CN113873529A - 异构密集网络数据卸载系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异构密集网络数据卸载系统，包括LTE网络和WLAN网络，且两者网络具有重叠部分，且构成异构密集网络，包括启动动作判断模块，用于判断当前LTE网络是否过载，并根据过载状态启动卸载动作；卸载人数判断模块，用于判断当前LTE网络中应卸载的人数；卸载动作执行模块，用于执行卸载动作，将LTE网络中对应的人数进行卸载，将卸载的人数引入到WLANIEEE 802.11ax中的RU子载波集中。本发明能够通过合理其高效的数据用户卸载方法来提高用户体验。

Description

异构密集网络数据卸载系统

技术领域

本发明涉及网络通信技术领域，具体为异构密集网络数据卸载系统。

背景技术

随着移动通信技术的发展和智能通信设备的普及，人们对高质量和高速率网络技术的需求也急速增长。根据思科网络数据报告显示，2017年到2022年，全球移动数据流量将增长7倍，预计到2022年，全球年度移动数据流量将达到 1ZB。在用户设备密集部署和频谱资源紧张的情况下，无线访问数据流量的爆炸式增长给无线访问的优质用户体验带来了巨大的挑战。

因此，如何缓解频谱资源紧张和无线访问数据流量的爆炸式增长是能够提高用户体验重要手段。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种异构密集网络数据卸载系统，能够通过合理其高效的数据用户卸载方法来提高用户体验。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种异构密集网络数据卸载系统，包括LTE网络和WLAN网络，且两者网络具有重叠部分，且构成异构密集网络，包括

启动动作判断模块，用于判断当前LTE网络是否过载，并根据过载状态启动卸载动作；

卸载人数判断模块，用于判断当前LTE网络中应卸载的人数；

卸载动作执行模块，用于执行卸载动作，将LTE网络中对应的人数进行卸载，将卸载的人数引入到WLAN IEEE 802.11ax中的RU子载波集中。

作为本发明的进一步改进，所述卸载人数判断模块内设置有

人数分析模块，该人数分析模块根据当前WLAN网络冲突概率分析获得WLAN AP的现有用户数，并分析获得最小误差的冲突概率和传输概率，通过 WLAN AP的现有用户数和卸载人数分析获得最大LTE单用户吞吐率，通过最大LTE单用户吞吐率确定卸载人数。

作为本发明的进一步改进，所述卸载人数判断模块还包括

约束条件设定模块，用于设定保障WLAN平均单用户吞吐率的阈值和设定 WLAN平均单用户吞吐率大于WLAN平均单用户吞吐率的阈值的约束条件。

作为本发明的进一步改进，所述人数分析模块获取约束条件设定模块的约束条件，并对当前分析卸载人数进行传输概率和冲突概率分析，通过下降法获得误差最小的传输概率和冲突概率，并根据该最小误差的传输概率和冲突概率分析当前的卸载人数对应的WLAN中单个RU的吞吐率；并且遍历所有符合约束条件的卸载人数，比对所有卸载人数下的LTE单用户吞吐率获得最大LTE单用户吞吐率对应的卸载人数。

作为本发明的进一步改进，所述人数分析模块中根据误差最小的传输概率和冲突概率分析WLAN中单个RU的吞吐率通过

分析获得，其中P_s为RU上用户成功传输的概率；P_tr为RU上至少有一个用户在传输的概率；L表示数据包有效载荷大小；T_wait为用户的等待时间；T_θ为所有RU中都没有传输的用户且用户都处于等待时间；P_wait为用户等待RU来进行数据传输的概率；T_s表示RU上用户传输成功的时隙时间；T_c表示RU上用户传输发生冲突的时隙时间。

本发明的有益效果，

1.通过启动动作判断模块对当前的LTE网络是否过载进行判断，如果并没有过载，则不需要进行卸载动作，避免影响当前的WLAN网络用户体验，也避免产生工作负担，减少不必要的运算，而且如果没有过载，则可以进行一定时间的延时后重新判断是否过载。

2.通过卸载人数判断模块来判断当前需要卸载的人数，以保障WLAN网络的用户体验，避免过多的卸载导致WLAN网络用户体验不佳，出现不公平的情况。在确定好卸载人数之后。

