CN107135469B - 一种分布式用户接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式用户接入方法，属于无线接入网技术领域；具体包括：首先，每个待接入用户分别和各可接入节点进行非合作性能评估，确定潜在用户类型；然后，用户进行初始化接入，计算速率收益以及所需要付出的成本；并将上述信息广播至附近F‑AP节点；最后，每个F‑AP节点根据广播信息，计算每个用户的效用函数及平均效用函数并对每个用户的接入选择进行迭代和通信模式的微调切换；本发明针对传统用户接入方法传输时延高、Fronthaul容量受限等问题，充分利用网络边缘设备的储存能力和数据处理能力，综合考虑传输速率与时延的影响；能够快速达到用户自身性能与网络整体性能之间的折中，显著缓解去程链路容量受限，减少数据传输延时，提高用户体验。

Description

一种分布式用户接入方法

技术领域

本发明属于无线接入网技术领域，具体是一种联合边缘云计算和集中云计算的无线接入网络的分布式用户接入方法。

背景技术

近年来，随着无线通信技术的飞速发展，移动用户对于高速率数据的许多社交应用和基于位置的通信应用的需求呈指数增长；如无线高清视频，社交即时通信和在线游戏等。

在现有的集中式云计算无线接入网的网络架构下，这些数据流量均需要回传到云计算服务器进行集中式处理，导致连接云计算服务器中的基带处理单元(BBU)池和远端射频单元(RRH)间的前向链路(Fronthaul)传输的数据量激增，大量冗余不需要传输的业务和控制信息导致Fronthaul容量受限，也增加了云计算服务器中的BBU池的信号处理负担。

另一方面，用户所需的所有数据均存储于集中式云计算服务器中，用户每次下载都要与云计算服务器进行数据传输，大大增加了传输时延和系统处理时延，导致大规模集中协同信号处理增益受限，从而严重影响了网络性能。

为了应对以上挑战，边缘云计算(Edge Cloud Computing)作为一种新型分布式计算技术受到来自学术界和产业界的广泛关注。与集中式云计算相比，边缘云计算将数据缓存(Cache)、数据处理和应用程序集中在网络边缘设备中，比如智能直通终端D2D和边缘计算接入点F-AP。用户可以通过接入网络边缘设备直接进行数据传输，而不必与集中式云计算服务器进行冗余的数据传输，从而可以有效缓解Fronthaul的传输压力，降低网络整体的传输时延和系统处理时延。同时，将边缘云计算引入到集中云计算无线接入网中进行联合部署，还可以有效利用集中式云计算服务器强大的计算能力弥补网络边缘设备计算能力上的不足，从而有效提升服务质量QoS(Quality of Service)。

但是，面对网络边缘设备的大规模部署，用户面临着如何选择接入方式的问题。此外，对于不同用户来说，无论是在所需文件的缓存位置信息、文件传输时延还是用户业务服务质量需求上，都存在着差异性，不同的接入方式会使不同用户之间的性能产生相互影响，而传统的用户接入技术对多个用户之间优化接入的研究还很欠缺。

综上所述，为了缓解Fronthaul的容量受限，减少不必要的传输和处理时延，提升用户服务体验，需要对传统的用户接入技术进一步改进，研制新型的联合边缘云计算和集中云计算的无线接入网络的分布式用户接入方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种分布式用户接入方法，综合考虑了边缘云计算和集中云计算无线接入网的技术特征，是一种具有通用性的用户优化接入选择的解决方案。

待接入用户基于各自所需文件的缓存位置信息、文件传输时延及用户业务服务质量需求，确定待接入用户的优化接入策略，从而在用户本身和网络整体性能优化之间建立均衡。

具体步骤如下：

步骤一、当有分组数据业务发起时，网络中每个待接入用户分别和各可接入节点之间进行非合作性能评估；

可接入节点包括F-AP节点和D2D节点；

第i个待接入用户的评估内容包括：用户所需文件V_i的缓存位置信息；用户接收到的可接入节点的信号强度，干扰信号强度和噪声水平；以及用户与附近直通终端间的距离D_i；

步骤二、针对第i个待接入用户，根据性能评估中所需文件V_i的缓存位置信息和用户与直通终端间距离D_i，确定用户i属于潜在D2D用户或潜在F-AP用户；

当第i个用户与某直通终端间距离D_i小于等于预定门限值D，且所需文件V_i在该直通终端缓存内，此时用户i选择接入该直通终端或接入附近的F-AP节点，用户i被称作潜在D2D(终端直通通信)用户；

