CN105163350A - 一种面向机器类通信的负载均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向机器类通信的负载均衡方法，属于移动通信技术领域。该方法首先构造了终端的收益函数；然后通过各终端的博弈过程，确定每个终端的选择策略；进而计算基于接入分类限制方法中基站的控制参数，实现相邻小区负载均衡及减小用户的接入时延。本发明提供的一种面向机器类通信的负载均衡方法，能够有效地均衡相邻小区负载，减小用户的接入延迟，增加网络的吞吐量。

Description

一种面向机器类通信的负载均衡方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，涉及一种面向机器类通信的负载均衡方法。

背景技术

机器类通信(machinetypecommunication,MTC)作为一种新的通信类型在很多领域得到了广泛的应用，比如智能交通，水电表抄送，电子健康，智能建筑及其他智能商业。有研究指出到2020年机器类通信终端的数量将达到125亿(其中包括智能手机和平板)，远远大于现在的13亿。随着机器类终端数量的不断增加，长期演进(longtermevolution-advanced,LTE-A)网络将面临着大量机器类终端同时接入基站的情况。支持数以万计的终端通信是未来的趋势和基本需求。

由于LTE-A网络具有覆盖范围广，可以在城市和农村任意部署MTC终端及其回程网络可以为MTC终端和MTC应用之间提供无缝通信的特点，LTE-A网络被认为是支持MTC通信最优前途的网络场景。但是，MTC应用的发送小数据、终端数量大、瞬时爆发的特性是不同于传统H2H(human-to-human)通信的。当有大量的MTC终端同时请求接入LTE-A网络时，会造成网络的拥塞，特别是在物理随机接入信道(physicalrandomaccesschannel，PRACH)。拥塞是制约MTC终端在LTE-A网络中发展的一个重要问题。

现存的LTE-A网络中，为了缓解大量终端接入给无线接入网造成过载的问题，第三代合作伙伴计划(3rdgenerationpartnershipproject，3GPP)提出了很多解决方案，比如接入分类限制(accessclassbarring,ACB)，随机接入信道资源预分配，H2H和MTC前导码共享机制，信令批处理等。在上述机制中，接入分类限制在缓解拥塞时起到了很大的作用。接入分类限制的随机接入过程如图1所示。在接入分类限制机制中，基站根据繁忙度设置自身的控制参数p，并把p广播给基站覆盖范围内的MTC终端。通过调节控制参数p的大小来控制允许接入基站的数量，从而缓解基站的接入过载。当大量MTC终端等待接入基站时，基站会将自身的参数设置到很低，以此来缓解接入过载，这样会增加用户的接入时延。

图2是支持MTC的LTE-A的移动通信系统图。

为了方便场景的描述，系统中设置了2个基站分别为eNB1和eNB2，在每个基站的覆盖范围内有很多MTC终端，其中MTC终端1和MTC终端2位于2个基站的重叠区域。图中看出接入基站eNB1的MTC终端数量明显多于基站eNB2。大量MTC终端同时接入基站eNB1时，此基站会将自身的控制参数降低到最小缓解接入拥塞，会引起用户的接入延迟增加。此时，基站eNB2由于接入数量少，基站会处于空闲状态，造成资源的浪费。

当大量MTC终端在相邻小区的分布不均匀时，每个基站通过传统的接入分类限制机制独立的设置自身的参数，对缓解基站的接入过载起到的作用很小，并且会造成资源的浪费。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种面向机器类通信的负载均衡方法，该方法通过博弈技术能够有效地均衡多小区机器类的通信负载，减小用户的接入延迟，增加网络的吞吐量。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种面向机器类通信的负载均衡方法，包括以下步骤：

