一種實現(xiàn)異構網(wǎng)絡中動態(tài)負載均衡的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種異構網(wǎng)絡中動態(tài)負載均衡的方法，涉及異構通信網(wǎng)絡【技術領域】。該方法通過在異構網(wǎng)絡中，各個基站感知網(wǎng)絡負載的變化，從歷史的網(wǎng)絡負載信息中學習，并預測未來網(wǎng)絡的負載情況，根據(jù)預測的各個基站的負載值，對新入網(wǎng)絡的用戶采取小區(qū)間切換或者小區(qū)內(nèi)切換來實現(xiàn)負載均衡，其中包括加強學習算法、最佳關聯(lián)算法、偏置因子求解算法以及基于負載均衡的最優(yōu)資源分配算法。本發(fā)明所述方法在某種意義上實現(xiàn)了網(wǎng)絡的智能化，將快速實現(xiàn)負載均衡以及動態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡資源分配結合起來，提升了整個網(wǎng)絡的性能。該方法也可用于同構網(wǎng)絡，有很好的兼容性。
【專利說明】—種實現(xiàn)異構網(wǎng)絡中動態(tài)負載均衡的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于移動通信【技術領域】，涉及一種實現(xiàn)異構網(wǎng)絡中動態(tài)負載均衡的方法?！颈尘凹夹g】
[0002]為了滿足人們?nèi)找嬖鲩L的業(yè)務量的需求，傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡朝著異構化和智能化的趨勢發(fā)展，尤其是引入大量小基站(picocell和femtocell)的部署，以進一步提高網(wǎng)絡覆蓋率以及系統(tǒng)容量，提升用戶的數(shù)據(jù)傳輸速率，使用戶得到更好的服務。但是隨著用戶的隨機接入和離開，使得各個基站的負載情況都不相同，有的基站由于接入的用戶數(shù)目太多而導致?lián)砣?，使得接入這些基站的用戶得不到很好的服務，而有的基站由于接入的用戶數(shù)目太少甚至沒有用戶接入而導致他們的資源的浪費，因而如何快速實現(xiàn)負載均衡成為目前研究的熱點。同時，由于網(wǎng)絡規(guī)模的不斷擴大，接入網(wǎng)絡的用戶數(shù)目不斷增加，而對于有限的網(wǎng)絡資源，如何提升資源的利用率，進而在傳統(tǒng)網(wǎng)絡已有標準的基礎上優(yōu)化全網(wǎng)性能，實現(xiàn)網(wǎng)絡智能化，減少人為操作維護的開銷，成為目前研究的又一熱點。
[0003]現(xiàn)有技術在解決人們?nèi)找嬖鲩L的數(shù)據(jù)率的問題上，引入了異構蜂窩網(wǎng)絡結構，通過引入低功率節(jié)點來滿足用戶的服務需求，從某種意義上說是將超負載的宏基站下的用戶切換給低功率節(jié)點，這里沒有涉及到真正意義上的切換，只是將用戶直接接入到小蜂窩中進行服務。在優(yōu)化網(wǎng)絡性能指標的基礎上，現(xiàn)有技術又提出了用戶與基站關聯(lián)算法，即為將要發(fā)生切換的用戶選擇最佳切換的目標基站，但是參考的指標是SINR，即用戶當前的信號質(zhì)量。而且現(xiàn)有技術在資源分配這部分考慮的是單個小區(qū)的資源利用率，如果從整個系統(tǒng)的角度出發(fā)，是一種局部優(yōu)化的技術，這種考慮可能會導致其他節(jié)點的性能受到一定的損失。
