異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于業(yè)務(wù)和效用函數(shù)的負(fù)載均衡方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于業(yè)務(wù)和效用函數(shù)的負(fù)載 均衡方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電信產(chǎn)業(yè)的全球化W及Internet的迅猛發(fā)展，各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐漸向無(wú)縫 融合的移動(dòng)無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)。未來(lái)的無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)將是由多種無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN, RadioAccessNetwork)組成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，形成包含多種無(wú)線接入技術(shù)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)覆蓋環(huán) 境。近年來(lái)涌現(xiàn)了許多不同的無(wú)線接入技術(shù)，典型的技術(shù)包括2G/3G/E3G、LTE、WiMax、WiFi、 UWB化ItraWideband)、Bluetooth等，運(yùn)些不同的接入技術(shù)在覆蓋范圍、接入速率、容量、移 動(dòng)性和業(yè)務(wù)特性等方面有著很大差異，適用的場(chǎng)景也各有側(cè)重，彼此之間很難互相代替，因 此異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)間的融合是無(wú)線通信行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。實(shí)現(xiàn)異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)融合是一個(gè)非常 復(fù)雜的系統(tǒng)工程。目前，國(guó)內(nèi)外許多小組已經(jīng)致力于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的研究，如歐盟信息 社會(huì)技術(shù)、歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)等，我國(guó)政府近年來(lái)在國(guó)家自然基金、國(guó)家高科技計(jì)劃973、 863等項(xiàng)目上也給予了較大支持。
[0003] 異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)面向不同的應(yīng)用場(chǎng)景和用戶目標(biāo)，從底層的接入方式到高層的資源 管理與控制等技術(shù)都各不相同。同時(shí)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的融合也面臨著高延遲、低速率、高復(fù)雜度等 方面的技術(shù)難題，為了克服運(yùn)些難題，滿足異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)融合的需求，需要通過(guò)多個(gè)異構(gòu)無(wú) 線網(wǎng)絡(luò)之間的相互協(xié)作和對(duì)整個(gè)無(wú)線資源的協(xié)同來(lái)有效管理及合理分配無(wú)線資源，同時(shí)要 建立合理的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)和設(shè)計(jì)聯(lián)合資源管理算法等，來(lái)有效地提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐 量，減少異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)間切換的延遲，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)化利用。負(fù)載均衡則是實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化 利用的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0004] 在異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，不同無(wú)線接入技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、支持的業(yè)務(wù)類(lèi)型和用戶 移動(dòng)性上有較大差異，不同用戶在傳輸速率和業(yè)務(wù)質(zhì)量要求上也各有不同。當(dāng)某一用戶處 在由多個(gè)無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)的共同覆蓋范圍內(nèi)時(shí)，就需要根據(jù)一定的策略或者標(biāo)準(zhǔn)選擇使用一 種接入網(wǎng)絡(luò)或多種網(wǎng)絡(luò)組合。