CN105848171B - 一种基于优先级的多业务异构无线网络资源分配方法 - Google Patents

一种基于优先级的多业务异构无线网络资源分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于无线网络资源分配技术领域，特别涉及一种适用于多业务的异构无线网络资源分配。在本发明方法，当多个移动终端业务同时到来时，为终端接入一个合适的无线网络，不仅能够满足具有优先级区分的业务需求，也要能够合理地调配网络带宽资源以最大限度地满足各类业务请求，使得无线网络的总效用达到最大，在此过程中，使用Sigmoid形式的效用函数可以方便地对多类业务进行统一建模，有利于降低资源分配算法在执行过程中的复杂度。

Description

一种基于优先级的多业务异构无线网络资源分配方法
技术领域
本发明属于无线网络资源分配技术领域，特别涉及一种适用于多业务的异构无线网络资源分配。
背景技术
异构无线网络是指存在多种无线接入技术的网络***，常见的接入网络有3G/4G蜂窝移动通信网络、IEEE802系列的无线局域网和无线城域网等，不同的接入网络在覆盖范围、传输速率、带宽、价格等方面存在差异与互补；同时，无线网络中各类业务QoS需求不同，如会话类业务对网络时延要求敏感；流类业务网络丢包率要求较低；交互类业务是典型的“请求应答式业务”，能容忍的网络时延介于会话类与流类业务之间；背景类业务包含有文件传输或电子邮件等业务，这类业务的性能会随着带宽的增加而提高。在多业务的异构无线网络中，如何协调网络间无线资源，为不同业务提供相应的网络服务，最优化无线资源利用率成为异构无线网络资源分配的研究热点。
异构无线网络环境下多业务资源分配的基本思想就是充分利用各异构无线网络优势互补特性，有效地为产生不同业务的移动终端选择最优网络以提供相应网络服务，从而实现整个异构网络***的资源优化，提高网络整体资源利用率，达到网络的负载均衡。
基于多业务的异构无线网络资源分配方法主要采用基于效用的网络资源调配算法，该算法对不同业务的网络资源请求，采用效用函数对终端业务的资源分配满意度进行数值量化，并通过建立效用最大化的数学优化模型，以达到无线网络中所有用户对分配的资源满意度最大目的。基于效用的网络资源调配重点在于效用函数选取上，选择不同的效用函数对用户获得网络资源满意度的刻画也有所区别，例如有的效用函数会在很小的资源变化区间内产生很大幅度的效用值变化，而有的则变化缓慢。因此，对不同业务选择相似的效用函数，会对网络资源调配算法性能产生影响。目前，基于多业务的无线网络资源调配方法主要存在如下不足之处：基于效用的资源调配考虑了网络中各类业务的效用变化特性，并采用不同业务的效用函数作为目标函数建立效用最大化数学模型，但优化模型中没有对业务及用户的优先级进行区分，因此该模型不适用于具有优先级区分的场景。
本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于业务优先级的多业务异构无线网络资源分配方法，采用统一的Sigmoid函数对不同业务的效用进行描述，同时，能够明确地区分不同优先级业务的效用，并以效用最大化为目标，保证各优先级业务的带宽资源分配能够获得相应的保障。
发明内容
本发明的目的在于公开一种基于优先级的多业务异构无线网络资源分配方法，当多个移动终端业务同时到来时，为终端接入一个合适的无线网络，不仅能够满足具有优先级区分的业务需求，也要能够合理地调配网络带宽资源以最大限度地满足各类业务请求，使得无线网络的总效用达到最大，在此过程中，使用Sigmoid形式的效用函数可以方便地对多类业务进行统一建模，有利于降低资源分配算法在执行过程中的复杂度。
一种基于优先级的多业务异构无线网络资源分配方法，包括如下步骤：
S1、终端用户产生业务请求，具体为：终端用户t根据自身的业务需求向其归属无线网络下的无线接入点发送请求，汇报终端用户优先级、业务类型、带宽需求值，其中，所述终端用户优先级包括j个等级，j≥1，所述业务类型包括会话类、流类、交互类和背景类四类业务，分别用i＝1,2,3,4来表示，即，i＝1表示会话类业务，i＝2表示流类业务，i＝3表示交互类业务，i＝4表示背景类业务，所述四类业务的业务优先级依次降低，各类业务的带宽需求值范围为
S2、各无线接入点汇集终端业务请求，并将其汇报至资源管理器，具体为：各无线接入点在收到终端请求后，将该无线接入点下所有终端用户的用户优先级、业务类型、带宽需求最小值、最大值以及无线接入点类型和无线接入点带宽容量值汇报至资源管理器；
S3、资源管理器根据终端用户所产生的四类业务的效用函数特征，统一采用Sigmoid函数对四类业务的效用函数进行拟合，并将四类业务的效用值统一调整至[0,1]的区间，所述四类业务Sigmoid函数形式为其中，bti表示业务类型为i的终端用户t分配到的带宽值，uti(bti)表示业务类型为i的终端用户t分配带宽bti时的效用，A、B、C、D和E均为待定系数，需根据该业务所属类型i、该类业务效用特征、以及该业务的最小带宽需求值和最大带宽需求值进行确定；
S4、资源管理器进行带宽分配建模，即资源管理器根据不同的业务类型统一对所有终端用户请求进行优化建模，数学模型具体为
s.t.
