异构蜂窝网络中一种基于社区检测的跟踪区域规划方法技术

本发明专利技术提出了异构蜂窝网络中一种基于社区检测的跟踪区域规划方法。该方法主要是针对异构蜂窝网络中为了更好地对用户位置进行管理，合理地将小区划分到跟踪区域。对于给定的一个蜂窝网络模型，本发明专利技术提出的方法的整体思路是，先根据基于图分割的TA规划模型和基于复杂网络的社区检测模型，将TA规划问题转化为复杂网络中的社区检测问题。然后应用基于模块度的Newman社区检测算法给出TA规划结构。

A Tracking Area Planning Method Based on Community Detection in Heterogeneous Cellular Networks

The invention proposes a tracking area planning method based on community detection in heterogeneous cellular networks. In order to better manage the location of users in heterogeneous cellular networks, this method divides cells into tracking areas reasonably. For a given cellular network model, the overall idea of the method proposed by the present invention is to transform TA planning problem into community detection problem in complex network according to TA planning model based on Graph Segmentation and community detection model based on complex network. Then the TA planning structure is given by using Newman community detection algorithm based on modularity.

【技术实现步骤摘要】
异构蜂窝网络中一种基于社区检测的跟踪区域规划方法
本专利技术利用基于图分割的跟踪区域(TrackingArea，TA)规划模型和基于复杂网络的社区检测模型，应用Newman社区检测算法实现对异构蜂窝网络的TA规划。TA规划属于移动通信网络中的位置管理