在通信熱點(diǎn)區(qū)域，有可能會(huì)出現(xiàn)用戶數(shù)量大、業(yè)務(wù)密集、流量 大等情況，造成網(wǎng)絡(luò)擁堵、呼叫阻塞或者掉話率高，而對(duì)于周?chē)菬狳c(diǎn)區(qū)域，則往往出現(xiàn)業(yè) 務(wù)量低，網(wǎng)絡(luò)資源空閑的情況。運(yùn)樣使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)資源不能得到充分合理的運(yùn)用，造成 系統(tǒng)資源利用率低，網(wǎng)絡(luò)整體性能下降。負(fù)載均衡機(jī)制，就是將重負(fù)載和輕負(fù)載區(qū)域內(nèi)的資 源合理分配，把重負(fù)載網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載轉(zhuǎn)移到周?chē)?fù)載相對(duì)較輕的網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到負(fù)載均勻分布 的狀態(tài)。運(yùn)樣使得整個(gè)系統(tǒng)的資源利用率得到有效提升。異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡就是在 運(yùn)種背景下提出的針對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化配置和利用的管理控制技術(shù)，該技術(shù)能夠有效地 提高系統(tǒng)的無(wú)線資源利用率，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)容量，同時(shí)避免網(wǎng)絡(luò)擁堵。因此對(duì)負(fù)載均衡機(jī)制的研 究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
[0005] 現(xiàn)有的負(fù)載均衡算法有很多，常用的例如多接入負(fù)載均衡MLB算法，該算法提出了 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中分組業(yè)務(wù)多接入選擇策略，考慮業(yè)務(wù)特性和鏈路自適應(yīng)機(jī)制，選擇網(wǎng)絡(luò)平均負(fù) 載因子最小的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行接入。但該算法存在W下缺點(diǎn)，一方面，當(dāng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時(shí)用戶數(shù) 量較多時(shí)，多接入負(fù)載均衡MLB算法在滿足用戶帶寬需求時(shí)表現(xiàn)顯著降低，并且阻塞概率增 加，運(yùn)是因?yàn)槎嘟尤胴?fù)載均衡MLB算法只是利用網(wǎng)絡(luò)負(fù)載因子作為網(wǎng)絡(luò)選擇的依據(jù)。另一方 面，多接入負(fù)載均衡MLB算法由于沒(méi)有考慮非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)用戶的平均傳輸時(shí)間，所W當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中 實(shí)時(shí)用戶到達(dá)率較高時(shí)，使用多接入負(fù)載均衡MLB算法的網(wǎng)絡(luò)其負(fù)載率也偏高，特別是在超 過(guò)負(fù)載口限的重負(fù)載網(wǎng)絡(luò)中，算法的均衡效果很不明顯，波動(dòng)較大。
[0006] 最少連接負(fù)載均衡算法IXLBlXeastConnectionsLoadBalancing)，是動(dòng)態(tài)的負(fù) 載均衡算法。用戶進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時(shí)通過(guò)最少連接負(fù)載均衡算法請(qǐng)求接入到用戶數(shù)量最少的網(wǎng)絡(luò) 中，即將新的連接給傳遞到某個(gè)最少連接的服務(wù)器或者節(jié)點(diǎn)中去。同時(shí)，對(duì)于處于WLAN網(wǎng)絡(luò) 邊緣的用戶，還可W通過(guò)最少連接負(fù)載均衡算法LCLB垂直切換到蜂窩網(wǎng)絡(luò)中。該算法存在 W下缺點(diǎn)，一方面，最少連接負(fù)載均衡算法LCLB需要內(nèi)部中對(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載情況都有 一個(gè)數(shù)據(jù)記錄，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的呼叫到達(dá)率較高的前提下，同時(shí)或者在一定時(shí)延范圍內(nèi)連接 到網(wǎng)絡(luò)中的用戶數(shù)量較大時(shí)，其中一部分用戶會(huì)同時(shí)尋求當(dāng)前最少連接的服務(wù)器或者節(jié)點(diǎn) 進(jìn)行連接，運(yùn)容易造成某一節(jié)點(diǎn)的負(fù)載突然增加，用戶也可能并未連接到最少連接的節(jié)點(diǎn) 中去。