3.通过卸载动作执行模块将需要卸载的人数卸载到WLAN IEEE 802.11ax 中的RU(Resource Unit，资源单元)子载波集中。不同用户可以同一时间在不同的RU上进行数据传输，获得信道传输资源的增益。因此将LTE蜂窝网络上与对应WLAN AP覆盖重叠的用户进行卸载，能够让用户在WLAN的RU上进行数据传输，进而在获得WLAN信号传输资源增益的同时，减小LTE蜂窝网络的负载，提高整体用户的网络质量和用户体验，这种卸载方式效率更高，并且实现的效果更好。相比现有技术中的单信道WLAN来说，具有多RU及其多用户上下行同时传输的效果，借助下一代WLAN的多RU对LTE网络的用户进行卸载。

具体实施方式

一种异构密集网络数据卸载系统，包括LTE网络和WLAN网络，且两者网络具有重叠部分，且构成异构密集网络，包括

启动动作判断模块，用于判断当前LTE网络是否过载，并根据过载状态启动卸载动作；

卸载人数判断模块，用于判断当前LTE网络中应卸载的人数；

卸载动作执行模块，用于执行卸载动作，将LTE网络中对应的人数进行卸载，将卸载的人数引入到WLAN IEEE 802.11ax中的RU子载波集中。

该卸载系统通过将当前LTE网络与WLAN网络重叠覆盖的部分中的用户卸载到WLANIEEE 802.11ax中的RU子载波集中来缓解LTE网络的压力。首先上述系统会通过启动动作判断模块对当前的LTE网络是否过载进行判断，如果并没有过载，则不需要进行卸载动作，避免影响当前的WLAN网络用户体验，也避免产生工作负担，减少不必要的运算，而且如果没有过载，则可以进行一定时间的延时后重新判断是否过载。如果需要进行卸载动作，则首先通过卸载人数判断模块来判断当前需要卸载的人数，以保障WLAN网络的用户体验，避免过多的卸载导致WLAN网络用户体验不佳，出现不公平的情况。在确定好卸载人数之后，通过卸载动作执行模块将需要卸载的人数卸载到WLAN IEEE 802.11ax中的RU(Resource Unit，资源单元)子载波集中。不同用户可以同一时间在不同的RU上进行数据传输，获得信道传输资源的增益。因此将LTE蜂窝网络上与对应WLANAP覆盖重叠的用户进行卸载，能够让用户在WLAN的 RU上进行数据传输，进而在获得WLAN信号传输资源增益的同时，减小LTE 蜂窝网络的负载，提高整体用户的网络质量和用户体验，这种卸载方式效率更高，并且实现的效果更好。相比现有技术中的单信道WLAN来说，具有多RU 及其多用户上下行同时传输的效果，借助下一代WLAN的多RU对LTE网络的用户进行卸载。

作为具体的优选方案中，所述卸载人数判断模块内设置有

人数分析模块，该人数分析模块根据当前WLAN网络冲突概率分析获得 WLAN AP的现有用户数，并分析获得最小误差的冲突概率和传输概率，通过 WLAN AP的现有用户数和卸载人数分析获得最大LTE单用户吞吐率，通过最大LTE单用户吞吐率确定卸载人数。

利用WLAN网络冲突概率能够更快速的分析获得WLAN AP的现有用户数，让分析效率更高，通过获得最小误差的冲突概率和传输概率能够提高分析的准确率，并且通过冲突概率和传输概率运算获得WLAN的每个RU的吞吐率，将 WLAN的每个RU的吞吐率压缩到阈值之后能够将WLAN的RU利用率达到最大，进而最大限度的缓解LTE网络的负荷。进而获得最大的LTE单用户吞吐率，而且也保障了WLAN中的用户体验，能够让公平性得到体现。

为了让公平性具有保障，所述卸载人数判断模块还包括

约束条件设定模块，用于设定保障WLAN平均单用户吞吐率的阈值和设定 WLAN平均单用户吞吐率大于WLAN平均单用户吞吐率的阈值的约束条件。

通过设定约束条件，能够保障WLAN平均单用户吞吐率的最低阈值，进而让WLAN用户的体验得到保障，避免WLAN也处于高负荷的情况下继续将LTE 用户卸载到WLAN网络中，导致WLAN网络用户体验下降，进而出现不公平。而且约束条件能够辅助排除不必要的运算，也能够提前判断是否需要进行卸载，如果WLAN的单个RU吞吐率已经达处于超载，那么就不需要再进行卸载，也就不需要剩下的运算，能够减少运算负担。