技术介绍
近年来，全球移动通信业务快速发展。蜂窝移动通信技术更新换代，从2G话音与低速数据服务到现在4G高速数据传输，不断向移动宽带化发展。异构蜂窝网络成为无线网络发展的必然趋势。从现有的通信网络的数据业务与部署经验的统计结果来看，为了提高网络容量，小蜂窝技术被广泛使用。小蜂窝技术将完整的基站功能集中在一个芯片上，具有低成本与低功耗的优点，但同时也具有覆盖范围较小的缺点。此外，小蜂窝随机大量部署使得在其覆盖范围下移动的用户可能频繁游走在不同的小区，这会导致频繁的位置更新信令开销，从而严重降低系统的运行效率。为了更好地对用户位置进行管理，小区被划分到TA。在进行TA规划时，需要在位置更新和系统寻呼信令之间进行权衡。TA范围过大会导致更多的系统寻呼信令，甚至超过系统寻呼负荷。相比之下，TA范围过小会导致频繁的位置更新信令，降低网络系统运行效率。因此，TA规划的基本原则就是在相应的跟踪区域内，尽可能多地将更多的小区划分到同一TA内以减少位置更新信令，同时确保不能超过系统寻呼信道容量的最大负荷。在大规模蜂窝部署的环境下，为了更好地对用户位置进行管理，众多TA规划方法被提出。一类解决方案是静态TA规划方案，比如在GSM和IS-41系统均采用这种规划方法，该类方案中TA的划分是固定不变。在静态TA规划方案很容易导致用户在相邻的TA之间频繁运动，产生大量的位置更新信令，即乒乓效应的产生。为了解决这一问题，还有一类的解决方案是动态TA规划方案，该方案存在三种典型的方法：1)基于时间2)基于距离3)基于运动的三种动态TA规划方案。上述这三种动态TA规划方案虽然能综合用户的移动与业务行为特性，提高了TA规划效率，但仍然有一些位置更新信令分布不均匀的问题。2013年YuY和GuD提出使用切换管理算法辅助的位置管理方案，但是这种方案降低了小蜂窝转移宏蜂窝流量能力。2016年DengT,WangX和FanP统计用户在TA规划范围的活动特征，将TA规划问题建模为图形分割问题。此外，2016年NingL,WangZ和LiD提出基于社区检测的位置管理方案，该方案中将TA规划问题建模为图形分割问题，然后提出一种基于协作博弈的TA规划方法。该规划方案将蜂窝基站作为一种复杂网络中具有理性的个体，通过利益决策与其它个体合作。但是当场景内的小蜂窝数量较多时，出现囚徒困境的的现象将越来越多，导致更多的小区被单独规划成TA这一不合理现象的存在。
技术实现思路
为了解决现有技术存在的问题，本专利技术提出了一种基于社区检测的跟踪区域(TrackingArea，TA)规划方法。该方法主要是针对异构蜂窝网络中为了更好地对用户位置进行管理，合理地将小区划分到跟踪区域。对于给定的一个蜂窝网络模型，本专利技术提出的方法的整体思路是，先根据基于图分割的TA规划模型和基于复杂网络的社区检测模型，将TA规划问题转化为复杂网络中的社区检测问题。然后应用基于模块度的Newman社区检测算法给出TA规划结构。一种基于社区检测的跟踪区域规划方法主要包括以下步骤：步骤1，基于图分割的TA规划模型。(1)TA规划模型图表示为：G＝(V,E)。其中V＝{v1,v2,...,vn}是顶点集合，每一个vi∈V表示网络中具体的一个蜂窝小区。i指的是小区vi在TA规划模型图中的编号，n表示小区的数量。E是小区之间邻接关系的集合，无向边e(i,j)∈E表示小区vi与小区vj之间用户移动路径，i和j分别是小区vi和小区vj在TA规划模型图中的编号。(2)每一条无向边都有一个权重值，用来表示发生在有边相连的两个小区之间用户跨区次数。使用一个n×n矩阵L来表示相邻小区发生的用户跨区次数，其中n为小区总数，那么LUij∈L表示发生在小区vi和小区vj之间的用户跨区次数，i和j分别是小区vi和小区vj在TA规划模型图中的编号。(3)每一个顶点都有权重值，用来表示发生该小区内发生的用户寻呼请求次数。使用集合C＝{CR1,CR2,...,CRn}来表示顶点的权重值，其中CRi∈C表示发生在小区vi内的用户寻呼请求次数，n为小区总数，i指的是小区vi在TA规划模型图中的编号。(4)将模型图划分成互不重叠的区域S＝{TA1,TA2,...,TAk}，其中TAm∈S表示一个跟踪区TA，m是跟踪区TAm在模型中的编号，k为TA的数量。寻呼容量B表示一个TA内，网络系统支持的最大寻呼负荷。那么TA规划问题可以建模为：在经典的图分割算法中并没有考虑到目标函数中与寻呼相关的信令成本。因此为了快速找到更加优化的TA规划方法，将TA规划问题进一步建模为了复杂网络中的社区检测问题。步骤2，基于复杂网络的社区检测模型。(1)在复杂网络的社区检测模型中，将TA规划模型中小区集合V＝{v1,v2,...,vn}表示成复杂网络中的顶点集合，vi∈V表示网络中的一个顶点。i指的是顶点vi在社区检测模型中的编号，n表示顶点的数量。(2)将步骤1划分的跟踪区集合S＝{TA1,TA2,...,TAk}对应为复杂网络中的社区集合C＝(c1,c2,...,ck)，其中cx∈C表示复杂网络中社区，x表社区cx在社区检测模型中的编号，k为社区检测模型中社区数量。(3)使用n×n矩阵W来表示顶点之间相连的边数，n为社区检测模型中顶点数量。wij∈W表示顶点vi与顶点vj之间的连接边数，其中i和j分别为顶点vi和顶点vj在社区检测模型中的编号。则TA规划问题进一步建模为：上述模型进一步将TA规划问题建模为复杂网络中的社区检测问题。本专利技术将采用基于模块度的社区检测算法给出TA规划结构，因此首先给出模块度的计算过程。步骤3，模块度的计算在复杂网络中的社区检测算法中，用模块度来衡量一个社区划分是不是一个最佳的结果。好的划分结果必然存在这样的特征：社区内部连接紧密，社区之间连接稀疏。同时表述模块度在TA规划方案中的作用，应用模块度来衡量TA规划方案的性能。接下来给出模块度的计算步骤。(1)在复杂网络的社区检测模型中，将TA规划模型中小区集合V＝{v1,v2,...,vn}表示成复杂网络中的顶点集合，vi∈V表示网络中的一个顶点。i指的是顶点vi在社区检测模型中的编号，n表示顶点的数量。矩阵A为网络的邻接矩阵，矩阵中元素aij∈A定义为：其中i和j分别是顶点vi和顶点vj在社区检测模型中的编号。(2)ki和kj分别表示顶点vi与顶点vj所在的两个社区编号，社区内部的边数和网络中的总边数比例定义为：其中，如果顶点vi与顶点vj在同一个社区，即ki＝kj，那么否则为0。其中m表示网络中边的总数。(3)那么，模块度的大小定义为在同一个社区内的边的比例减去对这些边进行随机分配所得到的概率期望，即模块度Q计算公式为：其中，di和dj分别表示顶点vi和顶点vj的度，计算公式为：(4)为进一步简化模块度的计算方法，将网络社区划分为步骤2所述的社区集合C＝(c1,c2,...,ck)，k为社区数量。evw表示社区cv∈C本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.异构蜂窝网络中一种基于社区检测的跟踪区域规划方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，基于图分割的TA规划模型的建立；(1)TA规划模型图表示为：G＝(V,E)；其中V＝{v1,v2,...,vn}是顶点集合，每一个vi∈V表示网络中具体的一个蜂窝小区；i指的是小区vi在TA规划模型图中的编号，n表示小区的数量；E是小区之间邻接关系的集合，无向边e(i,j)∈E表示小区vi与小区vj之间用户移动路径，i和j分别是小区vi和小区vj在TA规划模型图中的编号；(2)每一条无向边都有一个权重值，用来表示发生在有边相连的两个小区之间用户跨区次数；使用一个n×n矩阵L来表示相邻小区发生的用户跨区次数，其中n为小区总数，那么LUij∈L表示发生在小区vi和小区vj之间的用户跨区次数，i和j分别是小区vi和小区vj在TA规划模型图中的编号；(3)每一个顶点都有权重值，用来表示发生该小区内发生的用户寻呼请求次数；使用集合C＝{CR1,CR2,...,CRn}来表示顶点的权重值，其中CRi∈C表示发生在小区vi内的用户寻呼请求次数，n为小区总数，i指的是小区vi在TA规划模型图中的编号；(4)将模型图划分成互不重叠的区域S＝{TA1,TA2,...,TAk}，其中TAm∈S表示一个跟踪区TA，m是跟踪区TAm在模型中的编号，k为TA的数量；寻呼容量B表示一个TA内，网络系统支持的最大寻呼负荷；那么TA规划问题建模为：...

