CN103781118A - 基于多业务的异构无线网络接入控制与资源分配联合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多业务的异构无线网络接入控制与资源分配联合方法，其中包括：首先综合考虑***吞吐量和用户的公平性，针对时延敏感业务设计了***的优化目标函数，并将该优化问题分解成接入控制和资源分配两个子问题，其中资源分配由各个基站完成。然后，在宏基站设置间接协调器，根据各个基站的资源分配结果，调整用户的接入网选择。本发明主要在保障不同业务类型用户的服务质量前提下，解决宏基站和家庭小区以及家庭小区之间的负载均衡，提高全网的吞吐量，并有效的降低算法复杂度，可应用于宏基站与家庭基站共存的异构无线网络的下行链路中。

Description

基于多业务的异构无线网络接入控制与资源分配联合方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，应用在宏小区与家庭小区共存的异构无线网络环境下行链路，涉及LTE异构无线网络的接入控制技术和资源分配技术，既可满足用户服务质量（QoS）需求，又能提高整个***的吞吐量。

背景技术

为了满足用户日益增长的数据传输需求并且增加小区网络的总容量，尤其是改善热点小区用户的通信质量，运营商在宏小区覆盖范围内增设了家庭小区。家庭小区能够对频谱进行空间复用，因此在宏小区和家庭小区重叠区域的用户可以选择家庭基站传输数据，这样可以使用户获得更好的信道质量，极大地提高网络的吞吐量，同时减轻宏基站的负载。这种由不同大小区域组成的、并且有重叠覆盖区域的混合网络称为异构网络。接入宏基站的用户称为宏用户，接入家庭基站的用户称为家庭用户。

然而，由于频谱受限，家庭小区同宏小区使用相同频谱，这样会带来基站之间的干扰。例如，在下行链路中，家庭小区覆盖范围内的用户既能接收到宏基站的信号又能接收到家庭基站的信号，信号之间造成的干扰会导致用户的信干噪比（SINR）下降，并降低用户服务质量（QoS），例如用户的传输速率和时延。因此，在存在干扰的异构网络中，如何选取适当的资源分配技术和接入网选择技术来保证用户服务质量（QoS）需求并提高整个***的吞吐量成为现实中有研究价值的问题。

目前，关于异构网络中资源分配技术的研究和用户接入网选择控制技术的研究也均已成为热门问题。但是，大部分资源分配技术的研究场景中仅仅考虑了单一的基站，不符合当今真实的异构无线网络环境。如Nan Zhou等在IEEE Transactions on wireless communication，2010《Low Complexity Cross-Layer Design with Packet DependentScheduling for Heterogeneous Traffic in Multiuser OFDMSystems》一文中提出了一种低复杂度的自适应跨层调度资源分配算法，考虑了不同业务类型的用户服务质量（QoS）需求，但是此方法的异构只体现在业务类型的不同，不能体现异构网络中小区类型的不同，因此不存在接入网选择技术的研究。而大部分用户接入网选择控制技术的研究又往往忽略了保障用户服务质量（QoS），如Mingyi Hong等在IEEE Journal On Selected Areas In Communications，2012《Mechanism Design for Base Station Association and ResourceAllocation in Downlink OFDMA Network》一文中将资源分配与接入控制相结合来提高***的吞吐量，但是此方法没有考虑基站之间存在干扰以及用户业务类型的不同，不能保证用户服务质量（QoS）需求。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种基于多业务的异构无线网络接入控制与资源分配联合方法，本方法不仅可以保证时延敏感用户服务质量（QoS）需求，提高全网的吞吐量，而且相对于贪婪方法，本方法可以有效的提升算法收敛速度。

本发明的核心思想为：首先，综合考虑***吞吐量和用户的公平性，针对时延敏感业务的用户设计了***的优化目标函数，并将该优化问题分解成资源分配和接入控制两个子问题，其中资源分配由各个基站完成。然后，在宏基站设置间接协调器，根据各个基站反馈的资源分配结果，调整用户的接入网络选择，解决宏基站和家庭小区以及家庭小区之间的负载均衡问题。

为了实现上述目的，本发明具体步骤如下：

步骤1，初始化为任意的用户接入网络状态，统计网络中基站个数W及基站集合W、用户个数N及用户集合N和各个基站下的用户数及集合，用N_w和N_w分别表示基站w下的用户数及用户集合；

