一種基于協(xié)同學的異構網(wǎng)絡接入控制方法
【專利摘要】一種基于協(xié)同學的異構網(wǎng)絡接入控制方法是無線網(wǎng)絡中一種從網(wǎng)絡資源利用率和用戶滿意度來考慮用戶請求是否接入的方法。本發(fā)明采用協(xié)同學的方法，以兩個網(wǎng)絡重疊覆蓋區(qū)域中選擇各個網(wǎng)絡的用戶數(shù)比例為序參量，進而建立協(xié)同學方程，分析使系統(tǒng)吞吐量最大的用戶比例；當處于重疊區(qū)域的用戶請求接入新業(yè)務時，根據(jù)當前重疊區(qū)域中已經(jīng)接入兩個網(wǎng)絡的用戶數(shù)比例以及兩個網(wǎng)絡的信道占用情況，對用戶業(yè)務進行接入控制?；趨f(xié)同學的接入控制方法在提高系統(tǒng)吞吐量的同時也顧慮到了用戶的滿意度。本發(fā)明簡單實用，可以在異構無線網(wǎng)絡的接入控制方法中得到廣泛使用。
【專利說明】-種基于協(xié)同學的異構網(wǎng)絡接入控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明是一種適用于異構無線網(wǎng)絡的協(xié)同學接入控制方法，屬于通信【技術領域】。
【背景技術】
[0002] 協(xié)同學是研究一個系統(tǒng)從無序到有序的演化規(guī)律和特征，是對各種不同環(huán)境中大 量客體（電子、原子、分子、細胞、神經(jīng)元、生物器官、人、交通工具等）在宏觀尺度內產(chǎn)生的 空間的、時間的或時空結構的系統(tǒng)及其作用方式進行的跨學科方向。協(xié)同系統(tǒng)是指由許多 子系統(tǒng)組成、能以自組織方式形成宏觀的空間、時間或功能有序結構的開放系統(tǒng)。
[0003] 異構無線網(wǎng)絡由采用不同無線接入技術的無線接入網(wǎng)絡組成，這些無線接入網(wǎng)絡 就是子系統(tǒng)，子系統(tǒng)之間相互作用，相互影響。異構無線網(wǎng)絡是一協(xié)同系統(tǒng)，系統(tǒng)的性能和 效益則是由子系統(tǒng)間的合作性質所決定的，故可以采用協(xié)同學來研究。
[0004] 協(xié)同學解決問題的一般方法分為以下幾步：
[0005] (1)把要解決的問題翻譯成數(shù)學問題，通常是建立系統(tǒng)的數(shù)學模型；
[0006] (2)找出系統(tǒng)的序參量，序參量主宰了系統(tǒng)的最終結構和功能的有序度；
[0007] (3)根據(jù)數(shù)學模型，建立相應的運動方程，即主方程；
[0008] (4)分析求解運動方程；進一步得到系統(tǒng)優(yōu)化方程或勢函數(shù)，找出系統(tǒng)的相變點， 分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性；
[0009] 異構無線網(wǎng)絡的融合成為一個研究熱點，不同的無線接入網(wǎng)絡在適合的傳輸業(yè) 務、覆蓋范圍以及可傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)速率等方面存在很大差異。利用這些無線網(wǎng)絡的差異 為處于異構無線網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域的用戶選擇合適的網(wǎng)絡，使網(wǎng)絡資源得到充分利用的同時保 證用戶的滿意度，這是異構無線網(wǎng)絡融合的關鍵。由于協(xié)同學是一種研究系統(tǒng)宏觀特征的 方法，所以在本發(fā)明中研究網(wǎng)絡性能的變化時，不能對系統(tǒng)中的一個個用戶的特征以及他 們和子系統(tǒng)的相互作用進行分析，而需要采用宏觀量來描述統(tǒng)計行為。宏觀上網(wǎng)絡性能和 用戶整體滿意度與網(wǎng)絡的資源調度策略相關。本發(fā)明將兩個網(wǎng)絡重疊區(qū)域中選擇各個網(wǎng) 絡進行接入的用戶數(shù)比例作為序參量，通過選擇最優(yōu)的序參量，使得整個系統(tǒng)的資源得到 最優(yōu)配置，并且以此指導重疊覆蓋區(qū)域的新到達業(yè)務進行接入，從而在提高網(wǎng)絡吞吐量的 同時降低用戶接入的阻塞率。
