本發(fā)明涉及一種網(wǎng)絡(luò)用戶-基站的匹配方法，具體的說是一種基于QoE的分布式分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)用戶基站匹配方法。
背景技術(shù)：
：隨著4G和未來5G網(wǎng)絡(luò)中高清高速業(yè)務(wù)的不斷增長，密集布設(shè)的小蜂窩是增加系統(tǒng)容量、改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋的一種重要技術(shù)手段。在未來的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中，移動終端有能力根據(jù)當(dāng)前需要動態(tài)選擇和連接最適合的網(wǎng)絡(luò)，需要實現(xiàn)不同異構(gòu)基站和業(yè)務(wù)異構(gòu)用戶間的最佳匹配。不同的用戶-網(wǎng)絡(luò)匹配原則對于用戶接入的結(jié)果在很大程度上有很大影響，目前通用的接入準(zhǔn)則主要都是基于物理層指標(biāo)，如帶寬、接收信號強(qiáng)度、信干噪比、包丟失率、吞吐量等。T.Q.S.Quek等人（T.Q.S.Quek,G.delaRoche,I.Guvenc,andM.Kountouris.”Smallcellnetworks:Deployment,techniques,andresourcemanagement,”CambridgeUniversityPress,2013.）提出一種實際的基于接收信號強(qiáng)度signalreceivedpower(RSRP)基站接入方案。T.Zhou等人（T.Zhou,Y.Huang,W.Huang,S.Li.”QoS-AwareUserAssociationforLoadBalancinginHeterogeneousCellularNetworks,”IEEEVehicularTechnologyConference(80thVTCFall),pp.1-5,Sep.2014.）聯(lián)合考慮了基站的負(fù)載和用戶的可達(dá)速率，提出了一種基于梯度下降法的不同網(wǎng)絡(luò)權(quán)重的混合優(yōu)化解決方式。然而，他們都沒有考慮用戶體驗質(zhì)量在基站選擇中所起的作用。而用戶接入基站的目的是實現(xiàn)高質(zhì)量服務(wù)從而滿足不同的用戶需求。現(xiàn)存的接入準(zhǔn)則大都忽略了作為通信主體的用戶的感受，忽略了更高層次的用戶需求，不能達(dá)到用戶需求的多樣化增益。用戶體驗質(zhì)量Qualityofexperience(QoE)是通信類產(chǎn)品和服務(wù)的重要指標(biāo)，反映了用戶對業(yè)務(wù)質(zhì)量的主觀評價，已經(jīng)受到學(xué)界和通信企業(yè)的極大關(guān)注。由于應(yīng)用業(yè)務(wù)類型和用戶偏好的多樣性，不同的用戶對于相同的數(shù)據(jù)速率會產(chǎn)生不同的QoE。從用戶需求的角度來說，當(dāng)用戶的QoE不再增加的時候，更大的吞吐量將是無意義的。換言之，增加更高的吞吐對于特定用戶的收益來說并不像想象中的明顯。以QoE驅(qū)動的用戶-基站匹配方式會在不帶來任何額外資源投資的情況下，避免盲目追求速率容量，用有限的資源滿足更多的用戶需求，帶來公平和資源利用效率的提升。對于用戶-基站匹配的研究主要分為中心式和分布式兩種方式，現(xiàn)有的實際應(yīng)用都是采用中心式用戶選擇的方式。P.Xue,P.Gong等人（P.Xue,P.Gong,J.H.Park,D.Park,andD.K.Kim.”Radioresourcemanagementwithproportionalrateconstraintintheheterogeneousnetworks,”IEEETrans.WirelessCommun.,vol.11,no.3,pp.1066-1075,Mar.2012.）提出了一種中心式用戶網(wǎng)絡(luò)選擇算法，最大化了整個網(wǎng)絡(luò)用戶的和速率。然而與以往單一運(yùn)營商布設(shè)的集中控制基站不同，小微蜂窩基站具有自組織自優(yōu)化特性，使之很難以一種中心式方法進(jìn)行同一規(guī)劃和控制，很難獲得全局信息。因此傳統(tǒng)的中心式接入方式很難使用在未來的密集分層網(wǎng)絡(luò)中。