CN104469847A

CN104469847A - 一种基于拍卖算法均衡基站负载的方法

Info

Publication number: CN104469847A
Application number: CN201410586285.1A
Authority: CN
Inventors: 王炜; 赵巍; 吴小兵
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2014-10-28
Filing date: 2014-10-28
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2034-10-28
Also published as: CN104469847B

Abstract

本发明公开了一种基于拍卖算法均衡基站负载的方法，在包含复数个基站的场景中，用户接入基站时，将单个基站虚拟切分为若干虚拟基站,通过比例公平算法进行资源分配；通过拍卖的方法实现无线设备与基站连接的接入控制，每个基站广播其定价最低的虚拟基站的报价，用户根据到其相邻基站的通信链路质量出价，基站根据用户的出价情况，选择出价最高的用户与虚拟基站进行匹配。本发明实现了微基站的负载均衡，大大提高微基站系统的整体吞吐量，并在所有用户中实现比例公平。采取分布式的方法解决负载均衡问题，相较于集中处理减少了微基站部署成本，提高了负载均衡问题的处理速度。这样满足了更多用户希望接入微基站的需求，提供更高质量的通信服务。

Description

一种基于拍卖算法均衡基站负载的方法

技术领域

本发明公开了一种基于拍卖算法均衡基站负载的方法，涉及网络和通讯技术领域。

背景技术

微基站技术是近年来迅速发展起来的一种网络接入技术。随着3G、4G网络的迅猛发展，以及移动网络宽带化的趋势，越来越多用户选择通过移动设备接入网络。为满足用户日益增长的需求，改善热点小区用户的通信质量，减轻宏蜂窝(Macrocell)的负载压力，多种微基站应运而生。典型的微基站包括Wi-Fi、飞蜂窝(Femtocell)、微蜂窝(MicroCell)等。

由于微基站在使用过程中，不可避免地会出现用户分布不均的情况。用户希望连接至距离自己近的微基站，或连接至数据传输速率更高的微基站。由于用户的利己性连接方式，由此而造成某些个体微基站的负载达到阈值，通信质量急剧下降，新用户无法接入临近的微基站，只能通过宏蜂窝接入网络，严重影响用户服务质量(QoS)；而在同时，另一些微基站负载较轻，却因为周边用户已就近接入重负载基站，而无法为更多的用户提供服务。因此造成微基站负载不均的现象。微基站负载不均，一方面会增加宏蜂窝的负担，加重运营商的基础建设投入。另一方面，网络中的微基站资源没有得到有效利用。因此，对于区域内由多个微基站组成的系统，整体资源利用率有待通过全局的优化方式提高。

目前，对于微基站负载均衡的方法有多种解决方案。

例如，在刘翔、张明昊公布的，申请公布号为CN103384392A的发明专利中提到的一种Wi-Fi基站负载均衡的方法，步骤如图1所示：

S101)新用户向Wi-Fi基站请求接入。

S102)Wi-Fi基站在收到用户请求后首先判断自身是否已过负荷，如果未过负荷则执行S107)步骤允许用户接入。否则继续执行S103)步骤。

S103)过负荷的Wi-Fi基站向邻居基站发送负载均衡请求。

S104)收到负载均衡请求的邻居基站将自身负载通过负载均衡请求响应反馈给请求的Wi-Fi基站。

S105)Wi-Fi基站收到邻居节点的反馈信息后，选择负载最小的邻居节点，并将被选择的节点的参数发送给用户。

S106)用户根据反馈的被选择节点信息，接入相应节点

通过以上流程可以发现现有技术存在以下的缺陷：

因用户的接入次序不同，产生的网络连接拓扑结构也有所不同，从而产生的优化效果有很大随机性。假设如图2场景，某地区存在用户A(204)和用户B(205)，微基站A(202)和微基站B(203)。用户B处在微基站A的覆盖范围，用户A处在微基站A和微基站B的覆盖范围。假设用户A率先接入微基站A后，微基站A达到阈值。此时用户B申请接入微基站A则无法接入，只能接入宏蜂窝(201)。

此外，上述方法相对比于贪婪接入方法，某些微基站虽然避免了突破阈值，但负载仍然过高，而另一些微基站负载较低，虽然解决了某些用户无法接入微基站而只能使用宏蜂窝的问题，但仍然存在微基站负载不均，区域内整体微基站群利用率低，整体吞吐量仍有很大的提升空间。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种基于拍卖算法均衡基站负载的方法，在接入控制过程的每一步均考虑负载均衡，从而避免了负载分配不合理现象。通过拍卖的方法，拍卖虚拟微基站。拍卖过程充分考虑到了用户个体对目标微基站的依赖性，分布式地实现负载均衡。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于拍卖算法均衡基站负载的方法，在包含复数个基站的场景中，用户接入基站时，将单个基站虚拟切分为若干虚拟基站,通过比例公平算法进行资源分配；

