CN110113822B - 面向未来无线通信的异构网络融合接入方法 - Google Patents

面向未来无线通信的异构网络融合接入方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种面向未来无线通信的异构网络融合接入方法，采用HCCA与EDCA接入机制，其特征在于：设定在每个超帧开始时，所有用户就将QoS需求与传输信息包含在信标帧Beacon中，支持通过混合协调器HC提前给用户分配时长任意的传输间隔，满足QoS需求的同时提高资源效率；修改EDCA机制中用户划分优先级的方式，包括通过对各种不同类型的用户，进行分类，划分优先级，并根据类别相应基于EDCA或HCCA机制进行接入；支持通过调整EDCA机制中传输参数实现更好的融合。本发明通过合理的资源分配，使得系统整体性能得到提升，为未来无线通信系统异构网络的共存提供了新的方案。

Description

面向未来无线通信的异构网络融合接入方法
技术领域
本发明属于移动互联网技术领域，尤其涉及一种面向未来无线通信的异构网络融合接入方法。
背景技术
随着通信技术的不断发展，人们对通信业务的要求越来越多样化，促进了各种新型无线设备的出现，而单一的网络无法满足种类繁多的业务需求，因此，异构网络应运而生。通过对资源进行更合理的分配，异构网络可以为用户提供更好的通信体验。
为了满足各种异构设备和异构网络的服务质量(Quality of Service，QoS)需求，以及充分利用现有资源从而提高频谱效率，合理的异构网络接入及融合技术的设计是一个亟需解决的问题。
由于传统的IEEE802.11标准无法满足设备的QoS需求，802.11e标准被提出来。在此标准中，不同于早期协议中的分布式协调功能(DCF)和点协调功能(PCF)，802.11e定义了了一种新的混合协调功能(HCF)。它引入了两种新的接入机制：增强分布式协调访问(EDCA)与混合控制信道访问(HCCA)。其中，EDCA是通过CSMA/CA退避机制获取传输机会(TXOP)，从而进行数据传输。此外，EDCA机制中定义了4种不同的接入范畴(AC)，通过将用户分为不同的AC从而分优先级，再对其接入参数，如仲裁帧间间隔(AIFS)，竞争窗口(CW)，坚持因子(PF)等进行设置，使得不同优先级的设备接入概率存在差异，保证高优先级用户的需求可以得到更好的满足。而HCCA机制是在混合协调器(HC)的控制下，对实时业务采用轮询机制，使其可以在免争用期CFP和争用期CP的任意空闲时刻获取TXOP进行数据传输，这些时段统称为控制接入阶段(CAP)。EDCA与HCCA的特点为未来通信多种QoS需求设备的接入与共存提供了新的思路。
然而，未来通信中存在大量突发传输零散数据包的用户，轮询机制缺乏灵活性。且最初的802.11e中，HC是通过业务量规范TSPEC参数来计算TXOP，TXOP的长度也不能任意选取，容易造成资源分配的不合理。
面对新的未来异构网络通信场景，由于网络需求及设备需求的异构性，本领域亟待考虑将802.11e的接入机制思想用于未来无线通信的异构网络，对EDCA与HCCA机制进行改进，提出一种面向未来无线通信技术的异构网络融合接入方法，通过合理的资源分配，使得系统整体性能得到提升。
发明内容
为了解决上述技术问题，缓解未来无线通信中频谱的压力，本发明提出了一种新的异构网络融合接入方法，通过控制用户以EDCA还是HCCA机制进行接入，在保证用户的服务质量的情况下，最大限度的提高异构网络整体性能。
本发明所采用的技术方案提供一种面向未来无线通信的异构网络融合接入方法，采用HCCA与EDCA接入机制，设定在每个超帧开始时，所有用户就将QoS需求与传输信息包含在信标帧Beacon中，支持通过混合协调器HC提前给用户分配时长任意的传输间隔，满足QoS需求的同时提高资源效率；修改EDCA机制中用户划分优先级的方式，包括通过对各种不同类型的用户，进行分类，划分优先级，并根据类别相应基于EDCA或HCCA机制进行接入；支持通过调整EDCA机制中传输参数实现更好的融合。
而且，所述对各种不同类型的用户，进行分类，划分优先级，并基于EDCA和HCCA机制进行接入，包括采用以用户为主的融合接入流程实现如下，
步骤1，根据用户的QoS需求对异构设备进行分类，划分优先级；
步骤2，决定异构设备接入机制为EDCA还是HCCA；
