[发明专利]基于网络联合效用优化及负载均衡的异构网络垂直切换方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别是异构无线网络中的垂直切换技术。

背景技术

随着移动通信和宽带无线接入技术的发展及人类对信息通信需求的增加，更高传输速率、更大系统容量、更广业务覆盖已经成为未来移动通信发展的主流趋势和演进目标。为了适应不同用户需求，下一代无线网络将支持多种无线接入技术融合共存，具有多模接口的用户设备可在不同接入技术之间无缝切换，以实现业务连续性及最佳业务体验。

用户在采用不同接入技术的异构融合网络的基站/接入点之间的切换，称为垂直切换。异构网络垂直切换过程通常包括三个阶段：网络发现阶段，切换判决阶段及切换执行阶段。其中，切换判决阶段最为关键，该阶段的切换判决算法直接关系到垂直切换的有效性与可靠性。

现有文献中垂直切换判决方法主要包括：基于代价函数或多属性决策理论，实现多因素综合折中的切换判决算法；基于马尔可夫决策理论，建模稳态融合系统，对应系统综合回报最大化的切换判决算法；基于模糊逻辑理论，对多个切换判决因素进行模糊化处理及模糊推理的切换判决算法；以及基于博弈理论，建模用户与网络之间合作及非合作博弈关系，对应博弈参与者均衡状态的切换判决算法。上述切换判决方法各有特点，具体为：

基于信干噪比，并综合考虑用户请求带宽及用户流量开销等多种因素的垂直切换判决算法，通过建模切换回报函数，选取回报函数值最大的候选网络作为切换目标网络，可提高网络吞吐量、降低掉线率并减少接入网络的用户流量开销。基于自定义回报函数的以网络可用带宽、连接时延、接入费用及安全性等多种因素作为代价因子的垂直切换算法，通过对回报函数的优化，实现优化垂直切换目标网络选择。将终端当前接收信号强度、预测信号强度、系统带宽及移动速度等因素作为模糊逻辑处理系统的输入量，利用模糊逻辑方法对信息进行模糊处理，分别得到无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）和通用移动通信系统（Universal Mobile Telecommunications System，UMTS）两个网络的信息参量的隶属度，经过隶属度的归一化处理及量化，由模糊逻辑控制器得到目标网络的综合性能评估值，选取评估值最大的网络为切换优化目标网络。基于模糊逻辑的蜂窝网络/WLAN切换判决算法，考虑用户对WLAN选择度、WLAN的信号强度以及可用带宽等因素，采用学习机制建立模糊集合的隶属度函数，通过模糊推理，最终判决是否由蜂窝网络切换至WLAN。

文献[C.J. Chang, T.L. Tsai and Y.H. Chen. Utility and Game-theory based network selection scheme in heterogeneous wireless networks. WCNC 2009, pp. 1 – 5.]中提出了基于效用函数及博弈理论的异构无线网络选择机制，通过构建合作博弈模型，计算网络性能及联合效用，可选择对应最大效用的目标网络，以实现接入呼叫率最大化，切换发生频率最小化，并满足用户的QoS需求。

基于代价函数或多属性决策理论的切换判决算法，综合考虑了系统性能和用户特性，有助于实现用户业务QoS保障和网络整体性能的提高，但是切换网络选择的函数公式中的各个参数在实际网络中是快速变化的，难以实时测量。基于模糊逻辑理论的切换判决算法，不需要精确的数学模型，系统适应性较好，但由于模糊逻辑过程是非线性的，算法复杂度高，对设备的计算能力要求较高。

综合考虑各异构接入网络特性及用户业务需求，设计合理高效的垂直切换判决算法，在满足用户业务需求的条件下，实现网络性能优化是困难而具有挑战性的问题。由于用户业务体验和网络性能是受多种因素共同影响的复杂的系统问题，因此在数学上很难建模。网络联合效用函数的引入，为解决异构网络垂直切换判决提供了一种新的方法。

目前已有研究基于效用函数进行通信系统优化设计，如文献[俞一帆，白勇，陈岚，在异构无线网络中选择网络的方法和装置，公开号101287280，公开日2008年10月15日]提出异构无线网络中选择网络的方法和装置，通过建模各网络的效用函数，并结合用户及网络的属性权重向量，评估各网络的综合效用值，从而选取最终候选网络；文献[刘干，周亮，周鑫等，一种基于博弈论的认知无线电网络FDM信道选择方法，公开号101321388，公开日2008年12月10日]提出一种基于博弈论的认知无线电网络FDM信道选择方法，建模二级用户的效用函数，各二级用户依次选择使其效用函数最大的传输信道，直至系统收敛，实现所有二级用户的信道优化选择。