步骤2，对于给定的用户接入网选择，每个基站进行基于用户服务质量保障的比例公平性资源分配，得到用户n在基站w中的传输速率r_n,w；

步骤3，根据所述用户n在基站w中的传输速率r_n,w，统计每个基站的平均效用函数

将所述每个基站的平均效用函数

按照由小到大的顺序排列为集合D，设标号s和l，初始化s＝1；

步骤4，找到所述集合D中标号为s的基站D(s)，记为

初始化l＝W；

步骤5，根据资源分配情况找到可以调整接入网选择的用户，具体步骤如下：

步骤5.1，若所述是宏基站，找到标号为l的基站D(l)，令

判断此时在所述

覆盖范围内是否存在宏用户；若存在，执行步骤5.1.1；若不存在，执行步骤5.1.2：

步骤5.1.1，计算这些用户的网络效用差

其中 ${\mathrm{\ΔU}}_n(w_{\min }^{*},w_{\max }^{*})={\mathrm{\ΔU}}_n\left(w_{\max }^{*}\right)-{\mathrm{\ΔU}}_n\left(w_{\min }^{*}\right),$ △U_n(w)表示用户n连接基站w时基站w的效用函数与用户n没有连接基站w时基站w的效用函数之差；根据所述用户的网络效用差

判断是否存在满足的用户：若存在，转到所述步骤6，若不存在，执行所述步骤5.1.2；

步骤5.1.2，将l＝l-1，判断l是否等于s：如果是，执行所述步骤7，否则，返回到所述步骤5.1；

步骤5.2，若所述

是家庭基站，令为宏基站，计算接入基站的家庭用户的网络效用差

判断是否存在满足

的用户：若存在，执行所述步骤6，否则，将s＝s+1，返回到所述步骤4；

步骤6，在所述

覆盖范围内与所述

连接的用户的网络效用差

中找到最大值所对应的用户n^*，将用户n^*的接入网选择从所述

调整到所述

返回到所述步骤2；

步骤7，没有新的用户满足切换条件时，算法完成。

所述步骤2的基于用户服务质量保障的比例公平性资源分配可按如下步骤进行：

用ρ_w表示时延敏感（DS）用户分配的资源比例，取值范围为0到1之间。求解ρ_w可得到用户n在基站w中的传输速度r_n,w；

步骤2.1，计算所述用户n在基站w中的信干噪比SINR_n,w：

${\mathrm{SINR}}_{n,w}=\frac{{\left|h_n^w\right|}^2{P}^w}{\underset{k\∈W,k\≠w}{\mathrm{\Σ}}{\left|h_n^k\right|}^2{P}^k+{\mathrm{\σ}}_n^2};$

其中，

表示用户n到基站w的信道增益，P^w表示基站w的传输功率，

表示来自其他基站的干扰，

表示背景噪声的功率；

步骤2.2，计算单位资源块上用户n在基站w中的传输速率R_n,w：

R_n,w＝Blog₂(1+SINR_n,w)；

其中，B表示LTE中单位资源块的带宽；

步骤2.3，选取按比例公平性分配模型作为资源分配模型，则基站w中的时延敏感（DS）用户的传输速率

公式和非时延敏感（NDS）用户的传输速率公式分别为：

$r_{n,w}^{\mathrm{DS}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_w{\mathrm{VR}}_{n,w}}{N_w^{\mathrm{DS}}}(\∀n\∈N_w^{\mathrm{DS}})$

$r_{m,w}^{\mathrm{NDS}}=\frac{(1-{\mathrm{\ρ}}_w){\mathrm{VR}}_{m,w}}{N_w^{\mathrm{NDS}}}(\∀m\∈N_w^{\mathrm{NDS}});$

其中，ρ_w表示基站w中时延敏感（DS）用户分配的资源比例，取值在0到1之间，V表示基站w中的资源块总数，

和

分别表示基站w中时延敏感（DS）用户和非时延敏感（NDS）用户的个数，给定接入网选择情况下，所述

和所述

均为已知，和

分别表示基站w下的时延敏感（DS）用户集合和非时延敏感（NDS）用户集合；

步骤2.4，根据资源分配的时延敏感（DS）用户的服务质量需求需要满足的条件：其等待时延小于时延门限值T_th，以及根据排队论中M/G/1模型，等待时延与服务速率的关系满足以下不等式：

$E\left[T_n^{\mathrm{DS}}\right]=E\left[X_n^{\mathrm{DS}}\right]+\frac{{\mathrm{\λ}}_{n}E\left[{\left(X_n^{\mathrm{DS}}\right)}^2\right]}{2(1-{\mathrm{\λ}}_{n}E[X_n^{\mathrm{DS}}\left]\right)}\≤T_{\mathrm{th}}\∀n\∈N_{\mathrm{DS}};$