步骤3，根据用户的QoS需求分别进行建模，获取相应的用户需求模型；
步骤4，基于用户需求模型，建立资源分配优化问题，并进行求解，得到最终资源分配策略。
而且，步骤1中，将用户分为两种类别，包括对吞吐量要求高的用户以及对延时要求高的用户，其中，延迟要求高是指要在错误率满足一定条件下在有限时间内完成数据传输；在同一类别内部，根据具体QoS参数要求及数据传输内容决定异构设备的优先级。
而且，步骤2中，令吞吐量需求较大的用户以EDCA机制进行接入，并对于第i个优先级的用户，设置相应传输参数，使得i越小，优先级越高；令延迟要求高的用户通过HCCA机制进行接入。
而且，步骤4中，基于用户需求模型，建立资源分配优化问题，实现方式为，对于吞吐量要求高的用户和延迟要求高的用户，目标函数分别为最大化吞吐量和在满足延迟要求的情况下尽可能降低用户传输错误率，并且除了要满足用户基本QoS需求，还应当满足限制条件分给所有用户的传输时间总长度不能超过总的帧长。
而且，步骤4中，对于资源分配优化问题，采用分布式资源分配，用博弈论方法进行求解。
或者，所述对各种不同类型的用户，进行分类，划分优先级，并基于EDCA和HCCA机制进行接入，包括基于网络类型划分优先级。
或者，所述对各种不同类型的用户，进行分类，划分优先级，并基于EDCA和HCCA机制进行接入，包括基于网络资源需求量划分优先级。
而且，用于许可频段与免许可频段。
本发明和现有技术的区别和相应产生的技术效果是：本发明对HCCA与EDCA机制做出了改进，并未采用原始的轮询机制，而是在每个超帧开始时，所有信息包含在Beacon中，通过HC可以提前给用户分配任意长度的TXOP，通过分布式资源分配方法，在满足未来无线通信系统中异构设备的多样化需求的同时，提高资源的利用率。为未来通信异构网络的融合接入提供了新的方案。
附图说明
图1是本发明实施例以用户为主的融合接入流程图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种以用户为主的基于EDCA与HCCA机制的融合接入方法，包括以下内容：
(1)对802.11e中原有的HCCA与EDCA接入机制进行改进：设定在每个超帧开始时，所有用户就将QoS需求与传输信息(包的大小，包传输时间)等信息包含在信标帧(Beacon)中，则通过HC可以提前给用户分配时长任意的传输间隔，满足其QoS需求的同时提高资源效率。此外，EDCA机制中用户划分优先级不只根据访问内容(语音、视频等)分为4个AC，而根据其QoS需求可以分为任意数目的优先级，且可以通过调整传输参数CW，AIFS等实现更好的融合。应当注意的是，后文中所提到的EDCA与HCCA机制均指本发明中已改进过的。
(2)以用户为主的融合接入：通过对各种不同类型的用户，如以QoS为导向的用户，以服务类型(URLLC，eMBB等)为导向的用户，进行分类，划分优先级，并根据类别相应地基于EDCA或HCCA机制进行接入。
参见图1，本发明实施例中，以用户为主的融合接入流程包括以下步骤：
步骤1：根据QoS需求对异构设备进行分类，划分优先级；
用户的QoS需求一般可以分为以下三种，包括：
(1)吞吐量
(2)传输延时
(3)错误率
在此实施例中将用户分为两种类别：对吞吐量要求高的用户以及对延时要求高的用户。其中，延迟要求高是指要在错误率满足一定条件下在有限时间内完成数据传输。
在同一类别内部，根据具体QoS参数要求及数据传输内容决定异构设备的优先级。例如对吞吐量要求高的用户，根据其最低吞吐量要求划分等级，RT越大，优先级越高。因此可根据所有用户RT的上界和下界划分各优先级范围，共分为I个等级，具体实施时，可以预先设置划分的优先级等级数目。延时要求高的用户同理，根据传输延迟阈值TT划分优先级，TT越小，优先级越高。
步骤2：决定异构设备接入机制为EDCA还是HCCA；
实施例中，按照所属类别确定每个用户的接入机制：
(1)由于EDCA是基于CSMA/CA机制进行接入的，提供尽力而为的业务，令吞吐量需求较大的用户以EDCA机制进行接入，进行数据传输。对于第i个优先级的用户，设置其传输参数CWi，AIFSi等，并使得i越小，优先级越高，即CWi，AIFSi越小，从而保证高优先级的用户在竞争时接入概率更大，其QoS需求能够得到更好地满足。
