专利名称：基于网络联合效用优化及负载均衡的异构网络垂直切换方法
技术领域：
本发明涉及无线通信领域，特别是异构无线网络中的垂直切换技术。
背景技术：
随着移动通信和宽带无线接入技术的发展及人类对信息通信需求的增加，更高传输速率、更大系统容量、更广业务覆盖已经成为未来移动通信发展的主流趋势和演进目标。为了适应不同用户需求，下一代无线网络将支持多种无线接入技术融合共存，具有多模接口的用户设备可在不同接入技术之间无缝切换，以实现业务连续性及最佳业务体验。用户在采用不同接入技术的异构融合网络的基站/接入点之间的切换，称为垂直切换。异构网络垂直切换过程通常包括三个阶段网络发现阶段，切换判决阶段及切换执行阶段。其中，切换判决阶段最为关键，该阶段的切换判决算法直接关系到垂直切换的有效性与可靠性。现有文献中垂直切换判决方法主要包括基于代价函数或多属性决策理论，实现多因素综合折中的切换判决算法；基于马尔可夫决策理论，建模稳态融合系统，对应系统综合回报最大化的切换判决算法；基于模糊逻辑理论，对多个切换判决因素进行模糊化处理及模糊推理的切换判决算法；以及基于博弈理论，建模用户与网络之间合作及非合作博弈关系，对应博弈参与者均衡状态的切换判决算法。上述切换判决方法各有特点，具体为
基于信干噪比，并综合考虑用户请求带宽及用户流量开销等多种因素的垂直切换判决算法，通过建模切换回报函数，选取回报函数值最大的候选网络作为切换目标网络，可提高网络吞吐量、降低掉线率并减少接入网络的用户流量开销。基于自定义回报函数的以网络可用带宽、连接时延、接入费用及安全性等多种因素作为代价因子的垂直切换算法，通过对回报函数的优化，实现优化垂直切换目标网络选择。将终端当前接收信号强度、预测信号强度、系统带宽及移动速度等因素作为模糊逻辑处理系统的输入量，利用模糊逻辑方法对信息进行模糊处理，分别得到无线局域网(Wireless Local Area Network, WLAN)和通用移动通信系统(Universal Mobile Telecommunications System,UMTS)两个网络的信息参量的隶属度，经过隶属度的归一化处理及量化，由模糊逻辑控制器得到目标网络的综合性能评估值，选取评估值最大的网络为切换优化目标网络。基于模糊逻辑的蜂窝网络/WLAN切换判决算法，考虑用户对WLAN选择度、WLAN的信号强度以及可用带宽等因素，采用学习机制建立模糊集合的隶属度函数，通过模糊推理，最终判决是否由蜂窝网络切换至WLAN。文献[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数及博弈理论的异构无线网络选择机制，通过构建合作博弈模型，计算网络性能及联合效用，可选择对应最大效用的目标网络，以实现接入呼叫率最大化，切换发生频率最小化，并满足用户的QoS需求。基于代价函数或多属性决策理论的切换判决算法，综合考虑了系统性能和用户特性，有助于实现用户业务QoS保障和网络整体性能的提高，但是切换网络选择的函数公式中的各个参数在实际网络中是快速变化的，难以实时测量。基于模糊逻辑理论的切换判决算法，不需要精确的数学模型，系统适应性较好，但由于模糊逻辑过程是非线性的，算法复杂度高，对设备的计算能力要求较高。综合考虑各异构接入网络特性及用户业务需求，设计合理高效的垂直切换判决算法，在满足用户业务需求的条件下，实现网络性能优化是困难而具有挑战性的问题。由于用户业务体验和网络性能是受多种因素共同影响的复杂的系统问题，因此在数学上很难建模。网络联合效用函数的引入，为解决异构网络垂直切换判决提供了一种新的方法。目前已有研究基于效用函数进行通信系统优化设计，如文献[俞一帆，白勇，陈岚，在异构无线网络中选择网络的方法和装置，公开号101287280，
公开日2008年10月15日]提出异构无线网络中选择网络的方法和装置，通过建模各网络的效用函数，并结合用户及网络的属性权重向量，评估各网络的综合效用值，从而选取最终候选网络；文献[刘干，周亮，周鑫等，一种基于博弈论的认知无线电网络FDM信道选择方法，公开号101321388，
公开日2008年12月10日]提出一种基于博弈论的认知无线电网络FDM信道选择方法，建模二级用户的效用函数，各二级用户依次选择使其效用函数最大的传输信道，直至系统收敛，实现所有二级用户的信道优化选择。异构融合网络用户宽带接入应用中，各网络通过为用户提供接入服务，获得相应收益，该收益由用户数量，用户占用带宽，用户之间的竞争以及网络为用户提供服务所付出成本等因素决定，一方面，各接入网络均以自身收益最大化为资源分配及性能优化的目标，另一方面，各接入网络之间存在的用户资源激烈竞争的关系，导致各接入网络独立收益最大化无法实现，因此，建模系统联合收益函数，通过用户优化接入选择及垂直切换，实现各异构融合接入网络联合收益的最大化成为高效、公平的系统优化方案。本专利建模接入网络联合收益函数，通过优化用户信息，实现联合网络收益最大化及用户优化垂直切换。