杜志勇等人（Z.Du,Q.Wu,P.Yang,etal.”Exploitinguserdemanddiversityinheterogeneouswirelessnetworks,”IEEETrans.WirelessCommun.,vol.14,no.8,pp.4142-4155,Aug.2015.）提出了一種基于潛博弈的分布式基站選擇算法，但是具有較高的迭代次數(shù)，在短時間內(nèi)很難收斂，并且需要大量的信息交互，在實際應(yīng)用中難以實現(xiàn)。從現(xiàn)有技術(shù)來看，研究小微基站和宏基站共存的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的用戶-網(wǎng)絡(luò)分布式匹配問題具有十分重要的意義。技術(shù)實現(xiàn)要素：為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供一種根據(jù)用戶需求，最大化提升整個網(wǎng)絡(luò)接入用戶的QoE的用戶-基站匹配方法，使用服務(wù)體驗平均打分Meanopinionscore(MOS)代替一般的物理層用戶-網(wǎng)絡(luò)匹配標(biāo)準(zhǔn)，能夠靈活選擇兩種各具優(yōu)勢的轉(zhuǎn)移匹配算法來尋找最優(yōu)用戶-網(wǎng)絡(luò)匹配解，相比其他物理層用戶接入標(biāo)準(zhǔn)，會獲得潛在的性能增益。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的具體方案為：一種基于QoE的分布式分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)用戶基站匹配方法，具體的步驟為：階段一、初始化用戶選擇和服務(wù)信息計算階段：步驟一、用戶發(fā)現(xiàn)所有可用的基站；步驟二、用戶隨機(jī)接入一個基站或者接入最近的基站，然后向所有可用的基站報告位置信息和業(yè)務(wù)類型；步驟三、所有基站根據(jù)實際的用戶接入情況計算基站內(nèi)用戶的傳輸速率以及用戶體驗質(zhì)量得分，創(chuàng)建服務(wù)用戶列表，并根據(jù)用戶體驗質(zhì)量得分和服務(wù)用戶列表計算自身服務(wù)效用；階段二、用戶匹配階段：步驟四、基站以增加自身服務(wù)效用為目的，根據(jù)用戶的位置信息向其余可用基站輪詢發(fā)出用戶轉(zhuǎn)移匹配申請或者用戶交換匹配申請，同時設(shè)定最大輪詢次數(shù)；步驟五、被申請基站根據(jù)自身服務(wù)效用是否提升來選擇接受申請或者拒絕申請，若自身服務(wù)效用提升則接受申請并更新自身服務(wù)用戶列表，若自身服務(wù)效用降低或者不變則拒絕該申請；步驟六、達(dá)到設(shè)定的最大輪詢數(shù)完畢，匹配結(jié)束。作為優(yōu)選，所述步驟二中的位置信息采用是否在某個基站的服務(wù)范圍內(nèi)來表示，如在某個基站服務(wù)范圍內(nèi)則記為1、不在某個基站服務(wù)范圍內(nèi)記為0，所有基站對用戶的標(biāo)記共同組成用戶的位置坐標(biāo)；所述業(yè)務(wù)類型采用編號的形式進(jìn)行發(fā)送。作為優(yōu)選，所述業(yè)務(wù)類型的編號方式為：如語音服務(wù)編號為1、普通視頻編號為2、高清視頻編號為3。作為優(yōu)選，所述步驟三中的用戶傳輸傳輸速率為物理層實際速率，用戶m接入SBSn（基站n）的速率的計算方法為：，其中表示用戶n可用帶寬，表示用戶n的信號發(fā)射功率，為SBSn到用戶m的路徑增益，為帶寬內(nèi)的噪聲功率；用戶m接入到SBSn的平均吞吐的計算方法為：，其中，表示用戶m服務(wù)所占SBSn的權(quán)重，表示SBSn內(nèi)被服務(wù)用戶的權(quán)重和，表征出網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載和不同業(yè)務(wù)類型對資源的占用情況。作為優(yōu)選，所述步驟三中的用戶體驗質(zhì)量得分的計算方法為：其中，代表平均用戶吞吐速率，由用戶業(yè)務(wù)類型通過用戶體驗質(zhì)量的打分?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計得到，分別對應(yīng)該業(yè)務(wù)類型所需的用戶平均吞吐速率的下限值和滿足流暢傳輸需要的推薦值，a與b是2個計算參數(shù)且隨業(yè)務(wù)類型同步改變；定義用戶m匹配基站的服務(wù)效用為：；則最大化的系統(tǒng)級全網(wǎng)QoE（用戶體驗質(zhì)量）表示如下：，，，其中代表用戶m接入SBSn的狀態(tài)指示，0為未接入，1為接入。