CN113382426B - 一种保障用户移动性和时延需求的分布式用户关联方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种保障用户移动性和时延需求的分布式用户关联方法，属于无线通信技术领域。针对星地融合网络中用户移动带来连接中断、星地链路传播时延大导致用户体验质量下降的问题，提出一种分布式用户关联方法。根据基站覆盖范围建立用户基站初始关联集，根据用户移动性和用户时延需求分别划分不同的可关联基站子集；基于以上得到的基站关联子集，根据星地链路受雨雪衰减程度设置信噪比阈值，在卫星回传容量限制下采用分布式最大需求算法实现用户传输速率和最大化，在满足用户最低速率需求条件下采用匹配算法实现基站间负载均衡；通过所提出的分布式用户关联方法提高数据传输速率、保障用户体验、实现基站间负载均衡。

Description

一种保障用户移动性和时延需求的分布式用户关联方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域。具体涉及一种保障用户移动性和时延需求的分布式用户关联方法。

背景技术

近年来，随着智能终端能力的增强，用户所产生的流量和服务需求呈指数级增长，这种海量的数据增长以及高质量的服务需求对传统无线接入网络提出了越来越高的要求。一方面需要单点基础设施能够提供更大的通信容量以承载更多用户，另一方面又要求扩展多点覆盖范围以满足用户对于随时随地的一致性通信服务需求。与传统通信方式相比，卫星网络可以提供全球范围内的通信覆盖及高效的广播服务，同时又不受地理环境和基础设施的限制，已成为下一代网络的重要组成部分。特别是，随着卫星通信能力的提升、制造成本的降低和可回收火箭技术的发展，人们越来越关注将卫星组件集成到地面移动通信系统中，构建星地融合网络。星地融合网络拓展了网络覆盖范围、增强了网络容量，同时保证了网络的可靠性和持续性。在面对自然灾难、战争等造成的网络部分或全部瘫痪时，星地融合网络可以凭借卫星通信系统的高空优势来填补地面网络的不足。同时，星地融合网络也可以借助地面网络的优势，解决卫星系统采用受遮蔽或阴影效应影响较大的高频或超高频段，无法给房屋密集的城镇区域用户带来高质量网络服务的问题。因此，下一代网络中通过将卫星集成到地面网络构成星地融合网络，可以较低成本实现网络性能的提升，同时保障用户体验。

星地融合网络是由多种网络集成的异构网络，而异构网络中实现对资源的灵活与充分复用是提升系统性能的关键。用户关联，是用户对服务基站的选择，对网络的资源管理有着重要影响。通过高效的用户关联方法，使得用户接入最合适的服务基站，进而使得网络资源得到充分利用，不仅可以保障用户的服务体验，同时也可以改善星地融合网络的负载均衡、容量、能量效率等网络性能指标。

根据已有的关于星地融合网络中的用户关联研究，最常见的做法是将用户关联问题建模为组合优化问题，并利用相关的优化理论和启发式算法，得到最佳的用户关联方案。然而，已有的研究重点在于网络整体性能的提升，而没有过多关注用户自身的特点以及用户需求，忽略了用户体验的实际质量。并且现有的星地融合网络还没有实现网络集中化管理，集中式的优化算法并不能在实际场景中实现。因此，本发明提出了分布式用户关联方法，同时考虑了用户自身的特点，在提升网络整体性能的同时，也可以保障用户的体验质量。

本发明提出了一种保障用户移动性和时延需求的分布式用户关联方法，星地融合网络中用户移动带来连接中断、星地链路传播时延较大以及星地链路不稳定导致用户体验质量下降的问题，根据用户移动性和用户时延需求分别划分不同的可关联基站集，根据星地链路受雨雪衰减程度设置信噪比阈值，对得到各关联子集，在卫星回传容量限制下采用分布式最大需求算法的分布式用户关联方法实现最大化用户传输速率和；在满足用户最低速率需求条件下采用匹配算法的分布式用户关联方法实现基站间负载均衡。本发明保障了星地融合网络中的用户体验，有效提高了用户传输速率和，还兼顾了基站间负载均衡。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种保障用户移动性和时延需求的分布式用户关方法，该方法考虑了用户自身的特点和用户需求，同时考虑了异构网络特性，以分布式算法得到用户关联结果。本发明的技术方案如下：