具体的运算过程如下，所述人数分析模块获取约束条件设定模块的约束条件，并对当前分析卸载人数进行传输概率和冲突概率分析，通过下降法获得误差最小的传输概率和冲突概率，并根据该最小误差的传输概率和冲突概率分析当前的卸载人数对应的WLAN中单个RU的吞吐率；并且遍历所有符合约束条件的卸载人数，比对所有卸载人数下的LTE单用户吞吐率获得最大LTE单用户吞吐率对应的卸载人数。

遍历所有符合约束条件的卸载人数，在遍历每一个卸载人数时，利用下降法能够获取最小误差的传输概率和冲突概率，然后通过这两个参数进行分析，获得当前卸载人数对应的WLAN中单个RU的吞吐率，遍历所有卸载人数参数之后，就能过获得所有符合能够保障WLAN用户体验的卸载人数对应的单个RU 的吞吐率，同时分析当前的卸载人数对应的LTE单用户吞吐率，在获得最大的 LTE单用户吞吐率时，对应的卸载人数即可大幅度的减小LTE网络的压力，同时确保吞吐率达到最大。通过上述方案中，LTE网络的吞吐率达到最大，并且能够让WLAN的吞吐率限定在最低吞吐率以上，在让LTE网络的吞吐率达到最大的同时，充分利用WLAN的多通道进而实现总和的最大吞吐率。

当然，也可以采用另一种方式获得卸载人数，即将WLAN可接受的最大卸载人数进行运算，直接获得LTE最大的可卸载人数，但是这种运算方式获得的可卸载人数不一定能够让LTE的吞吐率与WLAN的吞吐率总和达到最大，但是能够减少运算过程，根据实际需求，也是一种实施方式。

具体的来说，所述人数分析模块中根据误差最小的传输概率和冲突概率分析WLAN中单个RU的吞吐率通过

分析获得，其中P_s为RU上用户成功传输的概率；P_tr为RU上至少有一个用户在传输的概率；L表示数据包有效载荷大小；T_wait为用户的等待时间；T_θ为所有RU中都没有传输的用户且用户都处于等待时间；P_wait为用户等待RU来进行数据传输的概率；T_s表示RU上用户传输成功的时隙时间；T_c表示RU上用户传输发生冲突的时隙时间。

上述的系统中各个模块能够通过软件模块进行实施，也可以是将各个软件模块集成在不同的硬件中进行互通实施，本领域技术人员根据上述的方案能够进行选择实施，本方案记载的仅为针对现有技术进行改进的内容。

针对上述方案，以下还做出补充说明：

本方案考虑的是用户密集情境下由LTE网络和有基础设施的IEEE 802.1lax 下一代高效WLAN组成的异构网络系统。该异构网络中，同一用户的语音业务和数据业务在网络体系中分开处理，即将LTE基站的用户卸载到WLAN网络上进行数据传输时，数据卸载方案也同时能保证用户的性能。系统中的LTE网络存在一个基站，WLAN中由一个AP与多个站点组成，两者相互覆盖且存在一个集中控制器。该集中控制器具有两个网络的总体视图并协调网络完成用户卸载策略。在大时间尺度内，该集中控制器包含两个网络的用户数、信道状态等网络信息。当LTE蜂窝网络数据流量过载时，可将LTE部分蜂窝用户卸载到 WLAN网络。未知新用户加入WLAN进行数据传输时，系统可在大时间尺度内获得异构网络的用户信息并完成相应的卸载操作。

在LTE网络中，考虑基站中每个用户的平均吞吐率，在所有用户和信道的随机性之间求其平均值。将基站的部分用户通过数据卸载方法转移到WLAN网络中，数据卸载是在大时间尺度内完成的，因此，LTE网络模型不需要考虑用户的多样性，例如用户的位置、用户的QoS和随机衰落信道等因素。