发明内容
针对现有异构融合网络垂直切换判决技术中难以兼顾网络效用的提高及用户QoS保障，本发明提出一种基于网络联合效用优化及负载均衡的异构网络垂直切换方法，在异构网络共同覆盖区域内，基于负载均衡及用户切换总数等限定条件，最大化网络联合效用，以实现用户优化垂直切换。具体步骤为
采集接入网络的用户信息，建立维数为
(^1 + ^2+……+I/)x2的用户信息矩阵尤，其中，Χ中元素为对应用户所占用带宽，调用公式P=计算接入网络联合收益函数，根据带宽成本函数及带宽竞争函数确定网络为用户提供服务所付出的成本函数￡(1)，根据切换代价行矩阵k切换用户列矩阵Z，调用公式孖=SZ计算用户切换代价函数，根据接入网络联合收益函数、成本函数￡(1)
、用户切换代价函数调用公式U(I) =汽1)-￡(幻-叫I)计算网络联合效用函数叫I)
，根据网络负载均衡条件和用户切换总次数，获得最大联合效用对应的优化用户信息矩阵X‘，得到最佳切换用户向量矩阵Ir，发送切换控制命令对中非零元素对应的用户执行切换，其中，/为长度为( + +......+ )的单位行向量；P0为维数2x1的收益算子矩
阵，接入网络プ中用户数为巧，如接入网络I中用户数为F1。X由用户占用带宽、用户业务类型及当前接入网络确定，J中元素为用户所占用 带宽，
权利要求
1.一种基于网络联合效用优化及负载均衡的异构网络垂直切换方法，其特征在于采集接入网络的用户信息，建立维数为( + ^2+……的用户信息矩阵其中，I中元素为对应用户所占用带宽，调用公式P=计算接入网络联合收益函数，根据带宽成本函数及带宽竞争函数确定网络为用户提供服务所付出的成本函数￡(1)，根据切换代价行矩阵S、切换用户列矩阵Z，调用公式= m计算用户切换代价函数，根据接入网络联合收益函数、成本函数、用户切换代价函数调用公式= 计算网络联合效用函数叫O,根据网络负载均衡条件和用户切换总次数，获得最大联合效用对应的优化用户信息矩阵if4，得到最佳切换用户向量矩阵2’，发送切换控制命令对Z‘中非零元素对应的用户执行切换，其中力长度为(nI +^2+......+Nj)的单位行向量；Pq为维数2x1的收益算子矩阵，接入网络J中用户数为巧。
2.根据权利要求I所述的异构网络垂直切换方法，其特征在于用户信息矩阵由用户占用带宽、用户业务类型及当前接入网络确定，X中元素=^i4或O，为第j个网络中第i个用户所占用的带宽，当有两个接入网络时，I中第I列的第I至的行元素值为接入网络I中用户所占用带宽，第巩+〗至珥+均行元素为O，r第2列的第I至AZ1行元素值为O，第珂+1至F1+沁行为接入网络2中用户所占用带宽。
3.根据权利要求I所述的异构网络垂直切换方法，其特征在于确定切换用户列矩阵2具体为根据用户是否执行切换，设置用户信息矩阵I中对应元素建立切换后用户信息
4.根据权利要求I所述的异构网络垂直切换方法，其特征在于如第A类业务的用户切换网络所付出的代价为&，第J个网络中第左类业务的用户数为^ 4=1，2，…，工则网络切换代价行矩阵Z为
5.根据权利要求I所述的异构网络垂直切换方法，其特征在于采用二次效用函数表
6.根据权利要求I所述的异构网络垂直切换方法，其特征在于调用公式
7.根据权利要求3所述的异构网络垂直切换方法，其特征在于用户切换后用户信息矩阵文构造规则如下若X中第i个用户未执行切换，则~ ;若i中第i个用户执行切换,则i = xu ,,矩阵的映射规则为若& = O ,则:^ = O ;若& f O，则& = 1 > X'-^Y'的映射规则类似。
全文摘要
本发明公开一种基于网络联合效用优化及负载均衡的异构网络垂直切换方法，属于无线通信技术领域。本发明通过对异构接入网络共同覆盖区域用户的优化垂直切换及接入网络选择，实现接入网络间负载均衡及网络联合效用最大化。建立用户信息矩阵，建模网络联合效用函数，在给定接入网络负载均衡及联合网络用户切换次数等条件下，通过最大化网络联合效用，得到优化用户垂直切换及网络选择方案。本发明实现异构融合网络中，综合考虑接入网络负载、用户切换次数及用户业务特性等因素的用户垂直切换及网络选择方案，并实现网络综合收益的最大化及用户服务质量(QualityofService，QoS)增强。
文档编号H04W28/08GK102625370SQ20121011684
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月20日 优先权日2012年4月20日
发明者尹睿哲, 柴蓉, 陈前斌 申请人:重庆邮电大学