一种保障用户移动性和时延需求的分布式用户关联方法，其包括以下步骤：

S1:根据基站覆盖范围建立用户与基站初始关联集，计算用户u到基站b的视线距离d_u,b，根据d_u,b与基站覆盖半径r_b之间的关系d_u,b＜r_b，得到用户u与基站b的初始关联集；

S2:根据用户移动性划分不同的可关联基站子集；

S3:根据用户时延需求划分不同的可关联基站子集；

S4:设定卫星回传信噪比阈值；

S5:判断卫星回传容量

是否因雨雪衰减而受限，若是，则构建用户传输速率和与接入用户数最大化的优化模型，否则，构建用户传输速率和与基站负载折衷的优化模型；

S6:在卫星回传容量限制下对各关联子集采用分布式最大需求算法，旨在最大化用户传输速率和与用户数量；在满足用户最低速率需求的条件下对各关联子集采用匹配算法，旨在最大化用户传输速率和同时实现基站间负载均衡。

2、所述步骤S1中用户到基站的视线距离为：

其中(x_u,y_u),(x_b,y_b)分别为用户u和基站b的坐标，根据d_u,b与基站覆盖半径r_b之间的关系，构建了U×B的用户与基站初始关联矩阵A，其中矩阵元素a_u,b的取值为：

a_u,b表示用户u与基站b的初始关联关系，并且将公式(2)作为后续计算用户可关联基站的约束条件。

3、所述步骤S2根据用户移动性划分不同的可关联基站集：

其中，b为用户关联的基站，b＝0表示卫星辅助基站，b＝1表示地面网络宏基站，2≤b≤B表示地面网络小基站，v_u为用户u的移动速度，

为设定的速度阈值。

4、所述步骤S3根据用户时延需求划分不同的可关联基站集：

T_u表示用户时延需求类型，若当前用户为时延敏感型用户T_u＝1，否则，T_u＝0。

5、所述步骤S4中卫星接收信号的信噪比SNR_s为：

其中，P_s为卫星辅助基站的发射功率，G_s为卫星辅助基站发射天线增益，G_sat为卫星接收天线增益，L_o为空间中其他衰落，其他衰落包括雨、雪、水蒸气、云雾在内的衰落，d_s,sat为卫星辅助基站到卫星的视线距离，σ²为噪声功率；

所述步骤S4中设定卫星回传信噪比阈值：

其中，

为卫星回传的实际容量，

是根据信噪比计算得到的回传容量，α取值为0到1之间的常系数，

表示设定的信噪比阈值。

7、所述步骤S5中，若回传容量受限，则构建用户传输速率总和与接入用户数量最大化的优化模型，具体包括：

步骤S5中用户u传输速率r_u,b：

其中，用户u∈{1,...,U},U为网络中用户数，W_u表示基站分配给用户u的带宽，p_u表示用户u的发射功率，

表示用户u与基站b之间的信道增益，x_u',b表示用户u′∈{1,...,U}-{u}与基站b的关联关系，

表示用户u′与基站b之间的信道增益，p_u′表示用户u′的发射功率，

表示接入基站b的所有u′用户带来的干扰，σ²表示噪声功率；

步骤S5中用户传输速率和与接入用户数量最大化的优化模型：

符合：

C1:x_u,b∈{0,1}

C2:

C3:

C4:

C5:

C6:

其中，λ为调节参数，约束C1中x_u,b表示用户u与基站b的连接关系，x_u,b＝1表示用户u与基站b关联，否则，x_u,b＝0；约束C2表示用户u同时只能与一个基站b建立链路连接；约束C3意味着用户u与基站b的关联关系x_u,b必须建立在其初始关联a_u,b约束下；约束C4表示每个基站接入数据速率和

