专利名称：基于认知无线电的终端群接入网切换网络侧控制方法
技术领域：
本发明属于无线区域网络优化技术领域，具体涉及一种面向负载均衡的认知无线电网络中终端群接入网(RAN，Radio Access Network)切换网络侧控制方法，可用于解决多个认知用户终端同时发出网络切换请求时，由于缺少协调而造成的基站拥堵以及某些用户终端的频繁网络切换问题。
背景技术：
现有的大多数无线网络都是基于固定的频谱分配方案，即由相关政府部门将频段授权给持证人，允许其在一定地域范围内长期使用。据联邦通讯委员会(Federal Communication Commission,FCC)统计显示，相当大的无线授权频段未能充分利用，其时间地域使用率从15%到85%不等。随着近年来无线应用的井喷式增加使得对频谱资源的需求也急剧增长，但是可用的频谱资源却日趋紧张，为了缓解该状况，认知无线电技术应运而生，该技术通过充分利用使用率低的频段来满足日益增长的无线通信需求。认知无线电通过智能感知周围的可用频段，间歇性地接入已授权频段来提高频谱利用率。具有认知功能的终端(Cognitive terminal)能够根据周围的无线电环境自适应地调整工作频率、调制方式和发射功率等参数，在不干扰授权用户通信的前提下与其共享频谱。但当某一频谱上出现授权用户或信道质量恶化时，认知终端需要改变工作频谱，也就是进行频谱的移动。2004年11月第一个基于认知无线电的无线标准IEEE 802. 22工作组成立，目标为在不影响已有电视设备服务的前提下，使用广播电视频段为具有认知功能的非授权用户提供廉价的无线接入服务。IEEE802. 22固定无线区域网络(WRAN)的市场定位为偏远或地形复杂的地区(这些区域铺设有线宽带通信系统非常困难，且开销也非常昂贵)，但适用范围并不局限于此，还包括单家庭住宅、多户住宅、S0H0、小型商行和校园等。802. 22系统工作在M_862MHz的VHF/UHF广播电视频段，是一种点到多点的网络， 由一个基站(BS，Base Station)控制蜂窝小区内的多个用户设备(CPh，Consumer Premise Equipments)的媒体接入，通过下行链路向CPh传输数据，CPEs通过上行链路向BS做出应答。本发明所述基站皆对应于认知无线电网络体系结构中的次基站，即只能机会式占用授权频段的基站。在WRAN网络中，通信需求较密集的区域可通过多基站覆盖来提供通信保证，如图1所示，通过合理地频谱分配算法可以使这些基站工作在不同频段，从而避免干扰，因而对于处于该区域的CPh来说，选择一个合适的蜂窝网络接入以尽可能地减少切换次数则显得至关重要。通常的网络选择都由两步构成=(I)CPE向信号较好的BS发出接入请求；(2)BS根据自身负载情况，简单地接受请求或拒绝请求。当某个授权用户出现，接入同一 BS的多个CPh必须放弃对原频段的占用，切换到其他蜂窝网络。然而，当这些用户终端同时发出接入请求时，由于相互之间缺少协调，很可能会同时向同一个BS发出接入请求，造成该BS负载过重，从而导致一些CPh的接入得不到响应，这些没有得到响应的CPh不得不重新向其他BS发出接入请求。同样地，这些未得到响应的CPh也可能同时向另一 BS发出接入请求，造成后续BS的超载，这样就还会有 CPEs继续进行接入请求，造成了网络切换的频繁发生，以及CPh之间网络切换的不公平。 即使多个CPh的同时接入请求未能超越BS的能力范围，但如果这些CPh都集中工作在一个频段范围，那么该频段范围的授权用户的出现也会造成大面积的网络切换。相反，如果这些CPh均勻分布在各个BS之间，网络整体的切换概率则会减小很多。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于认知无线电的终端群接入网切换网络侧控制方法， 减少了现有技术中无线网络频繁的网络切换，使得多个同时需要进行网络切换的CPh能够更公平地接入到满足自身通信需求的网络中，该方法不仅适用于WRAN系统，也适用于多种接入网络并存的认知无线网络环境。