的用户分配以不同的优先级，从而形成优先级队列，用户按优先级队列依次进行切换。当用户处在同一个优先级时，构建阻塞率函数，通过限制当前阻塞率在给定阻塞率约束之下，从而确定当前时隙可以进行切换的用户数目。确定了允许切换的用户数目之后，在当前时刻只让这些用户进行切换，从而可以有效地避免网络拥塞问题。

本发明采用的基于业务优先级的群组切换方法能为不同业务提供不同等级的服务，对于实时性要求较高的业务，比如交互的音频视频流，则对它们设定比较高的优先级来保证这些业务流对时延和带宽的要求，而对于那些对延时要求不高的业务，则将其优先级设置较低。由于高优先级队列中的业务优先得到服务，所以它们的时延就比较小，吞吐量也相对较大。

方法流程：

步骤1：对用户分类，生成优先级队列

(1)对异构网络中的群组切换用户的情况进行分析，对网络中的用户按业务种类的不同进行分类，同时为不同业务种类的用户分配以不同的优先级，从而形成优先级队列，生成过程如图2所示；

(2)生成优先级队列后，用户按优先级队列依次进行切换。首先选择最高优先级的队列进行切换，当最高优先级的队列为空时，再选择次高优先级的队列，若次高优先级的队列为空时，再选择更低优先级的队列，依此类推。

步骤2：用户选择网络概率的确定

(1)本发明假设用户在进行网络选择时，是根据网络的可用带宽进行选择的，那么在网络可用带宽一定的情况下，所有用户选择某个网络的概率是相等的，因此当网络可用带宽确定时就可以得出每个用户选择网络的概率；

(2)对于处在同一优先级的用户，确定一部分用户选择某一网络的概率。由于每个用户选择某一个网络的概率是相等的，同时每个用户之间的选择是相互独立的，因此用户选择网络的事件服从二项分布，可以使用二项分布的相关结论进行计算。

步骤3：切换阻塞率的定义

(1)在切换过程中，不同业务种类的用户有着不同的带宽需求。处在同一优先级的用户就是相同业务种类的用户，有着相同的带宽要求。如果在某一时隙上要求切换到某一网络的用户带宽需求大于该网络的可用带宽，就会造成该网络阻塞，因此可以得到该网络出现阻塞的概率；

(2)将用户选择网络的概率和网络出现阻塞的概率进行结合，同时综合考虑各个网络的情况，可以得出当前时隙系统的切换阻塞率。

步骤4：每个时隙上切换用户数目的确定

每个时隙上分配的用户数目是保证该时隙的切换阻塞率在约束水平之下确定的。由于切换阻塞率函数是关于用户数目的非减函数，通过不断递增用户数目，切换阻塞率不断增长。当切换阻塞率达到约束水平时，此时对应的用户数目就是当前时隙所允许切换的最大用户数目。

步骤5：切换的具体执行

每个时隙允许切换的用户数目确定后，当前优先级的所有用户按概率选择是否进行切换，参与切换的用户根据用户选择网络概率进行网络选择并切换到相应的网络。

有益效果：

1、从有效性，本发明在阻塞率约束条件下将同时到来的群组切换用户分散到不同的时隙上进行切换，从而有效地避免了群组切换中的网络拥塞问题；

2、本发明在群组切换过程中考虑了多业务的场景，对用户按业务进行分类，不同业务拥有不同的优先级，形成优先级队列。用户在切换过程中按优先级队列顺序依次进行切换，因此可以使得重要的实时性业务得到优先切换，减小切换时延。

附图说明

图1为无线异构网中的群组切换场景示意图。

图2为本发明的优先级队列模型生成示意图。

图3为本发明的方法流程图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明内容作进一步的详细说明。

如图1、图2和图3所示，本发明提供了一种阻塞率约束下的基于业务优先级的群组切换方法，该方法应用于无线异构网的群组切换，包括如下步骤：

步骤1：优先级队列的生成

(1)假设当前异构网络环境中有K个网络，对异构网络中的群组切换用户的情况进行分析，假设网络中存在s种不同种类的业务，为不同业务种类的用户分配不同的切换优先级，生成相应的优先级队列为S＝[1,2,…,s]，各个优先级上的用户数目是M_i(i∈S)。