不能超过基站回传容量

约束C5表示用户移动性与可关联基站之间的关系；约束C6表示用户时延类型与可关联基站之间的关系。

步骤S5若回传容量达到最大，则构建用户传输速率总和与基站负载折衷的优化模型，具体包括：

先定义各基站b的负载率L_b为：

其中，

表示基站b的回传容量；

步骤S5用户传输速率和与基站负载折衷的优化模型：

符合：

C1:x_u,b∈{0,1}

C2:

C3:

C4:

C5:

C6:

C7:

其中，约束C4表示用户u传输速率r_u,b必须大于最小传输速率阈值

以满足用户QoS需求，β是调节参数。

进一步的，所述步骤S6若卫星信噪比低于阈值，导致卫星回传容量受限，各关联子集在卫星回传容量限制下采用分布式最大需求算法，实现用户与基站的最佳关联，以最大化用户传输速率和与接入用户数。若卫星信噪比高于阈值，卫星回传容量不受影响，各关联子集在满足用户最低速率需求的条件下采用匹配算法，实现用户与基站的最佳关联，以最大化用户传输速率和，同时实现基站负载均衡。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明方案通过分析星地融合网络的异构网络特性，在保证用户QoS需求前提下，结合用户移动性和用户时延需求，提出了一种保障用户移动性和时延需求的分布式用户关联方法。本发明的主要创新在于保障了用户体验，在满足用户最低速率需求的前提下，考虑了用户移动性和时延需求。已有的研究重点在于网络整体性能的提升，而没有过多关注用户自身的特点以及用户需求。因此本发明提出保障用户移动性和时延需求的分布式用户关联方法是现有技术人员不易想到的。进一步的，本发明根据当前基站的接入用户速率和，定义当前基站接入用户的速率和与基站回传容量的比值为基站负载率，其取值范围在0-1之间，以数值方式直观体现了当前基站的负载状况。同时，本发明还将基站接入用户速率和与基站负载率的差值作为优化目标，可以实现最大化用户传输速率和，同时兼顾基站间负载均衡。因此本发明具备独特性和创造性。本发明充分分析了星地融合网络的异构网络特性，开发了分布式用户关联方法。在已有研究中，研究人员所设置的研究模型过于理想化，由于现有星地融合网络没有集中的网络控制器，不可能统一管理所有的用户和基站信息。因此本发明在解决手段上具备创造性和易实现的特性。通过分布式用户关联算法，在满足用户QoS需求的前提下，降低了用户移动性带来连接中断而导致的用户体验质量下降，同时也满足了用户时延需求。全面高效地实现了用户接入最合适的基站。同时还考虑了实际的网络场景特性，体现了本发明的合理性和实用性。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例构建的星地融合网络模型；

图2为本发明所述的一种保障用户移动性和时延需求的分布式用户关联方法流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

本发明内容所涉及的模型如下：

网络模型

本发明的主要场景是星地融合网络，如图1所示，在该网络架构下有卫星辅助基站、小基站和宏基站以及各种类型的智能化用户终端，用户终端可通过这三类基站接入网络。其中，基于卫星回传的小区，通过大容量星地链路连接到卫星，通过用户链路连接到其覆盖范围内的小区用户；地面传统小区通过传统回传链路连接到核心网，为其覆盖范围内的用户提供服务。地面辅助基站的覆盖范围和宏基站的覆盖范围相同，所有智能化用户终端都在小区基站、宏基站和卫星辅助基站的覆盖范围内。

本发明主要考虑以下几个影响用户关联的因素：星地融合网络的控制，不稳定的星地链路，用户需求和用户特点，回传容量约束。

本发明构建了集成卫星网络和地面网络的星地融合网络场景，在此场景中，目前还没有统一的网络集中控制器，不能采用集中式的用户关联算法，只能通过用户和基站之间相互发送和接收信息的分布式方法实现用户关联。