其中，λ_n表示用户的分组达到率，N_DS表示时延敏感（DS）用户的集合，

表示时延敏感（DS）用户n的平均等待时延，

表示时延敏感（DS）用户n的平均服务时间，并且

其中E[F]表示包长，

为时延敏感（DS）用户n的传输速率，当资源分配结束后

为确定值，因此服务时间为常量，即

步骤2.5，根据所述等待时延与服务速率的关系不等式，得出单个所述时延敏感（DS）用户的传输速率约束条件：

$r_n^{\mathrm{DS}}>r_{\min }^{\mathrm{DS}}=\frac{(1+{\mathrm{\λ}}_n{T}_{\mathrm{th}})+\sqrt{{(1+{\mathrm{\λ}}_n{T}_{\mathrm{th}})}^2-2{\mathrm{\λ}}_n{T}_{\mathrm{th}}}}{2T_{\mathrm{th}}}E\left[F\right]\∀n\∈N_{\mathrm{DS}};$

其中，

表示DS用户在时延门限之内的最小传输速率；

步骤2.6，在给定接入网选择情况下每个基站分别进行资源分配，此时分别计算每个基站的效用函数U_w：

$U_w=\underset{n\∈N_w^{\mathrm{DS}}}{\mathrm{\Σ}}\log \left(r_{n,w}^{\mathrm{DS}}\right)+\underset{m\∈N_w^{\mathrm{NDS}}}{\mathrm{\Σ}}\log \left(r_{m,w}^{\mathrm{NDS}}\right);$

步骤2.7，将所述步骤2.3得出的所述时延敏感（DS）用户的传输速率公式和所述非时延敏感（NDS）用户的传输速率

公式代入所述每个基站的效用函数U_w中，得：

$U_w=\underset{n\∈N_w^{\mathrm{DS}}}{\mathrm{\Σ}}\log \left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_w{\mathrm{VR}}_{n,w}}{N_w^{\mathrm{DS}}}\right)+\underset{m\∈N_w^{\mathrm{NDS}}}{\mathrm{\Σ}}\log \left(\frac{(1-{\mathrm{\ρ}}_w){\mathrm{VR}}_{m,w}}{N_w^{\mathrm{NDS}}}\right);$

要使所述每个基站的效用函数在约束条件下最大，令ρ_w的一阶偏导数为0，得出：

${\mathrm{\ρ}}_w=\max \{\frac{N_w^{\mathrm{DS}}}{N_w},\min \{\frac{N_w^{\mathrm{DS}}{r}_{\min }^{\mathrm{DS}}}{{\mathrm{VR}}_{n,w}},1\left\}\right\},\∀n\∈N_w^{\mathrm{DS}};$

将求得的ρ_w代入所述时延敏感（DS）用户的传输速率公式

和所述非时延敏感（NDS）用户的传输速率公式

中，即可得出在给定用户的接入网选择时每个基站的资源分配情况。

所述步骤5.1.1中需要计算的网络效用差

的计算过程如下：

当用户n在基站w时和不在基站w时，基站w分别对应两个基站效用函数，前者与后者的差，我们定义为用户n在基站w中的网络效应函数：

${\mathrm{\ΔU}}_n\left(w\right)=\underset{i\∈N_w\left({\mathrm{\α}}_n\right)}{\mathrm{\Σ}}\log \left(r_{i,w}\right)-\underset{i\∈N_w\left({\mathrm{\α}}_{-n}\right)}{\mathrm{\Σ}}\log \left(r_{n,w}\right);$

其中N_w(α_n)表示当用户n在基站w时基站w的用户集合，N_w(α_-n)表示当用户n不在基站w时基站w的用户集合；

用户n在基站和基站中分别对应两个网络效用函数，分别为和

将前者与后者作差，得出用户n从基站

离开进入基站的网络效应差

即：

$\mathrm{\Δ}{U}_n(w_{\min }^{*},w_{\max }^{*})={\mathrm{\ΔU}}_n\left(w_{\max }^{*}\right)-{\mathrm{\ΔU}}_n\left(w_{\min }^{*}\right).$

本发明的有益效果在于：宏基站的间接协调器可以使负荷重的家庭基站的一部分用户接入宏基站，然后将一部分宏小区用户接入负荷较轻家庭基站。经过间接协调，用户从负荷重的家庭基站间接转移到负荷轻的家庭基站，不仅实现了宏小区与家庭小区之间的接入网选择，同时实现了相互不重叠家庭小区用户的接入网选择，提高了***的吞吐量。