当第i个用户与附近直通终端间距离D_i均大于预定门限值D；或者虽然用户i与某直通终端间距离D_i小于等于预定门限值D，但用户i所需文件V_i不在该直通终端缓存内，此时用户i只选择接入邻近的F-AP节点，用户i被称作潜在F-AP用户；

步骤三、对第i个待接入用户进行初始化接入，判断用户i是否为潜在F-AP用户，如果是，用户i选择接入附近某一F-AP节点；否则，用户i为潜在D2D用户，初始随机接入附近某直通终端或F-AP节点；

步骤四、当用户i选择接入到某可接入节点j后，用户i利用自身的边缘计算处理器，计算速率收益R_ij，以及所需要付出的成本C_ij；

当用户i通过D2D模式接入到直通终端j，则付出成本包括直通终端j的缓存处理时延及文件V_i的无线传输时延；

当用户i通过F-AP模式接入到F-AP节点j，且用户i所需文件V_i在接入的F-AP节点j中，则付出成本包括F-AP节点j的缓存处理时延及文件V_i的无线传输时延；

当用户i通过F-AP模式接入到F-AP节点j，但用户i所需文件V_i不在接入的F-AP节点j中，则付出成本为Fronthaul传输时延；

具体计算步骤如下：

步骤401、计算用户i与接入节点j的接收信干噪比SINR_ij；

SINR_ij＝P_ij/(I_ij+N)

P_ij为用户i检测与其接入节点j之间的接收信号强度；I_ij为用户i与接入节点j的干扰信号强度；N为用户i与接入节点j的噪声水平；j为用户接入的节点编号；

步骤402、利用接收信干噪比SINR_ij，计算用户i与接入节点j的速率收益R_ij；

R_ij＝log(1+SINR_ij)

步骤403、利用速率收益R_ij，构建用户i接入到接入节点j所需要付出的成本C_ij；

η为用户在和可接入节点无线传输时频谱占用、发射功耗、硬件损耗等所带来的等成本系数；φ为Fronthaul传输成本系数，表示F-AP节点在与云计算服务器进行数据交换时Fronthaul占用、硬件损耗等所带来的等成本系数；τ_d为直通终端的缓存处理时延，表示直通终端处获取文件位置以及文件在缓存中存取所带来的时延；τ_e为F-AP节点的缓存处理时延，表示F-AP节点处获取文件位置以及文件在缓存中存取所带来的时延；Λ_i为用户i所需文件V_i的大小；p_e为用户i所需文件V_i在F-AP节点缓存中的概率；F为Fronthaul传输速率限制；

步骤五、用户i将选择接入的节点，及需要付出的成本C_ij和速率收益R_ij广播至附近F-AP节点；

步骤六、每个F-AP节点根据附近用户的广播信息，计算附近每个用户的效用函数U(S_ij)及平均效用函数并保存到每个F-AP节点的效用函数列表中；

效用函数列表包含每个用户的效用函数信息，以及平均效用函数；

首先，某F-AP节点接收到附近所有用户发来的接入基站信息，速率收益R_ij和成本C_ij后，分别统计接入D2D模式的用户数量N^D以及选择接入F-AP模式的用户数量N^F；

然后，针对用户i，根据与接入节点j之间的速率收益及付出成本C_ij，计算用户i的效用函数U(S_ij)：

最后，该F-AP节点计算附近所有用户的平均效用函数

其中，N_u为该F-AP节点附近待接入用户总数，为潜在D2D用户中选择D2D模式接入的用户数量，为潜在D2D用户中选择F-AP模式接入的用户数量，为潜在F-AP用户的数量；为选择接入D2D模式用户的速率，为选择接入F-AP模式用户的速率；

步骤七、每个F-AP节点根据各自的效用函数列表，比较自身列表中每个用户的效用函数与平均效用函数的大小，对每个用户的接入选择进行迭代；

具体步骤如下：

步骤701、针对某F-AP节点，根据列表信息依次选取用户的效用函数分别与平均效用函数进行比较；

步骤702、判断当前用户的效用函数是否大于等于平均效用函数，如果是，则保持当前用户接入节点不变；否则，当前用户目前的效用函数小于平均函数，进入步骤703；

步骤703、判断是否存在至少一个可接入节点使当前用户的效用函数提升，如果是，进入步骤704；否则，进入步骤705；

步骤704、将当前用户切换至使该用户效用函数提升的某个可接入节点，并在列表中删除该可接入节点之前的信息，同时更新该F-AP节点列表中当前用户现有的效用函数及附近用户平均效用函数；

