一种基于QoE的分布式分层异构网络用户基站匹配方法与流程

本发明涉及一种网络用户-基站的匹配方法，具体的说是一种基于QoE的分布式分层异构网络用户基站匹配方法。
背景技术：
：随着4G和未来5G网络中高清高速业务的不断增长，密集布设的小蜂窝是增加系统容量、改善网络覆盖的一种重要技术手段。在未来的异构无线网络中，移动终端有能力根据当前需要动态选择和连接最适合的网络，需要实现不同异构基站和业务异构用户间的最佳匹配。不同的用户-网络匹配原则对于用户接入的结果在很大程度上有很大影响，目前通用的接入准则主要都是基于物理层指标，如带宽、接收信号强度、信干噪比、包丢失率、吞吐量等。T.Q.S.Quek等人（T.Q.S.Quek,G.delaRoche,I.Guvenc,andM.Kountouris.”Smallcellnetworks:Deployment,techniques,andresourcemanagement,”CambridgeUniversityPress,2013.）提出一种实际的基于接收信号强度signalreceivedpower(RSRP)基站接入方案。T.Zhou等人（T.Zhou,Y.Huang,W.Huang,S.Li.”QoS-AwareUserAssociationforLoadBalancinginHeterogeneousCellularNetworks,”IEEEVehicularTechnologyConference(80thVTCFall),pp.1-5,Sep.2014.）联合考虑了基站的负载和用户的可达速率，提出了一种基于梯度下降法的不同网络权重的混合优化解决方式。然而，他们都没有考虑用户体验质量在基站选择中所起的作用。而用户接入基站的目的是实现高质量服务从而满足不同的用户需求。现存的接入准则大都忽略了作为通信主体的用户的感受，忽略了更高层次的用户需求，不能达到用户需求的多样化增益。用户体验质量Qualityofexperience(QoE)是通信类产品和服务的重要指标，反映了用户对业务质量的主观评价，已经受到学界和通信企业的极大关注。由于应用业务类型和用户偏好的多样性，不同的用户对于相同的数据速率会产生不同的QoE。从用户需求的角度来说，当用户的QoE不再增加的时候，更大的吞吐量将是无意义的。换言之，增加更高的吞吐对于特定用户的收益来说并不像想象中的明显。以QoE驱动的用户-基站匹配方式会在不带来任何额外资源投资的情况下，避免盲目追求速率容量，用有限的资源满足更多的用户需求，带来公平和资源利用效率的提升。对于用户-基站匹配的研究主要分为中心式和分布式两种方式，现有的实际应用都是采用中心式用户选择的方式。P.Xue,P.Gong等人（P.Xue,P.Gong,J.H.Park,D.Park,andD.K.Kim.”Radioresourcemanagementwithproportionalrateconstraintintheheterogeneousnetworks,”IEEETrans.WirelessCommun.,vol.11,no.3,pp.1066-1075,Mar.2012.）提出了一种中心式用户网络选择算法，最大化了整个网络用户的和速率。然而与以往单一运营商布设的集中控制基站不同，小微蜂窝基站具有自组织自优化特性，使之很难以一种中心式方法进行同一规划和控制，很难获得全局信息。因此传统的中心式接入方式很难使用在未来的密集分层网络中。杜志勇等人（Z.Du,Q.Wu,P.Yang,etal.”Exploitinguserdemanddiversityinheterogeneouswirelessnetworks,”IEEETrans.WirelessCommun.,vol.14,no.8,pp.4142-4155,Aug.2015.）