基于隨機決定的啟發式用戶連接的負載均衡方法
【專利摘要】本發明公開了超密集異構網絡中一種離散的基于隨機決定的啟發式用戶連接的負載均衡方法，用戶對于其可選的候選基站擁有一個連接概率向量，根據當下的網絡環境，根據連接概率向量隨機的選擇服務基站，從選擇的基站中獲得自己的連接反饋，更新自己的連接概率向量，直至連接概率向量中某一個成員接近1，最終確定要連接的服務基站。采用本發明中的方法，可以根據現有網絡的負載狀況，讓新到達的用戶選擇連接最優的基站。根據局部信息確定連接，減少了整個網絡的信令開銷和計算復雜度。能夠提高超密集異構網絡中負載的均衡性和用戶速率的公平性，同時提升超密集異構網絡資源的利用率。
【專利說明】
基于隨機決定的啟發式用戶連接的負載均衡方法
技術領域
[0001] 本發明設及一種超密集異構網絡中基于隨機決定的啟發式用戶連接的負載均衡 方法，屬于無線通信中的網絡技術領域。
【背景技術】
[0002] 5G(第五代移動通信技術）系統的異構網絡中，部署高密度的小站成為常見的策 略，從而形成超密集異構網絡。
[0003] 在超密集異構網絡中，不同類型（比如可W按照發射功率進行區分)的基站構成不 同層，同一類型的基站處于同一層。比如發射功率小的基站稱為小站，所有小站構成小站 層，發射功率大的基站稱為宏站，所有宏站構成宏站層。由于不同層的基站之間的發射功率 不同，造成用戶接收的來自不同站的參考信號接收功率（RSRP，Reference Signal Received化wer)有很大的差距，如果用戶采用傳統的最大RSRP連接機制，會造成很大一部 分用戶接入到發射功率較大，信號較好的基站上，從而造成運些基站的擁塞。而其它一些發 射功率較小，但是有豐富資源的基站處于空閑狀態。運樣，使得網絡負載分布不均衡，使得 整個網絡資源不能得到充分合理的運用，造成系統資源利用率低，網絡整體性能下降。
[0004] 無線網絡中，可W用基站連接的用戶數反映基站的負載，所W尋求網絡中各基站 的負載均衡可W看成尋求合適的用戶連接方法。在傳統的蜂窩網絡中負載均衡機制就是將 重負載和輕負載區域內的資源合理分配，把重負載網絡中的用戶轉移到周圍負載相對較輕 的網絡，達到負載均勻分布的狀態。運樣使得整個系統的資源利用率得到有效提升。但是在 超密集異構網絡中，由于大小站之間的發射功率差異較大，從宏站卸載到小站的用戶將受 到來自宏站的強干擾，造成用戶的信號與干擾加噪聲比（SINR，Si即al to InteWerence plus Noise Ratio)較低。導致用戶從小站獲得的吞吐量下降，無法充分利用小站資源。所 W超密集異構網絡中的負載均衡經常采用合適的干擾管理技術，減少從宏站卸載到小站的 用戶受到的干擾，促使用戶從高負載的宏站卸載到小站上，進一步達到宏站與小站之間的 負載均衡，從而進一步提升網絡性能。所W在超密集網絡中引入幾乎空白子帖(ABS，Almost Blank Subframe),也就是宏站在時間域上按照一定的ABS比率留出一些幾乎空白子帖，在 運些子帖期間，小站用戶受到宏站的干擾將下降，提高小站資源的利用率。
【發明內容】
[0005] 發明目的：針對現有技術中存在的問題與不足，本發明提供一種超密集異構網絡 中基于用戶連接的負載均衡方法，提出了一種離散的基于隨機決定的啟發式用戶連接方 法。采用本發明中的方法，能夠提高超密集異構網絡中負載的均衡和用戶速率的公平性，W 及網絡資源的利用率。
