異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于QoS感知的負載均衡方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于QoS感知的負載均衡方法，實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的負載均衡。首先將每個基站的負載和用戶的可達速率引入到優(yōu)化問題中，設(shè)立相應(yīng)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，將它建模為一個全網(wǎng)絡(luò)的加權(quán)效用最大化問題；其次采用分布式方法進行求解。在基站端，每個基站需要更新最佳負載和拉格朗日乘子，然后向用戶廣播信息；在用戶側(cè)，每個用戶根據(jù)接收到的廣播信息得到最佳的基站編號，并與之連接。所述方法與基于用戶的接入方法相比，計算復(fù)雜度低，易于實現(xiàn)，有更快的收斂速度，降低了呼叫阻塞率，獲得了更高的負載均衡水平。
【專利說明】異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于QoS感知的負載均衡方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于服務(wù)質(zhì)量（Quality ofService,QoS)感知的負載均衡方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 為了滿足不同的無線終端設(shè)備（尤其是對媒體需求高的設(shè)備）爆炸式增長的數(shù)據(jù) 業(yè)務(wù)需求，異構(gòu)蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)成為未來5G無線通信系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢之一。異構(gòu)蜂窩通 信網(wǎng)絡(luò)主要包括微小區(qū)（家庭基站）、微微基站、毫微微基站和中繼基站，他們之間的主要 不同之處是發(fā)射功率、尺寸、回程、成本且具有易于布署和傳播的特性。
[0003] 只依賴于用戶的接收信號強度的傳統(tǒng)接入策略，例如最大信號干擾噪聲比 (SINR)、最大可達速率和最近的距離，可能不再合適于異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的需求。移動 用戶在地理位置上呈動態(tài)隨機分布可能使這些方案在不同的功率基站間造成極其不平衡 的負載分布。為了充分利用具有潛力的新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，應(yīng)考慮具有卸載能力的用戶接入策 略。通過這種方式，高功率基站的負載會減少，更多的用戶可以連接到低功率基站。
[0004] 根據(jù)測量負載的方法，負載均衡大致分為兩類：第一種類型是與消耗的資源數(shù)目 有關(guān)的負載，另一種是只與接入的用戶數(shù)目有關(guān)的負載。顯然，相對于后者，前者往往能反 映真實系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量水平，從而實現(xiàn)更好的負載平衡。已有很多文獻對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的負載 均衡進行了研究。最常見的覆蓋擴展法，即將一個固定的偏差值加到低功率基站的接收信 號強度指示值之上，使得更多的用戶接入低功率基站。這種方法雖然是簡單和有效的，但很 難獲得最佳偏移或偏差因子。另外，以平衡在不同的基站之間由接入的用戶數(shù)目所定義的 負載的分布式用戶接入算法無法實現(xiàn)真正的負載平衡，因為它沒有考慮用戶的實際資源的 需求以及有限資源的約束?；诘诙惗x的負載均衡算法可在一定程度上平衡異構(gòu)網(wǎng)絡(luò) (HetNets)的負載，但在基站數(shù)目龐大的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，其計算復(fù)雜度很高。到目前為止，針對 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的基于第一類負載的策略研究比較少。
[0005] 為此，本發(fā)明提出一種應(yīng)用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下行鏈路的基于QoS感知的負載均衡方 法。所提方法能夠有效提高負載均衡水平，降低呼叫阻塞率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的負載均衡問題，本發(fā)明提出一種應(yīng)用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下行鏈路的基 于QoS感知的負載均衡方法。所提方法能夠有效提高負載均衡水平，降低呼叫阻塞率。
[0007] 本發(fā)明提供一種應(yīng)用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下行鏈路的基于QoS感知的負載均衡方法，該方 法包括以下步驟：
[0008] 步驟一：通過求解滿足物理資源塊約束下的系統(tǒng)容量最大化問題得到用戶接入到 基站的信息并反饋給目標(biāo)基站；
[0009] 步驟二：每個基站需要經(jīng)過兩步更新最佳負載和拉格朗日乘子，然后向系統(tǒng)匯報 所述最新的拉格朗日乘子，返回步驟一。
[0010] 本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，能有效提高負載均衡水平，降低呼叫阻塞率，同時降低 了開銷。
[0011] 本發(fā)明所基于的基礎(chǔ)理論說明：針對物理資源約束的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下行鏈路系統(tǒng)，以 全網(wǎng)絡(luò)效用最大化為優(yōu)化目標(biāo)，定義吞吐量的表達式如下所示：

【權(quán)利要求】
1. 一種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于QoS感知的負載均衡方法，其特征在于，將目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化 成兩個子問題，在基站和用戶獨立地采用分布式算法求解子問題，該方法包括以下步驟： 1) .根據(jù)用戶實際速率需求計算每個基站分配給該用戶的資源數(shù)目，即 / nkRnk 其中dk表示用戶k的實際速率，Ink能夠反映資源使用情況，4 =,/'fc)，4表示rnk 的期望；rnk(t)=WIog2(HSINMt))，表示用戶k在t時刻從基站η獲得的可達速率，其 單位是比特/秒；函數(shù)f表示對平均長期吞吐量的線性計算，例如增加一個足夠小的正數(shù)值 Δ來確保log(4 +Δ)式-〇〇; 2) .如果用戶k連接到基站n，那么負載效率定義為
其中Xnk表示連接指示，當(dāng)用戶k與基站n連接時，Xnk= 1，否則Xnk= 〇 ; 3) .優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：

其中ΣkeKxnklnk表示基站η的所消耗的資源塊的數(shù)目，該值小于可用資源塊的總和M， 用于子分布式算法收斂性分析； 在上式約束條件中只有一個聯(lián)合約束Vne '為了消除這個聯(lián)合約 k&K 束條件，引入拉格朗日乘子μ，問題可以表達為： F:minF(μ) =I(μ) +Q(li) μ7 N7 N7 其中：

接下來，每個用戶采用分布式算法通過求解I(μ)得到用戶接入到基站的信息并反饋 給目標(biāo)基站；每個基站采用分布式算法通過求解Q(y)得到拉格朗日乘子，然后向用戶匯 報最新的拉格朗日乘子。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于QoS感知的負載均衡方法，其特征在于，其中 每個用戶接入到基站的信息的方法如下： D.當(dāng)t = 〇時，用戶k利用基站發(fā)送的導(dǎo)頻信號估計速率Rnk,VweiV; 2) .用戶k接收各基站發(fā)送廣播的數(shù)據(jù)V/7e，，通過下式獲得相應(yīng)的接入基站標(biāo) 口 * 可η：
如果同一時刻η#的值不唯一，那么用戶k從11#中隨機選取一個值； 3) .用戶將接入信息xnk = 1反饋給基站n'
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于QoS感知的負載均衡方法，其特征在于，其中 每個基站更新最佳負載和拉格朗日乘子的方法如下： D.當(dāng)t = 0時，初始化迭代步長ζ和拉格朗日乘子< ; 2) .接收從用戶發(fā)來的接入信息Xnk= 1，VAeI，利用下式計算允： V11 = ? 3) ·利用接入信息更新拉格朗曰乘子/C1: <+1 =Μ: - 4乂 - 乂; 4) .向所有用戶廣播這個新的拉格朗日乘子A、
【文檔編號】H04W28/08GK104320813SQ201410643184
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月13日
【發(fā)明者】黃永明, 王雅芳, 周天青, 何世文, 楊綠溪 申請人:東南大學(xué)