[0004]此外，現(xiàn)有的負載均衡方法不具備感知負載的特性，而且在考慮用戶與基站的關聯(lián)性時只是簡單的以用戶的信號質(zhì)量為指標，并沒有將各個基站的負載情況以及資源使用狀況考慮進來，因而最終獲得全網(wǎng)效用函數(shù)并非最優(yōu)值，而且在資源利用時具有一定的局限性，即考慮切換的類型只有小區(qū)內(nèi)切換或者只有小區(qū)間切換，無法使用戶有效利用整個網(wǎng)絡的資源，導致整個網(wǎng)絡的資源利用率不高。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種實現(xiàn)異構網(wǎng)絡中動態(tài)負載均衡的方法，該方法實現(xiàn)了網(wǎng)絡的智能化，將快速實現(xiàn)負載均衡以及動態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡資源分配結合起來，提升全網(wǎng)性能。
[0006]為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案:
[0007]一種實現(xiàn)異構網(wǎng)絡中動態(tài)負載均衡的方法，包括以下步驟:1)在每個基站下建立相鄰基站狀態(tài)信息列表和本地基站狀態(tài)信息列表，所述列表包括各個基站的負載信息、資源分配情況、基站ID信息；2)獲取用戶當前位置和所屬基站的相關信息，比較所屬基站的當前負載與所設置的負載閾值，判斷該基站是否處于超載狀態(tài)；3)在該基站處于超載狀態(tài)的情況下，用戶根據(jù)相鄰關系列表所記載的各個相鄰基站的歷史負載信息，預測出該用戶在接受服務時相鄰基站的負載信息；4)根據(jù)所述各個基站的預測負載信息值，判斷哪些基站處于超載狀態(tài)，即不能為該用戶服務的基站，哪些是用戶可以選擇接入基站，即處于低負載狀態(tài)的基站甚至是處于空閑狀態(tài)的基站；5)根據(jù)所述的用戶可以關聯(lián)的基站集合，判斷用戶所需的切換類型，根據(jù)用戶切換類型，縮小用戶關聯(lián)基站集合，利用最佳關聯(lián)算法得到用戶切換的目標基站ID ;6)根據(jù)獲得的切換目標基站ID，源基站向目標基站發(fā)送切換請求命令，根據(jù)切換命令將用戶切換到目標基站；在接收到切換命令以后，各個基站將會更新他們的相鄰關系列表；7)根據(jù)切換后的目標基站獲得的新的負載，將目標基站的資源采用最優(yōu)化分配算法，使得這個系統(tǒng)的用戶平均速率達到最佳狀態(tài)。
[0008]進一步，在步驟三中，用戶根據(jù)相鄰關系列表所記載的各個相鄰基站的歷史負載信息，預測出該用戶在接受服務時相鄰基站的負載信息，具體包括:查詢各個基站的相鄰關系列表，獲取歷史負載信息；將各個基站的歷史負載信息運用加強Q-1earning算法預測出未來的負載情況。
[0009]進一步，在步驟五中，利用最佳關聯(lián)算法得到用戶切換的目標基站ID具體包括:獲得用戶關聯(lián)基站集合的發(fā)射功率、偏置因子、負載情況以及資源分配情況；動態(tài)調(diào)整各個關聯(lián)基站的配置參數(shù)，對屬于同一層次的基站的調(diào)整因子設置為同一值；將基站關聯(lián)與資源分配結合優(yōu)化，即最大化效用函數(shù)；獲取與用戶關聯(lián)的最佳基站，即獲得用戶的最佳性能，包括用戶的吞吐量，平均速率指標。
[0010]進一步，在步驟五中，判斷用戶所需的切換類型具體包括:查詢用戶關聯(lián)的基站集合，獲得關聯(lián)基站所屬小區(qū)ID以及自身ID號；根據(jù)關聯(lián)基站所屬小區(qū)ID，判斷原基站與目標基站是否處于同一個小區(qū)；根據(jù)獲得的目標基站的小區(qū)ID，判斷切換類型(小區(qū)內(nèi)切換和小區(qū)間切換)；根據(jù)獲得切換類型，動態(tài)調(diào)整關聯(lián)基站的偏置因子。
[0011]進一步，在步驟七中，所述最佳資源分配方法具體包括:統(tǒng)計切換到各個低負載基站的用戶數(shù)目；根據(jù)新接入的用戶的數(shù)目更新這些目標基站的負載情況；獲取負載發(fā)生改變的這些基站的總的資源；將這些基站各自的總的資源平分給他們所承載的用戶；根據(jù)用戶隨機接入或者離開網(wǎng)絡，需要動態(tài)更新各個基站的資源使用情況，周期性地釋放或者占用相關資源。