[0006] 本發明W最大化所有用戶的對數速率總和為目的，對用戶連接優化，從而實現負 載均衡。由于直接求解該問題復雜度過高，需要知道全局的信道增益信息和所有用戶的連 接策略，運會導致整個系統的信令資源消耗過高而無法實際實施。因此，采用一種離散的啟 發式方法讓每個用戶動態且獨立地選擇自己最優的基站。所有的決定都在用戶側完成，用 戶對于其可W連接的候選基站擁有一個連接概率向量，根據當前的網絡環境，根據連接概 率向量隨機地選擇服務基站，從選中的基站中獲得自己的連接反饋，更新自己的連接概率 向量，直至連接概率向量中某一個成員接近1，最終確定要連接的服務基站。
[0007] 技術方案:一種基于隨機決定的啟發式用戶連接的負載均衡方法，W最大化超密 集異構網絡中所有用戶的對數速率總和為目標建立用戶連接的負載均衡模型。該模型在W 下方面提升網絡的公平性，首先，W提升用戶的速率為目標會促使用戶連接到相對空閑能 夠分配到更多資源的小站上，從而提高大小站之間負載的均衡性，其次，對數函數是一個增 益遞減的函數，可提高用戶速率的公平性。通過該模型確定的用戶連接還可W提升整體網 絡吞吐量性能。
[0008] 假設在超密集異構網絡中，所有的大站都采用同步的ABS比率0<α<1，每個大站 占有1-α的時間資源，小站既可W工作在ABS期間，也可W工作在非ABS期間，所W將每個小 站看成兩個邏輯基站，一個ABS小站，占有α的時間資源;一個非ABS小站，占有1-α的時間資 源。用戶可W選擇連接到大站，ABS小站或者非ABS小站。
[0009] 所有的大站用集合Μ表示，大小為Nm，所有的ABS小站由集合ρΑΒ嗦示，大小為Νρ，所 有的非ABS小站由集合pnABS表示，大小為Νρ，其中Νρ大于Nm，根據網絡的差異，Νρ可W是Nm的幾 倍，幾十倍，甚至于上百倍。所有的用戶由集合U表示，大小為Nu。
[0010]用戶i從大站或非ABS小站j接收的SINR值：
[0011]
化
[001^ 用戶i從ABS小站j接收的SINR值：
[0013]
巧
[0014] 其中，門定義為標號為j的基站的發射功率，hu表示的是從基站j到用戶i的信道增 益，包含路徑損耗，陰影衰落和天線增益，σ2表示噪聲功率。
[001引用戶i從基站j得到的信道容量化由下式計算得到：
[0016] 化=Wlog(l+SINRij) [3]
[0017] 其中W表示基站的帶寬。所有的基站使用相同的帶寬。
[0018] 本發明提出的優化問題如下式所示。
[0024] Xij [4e]
[002引其中，Xij是一個二進制變量，當用戶i連接到基站j上的時候，XU = 1，否則為0，kj定 義為第j個基站上連接的用戶數，X表示所有XU的集合。所有的大站，ABS小站，非ABS小站組 成基站集合，用B表示。約束條件[4b]用W限制每個用戶只連接到一個基站上，約束條件 [4d]用W確保所有的用戶都得到連接。Ru表示用戶i從基站j獲得的速率，它由下式計算：
[0026]
巧]
[0027] 由于直接求解該問題復雜度過高，因此，采用一個離散的啟發式方法讓每個用戶 動態且獨立地選擇自己最優的基站。所有的決定都在用戶側完成，用戶對于其可W連接的 候選基站擁有一個連接概率向量，根據當前的網絡環境，根據連接概率向量隨機地選擇服 務基站，從選中的基站中獲得自己的連接反饋，更新自己的連接概率向量，直至連接概率向 量中某一個成員接近1，最終確定要連接的服務基站。具體過程如下：
[002引1)基站選擇策略
[0029] 在用戶端，每個用戶根據隨機策略隨機地選擇一個基站。與固定地選擇一個基站 不同，用戶i根據一個概率向量(/,=^|，(/。，...，(/,,,|)有概率地選擇基站，其中91康示用戶1選 擇基站j的可能性。|ai|表示用戶i的候選基站的數目。如果基站能夠提供更好的性能，則基 站的連接幾率就會更高，反之亦然。用運種方式，每個用戶會各自自動連接到最優的BS上。 用戶i選擇基站j的概率由下式給出：
