异构网络中基于业务和效用函数的负载均衡方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，设及一种异构网络中基于业务和效用函数的负载 均衡方法。
【背景技术】
[0002] 随着电信产业的全球化W及Internet的迅猛发展，各种无线网络技术逐渐向无缝 融合的移动无线互联网演进。未来的无线移动通信系统将是由多种无线接入网络（RAN, RadioAccessNetwork)组成的异构网络，形成包含多种无线接入技术的异构网络覆盖环 境。近年来涌现了许多不同的无线接入技术，典型的技术包括2G/3G/E3G、LTE、WiMax、WiFi、 UWB化ItraWideband)、Bluetooth等，运些不同的接入技术在覆盖范围、接入速率、容量、移 动性和业务特性等方面有着很大差异，适用的场景也各有侧重，彼此之间很难互相代替，因 此异构无线网络间的融合是无线通信行业的发展趋势。实现异构无线网络融合是一个非常 复杂的系统工程。目前，国内外许多小组已经致力于异构网络关键技术的研究，如欧盟信息 社会技术、欧洲电信标准协会等，我国政府近年来在国家自然基金、国家高科技计划973、 863等项目上也给予了较大支持。
[0003] 异构无线网络面向不同的应用场景和用户目标，从底层的接入方式到高层的资源 管理与控制等技术都各不相同。同时无线网络的融合也面临着高延迟、低速率、高复杂度等 方面的技术难题，为了克服运些难题，满足异构无线网络融合的需求，需要通过多个异构无 线网络之间的相互协作和对整个无线资源的协同来有效管理及合理分配无线资源，同时要 建立合理的异构无线网络融合架构和设计联合资源管理算法等，来有效地提高网络的吞吐 量，减少异构无线网络间切换的延迟，实现网络的最优化利用。负载均衡则是实现资源优化 利用的关键技术之一。
[0004] 在异构无线网络中，不同无线接入技术在网络覆盖范围、支持的业务类型和用户 移动性上有较大差异，不同用户在传输速率和业务质量要求上也各有不同。当某一用户处 在由多个无线接入网络的共同覆盖范围内时，就需要根据一定的策略或者标准选择使用一 种接入网络或多种网络组合。在通信热点区域，有可能会出现用户数量大、业务密集、流量 大等情况，造成网络拥堵、呼叫阻塞或者掉话率高，而对于周围非热点区域，则往往出现业 务量低，网络资源空闲的情况。运样使得整个网络系统资源不能得到充分合理的运用，造成 系统资源利用率低，网络整体性能下降。负载均衡机制，就是将重负载和轻负载区域内的资 源合理分配，把重负载网络中的负载转移到周围负载相对较轻的网络，达到负载均匀分布 的状态。运样使得整个系统的资源利用率得到有效提升。异构无线网络的负载均衡就是在 运种背景下提出的针对异构网络资源优化配置和利用的管理控制技术，该技术能够有效地 提高系统的无线资源利用率，扩大网络容量，同时避免网络拥堵。因此对负载均衡机制的研 究具有重要的现实意义。
[0005] 现有的负载均衡算法有很多，常用的例如多接入负载均衡MLB算法，该算法提出了 异构网络中分组业务多接入选择策略，考虑业务特性和链路自适应机制，选择网络平均负 载因子最小的网络进行接入。但该算法存在W下缺点，一方面，当整个网络中的实时用户数 量较多时，多接入负载均衡MLB算法在满足用户带宽需求时表现显著降低，并且阻塞概率增 加，运是因为多接入负载均衡MLB算法只是利用网络负载因子作为网络选择的依据。另一方 面，多接入负载均衡MLB算法由于没有考虑非实时业务用户的平均传输时间，所W当网络中 实时用户到达率较高时，使用多接入负载均衡MLB算法的网络其负载率也偏高，特别是在超 过负载口限的重负载网络中，算法的均衡效果很不明显，波动较大。
[0006] 最少连接负载均衡算法IXLBlXeastConnectionsLoadBalancing)，是动态的负 载均衡算法。用户进入网络时通过最少连接负载均衡算法请求接入到用户数量最少的网络 中，即将新的连接给传递到某个最少连接的服务器或者节点中去。同时，对于处于WLAN网络 边缘的用户，还可W通过最少连接负载均衡算法LCLB垂直切换到蜂窝网络中。该算法存在 W下缺点，一方面，最少连接负载均衡算法LCLB需要内部中对每一个节点的负载情况都有 一个数据记录，整个网络中的呼叫到达率较高的前提下，同时或者在一定时延范围内连接 到网络中的用户数量较大时，其中一部分用户会同时寻求当前最少连接的服务器或者节点 进行连接，运容易造成某一节点的负载突然增加，用户也可能并未连接到最少连接的节点 中去。另一方面，最少连接负载均衡算法并没有考虑网络质量，用户连接到最少连接节点中 时，可能会因为节点离用户较远或者节点本身虽然接入用户少但网络质量较差，而造成用 户体验和业务质量下降，负载均衡的目的并未完全达到。
【发明内容】
[0007] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种异构网络中基于业务和效用函数的负载均 衡方法，具体技术方案如下：
