CN113993166A - 一种面向异构d2d网络的小基站抖动避免负载均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向异构D2D网络的小基站抖动避免负载均衡方法。首先，在考虑所有小基站负载均衡的情况下，将用户设备分配给能够不改变当前网络中所有基站负载均衡状态且自身处于其覆盖范围内的基站；其次，当用户设备分配基站的结果发生抖动的时候，不再采用原有方式任其抖动然后分配，改为综合前几次的分配结果作为本轮分配结果的参考。本发明在物理层面用户设备分配所属基站的过程中，考虑到之前的分配结果以及小基站的负载均衡问题，能够在分配过程中使得小基站负载均衡并减少分配过程中抖动的产生，能够有效的保证基站负载均衡，同时能够释放多余带宽，从而大幅度提高网络的通信和传输效率。

Description

一种面向异构D2D网络的小基站抖动避免负载均衡方法

技术领域

本发明属于无线D2D通信技术领域，涉及一种面向异构D2D网络的小基站抖动避免负载均衡方法。

背景技术

异构网络(Heterogeneous Network)是一种类型的网络，其是由不同制造商生产的计算机，网络设备和系统组成的，大部分情况下运行在不同的协议上支持不同的功能或应用。关于异构网络的研究最早追溯到1995的美国加州大学伯克利分校发起的BARWAN(BayArea Research Wireless Access Network)项目，该项目负责人R.H.Katz在文献中首次将相互重叠的不同类型网络融合起来以构成异构网络，从而满足未来终端的业务多样性需求。为了可以同时接入到多个网络，移动终端应当具备可以接入多个网络的接口，这种移动终端被称为多模终端。由于多模终端可以接入到多个网络中，因此肯定会涉及到不同网络之间的切换，与同构网络(Homogeneous Wireless Networks)中的水平切换(HorizontalHandoff，HHO)不同，这里称不同通信系统之间的切换为垂直切换(Vertical Handoff，VHO)。在此后的十几年中，异构网络在无线通信领域引起了普遍的关注，也成为下一代无线网络的发展方向。很多组织和研究机构都对异构网络进行了深入广泛的研究，如3GPP、MIH、ETSI、Lucent实验室、Ericsson研究所、美国的Georgia理工大学和芬兰的Oulu大学等。

D2D通信(Device to Device，设备到设备)是一种在系统的控制下，允许终端之间通过复用小区资源直接进行通信的新型技术，在一定程度上解决无线通信系统频谱资源匮乏的问题。D2D技术可以应用于移动蜂窝网络，以提高资源利用率和网络容量。每一个D2D通信链路占用的资源与一个蜂窝通信链路占用的相等。D2D通信对所有用户是公平、明确的。用户向基站提出D2D通信的请求，基站接收到请求后将用户的通信方式切换到D2D连接模式。设计D2D通信时不能只局限于一种服务，应当支持多种服务，另外，当没有采用D2D通信时，不能给系统带来额外的信令开销。D2D可应用于多种本地通信业务，近距离或同一房间内的通信，当然也可以通过系统小区基站来提供视频服务，但是通过D2D方式可以减少小区基站负载，在进行D2D通信的同时，系统可以提供话音和因特网数据业务。

发明内容

本发明的目的是解决将用户设备分配给对应小基站管辖的时候出现的小基站负载不均衡的问题和抖动的产生导致的用户设备频繁切换所属基站的优化改进，在达到小基站负载均衡的同时减少抖动情况的产生，释放多余带宽，提高网络的通信和传输效率。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种面向异构D2D网络的小基站抖动避免负载均衡方法，包括步骤：

步骤一：用集合U＝{u₁，u₂，...，u_n}表示待分配的移动用户节点集合，u_n表示第n个移动用户节点，用集合C＝{c₁，c₂，...，c_m}表示基站集合，c_m表示第m个基站，n为移动用户节点总数，m为基站总数，并定义第k轮的移动用户和基站的分配中所有用户节点移动一次并被分配给相应基站，得到用户节点u_i的第k轮分配结果

用

表示第i个移动用户节点u_i在第k-1轮和第k-2轮分配的基站结果；

步骤二：通过计算每个移动用户节点和各个基站之间的距离，得到每个移动用户节点能够连接的基站集合，进而得到每个移动用户节点对应待选的可分配基站以及每个基站覆盖范围内的所有移动用户节点；

步骤三：建立以每个移动用户节点为根的广度优先搜索树。具体如下：首先将某个移动用户节点对应待选的基站集合插入到以该移动用户节点为根的树中，以移动用户节点为根的广度优先搜索树是逐层构建的，待分配的移动用户节点在第一层，并且在第二层中为待分配的移动用户节点选择分配的基站，待基站已经分配了移动用户节点，则将树扩展到第三层，将已有下属移动用户节点的基站当下所有的移动用户节点插入到树的第三层，依此进行广度优先搜索树的构建。

