CN109104743B - 一种异构无线网络中基于定价的数据卸载方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种异构无线网络中基于定价的数据卸载方法，整个网络架构中包含宏蜂窝数据卸载决策中心、宏蜂窝网络运营商部署的宏基站及其用户终端、由其他网络运营商部署的低功率节点及其用户终端。低功率节点将其网络状况以及关联终端信息发送给宏蜂窝数据卸载决策中心，同时发送其愿意用于传输宏蜂窝数据的容量及价格；宏蜂窝基站将其网络状况及关联的终端的相关信息发送给宏蜂窝数据卸载决策中心。宏蜂窝数据卸载决策中心执行卸载决策，下发决策指令给宏蜂窝基站，宏蜂窝基站将指定的宏蜂窝用户终端的数据切换到指定的低功率节点。本发明可有效提升异构无线网络吞吐量，缓减数据拥塞。

Description

一种异构无线网络中基于定价的数据卸载方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其是一种异构无线网络中基于定价的数据卸载方法，该方法在异构无线网络环境下基于定价的方式缓减宏蜂窝数据拥塞的问题，同时保证宏蜂窝用户终端的服务质量需求。

背景技术

近年来，随着智能移动设备的日益普及，移动用户通过智能终端访问互联网服务的业务需求快速增长，大大增加了宏蜂窝网络运营商部署的宏蜂窝网络的压力，造成了网络拥塞和超载现象，降低了用户的业务体验。随着WiFi及毫微微蜂窝网络的普及，使得宏蜂窝网络运营商可以利用它们从宏蜂窝网络中卸载客户流量，增加网络吞吐量并同时降低无线接入网基础设施能耗。然而，如果所有的宏蜂窝网络运营商在相同的热点地区都建设WiFi或毫微微蜂窝网络，由于业务的动态性，这些网络的平均利用率往往不高，会造成网络设备资源的浪费。所以，对于某一宏蜂窝网络运营商而言，其可以动态租用其他网络运营商已经部署了的WiFi接入点或者毫微微蜂窝基站资源。然而，现有的拥有WiFi接入点(或毫微微蜂窝基站)的运营商并不会免费租借资源给其他运营商使用。因此，宏蜂窝网络运营商需要针对拥有WiFi接入点(或毫微微蜂窝基站)的运营商制定合适的经济激励机制。

发明内容

发明目的：为解决上述技术问题，本发明针对传统的宏蜂窝网络无法满足不断增长的用户数据流量需求，且其他网络运营商部署的WiFi接入点(或毫微微蜂窝基站)有其固有的私有属性，不愿意为宏蜂窝网络运营商提供数据卸载服务的情况，提出一种异构无线网络中基于定价的数据卸载方法。该方法提出了一个新的数据卸载的开放市场，宏蜂窝网络运营商通过向WiFi接入点(或毫微微蜂窝基站)的运营商提供经济激励，租赁WiFi接入点(或毫微微蜂窝基站)未充分利用的网络资源去承接从宏蜂窝网络卸载的数据。位于核心网的宏蜂窝数据卸载决策中心，可以为异构无线网络中基于定价的数据卸载提供一种有效管理方式，宏蜂窝、WiFi接入点(或毫微微蜂窝基站)可以周期性向决策中心上报网络状况以及关联终端的相关信息，整个卸载的决策信息在决策中心完成。本发明可以有效激励WiFi接入点(或毫微微蜂窝基站)参与数据卸载，同时保证切换的宏蜂窝用户终端的服务质量需求。

技术方案：为实现上述技术效果，本发明提出以下技术方案：

一种异构无线网络中基于定价的数据卸载方法，所述异构无线网络包括宏蜂窝数据卸载决策中心、宏蜂窝网络运营商部署的宏蜂窝基站、以及其他运营商部署的提供小微型蜂窝的低功率网络节点，低功率网络节点包括毫微微基站和WiFi接入点；该方法包括步骤：

(1)低功率网络节点向宏蜂窝数据卸载决策中心上报盖范围内的宏蜂窝用户终端、可用于卸载宏蜂窝数据的容量以及希望从宏蜂窝网络运营商得到的单位容量报酬；

(2)宏蜂窝基站向宏蜂窝数据卸载决策中心卸载决策中心上报覆盖范围内关联的宏蜂窝用户终端的流量需求，定义第j个宏蜂窝用户终端的流量需求为d_j，j∈{1，2，...，M}，M为宏蜂窝用户终端总数；

(3)宏蜂窝数据卸载决策中心根据接收到的数据计算宏蜂窝网络可能取得的系统总效用为：

其中，N为低功率节点的总数，M_i为第i个低功率节点AP_i覆盖范围内的宏蜂窝用户终端集合；u_j为宏蜂窝用户终端j切换到AP_i所能取得的效用值；y_ji为宏蜂窝数据卸载决策中心给出的决策值，y_ji＝1表示宏蜂窝用户终端j切换到AP_i，y_ji＝0表示宏蜂窝用户终端j不切换；b_i为AP_i希望从宏蜂窝网络运营商得到的单位容量报酬，即AP_i的出价；r_ji表示宏蜂窝用户终端j切换到AP_i后能够获得的实际数据速率；