在LTE网络中，协议规定LTE系统的带宽被分成多个相互正交的子载波，用户的数据在各个子载波上并行传输且相互之间没有干扰。LTE网络信道容量是指信道能够传输的最大平均信息速率。具体来说，LTE网络在一定信道带宽和信噪比下，通过编解码方式可以实现无差错的传输，从而达到最大吞吐率的上界。假设基站和蜂窝用户之间的信道增益为G，基站与用户间的发射功率为P，噪声功率为σ²。则对于LTE蜂窝基站许可频段上的SNR(Signal Noise Ratio，信噪比)可表示为：

根据香侬公式，可以得到LTE网络实际总吞吐率为：

C＝B_Llog₂(1+γ)

其中，B_L是LTE蜂窝网络的带宽。

基于OFDMA的物理层技术，IEEE 802.11ax草案提出了基于OFDMA的上行随机接入机制。该信道接入机制依旧遵循带有冲突避免的载波侦听多路访问的二进制指数退避机制。当有用户传输失败时，用户会进行二进制退避过程。在用户完成退避过程后，会随机选择特定RU进行信道接入。例如，在一个完整的触发间隔中，考虑触发帧携带了7个可供随机接入的RU。当用户接收到触发帧后，为了避免冲突，在发送数据前，用户采用OFDMA随机接入退避机制来竞争信道资源。在退避过程中，每个用户从OCW(OFDMA Contention Window，OFDMA的竞争窗口)中随机选择一个数值进行退避，退避计数器为0后开始传输数据。有5个用户完成了退避过程，开始进入随机接入RU的过程。当用户发送完数据，收到确认帧，接着进入下一个触发间隔阶段。

假设WLAN网络在饱和状态下工作，即每个用户始终有要发送的数据包。 WLAN网络中N_user个用户的饱和吞吐率表示用户在稳定条件下可以承受的最大负载，可以使用离散时间马尔科夫链模型进行分析。

对于给定的用户j，j∈N_user，最小的OCW为OCW_min＝W，第s次传输 OCW的大小为W_s＝2^s·W，最大的OCW为OCW_max＝2^h·W，其中h表示最大退避等级，s∈[0，h-1]表示用户的退避次数。信道中固定的RU数量用N_RU来表示，用户j在每个触发间隔时间内发送数据的传输概率为：

结合计算吞吐率公式，得到用户的传输概率τ是未可知的，取决于RU上用户发生冲突的概率p。在网络模型中提出将LTE网络中的X个用户卸载到WLAN 网络中，则WLAN用户在原有用户的基础上变成了(N_user+X)个。在给定 (N_user+X)个用户与WLAN网络相连接的情况下，用户在RU上发生冲突的概率为：

令P_tr为RU上至少有一个用户在传输的概率，P_s为RU上用户成功传输的概率，分别表示为：

在OFDMA随机接入过程中，RU中没有用户传输的时间可以分为二种类型。第一种是所有RU中都没有传输的用户且用户都处于等待时间T_θ，第二种是RU 中有正在传输的用户且RU信道处于繁忙状态，则用户的等待时间为T_wait。

因此，用户等待RU来进行数据传输的概率为：

WLAN系统中每个RU的吞吐率为：

其中L表示数据包有效载荷大小，T_s表示RU上用户传输成功的时隙时间，T_c表示RU上用户传输发生冲突的时隙时间，表示为：

式中，H＝PHY_hdr+MAC_hdr是数据包头部的长度，T_TF是触发帧的持续时间，θ是传播时延，T_SIFS和T_ACK是IEEE 802.11ax标准中给出的相应参数值。r 表示ax网络的信道传输速率，假设r在以上公式中为常数且数值为11.8Mbps，这是因为信道传输速率是WLAN系统中的一个参数，不会随着用户分布、网络负载和信道状态信息而出现瞬时变化。

推出IEEE 802.11ax WLAN网络的饱和系统总吞吐率为：

S＝N_RU·S_RU

为解优化问题，算法1给出了查找最优卸载用户数X的过程，输入各项参数，输出X则表示异构网络中最优的卸载用户数。

其中，语句1至12是求解最优的卸载用户数X的过程，语句13至36是遍历X来解出符合吞吐率公式和约束条件的值。语句1设置最大LTE单用户吞吐率，调用Is_Statisfy函数来求解最大的LTE单用户吞吐率。当语句5中算出的吞吐率大于T_{_max}时，执行语句7得出最大LTE单用户吞吐率，则退出循环，并返回对应的X值，记为最优的卸载用户数。