提出了一种基于潜博弈的分布式基站选择算法，但是具有较高的迭代次数，在短时间内很难收敛，并且需要大量的信息交互，在实际应用中难以实现。从现有技术来看，研究小微基站和宏基站共存的异构网络的用户-网络分布式匹配问题具有十分重要的意义。技术实现要素：为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种根据用户需求，最大化提升整个网络接入用户的QoE的用户-基站匹配方法，使用服务体验平均打分Meanopinionscore(MOS)代替一般的物理层用户-网络匹配标准，能够灵活选择两种各具优势的转移匹配算法来寻找最优用户-网络匹配解，相比其他物理层用户接入标准，会获得潜在的性能增益。为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：一种基于QoE的分布式分层异构网络用户基站匹配方法，具体的步骤为：阶段一、初始化用户选择和服务信息计算阶段：步骤一、用户发现所有可用的基站；步骤二、用户随机接入一个基站或者接入最近的基站，然后向所有可用的基站报告位置信息和业务类型；步骤三、所有基站根据实际的用户接入情况计算基站内用户的传输速率以及用户体验质量得分，创建服务用户列表，并根据用户体验质量得分和服务用户列表计算自身服务效用；阶段二、用户匹配阶段：步骤四、基站以增加自身服务效用为目的，根据用户的位置信息向其余可用基站轮询发出用户转移匹配申请或者用户交换匹配申请，同时设定最大轮询次数；步骤五、被申请基站根据自身服务效用是否提升来选择接受申请或者拒绝申请，若自身服务效用提升则接受申请并更新自身服务用户列表，若自身服务效用降低或者不变则拒绝该申请；步骤六、达到设定的最大轮询数完毕，匹配结束。作为优选，所述步骤二中的位置信息采用是否在某个基站的服务范围内来表示，如在某个基站服务范围内则记为1、不在某个基站服务范围内记为0，所有基站对用户的标记共同组成用户的位置坐标；所述业务类型采用编号的形式进行发送。作为优选，所述业务类型的编号方式为：如语音服务编号为1、普通视频编号为2、高清视频编号为3。作为优选，所述步骤三中的用户传输传输速率为物理层实际速率，用户m接入SBSn（基站n）的速率的计算方法为：，其中表示用户n可用带宽，表示用户n的信号发射功率，为SBSn到用户m的路径增益，为带宽内的噪声功率；用户m接入到SBSn的平均吞吐的计算方法为：，其中，表示用户m服务所占SBSn的权重，表示SBSn内被服务用户的权重和，表征出网络的负载和不同业务类型对资源的占用情况。作为优选，所述步骤三中的用户体验质量得分的计算方法为：其中，代表平均用户吞吐速率，由用户业务类型通过用户体验质量的打分数据统计得到，分别对应该业务类型所需的用户平均吞吐速率的下限值和满足流畅传输需要的推荐值，a与b是2个计算参数且随业务类型同步改变；定义用户m匹配基站的服务效用为：；则最大化的系统级全网QoE（用户体验质量）表示如下：，，，其中代表用户m接入SBSn的状态指示，0为未接入，1为接入。作为优选，所述步骤四中的用户转移匹配申请或者用户交换匹配申请的方法为：首先相邻的基站组成联盟，彼此交换信息，同一基站参加一个联盟或者多个不同的联盟，当来自不同联盟的轮询发生碰撞时，先到为主，后到的联盟轮询申请会被所轮询基站自动放弃；然后选择一个SBSn，创建随机数，当rand<0.5时，进行用户转移匹配，即把SBSn中的用户m调换至中，SBSn先从服务列表中随机选择一个用户，如果，则SBSn发送转移申请到邻居；如果，则同意SBSn发送转移申请，否则拒绝SBSn发送转移申请；当rand>0.5时，则进行用户交换匹配，即把SBSn中的用户m和中的用户m’相互交换，在SBSn和中各随机找到一个用户组成用户对，如果，SBSn发送交换申请给邻居；如果；，则同意SBSn发送的交换申请；否则拒绝SBSn发送的交换申请；以上为一次循环的过程，直到不存在或达到迭代数达到上限值则轮询结束。