CN107148048B - 一种无线网络负载均衡方法 - Google Patents

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Abstract

一种无线网络负载均衡方法，对每个参与负载均衡的无线接入点执行以下步骤：S1、判断一无线接入点在当前时隙收到的并发内容上传请求数目是否超过该无线接入点的最大允许并发上传数目M，若否，则执行步骤S2；若是，则执行步骤S3；其中M≥1；S2、由该无线接入点执行当前时隙收到的全部并发内容上传请求；S3、将并发内容上传请求所对应的待上传内容按照缓存收益指数之和由小到大进行排列，将排在前M位的待上传内容指定由所述无线接入点执行上传；同时将其余待上传内容复制给协助缓存设备进行协助缓存，以使得协助缓存的内容随着协助缓存设备连接到其它无线接入点而由所述其它无线接入点执行上传。

Description

一种无线网络负载均衡方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种无线网络负载均衡方法。
背景技术
随着无线通信技术和智能移动设备的发展，移动用户越来越倾向于使用802.11无线局域网(Wi-Fi)上传音频、视频、图片等内容。然而，在用户密度较高的无线局域网中(例如机场、会场等)，由于并发上传的任务过多，边缘网络无线接入点(AP，Access Point)的负载过重，从而不能够给用户带来良好的上传体验。
已有的通过增加AP数目或者增加AP上传带宽来提高用户体验的方法，不仅需要高昂的硬件部署成本，也难以满足用户日益增长的上传带宽需求。同时，由于受用户连接行为的影响，边缘网络的AP之间存在显著的上传负载分布不均匀的现象，一些AP因为负载较重而无法提供良好的用户体验，另外一些AP却因为连接用户数目较少而导致负载过轻，浪费了大量的网络资源。因此在AP之间进行负载均衡实有必要。
现有的AP之间的负载均衡技术主要通过改变用户与AP之间的关联来实现，例如指导连接较重负载AP的移动用户去连接附近的负载较轻的AP，来获得良好的用户体验。但是由于用户可以同时扫描到的AP信号的数目有限，这一类的方法并不能在全局范围内实现高效的AP负载均衡。
还有一些均衡方法，是通过AP之间的相互通信，以查询别的AP的网络负载情况，并根据当前网络的负载分配情况决定是否允许新设备接入，以此来达到负载均衡的目的。但是这种方法由于AP两两之间需要进行不断的信息交换，会在一定程度上影响网络体验，同时效率也不高。
发明内容
随着设备与设备(D2D)通信技术的发展，边缘网络中的用户之间直接进行内容交换成为可能。本发明基于D2D通信技术，提出一种新型的无线网络负载均衡方法，将负载较重的AP无法上传的内容复制给边缘网络中的其他移动设备以期能够协助上传，随着这些移动设备连接到负载较轻的AP，由它们协助上传的内容就可以由负载较轻的AP进行上传。从而解决现有的AP负载均衡方法所存在的无法高效实现负载均衡的技术问题。
本发明为达上述目的所提出的技术方案如下：
一种无线网络负载均衡方法，包括对每个参与负载均衡的无线接入点执行以下步骤：
S1、判断一无线接入点在当前时隙收到的并发内容上传请求数目是否超过该无线接入点的最大允许并发上传数目M，若否，则执行步骤S2；若是，则执行步骤S3；其中M≥1；
S2、由该无线接入点执行当前时隙收到的全部并发内容上传请求；
S3、将并发内容上传请求所对应的待上传内容按照缓存收益指数之和由小到大进行排列，将排在前M位的待上传内容指定由所述无线接入点执行上传；同时将其余待上传内容复制给协助缓存设备进行协助缓存，以使得协助缓存的内容随着协助缓存设备连接到其它无线接入点而由所述其它无线接入点执行上传；
