一種基于負(fù)載平衡的網(wǎng)絡(luò)接入選擇方法*

黃　銚，魏　華，李　蠡，杜　江

（成都信息工程大學(xué) 通信工程學(xué)院，四川 成都610225）

一種基于負(fù)載平衡的網(wǎng)絡(luò)接入選擇方法*

黃銚，魏華，李蠡，杜江

（成都信息工程大學(xué) 通信工程學(xué)院，四川 成都610225）

導(dǎo)讀：在傳統(tǒng)的通信技術(shù)分類中，按照傳輸?shù)膬?nèi)容不同將通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)分為了語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像等多個(gè)類別。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)中的普遍應(yīng)用，無(wú)論是語(yǔ)音、文字還是圖像都會(huì)首先被“數(shù)字化”之后以某種數(shù)據(jù)的形式加以傳輸。數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)也因此成為了通信網(wǎng)絡(luò)的主要形式，成為通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域研究者的主要研究對(duì)象。

本次專題遴選了4篇介紹面向不同應(yīng)用的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的論文，包括無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)、骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)以及航電設(shè)備數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)。這些論文分別從設(shè)計(jì)、優(yōu)化、管理等不同側(cè)面對(duì)自己所研究的特定數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中的問(wèn)題加以分析和解決，具有較高的學(xué)術(shù)價(jià)值和借鑒意義。——本期專題特約主編：黃樂(lè)天

針對(duì)異構(gòu)無(wú)線環(huán)境，提出了一種基于負(fù)載平衡的網(wǎng)絡(luò)選擇算法。采用“終端輔助，網(wǎng)絡(luò)決策”的策略，首先利用修正權(quán)重后的層次分析法得到網(wǎng)絡(luò)參考向量，然后終端用戶根據(jù)向量間的幾何關(guān)系挑選出可接入網(wǎng)絡(luò)集合，最后網(wǎng)絡(luò)側(cè)基于負(fù)載平衡的前提下為終端用戶選擇最終接入網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)仿真對(duì)比，驗(yàn)證了該算法的有效性。

接入；負(fù)載均衡；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

0　引言

隨著無(wú)線接入技術(shù)的飛速發(fā)展，各種各樣的通信技術(shù)已隨處可見(jiàn)，例如 WLAN、IEEE802.16、WiMAX、藍(lán)牙等。網(wǎng)絡(luò)也由2G發(fā)展到 3G、B3G、4G，正在向5G發(fā)展。因此異構(gòu)必然成為未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢(shì)，同時(shí)，隨著芯片集成技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，也使得終端用戶具備接入多個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能力。

在異構(gòu)環(huán)境下，當(dāng)終端用戶發(fā)起接入時(shí)，很明顯與單一網(wǎng)絡(luò)覆蓋的接入情況有顯著區(qū)別，這是因?yàn)榻K端用戶首先將面臨接入選擇問(wèn)題，而單一網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況下是不需要考慮的。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)側(cè)也將面臨接入控制問(wèn)題，同樣是因?yàn)樵诋悩?gòu)無(wú)線環(huán)境下，終端用戶能夠選擇不同的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入，而選擇接入不同的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，終端用戶所獲得的體驗(yàn)完全不同。如果網(wǎng)絡(luò)選擇不合理，不僅影響終端的用戶體驗(yàn)，還會(huì)影響到整個(gè)異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的資源利用率。針對(duì)在這種多終端、多網(wǎng)絡(luò)共存的背景下，每個(gè)終端用戶如何選擇最合適的網(wǎng)絡(luò)接入這一問(wèn)題，已展開(kāi)了相關(guān)研究。