步骤705、当前用户目前的效用函数小于平均效用函数，但没有其他可接入节点使当前用户的效用函数提升，则保持当前用户接入节点不变；

步骤706、从该F-AP节点的列表中依次下一个用户，并判断效用函数与平均效用函数的大小，进入步骤702；

步骤707、当该F-AP节点的列表中所有用户接入可接入节点后的效用函数均大于等于附近用户平均的效用函数，即达到网络接入均衡状态；

此时，所有待接入用户均接入使其效用函数最大的可接入节点；

步骤八、所有待接入用户接入网络后，每个F-AP对接入该F-AP的用户和该F-AP所控制的D2D用户分别进行通信模式的微调切换；

对于某个采用D2D模式接入网络的用户，F-AP周期性检测该D2D用户的性能；判断传输速率和网络传输时延两个传输质量性能参数是否均大于等于预定门限时，如果是，则维持原状态不变；否则，该D2D用户的两个传输质量性能参数中的任何一项性能参数降低至小于其预定门限值，且该D2D用户周围其它D2D用户的两个传输质量性能指标均大于等于预定门限时，则提升该D2D用户的智能终端的发射功率；

对于某个采用F-AP模式接入网络的用户，用户所接入的F-AP节点周期性地检测自身的业务量，Fronthaul状态、用户数据传输速率和端到端的网络传输时延状况，并根据上述信息对用户接入的F-AP节点进行切换：

针对某个F-AP节点，根据该F-AP节点的总业务量是否位于预设门限范围内，以及Fronthaul状态、用户数据传输速率和端到端的网络传输时延共三个传输质量性能指标参数是否在其预定门限范围内，划分为不同状态：

当该F-AP节点的总业务量位于预设门限范围内；且三个传输质量性能指标参数均在其预定门限范围内时，则维持原状态不变；

当该F-AP节点的总业务量连续超过预设门限值导致Fronthaul受限，或三个传输质量性能指标参数中的任何一项性能参数降低至小于其预定门限值时，则判定该F-AP节点处于高业务量状态；处理方法包括两种：一是提升该的F-AP节点功率，同时将来自该F-AP节点的部分基带信号经路由分配至云计算服务器，并指定基带处理单元进行无线资源的调度；二是将该F-AP节点的用户切换到其他邻近的F-AP节点。

当该F-AP节点的总业务量连续少于预设门限值，且三个传输质量性能指标均高于其预定门限值时，则判定该F-AP节点处于低业务量状态，处理方法包括两种：一是该F-AP节点降低发射功率，二是将该F-AP节点的所有用户根据能效指标切换到附近F-AP节点后，关闭该F-AP节点。

本发明的优点在于：

一种分布式用户接入方法，充分发挥了边缘计算的技术优势，使用户可以利用网络边缘设备的储存能力和数据处理能力直接进行数据传输，而不必与集中式云计算服务器进行冗余的数据传输，显著缓解去程链路的容量受限，减少数据传输延时，提高用户体验。另一方面，在接入过程中综合考虑了用户速率收益与传输时延成本，使用户的接入选择更加合理，网络性能更加均衡。

附图说明

图1为本发明联合边缘云计算和集中云计算的分布式用户接入方法的流程图。

图2为本发明联合边缘云计算和集中云计算的分布式用户接入方法中通信场景示意图。

图3为本发明每个F-AP节点根据效用函数列表对每个用户的接入选择进行迭代流程图。

图4为本发明不同接入情况下用户的平均效用函数与迭代次数关系的仿真结果对比图。

图5为本发明不同的接入方式下用户的选择接入模式比例与迭代次数关系的对比图。

具体实施例

下面结合附图对本发明的具体实施方法进行详细说明。

如图2所示，网络边缘设备节点包括智能直通终端接入点D2D和边缘计算接入点F-AP两种：待接入用户可以同带有缓存的直通终端接入点D2D进行通信，也可以与边缘计算接入点F-AP进行通信；同时边缘计算接入点F-AP通过Fronthaul链路与云计算服务器中的基带处理单元BBU直接进行通信。

