专利名称：异构无线环境下多网协作传输的资源分配系统及方法
技术领域：
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种异构无线环境下多网协作传输的资 源分配系统及方法。
背景技术：
未来无线通信系统将包含多种无线接入网络，包括蜂窝通信系统、802. 16xWIMAX 等无线广域网络、802. Ilx WLAN无线局域网络及蓝牙、Zigbee等无线个域网络。因此，异构 及合作将是未来无线通信系统的重要特征。然而，如何利用网络的异构性，使得具有不同传 输能力的系统相互协同以共同为用户服务，成为了当前异构网络研究的热点。当前广泛应用于单一网络中的单模终端，由于终端能力及网络传输能力有限，并 不能支持所有业务，尤其是面向下一代移动通信系统的多媒体业务，因此，在目前对异构无 线网络的研究中，大多认为用户终端是多模终端，具备同时接入多个无线系统的能力。然 而，如果终端同时与多个不同的网络保持连接以传输数据，将需要多套工作于不同频段、不 同功率的收发机，这对于功率受限及硬件复杂度受限的终端设备来说，无疑是极大的挑战。
发明内容
(一 )要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是扩展设备终端可支持的业务种类，优化系统性能。( 二 )技术方案为实现上述目的，本发明提供了一种异构无线环境下多网协作传输的资源分配系 统，该系统包括网络侧无线资源管理模块以及终端侧无线资源管理模块，所述网络侧无线 资源管理模块包括业务分流单元，用于根据网络承载能力以及不同网络之间的约束条件， 将一个业务分为多个业务子流；业务控制单元，用于对所述多个业务子流进行处理，并将其 分别通过不同的无线接入网络传输至终端侧；所述终端侧无线资源管理模块包括协商单 元，用于识别设备终端接收到的业务子流，并将终到设备终端IP地址并非本设备终端IP地 址的业务子流转发到所述业务子流相应的终到设备终端。其中，所述业务控制单元进一步包括封装子单元，用于对于所述业务子流进行封 装，设置转发位，填充其目的地址以及转发地址。一种基于权上述异构无线环境下多网协作传输的资源分配系统的资源分配方法， 该方法包括步骤Si.根据网络的承载能力以及不同网络之间的约束，将一个业务流分为多个业务 子流；S2.对所述多个业务子流进行处理，并将其分别通过不同的接入网络传输至终端 侧；S3.终端设备接收并识别接收到的业务子流，判断接收到的业务子流的终到设备 终端IP地址是否为本设备终端IP地址，若不是，则将所述业务子流转发至其相应的终到设备终端。其中，在步骤Sl中，将一个业务流分为多个业务子流的原则为使得系统整体传 输时延最小。其中，在步骤S2中，对所述多个业务子流进行封装处理，其中，对于直接发送至终 到设备终端的业务子流，在封装时，将转发位设置为“0”，目的地址设置为终到设备终端IP 地址；对于发送到非终到设备终端的其他设备终端的业务子流，在封装时，将转发位设置为 “1”，填充包头地址和转发地址，所述包头地址为接收所述业务子流的设备终端IP地址，所 述转发地址为所述业 务子流的终到设备终端IP地址。其中，在步骤S3中，若终端设备识别业务子流的转发位为“ 1 ”，则根据所述转发地 址将所述业务子流转发到所述终到设备终端。(三)有益效果本发明提出的异构无线环境下多网协作传输的资源分配系统及方法，充分利用了 异构无线环境下各无线接入网络的传输能力，将业务分为多个子流在不同的网络上传输， 不仅可使得只支持单一网络的单模终端能够支持多种业务甚至是高数据速率的业务，还能 充分利用不同网络的资源，实现不同网络间的负载均衡，从而最优化系统性能。
图1为依照本发明一种实施方式的异构无线环境下多网协作传输的资源分配系 统结构图；图2为依照本发明一种实施方式的异构无线环境下多网协作传输的资源分配方 法流程图；图3(a)为本发明实施例的方法中直接发送到终端子系统中主设备终端的数据格 式图；图3(b)为本发明实施例的方法中发送给终端子系统中非主设备终端的数据格式 图；图4为本发明实施例的异构无线环境下无线广域网与无线个域网相互协作、业务 分流及终端子系统示意图；图5为本发明实施例的不同资源分配方法下系统整体传输时延性能图；图6为只考虑广域网系统间负载均衡的资源分配方法与本发明实施例的方法的 系统整体传输时延的性能对比图。