本发明还考虑了卫星为了提高通信容量通常会采用ku、ka和Q等高频段链路，而高频段的链路受雨雪衰减较大，严重的雨雪衰减会导致信号的信噪比降低，造成链路容量下降，甚至造成传输链路中断。

本发明还将用户需求和用户自身特点作为用户关联的约束条件。用户的最低速率需求，用户在接入基站时需满足最低速率约束条件；用户的高移动性可能会带来频繁切换，从而降低用户体验质量，可根据用户的移动速度，更新其候选关联基站集；一些用户可能是对时延要求比较高的时延敏感型用户，不适合接入链路传播延迟较高的卫星网络，通过时延约束条件，保证时延敏感型用户优先接入地面网络。

本发明还把基站回传容量作为影响用户关联的约束条件。星地融合网络中有多种类型的基站，而不同类型基站的回传容量不一样，不同类型的基站可接入用户数量限制也不相同。若是当前基站的数据速率总和超过了基站的回传容量，则该基站下的用户服务不能得到保障。因此，在制定星地融合网络中的用户关联优化模型时，本发明还考虑了基站的回传容量约束。

基于以上四点，本发明设计了一种保障用户移动性和时延需求的分布式用户关联方法。本发明解决上述技术问题的技术方案是：

本发明提出了一种保障用户移动性和时延需求的分布式用户关联方法，在保证用户QoS需求的前提下，根据用户移动性和用户时延需求分别划分不同的可关联基站集，根据星地链路受雨雪衰减程度设置信噪比阈值。若卫星信噪比低于阈值，导致卫星回传容量受限，在卫星回传容量限制下采用分布式最大需求算法对各关联子集求解，实现用户与基站的最佳关联。若卫星信噪比高于阈值，卫星回传容量不受影响，在满足用户最低速率需求的条件下采用匹配算法对各关联子集求解，实现用户与基站的最佳关联。本发明保障了星地融合网络中的用户体验，有效提高了用户传输速率和，还兼顾了基站间负载均衡。通过算法求解，以此为用户寻求最佳的关联基站。具体步骤如下：

第一步：根据基站覆盖范围建立用户与基站初始关联集，计算用户u到基站b的视线距离d_u,b；

其中(x_u,y_u),(x_b,y_b)分别为用户u和基站b的坐标，根据d_u,b与基站覆盖半径r_b之间的关系，构建了U×B的用户与基站初始关联矩阵A，其中矩阵元素a_u,b的取值为：

a_u,b表示用户u与基站b的初始关联关系，并且将公式(2)作为后续计算用户可关联基站的约束条件。

第二步：根据用户移动性划分不同的可关联基站子集；

其中，b为用户关联的基站，b＝0表示卫星辅助基站，b＝1表示地面网络宏基站，2≤b≤B表示地面网络小基站，v_u为用户u的移动速度，

为设定的速度阈值。

第三步：根据用户时延需求划分不同的可关联基站子集；

T_u表示用户时延需求类型，若当前用户为时延敏感型用户T_u＝1，否则，T_u＝0。

第四步：设定卫星回传信噪比阈值；

卫星接收信号的信噪比SNR_s为：

其中，P_s为卫星辅助基站的发射功率，G_s为卫星辅助基站发射天线增益，G_sat为卫星接收天线增益，L_o为空间中其他衰落，其他衰落包括雨、雪、水蒸气、云雾在内的衰落，d_s,sat为卫星辅助基站到卫星的视线距离，σ²为噪声功率；

