一种考虑用户QoS的网络负载均衡垂直切换方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑用户QoS的网络负载均衡垂直切换方法，包括以下几个步骤：(1)将所有用户根据是否需要切换网络分为两组，当用户因为移动或者网络状态变化，当前网络不能满足用户需求时，将该类用户归为切换组；当用户在原网络中连接状态良好，则其不需要执行切换，将该类用户归为保持组；(2)对切换组的用户，通过分配矩阵，计算需要切换的用户对基站和接入点的负载；再根据最优负载均衡算法，选择使得各网络的负载利用率均衡的网络；(3)根据用户需求，采用层次分析法对各网络进行加权。本发明专利技术提高了资源利用率，采用层次分析法对各网络进行加权，满足了用户QoS需求，本发明专利技术不仅针对通用无线网，也能使用在电力无线专网中。

A network load balancing vertical handoff method considering user QoS

The invention discloses a load balancing method considering vertical handoff user QoS network, including the following steps: (1) according to whether all users need to switch network is divided into two groups, because when the user moves or changes in the network, the network can not meet the needs of users, the user to switch group; when the user connection is in a good state in the original network, it does not need to perform handover, the user to keep the group; (2) to switch the group of users, through the distribution matrix, computing need to switch the user load on the base station and the access point; according to the optimal load balancing algorithm, the network selection the utilization rate of the network load balancing; (3) according to the needs of users, the network weights using the analytic hierarchy process. The invention improves the resource utilization rate, and uses the analytic hierarchy process to weigh each network to meet the user's QoS demand. The invention is applied to both the general wireless network and the power wireless private network.