通过拍卖的方法实现无线设备与基站连接的接入控制，每个基站广播其定价最低的虚拟基站的报价，用户根据到其相邻基站的通信链路质量出价，基站根据用户的出价情况，选择出价最高的用户与虚拟基站进行匹配。

作为本发明的进一步优选方案，按照基站覆盖范围内的用户数量，将基站划分为对应数量的虚拟基站，进而将无线设备与基站连接的接入控制问题转化为二部图匹配问题进行处理，再结合拍卖方法，其过程具体如下：

步骤一、将单个基站切分为复数个虚拟基站，设定每个虚拟基站的初始报价；

步骤二、用户测量自身到周边相邻基站的通信速率；

步骤三、单次拍卖开始时，每个基站广播其所拥有的虚拟基站中价格最低的定价；

步骤四、用户根据基站的报价，计算对应于每个基站的收益，并从中选取出收益最高和次高的两个基站；

步骤五、用户以步骤四所得最高收益和次高收益的差值为其出价，向对应的基站进行出价；

步骤六、基站选择出价最高的用户，将其最低价的虚拟基站分配给该用户，并将该虚拟基站的价格提升至用户的出价；

步骤七、基站广播最终用户分配结果并为接入到本基站内的用户分配带宽，用户根据最终用户分配结果接入对应的基站。

作为本发明的进一步优选方案，具体的参数设定包括：

设定n为此基站通信范围内的用户数量，则单个基站对应的切分为n个虚拟基站，对于基站切分的第k个虚拟基站，其初始报价为

设定用户i自身与基站j的通信速率为r_ij；

设定基站报价

{price}_{j} = \min (p_{j}^{1}, p_{j}^{2}, . . ., p_{j}^{n});

设定用户对于基站的收益的表达式为：m_ij＝c+logr_ij-price_j，其中，c为设定的常数，且c的取值满足m_ij＞0；

设定用户i的出价为其中，表示其最高的收益，m'_i表示其次高的收益

。

作为本发明的进一步优选方案，基站按照比例公平算法为接入到本基站内的用户分配带宽。

作为本发明的进一步优选方案，拍卖过程中，用户与虚拟基站建立的连接为非永久性连接，虚拟基站的定价根据用户的最高报价而增长。

作为本发明的进一步优选方案，所述基站包括微基站和宏蜂窝。

作为本发明的进一步优选方案，所述微基站包括Wi-Fi接入点、飞蜂窝、微蜂窝。

作为本发明的进一步优选方案，单轮拍卖结束时，判断本轮拍卖是否导致连接拓扑结构发生改变：

若拓扑结构发生改变，则激活下一轮拍卖；

若拓扑结构保持不变，则算法收敛，停止拍卖。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：接入控制的每一步都合理分配负载，很大程度上实现了微基站的负载均衡，大大提高微基站系统的整体吞吐量，并在所有用户中实现比例公平。采取分布式的方法解决负载均衡问题，相较于集中处理减少了微基站部署成本，提高了负载均衡问题的处理速度。这样满足了更多用户希望接入微基站的需求，提供了更高质量的通信服务。本发明亦有着广泛的针对性，适用于存在一种或多种微基站的场景。基站报价和暂时性连接拓扑结构通过广播机制提供，由此可大大减少由此产生的通信开销。

附图说明

图1是现有技术的负载均衡流程示意图。

图2是本发明的一个应用场景示意图。

图3是本发明的流程示意图。

图4是本发明的一个简化实施例中的应用场景示意图。

图5是本简化实施例各阶段虚拟基站的报价情况。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明提出了一种针对微基站(如Wi-Fi、Femtocell、Microcell等)均衡负载的方法。图2描述了本发明针对的一个典型的应用场景。其中201为宏蜂窝(Macrocell)，202及203为微基站，204及205为用户终端。

在本发明的实施场景中可以包含一个或多个宏蜂窝，以及一个或多个微基站，其中微基站可以是Wi-Fi接入点、飞蜂窝或微蜂窝。这些微基站与宏蜂窝共同组成混合蜂窝网络。在后续描述中我们以BS代指所有类型的基站，包括宏蜂窝与微基站。用户终端可以是智能手机、无线数据卡或者笔记本等具有无线接入能力的设备。

在宏蜂窝和微基站混合部署的情况下，用户存在多种接入选择。如图2中，各个BS的覆盖范围以椭圆形表示。用户A(204)可以选择接入微基站A(202)、微基站B(203)或者宏蜂窝(201)。用户A的接入选择直接影响到系统的整体负载，如前述例子中用户A的选择可以导致微基站A过载而用户B只能接入宏蜂窝。

