一种基于多目标优化模型的异构网络垂直切换算法及系统技术方案

本发明专利技术涉及异构网络技术领域，公开了基于多目标优化模型的异构网络垂直切换算法及系统，以提高异构网络系统的资源利用率和保证用户的服务质量需求，本发明专利技术的算法包括根据相关参数计算异构网络中反映各基站在不同状态下性能特征的Gittins指数，并生成异构网络中的Gittins矩阵；计算用户在切换执行前的传输速率矩阵和误码率矩阵；设置用于反映用户切换策略的矩阵变量；以Gittins矩阵、传输速率矩阵和误码率矩阵为参数，以矩阵变量为决策变量构建多目标优化模型；求解出多目标优化模型中的矩阵变量以确定最优的切换策略。

A vertical handoff algorithm and system for heterogeneous networks based on multi-objective optimization model

【技术实现步骤摘要】
一种基于多目标优化模型的异构网络垂直切换算法及系统
本专利技术涉及异构网络
，尤其涉及一种基于多目标优化模型的异构网络垂直切换算法及系统。
技术介绍
随着无线网络技术的发展，多制式无线网络的融合将成为主流，不同类型的无线网络重叠覆盖形成了异构网络，异构网络中的用户可以连接到不同制式的网络中以获取不同的服务体验，用户总是选择最好的网络进行接入以获得好的服务质量。在异构网络环境下，用户经常需要在不同制式的网络中进行切换，这种在不同制式网络中切换的技术被称为垂直切换。垂直切换是解决异构无线网络集成障碍的重要技术。到目前为止有很多关于垂直切换算法的研究，常见的垂直切换算法可以分为四类，第一类是基于接收信号强度的垂直切换算法，该类算法由于判决属性单一、设计过于简单，应用于垂直切换会导致乒乓效应，且对于异构网络环境下的切换，各个不同接入网络的特征差别很大，这个时候仅仅依据信号强度来执行切换已经不能准确的使终端接入到最优的网络中；第二类是多属性决策算法，该类算法通过选取影响用户服务需求的终端判决属性构建出相应的效应函数或代价函数，求出最优的网络进行接入，由于该类垂直切换算法设计简单且相比于单一的基于接收信号强度的垂直切换算法而言有更高的可靠性，因此被大量使用和研究，但是其灵活性差，且没有考虑到网络状态的动态变化特性；第三类是基于人工智能的切换算法，此类垂直切换算法适用于涉及较多难以量化的判决因素的切换场景，通过将网络参数的样本值输入到模糊推理系统(FuzzyInferenceSystem,FIS)或神经网络中进行处理，并根据系统输出进行切换判决。该类算法判决准确度高，但是缺乏考虑用户之间的协调性，且模糊逻辑和人工神经网络计算复杂，不适用于计算能力有限的终端设备；第四类是基于马尔可夫决策过程的垂直切换算法，该类算法通过引入价值函数将不同时刻下网络的状态进行量化，使得切换用户能实时掌握网络状态的动态变化特性，很好的保证了用户接入到低阻塞率和低时延的网络，但是缺乏考虑用户侧的服务需求。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种基于多目标优化模型的异构网络垂直切换算法及系统，以提高异构网络系统的资源利用率和保证用户的服务质量需求。为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于多目标优化模型的异构网络垂直切换算法，包括以下步骤：根据相关参数计算异构网络中反映各基站在不同状态下性能特征的Gittins指数，并生成所述异构网络中的Gittins矩阵；计算用户在切换执行前的传输速率矩阵和误码率矩阵；设置用于反映用户切换策略的矩阵变量；以Gittins矩阵、传输速率矩阵和误码率矩阵为参数，矩阵变量为决策变量构建多目标优化模型；求解出所述多目标优化模型的矩阵变量以确定最优切换策略。优选地，所述生成所述异构网络中的Gittins矩阵包括：对所述异构网络中的各Gittins指数按接入用户数进行升序排列以生成所述Gittins矩阵。优选地，设定异构网络中的基站数量为M，用户数量为N，在生成所述异构网络中的Gittins矩阵时，若用户数量超过异构网络中的各基站状态数量时，将多余部分用户数量对应的Gittins指数都设为0。优选地，所述传输速率矩阵和误码率矩阵根据异构网络中的信噪比计算得到。优选地，所述相关参数包括异构网络各基站的总带宽、平均接入带宽和时延。优选地，所述用于反映用户切换策略的矩阵变量θ如下：式中，矩阵θ为M×N阶矩阵，M表示基站的总数量，N表示用户的总数量，i表示矩阵的行索引且i取值为1，2，…，M，j表示矩阵的列索且j取值为1，2，…，N，θij表示用户j连接到基站i上的情况，当θij＝1时表示j连接到基站i上，θij＝0表示j未连接到基站i上，矩阵中的每一列为1的元素的个数不超过一个以表示每个用户同时只能接入一个基站。所述多目标优化模型如下：模型中的约束条件为：θij(1-θij)＝0i＝1，2...，Mj＝1，2...，N.0≤||θ(i，：)||1≤ηii＝1，2...，M式中，θ为矩阵变量，θ(i，：)表示矩阵θ的第i行向量，反映第i个基站的用户接入情况，θ(：，j)表示矩阵θ的第j列向量，反映第j个用户接入基站情况，vij为用户j连接到基站i时获取到的基站Gittins指数，Q为传输速率矩阵，Q(：，j)表示矩阵Q中第j列向量，反映第j个用户接收来自不同基站的数据传输速率，E为误码率矩阵，E(：，j)表示矩阵E中第j列向量，反映第j个用户接收来自不同基站的误码率，ηi为基站i的通道数。