附图说明

图1为本发明的实施流程图；

图2为本发明的应用场景图；

图3为是本发明的间接协调示意图；

图4为本发明的基站信息交换图；

图5为本发明与现有方法关于时延累积分布函数（CDF）的比较图；

图6为本发明与贪婪方法关于用户吞吐量累积分布函数（CDF）的比较图。

具体实施方式

本发明公开了一种基于多业务的异构无线网络接入控制与资源分配联合方法，以下结合附图对本发明的原理及技术方案做进一步的描述：

参照图2，本发明的实现场景为一个部署了若干个家庭小区的宏小区，家庭小区在宏小区覆盖范围内，家庭小区之间覆盖范围不重叠，整个***内有W个基站和N个用户，有的用户既在宏小区覆盖范围内又在家庭小区覆盖范围内。参照图3可知，相互不重叠的家庭小区之间的用户不能直接在两个家庭基站间做接入网选择。本方法在宏基站设置一个间接协调器，用来在每个时隙开始根据历史信息和来自各个家庭基站的反馈信息更新用户的接入网选择，具体参照图4。在此，我们考虑两种业务类型用户：时延敏感（DS）用户和非时延敏感（NDS）用户。为了满足DS用户服务质量（QoS）需求，其等待时延要小于时延门限值T_th。

综合考虑网络吞吐量和用户之间的公平性，***目标函数设计如下：

$\max \underset{w\∈W}{\mathrm{\Σ}}[\underset{n\∈N_w^{\mathrm{DS}}}{\mathrm{\Σ}}\log \left(r_{n,w}^{\mathrm{DS}}\right)+\underset{m\∈N_w^{\mathrm{NDS}}}{\mathrm{\Σ}}\log \left(r_{m,w}^{\mathrm{NDS}}\right)];$

其中

和

分别为DS用户和NDS用户在基站w中的传输速率。W、

和

分别表示基站集合、基站w下的DS用户集合和NDS用户集合。

由于该问题为一个NP-hard问题，不能在有限时间内得到其最优解，因此本发明将此目标函数分解为两部分：1）在给定接入网选择情况下每个基站分别进行资源分配；2）根据资源分配结果，间接协调器对用户进行接入网选择控制。

参照图1，本发明实现步骤具体如下：

步骤1，初始化为任意的用户接入网络状态，统计网络中基站个数W及基站集合W、用户数N及用户集合N和各个基站下的用户数及集合，用N_w和N_w分别表示基站w下的用户数及用户集合，用α_n表示用户n接入的基站标号。

步骤2，对于给定的用户接入网选择，每个基站进行基于用户服务质量（QoS）保障的比例公平性资源分配，用ρ_w表示基站w中时延敏感（DS）用户分配的资源比例，取值范围为0到1之间，求解ρ_w可得到用户n在基站w中的传输速率r_n,w；

步骤2具体实现如下：

步骤2.1，计算所述用户n在基站w中的信干噪比SINR_n,w：

${\mathrm{SINR}}_{n,w}=\frac{{\left|h_n^w\right|}^2{P}^w}{\underset{k\∈W,k\≠w}{\mathrm{\Σ}}{\left|h_n^k\right|}^2{P}^k+{\mathrm{\σ}}_n^2};$

其中，

表示用户n到基站w的信道增益，P^w表示基站w的传输功率，

表示来自其他基站的干扰，

表示背景噪声的功率；

步骤2.2，计算单位资源块上用户n在基站w中的传输速率R_n,w：

R_n,w＝Blog₂(1+SINR_n,w)；

其中，B表示LTE中单位资源块的带宽；

步骤2.3，选取按比例公平性分配模型作为资源分配模型，则基站w中的时延敏感（DS）用户的传输速率公式和和非时延敏感（NDS）用户的传输速率

公式分别为：

$r_{n,w}^{\mathrm{DS}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_w{\mathrm{VR}}_{n,w}}{N_w^{\mathrm{DS}}}(\∀n\∈N_w^{\mathrm{DS}})$

$r_{m,w}^{\mathrm{NDS}}=\frac{(1-{\mathrm{\ρ}}_w){\mathrm{VR}}_{m,w}}{N_w^{\mathrm{NDS}}}(\∀m\∈N_w^{\mathrm{NDS}});$

其中，ρ_w表示基站w中时延敏感（DS）用户分配的资源比例，V表示基站w中的资源块总数，

和

分别表示基站w中时延敏感（DS）和非时延敏感（NDS）用户个数，给定接入网选择情况下，

和均已知，

和

分别表示基站w下的时延敏感（DS）用户集合和非时延敏感（NDS）用户集合；

步骤2.4，根据资源分配的时延敏感（DS）用户的服务质量需求所需要满足的条件：其等待时延小于时延门限值T_th，以及根据排队论中M/G/1模型，等待时延与服务速率的关系满足以下不等式：

