一種面向機(jī)器類通信的負(fù)載均衡方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于移動(dòng)通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種面向機(jī)器類通信的負(fù)載均衡方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)器類通信（machinetypecommunication,MTC)作為一種新的通信類型在很 多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，比如智能交通，水電表抄送，電子健康，智能建筑及其他智能商 業(yè)。有研究指出到2020年機(jī)器類通信終端的數(shù)量將達(dá)到125億（其中包括智能手機(jī)和 平板），遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)在的13億。隨著機(jī)器類終端數(shù)量的不斷增加，長(zhǎng)期演進(jìn)（longterm evolution-advanced,LTE-A)網(wǎng)絡(luò)將面臨著大量機(jī)器類終端同時(shí)接入基站的情況。支持?jǐn)?shù) 以萬(wàn)計(jì)的終端通信是未來(lái)的趨勢(shì)和基本需求。
[0003] 由于LTE-A網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋范圍廣，可以在城市和農(nóng)村任意部署MTC終端及其回程 網(wǎng)絡(luò)可以為MTC終端和MTC應(yīng)用之間提供無(wú)縫通信的特點(diǎn)，LTE-A網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是支持MTC 通信最優(yōu)前途的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景。但是，MTC應(yīng)用的發(fā)送小數(shù)據(jù)、終端數(shù)量大、瞬時(shí)爆發(fā)的特性是 不同于傳統(tǒng)H2H(human-t〇-human)通信的。當(dāng)有大量的MTC終端同時(shí)請(qǐng)求接入LTE-A網(wǎng)絡(luò) 時(shí)，會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)的擁塞，特別是在物理隨機(jī)接入信道（physicalrandomaccesschannel， PRACH)。擁塞是制約MTC終端在LTE-A網(wǎng)絡(luò)中發(fā)展的一個(gè)重要問(wèn)題。
[0004] 現(xiàn)存的LTE-A網(wǎng)絡(luò)中，為了緩解大量終端接入給無(wú)線接入網(wǎng)造成過(guò)載的問(wèn)題，第 三代合作伙伴計(jì)劃（3rdgenerationpartnershipproject，3GPP)提出了很多解決方案， 比如接入分類限制（accessclassbarring, ACB)，隨機(jī)接入信道資源預(yù)分配，H2H和MTC前 導(dǎo)碼共享機(jī)制，信令批處理等。在上述機(jī)制中，接入分類限制在緩解擁塞時(shí)起到了很大的作 用。接入分類限制的隨機(jī)接入過(guò)程如圖1所示。在接入分類限制機(jī)制中，基站根據(jù)繁忙度設(shè) 置自身的控制參數(shù)P，并把P廣播給基站覆蓋范圍內(nèi)的MTC終端。通過(guò)調(diào)節(jié)控制參數(shù)p的大 小來(lái)控制允許接入基站的數(shù)量，從而緩解基站的接入過(guò)載。當(dāng)大量MTC終端等待接入基站 時(shí)，基站會(huì)將自身的參數(shù)設(shè)置到很低，以此來(lái)緩解接入過(guò)載，這樣會(huì)增加用戶的接入時(shí)延。
[0005] 圖2是支持MTC的LTE-A的移動(dòng)通信系統(tǒng)圖。
[0006] 為了方便場(chǎng)景的描述，系統(tǒng)中設(shè)置了 2個(gè)基站分別為eNBl和eNB2,在每個(gè)基站的 覆蓋范圍內(nèi)有很多MTC終端，其中MTC終端1和MTC終端2位于2個(gè)基站的重疊區(qū)域。圖中 看出接入基站eNB1的MTC終端數(shù)量明顯多于基站eNB2。大量MTC終端同時(shí)接入基站eNB1 時(shí)，此基站會(huì)將自身的控制參數(shù)降低到最小緩解接入擁塞，會(huì)引起用戶的接入延遲增加。此 時(shí)，基站eNB2由于接入數(shù)量少，基站會(huì)處于空閑狀態(tài)，造成資源的浪費(fèi)。