(2)通常在较高优先级的队列存放着实时性业务的用户，如语言业务的用户，而在较低优先级的队列存放普通的非实时业务用户，如普通数据用户，这样就可以为不同业务提供不同等级的服务，对于实时性要求较高的业务，比如交互的音频视频流，则对它们设定比较高的优先级来保证这些业务流对时延和带宽的要求，而普通的非实时业务用户则会在处理重要实时性业务后进行切换，优先级队列生成过程如图2所示。

步骤2：用户选择网络概率的确定

(1)本发明假设用户在进行网络选择时，是根据网络的可用带宽进行选择的，用表示用户选择K个网络中每个网络的概率，在网络可用带宽一定的情况下，所有用户选择某个网络的概率是相等的，即用户选择网络的概率只与网络的可用带宽相关。因此可以令正比于C_k(t)，即同时P^sel必须要满足那么可以得出用户网络选择概率：

$P_k^{\mathrm{sel}}=\frac{C_k\left(t\right)}{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{C}_k\left(t\right)}$ 式(1)

其中，C_k(t)为网络k在时隙t时的剩余可用带宽。

(2)对于处在同一优先级i的M_i个用户中，其中在时隙t同时有M_i(t)个用户选择网络k的事件是服从二项分布的，根据二项分布的相关性质，可以得出M_i个用户中同时有M_i(t)个用户选择网络k的概率为：

$C_{M_i}^{M_i\left(t\right)}\·{\left(P_k^{\mathrm{sel}}\right)}^{M_i\left(t\right)}\·{(1-P_k^{\mathrm{sel}})}^{M_i-M_i\left(t\right)}=\frac{M_i!}{M_i\left(t\right)!\·(M_i-M_i\left(t\right))!}\·{\left(P_k^{\mathrm{sel}}\right)}^{M_i\left(t\right)}\·{(1-P_k^{\mathrm{sel}})}^{M_i-M_i\left(t\right)}$

式(2)

步骤3：时隙t时的系统阻塞率

(1)在切换过程中，不同业务种类的用户有着不同的带宽需求。不失一般性，这里假设各个优先级上用户的带宽需求分别为α_i。那么初始时处在同一优先级i上所有用户总的带宽需求量即为B_i＝M_i·α_i。在时隙t时，M_i个用户中同时有M_i(t)个用户选择网络k，这些用户的带宽需求量就是B_i(t)＝M_i(t)·α_i。若用户的带宽需求量大于该网络的可用带宽，即B_i(t)＞C_k(t)，那么就会造成该网络阻塞。网络切换阻塞出现在B_i(t)＞C_k(t)时，因此网络k出现阻塞的概率可以表示为：

$\frac{B_i\left(t\right)-C_k\left(t\right)}{B_i\left(t\right)}$ 式(3)

(2)结合用户选择网络的概率以及网络出现阻塞的概率，同时综合考虑各个网络的情况，可以得出时隙t时隙系统的切换阻塞率。

$P_{\mathrm{block}}\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{B_i\left(t\right)=C_k\left(t\right)}{\overset{M_i\·{\mathrm{\α}}_i}{\mathrm{\Σ}}}\frac{B_i\left(t\right)-C_k\left(t\right)}{B_i\left(t\right)}\·C_{M_i}^{M_i\left(t\right)}\·{\left(P_k^{\mathrm{sel}}\right)}^{M_i\left(t\right)}\·{(1-P_k^{\mathrm{sel}})}^{M_i-M_i\left(t\right)}$ 式(4)

确定了时隙t时的切换阻塞率表达式后，

步骤4：每个时隙上切换用户数目的确定

每个时隙上分配的用户数目是保证该时隙的切换阻塞率P_block(t)在约束水平P_{block_th}之下确定的。如前文所述，时隙t内的切换用户数目可通过下式确定：

maxM_i(t)

s.t.P_block(t)≤P_{block_th} 式(5)

$P_k^{\mathrm{sel}}=\frac{C_k\left(t\right)}{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{C}_k\left(t\right)}$