$E\left[T_n^{\mathrm{DS}}\right]=E\left[X_n^{\mathrm{DS}}\right]+\frac{{\mathrm{\λ}}_{n}E\left[{\left(X_n^{\mathrm{DS}}\right)}^2\right]}{2(1-{\mathrm{\λ}}_{n}E[X_n^{\mathrm{DS}}\left]\right)}\≤T_{\mathrm{th}}\∀n\∈N_{\mathrm{DS}};$

其中，λ_n表示用户的分组达到率，N_DS表示时延敏感（DS）用户的集合，

表示时延敏感（DS）用户n的平均等待时延，

表示时延敏感（DS）用户n的平均服务时间，并且

其中E[F]表示包长，为时延敏感（DS）用户n的传输速率，当资源分配结束后为确定值，因此服务时间为常量，即

步骤2.5，根据所述等待时延与服务速率的关系不等式，得出单个所述时延敏感（DS）用户的传输速率约束条件：

$r_n^{\mathrm{DS}}>r_{\min }^{\mathrm{DS}}=\frac{(1+{\mathrm{\λ}}_n{T}_{\mathrm{th}})+\sqrt{{(1+{\mathrm{\λ}}_n{T}_{\mathrm{th}})}^2-2{\mathrm{\λ}}_n{T}_{\mathrm{th}}}}{2T_{\mathrm{th}}}E\left[F\right]\∀n\∈N_{\mathrm{DS}};$

其中，

表示DS用户在时延门限之内的最小传输速率；

步骤2.6，在给定接入网选择情况下每个基站分别进行资源分配，此时分别计算每个基站的效用函数U_w：

$U_w=\underset{n\∈N_w^{\mathrm{DS}}}{\mathrm{\Σ}}\log \left(r_{n,w}^{\mathrm{DS}}\right)+\underset{m\∈N_w^{\mathrm{NDS}}}{\mathrm{\Σ}}\log \left(r_{m,w}^{\mathrm{NDS}}\right)$

步骤2.7，在ρ_w未知情况下，将所述步骤2.3得出的所述时延敏感（DS）用户的传输速率

公式和所述非时延敏感（NDS）用户的传输速率

公式代入所述单独每个基站的效用函数U_w中，得：

$U_w=\underset{n\∈N_w^{\mathrm{DS}}}{\mathrm{\Σ}}\log \left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_w{\mathrm{VR}}_{n,w}}{N_w^{\mathrm{DS}}}\right)+\underset{m\∈N_w^{\mathrm{NDS}}}{\mathrm{\Σ}}\log \left(\frac{(1-{\mathrm{\ρ}}_w){\mathrm{VR}}_{m,w}}{N_w^{\mathrm{NDS}}}\right);$

要使所述每个基站的效用函数在约束条件下最大，令ρ_w的一阶偏导数为0，得出：

${\mathrm{\ρ}}_w=\max \{\frac{N_w^{\mathrm{DS}}}{N_w},\min \{\frac{N_w^{\mathrm{DS}}{r}_{\min }^{\mathrm{DS}}}{{\mathrm{VR}}_{n,w}},1\left\}\right\}\∀n\∈N_w^{\mathrm{DS}};$

将求得的ρ_w带入所述时延敏感（DS）用户的传输速率公式

和所述非时延敏感（NDS）用户的传输速率公式

即可得到在给定用户的接入网选择时每个基站的资源分配情况；

步骤3，根据所述用户n在基站w中的传输速率r_n,w，计算每个基站的平均效用函数

将所述每个基站的平均效用函数

按照由小到大的顺序排列为集合D，设标号s和l，初始化s＝1；

步骤4，找到所述集合D中标号为s的基站D(s)，记为

并将l初始化l＝W；

步骤5，根据资源分配情况找到可以调整接入网选择的用户，具体步骤如下：

步骤5.1，若所述

是宏基站，找到标号为l的基站D(l)，令

判断此时在所述

覆盖范围内是否存在宏用户：若存在，执行步骤5.1.1；若不存在，执行步骤5.1.2：

步骤5.1.1，计算这些用户的网络效用差

其中 $\mathrm{\Δ}{U}_n(w_{\min }^{*},w_{\max }^{*})={\mathrm{\ΔU}}_n\left(w_{\max }^{*}\right)-{\mathrm{\ΔU}}_n\left(w_{\min }^{*}\right),$ △U_n(w)表示用户n连接基站w时基站w效用函数与用户n没有连接基站w时基站w的效用函数之差；根据所述用户的网络效用差