其中，T为异构网络中终端
用户总数，U为异构网络中终端用户产生业务的效用总和，Cns表示RATn下BS/APs的容量；
S5、资源管理器使用阶梯函数，根据用户优先级和业务优先级对业务的效用值进行基于优先级的调整，保证优先级高的业务效用值能保持较高的水平；
S6、资源管理器使用S5中所述的调整后的基于优先级的业务效用值代入S4中所述的资源分配模型，采用分支界定法对S4所述数学模型进行求解；
S7、带宽调配执行，即，资源管理器将带宽分配计算结果下发至相应无线接入网中的无线接入点，每个无线接入点再根据该带宽调配方案为终端用户分配相应的带宽值。
进一步地，S5所述基于优先级的业务效用值调整过程，具体步骤如下：
S51、根据终端用户优先级和业务优先级，综合确定优先级优先级总数为M，其中，M小于等于用户优先级总数和业务优先级总数的乘积；
S52、保证最高优先级的业务效用值始终为1；
S53、除最高优先级业务外，对于其他优先级的业务，首先将[0,1]区间等分为M段，每段的长度为1/M，每段的优先级基数值是1/M的k倍，其中，k为优先级值，k＝1,2,…,M-1；
S54、把S3计算得到的业务效用值uti(bti)除以M，再加上根据该业务的优先级值利用S53确定的优先级基数，得到调整后的基于优先级的业务效用值。
本发明的有益效果是：
1、降低算法复杂度。使用Sigmoid形式的效用函数可以方便地对多类业务进行统一建模，有利于降低资源分配算法在执行过程中的复杂度。
2、处理多种业务。异构网络能够针对多种业务进行带宽资源分配工作。
3、基于优先级的带宽分配。综合用户优先级和业务类型确定业务的优先级，引入阶梯函数作为优先级区分机制对效用函数做量化处理，保证优先级高的业务优先分配带宽资源。
附图说明
图1是基于优先级的多业务异构无线网络资源分配流程。
图2为仿真(1)的情况下各类用户产生的会话类业务接入数。
图3为仿真(1)的情况下各类用户产生的流类业务接入数。
图4为仿真(1)的情况下高级与低级用户产生的交互类业务接入数。
图5为仿真(1)的情况下中级用户产生的交互类业务接入数。
图6表示仿真(1)的情况下各类用户产生的背景类业务接入数。
图7为仿真(2)的情况下各类用户产生的会话类业务接入数。
图8为仿真(2)的情况下各类用户产生的流类业务接入数。
图9为仿真(2)的情况下高级与低级用户产生的交互类业务接入数。
图10为仿真(2)的情况下中级用户产生的交互类业务接入数。
图11表示仿真(2)的情况下各类用户产生的背景类业务接入数。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步地详细描述。
设异构无线网络环境由WLAN与UMTS两类无线网络覆盖，且每个无线网络分别有两个接入点，即，n∈{1,2},s∈{S1,S2}，其中，n＝1表示RAT1为WLAN网络，n＝2表示RAT2为UMTS网络，S1表示WLAN网络中的接入点集合，S1＝{1,2}，S2表示UMTS网络中的接入点集合，S2＝{1,2}，用户终端类型均为多模单待终端，在该无线网络环境下，所有终端都有机会接入任意一个网络获得带宽资源。
S1、终端用户产生业务请求，具体为：终端用户根据自身的业务需求向其归属无线网络下的无线接入点发送请求，汇报终端用户优先级、业务类型、带宽需求值，其中，终端用户优先级包括3个等级，分别为高级、中级和低级，业务类型包括会话类、流类、交互类和背景类四类业务，分别用i＝1,2,3,4来表示，四类业务的业务优先级依次降低，各类业务的带宽需求值范围如表1所示；
表1 四类业务带宽需求值表
S2、各无线接入点汇集终端业务请求，并将其汇报至资源管理器，具体为：各无线接入点在收到终端请求后，将该无线接入点下所有终端用户的用户优先级、业务类型、带宽需求最小值、最大值以及无线接入点类型和无线接入点带宽容量值汇报至资源管理器；