由于切换阻塞率函数P_block(t)是关于用户数目的非减函数，通过不断递增用户数目，切换阻塞率不断增长，当切换阻塞率达到约束水平时，此时对应的用户数目就是当前时隙所允许切换的最大用户数目具体求解流程如下：

步骤1：初始化参数，得到当前各个网络的可用带宽C_k(t)、当前优先级剩余的用户数目M_i、每个用户的带宽需求α_i，以及阻塞率约束值P_{block_th}；

步骤2：根据式(1)计算用户选择各个网络的概率P^sel，令M_i(t)＝0；

步骤3：根据式(4)计算出当前M_i(t)个用户数目下对应的阻塞率P_block(t)；

步骤4：判断P_block(t)是否满足P_block(t)≤P_{block_th}：

若满足，令M_i(t)＝M_i(t)+1，转向步骤3；

否则，可以得出式(5)的解：

步骤5：切换的具体执行

如图3所示，初始时对所有参与群组切换的用户按业务进行分类，同时按业务的重要程度分配以不同的优先级，各个网络的剩余带宽就是初始时的可用带宽，并由此计算出用户选择各网络的概率P^sel。之后利用式(4)可以得出时隙t时的切换阻塞率的表达式P_block(t)，只要令切换阻塞率不超出预先给出的约束范围P_{block_th}，就可以得出时隙t上可以进行切换的用户数目那么在时隙t上只允许个用户根据P^sel进行网络选择并切换到相应网络即可。在这些用户进行切换之后，对剩余用户数目和各个网络剩余带宽量进行更新：这里B_k(t)指时隙t内用户消耗的网络k的带宽量。当前优先级的所有用户切换完毕后，按照优先级队列进行下一个优先级用户的切换；当所有优先级的用户都切换完毕时，群组切换完成。

Claims (7)

1.一种阻塞率约束下的基于业务优先级的群组切换方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：对用户分类，生成优先级队列；

(1)对异构网络中的群组切换用户的情况进行分析，对网络中的用户按业务种类的不同进行分类，同时为不同业务种类的用户分配以不同的优先级，从而形成优先级队列；

(2)生成优先级队列后，用户按优先级队列依次进行切换；首先选择最高优先级的队列进行切换，当最高优先级的队列为空时，再选择次高优先级的队列，若次高优先级的队列为空时，再选择更低优先级的队列，依此类推；

步骤2：用户选择网络概率的确定；

(1)本文假设用户在进行网络选择时，是根据网络的可用带宽进行选择的，那么在网络可用带宽一定的情况下，所有用户选择某个网络的概率是相等的，因此当网络的可用带宽确定时就能得出每个用户选择网络的概率；

(2)对于处在同一优先级的用户，确定一部分用户选择某一网络的概率；由于每个用户选择某一个网络的概率是相等的，同时每个用户之间的选择是相互独立的，因此用户选择网络的事件服从二项分布，使用二项分布的相关结论进行计算；

步骤3：切换阻塞率的定义；

(1)在切换过程中，不同业务种类的用户有着不同的带宽需求；处在同一优先级的用户就是相同业务种类的用户，有着相同的带宽要求；如果在某一时隙上要求切换到某一网络的用户带宽需求大于该网络的可用带宽，就会造成该网络阻塞，因此能得到该网络出现阻塞的概率；

(2)将用户选择网络的概率和网络出现阻塞的概率进行结合，同时综合考虑各个网络的情况，能得出当前时隙系统的切换阻塞率；

步骤4：每个时隙上切换用户数目的确定；

每个时隙上分配的用户数目是保证该时隙的切换阻塞率在约束水平之下确定的；由于切换阻塞率函数是关于用户数目的非减函数，通过不断递增用户数目，切换阻塞率不断增长；当切换阻塞率达到约束水平时，此时对应的用户数目就是当前时隙所允许切换的最大用户数目；

步骤5：切换的具体执行；

每个时隙允许切换的用户数目确定后，当前优先级的所有用户按概率选择是否进行切换，参与切换的用户根据用户选择网络概率进行网络选择并切换到相应的网络；当前优先级的所有用户切换完毕后，按照优先级队列进行下一个优先级用户的切换；当所有优先级的用户都切换完毕时，群组切换完成。