其中，所述缓存收益指数之和表示某一待上传内容在其上传容忍时延内被当前时隙连接于所述无线接入点上的所有移动设备协助缓存并且得以成功上传的概率；所述协助缓存设备属于当前时隙连接于所述无线接入点上的移动设备。
本发明提出的上述负载均衡方法，与现有的负载均衡方法相比，具有以下有益效果：
1)可以在整个网络中更大范围的无线接入点(AP)之间进行负载均衡，实际上只要有移动用户/设备在两个AP之间发生转移就可以在这两个AP之间进行负载均衡，而与AP之间的地理距离和所处的网络无关；
2)不需要对参与负载均衡的AP进行任何功能上的部署，也不需要让这些AP彼此进行通信，由于不同AP的拥有者往往不同，尤其是私有AP，对其进行功能上的部署是不现实的；
3)考虑到移动设备在边缘网络之间的转移时延和用户产生的内容的上传容忍时延之间的融合，将移动设备作为内容传输的中继在系统中现有的AP之间进行负载均衡，通过一个简单的应用层的部署即可实现，不需要部署额外的高成本硬件资源；
4)无需对用户连接AP的意愿和行为进行干涉，允许用户按照自己的偏好去连接AP的同时给用户提供良好的内容上传体验；
5)基于对移动用户未来AP连接情况的预测，做出更加合理的缓存决策，避免无效的内容复制和用户缓存资源的盲目浪费。
附图说明
图1是本发明无线网络负载均衡方法的一种系统部署图；
图2是本发明无线网络负载均衡方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明。
在人群密度比较大的边缘网络区域，例如机场、商场、火车站、学校等存在无线网络共享的区域，用户使用无线网络上传其所产生的内容(例如视频图像等)时，存在上传体验差的问题。这其中一个重要的原因就是有的AP(无线接入点)负载较重导致无法完成连接它的用户提出的上传请求，但同时在该区域中的有些AP上连接的用户数量较少，此种情况下进行AP之间的负载均衡可以较好地解决该问题。因此，本发明提出一种无线网络负载均衡方法，该方法基于D2D(设备与设备)通信将当前所连接的AP无法上传的内容传给协助缓存的用户，以期内容可以随着协助缓存的用户转移到其他负载较轻的AP而进行上传，以达到AP之间负载均衡的目的，解决因所连接的AP负载过重而无法在较短时间内提供上传服务的问题。
本发明提供的所述负载均衡方法，可由一规划服务器在每一离散时隙来执行，具体地，通过执行一计算机程序来实现该负载均衡方法的步骤。如图1所示，该负载均衡方法适用的系统中，规划服务器与参与负载均衡的所有AP均可通信，因此规划服务器可获知整个边缘网络中的这些AP(例如图中的AP1、AP2、……等)以及连接到这些AP的移动设备(D1、D2、D3、D4、……等)的信息，所述信息至少包括移动设备的AP连接情况以及各个AP的负载情况。规划服务器可根据各个AP的负载情况，每个时隙对整个系统中的所有超载AP执行负载均衡算法，决定哪些内容由本AP直接上传，哪些内容由当前时隙连接该AP的用户协助缓存。
如图2所示，为本发明提供的上述负载均衡方法，包括对每个参与负载均衡的无线接入点执行以下步骤：
S1、判断一无线接入点在当前时隙收到的并发内容上传请求数目是否超过该无线接入点的最大允许并发上传数目M，若否，则执行步骤S2；若是，则执行步骤S3；其中M≥1；
S2、由该无线接入点执行当前时隙收到的全部并发内容上传请求；
