一种基于协同学的异构网络接入控制方法
【专利摘要】一种基于协同学的异构网络接入控制方法是无线网络中一种从网络资源利用率和用户满意度来考虑用户请求是否接入的方法。本发明采用协同学的方法，以两个网络重叠覆盖区域中选择各个网络的用户数比例为序参量，进而建立协同学方程，分析使系统吞吐量最大的用户比例；当处于重叠区域的用户请求接入新业务时，根据当前重叠区域中已经接入两个网络的用户数比例以及两个网络的信道占用情况，对用户业务进行接入控制。基于协同学的接入控制方法在提高系统吞吐量的同时也顾虑到了用户的满意度。本发明简单实用，可以在异构无线网络的接入控制方法中得到广泛使用。
【专利说明】-种基于协同学的异构网络接入控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明是一种适用于异构无线网络的协同学接入控制方法，属于通信【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 协同学是研究一个系统从无序到有序的演化规律和特征，是对各种不同环境中大 量客体（电子、原子、分子、细胞、神经元、生物器官、人、交通工具等）在宏观尺度内产生的 空间的、时间的或时空结构的系统及其作用方式进行的跨学科方向。协同系统是指由许多 子系统组成、能以自组织方式形成宏观的空间、时间或功能有序结构的开放系统。
[0003] 异构无线网络由采用不同无线接入技术的无线接入网络组成，这些无线接入网络 就是子系统，子系统之间相互作用，相互影响。异构无线网络是一协同系统，系统的性能和 效益则是由子系统间的合作性质所决定的，故可以采用协同学来研究。
[0004] 协同学解决问题的一般方法分为以下几步：
[0005] (1)把要解决的问题翻译成数学问题，通常是建立系统的数学模型；
[0006] (2)找出系统的序参量，序参量主宰了系统的最终结构和功能的有序度；
[0007] (3)根据数学模型，建立相应的运动方程，即主方程；
[0008] (4)分析求解运动方程；进一步得到系统优化方程或势函数，找出系统的相变点， 分析系统的稳定性；
[0009] 异构无线网络的融合成为一个研究热点，不同的无线接入网络在适合的传输业 务、覆盖范围以及可传输的最大数据速率等方面存在很大差异。利用这些无线网络的差异 为处于异构无线网络覆盖区域的用户选择合适的网络，使网络资源得到充分利用的同时保 证用户的满意度，这是异构无线网络融合的关键。由于协同学是一种研究系统宏观特征的 方法，所以在本发明中研究网络性能的变化时，不能对系统中的一个个用户的特征以及他 们和子系统的相互作用进行分析，而需要采用宏观量来描述统计行为。宏观上网络性能和 用户整体满意度与网络的资源调度策略相关。本发明将两个网络重叠区域中选择各个网 络进行接入的用户数比例作为序参量，通过选择最优的序参量，使得整个系统的资源得到 最优配置，并且以此指导重叠覆盖区域的新到达业务进行接入，从而在提高网络吞吐量的 同时降低用户接入的阻塞率。
[0010] 在既定的无线网络资源下，每个网络所能提供的最大单信道数据传输速率是一定 的。网络不断开发新技术以致力于提高网络资源利用率，提升网络吞吐量。用户真正关心的 是分配给他的资源能否满足其需求，以及自身业务不被阻塞的概率。本发明基于协同学理 论，找到重叠区域新到达用户合理接入的方法，同时兼顾网络的效益和宏观的用户满意度。
【发明内容】
[0011] 技术问题：本发明的目的是提供一种基于协同学的异构网络接入控制方法。该方 法通过对协同学中的运动方程进行分析，找到系统吞吐量的相变点，兼顾网络效益和宏观 的用户满意度，确定出重叠覆盖区域接入两个相邻网络的最优用户数比例，使得以这种比 例接入用户时，系统资源得到充分利用，系统吞吐量达到最大，同时用户满意度得到保证， 业务阻塞率得以降低。当重叠区域用户请求接入新业务时，根据当前重叠区域用户比例与 最优用户比例的关系，选择是否接入此用户，以及将其接入哪个网络。
[0012] 技术方案：本发明旨在从宏观角度对异构网络性能进行分析，并提出一种接入控 制方法，使得系统资源得到优化配置，系统吞吐量达到最大，同时保证用户满意度，降低用 户业务阻塞率。
[0013] 用协同学实现该方法的基本过程是：