作为优选，所述步骤四中的用户转移匹配申请或者用户交换匹配申请的方法为：首先相邻的基站组成联盟，彼此交换信息，同一基站参加一个联盟或者多个不同的联盟，当来自不同联盟的轮询发生碰撞时，先到为主，后到的联盟轮询申请会自动被所轮询基站放弃；所述轮询为迭代式轮询，首先选择一个SBSn，创建随机数；当rand<0.5时，SBSn从服务列表中随机选择一个用户，并计算，其中是学习步长，SBSn以为概率发送转移申请到邻居；如果，，则同意SBSn发送的转移申请，否则拒绝SBSn发送的转移申请；当rand>0.5时，则进行用户交换匹配，在SBSn和中各随机找到一个用户组成用户对，并计算，然后SBSn以为概率发送交换申请到邻居，如果；，则同意SBSn发送的交换申请，否则拒绝SBSn发送的交换申请；以上为一次循环，直到不存在或迭代达到上限值则循环结束。有益效果：1、本发明利用用户体验质量作为用户基站匹配的标准，相对于传统的单纯地以物理层传输速率为标准或者就近接入的方式相比，既能够保证对用户的服务质量，而且能够合理化分配硬件资源，避免了用户盲目最求速率最大化而带来的资源浪费问题；2、提供两种匹配算法，具有简单的机构、好的通用性和扩展性，两种算法在收敛速度和基站用户匹配结果上各有特点，可根据实际网络的硬件的计算能力和信息交互能力经行灵活选择；3、分布式方式进行基站和用户的匹配，更加适用于未来5G网络的密集自组织组网的网络特性。附图说明图1是用户基站匹配系统模型图；图2是用户应用体验转化模型；图3是两种匹配方式示意图；图4是仿真结果与对比现有技术的优势示意图。具体实施方式下面根据附图具体说明本发明的实施方式。一种基于QoE的分布式分层异构网络用户基站匹配方法，具体的步骤为：阶段一、初始化用户选择和服务信息计算阶段：步骤一、用户发现所有可用的基站；步骤二、用户随机接入一个基站或者接入最近的基站，然后向所有可用的基站报告位置信息和业务类型；步骤三、所有基站根据实际的用户接入情况计算基站内用户的传输速率以及用户体验质量得分，创建服务用户列表，并根据用户体验质量得分和服务用户列表计算自身服务效用；阶段二、用户匹配阶段：步骤四、基站以增加自身服务效用为目的，根据用户的位置信息向其余可用基站轮询发出用户转移匹配申请或者用户交换匹配申请，同时设定最大轮询次数；步骤五、被申请基站根据自身服务效用是否提升来选择接受申请或者拒绝申请，若自身服务效用提升则接受申请并更新自身服务用户列表，若自身服务效用降低或者不变则拒绝该申请；步骤六、达到设定的最大轮询数完毕，匹配结束。所述步骤二中的位置信息采用是否在某个基站的服务范围内来表示，如在某个基站服务范围内则记为1、不在某个基站服务范围内记为0，所有基站对用户的标记共同组成用户的位置坐标；所述业务类型采用编号的形式进行发送，如语音服务编号为1、普通视频编号为2、高清视频编号为3。所述步骤三中的用户传输传输速率为物理层实际速率，用户m接入SBSn（基站n）的速率的计算方法为：，其中表示用户n可用带宽，表示用户n的信号发射功率，为SBSn到用户m的路径增益，为带宽内的噪声功率；用户m接入到SBSn的平均吞吐的计算方法为：，其中，表示用户m服务所占SBSn的权重，表示SBSn内被服务用户的权重和，表征出网络的负载和不同业务类型对资源的占用情况。如图2所示，所述步骤三中的用户体验质量得分可与用户的实际可达速率表示为一种拟对数函数关系，具体的计算方法为：其中，代表平均用户吞吐速率，由用户业务类型通过用户体验质量的打分数据统计得到，分别对应该业务类型所需的用户平均吞吐速率的下限值和满足流畅传输需要的推荐值，a与b是2个计算参数且随业务类型同步改变；定义用户m匹配基站的服务效用为：；则最大化的系统级全网QoE（用户体验质量）表示如下：，，，其中代表用户m接入SBSn的状态指示，0为未接入，1为接入。