直通终端接入点D2D，用于智能终端之间直接传输所需数据；且该直通终端接入点D2D装配有边缘存储模块，具有发现相邻直通终端和探测配置反馈信息的能力，以及向边缘计算节点F-AP上报位置信息、噪声水平和干扰信息等信息的能力。

边缘计算接入点F-AP分布式部署，用于管理用户智能直通终端D2D的通信资源以及独立执行业务和控制信息的处理操作；具有一定的基带信号处理能力和边缘存储、计算能力，以满足数据热点地区覆盖和热门文件存储的需求；每个F-AP节点通过Fronthaul链路连接到云计算服务器中的BBU池。

本发明基于联合边缘云计算和集中云计算的无线接入网络的分布式用户接入方法，如图1所示，具体操作步骤如下：

步骤一、当有分组数据业务发起时，网络中每个待接入用户分别和各可接入节点之间进行非合作性能评估；

可接入节点包括F-AP节点和D2D节点；

当有分组数据业务发起时，各待接入用户自主扫描收集邻近直通终端D2D节点与F-AP节点的广播信息，具体包括位置信息、设备标示信息、信道频率信息和缓存文件信息；

针对第i个待接入用户，i为用户编号；根据收集到的各接入点的广播信息，在用户i处进行后台处理，评估附近直通终端D2D节点与用户之间的距离D_i，用户所需文件V_i的缓存位置信息；以及各个接入点与用户之间的信号强度、干扰信号强度、噪声水平和其他链路参数。

步骤二、针对第i个待接入用户，根据性能评估中所需文件V_i的缓存位置信息和用户与直通终端间距离D_i，确定用户i属于潜在D2D用户或潜在F-AP用户；

初始化用户可接入节点列表，根据步骤一中获得的用户所需文件V_i的缓存位置信息和用户与直通终端间的距离D_i，与预设值进行比对，确定待接入用户i的可接入节点：

如果某用户与某一直通终端间距离小于预定门限值D，且用户所需文件在该直通终端缓存内，此时用户可以选择接入该直通终端或接入附近F-AP节点，该用户被称作潜在终端直通通信(D2D)用户；更新用户可接入节点列表；

如果用户与附近直通终端间距离均大于预定门限值D，或者虽然用户与某一直通终端间距离小于预定门限值D，但用户所需文件不在该直通终端缓存内，此时该用户只可选择接入邻近的F-AP节点，该用户被称作潜在F-AP用户；更新用户可接入节点列表；

步骤三、对第i个待接入用户进行初始化接入，判断用户i是否为潜在F-AP用户，如果是，用户i选择接入附近某一F-AP节点；否则，用户i为潜在D2D用户，初始随机接入附近某直通终端或F-AP节点；

用户根据自身的可接入节点类型，进行初始化接入；若待接入用户为潜在F-AP用户，则选择接入用户附近某一F-AP节点；若待接入用户为潜在D2D用户，则初始随机接入附近某一直通终端或F-AP节点；

对于选择D2D模式初始化接入网络的用户，在F-AP的管理控制下完成接入：首先，待接入用户i广播自己的位置和设备标识等信息，进入等待相应状态；直通终端j接收到该信息后，在跟待接入用户i相同的频段上面，广播直通终端j自己的位置和设备标识等信息，进入等待接入状态；然后，待接入用户i收到直通终端j的信息后，继续在该频段上面发送确认信息，此时待接入用户i处于已连接状态，直通终端j收到该确认信息后，转入已连接状态，双方可以进行通信；

对于采用F-AP模式接入网络的用户，若用户所需文件在该用户所接入的F-AP缓存之中，则按照传统小区接入方式接入F-AP；若用户所需文件不在该用户所接入的F-AP缓存之中，则采用传统C-RAN通信模式，即F-AP通过Fronthaul链路把所有信号处理和资源管理集中到云计算服务器中的BBU池进行通信；

步骤四、当用户i选择接入到某可接入节点j后，用户i利用自身的边缘计算处理器，计算所需要付出的成本C_ij；

用户i初始化接入后，利用自身的边缘计算处理器计算所需要付出的成本C_ij；

首先，用户i检测与其接入节点j的接收信号强度P_ij，干扰信号强度I_ij和噪声水平N，并根据以上指标计算用户i与接入节点j的接收信干噪比SINR_ij＝P_ij/(I_ij+N)，进而根据接收信干噪比SINR_ij计算用户i与接入节点j的的速率收益R_ij，具体通过下式实现：

R_ij＝log(1+SINR_ij)