设定卫星回传信噪比阈值：

其中，

为卫星回传的实际容量，

是根据信噪比计算得到的回传容量，α取值为0到1之间的常系数，

表示设定的信噪比阈值。

第五步：若回传容量受限，则构建用户传输速率和与接入用户数量最大化的优化模型，具体包括：

用户u传输速率r_u,b：

其中，用户u∈{1,...,U},U为网络中用户数，W_u表示基站分配给用户u的带宽，p_u表示用户u的发射功率，

表示用户u与基站b之间的信道增益，x_u',b表示用户u′∈{1,...,U}-{u}与基站b的关联关系，

表示用户u′与基站b之间的信道增益，p_u′表示用户u′的发射功率，

表示接入基站b的所有u′用户带来的干扰，σ²表示噪声功率。

用户传输速率和与接入用户数量最大化的优化模型：

若回传容量达到最大，则构建用户传输速率和与基站负载折衷的优化模型，具体包括：

先定义各基站b的负载率L_b为：

其中，

表示基站b的回传容量；

用户传输速率和与基站负载折衷的优化模型为：

其中，β是调节参数。

第六步：各关联子集在卫星回传容量限制下采用分布式最大需求算法，在各个关联子集中，用户根据接收信号的信干噪比SINR选择可关联基站，并选择接入信干噪比最大的基站，各个基站在满足回传容量约束的条件下，根据用户速率r_u,b从高到低依次选取达到自身允许接入的最大用户数。最终得到在满足上述约束条件下的最大用户速率总和与用户数量。

各关联子集在满足用户最低速率需求的条件下采用匹配算法，在各个关联子集中，用户和基站之间进行多对一的匹配，未匹配用户在候选基站集中，根据接入基站速率最大且当前基站负载最小的效用函数，按降序构建其偏好列表P(u)，并向列表最前的基站b发出接入请求；基站根据申请用户的接入传输速率构建偏好列表P(b)，在回传容量约束下选择接入速率最大的用户，并将该用户从P(b)中去掉，更新匹配对(u,b)，重复执行，直至基站偏好列表

随着用户的接入，会改变基站的负载情况，导致用户效用函数发生改变。可通过对所有匹配对(u,b)寻找最优的交换匹配进行交换，更新网络效益，并最终通过有限次交换匹配达到稳定；重复上述过程，直至所有用户都接入了基站，或者所有基站的数据速率总和都达到了上限；从而得到在满足上述约束条件下的最大用户速率总和，同时实现了基站间负载均衡。

上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (3)

1.一种保障用户移动性和时延需求的分布式用户关联方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1:根据基站覆盖范围建立用户与基站初始关联集，计算用户u到基站b的视线距离d_u,b，根据d_u,b与基站覆盖半径r_b之间的关系d_u,b＜r_b，得到用户u与基站b的初始关联集；

S2:根据用户移动性划分不同的可关联基站子集；

S3:根据用户时延需求划分不同的可关联基站子集；

S4:设定卫星回传信噪比阈值；

S5:判断卫星回传容量

是否因雨雪衰减而受限，若是，则构建用户传输速率和与接入用户数最大化的优化模型，否则，构建用户传输速率和与基站负载折衷的优化模型；

S6:在卫星回传容量限制下对各关联子集采用分布式最大需求算法，旨在最大化用户传输速率和与用户数量；在满足用户最低速率需求的条件下对各关联子集采用匹配算法，实现基站间负载均衡；

所述步骤S1中用户到基站的视线距离为：

其中(x_u,y_u),(x_b,y_b)分别为用户u和基站b的坐标，根据d_u,b与基站覆盖半径r_b之间的关系，构建了U×B的用户与基站初始关联矩阵A，其中矩阵元素a_u,b的取值为：

a_u,b表示用户u与基站b的初始关联关系，并且将公式(2)作为后续计算用户可关联基站的约束条件；

所述步骤S2根据用户移动性划分不同的可关联基站集：

其中，b为用户关联的基站，b＝0表示卫星辅助基站，b＝1表示地面网络宏基站，2≤b≤B表示地面网络小基站，v_u为用户u的移动速度，v为设定的速度阈值；

所述步骤S3根据用户时延需求划分不同的可关联基站集：

T_u表示用户时延需求类型，若当前用户为时延敏感型用户T_u＝1，否则，T_u＝0；

所述步骤S4中卫星接收信号的信噪比SNR_s为：

其中，P_s为卫星辅助基站的发射功率，G_s为卫星辅助基站发射天线增益，G_sat为卫星接收天线增益，L_o为空间中其他衰落，其他衰落包括雨、雪、水蒸气、云雾在内的衰落，d_s,sat为卫星辅助基站到卫星的视线距离，σ²为噪声功率；