步骤1)构造终端的收益函数；

步骤2)通过各终端的博弈过程，确定每个终端的选择策略；

步骤3)计算基于接入分类限制方法中基站的控制参数。

进一步，所述步骤1)具体包括以下步骤：

步骤1-1)通过以下公式计算终端接入基站的信干噪比：

${\mathrm{\γ}}_{i,m}=\frac{P_{i,m}\·\left|\right|G_{i,m}\left|\right|\·d_{i,m}^{-a}}{{\mathrm{\σ}}^2+I_{i,m}}$

其中，P_i,m表示的是MTC终端i接入基站m的发送功率，i＝1,…,K，m＝1,…,M；G_i,m表示的是MTC终端i接入基站m的平均信道增益；d_i,m表示MTC终端i到接入基站m的距离；a表示终端到基站的路径衰减指数；σ²表示噪声；I_i,m表示其他终端造成的干扰；

步骤1-2)通过以下公式计算终端的效用，即终端接入基站获得的数据速率：

C_i,m＝B_i,m·log₂(1+γ_i,m)

其中，C_i,m为MTC终端i接入基站m获得的数据速率；B_i,m表示分配给MTC终端i的带宽；

步骤1-3)通过以下公式计算终端接入基站的代价：

ω_i,m＝λ_i·π_i·P_i,m

其中，ω_i,m为MTC终端i接入基站m的代价；λ_i表示的是MTC终端愿意为其获得数据速率付出代价的意愿强度，λ_i用于保证代价与效用在同一个数量级且具有相同的量纲；π_i表示发送单位功率终端的能量损耗；

步骤1-4)终端i的收益函数为：

u_i(S_K)＝(C_i.m-ω_i,m)/‖N_m‖

S_K表示为所有终端的策略的集合，其表达式为S_K＝{s₁,s₂,...,s_K}，N_m表示为基站m接入终端数量的集合，‖N_m‖为它的模值；

‖N_m‖＝‖A_m‖+‖N'_m‖

其中，N'_m表示为只能接入基站m的终端数的集合，‖N'_m‖表示它的模值，A_m表示位于重叠覆盖区域的终端选择接入基站m的终端数的集合，‖A_m‖是它的模值。

进一步，所述各终端的博弈过程具体为各终端不断改变接入策略，获取最大的收益，直到任何一个终端再改变策略时，各终端的收益都不会再改变时，确定每个终端最终的接入策略。

进一步，博弈的表达式为：

Γ＝{Z,S_K,{μ_i}_i∈Z}

其中，Z表示参与者，即位于多个小区重叠覆盖区域的MTC终端；S_K表示参与者的选择策略集，S_K＝{s₁,…,s_K}；μ_i表示参与者的收益，即MTC终端接入基站获得收益，i＝1,…,K。

进一步，终端间博弈协调各MTC终端的接入策略，使得各终端获得最大的收益，通过以下公式确定每个终端的选择策略，

$\max imize\left(\begin{array}{c}{u}_1\left(S_K\right)=\left(C_{1,m}-{\mathrm{\ω}}_{1,m}\right)/\left|\right|N_{m1}\left|\right|\\ u_2\left(S_K\right)=\left(C_{2,m}-{\mathrm{\ω}}_{2,m}\right)/\left|\right|N_{m2}\left|\right|\\ .\\ .\\ .\\ u_K\left(S_K\right)=\left(C_{K,m}-{\mathrm{\ω}}_{K,m}\right)/\left|\right|N_{mK}\left|\right|\end{array}\right).$

进一步，终端在整个系统中有且只能接入一个基站，

$\underset{m=1}{\overset{L_i}{\Σ}}{\mathrm{\σ}}_{i,m}\≤1$

L_i表示终端i可以接入的基站数的集合，σ_i,m表示MTC终端i选择基站的函数，

${\mathrm{\σ}}_{i,m}=\left\{\begin{array}{cc}1& s_i=m\\ 0& s_i\≠m\end{array}\right.$

s_i为参与者的选择策略，i＝1,…,K。

进一步，每个终端选择收益最大的基站作为选择策略时，等待接入基站的终端数量应满足：

$\underset{m=1}{\overset{L_i}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{K}{\Σ}}{\mathrm{\σ}}_{i,m}\·p_m\≤R\·M$

p_m是最初基站m的控制参数，R表示每个基站中终端选择的随机接入前导数。

进一步，计算基站的接入分类限制参数p_m：

$p_m=\frac{1}{\left|\right|N_m^{\′}\left|\right|+{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^K{s}_i^{*}}$