为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是一种基于认知无线电的终端群接入网切换网络侧控制方法，其特征在于所述方法包括以下步骤(1)用户终端CPE (Customer-Premises Equipment)通过全向感知天线进行实时频谱检测分析，获得可接入网络列表；(2) CPE根据可接入网络列表选择信噪比满足的网络集合，并获得该终端的业务对可接入网络的带宽要求，最终形成网络切换带宽请求消息 < Ct, Nll. Blll,N12, B112.-■■ .Ν,μ.Βι1ρ>，通过公共控制信道(Common ControlChannel)广播该网络切换带宽请求消息；其中消息中Ci是用户终端的ID，Mi是第j(i ^ j ^ ρ)个满足信噪比的蜂窝网络基站ID，B ,代表Ci对第j (1 ^ j ^ ρ)个网络的带宽需求；(3)网络侧基站BS(Base Station)从公共控制信道接收网络切换带宽请求消息， 检查自己是否在该消息的请求行列中；如果在则根据自己目前的可用带宽，得到请求网络分配消息<Ci; Nj, Bij，V」〉，并将请求网络分配消息发送给核心网侧的网络切换管理器；其中请求网络分配消息中 是基站ID，Vj是当前可用带宽；(4)核心网侧的网络切换管理器将本分配周期内接收到的请求网络分配消息进行统计，得到用户终端对基站的带宽请求矩阵篮和基站的可用带宽向量A，接着利用混沌优化搜索算法找到使得最大基站负载最小的网络分配矩阵X,最后根据获得的分配矩阵χ发送允许接入消息给有CPh接入的各基站；(5)基站在收到允许接入消息后，发送接入应答消息给相应的用户终端，完成认知终端群的接入网切换请求。优选的，所述方法步骤⑷中带宽请求矩阵ft初始为零矩阵，初始的可用带宽向量 Ac :为零向量；当收到请求网络分配消息<。Ν」，Β。_，ν」> 后，对带宽请求矩阵II根据= Bij 进行修改，可用带宽向量A根据…=Vj对第j个向量进行修改。优选的，所述方法步骤中网络分配矩阵χ为0-1网络分配矩阵，并初始化为零矩阵，如果Ci分配到 ，那么Xu = 1，否则为0。优选的，所述方法步骤中使用Logistic混沌映射随机化产生网络分配矩阵 3C，Logistic 混沌映射公式为:zk+1 = μ Zk (I-Zk), Zk e
，k = 0，1，2···，用 M 个不同的 Z01，Z02, Z03,…，Ztlm对映射进行初始化，得到zn，z12, Z13,…，Zlm，将
区间均分为Q个
5区间，根据M个新变量所处的区间构建随机的网络分配矩阵X1;然后循环根据上一次得到的 M 个变量 zk2, zk3,…，Zkm 利用 Logistic 混沌映射公式得到 z(k+1)1，z(k+1)2, z(k+1)3,…， 进而得到新的网络分配矩阵xfc+1。优选的，所述方法步骤中还需要验证网络分配矩阵Xfc的可行性，当为每个 CPE分配一个满足带宽需求的基站接入，以及分配到基站Nj的CPh带宽需求之和不超过该基站的可用带宽时,即同时满足 Eti i-ijUhXij = l.l<i< M 和 Ev1* Vij < ；, 1 < < Q 条件时，网络分配矩阵Xfc可以使用。优选的，所述方法步骤⑷中网络切换管理器先将最大最小分配矩阵X7.".初始化为第一个可行的网络分配矩阵，然后将随机获得的可行网络分配矩阵Xa.与已有的最大最小分配矩阵进行比较；当可行网络分配矩阵X/,优于最大最小分配矩阵Xr,,.，则将可行网络分配矩阵Xfe作为新的最大最小分配矩阵进行循环判断；否则最大最小分配矩阵Xm.不做变更；当循环的次数达到最大限制MAX时，此时的最大最小分配矩阵发送允许接入消息给有CPh接入的BS。本发明用于解决多个认知用户终端同时发出网络切换请求时，由于缺少协调而造成的基站拥堵以及某些用户终端的频繁网络切换问题。