專利名稱：基于網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合效用優(yōu)化及負(fù)載均衡的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)線通信領(lǐng)域，特別是異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的垂直切換技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著移動(dòng)通信和寬帶無(wú)線接入技術(shù)的發(fā)展及人類對(duì)信息通信需求的增加，更高傳輸速率、更大系統(tǒng)容量、更廣業(yè)務(wù)覆蓋已經(jīng)成為未來移動(dòng)通信發(fā)展的主流趨勢(shì)和演進(jìn)目標(biāo)。為了適應(yīng)不同用戶需求，下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將支持多種無(wú)線接入技術(shù)融合共存，具有多模接口的用戶設(shè)備可在不同接入技術(shù)之間無(wú)縫切換，以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)連續(xù)性及最佳業(yè)務(wù)體驗(yàn)。用戶在采用不同接入技術(shù)的異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)的基站/接入點(diǎn)之間的切換，稱為垂直切換。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換過程通常包括三個(gè)階段網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)階段，切換判決階段及切換執(zhí)行階段。其中，切換判決階段最為關(guān)鍵，該階段的切換判決算法直接關(guān)系到垂直切換的有效性與可靠性。現(xiàn)有文獻(xiàn)中垂直切換判決方法主要包括基于代價(jià)函數(shù)或多屬性決策理論，實(shí)現(xiàn)多因素綜合折中的切換判決算法；基于馬爾可夫決策理論，建模穩(wěn)態(tài)融合系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)綜合回報(bào)最大化的切換判決算法；基于模糊邏輯理論，對(duì)多個(gè)切換判決因素進(jìn)行模糊化處理及模糊推理的切換判決算法；以及基于博弈理論，建模用戶與網(wǎng)絡(luò)之間合作及非合作博弈關(guān)系，對(duì)應(yīng)博弈參與者均衡狀態(tài)的切換判決算法。上述切換判決方法各有特點(diǎn)，具體為
基于信干噪比，并綜合考慮用戶請(qǐng)求帶寬及用戶流量開銷等多種因素的垂直切換判決算法，通過建模切換回報(bào)函數(shù)，選取回報(bào)函數(shù)值最大的候選網(wǎng)絡(luò)作為切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，可提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、降低掉線率并減少接入網(wǎng)絡(luò)的用戶流量開銷?；谧远x回報(bào)函數(shù)的以網(wǎng)絡(luò)可用帶寬、連接時(shí)延、接入費(fèi)用及安全性等多種因素作為代價(jià)因子的垂直切換算法，通過對(duì)回報(bào)函數(shù)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化垂直切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)選擇。將終端當(dāng)前接收信號(hào)強(qiáng)度、預(yù)測(cè)信號(hào)強(qiáng)度、系統(tǒng)帶寬及移動(dòng)速度等因素作為模糊邏輯處理系統(tǒng)的輸入量，利用模糊邏輯方法對(duì)信息進(jìn)行模糊處理，分別得到無(wú)線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network, WLAN)和通用移動(dòng)通信系統(tǒng)(Universal Mobile Telecommunications System,UMTS)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信息參量的隸屬度，經(jīng)過隸屬度的歸一化處理及量化，由模糊邏輯控制器得到目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的綜合性能評(píng)估值，選取評(píng)估值最大的網(wǎng)絡(luò)為切換優(yōu)化目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)?；谀：壿嫷姆涓C網(wǎng)絡(luò)/WLAN切換判決算法，考慮用戶對(duì)WLAN選擇度、WLAN的信號(hào)強(qiáng)度以及可用帶寬等因素，采用學(xué)習(xí)機(jī)制建立模糊集合的隸屬度函數(shù)，通過模糊推理，最終判決是否由蜂窩網(wǎng)絡(luò)切換至WLAN。文獻(xiàn)[C.J. Chang, T. L. Tsai and Y. H. Chen. Utility and Game-theory basednetwork selection scheme in heterogeneous wireless networks. WCNC 2009, pp. I-5.]中提出了基于效用函數(shù)及博弈理論的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)選擇機(jī)制，通過構(gòu)建合作博弈模型，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)性能及聯(lián)合效用，可選擇對(duì)應(yīng)最大效用的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)接入呼叫率最大化，切換發(fā)生頻率最小化，并滿足用戶的QoS需求。基于代價(jià)函數(shù)或多屬性決策理論的切換判決算法，綜合考慮了系統(tǒng)性能和用戶特性，有助于實(shí)現(xiàn)用戶業(yè)務(wù)QoS保障和網(wǎng)絡(luò)整體性能的提高，但是切換網(wǎng)絡(luò)選擇的函數(shù)公式中的各個(gè)參數(shù)在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中是快速變化的，難以實(shí)時(shí)測(cè)量?；谀：壿嬂碚摰那袚Q判決算法，不需要精確的數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)適應(yīng)性較好，但由于模糊邏輯過程是非線性的，算法復(fù)雜度高，對(duì)設(shè)備的計(jì)算能力要求較高。