CN107231224B - 一种最大传输时限下lte wlan网络动态聚合决策方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种最大传输时限下LTE WLAN网络动态聚合决策方法，该方法考虑在异构无线网络场景下，用户在移动过程中通过LTE与WLAN网络聚合等方式，在时限内多个决策时间点为用户选择最优的网络接入方案，使得在最大时间期限要求内完成传输任务同时使得用户的数据使用费用最低。该方法采用演进型基站中心调度决策控制的方式，在最大传输时间需求给定下，根据各个决策时间点的网络状态，用户等待传输队列长度与剩余允许传输时间，计算用户在各个时间节点采用不同网络接入方式的代价，代价最小的方案集合为最优接入方案策略。该聚合方法能够兼容WLAN分流承载方案，最大程度利用免授权频段辅助蜂窝通信的频谱效率。

Description

一种最大传输时限下LTE WLAN网络动态聚合决策方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种最大传输时限下LTE WLAN网络动态聚合决策方法。

背景技术

随着以视频流媒体为代表的高速率数据业务在蜂窝网络中的大量应用，无线网络的负载急剧增加。根据有关机构的预测，2015-2018年全球数据流量将增加11倍以上。采用单个网络传输业务已经不能满足用户的需要。当前，通信网络场景呈现密集异构的趋势已经非常明显，伴随着多模终端的出现及普及，可以实现同时使用多个网络接口进行数据通信，这就对网络接入决策方法提出了新的挑战。

移动通信现有频谱资源的匮乏，使得下一代移动通信系统(5G)必然是异构网络结构。近期，利用免授权频谱辅助蜂窝通信成为关注热点。免授权频谱由于价格低，资源丰富，是一种低成本分流承载蜂窝数据的策略。移动通信国际标准化组织第3代合作伙伴计划(The 3^rd generation partnership project，3GPP)与2016年3月在Release 13中正式通过了LTE WLAN聚合(LTE WLAN Aggregation，LWA)解决方案。使得LTE在授权频段，WLAN在未授权频段通过载波聚合的方式为用户提供高速，透明的数据服务。

但是，目前LTE WLAN聚合技术研究处于发展初期，在已有研究集中多数于技术验证，缺乏对接入机制和策略的深入分析。另外，采用多无线链路并行传输数据意味着用户使用费用成倍增加。如何根据用户传输需求与传输的时间敏感程度，为用户动态选择合理网络聚合与接入方式亟待研究。本发明中针对用户数据需求的时限与数据传输的紧迫程度，采用演进型基站中心调度决策控制的方式，在最大传输时间需求给定下，根据各个决策时间点的网络状态，用户等待传输队列长度与剩余允许传输时间，计算用户在各个时间节点采用不同网络接入方式的代价，代价最小的方式集合为最优接入策略。该聚合方法能够兼容WLAN分流承载方式，最大程度利用免授权频段辅助蜂窝通信的频谱有效率。

发明内容

技术问题：本发明目的是提供一种能够充分利用免授权频段无线网络资源，提高用户吞吐量，兼顾用户服务质量与用户付费经济性的LTE与WLAN动态聚合与接入的决策方法。

技术方案：本发明的最大传输时限下LTE WLAN网络聚合动态决策方法，包括以下步骤：

1)网络初始化与信息采集：站eNodeB作为传输控制中心节点，采集各个无线局域网接入点AP汇报的位置与网络状态信息，在基站覆盖范围构成区域集合A＝{1,...,A}，依据是否有无线接入点分成两个子集，A⁽¹⁾，A⁽⁰⁾分别表示有和没有无线接入点覆盖的区域；

用户发起传输请求，包含：请求数据量，用户允许的最大传输时限T，用户位置信息，用户请求的数据量为S，根据用户位置信息α∈A，确定可用网络接入方式集合

其中0号接入方式为继续等待下一个时间间隔传输；

1号接入方式为采用蜂窝移动网络进行数据传输；

2号接入方式为采用WLAN分流承载的方式将数据通过用户所在无线接入点传输；

3号接入方式为采用LTE与WLAN聚合的方式传输；

在没有无线接入点覆盖的地区仅有0和1两种方式，包含在子集A⁽⁰⁾，而在无线接入点覆盖的区域，包含在子集A⁽¹⁾，其中包含四种接入方式；

2)计算单个时隙接入费用：用户在位置α采用接入方式u数据使用的单价为γ(α,u)，获得的吞吐量为R(α,u)，其中，γ(α,1)＞γ(α,2)，3号接入方式中聚合方式中单价为接入多个网络的价格的总和γ(α,3)＝γ(α,1)+γ(α,2)；由于方案0为空闲等待，不产生数据流量，因而采用等待模式R(α,0)＝0；