是重叠区域中选择基站m的终端数，表示博弈完终端最终接入的基站策略。

本发明的有益效果在于：一种面向机器类通信的负载均衡方法，基于接入分类限制和博弈方法，能够均衡相邻小区负载，减小用户的接入延迟，增加网络的吞吐量。本发明所述方法在构造MTC终端的收益函数时，充分考虑了基站和MTC终端两方面的因素。在终端方面，考虑了终端接入一个基站的获得效益和终端进行小区接入时付出得代价；在基站方面考虑了基站的负载则MTC终端i接入基站m的收益函数是终端效用和代价的差值与基站负载的比值，其中将MTC终端接入个基站可获得的数据速率作为终端的效用。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为传统的接入分类机制的随机接入过程；

图2为目前支持MTC终端通信的LTE-A系统场景；

图3为系统采用传统分类机制和博弈方法的平均延迟时间比较；

图4为系统采用传统分类机制和博弈方法的平均吞吐量比较；

图5为系统采用博弈方法的平均能耗。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明提供一种面向机器类通信的负载均衡方法，是基于接入分类限制方法的均衡多小区机器类通信负载的博弈方法，通过博弈确定每个终端的选择策略和接入分类限制设置基站参数。

博弈确定每个终端的选择策略具体为：各终端不断改变接入策略，获取最大的收益，直到任何一个终端再改变策略时，各终端的收益都不会再改变，则每个终端的选择策略便确定。因此等待接入每个基站的终端数也是确定的，此值确定后，接入分类机制可以根据此值确定基站的控制参数，实现相邻小区负载均衡及减小用户的接入时延。终端间博弈首先要确定终端的收益函数，在构造终端的收益函数，本发明充分考虑基站和终端两个方面。收益函数应满足以下准则：

1.终端接入某小区的收益函数与终端的信号质量呈正比。

2.终端接入某小区的收益函数与该小区的负载呈反比。

本发明所述方法具体包括以下步骤：

步骤1)构造终端的收益函数；

步骤2)通过各终端的博弈过程，确定每个终端的选择策略

步骤3)计算基于接入分类限制方法中基站的控制参数。

设测量区域内基站的个数为M个，MTC的终端数为K。

博弈的表达式如下：

Γ＝{Z,S_K,{μ_i}_i∈Z}(1)

在公式(1)中Z表示的参与者，本发明中的参与者是指位于多个小区重叠覆盖区域的MTC终端，如图2中的MTC终端1和MTC终端2；S_K表示参与者的选择策略集，S_K＝{s₁,…,s_K}；μ_i表示参与者的收益，在本发明中表示的是MTC终端接入基站可获得收益。

在博弈确定选择接入基站的终端数量时，首先要确定终端的收益函数。终端的收益函数是由终端效用和代价的差值与基站负载的比值。

终端的效用即终端接入基站可获得的数据速率。如图2所示，MTC终端i选择基站m作为接入策略，则终端接入基站的信干噪比可以表示为：

${\mathrm{\γ}}_{i,m}=\frac{P_{i,m}\·\left|\right|G_{i,m}\left|\right|\·d_{i,m}^{-a}}{{\mathrm{\σ}}^2+I_{i,m}}---\left(2\right)$

其中，P_i,m表示的是MTC终端i接入基站m的发送功率，m＝1,…,M，i＝1,…,K；G_i,m表示的是MTC终端i接入基站m的平均信道增益，d_i,m表示MTC终端i到接入基站m的距离，a表示终端到基站的路径衰减指数，σ²表示噪声，I_i,m表示其他终端造成的干扰。