S3、将并发内容上传请求所对应的待上传内容按照缓存收益指数之和由小到大进行排列，将排在前M位的待上传内容指定由所述无线接入点执行上传；同时将其余待上传内容复制给协助缓存设备进行协助缓存，以使得协助缓存的内容随着协助缓存设备连接到其它无线接入点而由所述其它无线接入点执行上传；其中，所述缓存收益指数之和表示某一待上传内容在其上传容忍时延内被当前时隙连接于所述无线接入点上的所有移动设备协助缓存并且得以成功上传的概率；所述协助缓存设备属于当前时隙连接于所述无线接入点上的移动设备。
下面参考图1，以AP1和AP2之间实现负载均衡为例来详细说明本发明的负载均衡方法。规划服务器启动负载均衡任务之后，判断AP1在当前时隙t＝n所收到的内容上传请求(这些请求来自于连接它的移动设备D1、D2等)是否超过它的最大允许并发上传数目M，若没有超过，则说明AP1当前时隙并未超载，可以顺利完成上传任务；反之，则说明AP1超载(负载较重)，部分内容上传请求无法在内容上传的容忍时间内完成，此时则需要进行负载均衡。
假设当前时隙AP1收到的上传请求的数目为100，而AP1的最大允许上传数目为85，则将该100个上传请求所对应的待上传内容(一个请求对应一条内容，但这只是举例)按照缓存收益指数之和(缓存收益指数之和的具体计算方法后续再述)由小到大进行排列，排在前85位的待上传内容直接由AP1上传，其余15条内容将由协助缓存设备进行缓存。协助缓存设备包括在当前时隙连接于AP1的移动设备之中，参考图1，假设一协助缓存内容y1是由连接于AP1的移动设备D1所产生，而该内容y1的上传容忍时延为τ，则估算当前连接于AP1的移动设备在容忍时延τ内转移到一负载较轻AP的概率，具体的估算方法后续再述，假设估算结果显示当前连接于AP1上的移动设备当中，移动设备D2转移到一负载较轻AP的概率最大，则移动设备D2会被指定为内容y1的协助缓存设备，通过D2D通信可将内容y1复制到移动设备D2进行协助缓存，这样一来，只要移动设备D2在容忍时延τ内发生转移，内容y1就可以随着设备D2转移而通过负载较轻AP得以上传。如果移动设备D2在容忍时延τ内未能发生转移或转移到的是一个同样具有较重负载的AP，而使得内容y1未能在容忍时延τ内得以上传，则可定义为上传失败，并告知移动设备D1，可再次发出上传请求。
在上述的例子中，估算当前连接于AP1的移动设备在容忍时延τ内转移到一负载较轻AP的概率可通过如下方法，根据二阶马氏链，基于移动设备的无线接入点连接历史记录进行预测得到，具体如下：
其中，表示连接于AP1的某一移动设备u在未来第t个时隙连接到无线接入点b的概率，sn+t表示移动设备u在第n+t个时隙所连接的无线接入点，sn-1表示移动设备u在第n-1个时隙所连接的无线接入点，sn表示移动设备u在当前时隙n所连接的无线接入点；N(c，a，(*)t-1,b；Su)表示无线接入点子序列c,a,(*)t-1,b在序列Su中出现的次数，c,a,(*)t-1,b是一个以无线接入点c、a开始并以无线接入点b结束的长度为t+2的序列，Su是移动设备u连接过的历史无线接入点序列。由于无线规划服务器可获知参与负载均衡的所有AP的负载情况，则假设获知到当前时隙AP2的负载较轻，则可有针对性地估算连接于AP1的所有移动设备在未来某个时间段内(该时间段有多长需根据具体内容的上传容忍时延来定)连接到AP2的概率，从而为每条协助缓存内容指定协助缓存设备。
在前述的例子中，以待上传内容y1为例来说明缓存收益指数之和如何获得：首先计算当前时隙连接于无线接入点AP1的每一移动设备对内容y1的缓存收益指数，并对得到的缓存收益指数进行求和即可得到。其中，内容y1的缓存收益指数表示在内容y1的上传容忍时延τ内，内容y1被当前时隙连接于AP1的某一移动设备缓存并且得以成功上传的概率。具体的计算可采用如下的方式：