[0030]
閥
[0031] 其4
而丫是一個正的參量，通常被稱作溫度，丫的取值接近于0時，能保 證所得的最終解收斂于最優解，但是同時γ的取值越大，收斂速率越快，為保證收斂速度和 收斂效果，取值通常采用0.1~0.01運樣的范圍。ru表示的是用戶i從基站j獲得的連接反 饋，根據效用函數定義，也就是用戶當下從基站獲得的對數吞吐量。假設用戶i選擇基站j作 為服務基站，連接到基站j上的用戶數為kj。則用戶i的反饋函數由下式給出：
[0032]
[0033] 2)計算連接反饋
[0034] 用戶根據[7]式計算選中連接的基站相應的反饋值。最優化網絡中所有用戶的吞 吐量性能，相互之間的協調是必須的。所W反饋函數中有一個基站價值因子log化j),它反映 了基站的負載情況。如果k止升，說明連接到基站撕用戶數增加，則用戶i從基站j獲得的反 饋下降。如果想進一步增加反饋函數中基站負載意識，可W再增加相應的價值因子PU，正比 于kjDPU相當于基站j連接的總用戶為k川寸體現負載情況的價值因子。反饋函數變為 巧其中^表示進一步增加價值因子后的反饋函數。運個價值因子能夠反映用戶之 間的擁塞并一定程度減輕它。
[0035] 3)基站估計更新
[0036] 在狀態t，每個用戶只獲得當下選擇的基站的反饋，給出下一輪連接概率更新中使 用的反饋值：
[0037]
腳
[0038] ε表示的是一個權重因子，且滿足0含ε含1，反映的是用戶對于連接基站的反饋值 更新中ri神Ρ馬所占的權重比，且ε越大，每所占的權重越大。根據新獲得的反饋值更新用戶的 連接概率向量。
[0039] 4)確定最終的服務基站
[0040] 循環執行前Ξ個步驟，直至用戶的連接概率向量中某一成員變量接近于1時，則該 變量對應的基站為用戶最終的服務基站。要增加收斂速度，則可W在連接概率達到0.9 W上 的范圍時，就確定該基站為服務基站，要進一步增加準確性，則可W選取0.95~0.99 W上的 值作為確定邊界。
[0041] 有益效果:本發明W最大化超密集異構網絡中所有用戶的對數速率總和為目標建 立用戶連接的負載均衡模型。用一個離散的基于隨機決定的啟發式方法進行用戶連接的求 解，該方法可W有效的將負載從擁塞的宏站卸載到相對空閑的小站上。所有的決定都在用 戶側完成，用戶終端只需要知道局部的信息就可W根據自己的連接策略連接到當下最優的 基站上，而不需要知道其他用戶的SINRW及他們的連接策略。模型中采用了 ABS技術，讓ABS 期間連接在小站上的用戶避免來自宏站的強干擾，進一步促進用戶卸載到小站上，同時保 證小站用戶的性能。根據本發明給出的模型計算的用戶連接，在達到負載均衡的同時提升 網絡性能。
[0042] 基于本發明的負載均衡方法具有如下優點：
[0043] 1.用戶能夠有效的從擁塞的大站卸載到相對空閑的小站上，各個基站之間的負載 擁有更高的公平性。
[0044] 2.能夠有效提升邊緣用戶的速率，用戶性能的公平性提高
[0045] 3.所有的決定都在用戶側完成，用戶終端只需要知道局部的信息就可W根據自己 的連接策略連接到當下最優的基站上。
【具體實施方式】
[0046] 下面結合具體實施例，進一步闡明本發明，應理解運些實施例僅用于說明本發明 而不用于限制本發明的范圍，在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等價 形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。