(4)宏蜂窝数据卸载决策中心以系统效用和最大化为目标问题构建问题模型，求解问题模型得到y_ji的值以及相应运营商的经济报酬p_i，宏蜂窝数据卸载决策中心将求解得到的y_ji和p_i作为决策信息发送给宏蜂窝基站；

所述问题模型为：

其中，C_i表示AP_i可用于卸载宏蜂窝数据的容量；

所述经济报酬为：

(5)宏蜂窝基站根据收到的决策信息将宏蜂窝用户终端切换至相应低功率网络节点，并支付经济报酬，完成数据卸载。

进一步的，所述宏蜂窝用户终端j切换到AP_i所能取得的效用值的计算公式为：

其中，a＞0，b＞0，c＞0且a、b、c均为常数。

进一步的，所述问题模型采用分枝定界法求解。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

(1)本发明提出的基于定价的数据卸载方法，提出了一个新的数据卸载的开放市场，宏蜂窝网络运营商通过向WiFi接入点(或毫微微蜂窝基站)运营商提供经济激励，租赁WiFi接入点(或毫微微蜂窝基站)未充分利用的网络资源用于卸载宏蜂窝网络的用户终端数据，通过经济手段有效地激励了WiFi接入点(或毫微微蜂窝基站)为宏蜂窝网络用户终端提供数据卸载服务，缓减了宏蜂窝网络的数据拥塞。

(2)本发明的卸载策略是在宏蜂窝数据卸载决策中心处进行决策的，避免了多个网络间复杂的信息交互，提升了系统的决策性能。

(3)本发明的定价机制是基于终端服务质量需求设计的，用于促进多个网络的协作，与现有技术相比，所提出的机制成本更低，同时能够实现更高的效用。

附图说明

图1异构无线网络中基于定价的宏蜂窝数据卸载实现架构图；

图2异构无线网络中基于定价的宏蜂窝数据卸载方法流程图；

图3异构无线网络中基于定价的宏蜂窝数据卸载决策流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为本发明所述异构网络的实现架构图，整个网络架构中包含宏蜂窝数据卸载决策中心、宏蜂窝网络运营商部署的宏蜂窝基站及其用户终端、以及其他运营商部署的提供小微型蜂窝的低功率网络节点及其用户终端，低功率网络节点包括毫微微基站和WiFi接入点。

基于上述异构无线网络，本发明提出的基于定价的数据卸载方法包括以下步骤：

1)WiFi接入点(或毫微微蜂窝基站)向宏蜂窝数据卸载决策中心发送其位置信息以及监测到网络中覆盖的宏蜂窝用户终端数量和分布情况；WiFi接入点(或毫微微蜂窝基站)在满足其原有接入终端服务需求的条件下，继续向宏蜂窝数据卸载决策中心发送可用于卸载宏蜂窝数据的容量以及WiFi接入点(或毫微微蜂窝基站)运营商希望从宏蜂窝运营商取得的经济报酬信息；

2)宏蜂窝基站向宏蜂窝数据卸载决策中心上报其覆盖范围内关联宏蜂窝基站的用户终端的流量需求信息；

3)宏蜂窝数据卸载决策中心从WiFi接入点(或毫微微蜂窝基站)、宏蜂窝基站收集到相关网络以及终端信息，决策出需要进行数据切换的宏蜂窝用户终端。

4)宏蜂窝数据卸载决策中心确定出宏蜂窝网络运营商给予WiFi接入点(或毫微微蜂窝基站)运营商的经济报酬。

5)宏蜂窝数据卸载决策中心向宏蜂窝基站下发卸载决策信息，宏蜂窝基站执行相应的决策策略。

如图2所示为本发明的卸载方法流程图，完成一次数据卸载的流程为：

1)异构无线网络系统中有N个WiFi接入点(或毫微微蜂窝基站)，在满足其原有接入终端服务需求的条件下，每个WiFi接入点(或毫微微蜂窝基站)AP_i，i∈{1，2，...，N}向宏蜂窝数据卸载决策中心上报AP_i覆盖范围内的宏蜂窝用户终端集合M_i信息，同时上报可用于卸载宏蜂窝数据的容量C_i以及希望从宏蜂窝网络运营商得到的单位容量报酬b_i，即上报AP_i的出价矢量[b_i，C_i]。

2)宏蜂窝基站中有M个宏蜂窝用户终端，宏蜂窝基站向宏蜂窝数据卸载决策中心卸载决策中心上报其覆盖范围内关联的宏蜂窝用户终端的流量需求d_j，j∈{1，2，...，M}。

3)宏蜂窝数据卸载决策中心利用接收到的相关信息，考虑用户的效用u_j，令二进制变量y_ji表示宏蜂窝用户终端j是否切换到AP_i，决策出y_ji的值，同时确定宏蜂窝网络运营商给予AP_i运营商的经济报酬p_i。