文獻(xiàn)[1]提出了一種異構(gòu)環(huán)境下動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載架構(gòu)，重點(diǎn)分析了此架構(gòu)下終端用戶接入網(wǎng)絡(luò)的流程，并進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，但在接入中進(jìn)行分配用戶時(shí)，只考慮用戶的帶寬請(qǐng)求和信號(hào)強(qiáng)度兩個(gè)參量，對(duì)于其他一些影響因素，如 QoE等參量并沒(méi)有過(guò)多考慮。文獻(xiàn)[2]提出了一種基于希爾伯特空間向量范數(shù)的網(wǎng)絡(luò)選擇算法，該策略通過(guò)利用向量間的幾何關(guān)系來(lái)選擇與用戶需求最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)構(gòu)建一個(gè)“容忍空間”來(lái)控制用戶是否接入新網(wǎng)絡(luò)。該算法在控制垂直切換頻率方面具有很好的有效性，但該算法很有可能造成多個(gè)終端用戶選擇到同一個(gè)條件很好的網(wǎng)絡(luò)，造成該網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過(guò)重的問(wèn)題。文獻(xiàn)[3]則是結(jié)合基于模糊綜合評(píng)價(jià)法和層次分析方法所提出的一種網(wǎng)絡(luò)選擇算法，主要通過(guò)隸屬度來(lái)選擇最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)，使得異構(gòu)環(huán)境下各個(gè)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到負(fù)載均衡。除了網(wǎng)絡(luò)選擇算法以外，也有通過(guò)其他方法達(dá)到負(fù)載均衡的，文獻(xiàn)[4-5]就分別通過(guò)能量控制和編碼控制來(lái)滿足各個(gè)網(wǎng)絡(luò)間的負(fù)載均衡。

同時(shí)，對(duì)終端側(cè)用戶來(lái)說(shuō)，在接入選擇過(guò)程中，也存在各種判決指標(biāo),它們對(duì)最終選擇結(jié)果也存在不同程度的影響。例如信號(hào)強(qiáng)度，候選網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)強(qiáng)度越好，則越有可能被用戶選為接入網(wǎng)絡(luò)，而另一方面針對(duì)成本這樣的判決指標(biāo)，如果候選網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)費(fèi)用越高，則終端用戶越有可能拒絕接入。事實(shí)上，在異構(gòu)無(wú)線環(huán)境下,接入選擇的決策過(guò)程可以根據(jù)具體情況采用不同的決策方法[6]，例如模糊函數(shù)法[7]、層次分析法（AHP）[8-9]。目前在很多文獻(xiàn)中通過(guò)AHP方法來(lái)為多個(gè)不同的判決指標(biāo)確定權(quán)重因子，然后利用權(quán)重以及相關(guān)的算法得到最終接入的網(wǎng)絡(luò)，但是由AHP方法給出的權(quán)重因子，其本身也存在著一定的主觀性。

為了使得決策結(jié)果更加客觀準(zhǔn)確，本文通過(guò)采用修正的AHP方法得到權(quán)重因子，結(jié)合終端用戶自身需求，巧妙地利用向量間的距離關(guān)系得到一個(gè)終端用戶可接受的備選網(wǎng)絡(luò)集，網(wǎng)絡(luò)側(cè)在終端用戶的備選網(wǎng)絡(luò)集中，按其業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)順序并同時(shí)考慮各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況為終端用戶選擇合適的網(wǎng)絡(luò)，將終端用戶分配到合適的網(wǎng)絡(luò)。

1　模型描述

圖1描述了異構(gòu)無(wú)線場(chǎng)景，在此場(chǎng)景下，終端用戶已具備可以連接入多個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的能力。同時(shí)在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中采用集中式管理策略，增加了聯(lián)合無(wú)線資源管理(Common Radio Resource Management，CRRM)模塊[10]，其主要功能是用來(lái)協(xié)調(diào)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)資源，同時(shí)對(duì)所有申請(qǐng)接入的終端用戶進(jìn)行聯(lián)合接入控制。

圖1　異構(gòu)無(wú)線場(chǎng)景

針對(duì)圖1，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線資源管理(Radio Resource Management，RRM)實(shí)體不僅要執(zhí)行原有網(wǎng)絡(luò)中的任務(wù)，而且還需要把本網(wǎng)絡(luò)的資源負(fù)載情況以及相關(guān)信息上報(bào)CRRM，由CRRM實(shí)體結(jié)合終端用戶和各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)信息來(lái)進(jìn)行決策判斷，判斷是否允許終端用戶的接入請(qǐng)求以及接入到哪個(gè)網(wǎng)絡(luò)，最終決策結(jié)果將返回給相關(guān)的RRM實(shí)體，由該RRM實(shí)體執(zhí)行決策內(nèi)容。