作為優(yōu)選，所述步驟四中的用戶轉(zhuǎn)移匹配申請或者用戶交換匹配申請的方法為：首先相鄰的基站組成聯(lián)盟，彼此交換信息，同一基站參加一個聯(lián)盟或者多個不同的聯(lián)盟，當(dāng)來自不同聯(lián)盟的輪詢發(fā)生碰撞時，先到為主，后到的聯(lián)盟輪詢申請會被所輪詢基站自動放棄；然后選擇一個SBSn，創(chuàng)建隨機(jī)數(shù)，當(dāng)rand<0.5時，進(jìn)行用戶轉(zhuǎn)移匹配，即把SBSn中的用戶m調(diào)換至中，SBSn先從服務(wù)列表中隨機(jī)選擇一個用戶，如果，則SBSn發(fā)送轉(zhuǎn)移申請到鄰居；如果，則同意SBSn發(fā)送轉(zhuǎn)移申請，否則拒絕SBSn發(fā)送轉(zhuǎn)移申請；當(dāng)rand>0.5時，則進(jìn)行用戶交換匹配，即把SBSn中的用戶m和中的用戶m’相互交換，在SBSn和中各隨機(jī)找到一個用戶組成用戶對，如果，SBSn發(fā)送交換申請給鄰居；如果；，則同意SBSn發(fā)送的交換申請；否則拒絕SBSn發(fā)送的交換申請；以上為一次循環(huán)的過程，直到不存在或達(dá)到迭代數(shù)達(dá)到上限值則輪詢結(jié)束。作為優(yōu)選，所述步驟四中的用戶轉(zhuǎn)移匹配申請或者用戶交換匹配申請的方法為：首先相鄰的基站組成聯(lián)盟，彼此交換信息，同一基站參加一個聯(lián)盟或者多個不同的聯(lián)盟，當(dāng)來自不同聯(lián)盟的輪詢發(fā)生碰撞時，先到為主，后到的聯(lián)盟輪詢申請會自動被所輪詢基站放棄；所述輪詢?yōu)榈捷喸儯紫冗x擇一個SBSn，創(chuàng)建隨機(jī)數(shù)；當(dāng)rand<0.5時，SBSn從服務(wù)列表中隨機(jī)選擇一個用戶，并計算，其中是學(xué)習(xí)步長，SBSn以為概率發(fā)送轉(zhuǎn)移申請到鄰居；如果，，則同意SBSn發(fā)送的轉(zhuǎn)移申請，否則拒絕SBSn發(fā)送的轉(zhuǎn)移申請；當(dāng)rand>0.5時，則進(jìn)行用戶交換匹配，在SBSn和中各隨機(jī)找到一個用戶組成用戶對，并計算，然后SBSn以為概率發(fā)送交換申請到鄰居，如果；，則同意SBSn發(fā)送的交換申請，否則拒絕SBSn發(fā)送的交換申請；以上為一次循環(huán)，直到不存在或迭代達(dá)到上限值則循環(huán)結(jié)束。有益效果：1、本發(fā)明利用用戶體驗質(zhì)量作為用戶基站匹配的標(biāo)準(zhǔn)，相對于傳統(tǒng)的單純地以物理層傳輸速率為標(biāo)準(zhǔn)或者就近接入的方式相比，既能夠保證對用戶的服務(wù)質(zhì)量，而且能夠合理化分配硬件資源，避免了用戶盲目最求速率最大化而帶來的資源浪費(fèi)問題；2、提供兩種匹配算法，具有簡單的機(jī)構(gòu)、好的通用性和擴(kuò)展性，兩種算法在收斂速度和基站用戶匹配結(jié)果上各有特點(diǎn)，可根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)的硬件的計算能力和信息交互能力經(jīng)行靈活選擇；3、分布式方式進(jìn)行基站和用戶的匹配，更加適用于未來5G網(wǎng)絡(luò)的密集自組織組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)特性。附圖說明圖1是用戶基站匹配系統(tǒng)模型圖；圖2是用戶應(yīng)用體驗轉(zhuǎn)化模型；圖3是兩種匹配方式示意圖；圖4是仿真結(jié)果與對比現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)勢示意圖。具體實施方式下面根據(jù)附圖具體說明本發(fā)明的實施方式。