(2)令延迟要求高的用户通过HCCA机制进行接入，在有数据要传输时，可以及时进行传输，从而满足用户的实时性要求。若不同优先级的用户在同一时刻有数据包要传输，高优先级的先传。
步骤3：根据用户的QoS需求分别进行建模，获取用户需求模型；
具体建模可根据用户需求种类采用现有技术中相应的公式，为便于实施参考起见，现提供如下：
步骤3.1：吞吐量要求高的用户需求建模；
设吞吐量要求高的用户总数为M，对于用户m∈{1,2,...,M}，基于EDCA机制进行接入，计算出其传输速率ri：
Figure BDA0002060125760000051
其中，i是用户优先级，i越小，用户优先级越高，i的取值为0，1，…I-1。E[L]、Ts,i和Tc,i分别是传输平均负载的时间，成功传输的平均时间以及碰撞的平均时间，L为平均负载的长度；Ni是第i类用户的数量；δ是空时隙长度；Ps,i是第i类用户成功传输的概率，而PT是信道忙的概率即至少一个用户在传输的概率。由于概率等参数的具体计算已在现有文献中有详细的推导，此处不予赘述。
具体实施时，可参见：Q.Chen,G.Yu and Z.Ding,"Enhanced LAA for UnlicensedLTE Deployment Based on TXOP Contention,"in IEEE Transactions onCommunications,vol.67,no.1,pp.417-429,Jan.2019.
doi:10.1109/TCOMM.2018.2868694
则当分配给用户m长度为τm的传输时间时，用户m的吞吐量Rm为：
Figure BDA0002060125760000052
步骤3.2：延迟要求高的用户需求建模；
设延迟要求高的用户总数为N，对于用户n∈{1,2,...,N}，需要传送的数据包大小为bn，当数据包足够小时，可以实现的数据传输速率qn为：
Figure BDA0002060125760000061
其中，hn表示信道增益，且信道服从瑞利衰落；Pn为传输功率；σ2是高斯白噪声的方差；ln为传输块长度；εn为传输错误率；e表示自然常数；
高斯Q函数公式为
Figure BDA0002060125760000062
Q函数是(标准正态分布的)互补累计分布函数，x是自变量，t无实际意义，相应反函数即Q-1(x)；
此外，Vn为信道散度，可以表示为
Figure BDA0002060125760000063
若要传输完成大小为bn的数据包，即bn＝Bqntn。其中，B为信道带宽，错误率可化为关于传输时延tn的函数：
Figure BDA0002060125760000064
其中，传输时延tn即为分配给用户n的传输时间的长度，通过调整用户的传输时间tn，可以改变错误率εn。
步骤4：基于用户需求模型，建立资源分配优化问题，并进行求解；
资源分配问题就是对每个用户分配传输时间长度，来使其性能尽可能最优。对于吞吐量要求高的用户和延迟要求高的用户，其目标函数分别为最大化吞吐量Rm和在满足延迟要求的情况下尽可能降低用户传输错误率εn，即：
Figure BDA0002060125760000065
Figure BDA0002060125760000071
除了要满足用户基本QoS需求，还应当满足限制条件：
Figure BDA0002060125760000072
其中，tn和τm分别为分配给用户n和用户m的传输时间的长度，T为帧周期长度，也就是说，分给所有用户的传输时间总长度不能超过总的帧长。
由于各个用户需求不同，采用分布式资源分配，用博弈论方法进行求解。为便于实施参考起见，提供求解实现方式为：规划如下的博弈，使博弈中的要素(玩家、策略、效用函数)与系统中的设置的参数与目标分别对应：用户m，n为博弈玩家，分配的传输时间τm和tn为玩家所选择的策略，效用函数可从上述优化函数(1)(2)得到，如下
用户m的效用函数：
Figure BDA0002060125760000073
用户n的效用函数：
Figure BDA0002060125760000074
则每个用户通过尽力使自己的效用函数最大化，即自己的利益最大化，从而求得纳什均衡解，即可得到最终资源分配策略。
具体实施时，以上流程可采用计算机软件实现自动运行。实施本发明所提供方法的装置也应当在本发明的保护范围内。
本发明中，有几点技术要点需要强调：