2　方法描述

當(dāng)多個(gè)終端用戶同時(shí)發(fā)起接入請(qǐng)求時(shí)，第一步首先解決終端用戶接入的問(wèn)題，即接入選擇問(wèn)題。每個(gè)終端用戶根據(jù)自己的體驗(yàn)、需求及各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的情況選擇出可接入的網(wǎng)絡(luò)集合。第二步解決終端用戶最終接入的問(wèn)題，即接納控制問(wèn)題。由網(wǎng)絡(luò)側(cè)根據(jù)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的情況以及終端用戶的備選網(wǎng)絡(luò)集將其分配到合適的網(wǎng)絡(luò)中。

因?yàn)楫悩?gòu)場(chǎng)景中存在多個(gè)終端用戶和多個(gè)網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)的個(gè)數(shù)為t，發(fā)起接入請(qǐng)求的終端用戶個(gè)數(shù)為u。方法具體過(guò)程如下：

(1)終端用戶根據(jù)自身需求和網(wǎng)絡(luò)情況得出備選網(wǎng)絡(luò)。例如：誤碼率、信號(hào)強(qiáng)度、網(wǎng)絡(luò)計(jì)費(fèi)、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延等，這些參量可根據(jù)實(shí)際情況選擇作為用戶的需求和網(wǎng)絡(luò)情況。

對(duì)式(1)求對(duì)數(shù)，得：

整理得：

對(duì)式(4)，根據(jù)微分概念用Δ表示變化量后得：

事實(shí)上，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)所能提供的服務(wù)與終端用戶的目標(biāo)存在一定差距，當(dāng)然這種差距很明顯不能超過(guò)終端用戶的最大容忍度。令為終端用戶的目標(biāo)向量，Y=(y1，y2，…，ym)為網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際向量，向量中的元素代表誤碼率、網(wǎng)絡(luò)計(jì)費(fèi)、時(shí)延等。ΔD={Δd1，Δd1，…，Δdm}為終端用戶的最大容忍度，其中，Δdn表示向量元素ΔD中第n個(gè)元素的最大容忍度。結(jié)合以上分析，則當(dāng)yn－＞Δdn時(shí)，表示用戶拒絕接入該網(wǎng)絡(luò)，yn和分別為網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際向量Y和終端用戶目標(biāo)向量中第n個(gè)元素。

對(duì)第 i(1＜i≤u)個(gè)終端用戶來(lái)說(shuō)，在實(shí)際情況中，其目標(biāo)向量Yi和最大容忍度Di是確定的。

則第i個(gè)終端對(duì)第j(1＜j≤t)個(gè)網(wǎng)絡(luò)的不滿意度為：

因?yàn)镻為終端用戶對(duì)該網(wǎng)絡(luò)的不滿意度，所以P越大則表示該用戶對(duì)該網(wǎng)絡(luò)的不滿意度越大，反之P越小則對(duì)該網(wǎng)絡(luò)的不滿意度越小。因此對(duì)第i個(gè)終端用戶，當(dāng)Pij≤Di，表示第j個(gè)網(wǎng)絡(luò)可作為終端用戶接入的網(wǎng)絡(luò)，加入備選接入網(wǎng)絡(luò)集合。當(dāng)Pij＞Di，則表示第i個(gè)終端用戶拒絕接入第j個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

對(duì)第i個(gè)終端用戶，當(dāng)判斷完異構(gòu)場(chǎng)景下所有網(wǎng)絡(luò)后，便可得到此用戶的可接入備選網(wǎng)絡(luò)集。

(2)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)側(cè)得到每個(gè)終端用戶備選的接入網(wǎng)絡(luò)集合后，并不會(huì)立刻把終端用戶分配到網(wǎng)絡(luò)中去，因?yàn)樵诓豢紤]網(wǎng)絡(luò)側(cè)條件的情況下，有可能某個(gè)網(wǎng)絡(luò)的條件特別好，而最后所有終端用戶都選擇接入這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，造成此網(wǎng)絡(luò)的擁塞。因此對(duì)用戶來(lái)說(shuō)最好的網(wǎng)絡(luò)，從網(wǎng)絡(luò)側(cè)角度出發(fā)并不一定是最適合的網(wǎng)絡(luò)。本文從負(fù)載均衡的角度出發(fā)，結(jié)合終端用戶的需求，按照業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)順序來(lái)分配接入的終端用戶。