[0012]進一步，所述加強Q-1earning算法具體包括:將每個周期的各個基站的關聯(lián)用戶數(shù)目設置為獎勵函數(shù)；根據(jù)各個基站的歷史負載數(shù)據(jù)信息，設置一個時間窗口，該時間窗口包含3個周期，即3個歷史負載數(shù)據(jù)；根據(jù)每個周期下的歷史負載信息對預測值的影響的程度不同，設置不同的加權因子，因為最新的數(shù)據(jù)信息影響程度越高而時間相隔較遠的信息影響程度要低，這就是不在相鄰關系列表中記錄各個基站的所有的歷史負載信息的原因，即利用了數(shù)學相關性原理；根據(jù)所述的加強Q-1earning算法預測出所有基站的未來關聯(lián)用戶的數(shù)目，即負載情況。
[0013]進一步，所述偏置因子的設置包括:查詢用戶關聯(lián)基站集合；計算用戶到各個關聯(lián)基站所受的干擾值的大小；根據(jù)所述計算的干擾值集合，選擇最大的干擾值；根據(jù)最大干擾值，對不同層次的用戶關聯(lián)基站設置相應的偏置因子的值，這樣既保證了用戶到各個關聯(lián)基站能夠正常通信，又能相應節(jié)省系統(tǒng)資源，同一層次的基站的偏置因子的值相同；根據(jù)動態(tài)資源分配方法，偏置因子控制SINR以及各個關聯(lián)基站的已有負載值，這樣就將負載均衡與資源分配很好的結合起來。
[0014]進一步，步驟五包括:查詢用戶關聯(lián)基站集合；判斷用戶到各個關聯(lián)基站的切換類型；優(yōu)先選擇小區(qū)內(nèi)切換，即與原基站在同一小區(qū)的其他基站有未超載或者處于空閑狀態(tài)的，先使用本小區(qū)內(nèi)未被充分利用的資源，此時需要的切換信令開銷較小；不能進行小區(qū)內(nèi)切換的前提下，再進行小區(qū)間切換，即利用相鄰小區(qū)的未被充分利用的資源，此時需要的切換信令開銷較大；在所有基站都即將處于超載狀態(tài)時，用戶將會在網(wǎng)絡中處于停滯狀態(tài)，不被任何基站服務，等待下個周期再傳輸數(shù)據(jù)。
[0015]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明所述的實現(xiàn)異構網(wǎng)絡中動態(tài)負載均衡的方法在某種意義上實現(xiàn)了網(wǎng)絡的智能化，將快速實現(xiàn)負載均衡以及動態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡資源分配結合起來，提升了整個網(wǎng)絡的性能，該方法也可用于同構網(wǎng)絡，具有很好的兼容性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]為了使本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進行說明:
[0017]圖1為異構蜂窩網(wǎng)絡拓撲結構示意圖；
[0018]圖2為MBS收集本小區(qū)所有UEs的狀態(tài)信息流程圖；
[0019]圖3為MBS收集相鄰基站的相關信息流程圖；
[0020]圖4為MBS收集相鄰小區(qū)的部分HeNBs信息的示意圖；
[0021]圖5為加強`Q-1earning算法流程圖；
[0022]圖6為切換類型判斷流程圖；
[0023]圖7為新接入MUE獲得可切換的目標基站列表流程圖；
[0024]圖8為新接入MUE獲取目標基站的狀態(tài)信息流程圖；
[0025]圖9為目標基站分類流程圖；
[0026]圖10為各個目標基站計算偏置因子值的流程圖；
[0027]圖11為新接入的MUE選擇最佳目標基站流程圖；
[0028]圖12為各個基站根據(jù)負載情況動態(tài)分配資源流程圖；
[0029]圖13為整個系統(tǒng)流程圖。
【具體實施方式】
[0030]下面將結合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。