本发明的基本构思，将全局吞吐量的优化问题，划分为两个子问题处理。其一是资源分配问题，在单个微基站内可通过比例公平算法进行分配；其二是接入控制，可通过拍卖的方法解决无线设备与微基站连接的问题，使若干微基站组成的某区域内，通信吞吐量最大化。

图3描述了本发明的主要步骤，在图中仅显示了一个基站(311基站j)以及一个用户(312用户i)的操作步骤，实际操作中可以有多个基站和多个用户的。其步骤如下：

S301)拍卖初始阶段每个基站(后文以BS表示)虚拟切分为若干虚拟基站(后文以VBS表示)，单个基站切分为n个VBS，n为此BS通信范围内的用户数量。对于此BS切分的第k个VBS，其报价为

S302)拍卖初始阶段各个用户测量自身到周边邻居BS的通信速率。以用户i为例，用户i测得自身与基站j的通信速率表示为r_ij。

S303)单次拍卖开始时，每个BS广播其报价，其报价为其所拥有的VBS中，价格最低VBS的定价。以微基站j为例，则

S304)每个用户根据自身周边的BS给出的报价，计算对应于每个BS的收益。再选出收益最高和第二高的两个BS。以用户i为例。用户根据第j个BS的报价，计算收益m_ij＝c+logr_ij-price_j，其中c是预先设定的足够大的常数，可使m_ij总为正数。用户i选出使得收益最高的收益以及收益第二高的收益m'_i。

S305)用户i向对应的BS出价，出价为

S306)BS选择出价最高的用户，并将其最低价VBS分配给该用户，并将该VBS的价格提升至用户的出价。

S307)BS将分配结果发送给用户，单轮拍卖结束。当形成新的连接拓扑结构时，新一轮拍卖开始，转向执行S303步骤；当连接拓扑不再变化时，拍卖结束，转向执行S308步骤。

S308)拍卖结束，基站广播最终的用户分配结果。

S309)所有用户根据最终用户分配结果接入对应的基站。基站按照比例公平算法为接入到本基站内的用户分配带宽。具体地，如果有n个用户接入基站j，则基站j按照用户的通信速率成比例地为用户分配带宽。例如，当用户A和B的通信速率分别为1Mbps和2Mbps时，如果基站总带宽为1.5Mbps，则为用户A分配0.5Mbps，为用户B分配1Mbps带宽。

在上述步骤中，拍卖可以进行多轮，拍卖结束可依据拓扑是否变换来判断，也可以预先设定一个最大的拍卖轮次来判断拍卖是否结束。

在上述步骤中S307为可选步骤，可以和S303同时进行，即同时广播最低虚拟基站价格及上一轮的分配结果。

本发明提出在以上的接入控制过程中，各微基站的接入控制与负载均衡不需要由集中的负载控制设备统一管理，而是采取分布式策略。各基站并非到达阈值时才执行负载均衡策略，而是在每个用户接入微基站时都将全局负载问题考虑在内。以上接入策略实际达到的效果是对所有用户实现了比例公平的速率分配。具体地，以上拍卖算法实现了针对虚拟基站和用户的最大二部图匹配，使得用户所获得的通信效用最大化。

以上接入过程描述的是系统初始化时，多个用户同时接入系统进行的拍卖过程。在实际应用中，以上接入过程也可以用于系统初始化完成后为新加入系统的用户选择合适的BS进行接入。其具体实现可以通过图3的步骤完成，在系统已有的用户分配的基础上，BS不需要进行虚拟基站的价格初始化，而是按照已有用户分配对应的虚拟基站价格进行广播。新用户和老用户均按照图3所示步骤进行报价和拍卖，通过拍卖为新用户选择合适的基站接入。如果拍卖结果使得老用户需要切换基站，则按照拍卖结果进行基站切换。具体步骤如下：

1)新用户接入系统，首先测量自身到周边邻居BS的通信速率。

2)新用户接收周边邻居BS的广播信息，获取当前邻居BS的报价。根据自身周边的BS给出的报价，计算对应于每个BS的收益。再选出收益最高和第二高的两个BS。具体计算方法同图3中步骤S304。

3)新用户按照收益最高和第二高的BS之间的差价给出报价，并报价给收益最高的BS。

4)收益最高的BS接收报价，并通知与现有虚拟基站连接的用户。此时拓扑可能发生变化，现有用户需要重新进行报价。

5)反复执行S303-S309，进行多轮拍卖，直至拓扑不再发生变化为止。

图4是在用户接入过程中实现负载均衡的实施例，在此实施例中BS1(401)、BS2(402)为基站，U1、U2、U3、U4(411-414)为用户设备。假设各用户设备到基站的通信速率分别为r₁₁＝r₃₁＝3，r₂₁＝r₃₂＝r₄₂＝2，c＝2。

