异构网络中基于QoS感知的负载均衡方法
【专利摘要】本发明公开了一种异构网络中基于QoS感知的负载均衡方法，实现异构网络中的负载均衡。首先将每个基站的负载和用户的可达速率引入到优化问题中，设立相应的优化目标函数，将它建模为一个全网络的加权效用最大化问题；其次采用分布式方法进行求解。在基站端，每个基站需要更新最佳负载和拉格朗日乘子，然后向用户广播信息；在用户侧，每个用户根据接收到的广播信息得到最佳的基站编号，并与之连接。所述方法与基于用户的接入方法相比，计算复杂度低，易于实现，有更快的收敛速度，降低了呼叫阻塞率，获得了更高的负载均衡水平。
【专利说明】异构网络中基于QoS感知的负载均衡方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信【技术领域】，具体涉及一种异构网络中基于服务质量（Quality ofService,QoS)感知的负载均衡方法。
【背景技术】
[0002] 为了满足不同的无线终端设备（尤其是对媒体需求高的设备）爆炸式增长的数据 业务需求，异构蜂窝通信网络成为未来5G无线通信系统发展的主要趋势之一。异构蜂窝通 信网络主要包括微小区（家庭基站）、微微基站、毫微微基站和中继基站，他们之间的主要 不同之处是发射功率、尺寸、回程、成本且具有易于布署和传播的特性。
[0003] 只依赖于用户的接收信号强度的传统接入策略，例如最大信号干扰噪声比 (SINR)、最大可达速率和最近的距离，可能不再合适于异构蜂窝网络通信技术的需求。移动 用户在地理位置上呈动态随机分布可能使这些方案在不同的功率基站间造成极其不平衡 的负载分布。为了充分利用具有潜力的新的网络架构，应考虑具有卸载能力的用户接入策 略。通过这种方式，高功率基站的负载会减少，更多的用户可以连接到低功率基站。
[0004] 根据测量负载的方法，负载均衡大致分为两类：第一种类型是与消耗的资源数目 有关的负载，另一种是只与接入的用户数目有关的负载。显然，相对于后者，前者往往能反 映真实系统的业务量水平，从而实现更好的负载平衡。已有很多文献对异构网络中的负载 均衡进行了研究。最常见的覆盖扩展法，即将一个固定的偏差值加到低功率基站的接收信 号强度指示值之上，使得更多的用户接入低功率基站。这种方法虽然是简单和有效的，但很 难获得最佳偏移或偏差因子。另外，以平衡在不同的基站之间由接入的用户数目所定义的 负载的分布式用户接入算法无法实现真正的负载平衡，因为它没有考虑用户的实际资源的 需求以及有限资源的约束。基于第二类定义的负载均衡算法可在一定程度上平衡异构网络 (HetNets)的负载，但在基站数目庞大的蜂窝网络中，其计算复杂度很高。到目前为止，针对 异构网络中的基于第一类负载的策略研究比较少。
[0005] 为此，本发明提出一种应用于异构网络下行链路的基于QoS感知的负载均衡方 法。所提方法能够有效提高负载均衡水平，降低呼叫阻塞率。
【发明内容】
[0006] 针对异构网络中的负载均衡问题，本发明提出一种应用于异构网络下行链路的基 于QoS感知的负载均衡方法。所提方法能够有效提高负载均衡水平，降低呼叫阻塞率。
[0007] 本发明提供一种应用于异构网络下行链路的基于QoS感知的负载均衡方法，该方 法包括以下步骤：
[0008] 步骤一：通过求解满足物理资源块约束下的系统容量最大化问题得到用户接入到 基站的信息并反馈给目标基站；
[0009] 步骤二：每个基站需要经过两步更新最佳负载和拉格朗日乘子，然后向系统汇报 所述最新的拉格朗日乘子，返回步骤一。
[0010] 本发明采用上述技术方案，能有效提高负载均衡水平，降低呼叫阻塞率，同时降低 了开销。
[0011] 本发明所基于的基础理论说明：针对物理资源约束的异构网络下行链路系统，以 全网络效用最大化为优化目标，定义吞吐量的表达式如下所示：
【权利要求】
1. 一种异构网络中基于QoS感知的负载均衡方法，其特征在于，将目标优化问题转化 成两个子问题，在基站和用户独立地采用分布式算法求解子问题，该方法包括以下步骤： 1) .根据用户实际速率需求计算每个基站分配给该用户的资源数目，即 / nkRnk 其中dk表示用户k的实际速率，Ink能够反映资源使用情况，4 =,/'fc)，4表示rnk 的期望；rnk(t)=WIog2(HSINMt))，表示用户k在t时刻从基站η获得的可达速率，其 单位是比特/秒；函数f表示对平均长期吞吐量的线性计算，例如增加一个足够小的正数值 Δ来确保log(4 +Δ)式-〇〇; 2) .如果用户k连接到基站n，那么负载效率定义为
其中Xnk表示连接指示，当用户k与基站n连接时，Xnk= 1，否则Xnk= 〇 ; 3) .优化目标函数为：
其中ΣkeKxnklnk表示基站η的所消耗的资源块的数目，该值小于可用资源块的总和M， 用于子分布式算法收敛性分析； 在上式约束条件中只有一个联合约束Vne '为了消除这个联合约 k&K 束条件，引入拉格朗日乘子μ，问题可以表达为： F:minF(μ) =I(μ) +Q(li) μ7 N7 N7 其中：
接下来，每个用户采用分布式算法通过求解I(μ)得到用户接入到基站的信息并反馈 给目标基站；每个基站采用分布式算法通过求解Q(y)得到拉格朗日乘子，然后向用户汇 报最新的拉格朗日乘子。
2. 根据权利要求1所述的异构网络中基于QoS感知的负载均衡方法，其特征在于，其中 每个用户接入到基站的信息的方法如下： D.当t = 〇时，用户k利用基站发送的导频信号估计速率Rnk,VweiV; 2) .用户k接收各基站发送广播的数据V/7e，，通过下式获得相应的接入基站标 口 * 可η：
如果同一时刻η#的值不唯一，那么用户k从11#中随机选取一个值； 3) .用户将接入信息xnk = 1反馈给基站n'
3. 根据权利要求1所述的异构网络中基于QoS感知的负载均衡方法，其特征在于，其中 每个基站更新最佳负载和拉格朗日乘子的方法如下： D.当t = 0时，初始化迭代步长ζ和拉格朗日乘子< ; 2) .接收从用户发来的接入信息Xnk= 1，VAeI，利用下式计算允： V11 = ? 3) ·利用接入信息更新拉格朗曰乘子/C1: <+1 =Μ: - 4乂 - 乂; 4) .向所有用户广播这个新的拉格朗日乘子A、
【文档编号】H04W28/08GK104320813SQ201410643184
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年11月13日 优先权日:2014年11月13日
【发明者】黄永明, 王雅芳, 周天青, 何世文, 杨绿溪 申请人:东南大学