作为一个总的技术构思，本专利技术还提供一种基于多目标优化模型的异构网络垂直切换系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的步骤。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提供的一种基于多目标优化模型的异构网络垂直切换算法及系统，包括：根据相关参数计算异构网络中反映各基站在不同状态下性能特征的Gittins指数，并生成异构网络中的Gittins矩阵；计算用户在切换执行前的传输速率矩阵和误码率矩阵；设置用于反映用户切换策略的矩阵变量；以Gittins矩阵、传输速率矩阵和误码率矩阵为参数，以矩阵变量为决策变量构建多目标优化模型；求解出多目标优化模型的矩阵变量以确定最优的切换策略。可以提高异构网络系统的资源利用率和保证用户的服务质量需求。下面将参照附图，对本专利技术作进一步详细的说明。附图说明构成本申请的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1是本专利技术优选实施例的基于多目标优化模型的异构网络垂直切换算法流程图；图2是本专利技术优选实施例的NSGA-II算法的流程图；图3是本专利技术优选实施例的仿真时基站的分布图；图4是传统的垂直切换算法与本专利技术提出的垂直切换算法在系统传输速率上的对比仿真图；图5是传统的垂直切换算法与本专利技术提出的垂直切换算法在系统阻塞率上的对比仿真图。图6是传统的垂直切换算法与本专利技术提出的垂直切换算法在系统误码率上的对比仿真图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的实施例进行详细说明，但是本专利技术可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。实施例1如图1所示，本实施例提供一种基于多目标优化模型的异构网络垂直切换算法，包括以下步骤：S1:根据相关参数计算异构网络中反映各基站在不同状态下性能特征的Gittins指数，并生成异构网络中的Gittins矩阵；S2:计算用户在切换执行前的传输速率矩阵和误码率矩阵；S3:设置用于反映用户切换策略的矩阵变量；S4:以Gittins矩阵、传输速率矩阵和误码率矩阵为参数，以矩阵变量为决策变量构建多目标优化模型；S5:求解出多目标优化模型中的矩阵变量以确定最优切换本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多目标优化模型的异构网络垂直切换算法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1:根据相关参数计算异构网络中反映各基站在不同状态下的性能特征的Gittins指数，并生成所述异构网络中的Gittins矩阵；/nS2:计算用户在切换执行前的传输速率矩阵和误码率矩阵；/nS3:设置用于反映用户切换策略的矩阵变量；/nS4:以Gittins矩阵、传输速率矩阵和误码率矩阵为参数，以矩阵变量为决策变量构建多目标优化模型；/nS5:求解出所述多目标优化模型中的矩阵变量以确定最优切换策略。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于多目标优化模型的异构网络垂直切换算法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:根据相关参数计算异构网络中反映各基站在不同状态下的性能特征的Gittins指数，并生成所述异构网络中的Gittins矩阵；
S2:计算用户在切换执行前的传输速率矩阵和误码率矩阵；
S3:设置用于反映用户切换策略的矩阵变量；
S4:以Gittins矩阵、传输速率矩阵和误码率矩阵为参数，以矩阵变量为决策变量构建多目标优化模型；
S5:求解出所述多目标优化模型中的矩阵变量以确定最优切换策略。


2.根据权利要求1所述的基于多目标优化模型的异构网络垂直切换算法，其特征在于，S1中生成所述异构网络中的Gittins矩阵包括：
对所述异构网络中的各Gittins指数按接入用户数进行升序排列以生成所述Gittins矩阵。


3.根据权利要求2所述的基于多目标优化模型的异构网络垂直切换算法，其特征在于，设定异构网络中的基站总数量为M，用户总数量为N，在生成所述异构网络中的Gittins矩阵时，若用户数量超过异构网络中的各基站状态数量时，将多余部分用户数量对应的Gittins指数都设为0。


4.根据权利要求1所述的基于多目标优化模型的异构网络垂直切换算法，其特征在于，所述传输速率矩阵和误码率矩阵根据异构网络中的信噪比计算得到。


5.根据权利要求1所述的基于多目标优化模型的异构网络垂直切换算法，其特征在于，所述相关参数包括异构网络各基站的总带宽、平均接入带宽和时延。


6.根据权利要求1所述的基于多目标优化模型的异构网络垂直...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓宏贵，王书敏，李幼真，封雨鑫，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43