假設(shè)終端用戶集合為 U=(u1，u2，…，ui，…，uu)，在集合中每個(gè)終端用戶需要的帶寬為 BU=(Bu1，Bu2，…，Buu)，同時(shí)定義每個(gè)網(wǎng)絡(luò)剩余的帶寬為BN=(BN1，BN2，…，BNt)。

當(dāng)CRRM得到用戶的備選接入網(wǎng)絡(luò)集以及各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的不滿意度后，考慮到終端用戶的 QoS，網(wǎng)絡(luò)側(cè)按照終端用戶的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)順序進(jìn)行分配。例如：終端用戶i的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)最高，則網(wǎng)絡(luò)側(cè)對(duì)此終端用戶首先分配。

本文從剩余資源的角度出發(fā)進(jìn)行考慮，具體算法如下：

首先得到一個(gè)所有網(wǎng)絡(luò)的平均資源剩余率，記為Q：

對(duì)終端用戶i，假設(shè)備選接入網(wǎng)絡(luò)總個(gè)數(shù)為j個(gè)，則它對(duì)第j個(gè)網(wǎng)絡(luò)的資源占有率為，且 BNj＞Bui。要滿足網(wǎng)絡(luò)間的負(fù)載均衡，即取最小值。代入Q，得式(10)：

圖2　算法流程圖

從圖2中可以看出，異構(gòu)場(chǎng)景下，當(dāng)多個(gè)終端用戶在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域同時(shí)發(fā)起接入時(shí)，首先由終端用戶根據(jù)自身需求建立一個(gè)備選接入網(wǎng)絡(luò)集，然后由CRRM根據(jù)收集的網(wǎng)絡(luò)側(cè)相關(guān)信息把發(fā)起接入的終端用戶分配到合適的網(wǎng)絡(luò)中。因此本方法即考慮了終端用戶的利益，又結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)本身的情況。

3　仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證算法的有效性，采用MATLAB工具進(jìn)行了仿真。異構(gòu)環(huán)境下，在終端用戶側(cè)，終端用戶的到達(dá)率服從均值為λ的泊松分布，λ的取值從1到5，并且每個(gè)終端用戶需求的帶寬服從均值為2的均勻分布。在網(wǎng)絡(luò)側(cè)，可接入的網(wǎng)絡(luò)總數(shù)目為 4，分別設(shè)為網(wǎng)絡(luò) 1、網(wǎng)絡(luò)2、網(wǎng)絡(luò)3、網(wǎng)絡(luò)4，同時(shí)為了體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)變性，對(duì)部分參數(shù)增加了抖動(dòng)。選取的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如下：用戶偏好(o)、時(shí)延(α)、響應(yīng)時(shí)間(β)、價(jià)格(η)、誤碼率(μ)、安全性(σ)。網(wǎng)絡(luò)參數(shù)數(shù)值如表1所示。

表1　網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

同時(shí)，將本文所提算法與文獻(xiàn)[3]中所提的網(wǎng)絡(luò)選擇算法進(jìn)行對(duì)比，分析本算法的性能。

圖3表示隨著終端用戶到達(dá)率的增加，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的資源剩余率Q的變化情況。當(dāng)λ值較小時(shí)，此時(shí)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)就可以承載接入的終端用戶。在仿真中，由于網(wǎng)絡(luò)1最符合用戶的選擇，所以不管是對(duì)比算法還是本文所提算法，網(wǎng)絡(luò)1的資源剩余量都比較低。隨著λ值的進(jìn)一步增加，到達(dá)的終端用戶數(shù)將會(huì)越來(lái)越多，因此相應(yīng)的所需帶寬也就越來(lái)越大，所以在圖形中4個(gè)網(wǎng)絡(luò)的剩余資源率呈現(xiàn)慢慢變少趨勢(shì)。但相對(duì)于對(duì)比算法，本文所提算法會(huì)從負(fù)載均衡的角度出發(fā)，將終端用戶分配到其他可以接受的網(wǎng)絡(luò)中，而對(duì)比算法的分配結(jié)果導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)1的負(fù)載過(guò)重，從圖3中可以明顯觀察出λ的值越大，網(wǎng)絡(luò)1的資源剩余率越低，即負(fù)載相對(duì)于另外3個(gè)網(wǎng)絡(luò)過(guò)重。