时隙长度为Δt，在第t个时隙用户待传输队列长度为s，s∈[0,S]，采用接入方式u的传输数据费用为：

m_t(s,α,u)＝min{s,R(α,u)(Δt-t_b(α,u))}·γ(α,u)

其中t_b(α,u)为聚合方式中因聚合同步所产生的时间损耗，仅当u＝3时t_b(α,u)≠0；

为提高用户服务质量(QoS)，考虑最大传输时限到达后，未能完成传输的惩罚为，

其中C为正常数。

3)计算各个候选策略集合的多时隙传输总代价：若用户在T个时隙中各个决策点的接入方案构成候选集合U×T个候选方案

多个时隙内传输代价包含在T个时隙采用接入方案集合π所产生的费用，以及因采用方案集合π在最大时限内未能完成传输的惩罚为

其中C为正常数，用户在T个时隙传输代价为

其中，在第t个时隙，用户的待传输队列长度记为s_t，在第t个时隙所在位置记为α_t将采用接入方案集合π后，在t时隙队列长度记为

在T+1时隙队列长度记为

则在时隙t＝T+1的系统状态，记为

步骤4:建立最大时延下多时隙接入方案的代价函数模型

Subject toξ_t∈{0,1,2,3}

其中E^π[·]为期望函数，ξ_t(s,α)∈{0,1,2,3}为采取的用户在时间在第t个时隙采用接入方式，为用户在第t个时隙待传输队列长度s_t与在第t个时隙所在位置α_t的函数；

为多个时隙的接入方式ξ_t(s,α)的集合；

选择多时隙传输总代价最小的方案集合作为最优接入方案:

有益效果

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

不同于传统的单网络接入方法，本发明提出的LTE与WLAN动态聚合接入方法可以并行接入多个网络，将多个网络以一种载波聚合的方式为用户提供服务，充分利用空闲的免授权无线频谱资源为用户提供服务，从而大大提高网络利用率。

本发明采用演进型基站集中调度决策控制的方式，在最大传输时间需求给定下，根据各个决策时间点的网络状态，用户等待传输队列长度与剩余允许传输时间，计算用户在各个时间节点采用不同网络接入方式的代价，代价最小的接入方式集合为最优接入方式。通过基于概率计算用户移动轨迹，为用户提供多时隙LTE与WAN动态接入与聚合方式，保证用户服务质量与时限需求情况下，尽可能减小用户使用数据流量的费用开销。

本发明聚合方法能够支持兼容现有WLAN分流承载传输方式，支持网络结构的平滑过渡，最大程度利用免授权频段辅助蜂窝通信。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图。

图2为随最大时限变化的传输代价函数的仿真对比图。

图3为随最大时限变化的传输完成率的仿真对比图。

图4为随最大时限变化的用户数据付费的仿真对比图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对发明的技术方案进行详细说明：

本发明将优化理论用于多网络选择和聚合方法中，采用演进型基站集中调度决策控制的方式，在最大传输时间需求给定下，根据各个决策时间点的网络状态，用户等待传输队列长度与剩余允许传输时间，计算用户在各个时间节点采用不同网络接入方式的代价，代价最小的接入方式为最优的接入方式。

最大传输时限下LTE WLAN网络聚合动态决策方法的总体流程图见附图1。

本发明的最大传输时限下LTE WLAN网络聚合动态决策方法，包括以下步骤：

1)网络初始化与信息采集:基站eNodeB作为传输控制中心节点，采集各个无线局域网接入点AP汇报的位置与网络状态信息，在基站覆盖范围构成区域集合A＝{1,...,A}，依据是否有无线接入点分成两个子集，A⁽¹⁾，A⁽⁰⁾分别表示有和没有无线接入点覆盖的区域；