具体实施例方式本发明提出的异构无线环境下多网协作传输的资源分配系统及方法，结合附图和 实施例详细说明如下。本发明提出了终端子系统的概念，S卩，以业务最终到达的单模终端为主设备终端， 而其他连接于不同无线接入网的单模终端通过其他无线个域网与主设备终端相连。从网络 侧观测，终端子系统具有多模终端所拥有的多连接特性，既同时与多个无线通信网络保持 连接，并能同时收发数据。如图1所示，依照本发明一种实施方式的异构无线环境下多网协作传输的资源分配系统，该系统包括网络侧无线资源管理模块，即在网络侧部署的联合无线资源管理实体(Common Radio Resource Management, CRRM)，位于各无线接入网络之上，负责管理及分配包含多个 无线接入网络的系统的整体无线资源。在本发明中，网络侧的联合无线资源管理模块具体 包括业务分流单元(Traffic Splitter)及业务控制单元(TrafficController)。业务分流器用于根据网络承载能力以及不同网络之间的约束条件，将一个大数据速率业务合理 地分为多个业务子流，其内部署有资源分配策略，该策略遵循原则为使得系统整体传输时 延最小化；业务控制单元，由于未来无线通信系统都是基于全IP的网络架构，因此，该模块 根据业务分流单元的决策结果，根据业务子流是否发送至主设备终端而对进行处理，封装 不同的数据格式单元，以建立多网协作模式下的IP传输隧道，并将其分别通过不同的无线 接入网络传输至终端侧，具体传输的方法在下文中进行叙述。业务控制单元还包括封装子 单元，用于对于业务子流进行封装，设置转发标志位以及填充其终到设备终端地址以及转 发地址。终端侧无线资源管理模块，即在终端侧部署的联合无线资源管理实体(Common Radio Resource Management, CRRM)，包括组成终端子系统的各单模设备终端，其接收并 识别接收到的业务流，当读取数据包中的标志位为“1”，表明所接收到的业务流为业务子 流，然后将继续读取该数据包中的转发地址字段，将业务子流按照该转发IP地址发送到其 相应的终到设备终端(即主设备终端)。在本发明中，为了尽可能少的对现有终端结构进行 调整和改变，需要根据网络协同及终端子系统的功能，对终端侧的无线资源管理模块进行 升级，在终端设备增设协商单元，用于协调广域网与个域网的同时连接，防止网络间冲突， 识别接收到的业务子流，对业务子流的转发做出处理，将其发送至相应的设备终端。本发明还提供了一种基于上述系统的异构无线环境下多网协作传输的资源分配 方法，当用户请求具有大数据速率的业务时，由于单模终端及单个无线网络的能力有限，不 能单独承载该业务，将该业务切分为多个业务子流，通过不同的无线接入网络将业务子流 发送到终端子系统中的不同单模终端；最后，业务子流在终端子系统内部通过无线个域网 传输到主设备终端。本发明的方法根据不同无线网络的承载能力及网络之间的约束条件， 将业务合理的分为多个业务子流，分别在不同的网络中传输，将这一资源分配方法归纳为 非线性最优化问题，通过Kuhn-Tucker条件得到全局最优解，使得协作模式下的资源分配 能够实现多个网络间的负载均衡，最终使得系统整体传输时延最小化。如图2所示为依照本发明一种实施方式资源分配方法流程图，该方法包括步骤Si.当用户请求具有大数据速率的业务(例如多媒体业务)时，由于单模终端及单 个无线网络的能力有限，不能单独承载该业务，因此，业务分流单元根据网络的承载能力以 及不同网络之间的约束，将该大数据业务流分为多个业务子流，分配原则遵循使得系统整 体传输时延最小化；S2.业务控制单元对属于该业务流的多个业务子流进行处理，并将其分别通过不 同的接入网络传输至终端侧；S3.设备终端的协商单元接收并识别接收到的业务子流，判断接收到的业务子流 的终到设备终端的IP地址是否为本设备终端的IP地址，若不是，则将该业务子流转发至其相应的终到设备终端。为了实现属于同一业务的多个业务子流在不同的无线接入网中进行传输，并最后 通过无线个域网技术汇聚到主设备终端恢复成原有业务，本发明采用了全IP的网络构架， 即所有无线接入网络都是采用包交换(Packet Switch)。因此网络可以通过IP地址识别不 同的设备终端，即设备终端可以通过分配的IP地址来识别。在步骤Sl中，当大数据速率的业务到达网络侧时，业务分流单元根据将业务分为多个业务子流，并将分配结果告知业务控制单元。