[0031]本發(fā)明提供了一種自動預測負載、快速實現(xiàn)全網(wǎng)的負載均衡并結合動態(tài)資源管理的一種優(yōu)化全網(wǎng)性能的方法。
[0032]圖1為異構蜂窩網(wǎng)絡拓撲結構示意圖，為了實施本發(fā)明，需要在宏基站(MBS)中添加其他基站的相關?目息收集1?塊，收集本小區(qū)的所有基站、相鄰小區(qū)的MBS以及相鄰小區(qū)鄰近的小基站的負載信息和資源利用信息；還需要添加用戶(UE)狀態(tài)信息收集模塊，收集與此MBS相關聯(lián)UEs的位置信息、業(yè)務模式、運動方向和運動速度。由于考慮到小基站一般處于低負載情況甚至處于空閑狀態(tài)，即這些基站下的專用用戶數(shù)目不會超過所設定的閾值，不需要將這些基站下的專屬用戶切換到其他的基站，因而不需要添加其他基站信息狀態(tài)收集模塊，它們只需要將自己的負載信息實時報告給本小區(qū)的MBS即可，由收集的狀態(tài)信息建立相鄰基站列表和本地基站列表。
[0033]圖2為MBS收集本小區(qū)所有UEs的狀態(tài)信息流程圖，如圖所示:
[0034]步驟201 =MBS的信息收集模塊向當前小區(qū)內(nèi)的UE發(fā)送狀態(tài)請求消息，其中狀態(tài)請求消息中包括UE報告的信息狀態(tài)的模式、報告周期、報告類型和事件類型(包括UE的目標基站ID、業(yè)務模式、運動狀態(tài)以及運動速度)。
[0035]步驟202:相應于狀態(tài)請求消息，UE解讀狀態(tài)請求消息，按照要求報告自己的狀態(tài)信息。
[0036]步驟203 =MBS根據(jù)接收到的報告消息，建立或更新UE的狀態(tài)信息，即更新相鄰關系列表中的部分信息。
[0037]其中，狀態(tài)請求消息的示例性結構如表1所示:
[0038]表1:狀態(tài)請求消息
[0039]
【權利要求】
1.一種實現(xiàn)異構網(wǎng)絡中動態(tài)負載均衡的方法，其特征在于:包括以下步驟: 步驟一:在每個基站下建立相鄰基站狀態(tài)信息列表和本地基站狀態(tài)信息列表，所述列表包括各個基站的負載信息、資源分配情況、基站ID信息； 步驟二:獲取用戶當前位置和所屬基站的相關信息，比較所屬基站的當前負載與所設置的負載閾值，判斷該基站是否處于超載狀態(tài)； 步驟三:在該基站處于超載狀態(tài)的情況下，用戶根據(jù)相鄰關系列表所記載的各個相鄰基站的歷史負載信息，預測出該用戶在接受服務時相鄰基站的負載信息； 步驟四:根據(jù)所述各個基站的預測負載信息值，判斷哪些基站處于超載狀態(tài)，即不能為該用戶服務的基站，哪些是用戶可以選擇接入基站，即處于低負載狀態(tài)的基站甚至是處于空閑狀態(tài)的基站； 步驟五:根據(jù)所述的用戶可以關聯(lián)的基站集合，判斷用戶所需的切換類型，根據(jù)用戶切換類型，縮小用戶關聯(lián)基站集合，利用最佳關聯(lián)算法得到用戶切換的目標基站ID ； 步驟六:根據(jù)獲得的切換目標基站ID，源基站向目標基站發(fā)送切換請求命令，根據(jù)切換命令將用戶切換到目標基站；在接收到切換命令以后，各個基站將會更新他們的相鄰關系列表； 步驟七:根據(jù)切換后的目標基站獲得的新的負載，將目標基站的資源采用最優(yōu)化分配算法，使得這個系統(tǒng)的用戶平均速率達到最佳狀態(tài)。
2.根據(jù)權利要求1所述的實現(xiàn)異構網(wǎng)絡中動態(tài)負載均衡的方法，其特征在于:在步驟三中，用戶根據(jù)相鄰關系列表所記載的各個相鄰基站的歷史負載信息，預測出該用戶在接受服務時相鄰基站的負載信息，具體包括:查詢各個基站的相鄰關系列表，獲取歷史負載信息；將各個基站的歷史負載信息運用加強Q-1earning算法預測出未來的負載情況。