4)宏蜂窝数据卸载决策中心根据最终决策向宏蜂窝基站下发卸载决策信息，宏蜂窝网络运营商向AP_i运营商支付p_i，宏蜂窝基站通知相应的宏蜂窝用户终端切换到指定的WiFi接入点(或毫微微蜂窝基站)，完成卸载。

如图3所示为本发明的宏蜂窝数据卸载决策中心决策流程图，主要决策过程步骤如下：

1)宏蜂窝数据卸载决策中心根据接收到的AP_i上报的宏蜂窝用户集合M_i信息，计算宏蜂窝用户终端j(j∈M_i)通过切换到AP_i可能实现的实际数据速率r_ji。

2)宏蜂窝数据卸载决策中心根据计算得出宏蜂窝用户终端j(j∈M_i)通过切换到AP_i可能实现的数据速率r_ji以及接收到的宏蜂窝基站上报的宏蜂窝用户终端的流量需求信息d_j，确定宏蜂窝用户终端j切换到AP_i所能取得的效用值u_j，效用值u_j与r_ji与d_j的值相关，对于数据应用来说，传输速率越高，满意度越高，可以定义u_j为：

其中a＞0，b＞0，c＞0且a、b、c为常数。

3)宏蜂窝数据卸载决策中心计算宏蜂窝网络可能取得的系统总效用为宏蜂窝用户终端关联WiFi接入点(或毫微微蜂窝基站)实现的效用之和减去所选WiFi接入点(或毫微微蜂窝基站)的总成本。令二进制变量y_ji表示宏蜂窝终端用户j是否切换到AP_i。宏蜂窝网络可能取得的系统总效用可以表示为

宏蜂窝数据卸载决策中心根据如下问题决策出需要切换的宏蜂窝用户终端：

上述问题的约束①表示一个宏蜂窝用户终端只能切换到一个WiFi接入点(或毫微微蜂窝基站)，约束②表示切换的宏蜂窝用户终端速率之和不能高于WiFi接入点(或毫微微蜂窝基站)提供的容量，约束③表示切换的宏蜂窝用户终端速率要满足业务速率需求以保证服务质量，约束④表示y_ji为二进制变量。

3)中的问题属于0-1整数规划问题，可使用分枝定界法求解。

4)宏蜂窝数据卸载决策中心确定出移动网络运营商给予AP_i运营商的经济报酬为：

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种异构无线网络中基于定价的数据卸载方法，其特征在于，所述异构无线网络包括宏蜂窝数据卸载决策中心、宏蜂窝网络运营商部署的宏蜂窝基站、以及其他运营商部署的提供小微型蜂窝的低功率网络节点，低功率网络节点包括毫微微基站和WiFi接入点；该方法包括步骤：

(1)低功率网络节点向宏蜂窝数据卸载决策中心上报盖范围内的宏蜂窝用户终端、可用于卸载宏蜂窝数据的容量以及希望从宏蜂窝网络运营商得到的单位容量报酬；

(2)宏蜂窝基站向宏蜂窝数据卸载决策中心卸载决策中心上报覆盖范围内关联的宏蜂窝用户终端的流量需求，定义第j个宏蜂窝用户终端的流量需求为d_j,j∈{1,2,...,M}，M为宏蜂窝用户终端总数；

(3)宏蜂窝数据卸载决策中心根据接收到的数据计算宏蜂窝网络可能取得的系统总效用为：

其中，N为低功率节点的总数，M_i为第i个低功率节点AP_i覆盖范围内的宏蜂窝用户终端集合；u_j为宏蜂窝用户终端j切换到AP_i所能取得的效用值；y_ji为宏蜂窝数据卸载决策中心给出的决策值，y_ji＝1表示宏蜂窝用户终端j切换到AP_i，y_ji＝0表示宏蜂窝用户终端j不切换；b_i为AP_i希望从宏蜂窝网络运营商得到的单位容量报酬，即AP_i的出价；r_ji表示宏蜂窝用户终端j切换到AP_i后能够获得的实际数据速率；

所述宏蜂窝用户终端j切换到AP_i所能取得的效用值的计算公式为：

其中，a＞0,b＞0,c＞0且a、b、c均为常数；

(4)宏蜂窝数据卸载决策中心以系统效用和最大化为目标问题构建问题模型，求解问题模型得到y_ji的值以及相应运营商的经济报酬p_i，宏蜂窝数据卸载决策中心将求解得到的y_ji和p_i作为决策信息发送给宏蜂窝基站；

所述问题模型为：

其中，C_i表示AP_i可用于卸载宏蜂窝数据的容量；

所述经济报酬为：

(5)宏蜂窝基站根据收到的决策信息将宏蜂窝用户终端切换至相应低功率网络节点，并支付经济报酬，完成数据卸载。

2.根据权利要求1所述的一种异构无线网络中基于定价的数据卸载方法，其特征在于，所述问题模型采用分枝定界法求解。

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