授权用户的出现或信道质量恶化等情况都可能造成多个终端同时发出切换请求，本发明的方法在解决该问题的同时还能充分利用空闲频谱资源。本发明提供一种基于认知无线电的终端群接入网切换网络侧控制算法，使得当多个认知用户终端同时发出网络切换请求时，能够均勻分配在多个备选接入网络中，避免因为缺少协调而造成的频繁切换以及用户终端网络切换不公平。在WRAN系统中，每个CPE结合自己的频谱感知结果、业务量需求、自身信噪比和多个可接入BS的接入概率，通过公共控制信道(Common Control Channel)广播其对可接入BS的带宽请求消息，当BS接收到这些请求消息后，将消息送至核心网侧的网络切换管理器，核心网络依据这些消息，使用混沌优化算法快速求解一个BS之间负载均衡的认知终端群网络分配方案，并将结果发送给有CPh接入的BS，BS通过发送接入应答消息给相应的 CPEs完成用户终端群的网络切换。具体切换过程如下；1.实时频谱感知CPE通过全向天线进行频谱检测分析，获得可接入网络列表。频谱检测分析过程与通信同步，因而列表能够实时反映可接入BS的信噪比以及可接入概率。2. CPE发送网络切换带宽请求消息CPE结合应用的单位时间业务量以及对信噪比的要求，在可接入网络列表中选择信噪比满足的网络，并分别计算对这些网络的带宽需求，由此得到网络切换带宽请求消息 <C;.^L.Si(1.iVi2.Bii2. · ■ · , . Β ; >>，其中Ci代表用户终端的ID^Vj代表Ci可接入网络列表中第j (1彡j彡P)个满足信噪比的基站ID，BulMi Ci对第j (1彡j彡ρ)个网络的带宽需求，并通过公共控制信道(Common Control Channel)广播该带宽请求消息，其中i，j，p均为自然数。3. BS发送请求网络分配消息给核心网基站 检查从公共控制信道接收到的网络切换带宽请求消息<C,. Nn. Blll. N11. B112. ■ ■ ■ S〃f,>，如果自己在该消息的请求行列中，则根据自己目前的可用带宽Vj，得到请求网络分配消息 <。 ，Β。_，V」〉发送给核心网侧的网络切换管理器。其中Ci代表用户终端的ID，Nj代表基站自身ID，Bij是Ci对蜂窝网络基站 的带宽需求。4.认知终端群接入网切换网络侧控制算法4. 1建立带宽请求矩阵R、可用带宽向量A和网络分配矩阵X初始化其带宽请求矩阵(记录M个同时发出接入网切换请求的用户终端对Q个备选基站的带宽需求)为零矩阵，可用带宽向量Aq (记录Q个备选基站的当前可用带宽)为零向量，每次收到请求网络分配消息〈C” Nj, Bij，Vj)后，对带宽请求矩阵账进行如下修改^ij = Bij，可用带宽向量A 的第j个向量 = ν」。定义一个0-1网络分配矩阵Iu w (将M个同时发出接入网切换请求的用户终端分配在Q个备选基站中)，矩阵初始化为零矩阵，如果Ci分配到 ，那么= 1，否则为0， 问题转化为求解该矩阵。4. 2使用Logistic混沌映射随机化产生网络分配矩阵IiixQLogistic 混沌映射zk+1 = μ zk(l-zk), zk e
，k = 0，1，2···其中令控制变量μ =4，使得Logistic映射为满映射，系统处于完全混沌状态，用M个不同的z02, Z03,…，^1对映射进行初始化，得到Z11, Z12，Z13，…，Zlm，将w，l]区间均分为Q个区间，看着这M个新变量落在哪个区间，因而可以得到一个随机的网络分配矩阵Xi。每次返回到这一步，可以根据上一次得到的M个变量zk2, zk3,…，Zkm利用 Logistic混沌映射得到ζ (k+1) 1 ‘ Z(k+1)2' Z(k+1)3，…，Z(k+l)m， 进而得到新的网络分配矩阵XA.+1。4. 3检查网络分配矩阵是否可行网络分配需满足为每个CPE分配一个满足带宽需求的基站接入，分配到基站Nj 的CPh带宽需求之和不能超过该基站的可用带宽，即Eili I-^jkkxlj = l.l<i< M^i Xr/ * rtj < ” 1<J< Qi如果满足条件则进行4. 4，否则回到4. 