圖3　網(wǎng)絡(luò)資源剩余率

圖4反映的是隨著終端用戶到達(dá)率的增加，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的剩余帶寬。相對(duì)于圖3、圖4可以明顯看出，在對(duì)比算法中，網(wǎng)絡(luò)1的負(fù)載較大，網(wǎng)絡(luò)2的負(fù)載明顯較輕，而在本文所提的算法中，4個(gè)網(wǎng)絡(luò)的剩余資源則都很接近，有效的保證了4個(gè)網(wǎng)絡(luò)間的負(fù)載平衡，說(shuō)明了本算法的有效性。

圖4　剩余網(wǎng)絡(luò)資源

圖5表示的是隨著λ的增加，兩種算法中終端用戶總的接入成功率的比較。隨著接入用戶數(shù)目的增加，接入成功率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的負(fù)載能力有限，終端用戶數(shù)目的增加必然導(dǎo)致成功接入用戶數(shù)目的減少，但本文所提算法的接入成功率明顯高于對(duì)比算法的接入成功率。

圖5　接入成功率

4　結(jié)論

本文提出了一種基于負(fù)載平衡的網(wǎng)絡(luò)選擇方法，首先，從終端用戶的角度出發(fā)，通過(guò)修正后的AHP得到終端用戶的不滿意度，再比較其不滿意度與最大容忍度之間的幾何關(guān)系，從而獲得終端用戶的備選網(wǎng)絡(luò)集，然后再?gòu)木W(wǎng)絡(luò)側(cè)的角度出發(fā)，按終端業(yè)務(wù)申請(qǐng)接入的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)順序，從負(fù)載均衡的角度出發(fā)，由網(wǎng)絡(luò)側(cè)為終端用戶分配最終的接入網(wǎng)絡(luò)。本方法既考慮了終端用戶的利益，提高了接入成功率，又兼顧了網(wǎng)絡(luò)側(cè)的利益，保證了負(fù)載均衡。仿真結(jié)果也表明本文所提方法不僅能夠讓終端用戶有效地進(jìn)行選擇，同時(shí)也盡量保證了各個(gè)網(wǎng)絡(luò)間的負(fù)載均衡。

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魏華（1975－），通信作者，男，博士，講師，主要研究方向：大規(guī)模集成電路、無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，E－mail：weihua@cuit.edu.cn。

李蠡（1984－），男，博士，講師，主要研究方向：自適應(yīng)濾波器設(shè)計(jì)。

A network selection scheme based on load balancing

Huang Yao，Wei Hua，Li Li，Du Jiang
(School of Telecommunication Engineering，Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，China)

For heterogeneous wireless environment,this paper proposed a network selection algorithm based on load balancing.The strategy“terminal auxiliary,network decision”is adopted.Firstly,the network reference vector is got by using the analytic hierarchy process(AHP)modified weight.Then,terminals select the set of access networks according to the geometrical relationship of vector.Finally,the network side allocates the suitable access network,which is from the set of access networks,for the terminal based load balancing.The simulation confirms the algorithm is validity.

access；load balancing；heterogeneous networks

TN911.22

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.09.001

四川省科技支撐計(jì)劃創(chuàng)新苗子工程(2015RZ0060)；成都信息工程大學(xué)科研啟動(dòng)項(xiàng)目(KYTZ201415，KYTZ201501，KYTZ201502)

2015－08－06)

黃銚（1983－），男，博士，講師，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)。

中文引用格式：黃銚，魏華，李蠡，等.一種基于負(fù)載平衡的網(wǎng)絡(luò)接入選擇方法[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(9)：6-9，13.

英文引用格式：Huang Yao，Wei Hua，Li Li，et al.A network selection scheme based on load balancing[J].Application of Electronic Technique，2015，41(9)：6-9，13.