其中j为用户接入的节点编号；

然后，利用速率收益R_ij，构建用户i接入到接入节点j所需要付出的成本C_ij；

若用户通过D2D模式接入，则付出成本包括直通终端的缓存处理时延及文件无线传输时延；

若用户通过F-AP模式接入，且用户所需文件在接入的F-AP节点中，则付出成本包括F-AP节点的缓存处理时延及文件无线传输时延；

若用户通过F-AP模式接入，但用户所需文件不在接入的F-AP节点中，则付出成本为Fronthaul传输时延；

付出成本C_ij的具体计算公式如下：

其中，η为无线传输成本系数，用以表示用户在和可接入节点无线传输时频谱占用、发射功耗、硬件损耗等所带来的等成本系数；φ为Fronthaul传输成本系数，用以表示F-AP节点在与云计算服务器进行数据交换时Fronthaul占用、硬件损耗等所带来的等成本系数；τ_d、τ_e分别为直通终端和F-AP节点的缓存处理时延，用以表示直通终端和F-AP节点处获取文件位置以及文件在缓存中存取所带来的时延；Λ_i为用户i所需文件V_i的大小；p_e为用户i所需文件V_i在F-AP节点缓存中的概率；F为Fronthaul传输速率限制；

步骤五、用户i将选择接入的节点，及需要付出的成本C_ij和速率收益R_ij广播至附近F-AP节点；

待用户将自身接入基站的信息，经过计算后的速度收益和付出的成本数据以广播的形式发送至附近F-AP节点；

步骤六、每个F-AP节点根据附近用户的广播信息，计算附近每个用户的效用函数U(S_ij)及平均效用函数并保存到每个F-AP节点的效用函数列表中；

每个F-AP节点分别建立一个效用函数列表，包括附近用户的平均效用函数以及附近每个用户当前的效用函数信息；

首先，某F-AP节点接收到附近用户发来的接入基站信息，及速度收益和成本数据后，统计获取附近的用户总数，选择接入D2D模式的用户数量以及选择接入F-AP模式的用户数量；

然后，针对用户i，根据用户i与接入节点j的速率收益及付出成本，计算用户i的效用函数U(S_ij)，具体通过下式实现：

其中，N^D为选择D2D模式接入的用户数量，N^F为选择F-AP模式接入的用户数量。

最后，F-AP节点根据下式计算附近用户的平均效用函数

其中，N_u为该F-AP节点附近待接入用户总数，为潜在D2D用户中选择D2D模式接入的用户数量，为潜在D2D用户中选择F-AP模式接入的用户数量，为潜在F-AP用户的数量；为选择接入D2D模式用户的速率，为选择接入F-AP模式用户的速率；

步骤七、每个F-AP节点根据各自的效用函数列表，比较自身列表中每个用户的效用函数与平均效用函数的大小，对每个用户的接入选择进行迭代；

博弈阶段采用演进博弈作为待接入用户分布式接入选择的博弈模型：首先，若某用户目前的效用函数大于等于附近用户平均效用函数，则维持现有不变；若某用户目前的效用函数小于附近用户平均的效用函数，且至少有一个该用户的可接入节点可使该用户的效用函数提升，则将其切换至可以使该用户效用函数提升的一个可接入节点，同时更新F-AP节点中该用户的效用函数及附近用户平均效用函数；

重复此步骤，直到所有用户接入某可接入节点后的效用函数均大于等于附近用户平均的效用函数，即达到网络接入均衡状态；此时，网络中所有用户均接入使其效用函数最大的可接入节点；

如图3所示，具体步骤如下：

步骤701、针对某F-AP节点，根据列表信息依次选取用户的效用函数分别与平均效用函数进行比较；

F-AP节点将计算得到的附近用户效用函数与平均效用函数进行比较；

步骤702、判断当前用户的效用函数是否大于等于平均效用函数，如果是，则保持当前用户接入节点不变；否则，当前用户目前的效用函数小于平均函数，进入步骤703；

步骤703、判断是否存在至少一个可接入节点使当前用户的效用函数提升，如果是，进入步骤704；否则，进入步骤705；

步骤704、将当前用户切换至使该用户效用函数提升的某个可接入节点，并在列表中删除该可接入节点之前的信息，同时更新该F-AP节点列表中当前用户现有的效用函数及附近用户平均效用函数；