【技术实现步骤摘要】
一种考虑用户QoS的网络负载均衡垂直切换方法
本专利技术涉及一种考虑用户QoS的网络负载均衡垂直切换方法，属于通信网络

技术介绍
随着用户数量的增长和需求的提高，对现有网络的负载要求不断提高，网络系统的结构也更加复杂，而异构网络融合是一个有效的解决方法。通信技术在近几十年里迅速发展，带来多种通信网络共存的局面，这些网络如3G、4G、WLAN和WiMax等在全球范围内广泛运用，在接入方式、带宽、时延、用户体验等多方面各有优势，难以相互替代，所以在短时间内必然是多种通信网络共存的局面。在用户移动或信号状态变化时，必须在多种可用网络中选择服务质量较好的网络，以满足用户的需求。在不同类型网络间选择切换的过程称为垂直切换，与之对应，在相同类型网络间切换的过程称为水平切换。水平切换相较于垂直切换，其切换前后网络的技术参数相同，过程较为简单，而垂直切换需要综合考虑不同网络的多种属性，较为复杂。同样，在电力系统中，电力通信网络规模逐渐扩大，结构日趋复杂。面对日新月异的电力系统新业务和日趋复杂的电网结构，传统的电力通信网络已经无法保证电网安全稳定运行。电力通信网络中1.8GHz专用无线网、光纤网、电力线通信技术(PLC,PowerLineCommunication)以及公共无线网任何单一制式网络都无法满足全部需求。因此，在电力通信网络中也要需要合适的垂直切换算法，为用户根据其需求选择合适的接入网络。目前，垂直切换算法主要分为三类：1)基于接收信号强度(RSS)的切换算法。该类算法以接收信号强度为判断依据选择最佳网络，但因为只考虑单个参数且信号强度在无线信道环境中变化较大，因而该算法在网络边缘容易频繁切换，即发生所谓的“乒乓”效应。在此基础上，有很多改进算法通过设置判决门限或驻留时间器减小“乒乓效应”以提高切换性能。2)基于多属性判决的垂直切换算法。如简单加权法、层次分析法、逼近理想解排序法等。该类算法综合考虑时延、带宽、接入速率、资费、移动速度等多种因素，为用户选择最优接入网络。由于考虑多种因素，该类算法兼顾网络状态和用户需求，因而有较好的切换性能。3)基于人工智能和模糊网络的切换算法。该类算法能够将实际中不清晰明确的属性，如用户偏好等根据不同的模糊逻辑进行模糊处理后综合考虑，以提高切换性能。以上算法的目的均是为用户选择最优接入网络，满足用户的需求，但这会造成大量用户接入到网络质量较好的网络，造成部分网络拥堵而部分网络闲置的状况。网络拥堵会降低用户的使用体验，而网络负载的不平衡也会造成资源浪费。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术目的是提供一种考虑用户QoS的网络负载均衡垂直切换方法，提高了资源利用率，采用层次分析法对各网络进行加权，满足了用户QoS需求，本专利技术不仅针对通用无线网，也能使用在电力系统通信网络中。为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：本专利技术的一种考虑用户QoS的网络负载均衡垂直切换方法，假设异构网中存在LTE和微功率无线两种网络，其中，LTE网络设有M个基站BS，微功率无线网络设有N个接入点AP；在所述异构网络中共存在K个移动用户MU；切换方法具体包括以下几个步骤：(1)将所有用户根据是否需要切换网络分为两组，当用户因为移动或者网络状态变化，当前网络不能满足用户需求时，将该类用户归为切换组Uhandoff；当用户在原网络中连接状态良好，则其不需要执行切换，将该类用户归为保持组Uhold；(2)对切换组Uhandoff的用户，通过分配矩阵，计算需要切换的用户对基站和接入点的负载；再根据最优负载均衡算法，在满足用户需求的待选网络中，选择使得各网络的负载利用率均衡的网络，用于提高资源利用率；(3)根据用户需求，采用层次分析法对各网络进行加权，以满足用户QoS需求。步骤(1)中，所述基站BS的集合为BS＝{b1,b2,...,bM}，其中，b1,b2,...,bM表示第1至第M个基站，所述接入点AP的集合为AP＝{a1,a2,...,aN}，其中，a1,a2,...,aN为第1至第N个接入点，所述移动用户MU的集合为U＝{u1,u2,...,uK}，其中，u1,u2,...,uK为第1至第K个用户；U＝Uhold+Uhandoff(1)其中，所述保持组中与基站和接入点相连的用户分别为和假设第j个用户，与第i个基站或接入点连接所需的传输速率为rij(i＝1,2,...,M+N；j＝1,2,...,K)，则对于处于良好连接状态的用户uj∈Uhold，在第i个基站或接入点的负载分别为和为了计算需要切换的用户的负载，定义一个元素为0或1分配矩阵其中xij为第j个用户在第i个网络上的分配情况，若第j个用户与第i个网络相连，则xij＝1，否则xij＝0，即其中，式(4)中F(uj)表示网络的性能评估函数，若该函数值大于临界值Fth，则说明该网络满足用户需求，可以与用户相连；否则不相连；式(5)表示每一个用户只能与一个待选网络相连接。步骤(2)中，通过分配矩阵X，计算在设定分配情况下X∈X，需要切换的用户对基站和接入点的负载其中，X表示设定次切换过程中的分配矩阵；X表示所有可能的分配矩阵集合；那么，对于带宽为Bi(i＝1,2,...,M+N)的网络，其网络负载率表示为其中，pi为或之一。步骤(2)中，所述最优负载均衡算法如下：对于一组均值确定的序列，用该序列的平方和表示该系列的偏离程度；对于一个L点的序列{xi},i＝1,2,...,L,有其中，mx为序列均值，对于均值确定的序列，序列点的平方和越小意味着序列方差越小；根据这一性质，构造衡量网络负载均衡的函数；对于一组需要切换的用户Uhandoff，每个用户所需要的传输速率确定，那么对于设定的分配情况X∈X，整个网络所需负载为一恒定值，因而其均值确定，所以由式(8)可得，该M+N个点的序列{(pi+qi(X))/Bi},i＝1,2,...,M+N的偏离程度用其平方和表示当式(9)取得最小值时，根据式(8)，这M+N点的偏差程度最小，即ηi(i＝1,2,...,M+N)的方差最小，这也就意味着各网络负载率最为接近，达到网络负载均衡的目的，即subjecttopi+qi(X)≤Bi,i＝1,2,...,M+N(11)其中，约束条件式(11)要求网络负载不能超过其可用带宽。步骤(3)中，利用基本的1-9级层次分析法来确定两种网络的权重，具体方法如下：1)建立递阶层次将问题分为目标层、属性层和方案层来解决；目标层指出问题求解的方向，即满足用户QoS需求；属性层列出影响目标的属性；方案层列出解决问题的方案；2)构造判断矩阵根据不同属性之间两两重要程度构造判断矩阵其中J为属性的个数，判断矩阵每个元素需要满足cij>0,cij＝1/cji,cii＝1；3)权重计算并检验采用根法或者和法求得判断矩阵的最大特征值及其对应的特征向量，归一化后得到不同属性的权重；为防止判断错误需要对判断矩阵进行一致性检验；4)权值合成将上述求得的各属性的权重与实际属性的归一化权重相乘，得到不同网络的权重ωi(i＝1,2)；其中，实际属性的归一化权重根据其效益型或者成本型的性质采用不同的方式进行归一；通过层次分析法，计算得到两种网络的权重，可以反映用户偏好的业务类本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑用户QoS的网络负载均衡垂直切换方法，其特征在于，假设异构网中存在LTE和微功率无线两种网络，其中，LTE网络设有M个基站BS，微功率无线网络设有N个接入点AP；在所述异构网络中共存在K个移动用户MU；切换方法具体包括以下几个步骤：(1)将所有用户根据是否需要切换网络分为两组，当用户因为移动或者网络状态变化，当前网络不能满足用户需求时，将该类用户归为切换组Uhandoff；当用户在原网络中连接状态良好，则其不需要执行切换，将该类用户归为保持组Uhold；(2)对切换组Uhandoff的用户，通过分配矩阵，计算需要切换的用户对基站和接入点的负载；再根据最优负载均衡算法，在满足用户需求的待选网络中，选择使得各网络的负载利用率均衡的网络，用于提高资源利用率；(3)根据用户需求，采用层次分析法对各网络进行加权，以满足用户QoS需求。