因为业务信息中包含其终到设备终端的 IP地址，因此，在步骤S2中，业务控制单元区别对待传输给终端子系统中主设备终端及其 他设备终端的业务子流，由封装子单元对业务子流进行封装处理，对于直接发送到主设备 终端的业务子流，在数据封装时，目的地址使用主设备终端的IP地址，并将转发指示标志 位标识为“0” ；对于发送到终端子系统中其他设备终端的业务子流，在数据封装时，将填充 两个地址，即包头地址和转发地址。包头地址是接收该业务子流的设备终端的IP地址，而 转发地址是该业务最终到达的主设备终端的IP地址。此外，还将转发标志位标识为“1”。当终端侧接收到数据后，在步骤S3中，协商单元将首先剥离包头，读取转发标志 位，若转发标志位为“ 1 ”，则继续读取转发地址，并按照转发地址将该数据发送到与该地址 相应的设备终端；若转发标志位为“0”，则无需转发。如图3(a)和3(b)所示为依照本发明一种实施方式的业务子流数据包格式说明 图。网络侧的业务控制单元将根据图3(a)和3(b)所给的数据包格式为不同的业务子流进 行数据封装。如图3(a)所示，该图给出了直接发送到终端子系统中主设备终端的数据格式，该 数据格式主要分为三部分数据包头包含主设备终端的IP地址；转发标志位lbit，标识 为“0” ；数据承载部分承载业务子流的IP数据包。如图3(b)所示，该图给出了发送给终端子系统中非主设备终端的数据格式，该数 据格式主要分为三部分数据包头包含两个IP地址，首先是该非主设备终端的IP地址， 然后是主设备终端的IP地址；转发标志位让^，标识为“1”;数据承载部分承载业务子流 的IP数据包。网络侧的业务控制单元首先根据第一个IP地址将封装后的数据包发送到相应接 入网的设备终端中，该设备终端中的协商模块接收到数据后，首先读转发标志位，若为“ 1 ”， 则在包头中读取第二个IP地址，并按照该地址将数据包转发到主设备终端。实施例图4示出了本实施例中异构无线环境下无线广域网与无线个域网相互协作、业务 分流及终端子系统的说明图。在该异构无线环境中，有四种不同的无线接入网络，分别记为 无线接入网1(简记为RAN1)、无线接入网2(简记为RAN 2)、无线接入网3 (简记为RAN 3) 及无线接入网4(简记为RAN 4)。其中，RAN URAN 2及RAN 3为无线广域网络，RAN 4为 无线个域网络。而工作在三种不同无线广域网中的终端设备分别为终端1(简记为MT 1)、 终端2 (简记为MT 2)及终端3 (简记为MT 3)，其中MT 1为主设备终端，其余设备终端通过 无线个域网RAN 4连接到MT 1，从而形成终端子系统。如图所示，大数据速率的业务被分为三个业务子流，分别在三个不同的网络上进 行传输，除了直接传输到主设备终端MT 1的业务子流外，其他两条业务子流都必须通过无线广域网与无线个域网的协同传输而最终传输到MT 1，如图中链路2和链路3所示。本实施例所提的多网协作传输的资源分配方法是综合考虑了不同无线广域网的 承载能力及广域网及个域网间的相互限制，从而得到了使得系统整体时延最小的业务分配 方法。以下将上述过程进行数学抽象和数学描述，并寻求最优解。不失一般性，假设当前到来的业务的速率为RMbps，而业务数据包的长度为 Lpbits，假设业务子流数据包到达设备终端的速率服从参数为λ的泊松分布，则有X=R/ Lp。此外，各无线网络的可用无线资源为对)Mbps U=I,2,3 )，而各无线网络的服务速率 服从参数为= 1,2,3)的指数分布，则凡·=对)/Lp。因此可以将业务子流在RAN 1,RAN 2及RAN 3的传输过程抽象为M/M/1排队模型，其中，M为排队论中约定俗成的表示方法第 一个M表示数据包的到达服从泊松分布，第二个M表示网络的服务时间服从指数分布，第三 个参数“ 1，，表示该排队模型只有一个服从窗口。而对于功率受限的通信系统，节省功率的一个有效途径就是提高单位能效的数据 吞吐量，而提高吞吐量在一定程度上取决于系统整体传输时延。时延较大的通信系统，在消 耗相同功率的情况下，其数据吞吐量小于系统平均时延较小的系统。因此，使得系统整体传 输时延最小化的目标可以抽象为minDlotal(k)( 1 )其中λ = (A1, λ2，λ 3)，λ^ = 1,2,3)表示经过业务分流单元后分到RANl， RAN 2及RAN 3中的业务子流的包到达速率。而Dttrtal ( λ )表示不同业务分配方案下的系统 总体时延。