在此情况下，负载均衡的具体实施步骤如下：

1)初始状态，BS1覆盖范围内存在3个用户设备，故划分为3个VBS，以表示；BS2覆盖范围内存在2个用户设备，故划分为2个VBS，以表示。各VBS根据公式计算其报价，其中为虚拟基站的价格。各用户分别测量自身与周围基站的通信速率r_ij。

2)拍卖第一轮开始。BS1、BS2分别选择其价格最低的VBS定价作为该BS报价，即price₁＝0，price₂＝0。各BS分别将其报价通过广播方式告知其覆盖的用户。

3)U1计算其最高收益为由于U2无第二高收益，故向BS1提交出价2+log3。同样的方法，U2和U4也分别向BS1、BS2提交出价。对于U3，因其所在位置可以被BS1和BS2同时覆盖，故分别计算得到最高收益和第二高收益m'₃＝2+log2。因而U3向BS1提出出价2+log3-(2+log2)。

4)U1、U2分别选取最高出价，并与之连接。本轮U1赢得VBSU4赢得VBS同时这两个VBS的报价涨价，涨价幅度为其对应用户的出价。即报价

p_{1}^{1} = 2 + \log 3,

报价

p_{2}^{1} = 2 + \log 2 .

第一轮拍卖结束。

5)第二轮拍卖开始。BS1、BS2分别选取其定价最低的VBS，以此VBS的定价作为自身报价，并广播报价。

6)如前所述过程，各用户设备提交出价。U2、U3分别向BS1提交出价。

7)BS1得到两个用户的出价，U2出价高于U3，因而获得与VBS的连接权。涨价，涨价至第二轮拍卖结束。

8)第三轮拍卖开始。BS1、BS2分别选取其定价最低的VBS，以此VBS的定价作为自身报价，并广播报价。

9)U3计算其收益，并向BS2提交其出价。

10)BS2接受U3竞拍，U3与VBS建立连接。涨价至第三轮拍卖结束。

11)第四轮拍卖开始，经过一轮拍卖，拓扑结构无变化。拍卖结束。

在以上流程中：

拍卖个阶段中，各VBS的详细报价可见图5。

步骤3和步骤6中，U3均向BS1提出竞标。而步骤9中，U3则转向BS2提出竞标。其原因为BS1的接入用户增加，BS1在第三轮拍卖时的报价高于BS2。由此可见本发明在用户接入阶段均衡负载的显著功效。

步骤4、步骤7和步骤10中，已经拍卖出的VBS会改变自身报价，报价变为其接受的最高出价的金额。

步骤4、步骤7、步骤10和步骤11中，每轮拍卖结束时，算法判断本轮拍卖是否导致连接拓扑结构发生改变。若拓扑结构发生改变，则激活下一轮拍卖；若拓扑结构保持不变，即与前面一轮拍卖后的拓扑结构相同，则算法收敛，停止拍卖。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims

1.一种基于拍卖算法均衡基站负载的方法，其特征在于：在包含复数个基站的场景中，用户接入基站时，将单个基站虚拟切分为若干虚拟基站,通过比例公平算法进行资源分配；

2.如权利要求1所述的一种基于拍卖算法均衡基站负载的方法，其特征在于：按照基站覆盖范围内的用户数量，将基站划分为对应数量的虚拟基站，进而将无线设备与基站连接的接入控制问题转化为二部图匹配问题进行处理，再结合拍卖方法，其过程具体如下：

步骤二、用户测量自身到周边相邻基站的通信速率；

3.如权利要求2所述的一种基于拍卖算法均衡基站负载的方法，其特征在于，具体的参数设定包括：

设定用户i自身与基站j的通信速率为r_ij；

设定基站报价

{price}_{j} = \min (p_{j}^{1}, p_{j}^{2}, . . ., p_{j}^{n});

设定用户i的出价为其中，表示其最高的收益，m'_i表示其次高的收益。

4.如权利要求2或3所述的一种基于拍卖算法均衡基站负载的方法，其特征在于：基站按照比例公平算法为接入到本基站内的用户分配带宽。

5.如权利要求4所述的一种基于拍卖算法均衡基站负载的方法，其特征在于：拍卖过程中，用户与虚拟基站建立的连接为非永久性连接，虚拟基站的定价根据用户的最高报价而增长。

6.如权利要求4所述的一种基于拍卖算法均衡基站负载的方法，其特征在于：所述基站包括微基站和宏蜂窝。

7.如权利要求6所述的一种基于拍卖算法均衡基站负载的方法，其特征在于：所述微基站包括Wi-Fi接入点、飞蜂窝、微蜂窝。

8.如权利要求2或3所述的一种基于拍卖算法均衡基站负载的方法，其特征在于，单轮拍卖结束时，判断本轮拍卖是否导致连接拓扑结构发生改变：

若拓扑结构发生改变，则激活下一轮拍卖；

若拓扑结构保持不变，则算法收敛，停止拍卖。