如图3所示，所述步骤四中的用户转移匹配申请或者用户交换匹配申请的第一种方法为：采用贪婪算法，首先相邻的基站组成联盟，彼此交换信息，同一基站参加一个联盟或者多个不同的联盟，当来自不同联盟的轮询发生碰撞时，先到为主，后到的联盟轮询申请会被所轮询基站自动放弃；然后选择一个SBSn，创建随机数，当rand<0.5时，进行用户转移匹配，即把SBSn中的用户m调换至中，SBSn先从服务列表中随机选择一个用户，如果，则SBSn发送转移申请到邻居；如果，，则同意SBSn发送转移申请，否则拒绝SBSn发送转移申请；当rand>0.5时，则进行用户交换匹配，即把SBSn中的用户m和中的用户m’相互交换，在SBSn和中各随机找到一个用户组成用户对，如果，SBSn发送交换申请给邻居；如果；，则同意SBSn发送的交换申请；否则拒绝SBSn发送的交换申请；以上为一次循环的过程，直到不存在或达到迭代数达到上限值则轮询结束。如图3所示，所述步骤四中的用户转移匹配申请或者用户交换匹配申请的第二种方法为：采用轮盘赌算法，首先相邻的基站组成联盟，彼此交换信息，同一基站参加一个联盟或者多个不同的联盟，当来自不同联盟的轮询发生碰撞时，先到为主，后到的联盟轮询申请会自动被所轮询基站放弃；所述轮询为迭代式轮询，首先选择一个SBSn，创建随机数；当rand<0.5时，SBSn从服务列表中随机选择一个用户，并计算，其中是学习步长，SBSn以为概率发送转移申请到邻居；如果，，则同意SBSn发送的转移申请，否则拒绝SBSn发送的转移申请；当rand>0.5时，则进行用户交换匹配，在SBSn和中各随机找到一个用户组成用户对，并计算，然后SBSn以为概率发送交换申请到邻居，如果；，则同意SBSn发送的交换申请，否则拒绝SBSn发送的交换申请；以上为一次循环，直到不存在或迭代达到上限值则循环结束。如图1所示，考虑在一个60米方形区域内随机布设4个微蜂窝基站，和32个用户，小蜂窝传输功率为20dBm，传输半径为20米。用户存在3种应用，分别是视频会议，高清视频通话，一般视频通话，根据Skype公司公布的速率要求，3种应用的最低速率和推荐速率下表所示：应用类型最小速率推荐速率视频会议512kbps2Mbps高清视频通话1.2Mbps1.5Mbps一般视频通话128kbps500kbps使最低速率和推荐速率分别代表MOS打分中的2分和4分。基于这两个值，可以得出相应应用速率的具体QoE转化函数。在本发明中各种应用需要设置权重，它反映出不同应用在系统中所占用或需要分配的资源的多少，在实际应用中，比如表1中的三种应用，可根据情况设置成等权重或者非等权重，例如或者。图4为本发明所用用户-网络匹配与现有技术在仿真设置4基站服务32个用户的重负载条件下的效果对比。从用户满意角度来看，所提算法的用户满意度在90%以上，其中高满意度用户占比75%。而基于信号强度的匹配方式的用户满意度只有15%，无高满意用户；基于速率的的匹配方式的用户满意度78%，高满意用户占59%。相比于2种常用方式，所提算法在用户满意度上有较大的提高。与现有技术相比，本实施例提出了一种新的用户基站配对机制，实现了更加高效的资源分配。与传统的以容量速率或信号接收功率为标准的基站接入相比，可带来整体网络的平均用户体验质量的大幅提高。本发明所提的两种算法具有简单的机构、好的通用性和扩展性。两种算法在收敛速度和基站用户匹配结果上各有特点，可根据实际网络的硬件的计算能力和信息交互能力经行灵活选择。本发明的社会效用可基于不同的接入目标被灵活定义。比如可以把MOS得分大于3的效用设为1。低于3的设为0。在这种情况下，就可得到公平性更好的用户基站匹配结果。本发明把用户体验质量QoE作为基站选择和接入过程的判决，是应用层的标准，保证了用户的业务服务感受，且避免了用户盲目最求速率最大化而带来的资源浪费问题。并且本发明是分布式方式进行基站和用户的匹配，更加适用于未来5G网络的密集自组织组网的网络特性。当前第1页1 2 3