另一方面，最少連接負(fù)載均衡算法并沒(méi)有考慮網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，用戶連接到最少連接節(jié)點(diǎn)中 時(shí)，可能會(huì)因?yàn)楣?jié)點(diǎn)離用戶較遠(yuǎn)或者節(jié)點(diǎn)本身雖然接入用戶少但網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量較差，而造成用 戶體驗(yàn)和業(yè)務(wù)質(zhì)量下降，負(fù)載均衡的目的并未完全達(dá)到。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于業(yè)務(wù)和效用函數(shù)的負(fù)載均 衡方法，具體技術(shù)方案如下：
[0008] -種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于業(yè)務(wù)和效用函數(shù)的負(fù)載均衡方法，在該方法中，通過(guò)業(yè)務(wù)模 塊和效用函數(shù)模塊實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，具體包括W下步驟：
[0009] 1)業(yè)務(wù)模塊檢測(cè)并收集各網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)參數(shù)，包括當(dāng)前占用的帶寬.每破可利 用的總帶寬瑟以。i，網(wǎng)絡(luò)阻塞率p(i)，最大阻塞率Ptag,有效可用帶寬蹲gssr，平均傳輸時(shí)間 Tavg，最大傳輸時(shí)間Ttag;
[0010] 2)計(jì)算得到各網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況；
[0011] 3)選取未過(guò)載網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)收集到的參數(shù)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)阻塞率、有效可用帶寬和 傳輸時(shí)間=個(gè)指標(biāo)的效用函數(shù)；
[0012] 4)根據(jù)過(guò)載網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)具體類(lèi)型將對(duì)應(yīng)的效用函數(shù)值較大的網(wǎng)絡(luò)作為其準(zhǔn)切 換網(wǎng)絡(luò)；
[0013] 5)啟動(dòng)遲滯定時(shí)器，設(shè)置遲滯定時(shí)避免兵鳥(niǎo)效應(yīng)；
[0014] 6)判斷遲滯定時(shí)后系統(tǒng)狀態(tài)，若依舊滿足切換條件則切換，并返回步驟1)重新收 集網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，否則返回步驟2)重新判斷是否需要切換。
[0015] 進(jìn)一步，所述業(yè)務(wù)模塊包括呼叫接入/切換控制模塊、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息存儲(chǔ)模塊、業(yè) 務(wù)需求信息存儲(chǔ)模塊和用戶偏好信息存儲(chǔ)模塊四部分，具體如下：
[0016] 呼叫接入/切換控制模塊：W網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息存儲(chǔ)模塊、業(yè)務(wù)需求信息存儲(chǔ)模塊和用 戶偏好信息存儲(chǔ)模塊為輸入，根據(jù)負(fù)載均衡算法進(jìn)行垂直切換，W滿足網(wǎng)絡(luò)中使用不同業(yè) 務(wù)的用戶的要求；
[0017] 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息存儲(chǔ)模塊:存儲(chǔ)各接入網(wǎng)相關(guān)信息，包括預(yù)置信息和時(shí)變信息;預(yù)置 信息包括各接入網(wǎng)的價(jià)格、電池能耗和安全性;時(shí)變信息包括時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)、丟包率、網(wǎng)絡(luò) 當(dāng)前可用帶寬、接收信號(hào)強(qiáng)度RSS;在用戶的業(yè)務(wù)請(qǐng)求觸發(fā)下，模塊輸出收集到的上述信息 并進(jìn)行周期性更新；
[0018] 業(yè)務(wù)需求信息存儲(chǔ)模塊:保存業(yè)務(wù)類(lèi)型、相應(yīng)業(yè)務(wù)需求W及各業(yè)務(wù)指標(biāo)的權(quán)重值， 并在用戶的業(yè)務(wù)請(qǐng)求觸發(fā)下輸出；
[0019] 用戶偏好信息存儲(chǔ)模塊:保存不同業(yè)務(wù)情況下用戶對(duì)RAT價(jià)格、安全性、電池能耗 及其權(quán)重的需求信息；
[0020] 在本方法中，業(yè)務(wù)模塊能夠根據(jù)帶寬使用信息計(jì)算網(wǎng)絡(luò)i的當(dāng)前負(fù)載值Gcur,具體 表達(dá)式為：