[0010] 在既定的無線網(wǎng)絡資源下，每個網(wǎng)絡所能提供的最大單信道數(shù)據(jù)傳輸速率是一定 的。網(wǎng)絡不斷開發(fā)新技術以致力于提高網(wǎng)絡資源利用率，提升網(wǎng)絡吞吐量。用戶真正關心的 是分配給他的資源能否滿足其需求，以及自身業(yè)務不被阻塞的概率。本發(fā)明基于協(xié)同學理 論，找到重疊區(qū)域新到達用戶合理接入的方法，同時兼顧網(wǎng)絡的效益和宏觀的用戶滿意度。
【發(fā)明內容】
[0011] 技術問題：本發(fā)明的目的是提供一種基于協(xié)同學的異構網(wǎng)絡接入控制方法。該方 法通過對協(xié)同學中的運動方程進行分析，找到系統(tǒng)吞吐量的相變點，兼顧網(wǎng)絡效益和宏觀 的用戶滿意度，確定出重疊覆蓋區(qū)域接入兩個相鄰網(wǎng)絡的最優(yōu)用戶數(shù)比例，使得以這種比 例接入用戶時，系統(tǒng)資源得到充分利用，系統(tǒng)吞吐量達到最大，同時用戶滿意度得到保證， 業(yè)務阻塞率得以降低。當重疊區(qū)域用戶請求接入新業(yè)務時，根據(jù)當前重疊區(qū)域用戶比例與 最優(yōu)用戶比例的關系，選擇是否接入此用戶，以及將其接入哪個網(wǎng)絡。
[0012] 技術方案：本發(fā)明旨在從宏觀角度對異構網(wǎng)絡性能進行分析，并提出一種接入控 制方法，使得系統(tǒng)資源得到優(yōu)化配置，系統(tǒng)吞吐量達到最大，同時保證用戶滿意度，降低用 戶業(yè)務阻塞率。
[0013] 用協(xié)同學實現(xiàn)該方法的基本過程是：
[0014] 1)建立異構網(wǎng)絡系統(tǒng)模型，確定系統(tǒng)序參量；這里考慮的異構網(wǎng)絡系統(tǒng)只包含 UMTS網(wǎng)絡和WiMax網(wǎng)絡，但相關方法和思路同樣適用于多個網(wǎng)絡或其他網(wǎng)絡的場景；確定 的序參量為網(wǎng)絡重疊覆蓋區(qū)域中選擇UMTS和WiMax進行接入的用戶數(shù)比例p ;
[0015] 2)引入各個網(wǎng)絡被占用信道數(shù)的概率分布函數(shù)P(i，t)，建立概率分布函數(shù) p(i，t)的運動方程，即主方程，并對主方程進行分析，確定系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時不同信道數(shù)被占用 的概率；
[0016] 3)建立系統(tǒng)吞吐量優(yōu)化方程，找出系統(tǒng)資源充分利用的相變點；根據(jù)系統(tǒng)吞吐 量優(yōu)化方程，求解使系統(tǒng)吞吐量最大的用戶數(shù)比例P_ ;
[0017] 4)依據(jù)相變點對重疊區(qū)域新到達用戶業(yè)務進行接入控制；當處于重疊區(qū)域的用 戶請求接入時，若當前重疊區(qū)域已經(jīng)接入UMTS和WiMax的用戶數(shù)比例小于ρ_，并且UMTS 有可用信道，則將用戶接入UMTS ;若UMTS沒有可用信道，則嘗試將用戶接入WiMax，此時，若 WiMax有可用信道，則將用戶接入WiMax ;若WiMax沒有可用信道，則用戶業(yè)務被阻塞；反之 亦然。
[0018] 有益效果：本發(fā)明方法提供了一種基于協(xié)同學的異構網(wǎng)絡接入控制方法。該方法 通過對協(xié)同學中的運動方程進行分析，找到系統(tǒng)資源充分利用的相變點，確定重疊區(qū)域中 接入相鄰兩個網(wǎng)絡的最優(yōu)用戶數(shù)比例，使得以這種比例接入用戶時，系統(tǒng)資源得到充分利 用，系統(tǒng)吞吐量達到最大，同時用戶滿意度得到保證，業(yè)務阻塞率得以降低。該方法相對于 其他異構網(wǎng)絡接入控制方法，能夠從宏觀上對系統(tǒng)資源進行調度，提高系統(tǒng)資源利用率，最 大化系統(tǒng)吞吐量，同時降低用戶業(yè)務阻塞率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019] 圖1異構無線網(wǎng)絡系統(tǒng)圖。
[0020] 圖2接入控制流程圖。
【具體實施方式】
