CN113873576A

CN113873576A - 下一代wlan和lte异构密集网络数据卸载方法

Info

Publication number: CN113873576A
Application number: CN202110964635.3A
Authority: CN
Inventors: 陈清华; 张闽; 李林锦; 李和萍
Original assignee: Wenzhou Polytechnic
Current assignee: Wenzhou Polytechnic
Priority date: 2021-08-20
Filing date: 2021-08-20
Publication date: 2021-12-31

Abstract

本发明公开了下一代WLAN和LTE异构密集网络数据卸载方法，该方法基于IEEE 802.11ax标准提供的RU子载波集，将LTE网络中的蜂窝用户卸载到覆盖范围重叠的WLAN的RU子载波集中，其步骤如下：S1.判断LTE蜂窝网络数据流量是否过载；是则进入下一步，否则返回后重新判断；S2.通过WLAN网络冲突概率获得WLAN AP的现有用户数，并分析获得最佳LTE蜂窝网络卸载人数；S3.执行卸载动作，将LTE网络中的蜂窝用户卸载到WLAN的RU中，且保持WLAN平均单用户吞吐率大于WLAN平均单用户吞吐率的阈值。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

下一代WLAN和LTE异构密集网络数据卸载方法

技术领域

本发明涉及网络通信技术领域，具体为下一代WLAN和LTE异构密集网络数据卸载方法。

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基于下一代WLAN和 LTE异构密集网络数据卸载方法，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：下一代WLAN和LTE异构密集网络数据卸载方法，该方法基于IEEE 802.11ax标准提供的RU子载波集，将LTE网络中的蜂窝用户卸载到覆盖范围重叠的WLAN的RU子载波集中，其步骤如下：

S1.判断LTE蜂窝网络数据流量是否过载；是则进入下一步，否则返回后重新判断；

S2.通过WLAN网络冲突概率获得WLAN AP的现有用户数，并分析获得最佳LTE蜂窝网络卸载人数；

S3.执行卸载动作，将LTE网络中的蜂窝用户卸载到WLAN的RU中，且保持WLAN平均单用户吞吐率大于WLAN平均单用户吞吐率的阈值。

作为本发明的进一步改进，该方法包括位于S2与S3之间的步骤

S2.1分析卸载人数，该卸载人数满足WLAN平均单用户吞吐率大于WLAN 平均单用户吞吐率的阈值。

作为本发明的进一步改进，分析卸载人数的步骤如下：

S2.1.1设置WLAN平均单用户吞吐率的阈值，设置约束X≤M的X数值，其中X为卸载用户数，M为与LTE网络关联的用户数，设置约束条件

S_average≥S_threshold，其中S_average为WLAN平均单用户吞吐率，S_threshold为WLAN平均单用户吞吐率的阈值；

S2.1.2获得当前X数值，并对当前X数值对应的传输概率和冲突概率进行分析通过下降法获得误差最小的冲突概率和传输概率；

S2.1.3根据误差最小的冲突概率和传输概率分析当前X数值对应的WLAN 中单个RU吞吐率；

S2.1.4遍历所有符合约束条件的X数值，并获取符合约束条件的最大LTE 单用户吞吐率时对应的X数值。

本发明的有益效果，

1.通过设定WLAN平均单用户吞吐率的阈值，能够为WLAN用户提供保障，避免WLAN用户的体验受到严重影响。

2.利用下一代IEEE 802.11ax自带的成为RU(Resource Unit，资源单元)的子载波集，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。

具体实施方式

下一代WLAN和LTE异构密集网络数据卸载方法，该方法基于IEEE 802.11ax标准提供的RU子载波集，将LTE网络中的蜂窝用户卸载到覆盖范围重叠的WLAN的RU子载波集中，其步骤如下：

首先判断LTE蜂窝网络数据流量是否过载，如果没有过载，则不需要进行卸载，避免增加数据处理负担和非必要操作。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。

