一种异构网络融合下的资源分配方法与流程

本发明属于通信
技术领域：
，特别涉及一种异构网络融合下的资源分配方法。
背景技术：
：随着业务需求的快速增长以及移动通信与信息技术的快速发展，多种无线接入技术应运而生。大多数的移动终端都配备有多个无线接口以接入不同的无线接入网(RAN)，例如蜂窝网、Wi-Fi、蓝牙等。HetNet已经成为未来无线网络发展的趋势。不同的无线网络在接入技术、终端、业务等方面都具有异构性，这给不同网络之间的融合增加了困难。为了完成在HetNet下支持海量低功耗设备接入，扩大覆盖率，提高可靠性，降低延迟等目标，设计多网融合下的资源分配策略和优化算法就成为了研究的热点。其中，加入缓存技术可以显著提升异构网络的整体性能。在所有的业务流量内容中，只有一小部分比较流行的内容会经常被用户访问。因此在RAN处缓存一些流行的内容可以显著减少对核心网的冗余的访问以及对一些相同内容的重复传输。已有研究人员对异构无线网络的接入机制进行了研究。他们将异构网络的融合建立成一个多目标的决策模型。从网络、业务、用户三方面综合考虑，将优化目标建立成一个效用函数，目的则是使得整个网络的效用函数值最大。然而该技术复杂度较高，计算功耗较大，且在涉及具体的决策因子比如网络时延、网络可靠性、用户友好度时，并没有给出实际的公式，而是根据经验自己定义。在成本有限的情况下，这显然会给用户的开销带来更大负担。本发明涉及到的英语缩略语和关键术语包括：HetNet(heterogeneousnetwork)异构网络，RAN(radioaccessnetwork)无线接入网，SDN(softwaredefinednetwork)软件定义网络，UE(userend)用户终端，AS(applicationserver)应用服务器，BS(basestation)基站。技术实现要素：本发明提出一种异构网络融合下的资源分配方法，是一种高效的在带有缓存能力的异构融合网络系统下对用户端到端时延优化的算法。针对在异构融合网络下，现有技术在接入机制的选择以及资源分配策略上的算法过于复杂，提出在多网融合模型下，以网络端到端时延为优化目标的资源分配算法。本发明的技术方案是，一种异构网络融合下的资源分配方法，具有异构无线接入网络RAN1，RAN2，…RANK，UE通过无线链路和有线回程链路访问应用服务器，不同RAN的BS都拥有缓存能力，都拥有相同大小的缓存空间，并且都存储一样的流行度最高的内容，包括步骤：步骤1：初始化系统参数，包括设有线回程带宽和重叠区域的UE平均分配给每个RAN，分配给每个RAN的无线信道数为0；步骤2：确定第一个信道资源的分配策略，给每个RAN增加一个无线信道，求解关于无线信道、有线带宽、用户接入的时延减少问题，得到该信道对应的RAN下标i*，并将该无线信道分配给i*号RAN；步骤3：确定剩余的无线信道的分配策略，比照步骤2，得到各个无线信道对应的RAN，并将这些信道分配给对应的RAN；步骤4：更新系统参数，无线信道按照步骤2得到的最优分配策略分配给各个RAN，重叠区域的UE平均分配给每个RAN，分配给每个RAN的有线带宽单位个数为0；步骤5：确定每个有线带宽资源量化单位的分配策略，假设给每个RAN增加一个单位的有线带宽，求解关于无线信道、有线带宽、用户接入的时延减少问题，得到该单位的有线带宽对应的RAN下标i*，并将该单位的有线带宽分配给i*号RAN；步骤6：确定所有有线带宽单位的分配策略，对剩下的有线带宽单位，重复步骤5，得到各个单位的有线带宽对应的RAN，并将这些单位的有线带宽分配给对应的RAN；步骤7：更新系统参数，无线信道按照步骤2得到的最优分配策略分配给各个RAN，有线带宽单位按照步骤5得到的最优分配策略分配给各个RAN，假设各个RAN重叠区域的UE数为0；步骤8：对每个重叠区域的UE，计算将其连接到其能连接的每个RAN下的平均时延，选取时延最小的RAN为其最终连接的RAN。所述步骤2包括：根据公式得到对应的RAN下标i*。所述步骤5包括：根据公式得到对应的RAN下标i*。