[0021] 處于網(wǎng)絡重疊覆蓋區(qū)域的用戶接入各個網(wǎng)絡的用戶數(shù)比例是反映系統(tǒng)對資源進 行整體調度的重要參數(shù)。在異構網(wǎng)絡系統(tǒng)中，各個網(wǎng)絡的覆蓋范圍、最大數(shù)據(jù)傳輸速率以及 信道資源是固定的。各個網(wǎng)絡的資源由自身與其他網(wǎng)絡非重疊區(qū)域的用戶以及自身與其他 網(wǎng)絡重疊區(qū)域的用戶共享。同時，處于多個網(wǎng)絡重疊覆蓋區(qū)域的用戶可以選擇多個網(wǎng)絡進 行接入。但是，能否合理配置重疊區(qū)域的用戶接入各個網(wǎng)絡的用戶數(shù)比例，這極大影響了系 統(tǒng)資源利用率和用戶滿意度。
[0022] 本發(fā)明是一種基于協(xié)同學的異構網(wǎng)絡接入控制方法。該方法首先建立異構網(wǎng)絡系 統(tǒng)模型，確定重疊區(qū)域中選擇各個網(wǎng)絡的用戶數(shù)比例為序參量，并引入各個網(wǎng)絡被占用信 道數(shù)的概率分布函數(shù)；進而建立概率分布函數(shù)的主方程，并對主方程進行分析，確定系統(tǒng)在 穩(wěn)態(tài)時不同信道數(shù)被占用的概率；然后建立系統(tǒng)吞吐量優(yōu)化方程，找出系統(tǒng)資源充分利用 的相變點；最后依據(jù)相變點對用戶進行接入控制，使得以相變點進行接入控制時，系統(tǒng)資 源得到充分利用，系統(tǒng)吞吐量得到最大，并且用戶業(yè)務阻塞率得以降低。
[0023] 結合附圖，對本發(fā)明方案作進一步的具體分析和描述。該發(fā)明方法包括4個過程 并按所述順序進行：
[0024] 1)建立異構網(wǎng)絡系統(tǒng)模型，確定系統(tǒng)序參量
[0025] 本發(fā)明適合多種異構無線網(wǎng)絡融合的場景，為了簡便，本發(fā)明考慮的異構無線網(wǎng) 絡系統(tǒng)由UMTS和WiMax兩個網(wǎng)絡構成，如附圖1所示；(!"((!")、N(M)和分別表示 UMTS (WiMax)的覆蓋半徑、信道數(shù)和單信道的數(shù)據(jù)傳輸速率；UMTS和WiMax重疊覆蓋區(qū)域 的業(yè)務到達率服從λ °的泊松分布，UMTS和WiMax非重疊覆蓋區(qū)域的業(yè)務到達率分別服從 λ u和λ w的泊松分布，業(yè)務持續(xù)時間服從均值為1/ μ的指數(shù)分布，用戶的平均移動速度為 ν ;
[0026] 對于單個子網(wǎng)絡，其信道資源由處于網(wǎng)絡重疊區(qū)域的用戶和處于非重疊區(qū)域的用 戶共享；單個子網(wǎng)絡的狀態(tài)可用當前被用戶業(yè)務所占用的信道數(shù)i來描述，假設一個用戶 業(yè)務只占用一個網(wǎng)絡信道，那么網(wǎng)絡可從狀態(tài)i轉移到狀態(tài)i+Ι或i-Ι，反之亦然；
[0027] 處于網(wǎng)絡重疊覆蓋區(qū)域的用戶既可以選擇UMTS進行接入，也可以選擇WiMax進行 接入；為了使異構網(wǎng)絡系統(tǒng)資源得到充分利用，本發(fā)明將UMTS和WiMax的網(wǎng)絡重疊區(qū)域中 選擇UMTS和WiMax進行接入的用戶數(shù)比例p確定為序參量；
[0028] 將UMTS從狀態(tài)i轉移到狀態(tài)i+Ι的轉移率記為yf，那么，芩應包括非重疊區(qū)域 的業(yè)務到達率λ u、重疊區(qū)域的業(yè)務到達率以及從其它網(wǎng)絡到UMTS的平均業(yè)務切換率If， 即：
【權利要求】
1. 一種基于協(xié)同學的異構網(wǎng)絡接入控制方法，其特征在于該方法基于協(xié)同學的角度， 通過建立以重疊區(qū)域接入兩個網(wǎng)絡的用戶數(shù)比例為序參量的協(xié)同學方程，得到使系統(tǒng)吞吐 量最大的用戶數(shù)比例，進而對重疊區(qū)域的用戶進行接入控制，具體包括如下步驟： 步驟1 :建立異構網(wǎng)絡系統(tǒng)模型，確定系統(tǒng)序參量； 異構無線網(wǎng)絡系統(tǒng)有UMTS和WiMax兩個網(wǎng)絡；屯(dw)、N(M)和Ru (Rw)分別表示 UMTS (WiMax)的覆蓋半徑、信道數(shù)和單信道的數(shù)據(jù)傳輸速率；UMTS和WiMax重疊覆蓋區(qū)域 的業(yè)務到達率服從λ °的泊松分布，UMTS和WiMax非重疊覆蓋區(qū)域的業(yè)務到達率分別服從 λ u和λ w的泊松分布，業(yè)務持續(xù)時間服從均值為1/ μ的指數(shù)分布，用戶的平均移動速度為 ν ; 對于單個子網(wǎng)絡，其信道資源由處于網(wǎng)絡重疊區(qū)域的用戶和處于非重疊區(qū)域的用戶共 享；UMTS系統(tǒng)的狀態(tài)可用當前被用戶業(yè)務所占用的所有信道數(shù)i來描述，其中，0 < i < Ν ; 假設一個用戶業(yè)務只占用一個網(wǎng)絡信道；那么網(wǎng)絡可從狀態(tài)i轉移到狀態(tài)i+1或i-1，反之 亦然； 確定UMTS和WiMax重疊區(qū)域中選擇UMTS和WiMax進行接入的用戶數(shù)比例p為序參 量； 步驟2 :建立概率分布函數(shù)的主方程，并對主方程進行分析，確定系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時不同信 道數(shù)被占用的概率； 以概率分布函數(shù)P(i，t)表示t時刻UMTS網(wǎng)絡被占用信道數(shù)為i的概率，P(i，t)服從 如下的動態(tài)概率平衡方程，即建立的P(i，t)的主方程為： uP{lJ、= [iv4 (/ i- 1)P(/ i- It) - w l (f)PU,f)] dt +[wt (i)P(i,t)] 上式含義：概率構型P(i，t)隨時間的變化由兩個相對的項組成；第一個項描述了單位 時間內從所有相鄰概率構型到概率構型P(i，t)的概率流，第二個帶負號的項抽象的是從 概率構型P(i，t)到所有相鄰概率構型的概率流； 當系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，令=〇，可得 dt w I (i+l)Pst(i+l) =w f (i)Pst(i) 可以得到穩(wěn)態(tài)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處于穩(wěn)態(tài)的平均用戶數(shù)Μ"可由Μ, = (7)得到；同樣的，可以得到WiMax處于 穩(wěn)態(tài)時的平均用戶數(shù)Mw; 步驟3 :建立系統(tǒng)吞吐量優(yōu)化方程，找出系統(tǒng)資源充分利用的相變點； 依據(jù)UMTS和WiMax處于穩(wěn)態(tài)時的平均用戶數(shù)％和Mw，UMTS和WiMax的單信道數(shù)據(jù)傳 輸速率^和心，可以得到異構網(wǎng)絡系統(tǒng)總的平均吞吐量即為 T(p) = RA+RwMw (7) 本發(fā)明旨在使用最優(yōu)的P來最大化系統(tǒng)的總平均吞吐量；因此，本發(fā)明的優(yōu)化問題可 以表述為 max T (p) = RuMu+RwMw s. t. Ο ^ p ^ 1 (8) 可以通過迭代方法求得使系統(tǒng)總平均吞吐量最大的P，即P_ ;P_即為異構網(wǎng)絡系統(tǒng) 吞吐量的相變點，在最優(yōu)用戶數(shù)比例，異構網(wǎng)絡的總系統(tǒng)吞吐量達到最大，并且此時 系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)； 步驟4 :依據(jù)相變點對用戶進行接入控制； UMTS和WiMax的重疊覆蓋區(qū)域有新業(yè)務到達，若當前重疊區(qū)域已經(jīng)接入UMTS和WiMax 的用戶數(shù)比例小于，并且UMTS有可用信道，則將用戶接入UMTS ;若UMTS沒有可用信道， 則嘗試將用戶接入WiMax，此時，若WiMax有可用信道，則將用戶接入WiMax ;若WiMax沒有 可用信道，則用戶業(yè)務被阻塞； 反之，若當前重疊區(qū)域已經(jīng)接入UMTS和WiMax的用戶數(shù)比例大于等于p。#，并且WiMax 有可用信道，則將用戶接入WiMax ;若WiMax沒有可用信道，則嘗試將用戶接入UMTS，此時， 若UMTS有可用信道，則將用戶接入UMTS ;若UMTS沒有可用信道，則用戶業(yè)務被阻塞。
【文檔編號】H04W48/18GK104113876SQ201410259648
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年6月11日 優(yōu)先權日:2014年6月11日
【發(fā)明者】朱曉榮, 趙亞南, 王勇, 楊龍祥, 朱洪波 申請人:南京郵電大學