若F-AP节点发现效用函数列表中附近用户平均效用函数比该用户现有的效用函数更大，且至少有一个该用户的可接入节点可使该用户的效用函数提升；则发送指令使用户切换接入至该可接入节点，并在列表中删除之前接入节点信息，更新用户的现有效用函数列表信息及附近用户平均效用函数信息；

步骤705、当前用户目前的效用函数小于平均效用函数，但没有其他可接入节点使当前用户的效用函数提升，则保持当前用户接入节点不变；

步骤706、从该F-AP节点的列表中依次下一个用户，并判断效用函数与平均效用函数的大小，进入步骤702；

步骤707、当该F-AP节点的列表中所有用户接入可接入节点后的效用函数均大于等于附近用户平均的效用函数，即达到网络接入均衡状态；

重复进行循环决策，直到网络中所有用户都确定选择接入策略，则达到用户本身和网络整体性能优化之间均衡；此时，所有待接入用户均接入使其效用函数最大的可接入节点；

步骤八、所有待接入用户接入网络后，每个F-AP对接入该F-AP的用户和该F-AP所控制的D2D用户分别进行通信模式的微调切换；

对于某个采用D2D模式接入网络的用户，F-AP周期性检测所控制的该D2D用户的性能；判断传输速率和网络传输时延两个传输质量性能参数是否均大于等于预定门限时，如果是，则维持原状态不变；否则，该D2D用户的两个传输质量性能参数中的任何一项性能参数降低至小于其预定门限值，且该D2D用户周围其它D2D用户的两个传输质量性能指标均大于等于预定门限时，则提升该D2D用户的智能终端的发射功率；

对于某个采用F-AP模式接入网络的用户，用户所接入的F-AP节点周期性地检测自身的业务量，Fronthaul状态、用户数据传输速率和端到端的网络传输时延状况，并根据上述信息对用户接入的F-AP节点进行微调切换：

针对某个F-AP节点，根据该F-AP节点的总业务量是否位于预设门限范围内，以及Fronthaul状态、用户数据传输速率和端到端的网络传输时延共三个传输质量性能指标参数是否在其预定门限范围内，划分为不同状态：

当该F-AP节点的总业务量位于预设门限范围内；且三个传输质量性能指标参数均在其预定门限范围内时，则维持原状态不变；

当该F-AP节点的总业务量连续超过预设门限值导致Fronthaul受限，或三个传输质量性能指标参数中的任何一项性能参数降低至小于其预定门限值时，则判定该F-AP节点处于高业务量状态；处理方法包括两种：一是提升该的F-AP节点功率，同时进行大规模无线资源的调度：将来自该F-AP节点的部分基带信号经路由分配至云计算服务器，并指定基带处理单元进行无线资源的调度；二是将该F-AP节点的用户切换到其他邻近的F-AP节点。

当该F-AP节点的总业务量连续少于预设门限值，且三个传输质量性能指标均高于其预定门限值时，则判定该F-AP节点处于低业务量状态，处理方法包括两种：一是该F-AP节点降低发射功率，二是将该F-AP节点的所有用户根据能效指标切换到附近F-AP节点后，关闭该F-AP节点。

本发明一种联合边缘云计算和集中云计算的无线接入网络的分布式用户接入方法，首先，当有分组数据业务发起时，各待接入用户拟各自和网络之间进行非合作性能评估，评估采用终端直通接入模式和接入带有该业务缓存的本地接入点的性能；然后，基于待接入用户所需文件的缓存位置信息、文件传输时延及用户业务服务质量需求，确定待接入用户的优化接入策略，从而在用户本身和网络整体性能优化之间建立均衡；本发明可缓解去程链路的容量受限，减少数据传输延时，提高用户体验。

本发明所提出的分布式用户接入方法对于不同的初始化用户接入D2D模式比例，包括所有潜在D2D用户在初始接入时有30％、50％、70％选择接入D2D模式，用户平均效用函数与迭代次数关系的仿真结果，如图4所示；从图中可以看出所提分布式用户接入方法可以迅速到达均衡状态，在经过迭代后都能达到相近的用户平均收益位置。为了对所提资源分配方案进行对比，考虑了两种极端情况和一个对比方案，其中两种极端情况分别为潜在D2D用户完全接入D2D，以及完全接入F-AP节点的情况。从图中可以看出，对比两种极端情况所提分布式用户接入方法的用户平均效用函数可以获得显著提升。此外，对比方案考虑用户按照接收功率的大小选择接入F-AP还是D2D模式，可以看出本发明分布式用户接入方法相比于按照最大接收功率接入的方式可以获得9％的性能提升。