假设经过业务分流单元后，业务分为三个子流，其数据速率分别为Ri (i = 1,2,3), 而业务子流速率与业务总速率的关系为 虽然业务子流在RAN 1，RAN 2及RAN 3的传输过程抽象为M/M/1排队模型，但是 在经过无线广域网的传输后，业务子流的包到达速率是否仍然是泊松过程则不能确定。因 此，将给出下面定理以证明业务子流通过RAN 4的传输过程仍然可以抽象为M/M/1排队模 型。定理1 一个顾客到达速率为Y，服务速率为μ的M/M/1队列，如果Y < μ，则 当该系统处于稳定工作状态时，顾客离开的输出过程是一个速率为Y的泊松过程。在本发明提出的资源分配方法中，业务子流分配时考虑各无线广域网的承载能 力，因此，λ2< μ2, λ3< μ3。所以业务子流在通过RAN 2及RAN 3后，其输出过程仍然 服从参数为入2及λ 3的泊松过程。由于RAN 4的服务速率服从参数为μ 4的指数分布，因 此，在链路2及链路3中，业务子流通过RAN 4进行传输的过程仍然可以抽象为M/M/1排队 模型。因此，业务子流在链路2及链路3中的传输过程则可以抽象为两个连续的M/M/1排 队模型。以链路2为例，分析业务子流在链路2中传输的时延，记为D2。假设状态(n，m)表 示当前链路2上在RAN 2中有η个数据包，在RAN 4中有m个数据包。根据排队论相关定 理，RAN 2中的数据包数目与RAN 4中的数据包数目相互独立，因此得到如下的概率分布
<formula>formula see original document page 8</formula>其中，Pn，m表示状态(n，m)的概率。则链路2中平均的数据包数目L为<formula>formula see original document page 8</formula><formula>formula see original document page 8</formula>根据李特尔公式，则链路2上的平均时延D2为<formula>formula see original document page 8</formula>同理可以得到链路1及链路3的平均时延，因此，多网协作模式下资源分配的目标 可以进一步从式(1)演化为<formula>formula see original document page 8</formula>其中，<formula>formula see original document page 8</formula>如上式所示，多网协作下的资源分配问题归纳为具有等式及不等式约束的非线性 目标优化问题。通过Kuhn-Tucker (K-T)条件进行求解令式(5)中的优化目标为下面的多维函数<formula>formula see original document page 8</formula>之后，引入非负的拉格朗日乘子ω = {ω0, ω2，ω3}，将式(5)的等式约束及 不等式约束及优化目标都变成如下的新的拉格朗日函数<formula>formula see original document page 8</formula>定义 gi ( λ ) = μ j-λ ljg2(A ) =min(y 2, μ 4) - λ 2，及 g3 ( λ ) =η η(μ 3, μ 4)-λ 3。 根据 K-T 条件，ω β (λ) = 0，(i = 1,2,3) ο 如果 μ ！=入1或 Xi = π η(μ ，μ4)，(i = 1，2，3)，则会导致系统工作在不稳定状态，为了满足K-T条件，(Oi = 0(i = 1，2，3)。若ω0 =0，则拉格朗日乘子将失去其作用，因此(Oci Φ 0。
BL dL n对于任意i = 1，2，3，因为<formula>formula see original document page 8</formula>，将得到下面的式子
<formula>formula see original document page 9</formula>