用户发起传输请求，包含：请求数据量，用户允许的最大传输时限T，用户位置信息，用户请求的数据量为S，根据用户位置信息α∈A，确定可用网络接入方式集合

其中0号接入方式为继续等待下一个时间间隔传输；

1号接入方式为采用蜂窝移动网络进行数据传输；

2号接入方式为采用WLAN分流承载的方式将数据通过用户所在无线接入点传输；

3号接入方式为采用LTE与WLAN聚合的方式传输；

在没有无线接入点覆盖的地区仅有0和1两种方式，包含在子集A⁽⁰⁾，而在无线接入点覆盖的区域，包含在子集A⁽¹⁾，其中包含四种接入方式；

2)计算单个时隙接入费用：用户在位置α采用接入方式u数据使用的单价为γ(α,u)，获得的吞吐量为R(α,u)，其中，γ(α,1)＞γ(α,2)，3号接入方式中聚合方式中单价为接入多个网络的价格的总和γ(α,3)＝γ(α,1)+γ(α,2)；由于方案0为空闲等待，不产生数据流量，因而采用等待模式R(α,0)＝0；

时隙长度为Δt，在第t个时隙用户待传输队列长度为s，s∈[0,S]，采用接入方式u的传输数据费用为：

m_t(s,α,u)＝min{s,R(α,u)(Δt-t_b(α,u))}·γ(α,u)

其中t_b(α,u)为聚合方式中因聚合同步所产生的时间损耗，仅当u＝3时t_b(α,u)≠0；

为提高用户服务质量(QoS)，考虑最大传输时限到达后，未能完成传输的惩罚为，

其中C为正常数。

3)根据用于汇报位置对用户移动性进行模拟：为了达到多时隙决策的最优性，该方法基于马尔科夫过程，对用户移动轨迹进行建模模拟。

假设当前用户的剩余传输队列长度和用户位置构成状态(s,α)，则用户状态转移至(s',α')的概率为

p((s',α'),u|(s,α),u)＝p(α'|α)p(s'|(s,α),u)

其中，

[a]⁺＝max{0,a}

4)采用动态规划方法优化计算各个候选策略集合的多时隙传输总代价：若用户在T个时隙中各个决策点的接入方案构成候选集合U×T个候选方案

多个时隙内传输代价包含在T个时隙采用接入方案集合π所产生的费用，以及因采用方案集合π在最大时限内未能完成传输的惩罚为

其中C为正常数，用户在T个时隙传输代价为

其中，在第t个时隙，用户的待传输队列长度记为s_t，在第t个时隙所在位置记为α_t将采用接入方案集合π后，在t时隙队列长度记为

在T+1时隙队列长度记为

则在时隙t＝T+1的系统状态，记为

5)建立最大时延下多时隙接入方案的代价函数模型

Subject toξ_t∈{0,1,2,3}

其中E^π[·]为期望函数，ξ_t(s,α)∈{0,1,2,3}为采取的用户在时间在第t个时隙采用接入方式，为用户在第t个时隙待传输队列长度s_t与在第t个时隙所在位置α_t的函数；

为多个时隙的接入方式ξ_t(s,α)的集合；

选择多时隙传输总代价最小的方案集合作为最优接入方案:

根据取得最优接入方式集合

通知无线局域网接入点和用户终端，配置相应传输模式，准备传输或接受数据包。若选择接入方式ξ_t(s,α)＝0，用户继续等待下一次传输；若选择接入方式，则ξ_t(s,α)＝1基站通知用户终端，准备通过LTEU_u接口接受数据，若选择接入方式ξ_t(s,α)＝2，则基站通知AP传输数据准备，发送用户的身份识别号，从核心网获取用户需求的数据，另外通知用户开启WLAN口；ξ_t(s,α)＝3采用3GPP Release-12中的LTE WLAN聚合方式，通知用户开启WLAN口，演进型基站节点与无线局域网接入点采用X_w空中接口通信，准备采用聚合方式向用户发送数据。