[002^ 其中韻C胃和轉(zhuǎn)W。:分別表示當(dāng)前占用的帶寬和可W利用的總帶寬；候選切換網(wǎng) 絡(luò)負(fù)載竣UP也根據(jù)上式計(jì)算；同時(shí)，業(yè)務(wù)模塊根據(jù)收集和存儲(chǔ)用戶信息確定系統(tǒng)中的負(fù)載 轉(zhuǎn)移口限值G化。
[0023] 進(jìn)一步，所述效用函數(shù)模塊衡量網(wǎng)絡(luò)性能主要是從阻塞率、掉話率、時(shí)延和丟包率 來(lái)分析;所述效用函數(shù)模塊采用業(yè)務(wù)阻塞率、可用帶寬和平均傳輸時(shí)間作為系統(tǒng)指標(biāo)，通過(guò) 對(duì)候選網(wǎng)絡(luò)的=種指標(biāo)進(jìn)行處理分析后，選擇更合適的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行切換；
[0024] 阻塞率的效用函數(shù)Ubr(i)由下式表示：
[0025] 化[?(：0 = 10評(píng)（：0/10評(píng)*38
[0026] 其中i指的是網(wǎng)絡(luò)序號(hào)，P(i)表示的是網(wǎng)絡(luò)中的阻塞率，Ptag表示的是系統(tǒng)所能忍 受的最大阻塞率;網(wǎng)絡(luò)中的阻塞率P(i)越小，效用函數(shù)UBR(i)的值越大；
[0027] 網(wǎng)絡(luò)i的有效可用帶寬(Bandwi化h，BW)的效用函數(shù)UBw(i)表示為：
[0029] 其中孩Lw康示的是網(wǎng)絡(luò)i可用有效帶寬(avaiIableBandwi化h)，孩L。;康示的是 網(wǎng)絡(luò)i的總帶寬；
[0030] 傳輸時(shí)間（PropagationTime,PT)的效用函數(shù)UptQ)表示為：
[0032] 其中Tavg表示的是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中服務(wù)的平均傳輸時(shí)間，T(i)是網(wǎng)絡(luò)i中的一般傳輸時(shí) 間，Ttag表示的是網(wǎng)絡(luò)中可W允許的最大傳輸時(shí)間；
[0033] =種效用函數(shù)對(duì)應(yīng)不同業(yè)務(wù)類(lèi)型，如呼叫類(lèi)業(yè)務(wù)需要較低阻塞率，非實(shí)時(shí)類(lèi)業(yè)務(wù) 更關(guān)注傳輸時(shí)間，切換時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)用戶業(yè)務(wù)需要切換到其相關(guān)效用函數(shù)值較大的網(wǎng)絡(luò)。
[0034]進(jìn)一步，在本方法中采用垂直切換作為優(yōu)化切換，比較業(yè)務(wù)模塊中得到的當(dāng)前負(fù) 載值和負(fù)載轉(zhuǎn)移口限值，如果滿足Geur>Gth且eur<Gth，則進(jìn)行切換，否則切換請(qǐng)求被拒 絕;為了避免兵鳥(niǎo)效應(yīng)和頻繁切換，需要設(shè)置遲滯定時(shí)器，請(qǐng)求切換時(shí)啟動(dòng)遲滯定時(shí)器，若 超過(guò)遲滯定時(shí)后依舊滿足上述則啟動(dòng)垂直切換。
[0035]本發(fā)明的有益效果在于：一方面，業(yè)務(wù)模塊能夠持續(xù)穩(wěn)定地收集各網(wǎng)絡(luò)中的參數(shù) 信息并進(jìn)行保存和管理，通過(guò)運(yùn)些信息能夠得到各網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況，提供切換的前提，還為 效用函數(shù)模塊提供數(shù)據(jù)支持。另一方面，考慮到不同業(yè)務(wù)的不同需求，本發(fā)明通過(guò)構(gòu)建效用 函數(shù)模塊對(duì)候選網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)能力進(jìn)行定量分析，針對(duì)不同業(yè)務(wù)提出不同的參數(shù)指標(biāo)作為選 擇候選切換網(wǎng)絡(luò)的參考。在滿足系統(tǒng)對(duì)于負(fù)載均衡要求的同時(shí)，將用戶切換到更適合其業(yè) 務(wù)運(yùn)營(yíng)的網(wǎng)絡(luò)中。此外，選擇垂直切換作為優(yōu)化切換可W最小化用戶移動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化 對(duì)業(yè)務(wù)和系統(tǒng)性能的影響。最后，設(shè)置遲滯定時(shí)器可W避免系統(tǒng)出現(xiàn)頻繁的切換和兵鳥(niǎo)效 應(yīng)，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，只有在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下負(fù)載均衡才有意義。
【附圖說(shuō)明】
[0036]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行 說(shuō)明：
[0037]圖1為基于業(yè)務(wù)和效用函數(shù)的負(fù)載均衡算法的系