通过解方程组(8)，将得到Xq=UVXVX °3}，其被定义为K-T点。根据Κ_Τ 理论，若fUp λ2，λ3)是凸函数，而giU)是凹函数，并且&(入)在λ。= (A01, λ°2， 入°3}连续，则K-T点位全局最优点。根据上述公式，不难证明上述结论正确。因此λ。= {λ V λ°2, λ°3}是优化问题(5)的全局最优解。本方案所提的多网协作模式下的资源分配方法可使得系统整体时延最小。图5示出了不同资源分配方法对系统总体传输时延的性能图。该图给出了不同资 源分配结果下系统总体时延(对数值)的性能对比图。图6示出了只考虑广域网系统间负载均衡的资源分配方法与本发明提出的资源 分配方法间关于系统总体传输时延的性能对比图。对于只考虑广域网间负载均衡的资源分 配策略，其分配方法为“<formula>formula see original document page 9</formula>
通过对比，显然本发明所提出的资源分配方法具有更好的系统性能。本发明的方法还适用于有无线局域网、无线城域网等网络参与的协作传输的情 形，还可覆盖多模终端的情况。以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通 技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有 等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
权利要求
一种异构无线环境下多网协作传输的资源分配系统，该系统包括网络侧无线资源管理模块以及终端侧无线资源管理模块，其特征在于，所述网络侧无线资源管理模块包括业务分流单元，用于根据网络承载能力以及不同网络之间的约束条件，将一个业务分为多个业务子流；业务控制单元，用于对所述多个业务子流进行处理，并将其分别通过不同的无线接入网络传输至终端侧；所述终端侧无线资源管理模块包括协商单元，用于识别设备终端接收到的业务子流，并将终到设备终端IP地址并非本设备终端IP地址的业务子流转发到所述业务子流相应的终到设备终端。
2.如权利要求1所述的异构无线环境下多网协作传输的资源分配系统，其特征在于， 所述业务控制单元进一步包括封装子单元，用于对于所述业务子流进行封装，设置转发位，填充其目的地址以及转发 地址。
3.一种基于权利要求1-2任一项所述的异构无线环境下多网协作传输的资源分配系 统的资源分配方法，该方法包括步骤51.根据网络的承载能力以及不同网络之间的约束，将一个业务流分为多个业务子流；52.对所述多个业务子流进行处理，并将其分别通过不同的接入网络传输至终端侧；53.终端设备接收并识别接收到的业务子流，判断接收到的业务子流的终到设备终端 IP地址是否为本设备终端IP地址，若不是，则将所述业务子流转发至其相应的终到设备终端。
4.如权利要求3所述的异构无线环境下多网协作传输的资源分配方法，其特征在于， 在步骤Sl中，将一个业务流分为多个业务子流的原则为使得系统整体传输时延最小。
5.如权利要求3所述的异构无线环境下多网协作传输的资源分配方法，其特征在于， 在步骤S2中，对所述多个业务子流进行封装处理，其中，对于直接发送至终到设备终端的 业务子流，在封装时，将转发位设置为“0”，目的地址设置为终到设备终端IP地址；对于发 送到非终到设备终端的其他设备终端的业务子流，在封装时，将转发位设置为“ 1 ”，填充包 头地址和转发地址，所述包头地址为接收所述业务子流的设备终端IP地址，所述转发地址 为所述业务子流的终到设备终端IP地址。
6.如权利要求5所述的异构无线环境下多网协作传输的资源分配方法，其特征在于， 在步骤S3中，若终端设备识别业务子流的转发位为“1”，则根据所述转发地址将所述业务 子流转发到所述终到设备终端。
全文摘要
本发明涉及一种异构无线环境下多网协作传输的资源分配系统及方法，该系统网络侧包括业务分流单元，根据网络承载能力以及不同网络之间的约束条件，将一个业务分为多个业务子流；业务控制单元，对多个业务子流进行处理，并将其通过不同的无线接入网络传输至终端侧；终端侧包括协商单元，识别设备终端接收到的业务子流，并将业务子流转发到其相应的终到设备终端。本发明的系统及方法，充分利用了异构无线环境下各无线接入网络的传输能力，将业务分为多个子流在不同的网络上传输，不仅可使得只支持单一网络的单模终端能够支持多种业务，还能充分利用不同网络的资源，实现不同网络间的负载均衡，从而最优化系统性能。
文档编号H04W28/18GK101827396SQ201010163109
公开日2010年9月8日 申请日期2010年4月29日 优先权日2010年4月29日
发明者孙雷, 张平, 沈东明, 田辉, 胡铮 申请人:北京邮电大学