分布式用户接入方法在每次迭代过程中，所有潜在D2D用户选择接入D2D模式和F-AP的比例变化过程，如图5所示；从图中可以看出，对比初始接入时有75％选择接入D2D模式25％接入F-AP节点，以及初始接入时有50％选择接入D2D模式50％接入F-AP节点的情况，经过多次迭代后能够很快达到平衡状态，且达到平衡时潜在D2D用户选择接入某一模式的比例相同，约70％潜在D2D用户最终选择D2D模式，30％最终选择接入F-AP模式。

Claims (2)

1.一种分布式用户接入方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、当有分组数据业务发起时，网络中每个待接入用户分别和各可接入节点之间进行非合作性能评估；

可接入节点包括F-AP节点和终端直通通信D2D节点；

第i个待接入用户的评估内容包括：用户所需文件V_i的缓存位置信息；用户接收到的可接入节点的信号强度，干扰信号强度和噪声水平；以及用户与附近直通终端间的距离D_i；

步骤二、针对第i个待接入用户，根据性能评估中所需文件V_i的缓存位置信息和用户与直通终端间距离D_i，确定用户i属于潜在D2D用户或潜在F-AP用户；

当第i个用户与某直通终端间距离D_i小于等于预定门限值D，且所需文件V_i在该直通终端缓存内，此时用户i选择接入该直通终端D2D节点或接入附近的F-AP节点，用户i被称作潜在D2D用户；

当第i个用户与附近直通终端间距离D_i均大于预定门限值D；或者虽然用户i与某直通终端间距离D_i小于等于预定门限值D，但用户i所需文件V_i不在该直通终端缓存内，此时用户i只选择接入邻近的F-AP节点，用户i被称作潜在F-AP用户；

步骤三、对第i个待接入用户进行初始化接入，判断用户i是否为潜在F-AP用户，如果是，用户i选择接入附近某一F-AP节点；否则，用户i为潜在D2D用户，初始随机接入附近某直通终端或F-AP节点；

步骤四、当用户i选择接入到某可接入节点j后，用户i利用自身的边缘计算处理器，计算速率收益R_ij，以及所需要付出的成本C_ij；

具体计算步骤如下：

步骤401、计算用户i与接入节点j的接收信干噪比SINR_ij；

SINR_ij＝P_ij/(I_ij+N)

P_ij为用户i检测与其接入节点j之间的接收信号强度；I_ij为用户i与接入节点j的干扰信号强度；N为用户i与接入节点j的噪声水平；j为用户接入的节点编号；

步骤402、利用接收信干噪比SINR_ij，计算用户i与接入节点j的速率收益R_ij；

R_ij＝log(1+SINR_ij)

步骤403、利用速率收益R_ij，构建用户i接入到接入节点j所需要付出的成本C_ij；

η为用户在和可接入节点无线传输时频谱占用、发射功耗、硬件损耗等所带来的等成本系数；φ为Fronthaul传输成本系数，表示F-AP节点在与云计算服务器进行数据交换时Fronthaul占用、硬件损耗等所带来的等成本系数；τ_d为直通终端的缓存处理时延，表示直通终端处获取文件位置以及文件在缓存中存取所带来的时延；τ_e为F-AP节点的缓存处理时延，表示F-AP节点处获取文件位置以及文件在缓存中存取所带来的时延；Λ_i为用户i所需文件V_i的大小；p_e为用户i所需文件V_i在F-AP节点缓存中的概率；F为Fronthaul传输速率限制；

步骤五、用户i将选择接入的节点，及需要付出的成本C_ij和速率收益R_ij广播至附近F-AP节点；

步骤六、每个F-AP节点根据附近用户的广播信息，计算附近每个用户的效用函数U(S_ij)及平均效用函数并保存到各节点对应的效用函数列表中；

效用函数列表包含每个用户的效用函数信息，以及平均效用函数；

首先，某F-AP节点接收到附近所有用户发来的接入基站信息，速率收益R_ij和成本C_ij后，分别统计接入D2D模式的用户数量N^D以及选择接入F-AP模式的用户数量N^F；