算法中的函数Is_Statisfy用于遍历所有满足约束条件的X值。由于语句18 和19中的传输概率τ和冲突概率p两者交叉相关，通过下降法，语句17至25逐步搜索出满足误差最小条件的冲突概率p_opt和传输概率τ_opt。语句26至30 求解出IEEE 802.11ax网络中单个RU的吞吐率。根据语句31的约束条件，查找符合约束条件的卸载用户数X，直至算法结束。

LTE基站将X个蜂窝用户卸载到WLAN网络来蜂窝网络的频谱压力。对于 WLAN网络来说，AP中用户数太多会引发用户冲突概率增大的问题，从而导致 WLAN网络信道的利用率降低，传输时隙中会出现空闲RU。根据文献可知，IEEE 802.11ax网络尽量利用空闲RU以尽可能地提高IEEE 802.11ax WLAN用户总吞吐率。最终得出了传输概率τ＝N_RU/(N_user+X)时，IEEE 802.11ax可达到最高的RU信道接入率，实现网络用户总吞吐率最大化，此时结果为WLAN网络吞吐率的上界。当LTE网络卸载X个蜂窝用户到WLANAP上，WLAN网络若能充分利用信道中的RU来分配用户，提高用户的传输概率，从而实现更高的吞吐率。若WLAN网络得到更高的吞吐率，意味着WLAN网络可以容纳更多的卸载用户，则LTE基站将更多的蜂窝用户卸载给WLAN AP来缓解LTE网络数据激增的压力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种异构密集网络数据卸载系统，包括LTE网络和WLAN网络，且两者网络具有重叠部分，且构成异构密集网络，其特征在于，包括

启动动作判断模块，用于判断当前LTE网络是否过载，并根据过载状态启动卸载动作；

卸载人数判断模块，用于判断当前LTE网络中应卸载的人数；

卸载动作执行模块，用于执行卸载动作，将LTE网络中对应的人数进行卸载，将卸载的人数引入到WLAN IEEE 802.11ax中的RU子载波集中。

2.根据权利要求1所述的异构密集网络数据卸载系统，其特征在于，所述卸载人数判断模块内设置有

人数分析模块，该人数分析模块根据当前WLAN网络冲突概率分析获得WLAN AP的现有用户数，并分析获得最小误差的冲突概率和传输概率，通过WLAN AP的现有用户数和卸载人数分析获得最大LTE单用户吞吐率，通过最大LTE单用户吞吐率确定卸载人数。

3.根据权利要求2所述的异构密集网络数据卸载系统，其特征在于，所述卸载人数判断模块还包括

约束条件设定模块，用于设定保障WLAN平均单用户吞吐率的阈值和设定WLAN平均单用户吞吐率大于WLAN平均单用户吞吐率的阈值的约束条件。

4.根据权利要求3所述的异构密集网络数据卸载系统，其特征在于，所述人数分析模块获取约束条件设定模块的约束条件，并对当前分析卸载人数进行传输概率和冲突概率分析，通过下降法获得误差最小的传输概率和冲突概率，并根据该最小误差的传输概率和冲突概率分析当前的卸载人数对应的WLAN中单个RU的吞吐率；并且遍历所有符合约束条件的卸载人数，比对所有卸载人数下的LTE单用户吞吐率获得最大LTE单用户吞吐率对应的卸载人数。

5.根据权利要求4所述的异构密集网络数据卸载系统，其特征在于，所述人数分析模块中根据误差最小的传输概率和冲突概率分析WLAN中单个RU的吞吐率通过

分析获得，其中P_s为RU上用户成功传输的概率；P_tr为RU上至少有一个用户在传输的概率；L表示数据包有效载荷大小；T_wait为用户的等待时间；T_θ为所有RU中都没有传输的用户且用户都处于等待时间；P_wait为用户等待RU来进行数据传输的概率；T_s表示RU上用户传输成功的时隙时间；T_c表示RU上用户传输发生冲突的时隙时间。