[0007] 當(dāng)大量MTC終端在相鄰小區(qū)的分布不均勻時(shí)，每個(gè)基站通過(guò)傳統(tǒng)的接入分類限制 機(jī)制獨(dú)立的設(shè)置自身的參數(shù)，對(duì)緩解基站的接入過(guò)載起到的作用很小，并且會(huì)造成資源的 浪費(fèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種面向機(jī)器類通信的負(fù)載均衡方法，該方法 通過(guò)博弈技術(shù)能夠有效地均衡多小區(qū)機(jī)器類的通信負(fù)載，減小用戶的接入延遲，增加網(wǎng)絡(luò) 的吞吐量。
[0009] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
[0010] 一種面向機(jī)器類通信的負(fù)載均衡方法，包括以下步驟：
[0011] 步驟1)構(gòu)造終端的收益函數(shù)；
[0012] 步驟2)通過(guò)各終端的博弈過(guò)程，確定每個(gè)終端的選擇策略；
[0013] 步驟3)計(jì)算基于接入分類限制方法中基站的控制參數(shù)。
[0014] 進(jìn)一步，所述步驟1)具體包括以下步驟：
[0015] 步驟1-1)通過(guò)以下公式計(jì)算終端接入基站的信干噪比：
[0017] 其中，示的是MTC終端i接入基站m的發(fā)送功率，i= 1，…，K，m= 1，…，M; Glini表示的是MTC終端i接入基站m的平均信道增益；dliB1表示MTC終端i到接入基站m的 距離；a表示終端到基站的路徑衰減指數(shù)；〇2表示噪聲；I^表示其他終端造成的干擾；
[0018] 步驟1-2)通過(guò)以下公式計(jì)算終端的效用，即終端接入基站獲得的數(shù)據(jù)速率：
[0019] Clin=Blin ?Iog2(1+TliJ
[0020] 其中，Clini為MTC終端i接入基站m獲得的數(shù)據(jù)速率；BliB1表示分配給MTC終端i 的帶寬；
[0021] 步驟1-3)通過(guò)以下公式計(jì)算終端接入基站的代價(jià)：
[0022] Wlini= ^1* ^1* Plilll
[0023] 其中，《liB1為MTC終端i接入基站m的代價(jià)；Ai表示的是MTC終端愿意為其獲得 數(shù)據(jù)速率付出代價(jià)的意愿強(qiáng)度，A1用于保證代價(jià)與效用在同一個(gè)數(shù)量級(jí)且具有相同的量 綱；n,表示發(fā)送單位功率終端的能量損耗；
[0024] 步驟1-4)終端i的收益函數(shù)為：
[0025] U1(Sk) = (C1^-Oin)/IlNnIl
[0026] 31(表示為所有終端的策略的集合，其表達(dá)式為Sk={si，s2，...，SkKNi11表示為基站 m接入終端數(shù)量的集合，IIN1J為它的模值；
[0027] IlNJI=IlAnIl+ 11N'JI
[0028] 其中，Kni表示為只能接入基站m的終端數(shù)的集合，IlN'J表示它的模值，Ani表示 位于重疊覆蓋區(qū)域的終端選擇接入基站m的終端數(shù)的集合，IIA1JI是它的模值。
[0029] 進(jìn)一步，所述各終端的博弈過(guò)程具體為各終端不斷改變接入策略，獲取最大的收 益，直到任何一個(gè)終端再改變策略時(shí)，各終端的收益都不會(huì)再改變時(shí)，確定每個(gè)終端最終的 接入策略。
[0030] 進(jìn)一步，博弈的表達(dá)式為：
[0031] r = {z, SK, { y J ie z}
[0032] 其中，Z表示參與者，即位于多個(gè)小區(qū)重疊覆蓋區(qū)域的MTC終端；Sk表示參與者的 選擇策略集，Sk={s:，…，sK} ;y;表示參與者的收益，8卩MTC終端接入基站獲得收益，i= 1，…，K0
[0033] 進(jìn)一步，終端間博弈協(xié)調(diào)各MTC終端的接入策略，使得各終端獲得最大的收益，通 過(guò)以下公式確定每個(gè)終端的選擇策略，
[0035] 進(jìn)一步，終端在整個(gè)系統(tǒng)中有且只能接入一個(gè)基站，
[0037] 1^表示終端i可以接入的基站數(shù)的集合，〇 ^表示MTC終端i選擇基站的函數(shù)，
[0039] SiS參與者的選擇策略，i= 1，…，K。
[0040] 進(jìn)一步，每個(gè)終端選擇收益最大的基站作為選擇策略時(shí)，等待接入基站的終端數(shù) 量應(yīng)滿足：