2步计算4. 4与最大最小分配矩阵5。,比较为了使得BS之间网络的负载均衡，我们这里以最大最小公平性作为优化目标，即使得所有有带宽请求的可接入网络的最大负载最小。最大最小分配矩阵Χτ,τ初始化为第一个可行的网络分配矩阵。以后每次的比较，都是将新的可行网络分配矩阵与已有的最大最小分配矩阵进行比较，如果较之前的更优，则记录这个分配矩阵为最大最小分配矩阵。如果循环次数达到最大限制MAX，那么就按最大最小分配矩阵发送允许接入消息给有 CPEs接入的BS，如果循环次数未到达限制则回到4. 2步。5. BS发送允许接入消息给相应CPh接收到网络切换管理器允许接入消息的BS根据消息向相应的用户终端发送接入应答消息，完成CPh的接入网切换请求过程。相对于现有技术中的方案，本发明的优点是本发明通过允许用户终端发送网络切换带宽请求消息，使得用户端通信质量得到保证，同时均衡各基站负载，避免因负载过重导致CPh接入请求被拒绝而造成的频繁网络切换以及切换不公平。本发明通过在网络侧集中处理来自BS的请求网络分配消息，使得同时或几乎同时进行网络切换的多个CPh均衡分配到多个基站所在的频段上，使空闲频谱资源得到充分利用。本发明避免了由于单一频段内的用户数量过大，而当该频段授权用户出现时造成的大面积网络切换状况。
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述图1为本发明无线区域网络架构示意图；图2为本发明CPE端的网络切换过程流程图；图3为本发明核心网侧网络切换管理器的操作流程图。
具体实施例方式以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。实施例本实施例的认知无线电网络的架构如图1所示，通信需求较密集的区域通过多基站覆盖保证通信质量，核心网可以利用合作博弈或非合作博弈等方法，合理分配频谱资源使得基站工作在不同频段。当某个主用户出现时，接入该频段的所有CPh用户需要进行网络切换，这就面临着接入哪个蜂窝的问题，如果选择不当，很可能使得某些蜂窝网络拥堵， 导致通信质量下降，同时其他蜂窝的频谱资源未能得到充分利用。本实施例可以在满足各 CPE通信带宽需求的基础上，均勻多个基站的负载，充分利用珍贵的频谱资源。进行认知终端群接入网切换的过程具体如下ICPE 端对于发出网络切换请求的M个用户终端，每个终端Ci(l ^ i ^M)都能通过全向天线的频谱检测分析得到一个可接入网络列表Li,表项由可接入基站的ID号唯一标识，所有可接入网络集合标记为L = U KKilLi= (N1, N2,…，NQ}，这里Q= |L|。频谱检测分析过程是与通信同步的，因而列表能够实时反映可接入BS的信噪比以及可接入概率。用户终端Ci结合应用的单位时间业务量Ti以及对信噪比的要求MinSNRi,在列表 Li中选择满足的网络集合{N」I Nj e Li and SNRij > MinSNRj，计算对该集合中任一网络Nj 的带宽需求Bij = IVPij,这里SNRij和Pij分别是列表Li中网络Nj (Nj e Li)在Ci位置处的信噪比以及可接入概率。Ci得到网络切换带宽请求消息、^.^,^…^.!^. · ■ ■ .Nip, B11 > 后，通过公共控制信道广播该消息。2BS 端基站Ni检查接收到的消息Nh. Biil, Nh. Bii2. · · ·，Nipi Βα> ,如果存在某,Vifc等于Nj，那么基站Nj将生成请求网络分配消息 <(；， 化」^> (Vj是基站Nj自己目前的可用带宽)，并发送给核心网侧的网络切换管理器。3核心网侧网络切换管理器(Network Switch Manager)根据当前收到的网络分配消息<Ci; Nj, Bij，V」〉，对带宽请求矩阵》AixQ进行修改= Bij，同时令可用带宽向量的第j个向量…=Vjo多个发出接入请求的CPh所产生的接入请求消息可能并非同时到达相应的BS，即使同时到达，也可能因为BS到核心网的网络通信环境各异，最后核心网侧网络切换管理器接收到相应的网络分配消息的时间各异。因而，在网络切换管理器端，可以依据CPh对接入应答的延迟需求设置一个合适的网络分配周期，将每个周期内接收到的网络分配消息进行统一处理。对于0-1网络分配矩阵XMxQ，矩阵初始化为零矩阵，使用混沌映射随机化产生网络分配矩阵的过程如下Logistic 混沌映射zk+1 = μ Zk(I-Zk), zk e