綜合考慮各異構(gòu)接入網(wǎng)絡(luò)特性及用戶業(yè)務(wù)需求，設(shè)計(jì)合理高效的垂直切換判決算法，在滿足用戶業(yè)務(wù)需求的條件下，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化是困難而具有挑戰(zhàn)性的問題。由于用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)和網(wǎng)絡(luò)性能是受多種因素共同影響的復(fù)雜的系統(tǒng)問題，因此在數(shù)學(xué)上很難建模。網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合效用函數(shù)的引入，為解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換判決提供了一種新的方法。目前已有研究基于效用函數(shù)進(jìn)行通信系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，如文獻(xiàn)[俞一帆，白勇，陳嵐，在異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中選擇網(wǎng)絡(luò)的方法和裝置，公開號(hào)101287280，
公開日2008年10月15日]提出異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中選擇網(wǎng)絡(luò)的方法和裝置，通過建模各網(wǎng)絡(luò)的效用函數(shù)，并結(jié)合用戶及網(wǎng)絡(luò)的屬性權(quán)重向量，評(píng)估各網(wǎng)絡(luò)的綜合效用值，從而選取最終候選網(wǎng)絡(luò)；文獻(xiàn)[劉干，周亮，周鑫等，一種基于博弈論的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)FDM信道選擇方法，公開號(hào)101321388，
公開日2008年12月10日]提出一種基于博弈論的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)FDM信道選擇方法，建模二級(jí)用戶的效用函數(shù)，各二級(jí)用戶依次選擇使其效用函數(shù)最大的傳輸信道，直至系統(tǒng)收斂，實(shí)現(xiàn)所有二級(jí)用戶的信道優(yōu)化選擇。異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)用戶寬帶接入應(yīng)用中，各網(wǎng)絡(luò)通過為用戶提供接入服務(wù)，獲得相應(yīng)收益，該收益由用戶數(shù)量，用戶占用帶寬，用戶之間的競(jìng)爭(zhēng)以及網(wǎng)絡(luò)為用戶提供服務(wù)所付出成本等因素決定，一方面，各接入網(wǎng)絡(luò)均以自身收益最大化為資源分配及性能優(yōu)化的目標(biāo)，另一方面，各接入網(wǎng)絡(luò)之間存在的用戶資源激烈競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系，導(dǎo)致各接入網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立收益最大化無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此，建模系統(tǒng)聯(lián)合收益函數(shù)，通過用戶優(yōu)化接入選擇及垂直切換，實(shí)現(xiàn)各異構(gòu)融合接入網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合收益的最大化成為高效、公平的系統(tǒng)優(yōu)化方案。本專利建模接入網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合收益函數(shù)，通過優(yōu)化用戶信息，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)收益最大化及用戶優(yōu)化垂直切換。
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)垂直切換判決技術(shù)中難以兼顧網(wǎng)絡(luò)效用的提高及用戶QoS保障，本發(fā)明提出一種基于網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合效用優(yōu)化及負(fù)載均衡的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換方法，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)共同覆蓋區(qū)域內(nèi)，基于負(fù)載均衡及用戶切換總數(shù)等限定條件，最大化網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合效用，以實(shí)現(xiàn)用戶優(yōu)化垂直切換。具體步驟為
采集接入網(wǎng)絡(luò)的用戶信息，建立維數(shù)為
(^1 + ^2+……+I/)x2的用戶信息矩陣尤，其中，Χ中元素為對(duì)應(yīng)用戶所占用帶寬，調(diào)用公式P=計(jì)算接入網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合收益函數(shù)，根據(jù)帶寬成本函數(shù)及帶寬競(jìng)爭(zhēng)函數(shù)確定網(wǎng)絡(luò)為用戶提供服務(wù)所付出的成本函數(shù)￡(1)，根據(jù)切換代價(jià)行矩陣k切換用戶列矩陣Z，調(diào)用公式孖=SZ計(jì)算用戶切換代價(jià)函數(shù)，根據(jù)接入網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合收益函數(shù)、成本函數(shù)￡(1)
、用戶切換代價(jià)函數(shù)調(diào)用公式U(I) =汽1)-￡(幻-叫I)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合效用函數(shù)叫I)
，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡條件和用戶切換總次數(shù)，獲得最大聯(lián)合效用對(duì)應(yīng)的優(yōu)化用戶信息矩陣X‘，得到最佳切換用戶向量矩陣Ir，發(fā)送切換控制命令對(duì)中非零元素對(duì)應(yīng)的用戶執(zhí)行切換，其中，/為長(zhǎng)度為( + +......+ )的單位行向量；P0為維數(shù)2x1的收益算子矩