本发明对于处于多网重叠覆盖区域内的用户可以根据网络的实时性能动态地接入不同的RAN。有线带宽、无线频谱资源可以动态分配给不同的RAN，以达到不同的实时网络性能要求。本发明提供了一种在带有缓存能力的异构融合网络系统下用户端到端时延的建模分析方法，并提供了使其最小化的资源分配优化算法；本发明提出的时延优化算法相对于暴力搜索算法时间复杂度小，而相对于其他资源分配算法有着很显著的网络性能的提升；针对异构网络系统引入的缓存技术对于时延性能的提升明显。本发明提出的算法复杂度较低，计算功耗较小，实施起来方便易懂。附图说明图1现有技术中覆盖区域重叠的不同无线接入网络示意图。图2现有技术中普遍意义的异构无线网络示意图。图3本发明提供的基于异构融合网络的资源分配优化算法流程框图。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。异构无线网络系统是由多种异构网络元素共同构成的，比如宏小区、微小区、微微小区以及家庭基站等。它们相互之间的传输功率、覆盖区域、连接的骨干网以及传输特性都有可能不同。它们采用了不同的无线传输技术。如果两个无线接入系统采用了相同的无线传输技术但是分别属于不同的运营商，也可以视为异构的。图1可以认为是某种三网融合的异构无线网络的系统模型。不同的RAN有不同的覆盖范围以及不同结构的基站，它们通过各自的回程网连接到同一个核心骨干网。在异构网络中，当一个用户同时被多种无线接入网络覆盖时，他可以根据当前的网络状态和业务需求等因素，随时改变自己的选择。用户可以随时接入或者切换到最适合自己或者用户体验最好的某个无线接入系统中，以满足自己灵活变换的个性化的通信业务需求。各无线接入系统之间还可以相互合作，合理分配有限的无线频谱等资源，使得整个网络系统的性能达到最佳。在异构融合网络下，一个UE可能同时被多个不同的RAN覆盖。不同于传统的机制，在重叠区域的UE可以灵活地接入到任何一个覆盖它的RAN。如图1所示，UE1和UE2可以选择连接到三种RAN中的任何一个，UE3和UE4只能接入到RAN1和RAN2，而UE5只能接入到RAN3。另外，整个系统中总的无线频谱资源为bHZ，总的有线带宽资源为Bbps。这些资源动态地分配给不同的RAN。针对上述模型，本发明采用的资源分配优化算法包括如下步骤：步骤一：给各个RAN分配无线信道。假设有线回程带宽资源及重叠区域UE平均分配给每个RAN，并初始化每个RAN的无线信道个数为0。分配第一个信道时，假设给每个RAN增加一个信道，计算此时每个RAN下UE平均时延的减少量，选取减少量最多的RAN分配得到一个信道。对于剩下的信道，以此类推，重复上述过程。步骤二：给各个RAN分配有线带宽。无线信道资源按照步骤一所得分配方案分配给各个RAN，假设重叠区域UE平均分配给每个RAN，并初始化每个RAN的有线带宽数为0。分配第一个单位带宽时，假设给每个RAN增加一个单位的带宽，计算此时每个RAN下UE平均时延的减少量，选取减少量最多的RAN分配得到一个单位的带宽。对于剩下的单位带宽，以此类推，重复上述过程。步骤三：重叠区域UE接入RAN过程。无线信道资源和有线带宽资源按照步骤一和步骤二所得分配方案分配给各个RAN，并初始化重叠区域内连接到各个RAN的UE数为0。对每个重叠区域的UE，计算将其连接到其能连接的每个RAN下的平均时延，选取时延最小的RAN为其最终连接的RAN。考虑如图2中的包含K层异构无线接入网络RAN1，RAN2，…RANK的混合系统。UE通过无线链路和有线回程链路访问应用服务器(ASs,ApplicationServers)中的内容。第i层无线接入网络覆盖的用户终端的集合表示为Mi，i＝1,2,…,K,集合中的用户终端个数记为|Mi|。如图1所示，不同的无线接入网络的覆盖区域可以重叠，并假设表示整个系统中的用户终端总数。所有不同RAN的BS都拥有缓存能力，都拥有相同大小的缓存空间，并且都存储一样的流行度最高的内容。内容的流行度按一定规则分布。