[0008] -种异构网络中基于业务和效用函数的负载均衡方法，在该方法中，通过业务模 块和效用函数模块实现负载均衡，具体包括W下步骤：
[0009] 1)业务模块检测并收集各网络中的相关参数，包括当前占用的带宽.每破可利 用的总带宽瑟以。i，网络阻塞率p(i)，最大阻塞率Ptag,有效可用带宽蹲gssr，平均传输时间 Tavg，最大传输时间Ttag;
[0010] 2)计算得到各网络负载情况；
[0011] 3)选取未过载网络，通过收集到的参数计算网络中网络阻塞率、有效可用带宽和 传输时间=个指标的效用函数；
[0012] 4)根据过载网络中的业务具体类型将对应的效用函数值较大的网络作为其准切 换网络；
[0013] 5)启动迟滞定时器，设置迟滞定时避免兵鸟效应；
[0014] 6)判断迟滞定时后系统状态，若依旧满足切换条件则切换，并返回步骤1)重新收 集网络参数，否则返回步骤2)重新判断是否需要切换。
[0015] 进一步，所述业务模块包括呼叫接入/切换控制模块、网络状态信息存储模块、业 务需求信息存储模块和用户偏好信息存储模块四部分，具体如下：
[0016] 呼叫接入/切换控制模块：W网络状态信息存储模块、业务需求信息存储模块和用 户偏好信息存储模块为输入，根据负载均衡算法进行垂直切换，W满足网络中使用不同业 务的用户的要求；
[0017] 网络状态信息存储模块:存储各接入网相关信息，包括预置信息和时变信息;预置 信息包括各接入网的价格、电池能耗和安全性;时变信息包括时延、时延抖动、丢包率、网络 当前可用带宽、接收信号强度RSS;在用户的业务请求触发下，模块输出收集到的上述信息 并进行周期性更新；
[0018] 业务需求信息存储模块:保存业务类型、相应业务需求W及各业务指标的权重值， 并在用户的业务请求触发下输出；
[0019] 用户偏好信息存储模块:保存不同业务情况下用户对RAT价格、安全性、电池能耗 及其权重的需求信息；
[0020] 在本方法中，业务模块能够根据带宽使用信息计算网络i的当前负载值Gcur,具体 表达式为：
[002^ 其中韻C胃和轉W。:分别表示当前占用的带宽和可W利用的总带宽；候选切换网 络负载竣UP也根据上式计算；同时，业务模块根据收集和存储用户信息确定系统中的负载 转移口限值G化。
[0023] 进一步，所述效用函数模块衡量网络性能主要是从阻塞率、掉话率、时延和丢包率 来分析;所述效用函数模块采用业务阻塞率、可用带宽和平均传输时间作为系统指标，通过 对候选网络的=种指标进行处理分析后，选择更合适的网络进行切换；
[0024] 阻塞率的效用函数Ubr(i)由下式表示：
[0025] 化[?(：0 = 10评（：0/10评*38
[0026] 其中i指的是网络序号，P(i)表示的是网络中的阻塞率，Ptag表示的是系统所能忍 受的最大阻塞率;网络中的阻塞率P(i)越小，效用函数UBR(i)的值越大；
[0027] 网络i的有效可用带宽(Bandwi化h，BW)的效用函数UBw(i)表示为：
[0029] 其中孩Lw康示的是网络i可用有效带宽(avaiIableBandwi化h)，孩L。;康示的是 网络i的总带宽；
[0030] 传输时间（PropagationTime,PT)的效用函数UptQ)表示为：
[0032] 其中Tavg表示的是异构网络中服务的平均传输时间，T(i)是网络i中的一般传输时 间，Ttag表示的是网络中可W允许的最大传输时间；
[0033] =种效用函数对应不同业务类型，如呼叫类业务需要较低阻塞率，非实时类业务 更关注传输时间，切换时应当根据用户业务需要切换到其相关效用函数值较大的网络。
[0034]进一步，在本方法中采用垂直切换作为优化切换，比较业务模块中得到的当前负 载值和负载转移口限值，如果满足Geur>Gth且eur<Gth，则进行切换，否则切换请求被拒 绝;为了避免兵鸟效应和频繁切换，需要设置迟滞定时器，请求切换时启动迟滞定时器，若 超过迟滞定时后依旧满足上述则启动垂直切换。
[0035]本发明的有益效果在于：一方面，业务模块能够持续稳定地收集各网络中的参数 信息并进行保存和管理，通过运些信息能够得到各网络的负载情况，提供切换的前提，还为 效用函数模块提供数据支持。另一方面，考虑到不同业务的不同需求，本发明通过构建效用 函数模块对候选网络的业务能力进行定量分析，针对不同业务提出不同的参数指标作为选 择候选切换网络的参考。在满足系统对于负载均衡要求的同时，将用户切换到更适合其业 务运营的网络中。此外，选择垂直切换作为优化切换可W最小化用户移动和网络状态变化 对业务和系统性能的影响。最后，设置迟滞定时器可W避免系统出现频繁的切换和兵鸟效 应，增加系统的稳定性，只有在系统稳定的前提下负载均衡才有意义。
【附图说明】
[0036]为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行 说明：
[0037]图1为基于业务和效用函数的负载均衡算法的系