综上所述，本方法基于用户传输最大时限已知的场景下，通过综合考虑用户数据使用费用和服务质量，并根据用户位置对用户移动性进行预测，能够实现为用户在最大时限内多时隙移动接入提供最优接入方式，在保证用户服务质量与时限需求情况下，尽可能减小用户付费，提高无线网络使用效率。同时本方法能够支持兼容现有WLAN分流承载方式，支持网络结构的平滑过渡，最大程度利用免授权频段的无线资源辅助蜂窝网络。附图2中本方法的代价函数随最大时限的仿真图，与WLAN辅助承载方式相比，在最大时限小的情况下，采用LTE与WLAN玩咯聚合方式能够有效提升用户吞吐量。同时，由于对时间时限的已知，通过对用户移动轨迹的概率预测，设置合理的动态接入方式，可以有效提升传输完成率，从而保证用户服务质量，如附图3中传输完成概率随最大时限变化的仿真图。附图4表明，本方法在最大时限已知下，能够充分利用免授权无线频谱资源辅助蜂窝通信，并降低用户流量付费，并且随着用户指定的最大时延的增大，用户可以更多使用免授权频段资源，进一步降低用户成本，而仅考虑WLAN分流承载方式不具备对最大时限的认知，不能为用户实现动态资源分配，其利用的免授权频段的资源量是有限的。因此，本方法中LTE WLAN聚合策略是一种经济型网络接入决策方式。

Claims (1)

1.一种最大传输时限下LTE WLAN网络动态聚合决策方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1:网络初始化与信息采集:基站eNodeB作为传输控制中心节点，采集各个无线局域网接入点AP汇报的位置与网络状态信息，在基站覆盖范围构成区域集合A＝{1,...,A}，依据是否有无线接入点分成两个子集，A⁽¹⁾，A⁽⁰⁾分别表示有和没有无线接入点覆盖的区域；

用户发起传输请求，包含：请求数据量，用户允许的最大传输时限T，用户位置信息，用户请求的数据量为S，根据用户位置信息α∈A，确定可用网络接入方式集合

其中0号接入方式为继续等待下一个时间间隔传输；

1号接入方式为采用蜂窝移动网络进行数据传输；

2号接入方式为采用WLAN分流承载的方式将数据通过用户所在无线接入点传输；

3号接入方式为采用LTE与WLAN聚合的方式传输；

在没有无线接入点覆盖的地区仅有0和1两种方式，包含在子集A⁽⁰⁾，而在无线接入点覆盖的区域，包含在子集A⁽¹⁾，其中包含四种接入方式；

步骤2：计算单个时隙接入费用：用户在位置α采用接入方式u数据使用的单价为γ(α,u)，获得的吞吐量为R(α,u)，其中，γ(α,1)＞γ(α,2)，3号接入方式中聚合方式中单价为接入多个网络的价格的总和γ(α,3)＝γ(α,1)+γ(α,2)；由于方案0为空闲等待，不产生数据流量，因而采用等待模式R(α,0)＝0；

时隙长度为Δt，在第t个时隙用户待传输队列长度为s，s∈[0,S]，采用接入方式u的传输数据费用为：

m_t(s,α,u)＝min{s,R(α,u)(Δt-t_b(α,u))}·γ(α,u)

其中t_b(α,u)为聚合方式中因聚合同步所产生的时间损耗，仅当u＝3时t_b(α,u)≠0；

为提高用户服务质量(QoS)，考虑最大传输时限到达后，未能完成传输的惩罚为，

其中C为正常数.

步骤3：计算各个候选策略集合的多时隙传输总代价：若用户在T个时隙中各个决策点的接入方案构成候选集合U×T个候选方案

多个时隙内传输代价包含在T个时隙采用接入方案集合π所产生的费用，以及因采用方案集合π在最大时限内未能完成传输的惩罚为

其中C为正常数，用户在T个时隙传输代价为

其中，在第t个时隙，用户的待传输队列长度记为s_t，在第t个时隙所在位置记为α_t将采用接入方案集合π后，在t时隙队列长度记为

在T+1时隙队列长度记为

则在时隙t＝T+1的系统状态，记为

步骤4:建立最大时延下多时隙接入方案的代价函数模型

Subject to ξ_t∈{0,1,2,3}

其中E^π[·]为期望函数，ξ_t(s,α)∈{0,1,2,3}为采取的用户在时间在第t个时隙采用接入方式，为用户在第t个时隙待传输队列长度s_t与在第t个时隙所在位置α_t的函数；

为多个时隙的接入方式ξ_t(s,α)的集合；

选择多时隙传输总代价最小的方案集合作为最优接入方案:

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