判断是否存在满足

的用户：若存在，转到所述步骤6，若不存在，执行所述步骤5.1.2；

步骤5.1.2，将l＝l-1，判断l是否等于s：如果是，执行所述步骤7，否则，返回到所述步骤5.1；

步骤5.2，若所述

是家庭基站，令为宏基站，计算接入基站的家庭用户的网络效用差

判断是否存在满足

的用户：若存在，执行所述步骤6，否则，将s＝s+1，返回到所述步骤4；

其中，网络效用差

的计算过程如下：

当用户n在基站w时和不在基站w时，基站w分别对应两个基站效用函数，前者与后者的差，我们定义为用户n在基站w中的网络效应函数：

${\mathrm{\ΔU}}_n\left(w\right)=\underset{i\∈N_w\left({\mathrm{\α}}_n\right)}{\mathrm{\Σ}}\log \left(r_{i,w}\right)-\underset{i\∈N_w\left({\mathrm{\α}}_{-n}\right)}{\mathrm{\Σ}}\log \left(r_{n,w}\right);$

其中N_w(α_n)表示当用户n在基站w时基站w的用户集合，N_w(α_-n)表示当用户n不在基站w时基站w的用户集合；

用户n在基站

和基站

中分别对应两个网络效用函数，将前者与后者作差，得出用户n从基站

离开进入基站

的网络效应差

即：

${\mathrm{\ΔU}}_n(w_{\min }^{*},w_{\max }^{*})={\mathrm{\ΔU}}_n\left(w_{\max }^{*}\right)-{\mathrm{\ΔU}}_n\left(w_{\min }^{*}\right);$

步骤6，在所述覆盖范围内与所述

连接的用户的网络效用差

中找到最大值所对应的用户n^*，将用户n^*的接入网选择从所述

调整到所述

即

返回到所述步骤2；

步骤7，当没有新的用户满足切换条件时，算法完成。

本发明的效果可通过下面的仿真实例进一步说明。

1）仿真的***参数

仿真场景考虑了一个1000米长的方形区域，在区域中心有一个宏基站，在宏基站周围随机分布了10个家庭基站，整个区域内随机分布了100-400个用户，每个用户都可以得到来自宏基站和所在家庭基站反馈的信干噪比（SINR），并且将SINR发送到宏基站中的间接协调器。间接协调器同时可以得到每个基站的资源分配信息，然后根据这些信息进行全部用户的接入网选择控制。***带宽B为10MHz。宏基站和家庭基站的传输功率不同，分别为46dBm和28dBm。背景噪声功率为

用户到达的分组服从到达率λ_n为30packets/s的泊松分布。包长E[F]为1000bit。DS用户需要满足的时延门限值T_th＝100ms。用户与宏基站和家庭基站之间的信道增益

包括小区路径损耗和阴影衰落。根据3GPP36.814V9.0.0标准，宏小区和家庭小区的路径损耗模型分别为L(d)＝128+37.6log(d),d≥35m和L(d)＝140.7+36.7log(d),d≥10m，其中d表示用户与基站之间的距离。假设阴影衰落为标准差为σ_s＝8dB的对数正态衰落。初始化接入方式为根据用户最大SINR接入网络。

2）仿真内容与结果

为了说明本发明在保证用户QoS需求方面的优越性，图5对比了最大SINR接入方法、SINR Bias接入方法、贪婪接入方法和本发明在用户数在用户数为400时，时延的CDF曲线。由图5可以看出，应用本方法比上述三种方法的时延都小，并且能保证一定用户规模时，用户的平均时延均在时延门限100ms以下，很好的保证了时延敏感用户的QoS需求，使用户能得到更好的体验。

图6为本发明方法与贪婪方法在用户吞吐量方面的对比。从图中CDF曲线可以看出，本发明使得高吞吐量的用户所占的百分比有效的提升，所以本发明可以有效的提高用户公平性和网络的吞吐量。

进一步的，下表对比了当用户数为400时，最大SINR接入方法、SINR Bias接入方法、贪婪接入方法和本发明中接入控制与资源分配结合方法的***吞吐量、平均时延和切换次数。本发明方法能有效的降低用户平均时延，减少切换次数，提高算法收敛速度。

Claims (3)

1.基于多业务的异构无线网络接入控制与资源分配联合方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤1，初始化为任意的用户接入网络状态，统计网络中基站个数W及基站集合W、用户个数N及用户集合N和各个基站下的用户数及集合，用N_w和N_w分别表示基站w下的用户数及用户集合；