陣，接入網(wǎng)絡(luò)プ中用戶數(shù)為巧，如接入網(wǎng)絡(luò)I中用戶數(shù)為F1。X由用戶占用帶寬、用戶業(yè)務(wù)類型及當(dāng)前接入網(wǎng)絡(luò)確定，J中元素為用戶所占用 帶寬，
權(quán)利要求
1.一種基于網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合效用優(yōu)化及負(fù)載均衡的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換方法，其特征在于采集接入網(wǎng)絡(luò)的用戶信息，建立維數(shù)為( + ^2+……的用戶信息矩陣其中，I中元素為對(duì)應(yīng)用戶所占用帶寬，調(diào)用公式P=計(jì)算接入網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合收益函數(shù)，根據(jù)帶寬成本函數(shù)及帶寬競(jìng)爭(zhēng)函數(shù)確定網(wǎng)絡(luò)為用戶提供服務(wù)所付出的成本函數(shù)￡(1)，根據(jù)切換代價(jià)行矩陣S、切換用戶列矩陣Z，調(diào)用公式= m計(jì)算用戶切換代價(jià)函數(shù)，根據(jù)接入網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合收益函數(shù)、成本函數(shù)、用戶切換代價(jià)函數(shù)調(diào)用公式= 計(jì)算網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合效用函數(shù)叫O,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡條件和用戶切換總次數(shù)，獲得最大聯(lián)合效用對(duì)應(yīng)的優(yōu)化用戶信息矩陣if4，得到最佳切換用戶向量矩陣2’，發(fā)送切換控制命令對(duì)Z‘中非零元素對(duì)應(yīng)的用戶執(zhí)行切換，其中力長(zhǎng)度為(nI +^2+......+Nj)的單位行向量；Pq為維數(shù)2x1的收益算子矩陣，接入網(wǎng)絡(luò)J中用戶數(shù)為巧。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換方法，其特征在于用戶信息矩陣由用戶占用帶寬、用戶業(yè)務(wù)類型及當(dāng)前接入網(wǎng)絡(luò)確定，X中元素=^i4或O，為第j個(gè)網(wǎng)絡(luò)中第i個(gè)用戶所占用的帶寬，當(dāng)有兩個(gè)接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，I中第I列的第I至的行元素值為接入網(wǎng)絡(luò)I中用戶所占用帶寬，第鞏+〗至珥+均行元素為O，r第2列的第I至AZ1行元素值為O，第珂+1至F1+沁行為接入網(wǎng)絡(luò)2中用戶所占用帶寬。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換方法，其特征在于確定切換用戶列矩陣2具體為根據(jù)用戶是否執(zhí)行切換，設(shè)置用戶信息矩陣I中對(duì)應(yīng)元素建立切換后用戶信息
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換方法，其特征在于如第A類業(yè)務(wù)的用戶切換網(wǎng)絡(luò)所付出的代價(jià)為&，第J個(gè)網(wǎng)絡(luò)中第左類業(yè)務(wù)的用戶數(shù)為^ 4=1，2，…，工則網(wǎng)絡(luò)切換代價(jià)行矩陣Z為
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換方法，其特征在于采用二次效用函數(shù)表
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換方法，其特征在于調(diào)用公式
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換方法，其特征在于用戶切換后用戶信息矩陣文構(gòu)造規(guī)則如下若X中第i個(gè)用戶未執(zhí)行切換，則~ ;若i中第i個(gè)用戶執(zhí)行切換,則i = xu ,,矩陣的映射規(guī)則為若& = O ,則:^ = O ;若& f O，則& = 1 > X'-^Y'的映射規(guī)則類似。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合效用優(yōu)化及負(fù)載均衡的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換方法，屬于無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明通過對(duì)異構(gòu)接入網(wǎng)絡(luò)共同覆蓋區(qū)域用戶的優(yōu)化垂直切換及接入網(wǎng)絡(luò)選擇，實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò)間負(fù)載均衡及網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合效用最大化。建立用戶信息矩陣，建模網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合效用函數(shù)，在給定接入網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡及聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)用戶切換次數(shù)等條件下，通過最大化網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合效用，得到優(yōu)化用戶垂直切換及網(wǎng)絡(luò)選擇方案。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)中，綜合考慮接入網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、用戶切換次數(shù)及用戶業(yè)務(wù)特性等因素的用戶垂直切換及網(wǎng)絡(luò)選擇方案，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)綜合收益的最大化及用戶服務(wù)質(zhì)量(QualityofService，QoS)增強(qiáng)。
文檔編號(hào)H04W28/08GK102625370SQ20121011684
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月20日
發(fā)明者尹睿哲, 柴蓉, 陳前斌 申請(qǐng)人:重慶郵電大學(xué)