【技术特征摘要】
1.一种考虑用户QoS的网络负载均衡垂直切换方法，其特征在于，假设异构网中存在LTE和微功率无线两种网络，其中，LTE网络设有M个基站BS，微功率无线网络设有N个接入点AP；在所述异构网络中共存在K个移动用户MU；切换方法具体包括以下几个步骤：(1)将所有用户根据是否需要切换网络分为两组，当用户因为移动或者网络状态变化，当前网络不能满足用户需求时，将该类用户归为切换组Uhandoff；当用户在原网络中连接状态良好，则其不需要执行切换，将该类用户归为保持组Uhold；(2)对切换组Uhandoff的用户，通过分配矩阵，计算需要切换的用户对基站和接入点的负载；再根据最优负载均衡算法，在满足用户需求的待选网络中，选择使得各网络的负载利用率均衡的网络，用于提高资源利用率；(3)根据用户需求，采用层次分析法对各网络进行加权，以满足用户QoS需求。2.根据权利要求1所述的考虑用户QoS的网络负载均衡垂直切换方法，其特征在于，步骤(1)中，所述基站BS的集合为BS＝{b1,b2,...,bM}，其中，b1,b2,...,bM表示第1至第M个基站，所述接入点AP的集合为AP＝{a1,a2,...,aN}，其中，a1,a2,...,aN为第1至第N个接入点，所述移动用户MU的集合为U＝{u1,u2,...,uK}，其中，u1,u2,...,uK为第1至第K个用户；U＝Uhold+Uhandoff(1)其中，所述保持组中与基站和接入点相连的用户分别为和3.根据权利要求2所述的考虑用户QoS的网络负载均衡垂直切换方法，其特征在于，假设第j个用户，与第i个基站或接入点连接所需的传输速率为rij(i＝1,2,...,M+N；j＝1,2,...,K)，则对于处于良好连接状态的用户uj∈Uhold，在第i个基站或接入点的负载分别为和为了计算需要切换的用户的负载，定义一个元素为0或1分配矩阵其中xij为第j个用户在第i个网络上的分配情况，若第j个用户与第i个网络相连，则xij＝1，否则xij＝0，即其中，式(4)中F(uj)表示网络的性能评估函数，若该函数值大于临界值Fth，则说明该网络满足用户需求，可以与用户相连；否则不相连；式(5)表示每一个用户只能与一个待选网络相连接。4.根据权利要求3所述的考虑用户QoS的网络负载均衡垂直切换方法，其特征在于，步骤(2)中，通过分配矩阵X，计算在设定分配情况下X∈X，需要切换的用户对基站和接入点的负载其中，X表示设定次切换过程中的分配矩阵；X表示所有可能的分配矩阵集合；那么，对于带宽为Bi(i＝1,2,...,M+N...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘金锁，冯宝，赵高峰，李洋，张立武，蔡世龙，陈泽，刘文贵，马涛，丁晨阳，胡阳，蒯本链，
申请(专利权)人：南京南瑞集团公司，南京南瑞信息通信科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32