步骤2，对于给定的用户接入网选择，每个基站进行基于用户服务质量保障的比例公平性资源分配，得到用户n在基站w中的传输速率r_n,w；

步骤3，根据所述用户n在基站w中的传输速率r_n,w，统计每个基站的平均效用函数

将所述每个基站的平均效用函数

按照由小到大的顺序排列为集合D，设标号s和l，初始化s＝1；

步骤4，找到所述集合D中标号为s的基站D(s)，记为

初始化l＝W；

步骤5,根据资源分配情况找到可以调整接入网选择的用户:

步骤5.1，若所述是宏基站，找到标号为l的基站D(l)，令判断此时在所述

覆盖范围内是否存在宏用户：若存在，执行步骤5.1.1；若不存在，执行步骤5.1.2；

步骤5.1.1，计算这些用户的网络效用差

其中 $\mathrm{\Δ}{U}_n(w_{\min }^{*},w_{\max }^{*})={\mathrm{\ΔU}}_n\left(w_{\max }^{*}\right)-{\mathrm{\ΔU}}_n\left(w_{\min }^{*}\right),$ △U_n(w)表示用户n连接基站w时基站w的效用函数与用户n没有连接基站w时基站w的效用函数之差；根据所述用户的网络效用差判断是否存在满足

的用户：若存在，转到所述步骤6，若不存在，执行所述步骤5.1.2；

步骤5.1.2，将l＝l-1，判断l是否等于s：如果是，执行所述步骤7，否则，返回到所述步骤5.1；

步骤5.2，若所述

是家庭基站，令

为宏基站，计算接入基站

的家庭用户的网络效用差

判断是否存在满足

的用户：若存在，执行所述步骤6，否则，将s＝s+1，返回到所述步骤4；

步骤6，在所述

覆盖范围内与所述连接的用户的网络效用差

中找到最大值所对应的用户n^*，将用户n^*的接入网选择从所述

调整到所述

返回到所述步骤2；

步骤7，没有新的用户满足切换条件时，算法完成。

2.根据权利要求1所述的基于多业务的异构无线网络接入控制与资源分配联合方法，其特征在于：其中步骤2所述的基于用户服务质量保障的比例公平性资源分配可按如下步骤进行：

用ρ_w表示时延敏感（DS）用户分配的资源比例，取值范围为0到1之间；求解ρ_w可得到用户n在基站w中的传输速度r_n,w；

步骤2.1，计算所述用户n在基站w中的信干噪比SINR_n,w：

${\mathrm{SINR}}_{n,w}=\frac{{\left|h_n^w\right|}^2{P}^w}{\underset{k\∈W,k\≠w}{\mathrm{\Σ}}{\left|h_n^k\right|}^2{P}^k+{\mathrm{\σ}}_n^2};$

其中，

表示用户n到基站w的信道增益，P^w表示基站w的传输功率，

表示来自其他基站的干扰，表示背景噪声的功率；

步骤2.2，计算单位资源块上用户n在基站w中的传输速率R_n,w：

R_n,w＝Blog₂(1+SINR_n,w)；

其中，B表示LTE中单位资源块的带宽；

步骤2.3，选取按比例公平性分配模型作为资源分配模型，则基站w中的时延敏感（DS）用户的传输速率公式和非时延敏感（NDS）用户的传输速率

公式分别为：

$r_{n,w}^{\mathrm{DS}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_w{\mathrm{VR}}_{n,w}}{N_w^{\mathrm{DS}}}(\∀n\∈N_w^{\mathrm{DS}})$

$r_{m,w}^{\mathrm{NDS}}=\frac{(1-{\mathrm{\ρ}}_w){\mathrm{VR}}_{m,w}}{N_w^{\mathrm{NDS}}}(\∀m\∈N_w^{\mathrm{NDS}});$

其中，ρ_w表示基站w中时延敏感（DS）用户分配的资源比例，取值在0到1之间，V表示基站w中的资源块总数，和分别表示基站w中时延敏感（DS）用户和非时延敏感（NDS）用户的个数，给定接入网选择情况下，所述

和所述

均为已知，

和

分别表示基站w下的时延敏感（DS）用户集合和非时延敏感（NDS）用户集合；

步骤2.4，根据资源分配的时延敏感（DS）用户的服务质量需求需要满足的条件：其等待时延小于时延门限值T_th，以及根据排队论中M/G/1模型，等待时延与服务速率的关系满足以下不等式：