所述步骤S4中设定卫星回传信噪比阈值：

其中，

为卫星回传的实际容量，

是根据信噪比计算得到的回传容量，α取值为0到1之间的常系数，

表示设定的信噪比阈值；

所述步骤S5中，若回传容量受限，则构建用户传输速率总和与接入用户数量最大化的优化模型，具体包括：

步骤S5中用户u传输速率r_u,b：

其中，用户u∈{1,...,U},U为网络中用户数，W_u表示基站分配给用户u的带宽，p_u表示用户u的发射功率，

表示用户u与基站b之间的信道增益，x_u',b表示用户u′∈{1,...,U}-{u}与基站b的关联关系，

表示用户u′与基站b之间的信道增益，p_u′表示用户u′的发射功率，

表示接入基站b的所有u′用户带来的干扰，σ²表示噪声功率；

步骤S5中用户传输速率和与接入用户数量最大化的优化模型：

符合：

C1:x_u,b∈{0,1}

C2:

C3:

C4:

C5:

C6:

其中，λ为调节参数，约束C1中x_u,b表示用户u与基站b的连接关系，x_u,b＝1表示用户u与基站b关联，否则，x_u,b＝0；约束C2表示用户u同时只能与一个基站b建立链路连接；约束C3意味着用户u与基站b的关联关系x_u,b必须建立在其初始关联a_u,b约束下；约束C4表示每个基站接入数据速率总和

不能超过基站回传容量

约束C5表示用户移动性与可关联基站之间的关系；约束C6表示用户时延类型与可关联基站之间的关系；

所述步骤S5若回传容量达到最大，则构建用户传输速率总和与基站负载折衷的优化模型，具体包括：

先定义各基站b的负载率L_b为：

其中，

表示基站b的回传容量；

步骤S5用户传输速率和与基站负载折衷的优化模型：

符合：

C1:x_u,b∈{0,1}

C2:

C3:

C4:

C5:

C6:

C7:

其中，约束C4表示用户u传输速率r_u,b必须大于最小传输速率阈值

以满足用户QoS需求，β是调节参数。

2.根据权利要求1所述的一种保障用户移动性和时延需求的分布式用户关联方法，其特征在于，所述步骤S6在卫星回传容量限制下采用分布式最大需求算法实现最大化用户传输速率和与接入用户数，在各个子集中，用户根据接收信号的信干噪比SINR选择可关联基站，并选择接入信干噪比最大的基站，各个基站在满足回传容量约束的条件下，根据用户速率r_u,b从高到低依次选取达到自身允许接入的最大用户数；最终得到在满足上述约束条件下的最大用户速率和与用户数量。

3.根据权利要求2所述的一种保障用户移动性和时延需求的分布式用户关联方法，其特征在于，所述步骤S6在满足用户最低速率需求条件下采用匹配算法实现用户传输速率和与基站间负载的折衷，在各个子集中，用户和基站之间进行多对一的匹配，未匹配用户在候选基站集中，根据接入基站速率最大且当前基站负载最小的效用函数，按降序构建其偏好列表P(u)，并向列表最前的基站b发出接入请求；基站根据申请用户的接入传输速率构建偏好列表P(b)，在满足用户最低速率需求条件下选择接入速率最大的用户，并将该用户从P(b)中去掉，更新匹配对(u,b)，重复执行，直至基站偏好列表

随着用户的接入，会改变基站的负载情况，导致用户效用函数发生改变；可通过对所有匹配对(u,b)寻找最优的交换匹配进行交换，更新网络效益，并最终通过有限次交换匹配达到稳定；重复上述过程，直至所有用户都接入了基站，或者所有基站的数据速率总和都达到了上限；从而得到在满足上述约束条件下的最大用户速率总和，同时实现了基站间负载均衡。

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