2.根据权利要求1所述的一种阻塞率约束下的基于业务优先级的群组切换方法的实现，其特征在于：所述方法的步骤1中，当前异构网络环境中有K个网络，网络中存在s种不同种类的业务，为不同业务种类的用户分配不同的切换优先级，生成相应的优先级队列为S＝[1,2,…,s]，各个优先级上的用户数目是M_i(i∈S)。

3.根据权利要求1所述的一种阻塞率约束下的基于业务优先级的群组切换方法的实现，其特征在于：所述方法的步骤2中，用户选择网络概率的计算公式：

$P_k^{\mathrm{sel}}=\frac{C_k\left(t\right)}{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{C}_k\left(t\right)}$

其中，为用户选择网络k的概率，C_k(t)为网络k在时隙t时的剩余可用带宽；

M_i个用户中同时有M_i(t)个用户选择网络k的概率计算公式为：

$C_{M_i}^{M_i\left(t\right)}\·{\left(P_k^{\mathrm{sel}}\right)}^{M_i\left(t\right)}\·{(1-P_k^{\mathrm{sel}})}^{M_i-M_i\left(t\right)}=\frac{M_i!}{M_i\left(t\right)!\·(M_i-M_i\left(t\right))!}\·{\left(P_k^{\mathrm{sel}}\right)}^{M_i\left(t\right)}\·{(1-P_k^{\mathrm{sel}})}^{M_i-M_i\left(t\right)}$

其中，M_i为处在优先级i上的所有用户数目，M_i(t)为时隙t同时选择网络k的用户数目。

4.根据权利要求1所述的一种阻塞率约束下的基于业务优先级的群组切换方法的实现，其特征在于：所述方法的步骤3中，网络切换阻塞出现在B_i(t)＞C_k(t)时，因此网络k出现阻塞的概率表示为：

$\frac{B_i\left(t\right)-C_k\left(t\right)}{B_i\left(t\right)}$

其中，B_i(t)＝M_i(t)·α_i为时隙t时同时选择网络k的用户的带宽需求量，α_i为优先级i上每个用户的带宽需求。

时隙t时隙系统的切换阻塞率的计算公式为：

$P_{\mathrm{block}}\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{B_i\left(t\right)=C_k\left(t\right)}{\overset{M_i\·{\mathrm{\α}}_i}{\mathrm{\Σ}}}\frac{B_i\left(t\right)-C_k\left(t\right)}{B_i\left(t\right)}\·C_{M_i}^{M_i\left(t\right)}\·{\left(P_k^{\mathrm{sel}}\right)}^{M_i\left(t\right)}\·{(1-P_k^{\mathrm{sel}})}^{M_i-M_i\left(t\right)}$

5.根据权利要求1所述的一种阻塞率约束下的基于业务优先级的群组切换方法的实现，其特征在于：所述方法的步骤4中，时隙t内所允许切换的用户数目可通过下式确定：

maxM_i(t)

s.t.P_block(t)≤P_{block_th}

$P_k^{\mathrm{sel}}=\frac{C_k\left(t\right)}{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{C}_k\left(t\right)}$

由于切换阻塞率函数P_block(t)是关于用户数目的非减函数，通过不断递增用户数目，切换阻塞率不断增长，当切换阻塞率达到约束水平时，此时对应的用户数目就是当前时隙所允许切换的最大用户数目

6.根据权利要求1所述的一种阻塞率约束下的基于业务优先级的群组切换方法的实现，其特征在于：所述方法的步骤5中，在得出时隙t上允许进行切换的用户数目后，那么在时隙t上只允许个用户根据P^sel进行网络选择并切换到相应网络即可；在这些用户进行切换之后，对剩余用户数目和各个网络剩余带宽量进行更新： 这里B_k(t)指时隙t内用户消耗的网络k的带宽量；当前优先级的所有用户切换完毕后，按照优先级队列进行下一个优先级用户的切换；当所有优先级的用户都切换完毕时，算法结束。

7.根据权利要求1所述的一种阻塞率约束下的基于业务优先级的群组切换方法的实现，其特征在于：所述方法应用于无线异构网的群组切换。