然后，针对用户i，根据与接入节点j之间的速率收益及付出成本C_ij，计算用户i的效用函数U(S_ij)：

最后，计算该F-AP节点计算附近所有用户的平均效用函数

其中，N_u为该F-AP节点附近待接入用户总数，为潜在D2D用户中选择D2D模式接入的用户数量，为潜在D2D用户中选择F-AP模式接入的用户数量，为潜在F-AP用户的数量；为选择接入D2D模式用户的速率，为选择接入F-AP模式用户的速率；

步骤七、每个F-AP节点根据各自的效用函数列表，比较自身列表中每个用户的效用函数与平均效用函数的大小，对每个用户的接入选择进行迭代；

具体如下：

步骤701、针对某F-AP节点，根据列表信息依次选取用户的效用函数分别与平均效用函数进行比较；

步骤702、判断当前用户的效用函数是否大于等于平均效用函数，如果是，则保持当前用户接入节点不变；否则，当前用户目前的效用函数小于平均函数，进入步骤703；

步骤703、判断是否存在至少一个可接入节点使当前用户的效用函数提升，如果是，进入步骤704；否则，进入步骤705；

步骤704、将当前用户切换至使该用户效用函数提升的某个可接入节点，并在列表中删除该可接入节点之前的信息，同时更新该F-AP节点列表中当前用户现有的效用函数及附近用户平均效用函数；

步骤705、当前用户目前的效用函数小于平均效用函数，但没有其他可接入节点使当前用户的效用函数提升，则保持当前用户接入节点不变；

步骤706、从该F-AP节点的列表中依次下一个用户，并判断效用函数与平均效用函数的大小，进入步骤702；

步骤707、当该F-AP节点的列表中所有用户接入可接入节点后的效用函数均大于等于附近用户平均的效用函数，即达到网络接入均衡状态；

此时，所有待接入用户均接入使其效用函数最大的可接入节点；

步骤八、所有待接入用户接入网络后，每个F-AP对接入该F-AP的用户和该F-AP所控制的D2D用户分别进行通信模式的微调切换；

具体为：

对于某个采用D2D模式接入网络的用户，F-AP周期性检测该D2D用户的性能；判断传输速率和网络传输时延两个传输质量性能参数是否均大于等于预定门限时，如果是，则维持原状态不变；否则，该D2D用户的两个传输质量性能参数中的任何一项性能参数降低至小于其预定门限值，且该D2D用户周围其它D2D用户的两个传输质量性能指标均大于等于预定门限时，则提升该D2D用户的智能终端的发射功率；

对于某个采用F-AP模式接入网络的用户，用户所接入的F-AP节点周期性地检测自身的业务量，Fronthaul状态、用户数据传输速率和端到端的网络传输时延状况，并根据上述信息对用户接入的F-AP节点进行切换：

针对某个F-AP节点，根据该F-AP节点的总业务量是否位于预设门限范围内，以及Fronthaul状态、用户数据传输速率和端到端的网络传输时延共三个传输质量性能指标参数是否在其预定门限范围内，划分为不同状态：

当该F-AP节点的总业务量位于预设门限范围内；且三个传输质量性能指标参数均在其预定门限范围内时，则维持原状态不变；

当该F-AP节点的总业务量连续超过预设门限值导致Fronthaul受限，或三个传输质量性能指标参数中的任何一项性能参数降低至小于其预定门限值时，则判定该F-AP节点处于高业务量状态；处理方法包括两种：一是提升该的F-AP节点功率，同时将来自该F-AP节点的部分基带信号经路由分配至云计算服务器，并指定基带处理单元进行无线资源的调度；二是将该F-AP节点的用户切换到其他邻近的F-AP节点；

当该F-AP节点的总业务量连续少于预设门限值，且三个传输质量性能指标均高于其预定门限值时，则判定该F-AP节点处于低业务量状态，处理方法包括两种：一是该F-AP节点降低发射功率，二是将该F-AP节点的所有用户根据能效指标切换到附近F-AP节点后，关闭该F-AP节点。

2.如权利要求1所述的一种分布式用户接入方法，其特征在于，所述的步骤四中，

当用户i通过D2D模式接入到直通终端j，则付出成本包括直通终端j的缓存处理时延及文件V_i的无线传输时延；

当用户i通过F-AP模式接入到F-AP节点j，且用户i所需文件V_i在接入的F-AP节点j中，则付出成本包括F-AP节点j的缓存处理时延及文件V_i的无线传输时延；

当用户i通过F-AP模式接入到F-AP节点j，但用户i所需文件V_i不在接入的F-AP节点j中，则付出成本为Fronthaul传输时延。