[0047] 基于隨機決定的啟發式用戶連接的負載均衡方法，W最大化超密集異構網絡中所 有用戶的對數速率總和為目標建立用戶連接的負載均衡模型。該模型在W下方面提升網絡 的公平性，首先，W提升用戶的速率為目標會促使用戶連接到相對空閑能夠分配到更多資 源的小站上，從而提高大小站之間負載的均衡性，其次，對數函數是一個增益遞減的函數， 可提高用戶速率的公平性。通過該模型確定的用戶連接還可W提升整體網絡吞吐量性能。
[0048] 假設在超密集異構網絡中，所有的大站都采用同步的ABS比率0<α<1，每個大站 占有1-α的時間資源，小站既可W工作在ABS期間，也可W工作在非ABS期間，所W將每個小 站看成兩個邏輯基站，一個ABS小站，占有α的時間資源;一個非ABS小站，占有1-α的時間資 源。用戶可W選擇連接到大站，ABS小站或者非ABS小站。
[0049] 所有的大站用集合Μ表示，大小為Nm，所有的ABS小站由集合ρΑΒ嗦示，大小為Νρ，所 有的非ABS小站由集合pnABS表示，大小為Νρ，其中Νρ大于Nm，根據網絡的差異，Νρ可W是Nm的幾 倍，幾十倍，甚至于上百倍。所有的用戶由集合U表示，大小為Nu。
[0050] 用戶i從大站或非ABS小站j接收的SINR值：
[005。
山
[0052]用戶i從ABS小站j接收的SINR值：
[005：3]
兇
[0054] 其中，門定義為標號為j的基站的發射功率，hu表示的是從基站j到用戶i的信道增 益，包含路徑損耗，陰影衰落和天線增益，σ2表示噪聲功率。
[0055] 用戶i從基站j得到的信道容量CU由下式計算得到：
[0化6]化=Wlog(l+SINRu) [3]
[0057] 其中W表示基站的帶寬。所有的基站使用相同的帶寬。
[0058] 本發明提出的優化問題如下式所示。
[0065] 其中，W是一個二進制變量，當用戶i連接到基站j上的時候，町=1，否則為0，k鹿 義為第j個基站上連接的用戶數，X表示所有XU的集合。所有的大站，ABS小站，非ABS小站組 成基站集合，用B表示。約束條件[4b]用W限制每個用戶只連接到一個基站上，約束條件 [4d]用W確保所有的用戶都得到連接。Ru表示用戶i從基站j獲得的速率，它由下式計算：
[0066]
向.
[0067] 由于直接求解該問題復雜度過高，因此，采用一個離散的啟發式方法讓每個用戶 動態且獨立地選擇自己最優的基站。所有的決定都在用戶側完成，用戶對于其可W連接的 候選基站擁有一個連接概率向量，根據當前的網絡環境，根據連接概率向量隨機地選擇服 務基站，從選中的基站中獲得自己的連接反饋，更新自己的連接概率向量，直至連接概率向 量中某一個成員接近1，最終確定要連接的服務基站。具體過程如下：
[006引1)基站選擇策略
[0069] 在用戶端，每個用戶根據隨機策略隨機地選擇一個基站。與固定地選擇一個基站 不同，用戶i根據一個概率向量y,.=(y,i，g,有概率地選擇基站，其中qu表示用戶i選 擇基站j的可能性。|ai|表示用戶i的候選基站的數目。如果基站能夠提供更好的性能，則基 站的連接幾率就會更高，反之亦然。用運種方式，每個用戶會各自自動連接到最優的BS上。 用戶i選擇基站j的概率由下式給出：
[0070]
閥
[0071] 其中
'而丫是一個正的參量，通常被稱作溫度，丫的取值接近于0時，能保 證所得的最終解收斂于最優解，但是同時γ的取值越大，收斂速率越快，為保證收斂速度和 收斂效果，取值通常采用0.1~0.01運樣的范圍。ru表示的是用戶i從基站j獲得的連接反 饋，根據效用函數定義，也就是用戶當下從基站獲得的對數吞吐量。假設用戶i選擇基站j作 為服務基站，連接到基站j上的用戶數為kj。則用戶i的反饋函數由下式給出：