步骤四：建立一个队列Q用于维护广度优先搜索树中出现的移动用户节点和基站列表，具体为，首先将待分配的移动用户节点，从队尾插入到队列Q中。接下来，将队列Q的队头的移动用户节点u_i出队，并将u_i能够分配到的基站全部插入队列Q，然后再从队头出队，将已经分配给出队基站v的所有移动用户节点均入队；如果出队元素是移动用户节点，则将该移动用户节点所有能够连接且未入过队的所有基站插入队列Q；这个过程将一直进行到以下两个条件之一为止：(i)找到一个负载为0的基站；(ii)集合Q为空；

步骤五：对于分配完成后的结果，再次进行检查和调整：让移动用户节点u_i所分配的基站

与上一轮分配的基站

比较，如果相等，则抖动未发生，不需要进行调整；否则，比较分配的基站

与

是否一致，若不一致，则是根据节点移动情况而出现的基站变更的现象；若一致，则是抖动情况的产生，需要进行调整，在负载均衡允许的范围内，将上一轮的分配结果，更改为本轮的分配结果，减少抖动情况的产生。

进一步地，步骤三中，为待分配的移动用户节点选择分配的基站具体过程为：选择时会在保证负载均衡的情况下优先选择上一轮分配的基站；若是不存在上一轮分配的基站则在基站集合中找到尚未被分配移动用户节点的基站，并将待分配的移动用户节点直接分配给该基站。

进一步地，移动用户节点选择分配的基站时首先进行预分配，统计待选基站只有一个的移动用户节点的数目，先将该部分的移动用户节点分配给对应待选基站，重复操作完成预分配的过程。

进一步地，步骤三中，在最终得到的广度优先搜索树中，移动用户节点层和基站层会在广度优先搜索树的层次中交替出现，移动用户节点层和基站层分别占据树中的奇数层和偶数层。

进一步地，当以移动用户节点u_i为根的广度优先搜索树建立完成后，继续对先前尚未分配基站的用户节点进行分配，具体过程如下：假定移动用户节点u_j尚未分配基站，则在u_j所有能够连接的基站集合C_j中，首先查询是否存在上一轮分配的基站，如果有，则在保证负载均衡的情况下，优先考虑将u_j分配给上轮分配的基站，否则，则在集合中选择任一负载小于阈值的基站进行分配，所述阈值根据实际基站负载能力设定；重复上述操作，最终所有的移动用户节点均会分配到对应的基站中。

本发明的有益效果：

(1)防止用户设备分配结果出现抖动并使得小基站达到负载均衡；

(2)在分配过程中综合考虑之前的分配结果和均衡性的要求，释放多余带宽，从而大幅度提高网络的通信和传输效率。

附图说明

图1 k＝-2时分配结果示意图；

图2 k＝-1时分配结果示意图；

图3 k＝0时初始连接状态示意图；

图4预分配的分配结果连接图；

图5 k＝0分配结果连接图；

图6为本发明方法流程图；

图7为本发明方法执行前后对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

本发明公开了一种面向异构D2D网络的小基站抖动避免负载均衡方法。首先，在物理层用户设备在分配给小基站的时候，不再采用通常情况下将用户设备分配给距离其最近的小基站管辖的做法，改为在考虑所有小基站负载均衡的情况下，将用户设备分配给能够不改变当前网络中所有小基站负载均衡状态且自身处于其覆盖范围内的小基站；其次，当用户设备分配基站的结果发生抖动的时候，不再采用原有方式任其抖动然后分配，改为综合前几次的分配结果作为本轮分配结果的参考。

如果用i表示用户节点，定义用户节点被分配给网关j表示为A(i)＝j，定义目标函数的最大值为l_max，即均衡流量的防抖动的负载均衡负载子网划分问题的最优解决方案是找到一种分配方案，该方案能够满足当抖动发生时，目标函数的结果l_max能够取得最大值。在本发明中，提出了一种小基站抖动避免负载均衡方法，如图6所示，具体过程如下：

用集合U＝{u₁，u₂，...，u_n}表示待分配的移动用户节点集合，用集合C＝{c₁，c₂，...，c_m}表示基站集合，分别用

表示用户节点u_i在第k-1轮和第k-2轮分配的基站结果。从用户节点u₁开始，本发明方法将用户节点u₁分配给基站的过程展示为一个以u₁为根的广度优先搜索树的形成过程。接下来通过计算用户节点u1和基站间的距离，可以得到用户节点u₁能够连接的基站集合记为C₁，即用户节点u₁处于C₁中基站的覆盖范围内，接下来将集合C₁插入到以u₁为根的树中，因为u₁是一个分配的用户节点，此时C₁中所有的基站均为零负载，首先比较C₁中是否存在基站