[0042] Pm是最初基站m的控制參數(shù)，R表示每個(gè)基站中終端選擇的隨機(jī)接入前導(dǎo)數(shù)。
[0043] 進(jìn)一步，計(jì)算基站的接入分類限制參數(shù)P111:
[0045] 『是重疊區(qū)域中選擇S站m的#端數(shù)，s；表示博弈完#端:接人的S站策 略。
[0046] 本發(fā)明的有益效果在于：一種面向機(jī)器類通信的負(fù)載均衡方法，基于接入分類限 制和博弈方法，能夠均衡相鄰小區(qū)負(fù)載，減小用戶的接入延遲，增加網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。本發(fā)明 所述方法在構(gòu)造MTC終端的收益函數(shù)時(shí)，充分考慮了基站和MTC終端兩方面的因素。在終 端方面，考慮了終端接入一個(gè)基站的獲得效益和終端進(jìn)行小區(qū)接入時(shí)付出得代價(jià)；在基站 方面考慮了基站的負(fù)載則MTC終端i接入基站m的收益函數(shù)是終端效用和代價(jià)的差值與基 站負(fù)載的比值，其中將MTC終端接入個(gè)基站可獲得的數(shù)據(jù)速率作為終端的效用。
【附圖說(shuō)明】
[0047] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn) 一步的詳細(xì)描述，其中：
[0048] 圖1為傳統(tǒng)的接入分類機(jī)制的隨機(jī)接入過(guò)程；
[0049] 圖2為目前支持MTC終端通信的LTE-A系統(tǒng)場(chǎng)景；
[0050] 圖3為系統(tǒng)采用傳統(tǒng)分類機(jī)制和博弈方法的平均延遲時(shí)間比較；
[0051] 圖4為系統(tǒng)采用傳統(tǒng)分類機(jī)制和博弈方法的平均吞吐量比較；
[0052] 圖5為系統(tǒng)采用博弈方法的平均能耗。
【具體實(shí)施方式】
[0053] 下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0054] 本發(fā)明提供一種面向機(jī)器類通信的負(fù)載均衡方法，是基于接入分類限制方法的均 衡多小區(qū)機(jī)器類通信負(fù)載的博弈方法，通過(guò)博弈確定每個(gè)終端的選擇策略和接入分類限制 設(shè)置基站參數(shù)。
[0055] 博弈確定每個(gè)終端的選擇策略具體為：各終端不斷改變接入策略，獲取最大的收 益，直到任何一個(gè)終端再改變策略時(shí)，各終端的收益都不會(huì)再改變，則每個(gè)終端的選擇策略 便確定。因此等待接入每個(gè)基站的終端數(shù)也是確定的，此值確定后，接入分類機(jī)制可以根據(jù) 此值確定基站的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)相鄰小區(qū)負(fù)載均衡及減小用戶的接入時(shí)延。終端間博弈首 先要確定終端的收益函數(shù)，在構(gòu)造終端的收益函數(shù)，本發(fā)明充分考慮基站和終端兩個(gè)方面。 收益函數(shù)應(yīng)滿足以下準(zhǔn)則：
[0056] 1.終端接入某小區(qū)的收益函數(shù)與終端的信號(hào)質(zhì)量呈正比。
[0057] 2.終端接入某小區(qū)的收益函數(shù)與該小區(qū)的負(fù)載呈反比。
[0058] 本發(fā)明所述方法具體包括以下步驟：
[0059] 步驟1)構(gòu)造終端的收益函數(shù)；
[0060] 步驟2)通過(guò)各終端的博弈過(guò)程，確定每個(gè)終端的選擇策略
[0061] 步驟3)計(jì)算基于接入分類限制方法中基站的控制參數(shù)。
[0062] 設(shè)測(cè)量區(qū)域內(nèi)基站的個(gè)數(shù)為M個(gè)，MTC的終端數(shù)為K。
[0063] 博弈的表達(dá)式如下：
[0064] r= {z,SK, (1)
[0065] 在公式（1)中Z表示的參與者，本發(fā)明中的參與者是指位于多個(gè)小區(qū)重疊覆蓋區(qū) 域的MTC終端，如圖2中的MTC終端1和MTC終端2 ;SK表示參與者的選擇策略集，SK = (S1，…，sK} ;Iii表示參與者的收益，在本發(fā)明中表示的是MTC終端接入基站可獲得收益。
[0066] 在博弈確定選擇接入基站的終端數(shù)量時(shí)，首先要確定終端的收益函數(shù)。終端的收 益函數(shù)是由終端效用和代價(jià)的差值與基站負(fù)載的比值。
[0067] 終端的效用即終端