[0072]
[0073] 2)計算連接反饋
[0074] 用戶根據[7]式計算選中連接的基站相應的反饋值。最優化網絡中所有用戶的吞 吐量性能，相互之間的協調是必須的。所W反饋函數中有一個基站價值因子log化J),它反映 了基站的負載情況。如果k止升，說明連接到基站j的用戶數增加，則用戶i從基站j獲得的反 饋下降。如果想進一步增加反饋函數中基站負載意識，可W再增加相應的價值因子PU，正比 于kjDPU相當于基站j連接的總用戶為k川寸體現負載情況的價值因子。反饋函數變為 羣=巧-&，其中I表示進一步增加價值因子后的反饋函數。運個價值因子能夠反映用戶之 間的擁塞并一定程度減輕它。
[0075] 3)基站估計更新
[0076] 在狀態t，每個用戶只獲得當下選擇的基站的反饋，給出下一輪連接概率更新中使 用的反饋值：
[0077]
腳
[0078] ε表示的是一個權重因子，且滿足0含ε含1，反映的是用戶對于連接基站的反饋值 更新中ru和I所占的權重比，且ε越大，夸巧占的權重越大。根據新獲得的反饋值更新用戶 的連接概率向量。
[0079] 4)確定最終的服務基站
[0080] 循環執行前Ξ個步驟，直至用戶的連接概率向量中某一成員變量接近于1時，則該 變量對應的基站為用戶最終的服務基站。要增加收斂速度，則可W在連接概率達到0.9W上 的范圍時，就確定該基站為服務基站，要進一步增加準確性，則可W選取0.95~0.99W上的 值作為確定邊界。
[0081 ] 實施例
[0082] 1.初始化各個用戶對于其候選基站的連接概率，如果用戶i的候選基站數為31，貝。 可W將其連接概率向量初始化夫
[0083] 2.各個用戶根據其連接概率向量在候選基站中隨機的選擇服務基站。
[0084] 3.各個用戶根據式[7]計算所選擇的服務基站給出的反饋值，再根據式[引計算下 一輪連接概率向量更新中要用到的反饋值。
[0085] 4.各個用戶根據式[6]用上一步中新計算得到的反饋值更新連接概率向量。
[0086] 5.重復執行步驟2,3,4,直至用戶的連接概率向量中某個元素接近1，比如值超過 0.95，則其對應的基站確定為該用戶最終的服務基站。
[0087] 6.所有用戶的連接概率向量中都有接近于1的元素時，則所有的用戶連接確定。
【主權項】
1. 一種基于隨機決定的啟發式用戶連接的負載均衡方法，其特征在于：用戶對于其可 以連接的候選基站擁有一個連接概率向量，根據當前的網絡環境，根據連接概率向量隨機 地選擇服務基站，從選中的基站中獲得自己的連接反饋，更新自己的連接概率向量，直至連 接概率向量中某一個成員接近1，最終確定要連接的服務基站。2. 如權利要求1所述的基于隨機決定的啟發式用戶連接的負載均衡方法，其特征在于： 假設在超密集異構網絡中，所有的大站都采用同步的ABS比率0 < 1，每個大站占有 1 _α的時間資源，小站既可以工作在ABS期間，也可以工作在非ABS期間，所以將每個小站看 成兩個邏輯基站，一個ABS小站，占有α的時間資源;一個非ABS小站，占有卜α的時間資源；用 戶可以選擇連接到大站，ABS小站或者非ABS小站； 所有的大站用集合Μ表示，大小為Nm，所有的ABS小站由集合PABS表示，大小為ΝΡ，所有的 非ABS小站由集合表示，大小為^，其中ΝΡ大于Nm，所有的用戶由集合U表示，大小為N u; 用戶i從大站或非ABS小站j接收的SINR值：用戶i從ABS小站j接收的SINR值：其中，P』定義為標號為j的基站的發射功率，表示的是從基站j到用戶i的信道增益， 包含路徑損耗，陰影衰落和天線增益，σ2表示噪聲功率； 用戶i從基站j得到的信道容量(?