若是有，则优先将用户节点u₁分配给基站

否则，将用户节点u₁分配给C₁中任意一个基站，u₁分配后，会继续构建以u₂为根的广度搜索树，依次类推。通常情况下，以u_i为根的广度优先搜索树是逐层构建的，待分配的用户节点u_i在第一层，并且可以在第二层中为自己选择分配的基站，选择时会在保证负载均衡的情况下优先选择上一轮分配的基站。接下来，在扫描第二层基站集，即集合C₁中的待分配的基站时，优先考虑集合C₁中存在的上一轮待分配的基站，若是不存在上一轮分配的基站就在基站中找到尚未被分配基站的用户节点，并将该用户节点直接分配给该基站；若是基站已经有分配了基站，则将树扩展到第三层，将已经分配给该基站的所有用户节点插入到树的第三层。基于此可以看出，在最终得到的这个广度优先搜索树中，用户节点层和基站层会在树的层次中交替出现，用户节点层和基站层分别占据树中的奇数层和偶数层，基于上述过程构建完成广度优先搜索树。

在广度优先搜索树的建立结束后，选择建立了一个队列Q用于维护广度优先搜索树中出现的用户节点和基站列表，具体来说，首先我将用户节点u_i入队，从队尾插入到队列Q中。接下来，将队列Q的队头元素，也就是u_i出队，并将u_i可以分配到的基站全部插入队列Q，然后再从队头出队，将已经分配给出队元素基站v的所有用户节点均入队；如果扫描到的出队元素是用户节点，则将该用户节点所有能够连接且未入过队的所有基站插入队列Q。这个过程将一直进行到以下两个条件之一为止：(i)找到一个负载为0的基站；(ii)集合Q为空。当以用户节点u_i为根的广度优先搜索树建立完成后，下一步就是对先前尚未分配基站的用户节点进行分配，过程如下：假定用户节点u_j尚未分配基站，则在u_j所有能够连接的基站集合C_j中，首先查询是否存在上一轮分配的基站，如果有，则在保证负载均衡的情况下，优先考虑将u_j分配给上轮分配的基站，否则，则在集合中根据基站负载能力选择任一负载较小的基站进行分配。依次类推，最终所有的用户节点都会分配到对应的基站中。

如图7所示，对于分配完成后的结果，还需要再次进行检查和调整。虽然之前分配过程中就已经在尽可能的通过将用户节点分配给之前分配过的基站，但是由于负载均衡的分配的过程，为了避免可能会出现的抖动情况，还需要对结果进行进一步的检查。首先让用户节点u_i所分配的基站

与上一轮分配的基站

比较，如果相等，则抖动未发生，不需要进行调整；否则，比较分配的基站

与

是否一致，若不一致，则是根据节点移动情况而出现的基站变更的现象；若一致，则是抖动情况的产生，需要进行调整。调整时，首先考虑基站

的负载情况，在负载均衡允许的范围内，可以进行调整，使待

即调整上一轮的分配结果，更改为本轮的分配结果，减少抖动情况的产生。

本发明一个具体实施例如下：

在D2D网络的实验场景下，建立基站为c₁、c₂、c₃，用户节点为u₁、u₂、u₃、u₄，令时间轮次为k，则当k＝-2时，用户节点与基站的分配结果如图1所示；当k＝-1时，用户节点与基站的分配结果如图2所示；当k＝0时，表示当前轮次，用户节点与基站的连接初始情况如图3所示。

开始分配过程：

(1)先为基站预分配直连用户设备，即首先将只连接了一个基站的用户设备分配给对应的基站，根据k＝0初始分布图可以知道u₄分配给c₃，表示为u₄→c₃，虽然在k＝-2时，u₄连接的是c₃，在k＝-1时，u₄连接的是c₁，但由于u₄只能连接基站c₃，则可以得到预分配的结果图，如图4所示。

(2)对于其他连接了多个基站的用户设备来说，从u₁开始进行分配，过程如下：

对于用户节点u₁，k＝-2时连接的是c₁，k＝-1时连接的是c₃。

队列：u₁c₁c₂c₃，

出队：u₁ c₁c₂c₃，

因为出现了抖动，所以u₁→c₁，并修改k＝-1轮的结果，也将u₁→c₁。

对于用户节点u₂，k＝-2时连接的是c₁，k＝-1时连接的是c₃。

队列：u₂c₁c₃

因为不是抖动的关系，所以u₂→c₂。

对于用户节点u₃，k＝-2时连接的是c₂，k＝-1时连接的是c₂。

队列：u₃c₁c₂

因为Q此时为空而节点尚未被分配，所以考虑u₃所连接的基站中负载较小以及上一轮节点被分配在哪个基站管辖，则最终u₃→c₂。

(3)当k＝0时，用户节点与基站的分配结果如图5所示。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护。