[0014] 1)建立异构网络系统模型，确定系统序参量；这里考虑的异构网络系统只包含 UMTS网络和WiMax网络，但相关方法和思路同样适用于多个网络或其他网络的场景；确定 的序参量为网络重叠覆盖区域中选择UMTS和WiMax进行接入的用户数比例p ;
[0015] 2)引入各个网络被占用信道数的概率分布函数P(i，t)，建立概率分布函数 p(i，t)的运动方程，即主方程，并对主方程进行分析，确定系统在稳态时不同信道数被占用 的概率；
[0016] 3)建立系统吞吐量优化方程，找出系统资源充分利用的相变点；根据系统吞吐 量优化方程，求解使系统吞吐量最大的用户数比例P_ ;
[0017] 4)依据相变点对重叠区域新到达用户业务进行接入控制；当处于重叠区域的用 户请求接入时，若当前重叠区域已经接入UMTS和WiMax的用户数比例小于ρ_，并且UMTS 有可用信道，则将用户接入UMTS ;若UMTS没有可用信道，则尝试将用户接入WiMax，此时，若 WiMax有可用信道，则将用户接入WiMax ;若WiMax没有可用信道，则用户业务被阻塞；反之 亦然。
[0018] 有益效果：本发明方法提供了一种基于协同学的异构网络接入控制方法。该方法 通过对协同学中的运动方程进行分析，找到系统资源充分利用的相变点，确定重叠区域中 接入相邻两个网络的最优用户数比例，使得以这种比例接入用户时，系统资源得到充分利 用，系统吞吐量达到最大，同时用户满意度得到保证，业务阻塞率得以降低。该方法相对于 其他异构网络接入控制方法，能够从宏观上对系统资源进行调度，提高系统资源利用率，最 大化系统吞吐量，同时降低用户业务阻塞率。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1异构无线网络系统图。
[0020] 图2接入控制流程图。
【具体实施方式】
[0021] 处于网络重叠覆盖区域的用户接入各个网络的用户数比例是反映系统对资源进 行整体调度的重要参数。在异构网络系统中，各个网络的覆盖范围、最大数据传输速率以及 信道资源是固定的。各个网络的资源由自身与其他网络非重叠区域的用户以及自身与其他 网络重叠区域的用户共享。同时，处于多个网络重叠覆盖区域的用户可以选择多个网络进 行接入。但是，能否合理配置重叠区域的用户接入各个网络的用户数比例，这极大影响了系 统资源利用率和用户满意度。
[0022] 本发明是一种基于协同学的异构网络接入控制方法。该方法首先建立异构网络系 统模型，确定重叠区域中选择各个网络的用户数比例为序参量，并引入各个网络被占用信 道数的概率分布函数；进而建立概率分布函数的主方程，并对主方程进行分析，确定系统在 稳态时不同信道数被占用的概率；然后建立系统吞吐量优化方程，找出系统资源充分利用 的相变点；最后依据相变点对用户进行接入控制，使得以相变点进行接入控制时，系统资 源得到充分利用，系统吞吐量得到最大，并且用户业务阻塞率得以降低。
[0023] 结合附图，对本发明方案作进一步的具体分析和描述。该发明方法包括4个过程 并按所述顺序进行：
[0024] 1)建立异构网络系统模型，确定系统序参量
[0025] 本发明适合多种异构无线网络融合的场景，为了简便，本发明考虑的异构无线网 络系统由UMTS和WiMax两个网络构成，如附图1所示；(!"((!")、N(M)和分别表示 UMTS (WiMax)的覆盖半径、信道数和单信道的数据传输速率；UMTS和WiMax重叠覆盖区域 的业务到达率服从λ °的泊松分布，UMTS和WiMax非重叠覆盖区域的业务到达率分别服从 λ u和λ w的泊松分布，业务持续时间服从均值为1/ μ的指数分布，用户的平均移动速度为 ν ;
[0026] 对于单个子网络，其信道资源由处于网络重叠区域的用户和处于非重叠区域的用 户共享；单个子网络的状态可用当前被用户业务所占用的信道数i来描述，假设一个用户 业务只占用一个网络信道，那么网络可从状态i转移到状态i+Ι或i-Ι，反之亦然；
[0027] 处于网络重叠覆盖区域的用户既可以选择UMTS进行接入，也可以选择WiMax进行 接入；为了使异构网络系统资源得到充分利用，本发明将UMTS和WiMax的网络重叠区域中 选择UMTS和WiMax进行接入的用户数比例p确定为序参量；
[0028] 将UMTS从状态i转移到状态i+Ι的转移率记为yf，那么，芩应包括非重叠区域 的业务到达率λ u、重叠区域的业务到达率以及从其它网络到UMTS的平均业务切换率If， 即：