由下式計算得到： cij = fflog(l+SINRij) [3] 其中W表示基站的帶寬;所有的基站使用相同的帶寬； 提出的優化問題如下式所示： 約束條件：其中，Xij是一個二進制父重，a用尸1迕按到S跖J上的叮恢，Xij = i，?則73U，kj定義為 第j個基站上連接的用戶數，X表示所有xij的集合;所有的大站，ABS小站，非ABS小站組成基 站集合，用B表示;約束條件[4b]用以限制每個用戶只連接到一個基站上，約束條件[4d]用 以確保所有的用戶都得到連接;Ru表示用戶i從基站j獲得的速率，它由下式計算： [5] 采用一個離散的啟發式方法讓每個用戶動態且獨立地選擇自己最優的基站。所有的決 定都在用戶側完成，用戶對于其可以連接的候選基站擁有一個連接概率向量，根據當前的 網絡環境，根據連接概率向量隨機地選擇服務基站，從選中的基站中獲得自己的連接反饋， 更新自己的連接概率向量，直至連接概率向量中某一個成員接近1，最終確定要連接的服務 基站。3.如權利要求1所述的基于隨機決定的啟發式用戶連接的負載均衡方法，其特征在于， 確定用戶連接的具體過程如下： 1) 基站選擇策略 在用戶端，每個用戶根據隨機策略隨機地選擇一個基站。與固定地選擇一個基站不同， 用戶i根據一個概率向量％ = ?ζ/,_ρ和，…，扎)有概率地選擇基站，其中qij表示用戶i選擇基站 j的可能性。|ai|表示用戶i的候選基站的數目；如果基站能夠提供更好的性能，則基站的連 接幾率就會更高，反之亦然。用這種方式，每個用戶會各自自動連接到最優的BS上。用戶i選 擇基站j的概率由下式給出：其中Σ% =1 '而γ是一個正的參量，通常被稱作溫度，γ的取值接近于0時，能保證所 j^i 得的最終解收斂于最優解，但是同時γ的取值越大，收斂速率越快，ru表示的是用戶i從基 站j獲得的連接反饋，根據效用函數定義，也就是用戶當下從基站獲得的對數吞吐量;假設 用戶i選擇基站j作為服務基站，連接到基站j上的用戶數為則用戶i的反饋函數由下式 給出：2) 計算連接反饋 用戶根據[7]式計算選中連接的基站相應的反饋值。最優化網絡中所有用戶的吞吐量 性能，相互之間的協調是必須的；所以反饋函數中有一個基站價值因子log(h)，它反映了 基站的負載情況;如果h上升，說明連接到基站j的用戶數增加，則用戶i從基站j獲得的反 饋下降；如果想進一步增加反饋函數中基站負載意識，可以再增加相應的價值因子PU，正比 于kj;Plj相當于基站j連接的總用戶為kj時體現負載情況的價值因子；反饋函數變為 6 ，其中^表示進一步增加價值因子后的反饋函數;這個價值因子能夠反映用戶之 間的擁塞并一定程度減輕它； 3) 基站估計更新 在狀態t，每個用戶只獲得當下選擇的基站的反饋，給出下一輪連接概率更新中使用的 反饋值：ε表示的是一個權重因子，且滿足〇 < ε < 1，反映的是用戶對于連接基站的反饋值更新 中所占的權重比，且ε越大，&所占的權重越大;根據新獲得的反饋值更新用戶的連接 概率向量； 4) 確定最終的服務基站 循環執行前三個步驟，直至用戶的連接概率向量中某一成員變量接近于1時，則該變量 對應的基站為用戶最終的服務基站。
【文檔編號】H04W36/22GK105873127SQ201610269576
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月27日
【發明人】潘志文, 王瑾, 劉楠, 尤肖虎
【申請人】東南大學