Claims (5)

1.一种面向异构D2D网络的小基站抖动避免负载均衡方法，其特征在于：包括步骤：

步骤一：用集合U＝{u₁，u₂，...，u_n}表示待分配的移动用户节点集合，u_n表示第n个移动用户节点，用集合C＝{c₁，c₂，...，c_m}表示基站集合，c_m表示第m个基站，n为移动用户节点总数，m为基站总数，并定义第k轮的移动用户和基站的分配中所有用户节点移动一次并被分配给相应基站，得到用户节点u_i的第k轮分配结果

用

表示第i个移动用户节点u_i在第k-1轮和第k-2轮分配的基站结果；

步骤二：通过计算每个移动用户节点和各个基站之间的距离，得到每个移动用户节点能够连接的基站集合，进而得到每个移动用户节点对应待选的可分配基站以及每个基站覆盖范围内的所有移动用户节点；

步骤三：建立以每个移动用户节点为根的广度优先搜索树。具体如下：首先将某个移动用户节点对应待选的基站集合插入到以该移动用户节点为根的树中，以移动用户节点为根的广度优先搜索树是逐层构建的，待分配的移动用户节点在第一层，并且在第二层中为待分配的移动用户节点选择分配的基站，待基站已经分配了移动用户节点，则将树扩展到第三层，将已有下属移动用户节点的基站当下所有的移动用户节点插入到树的第三层，依此进行广度优先搜索树的构建。

步骤四：建立一个队列Q用于维护广度优先搜索树中出现的移动用户节点和基站列表，具体为，首先将待分配的移动用户节点，从队尾插入到队列Q中。接下来，将队列Q的队头的移动用户节点u_i出队，并将u_i能够分配到的基站全部插入队列Q，然后再从队头出队，将已经分配给出队基站v的所有移动用户节点均入队；如果出队元素是移动用户节点，则将该移动用户节点所有能够连接且未入过队的所有基站插入队列Q；这个过程将一直进行到以下两个条件之一为止：(i)找到一个负载为0的基站；(ii)集合Q为空；

步骤五：对于分配完成后的结果，再次进行检查和调整：让移动用户节点u_i所分配的基站

与上一轮分配的基站

比较，如果相等，则抖动未发生，不需要进行调整；否则，比较分配的基站

与

是否一致，若不一致，则是根据节点移动情况而出现的基站变更的现象；若一致，则是抖动情况的产生，需要进行调整，在负载均衡允许的范围内，将上一轮的分配结果，更改为本轮的分配结果，减少抖动情况的产生。

2.根据权利要求1所述的一种面向异构D2D网络的小基站抖动避免负载均衡方法，其特征在于：步骤三中，为待分配的移动用户节点选择分配的基站具体过程为：选择时会在保证负载均衡的情况下优先选择上一轮分配的基站；若是不存在上一轮分配的基站则在基站集合中找到尚未被分配移动用户节点的基站，并将待分配的移动用户节点直接分配给该基站。

3.根据权利要求2所述的一种面向异构D2D网络的小基站抖动避免负载均衡方法，其特征在于：移动用户节点选择分配的基站时首先进行预分配，统计待选基站只有一个的移动用户节点的数目，先将该部分的移动用户节点分配给对应待选基站，重复操作完成预分配的过程。

4.根据权利要求1所述的一种面向异构D2D网络的小基站抖动避免负载均衡方法，其特征在于：步骤三中，在最终得到的广度优先搜索树中，移动用户节点层和基站层会在广度优先搜索树的层次中交替出现，移动用户节点层和基站层分别占据树中的奇数层和偶数层。

5.根据权利要求1所述的一种面向异构D2D网络的小基站抖动避免负载均衡方法，其特征在于：当以移动用户节点u_i为根的广度优先搜索树建立完成后，继续对先前尚未分配基站的用户节点进行分配，具体过程如下：假定移动用户节点u_j尚未分配基站，则在u_j所有能够连接的基站集合C_j中，首先查询是否存在上一轮分配的基站，如果有，则在保证负载均衡的情况下，优先考虑将u_j分配给上轮分配的基站，否则，则在集合中选择任一负载小于阈值的基站进行分配，所述阈值根据实际基站负载能力设定；重复上述操作，最终所有的移动用户节点均会分配到对应的基站中。

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