，k = 0，1，2... (1)其中令控制变量μ = 4，使得Logistic映射为满映射，系统处于完全混沌状态，用 M个不同的初值z02, Z03,…，Ztlm对映射进行初始化，初值不能取为不动点0，0. 25，0. 5， 0. 75，1，接着根据公式(1)得到zn，z12, Z13,…，zlm (k= 1)，将W，l]区间均分为Q个区间，
，看这M个新变量落在哪个区间，如果Zli在区间 [(j-l)/Q, j/Q]内，那么 Xij = 1，否则为 0。因而可以得到一个随机的网络分配矩阵Xl,满足. = 1·1<^< M。接着检查该分配是否可行，即是否满足Σ Ιι Tl^kxij = 1.1 < < M^fli XiJ * rij < n” 1 < j < Q如果满足就计算X1分配下所有基站的最大负载，记录该负载为最大最小负载，并保存该网络分配矩阵为最大最小分配矩阵。如果不满足则利用Z11, Z12，Z13，"^lm及公式 (1)得到新的分配矩阵X2,如此循环下去。每次得到新的可行分配矩阵都将该分配下的最大BS负载与最大最小负载进行比较(1)如果小于最大最小负载则将记录当前最大负载为最大最小负载，并将当前网络分配矩阵赋值给最大最小分配矩阵；(2)如果不小于最大最小负载，那么接着进行下次循环得到新的网络分配矩阵。设置一个循环次数限制MAX，当达到该限制时，则循环终止，并根据得到的最大最小分配矩阵进行网络分配，发送允许接入消息给各BS。得到允许接入消息的基站发送接入应答消息给相应的CPh，完成其接入网切换请求过程。如图1所示的无线区域网络通信的仿真场景，该区域由4个工作在不同频段的基站覆盖，分别记为N1, N2, N3, N4,由于某电视用户的出现使得其周围数量为10的一个认知终端群不得不放弃该频段的传送，因而需要进行网络切换。本发明基于图1所示的场景进行了仿真，分别采用传统的网络选择算法和终端群接入网切换网络侧控制算法。假设4个基站的当前可用带宽分别为15Mbps，15Mbps, 10Mbps，20Mbps。其中由本发明提出的网络侧终端群接入网切换算法可知，CPEs根据自身业务量及可接入网络的可接入概率，在对每个满足信噪比的可接入网进行计算后得到带宽请求消息。这里各CPE发送的带宽请求消息如下表1各CPE发送的带宽请求
权利要求
1.一种基于认知无线电的终端群接入网切换网络侧控制方法，其特征在于所述方法包括以下步骤(1)用户终端CPE(Customer-Premises Equipment)通过全向感知天线进行实时频谱检测分析，获得可接入网络列表；(2)CPE根据可接入网络列表选择信噪比满足的网络集合，并获得该终端的业务对可接入网络的带宽要求，最终形成网络切换带宽请求消息< C X,, il,:. Λ；,, Ihij-….X、, #",,>，通过公共控制信道(Common Control Channel)广播该网络切换带宽请求消息；其中消息中Ci是用户终端的ID，NU是第j个满足信噪比的蜂窝网络基站(Base Station) ID，且1 < j < ρ ； a,,代表Ci对第j个网络的带宽需求，且 1 ^ j ^ ρ ；(3)网络侧基站BS(Base Mation)从公共控制信道接收网络切换带宽请求消息，检查自己是否在该消息的请求行列中；如果在则根据自己目前的可用带宽，得到请求网络分配消息Λ> Btj,并将请求网络分配消息发送给核心网侧的网络切换管理器；其中请求网络分配消息中 