S3、资源管理器根据终端用户所产生的四类业务的效用函数特征，统一采用Sigmoid函数对四类业务的效用函数进行拟合，并将四类业务的效用值统一调整至[0,1]的区间，四类业务Sigmoid函数形式统一为其中，bti表示业务类型为i的终端用户t分配到的带宽值，uti(bti)表示业务类型为i的终端用户t分配带宽bti时的效用，A、B、C、D和E均为待定系数，这五个待定系数需根据该业务所属类型i、该类业务效用特征、以及该业务的最小带宽需求值和最大带宽需求值进行确定，例如，根据表1提供数值，业务所属类型为会话类型，会话类型业务的效用特征(具有固定带宽需求值0.256Mbps，若实际带宽分配低于0.256Mbps，用户效用就会降至0，当实际带宽分配高于0.256Mbps时，用户效用也不会继续增加)，以及该类业务的最小带宽需求值0.256Mbps和最大带宽需求值0.256Mbps，通过拟合确定该情况下的会话类型业务的效用函数其中，A＝1，B＝2.298，C＝50，D＝0.2946，E＝0；
S4、资源管理器进行带宽分配建模，即资源管理器根据不同的业务类型统一对所有终端用户请求进行优化建模，数学模型具体为
s.t.
其中，T为异构网络中终端用户
产生的业务总数，U为异构网络中终端用户产生业务的效用总和，Cns为RATn下BS/APs的容量，这里C11＝17Mbps，C12＝13Mbps，C21＝14Mbps、C22＝16Mbps。
S5、资源管理器使用阶梯函数，根据用户优先级和业务优先级对业务的效用值进行基于优先级的调整，保证优先级高的业务效用值能保持较高的水平；
基于优先级的业务效用值调整过程，具体步骤如下：
S51、本实施例里，根据3个用户优先级和4个业务类型，综合确定优先级总数为M＝3×4＝12，优先级取值越小，优先级值越高，优先级定义如表2所示，其中，高级用户产生的会话类业务其综合优先级最高，值为1，低级用户产生的背景类业务其综合优先级最低，值为12；
表2 综合优先级定义
S52、保证最高优先级(综合优先级值为1)的业务效用值始终为1；
S53、除最高优先级业务外，对于其他优先级的业务，首先，将[0,1]区间等分为12段，每段的长度为1/12，每段的优先级基数值是1/12的k倍，其中，k为优先级值，k＝1,2,…,11；
S54、把S3计算得到的业务效用值uti(bti)除以12，再加上根据该业务的优先级值利用S53确定的优先级基数，得到调整后的基于优先级的业务效用值。
S6、资源管理器使用S54中调整后的基于优先级的业务效用值代入S4中的资源分配模型，采用分支界定法对S4数学模型进行求解；
S7、带宽调配执行，即，资源管理器将带宽分配计算结果下发至相应无线接入网中的无线接入点，每个无线接入点再根据该带宽调配方案为终端用户分配相应的带宽值。
以中级用户产生的交互类业务数(综合优先级值为8)作为变量，分别对两种情况进行仿真，所述仿真中，用户产生的业务数均采用表3设置：
表3 异构无线网络资源分配用户数设置
(1)、未对四类业务的效用函数进行基于优先级的调整：
图2-图6展示了仿真(1)的情况下各等级用户产生的各类业务接入无线网络的情况。
图2为仿真(1)的情况下各类用户产生的会话类业务接入数，图3为仿真(1)的情况下各类用户产生的流类业务接入数，图4为仿真(1)的情况下高级与低级用户产生的交互类业务接入数，图5为仿真(1)的情况下中级用户产生的交互类业务接入数，图6表示仿真(1)的情况下各类用户产生的背景类业务接入数。
(2)、采用阶梯函数对四类业务的效用函数进行基于优先级的调整：
图7-图11展示了仿真(2)的情况下各等级用户产生的各类业务接入无线网络的情况。
图7为仿真(2)的情况下各类用户产生的会话类业务接入数，图8为仿真(2)的情况下各类用户产生的流类业务接入数，图9为仿真(2)的情况下高级与低级用户产生的交互类业务接入数，图10为仿真(2)的情况下中级用户产生的交互类业务接入数，图11表示仿真(2)的情况下各类用户产生的背景类业务接入数。