其中，Iu,e表示移动设备u对内容e的缓存收益指数，A是所有参与负载均衡的无线接入点的集合，是无线接入点b在未来第t个时隙的负载率，γe是待上传内容e的剩余上传容忍时延，ε是一个小于1的常数；可通过以下公式得到：
其中，Gu表示移动设备u在一个时隙内生成一条内容并提出对应的一个内容上传请求的概率，Mb表示无线接入点b的最大允许并发上传数目，U表示参与负载均衡的所有无线接入点上连接的移动设备的集合。
通过上述方法即可求得内容y1的缓存收益指数，从而求和得到y1的缓存收益指数之和。以同样的方法去计算其余待上传内容的缓存收益指数之和。从而可将当前时隙AP1的待上传内容按照缓存收益指数之和由小到大进行排列。某一内容的缓存收益指数之和越小，表示该内容被AP1上连接的所有移动设备协助缓存后得以成功上传的概率也越小，因此将100条待上传内容按照缓存收益指数之和进行从小到大排列，前M＝85位的内容直接由AP1执行上传；而缓存收益指数之和较大的，表明该内容被其协助缓存设备缓存之后，由别的AP上传成功的概率较大。
通过前述的方法来作出负载均衡的缓存和上传策略。在一种具体的方案中，若提出上传该内容的用户并不是缓存决策指定的缓存者，则需要指示提出上传该内容的用户通过D2D通信将内容传输给新指定的缓存者。反之，则不需要进行D2D通信，由于D2D通信是在移动设备之间高速进行的，所以并不会消耗额外的网络带宽。
在一种优选的实施例中，为每一移动设备配置一惩罚指数，该惩罚指数的值初始化为0。当一移动设备未能执行规划服务器分配的一协助缓存任务时，所述惩罚指数减1；当一移动设备所请求上传的内容被判别为需要通过所述协助缓存设备进行协助缓存时，若该移动设备的惩罚指数为负，则不对该移动设备的内容执行协助缓存，以示惩罚，同时惩罚指数加1(即每被惩罚一次，惩罚指数加1)。因此，初始化之后，对于不按规划执行分配的协助缓存任务的移动设备，其惩罚指数会为负，当它需要请求协助缓存时，每请求一次，则拒绝(惩罚)一次，同时惩罚指数加1，惩罚一定次数后，直到惩罚指数恢复到不再为负数，它才重新获得内容可以被别的设备协助缓存的资格。在该种实施例中，是以这样的激励机制来激励每个用户积极参与到负载均衡中来。
在具体的应用场景中，本发明的负载均衡方法是基于计算机程序实现，将计算机程序存储到一计算机可读存储介质上，再通过规划服务器中的例如处理器来执行该计算机程序，从而实现负载均衡。
需要说明，对于一移动设备而言，其所产生的内容需要被协助缓存时，协助缓存设备也不排除是它本身的情况。另前述对本发明负载均衡方法的具体说明，是基于图1中示例性的系统部署，而且是基于图1中具体的两个AP之间的负载均衡来说明，即便AP数量较多，移动设备数量较多，其负载均衡也是基于前面描述的方法实现的，前面的具体例子并不用于限制本发明的保护范围。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种无线网络负载均衡方法，其特征在于：包括对每个参与负载均衡的无线接入点执行以下步骤：
S1、判断一无线接入点在当前时隙收到的并发内容上传请求数目是否超过该无线接入点的最大允许并发上传数目M，若否，则执行步骤S2；若是，则执行步骤S3；其中M≥1；
S2、由该无线接入点执行当前时隙收到的全部并发内容上传请求；
S3、将并发内容上传请求所对应的待上传内容按照缓存收益指数之和由小到大进行排列，将排在前M位的待上传内容指定由所述无线接入点执行上传；同时将其余待上传内容复制给协助缓存设备进行协助缓存，以使得协助缓存的内容随着协助缓存设备连接到其它无线接入点而由所述其它无线接入点执行上传；