(1)设定所有传输信息都包含在信标帧中，如传输参数、数据包大小及到到时间、QoS需求等，因此在每个超帧开始时就可以对资源进行分配。
(2)由于退避时间较短，在资源分配时对其进行忽略。
(3)基于HCCA机制的用户接入由HC进行控制，检测到信道空闲则HC会控制有数据包要传输的用户根据优先级进行接入，优先级高的用户优先接入。
(4)本发明适用于许可频段与免许可频段。
(5)可以通过调整EDCA机制中各级别用户的接入参数如AIFS，CW等的大小，从而改变各级别用户接入概率与传输速率等，实现网络更好的融合。
(6)本发明同样适用于以网络为主的融合接入：可以基于网络类型(如LAA，LTE-U，WiFi网络等)，或基于网络资源需求量(资源紧缺，需求量高的网络与资源充足的网络等)进行分类与划分优先级，并基于EDCA与HCCA进行接入，进行合理的资源分配。具体步骤应当与实施例中的步骤类似，考虑网络类型的特点及其下用户的具体QoS需求，如WiFi网络提供尽力而为的业务，其下用户一般只对吞吐量有一定要求，而对时延没有什么要求，就可对其下用户设定较低的优先级，并通过EDCA机制进行接入。其他类型的网络方法类似。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种面向未来无线通信的异构网络融合接入方法，采用HCCA与EDCA接入机制，其特征在于：设定在每个超帧开始时，所有用户就将QoS需求与传输信息包含在信标帧Beacon中，支持通过混合协调器HC提前给用户分配时长任意的传输间隔，满足QoS需求的同时提高资源效率；修改EDCA机制中用户划分优先级的方式，包括通过对各种不同类型的用户，进行分类，划分优先级，并根据类别相应基于EDCA或HCCA机制进行接入；支持通过调整EDCA机制中传输参数实现更好的融合；
所述对各种不同类型的用户，进行分类，划分优先级，并基于EDCA和HCCA机制进行接入，包括采用以用户为主的融合接入流程实现如下，
步骤1，根据用户的QoS需求对异构设备进行分类，划分优先级；
步骤2，决定异构设备接入机制为EDCA还是HCCA；
步骤3，根据用户的QoS需求分别进行建模，获取相应的用户需求模型；
步骤4，基于用户需求模型，建立资源分配优化问题，并进行求解，得到最终资源分配策略，每个用户通过尽力使自己的效用函数最大化，即自己的利益最大化，从而求得纳什均衡解，得到最终资源分配策略。
2.根据权利要求1所述一种面向未来无线通信的异构网络融合接入方法，其特征在于：步骤1中，将用户分为两种类别，包括对吞吐量要求高的用户以及对延时要求高的用户，其中，延迟要求高是指要在错误率满足一定条件下在有限时间内完成数据传输；在同一类别内部，根据具体QoS参数要求及数据传输内容决定异构设备的优先级。
3.根据权利要求2所述一种面向未来无线通信的异构网络融合接入方法，其特征在于：步骤2中，令吞吐量需求较大的用户以EDCA机制进行接入，并对于第i个优先级的用户，设置相应传输参数，使得i越小，优先级越高；令延迟要求高的用户通过HCCA机制进行接入。
4.根据权利要求3所述一种面向未来无线通信的异构网络融合接入方法，其特征在于：步骤4中，基于用户需求模型，建立资源分配优化问题，实现方式为，对于吞吐量要求高的用户和延迟要求高的用户，目标函数分别为最大化吞吐量和在满足延迟要求的情况下尽可能降低用户传输错误率，并且除了要满足用户基本QoS需求，还应当满足限制条件分给所有用户的传输时间总长度不能超过总的帧长。
5.根据权利要求4所述一种面向未来无线通信的异构网络融合接入方法，其特征在于：步骤4中，对于资源分配优化问题，采用分布式资源分配，用博弈论方法进行求解。
6.根据权利要求1所述一种面向未来无线通信的异构网络融合接入方法，其特征在于：所述对各种不同类型的用户，进行分类，划分优先级，并基于EDCA和HCCA机制进行接入，包括基于网络类型划分优先级。
7.根据权利要求1所述一种面向未来无线通信的异构网络融合接入方法，其特征在于：所述对各种不同类型的用户，进行分类，划分优先级，并基于EDCA和HCCA机制进行接入，包括基于网络资源需求量划分优先级。
8.根据权利要求1或2或3或4或5或6或7所述一种面向未来无线通信的异构网络融合接入方法，其特征在于：用于许可频段与免许可频段。
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