从仿真(1)和仿真(2)的结果可以看出，如果目标函数中不进行基于优先级的调整，得到的带宽资源分配结果将无法保障高优先级业务的接入，而引入阶梯函数对模型的目标函数进行基于优先级的调整之后，通过业务的带宽分配结果能够清晰明确地实现业务的优先级区分，该方法能够保证在无线网络接入点的资源容量范围内，优先调整低优先级的业务带宽资源分配以满足更高优先级业务的带宽资源请求。

Claims (2)

1.一种基于优先级的多业务异构无线网络资源分配方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、终端用户产生业务请求，具体为：终端用户t根据自身的业务需求向其归属无线网络下的无线接入点发送请求，汇报终端用户优先级、业务类型、带宽需求值，其中，所述终端用户优先级包括j个等级，j≥1，所述业务类型包括会话类、流类、交互类和背景类四类业务，分别用i＝1,2,3,4来表示，即，i＝1表示会话类业务，i＝2表示流类业务，i＝3表示交互类业务，i＝4表示背景类业务，所述四类业务的业务优先级依次降低，各类业务的带宽需求值范围为
S2、各无线接入点汇集终端业务请求，并将其汇报至资源管理器，具体为：各无线接入点在收到终端请求后，将该无线接入点下所有终端用户的用户优先级、业务类型、带宽需求最小值、最大值以及无线接入点类型和无线接入点带宽容量值汇报至资源管理器；
S3、资源管理器根据终端用户所产生的四类业务的效用函数特征，统一采用Sigmoid函数对四类业务的效用函数进行拟合，并将四类业务的效用值统一调整至[0,1]的区间，所述四类业务Sigmoid函数形式为其中，bti表示业务类型为i的终端用户t分配到的带宽值，uti(bti)表示业务类型为i的终端用户t分配带宽bti时的效用，A、B、C、D和E均为待定系数，需根据该业务所属类型i、该类业务效用特征、以及该业务的最小带宽需求值和最大带宽需求值进行确定；
S4、资源管理器进行带宽分配建模，即资源管理器根据不同的业务类型统一对所有终端用户请求进行优化建模，数学模型具体为其中，Cns表示RATn下BS/APs的容量；T为异构网络中终端用户产生的业务总数，U为异构网络中终端用户产生业务的效用总和，RATn为网络类型，s为每个类型网络的接入点集合，N为类型总数；
S5、资源管理器使用阶梯函数，根据用户优先级和业务优先级对业务的效用值进行基于优先级的调整，保证优先级高的业务效用值能保持较高的水平；
S6、资源管理器使用S5中所述的调整后的基于优先级的业务效用值代入S4中建立的数学模型，采用分支界定法对S4所述数学模型进行求解；
S7、带宽调配执行，即，资源管理器将带宽分配计算结果下发至相应无线接入网中的无线接入点，每个无线接入点再根据该带宽调配方案为终端用户分配相应的带宽值。
2.根据权利要求1所述的一种基于优先级的多业务异构无线网络资源分配方法，其特征在于：S5所述基于优先级的业务效用值调整过程，具体步骤如下：
S51、根据终端用户优先级和业务优先级，综合确定优先级优先级总数为M，其中，M小于等于用户优先级总数和业务优先级总数的乘积；
S52、保证最高优先级的业务效用值始终为1；
S53、除最高优先级业务外，对于其他优先级的业务，首先将[0,1]区间等分为M段，每段的长度为1/M，每段的优先级基数值是1/M的k倍，其中，k为优先级值，k＝1,2,…,M-1；
S54、把S3计算得到的业务效用值uti(bti)除以M，再加上根据该业务的优先级值利用S53确定的优先级基数，得到调整后的基于优先级的业务效用值。
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