是基站ID，Vj是当前可用带宽；(4)核心网侧的网络切换管理器将本分配周期内接收到的请求网络分配消息进行统计，得到用户终端对基站的带宽请求矩阵R和基站的可用带宽向量A，接着利用混沌优化搜索算法找到使得最大基站负载最小的网络分配矩阵，最后根据获得的分配矩阵发送允许接入消息给有CPh接入的各基站；(5)基站在收到允许接入消息后，发送接入应答消息给相应的用户终端，完成认知终端群的接入网切换请求，其中i，j，P均为自然数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法步骤(4)中带宽请求矩阵R初始为零矩阵，初始的可用带宽向量A为零向量；当收到请求网络分配消息<€；, Λ> Iiijt Γρ后，对带宽请求矩阵R根据ru=B。_进行修改，可用带宽向量A根据 =\对第j个向量进行修改，其中i，j均为自然数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法步骤(4)中网络分配矩阵X为0-1 网络分配矩阵，并初始化为零矩阵，如果Ci分配到 ，那么xu=l，否则为0，其中i，j均为自然数。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述方法步骤(4)中使用Logistic混沌映射随机化产生网络分配矩阵)(MXQ将个同时发出接入网切换请求的用户终端分配在个备选基站中，Logistic 混沌映射公式为:zk+1=y zk(l-zk), zk e
，k=0，1,2,...；用 M 个不同的Z02, Z03, · · ·，z0m对映射进行初始化，得到zn，Z12，Z13, · · ·，Zlm，将
区间均分为Q个区间，根据M个新变量所处的区间构建随机的网络分配矩阵^C1 ；然后循环根据上一次得到的M个变量zk2, zk3，...，Zkm；利用Logistic混沌映射公式得到ζ (k+l)l， Z(k+1)2， Z(k+1)3, . . .，Z(k+1)m，进而得到新的网络分配矩阵X k+1，其中k为自然数。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述方法步骤(4)中还需要验证网络分配矩阵Xk的可行性，当为每个CPE分配一个满足带宽需求的基站接入，以及分配到基站Nj的CPhS宽需求之和不超过该基站的可用带宽时，即同时满足
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述方法步骤(4)中网络切换管理器先将最大最小分配矩阵初始化为第一个可行的网络分配矩阵，然后将随机获得的可行网络分配矩阵&与已有的最大最小分配矩阵进行比较；当可行网络分配矩阵&优于最大最小分配矩阵Xler，则将可行网络分配矩阵&作为新的最大最小分配矩阵)(TCT，进行循环判断； 否则最大最小分配矩阵不变；当循环的次数达到最大限制MAX时，此时的最大最小分配矩阵发送允许接入消息给有CPh接入的BS，k为自然数。
全文摘要
本发明公开了一种基于认知无线电的终端群接入网切换网络侧控制方法，包括每个用户终端(CPE)结合自己的频谱感知结果、业务量需求、自身信噪比和多个基站(BS)的接入概率，通过公共控制信道广播其对可接入BS的带宽请求消息，当BS接收到这些请求消息后，将消息送至核心网侧的网络切换管理器，核心网络依据这些消息，使用混沌优化算法快速求解一个BS之间负载均衡的认知终端群网络分配方案，并将结果发送给有CPEs接入的BS，BS通过发送接入应答消息给相应的CPEs完成用户终端群的网络切换。该方法减少了现有技术中无线网络频繁的网络切换，使得多个同时需要进行网络切换的CPEs能够更公平地接入到满足自身通信需求的网络中。
文档编号H04W48/06GK102333348SQ201110230738
公开日2012年1月25日 申请日期2011年8月12日 优先权日2011年8月12日
发明者张银东, 徐宏力, 赵贺楠, 黄刘生 申请人:中国科学技术大学苏州研究院