根据公式(2)，MTC终端i接入基站m获得的数据速率可以表示为：

C_i,m＝B_i,m·log₂(1+γ_i,m)(3)

其中B_i,m表示分配给MTC终端i的带宽。

终端的代价即终端进行小区接入时付出得代价，MTC终端i接入基站m的代价表示为：

ω_i,m＝λ_i·π_i·P_i,m(4)

其中λ_i表示的是MTC终端愿意为其获得数据速率付出代价的意愿强度，λ_i用于保证代价与效用在同一个数量级且具有相同的量纲。π_i表示发送单位功率终端的能量损耗。

终端的效用和代价的表达确定后，终端收益函数的分子可以求出。收益函数的分子与基站的负载有关。在确定负载前，先做如下的说明：

1.N'_m表示为只能接入基站m的终端数的集合，‖N'_m‖表示它的模值。

2.A_m表示位于重叠覆盖区域的终端选择接入基站m的终端数的集合，||A_m||是它的模值。

由于存在于重叠区域终端的选择策略时不确定的，所以||A_m||是一个变量并且只会随着终端选择策略的改变而变。

3.L_i表示终端i可以接入的基站数的集合。

4.σ_i,m表示MTC终端i选择基站的函数，σ_i,m的取值可以表示为

${\mathrm{\σ}}_{i,m}=\{\begin{array}{cc}1& s_i=m\\ 0& s_i\≠m\end{array}---\left(5\right)$

s_i为参与者的选择策略，i＝1,…,K。

5.N_m表示为基站m接入终端数量的集合，并且它的模值表示为：

‖N_m‖＝‖A_m‖+‖N'_m‖(6)

此值即是每个基站的负载值。

6.R表示每个基站中终端可以选择的随机接入前导数。

根据公式(3),(4)和(6)，终端的收益函数可以表示为：

u_i(S_K)＝(C_i.m-ω_i,m)/‖N_m‖(7)

终端的收益函数确定后，终端间博弈协调各MTC终端的接入策略，使得各终端获得最大的收益，问题最终描述为：

$\max imize\left(\begin{array}{c}{u}_1\left(S_K\right)=\left(C_{1,m}-{\mathrm{\ω}}_{1,m}\right)/\left|\right|N_{m1}\left|\right|\\ u_2\left(S_K\right)=\left(C_{2,m}-{\mathrm{\ω}}_{2,m}\right)/\left|\right|N_{m2}\left|\right|\\ .\\ .\\ .\\ u_K\left(S_K\right)=\left(C_{K,m}-{\mathrm{\ω}}_{K,m}\right)/\left|\right|N_{mK}\left|\right|\end{array}\right)---\left(8\right)$

终端在整个系统中有且只能接入一个基站，因此满足：

$\underset{m=1}{\overset{L_i}{\Σ}}{\mathrm{\σ}}_{i,m}\≤1---\left(9\right)$

每个终端选择收益最大的基站作为选择策略时，等待接入基站的终端数量应满足：

$\underset{m=1}{\overset{L_i}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{K}{\Σ}}{\mathrm{\σ}}_{i,m}\·p_m\≤R\·M---\left(10\right)$

其中p_m是最初基站m的控制参数。

各终端间博弈的过程，如下所示。

初始化S_K＝{s₁,s₂,s₃,...,s_K}和初始化收益函数{u₁,…,u_K}.