【权利要求】
1. 一种基于协同学的异构网络接入控制方法，其特征在于该方法基于协同学的角度， 通过建立以重叠区域接入两个网络的用户数比例为序参量的协同学方程，得到使系统吞吐 量最大的用户数比例，进而对重叠区域的用户进行接入控制，具体包括如下步骤： 步骤1 :建立异构网络系统模型，确定系统序参量； 异构无线网络系统有UMTS和WiMax两个网络；屯(dw)、N(M)和Ru (Rw)分别表示 UMTS (WiMax)的覆盖半径、信道数和单信道的数据传输速率；UMTS和WiMax重叠覆盖区域 的业务到达率服从λ °的泊松分布，UMTS和WiMax非重叠覆盖区域的业务到达率分别服从 λ u和λ w的泊松分布，业务持续时间服从均值为1/ μ的指数分布，用户的平均移动速度为 ν ; 对于单个子网络，其信道资源由处于网络重叠区域的用户和处于非重叠区域的用户共 享；UMTS系统的状态可用当前被用户业务所占用的所有信道数i来描述，其中，0 < i < Ν ; 假设一个用户业务只占用一个网络信道；那么网络可从状态i转移到状态i+1或i-1，反之 亦然； 确定UMTS和WiMax重叠区域中选择UMTS和WiMax进行接入的用户数比例p为序参 量； 步骤2 :建立概率分布函数的主方程，并对主方程进行分析，确定系统在稳态时不同信 道数被占用的概率； 以概率分布函数P(i，t)表示t时刻UMTS网络被占用信道数为i的概率，P(i，t)服从 如下的动态概率平衡方程，即建立的P(i，t)的主方程为： uP{lJ、= [iv4 (/ i- 1)P(/ i- It) - w l (f)PU,f)] dt +[wt (i)P(i,t)] 上式含义：概率构型P(i，t)随时间的变化由两个相对的项组成；第一个项描述了单位 时间内从所有相邻概率构型到概率构型P(i，t)的概率流，第二个带负号的项抽象的是从 概率构型P(i，t)到所有相邻概率构型的概率流； 当系统处于稳态时，令=〇，可得 dt w I (i+l)Pst(i+l) =w f (i)Pst(i) 可以得到稳态概率分布Pst (i) (n γ1 <，(，·)= Σ((，)7/·/!) W);//!， Vi=° J 其中 u λυ+ρλ°+Αξ π =-- μ+2ν/{π?ν) UMTS处于稳态的平均用户数Μ"可由Μ, = (7)得到；同样的，可以得到WiMax处于 稳态时的平均用户数Mw; 步骤3 :建立系统吞吐量优化方程，找出系统资源充分利用的相变点； 依据UMTS和WiMax处于稳态时的平均用户数％和Mw，UMTS和WiMax的单信道数据传 输速率^和心，可以得到异构网络系统总的平均吞吐量即为 T(p) = RA+RwMw (7) 本发明旨在使用最优的P来最大化系统的总平均吞吐量；因此，本发明的优化问题可 以表述为 max T (p) = RuMu+RwMw s. t. Ο ^ p ^ 1 (8) 可以通过迭代方法求得使系统总平均吞吐量最大的P，即P_ ;P_即为异构网络系统 吞吐量的相变点，在最优用户数比例，异构网络的总系统吞吐量达到最大，并且此时 系统处于稳态； 步骤4 :依据相变点对用户进行接入控制； UMTS和WiMax的重叠覆盖区域有新业务到达，若当前重叠区域已经接入UMTS和WiMax 的用户数比例小于，并且UMTS有可用信道，则将用户接入UMTS ;若UMTS没有可用信道， 则尝试将用户接入WiMax，此时，若WiMax有可用信道，则将用户接入WiMax ;若WiMax没有 可用信道，则用户业务被阻塞； 反之，若当前重叠区域已经接入UMTS和WiMax的用户数比例大于等于p。#，并且WiMax 有可用信道，则将用户接入WiMax ;若WiMax没有可用信道，则尝试将用户接入UMTS，此时， 若UMTS有可用信道，则将用户接入UMTS ;若UMTS没有可用信道，则用户业务被阻塞。
【文档编号】H04W48/18GK104113876SQ201410259648
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年6月11日 优先权日:2014年6月11日
【发明者】朱晓荣, 赵亚南, 王勇, 杨龙祥, 朱洪波 申请人:南京邮电大学