$E\left[T_n^{\mathrm{DS}}\right]=E\left[X_n^{\mathrm{DS}}\right]+\frac{{\mathrm{\λ}}_{n}E\left[{\left(X_n^{\mathrm{DS}}\right)}^2\right]}{2(1-{\mathrm{\λ}}_{n}E[X_n^{\mathrm{DS}}\left]\right)}\≤T_{\mathrm{th}}\∀n\∈N_{\mathrm{DS}};$

其中，λ_n表示用户的分组达到率，N_DS表示时延敏感（DS）用户的集合，

表示时延敏感（DS）用户n的平均等待时延，

表示时延敏感（DS）用户n的平均服务时间，并且

其中E[F]表示包长，

为时延敏感（DS）用户n的传输速率，当资源分配结束后为确定值，因此服务时间为常量，即

步骤2.5，根据所述等待时延与服务速率的关系不等式，得出单个所述时延敏感（DS）用户的传输速率约束条件：

$r_n^{\mathrm{DS}}>r_{\min }^{\mathrm{DS}}=\frac{(1+{\mathrm{\λ}}_n{T}_{\mathrm{th}})+\sqrt{{(1+{\mathrm{\λ}}_n{T}_{\mathrm{th}})}^2-2{\mathrm{\λ}}_n{T}_{\mathrm{th}}}}{2T_{\mathrm{th}}}E\left[F\right]\∀n\∈N_{\mathrm{DS}};$

其中，

表示DS用户在时延门限之内的最小传输速率；

步骤2.6，在给定接入网选择情况下每个基站分别进行资源分配，此时分别计算每个基站的效用函数U_w：

$U_w=\underset{n{\∈N}_w^{\mathrm{DS}}}{\mathrm{\Σ}}\log \left(r_{n,w}^{\mathrm{DS}}\right)+\underset{m\∈N_w^{\mathrm{NDS}}}{\mathrm{\Σ}}\log \left(r_{m,w}^{\mathrm{NDS}}\right);$

步骤2.7，在ρ_w未知情况下，将所述步骤2.3得出的所述时延敏感（DS）用户的传输速率公式和所述非时延敏感（NDS）用户的传输速率公式代入所述每个基站的效用函数U_w中，得：

$U_w=\underset{n\∈N_w^{\mathrm{DS}}}{\mathrm{\Σ}}\log \left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_w{\mathrm{VR}}_{n,w}}{N_w^{\mathrm{DS}}}\right)+\underset{m\∈N_w^{\mathrm{NDS}}}{\mathrm{\Σ}}\log \left(\frac{(1-{\mathrm{\ρ}}_w){\mathrm{VR}}_{m,w}}{N_w^{\mathrm{NDS}}}\right);$

要使所述每个基站的效用函数在约束条件下最大，令ρ_w的一阶偏导数为0，得出：

${\mathrm{\ρ}}_w=\max \{\frac{N_w^{\mathrm{DS}}}{N_w},\min \{\frac{N_w^{\mathrm{DS}}{r}_{\min }^{\mathrm{DS}}}{{\mathrm{VR}}_{n,w}},1\left\}\right\},\∀n\∈N_w^{\mathrm{DS}};$

将求得的ρ_w代入所述时延敏感（DS）用户的传输速率公式

和所述非时延敏感（NDS）用户的传输速率公式

中，即可得出在给定用户的接入网选择时每个基站的资源分配情况。

3.根据权利要求1所述的基于多业务的异构无线网络接入控制与资源分配联合方法，其特征在于：所述步骤5.1.1中需要计算的网络效用差

的计算过程如下：

当用户n在基站w时和不在基站w时，基站w分别对应两个基站效用函数，前者与后者的差，我们定义为用户n在基站w中的网络效应函数：

$\mathrm{\Δ}{U}_n\left(w\right)=\underset{i\∈N_w\left({\mathrm{\α}}_n\right)}{\mathrm{\Σ}}\log \left(r_{i,w}\right)-\underset{i\∈N_w\left({\mathrm{\α}}_{-n}\right)}{\mathrm{\Σ}}\log \left(r_{n,w}\right);$

其中N_w(α_n)表示当用户n在基站w时基站w的用户集合，N_w(α_-n)表示当用户n不在基站w时基站w的用户集合；

用户n在基站

和基站中分别对应两个网络效用函数，分别为

和将前者与后者作差，得出用户n从基站离开进入基站

的网络效应差

即：

${\mathrm{\ΔU}}_n(w_{\min }^{*},w_{\min }^{*})={\mathrm{\ΔU}}_n\left(w_{\max }^{*}\right)-{\mathrm{\ΔU}}_n\left(w_{\min }^{*}\right).$

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