其中，所述缓存收益指数之和表示某一待上传内容在其上传容忍时延内被当前时隙连接于所述无线接入点上的所有移动设备协助缓存并且得以成功上传的概率；所述协助缓存设备属于当前时隙连接于所述无线接入点上的移动设备；
步骤S3中将其余待上传内容复制给协助缓存设备进行协助缓存的过程包括以下步骤：
S31、对每一协助缓存的内容，分别估算当前时隙连接于所述无线接入点的每一移动设备在该协助缓存的内容的上传容忍时延内转移连接到一负载较轻无线接入点的概率；
S32、为每一协助缓存的内容指定在其上传容忍时延内转移连接到所述负载较轻无线接入点的概率最高的移动设备作为其协助缓存设备，并将该协助缓存的内容复制到指定的协助缓存设备。
2.如权利要求1所述的无线网络负载均衡方法，其特征在于：每一待上传内容的缓存收益指数之和通过以下方法获得：对每一待上传内容，分别计算当前时隙连接于所述无线接入点的每一移动设备对该待上传内容的缓存收益指数，并对得到的缓存收益指数进行求和；其中，所述缓存收益指数表示某一待上传内容在其上传容忍时延内被当前时隙连接于所述无线接入点上的某一移动设备协助缓存并且得以成功上传的概率。
3.如权利要求2所述的无线网络负载均衡方法，其特征在于：所述缓存收益指数通过以下方法计算：
其中，Iu,e表示移动设备u对内容e的缓存收益指数，表示移动设备u在未来第t个时隙连接到无线接入点b的概率，A是所有参与负载均衡的无线接入点的集合，是无线接入点b在未来第t个时隙的负载率，γe是待上传内容e的剩余上传容忍时延，ε是一个小于1的常数；其中：根据二阶马氏链，基于移动设备的无线接入点连接历史记录进行预测得到，通过以下公式得到：
其中，Gu表示移动设备u在一个时隙内生成一条内容并提出对应的一个内容上传请求的概率，Mb表示无线接入点b的最大允许并发上传数目，U表示参与负载均衡的所有无线接入点上连接的移动设备的集合。
4.如权利要求3所述的无线网络负载均衡方法，其特征在于：基于二阶马氏链估算的方法如下：
其中，sn+t表示移动设备u在第n+t个时隙所连接的无线接入点，sn-1表示移动设备u在第n-1个时隙所连接的无线接入点，sn表示移动设备u在当前时隙n所连接的无线接入点；N(c,a,(*)t-1,b；Su)表示无线接入点子序列c,a,(*)t-1,b在序列Su中出现的次数，c,a,(*)t-1,b是一个以无线接入点c、a开始并以无线接入点b结束的长度为t+2的序列，Su是移动设备u连接过的历史无线接入点序列。
5.如权利要求1至4任一项所述的无线网络负载均衡方法，其特征在于：还包括为每一移动设备配置一惩罚指数；当一移动设备所请求上传的内容被判别为需要通过所述协助缓存设备进行协助缓存时，若该移动设备的惩罚指数未达到一预定值，则不对该移动设备的内容执行协助缓存。
6.如权利要求5所述的无线网络负载均衡方法，其特征在于：所述惩罚指数初始值为0，当一移动设备未能执行一协助缓存任务时，所述惩罚指数减1；当移动设备的惩罚指数为负，则不对该移动设备所请求上传且需要协助缓存的内容执行协助缓存，以对该移动设备进行惩罚；移动设备每被惩罚一次，则惩罚指数加1。
7.如权利要求1至4任一项所述的无线网络负载均衡方法，其特征在于：所述均衡方法的步骤通过一规划服务器执行一计算机程序来实现。
8.如权利要求1至4任一项所述的无线网络负载均衡方法，其特征在于：步骤S3中将其余待上传内容复制给协助缓存设备是基于D2D通信。
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