利用WLAN网络冲突概率能够更快速的获得WLAN AP站点的当前用户数量，为分析做好数据准备，在此之后通过分析最佳的LTE蜂窝网络卸载人数，然后将这些人数卸载到与该LTE蜂窝网络相重叠的WLAN AP中，进而减小LTE 蜂窝网络的负载，增加每个用户的网络质量和体验，同时利用下一代IEEE 802.11ax自带的称为RU(Resource Unit，资源单元)的子载波集，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。

其中约束条件能够通过WLAN的平均单用户吞吐率进行限制，确保LTE和WLAN之间的公平性，避免将LTE网络中的负载全都加载WLAN中，通过对 WLAN中平均单用户吞吐率进行阈值设置，使其能保障保WLAN中的用户体验。

为了能够提高上述方案的卸载效果，能够让两者的吞吐率达到最大，因此还需要对卸载人数进行分析，通过增加步骤S2.1分析卸载人数，该卸载人数满足WLAN平均单用户吞吐率大于WLAN平均单用户吞吐率的阈值。

具体的分析步骤如下：

S2.1.1设置WLAN平均单用户吞吐率的阈值，设置约束X≤M的X数值，其中X为基站能卸载到AP的用户数，M为与LTE网络关联的用户数，设置约束条件

上述步骤中，首先设定约束，能够保障WLAN中的用户，避免卸载之后对 WLAN中的用户造成影响，确保卸载动作的公平性，但是上述方法在确保公平性的同时能够获得最大的吞吐率。具体的约束中，首先显然，M要大于等于X，为此，避免程序运算错误，首先将该方案进行限定约束，避免出现没有意义的运算，另外约束的WLAN平均单用户吞吐率大于等于WLAN平均单用户吞吐率的阈值，通过对阈值进行限定，能够提供WLAN平均单用户吞吐率的保障。该阈值可由LTE和WLAN网络进行谈判或者取决于WLAN网络系统此时的性能指标，也可以按照该WLAN覆盖区域的人流量进行设定。

依据当前X的数值进行分析，首先通过下降法分析当前X的数值对应的传输概率和冲突概率，获得误差最小的冲突概率和传输概率，然后分析获得当前X 数值对应的WLAN中的单个RU吞吐率，进而获得当前如果卸载X个人数进入到WLAN中之后每个RU的吞吐率，通过对X进行遍历，能够获得每个X对应的RU的吞吐率，然后与设定的阈值进行比对，直到得出最大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。

利用上述方案能够充分利用WLAN中的空闲RU，尽可能的利用空闲RU 以尽可能的提高IEEE 802.11ax WLAN用户总吞吐率。进而最大限度的利用 WLAN的空闲RU来降低LTE网络数据激增的压力。

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 802.11ax 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，

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

1.下一代WLAN和LTE异构密集网络数据卸载方法，其特征在于，该方法基于IEEE802.11ax标准提供的RU子载波集，将LTE网络中的蜂窝用户卸载到覆盖范围重叠的WLAN的RU子载波集中，其步骤如下：

2.根据权利要求1所述的下一代WLAN和LTE异构密集网络数据卸载方法，其特征在于，该方法包括位于S2与S3之间的步骤

S2.1分析卸载人数，该卸载人数满足WLAN平均单用户吞吐率大于WLAN平均单用户吞吐率的阈值。

3.根据权利要求2所述的下一代WLAN和LTE异构密集网络数据卸载方法，其特征在于，分析卸载人数的步骤如下：

S2.1.1设置WLAN平均单用户吞吐率的阈值，设置约束X≤M的X数值，其中X为卸载用户数，M为与LTE网络关联的用户数，设置约束条件S_average≥S_threshold，其中S_average为WLAN平均单用户吞吐率，S_threshold为WLAN平均单用户吞吐率的阈值；

S2.1.3根据误差最小的冲突概率和传输概率分析当前X数值对应的WLAN中单个RU吞吐率；

S2.1.4遍历所有符合约束条件的X数值，并获取符合约束条件的最大LTE单用户吞吐率时对应的X数值。