初始化i＝1,L_i

whilei<K。

让 $u_i^{*}=u_i$

改变终端的选择策略s_i并计算终端的收益u(s_i)

if $u_i^{*}<u\left(s_i^{*}\right).$

让 $u_i^{*}=u\left(s_i^{*}\right).$

跳到第5行。

else

跳到第5行直到L_i的值遍历完。

end

让i＝i+1, $S_K=\{s_1^{*},s_2^{*},...s_i^{*}...s_K\}$

end

如果改变任何一个终端的s_i，所有终端的收益均不变

输出 $S_K=\{s_1^{*},s_2^{*},...s_i^{*}...s_K\},\left\{u_1^{*},\mathrm{...},u_K^{*}\right\}$

else

让i＝1并且跳到第3行。

End

首先假定终端的选择策略是初始化时的选择，终端1改变选择策略，选择一个收益最大的基站作为最终的策略。终端1策略是确定的，终端2在改变策略选择收益最大的基站。依次不断迭代，直到改变任何一个终端的选择策略时，所有终端的收益不在改变，即终端的间的博弈达到了均衡。基站的等待接入数量也是确定的。

下一步开始设置基站的接入分类限制参数，参数p_m表示为：

$p_m=\frac{1}{\left|\right|N_m^{\&prime;}\left|\right|+{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^K{s}_i^{*}}---\left(11\right)$

其中是重叠区域中选择基站m的终端数，表示博弈完终端最终接入的基站策略。

按照3GPP进行仿真的系统参数设置，仿真中的测量区域包含3个小区，各基站的距离为1km，详细的设置如表1所示。

表1.仿真系统参数的详细设置

基站带宽	10MHz
		终端的输出功率	21dBm
基站天线增益	15dbi
		终端天线增益	0dbi
小区个数	3
		终端个数	1000,2000,3000,4000,5000
随机接入前导数	64
		基站间隔	1km

本发明主要关注三个性能:平均(最坏)延时时间，平均(最坏)吞吐量，平均能耗。

图3表示的是终端的延时时间。从图中可以看出延时时间随着MTC终端数量增加是线性增加。与传统的接入分类限制机制相比，本发明在减少用户的时延上优于传统ACB机制。

本发明中的吞吐量定义为单位时间内成功接入的终端数量与允许接入的最大终端数量的比值来衡量的。在图4中可以看出本发明在缓解拥塞提高吞吐量上优于传统的ACB机制。

本发明中增加终端能耗作为评估技术性能一个标准。在图5中可以发现，在终端数量低于一定数量时，采用本发明的能耗要高于传统ACB机制。但是从能耗整体的走势；来看发现，采用本发明时终端能耗随着终端数量的增加呈现是线性增长，而采用传统ACB机制时能耗是呈指数增长的。因此，在海量终端等待接入时，本发明节约能耗上要由于缠头ACB机制。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种面向机器类通信的负载均衡方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1)构造终端的收益函数；

步骤2)通过各终端的博弈过程，确定每个终端的选择策略；

步骤3)计算基于接入分类限制方法中基站的控制参数。

2.根据权利要求1所述的一种面向机器类通信的负载均衡方法，其特征在于：所述步骤1)具体包括以下步骤：

步骤1-1)通过以下公式计算终端接入基站的信干噪比：

${\mathrm{\&gamma;}}_{i,m}=\frac{P_{i,m}\&CenterDot;\left|\right|G_{i,m}\left|\right|\&CenterDot;d_{i,m}^{-a}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2+I_{i,m}}$

其中，P_i,m表示的是MTC终端i接入基站m的发送功率，i＝1,...,K，m＝1,...,M；G_i,m表示MTC终端i接入基站m的平均信道增益；d_i,m表示MTC终端i到接入基站m的距离；a表示终端到基站的路径衰减指数；σ²表示噪声；I_i,m表示其他终端造成的干扰；

步骤1-2)通过以下公式计算终端的效用，即终端接入基站获得的数据速率：

C_i,m＝B_i,m·log₂(1+γ_i,m)