【技术特征摘要】
1.异构蜂窝网络中一种基于社区检测的跟踪区域规划方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，基于图分割的TA规划模型的建立；(1)TA规划模型图表示为：G＝(V,E)；其中V＝{v1,v2,...,vn}是顶点集合，每一个vi∈V表示网络中具体的一个蜂窝小区；i指的是小区vi在TA规划模型图中的编号，n表示小区的数量；E是小区之间邻接关系的集合，无向边e(i,j)∈E表示小区vi与小区vj之间用户移动路径，i和j分别是小区vi和小区vj在TA规划模型图中的编号；(2)每一条无向边都有一个权重值，用来表示发生在有边相连的两个小区之间用户跨区次数；使用一个n×n矩阵L来表示相邻小区发生的用户跨区次数，其中n为小区总数，那么LUij∈L表示发生在小区vi和小区vj之间的用户跨区次数，i和j分别是小区vi和小区vj在TA规划模型图中的编号；(3)每一个顶点都有权重值，用来表示发生该小区内发生的用户寻呼请求次数；使用集合C＝{CR1,CR2,...,CRn}来表示顶点的权重值，其中CRi∈C表示发生在小区vi内的用户寻呼请求次数，n为小区总数，i指的是小区vi在TA规划模型图中的编号；(4)将模型图划分成互不重叠的区域S＝{TA1,TA2,...,TAk}，其中TAm∈S表示一个跟踪区TA，m是跟踪区TAm在模型中的编号，k为TA的数量；寻呼容量B表示一个TA内，网络系统支持的最大寻呼负荷；那么TA规划问题建模为：步骤2，基于复杂网络的社区检测；(1)在复杂网络的社区检测模型中，将TA规划模型中小区集合V＝{v1,v2,...,vn}表示成复杂网络中的顶点集合，vi∈V表示网络中的一个顶点；i指的是顶点vi在社区检测模型中的编号，n表示顶点的数量；(2)将步骤1划分的跟踪区集合S＝{TA1,TA2,...,TAk}对应为复杂网络中的社区集合C＝(c1,c2,...,ck)，其中cx∈C表示复杂网络中社区，x表社区cx在社区检测模型中的编号，k为社区检测模型中社区数量；(3)使用n×n矩阵W来表示顶点之间相连的边数，n为社区检测模型中顶点数量；wij∈W表示顶点vi与顶点vj之间的连接边数，其中i和j分别为顶点vi和顶点vj在社区检测模型中的编号；则TA规划问题进一步建模为：上述模型进一步将TA规划问题建模为复杂网络中的社区检测问题；本发明将采用基于模块度的社区检测算法给出TA规划结构，因此首先给出模块度的计算过程；步骤3，模块度的计算(1)在复杂网络的社区检测模型中，将TA规划模型中小区集合V＝{v1,v2,...,vn}表示成复杂网络中的顶点集合，vi∈V表示网络中的一个顶点；i指的是顶点vi在社区检测模型中的编号，n表示顶点的数量；矩阵A为网络...

【专利技术属性】
技术研发人员：涂山山，林强强，肖创柏，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11