为了更贴近实际情况，我们认为在一天当中用户负载最低的时间，一般来说就是半夜，控制器会根据当天不同数据的使用频率更新一次它们的流行度，再把新的流行度最高的那些内容广播给所有的BS。当一个UE请求服务时，如果它请求的内容在BS本地的缓存空间中是存在的，那么基站立即将对应内容下发给UE；如果请求的内容在缓存空间中不存在，那么BS会先通过有线回程链路到AS处取出对应的内容，然后将这些内容再下发给UE。基于以上模型，本发明将其建模为一个M/M/c/m型的排队过程，得到所有用户的平均端到端时延，以其最小为目标来给各个RAN分配有限的资源以及确定用户接入准则。在计算端到端时延时，忽略上行链路上耗费的时间以及编码调制和从缓存中读取数据的时间。受限于有限的无线信道资源和有线回程带宽，并综合用户选择策略，异构融合网络端到端时延的优化问题可以表述为：minB→,b→,m→T=Σi=1Kti|mi||M|]]>subjecttoΣi=iK|mi|=|M|]]>Σi=1KBi≤B]]>Σi=1Kbi≤b]]>其中K表示RAN的总个数，为第i个RAN下用户的平均时延，|mi|表示第i个RAN下的用户数，|M|表示总的用户数，λi表示第i个RAN下的平均用户请求速率，μi表示第i个RAN下每个信道的服务速率，它与有线回程带宽以及缓存空间大小有关，具体可表示为：其中Ni为第i个RAN的缓存空间大小，Zj为对应缓存内容j的流行度，αi和βi分别是第i个RAN的有线带宽和缓存能力对其服务速率影响的加权因子。B表示可用的有线回程带宽，Bi表示分配给第i个RAN的有线回程带宽，b表示总的可用信道数，bi表示分配给第i个RAN的信道数。和分别表示有线带宽和无线频谱的分配策略，表示用户接入选择策略。将无线频谱量化为传输信道个数，约束条件可以等价为其中c为量化的可用信道数，ci表示分配给第i个RAN的信道数。相应地，在求取最优资源分配策略和用户接入准则时，将有线回程带宽也量化为整数个单位带宽资源。通过求解上述优化问题，可以得到异构融合网络下资源分配的最优策略，以及用户接入选择的最优准则。针对上述优化问题，本发明提出了一种联合贪婪算法，得到了该问题的一种最优解的优化算法。具体算法包括如下步骤：步骤1：初始化系统参数。假设有线回程带宽和重叠区域的UE平均分配给每个RAN，分配给每个RAN的无线信道数为0。步骤2：确定每个信道资源的分配策略。假设给每个RAN增加一个无线信道，求解关于无线信道、有线带宽、用户接入的时延减少问题，得到该信道对应的RAN下标i*，并将该无线信道分配给i*号RAN。步骤3：确定所有无线信道的分配策略。对剩下的无线信道，重复步骤2，得到各个无线信道对应的RAN，并将这些信道分配给对应的RAN。步骤4：更新系统参数。无线信道按照上述步骤得到的最优分配策略分配给各个RAN，重叠区域的UE平均分配给每个RAN，分配给每个RAN的有线带宽单位个数为0。步骤5：确定每个单位的有线带宽资源的分配策略。假设给每个RAN增加一个单位的有线带宽，求解关于无线信道、有线带宽、用户接入的时延减少问题，得到该单位的有线带宽对应的RAN下标i*，并将该单位的有线带宽分配给i*号RAN。步骤6：确定所有有线带宽单位的分配策略。对剩下的有线带宽单位，重复步骤5，得到各个单位的有线带宽对应的RAN，并将这些单位的有线带宽分配给对应的RAN。步骤7：更新系统参数。无线信道按照上述步骤得到的最优分配策略分配给各个RAN，有线带宽单位按照上述步骤得到的最优分配策略分配给各个RAN。假设各个RAN重叠区域的UE数为0。步骤8：对每个重叠区域的UE，计算将其连接到其能连接的每个RAN下的平均时延，选取时延最小的RAN为其最终连接的RAN。优选地，所述步骤2包括：根据公式得到对应的RAN下标i*。优选地，所述步骤5包括：根据公式得到对应的RAN下标i*。通过以上优化算法可以得到异构融合网络下以最小化时延为目标的有线回程资源以及无线信道资源分配的最优方案，以及用户负载接入准则。当前第1页1 2 3