3.根據(jù)權利要求1所述的實現(xiàn)異構網(wǎng)絡中動態(tài)負載均衡的方法，其特征在于:在步驟五中，利用最佳關聯(lián)算法得到用戶切換的目標基站ID具體包括:獲得用戶關聯(lián)基站集合的發(fā)射功率、偏置因子、負載情況以及資源分配情況；動態(tài)調(diào)整各個關聯(lián)基站的配置參數(shù)，對屬于同一層次的基站的調(diào)整因子設置為同一值；將基站關聯(lián)與資源分配結合優(yōu)化，即最大化效用函數(shù)；獲取與用戶關聯(lián)的最佳基站，即獲得用戶的最佳性能，包括用戶的吞吐量，平均速率指標。
4.根據(jù)權利要求1所述的實現(xiàn)異構網(wǎng)絡中動態(tài)負載均衡的方法，其特征在于:在步驟五中，判斷用戶所需的切換類型具體包括:查詢用戶關聯(lián)的基站集合，獲得關聯(lián)基站所屬小區(qū)ID以及自身ID號；根據(jù)關聯(lián)基站所屬小區(qū)ID，判斷原基站與目標基站是否處于同一個小區(qū)；根據(jù)獲得的目標基站的小區(qū)ID，判斷切換類型；根據(jù)獲得切換類型，動態(tài)調(diào)整關聯(lián)基站的偏置因子。
5.根據(jù)權利要求1所述的實現(xiàn)異構網(wǎng)絡中動態(tài)負載均衡的方法，其特征在于:在步驟七中，所述最佳資源分配方法具體包括:統(tǒng)計切換到各個低負載基站的用戶數(shù)目；根據(jù)新接入的用戶的數(shù)目更新這些目標基站的負載情況；獲取負載發(fā)生改變的這些基站的總的資源；將這些基站各自的總的資源平分給他們所承載的用戶；根據(jù)用戶隨機接入或者離開網(wǎng)絡，需要動態(tài)更新各個基站的資源使用情況，周期性地釋放或者占用相關資源。
6.根據(jù)權利要求2所述的實現(xiàn)異構網(wǎng)絡中動態(tài)負載均衡的方法，其特征在于:所述加強Q-1earning算法具體包括:將每個周期的各個基站的關聯(lián)用戶數(shù)目設置為獎勵函數(shù)；根據(jù)各個基站的歷史負載數(shù)據(jù)信息，設置一個時間窗口，該時間窗口包含3個周期，即3個歷史負載數(shù)據(jù)；根據(jù)每個周期下的歷史負載信息對預測值的影響的程度不同，設置不同的加權因子；根據(jù)所述的加強Q-1earning算法預測出所有基站的未來關聯(lián)用戶的數(shù)目，即負載情況。
7.根據(jù)權利要求3所述的實現(xiàn)異構網(wǎng)絡中動態(tài)負載均衡的方法，其特征在于:所述偏置因子的設置包括:查詢用戶關聯(lián)基站集合；計算用戶到各個關聯(lián)基站所受的干擾值的大?。桓鶕?jù)所述計算的干擾值集合，選擇最大的干擾值；根據(jù)最大干擾值，對不同層次的用戶關聯(lián)基站設置相應的偏置因子的值，同一層次的基站的偏置因子的值相同。
8.根據(jù)權利要求4所述的實現(xiàn)異構網(wǎng)絡中動態(tài)負載均衡的方法，其特征在于:步驟五包括:查詢用戶關聯(lián)基站集合；判斷用戶到各個關聯(lián)基站的切換類型；優(yōu)先選擇小區(qū)內(nèi)切換，即與原基站在同一小區(qū)的其他基站有未超載或者處于空閑狀態(tài)的，先使用本小區(qū)內(nèi)未被充分利用的資源，此時需要的切換信令開銷較小；不能進行小區(qū)內(nèi)切換的前提下，再進行小區(qū)間切換，即利用相鄰小區(qū)的未被充分利用的資源，此時需要的切換信令開銷較大；在所有基站都即將處于超載狀態(tài)時，用戶將會在網(wǎng)絡中處于停滯狀態(tài)，不被任何基站服務，等待下個周期再傳輸數(shù)據(jù)。`
【文檔編號】H04W36/00GK103763747SQ201410059973
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年2月21日 優(yōu)先權日:2014年2月21日
【發(fā)明者】唐倫, 許娟雄, 陳前斌 申請人:重慶郵電大學