其中，C_i,m为MTC终端i接入基站m获得的数据速率；B_i,m表示分配给MTC终端i的带宽；

步骤1-3)通过以下公式计算终端接入基站的代价：

ω_i,m＝λ_i·π_i·P_i,m

其中，ω_i,m为MTC终端i接入基站m的代价；λ_i表示MTC终端愿意为其获得数据速率付出代价的意愿强度，λ_i用于保证代价与效用在同一个数量级且具有相同的量纲；π_i表示发送单位功率终端的能量损耗；

步骤1-4)终端i的收益函数为：

u_i(S_K)＝(C_i.m-ω_i,m)/||N_m||

S_K表示为所有终端的策略的集合，其表达式为S_K＝{s₁,s₂,...,s_K}，N_m表示为基站m接入终端数量的集合，||N_m||为它的模值；

||N_m||＝||A_m||+||N'_m||

其中，N'_m表示为只能接入基站m的终端数的集合，||N'_m||表示它的模值，A_m表示位于重叠覆盖区域的终端选择接入基站m的终端数的集合，||A_m||为它的模值。

3.根据权利要求1所述的一种面向机器类通信的负载均衡方法，其特征在于：所述各终端的博弈过程具体为各终端不断改变接入策略，获取最大的收益，直到任何一个终端再改变策略时，各终端的收益都不会再改变时，确定每个终端最终的接入策略。

4.根据权利要求1所述的一种面向机器类通信的负载均衡方法，其特征在于：博弈的表达式为：

Γ＝{Z,S_K,{μ_i}_i∈Z}

其中，Z表示参与者，即位于多个小区重叠覆盖区域的MTC终端；S_K表示参与者的选择策略集，S_K＝{s₁,...,s_K}；μ_i表示参与者的收益，即MTC终端接入基站获得收益，i＝1,...,K。

5.根据权利要求4所述的一种面向机器类通信的负载均衡方法，其特征在于：终端间博弈协调各MTC终端的接入策略，使得各终端获得最大的收益，通过以下公式确定每个终端的选择策略，

$\max imize\left(\begin{array}{c}{u}_1\left(S_K\right)=\left(C_{1,m}-{\mathrm{\&omega;}}_{1,m}\right)/\left|\right|N_{m1}\left|\right|\\ u_2\left(S_K\right)=\left(C_{2,m}-{\mathrm{\&omega;}}_{2,m}\right)/\left|\right|N_{m2}\left|\right|\\ .\\ .\\ .\\ u_K\left(S_K\right)=\left(C_{K,m}-{\mathrm{\&omega;}}_{K,m}\right)/\left|\right|N_{mK}\left|\right|\end{array}\right).$

6.根据权利要求5所述的一种面向机器类通信的负载均衡方法，其特征在于：终端在整个系统中有且只能接入一个基站，

$\underset{m=1}{\overset{L_i}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&sigma;}}_{i,m}\&le;1$

L_i表示终端i可以接入的基站数的集合，σ_i,m表示MTC终端i选择基站的函数，

${\mathrm{\&sigma;}}_{i,m}=\left\{\begin{array}{cc}1& s_i=m\\ 0& s_i\&NotEqual;m\end{array}\right.$

s_i为参与者的选择策略，i＝1,...,K。

7.根据权利要求6所述的一种面向机器类通信的负载均衡方法，其特征在于：每个终端选择收益最大的基站作为选择策略时，等待接入基站的终端数量应满足：

$\underset{m=1}{\overset{L_i}{\&Sigma;}}\underset{i=1}{\overset{K}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&sigma;}}_{i,m}\&CenterDot;p_m\&le;R\&CenterDot;M$

p_m为最初基站m的控制参数，R表示每个基站中终端选择的随机接入前导数。

8.根据权利要求7所述的一种面向机器类通信的负载均衡方法，其特征在于：计算基站的接入分类限制参数p_m：

$p_m=\frac{1}{\left|\right|N_m^{\&prime;}\left|\right|+{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^K{s}_i^{*}}$

是重叠区域中选择基站m的终端数，表示博弈完终端最终接入的基站策略。