一種基于QoE的分布式分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)用戶基站匹配方法，具體的步驟為：階段一、初始化用戶選擇和服務(wù)信息計算階段：步驟一、用戶發(fā)現(xiàn)所有可用的基站；步驟二、用戶隨機(jī)接入一個基站或者接入最近的基站，然后向所有可用的基站報告位置信息和業(yè)務(wù)類型；步驟三、所有基站根據(jù)實際的用戶接入情況計算基站內(nèi)用戶的傳輸速率以及用戶體驗質(zhì)量得分，創(chuàng)建服務(wù)用戶列表，并根據(jù)用戶體驗質(zhì)量得分和服務(wù)用戶列表計算自身服務(wù)效用；階段二、用戶匹配階段：步驟四、基站以增加自身服務(wù)效用為目的，根據(jù)用戶的位置信息向其余可用基站輪詢發(fā)出用戶轉(zhuǎn)移匹配申請或者用戶交換匹配申請，同時設(shè)定最大輪詢次數(shù)；步驟五、被申請基站根據(jù)自身服務(wù)效用是否提升來選擇接受申請或者拒絕申請，若自身服務(wù)效用提升則接受申請并更新自身服務(wù)用戶列表，若自身服務(wù)效用降低或者不變則拒絕該申請；步驟六、達(dá)到設(shè)定的最大輪詢數(shù)完畢，匹配結(jié)束。所述步驟二中的位置信息采用是否在某個基站的服務(wù)范圍內(nèi)來表示，如在某個基站服務(wù)范圍內(nèi)則記為1、不在某個基站服務(wù)范圍內(nèi)記為0，所有基站對用戶的標(biāo)記共同組成用戶的位置坐標(biāo)；所述業(yè)務(wù)類型采用編號的形式進(jìn)行發(fā)送，如語音服務(wù)編號為1、普通視頻編號為2、高清視頻編號為3。所述步驟三中的用戶傳輸傳輸速率為物理層實際速率，用戶m接入SBSn（基站n）的速率的計算方法為：，其中表示用戶n可用帶寬，表示用戶n的信號發(fā)射功率，為SBSn到用戶m的路徑增益，為帶寬內(nèi)的噪聲功率；用戶m接入到SBSn的平均吞吐的計算方法為：，其中，表示用戶m服務(wù)所占SBSn的權(quán)重，表示SBSn內(nèi)被服務(wù)用戶的權(quán)重和，表征出網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載和不同業(yè)務(wù)類型對資源的占用情況。如圖2所示，所述步驟三中的用戶體驗質(zhì)量得分可與用戶的實際可達(dá)速率表示為一種擬對數(shù)函數(shù)關(guān)系，具體的計算方法為：其中，代表平均用戶吞吐速率，由用戶業(yè)務(wù)類型通過用戶體驗質(zhì)量的打分?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計得到，分別對應(yīng)該業(yè)務(wù)類型所需的用戶平均吞吐速率的下限值和滿足流暢傳輸需要的推薦值，a與b是2個計算參數(shù)且隨業(yè)務(wù)類型同步改變；定義用戶m匹配基站的服務(wù)效用為：；則最大化的系統(tǒng)級全網(wǎng)QoE（用戶體驗質(zhì)量）表示如下：，，，其中代表用戶m接入SBSn的狀態(tài)指示，0為未接入，1為接入。如圖3所示，所述步驟四中的用戶轉(zhuǎn)移匹配申請或者用戶交換匹配申請的第一種方法為：采用貪婪算法，首先相鄰的基站組成聯(lián)盟，彼此交換信息，同一基站參加一個聯(lián)盟或者多個不同的聯(lián)盟，當(dāng)來自不同聯(lián)盟的輪詢發(fā)生碰撞時，先到為主，后到的聯(lián)盟輪詢申請會被所輪詢基站自動放棄；然后選擇一個SBSn，創(chuàng)建隨機(jī)數(shù)，當(dāng)rand<0.5時，進(jìn)行用戶轉(zhuǎn)移匹配，即把SBSn中的用戶m調(diào)換至中，SBSn先從服務(wù)列表中隨機(jī)選擇一個用戶，如果，則SBSn發(fā)送轉(zhuǎn)移申請到鄰居；如果，，則同意SBSn發(fā)送轉(zhuǎn)移申請，否則拒絕SBSn發(fā)送轉(zhuǎn)移申請；當(dāng)rand>0.5時，則進(jìn)行用戶交換匹配，即把SBSn中的用戶m和中的用戶m’相互交換，在SBSn和中各隨機(jī)找到一個用戶組成用戶對，如果，SBSn發(fā)送交換申請給鄰居；如果；，則同意SBSn發(fā)送的交換申請；否則拒絕SBSn發(fā)送的交換申請；以上為一次循環(huán)的過程，直到不存在或達(dá)到迭代數(shù)達(dá)到上限值則輪詢結(jié)束。如圖3所示，所述步驟四中的用戶轉(zhuǎn)移匹配申請或者用戶交換匹配申請的第二種方法為：采用輪盤賭算法，首先相鄰的基站組成聯(lián)盟，彼此交換信息，同一基站參加一個聯(lián)盟或者多個不同的聯(lián)盟，當(dāng)來自不同聯(lián)盟的輪詢發(fā)生碰撞時，先到為主，后到的聯(lián)盟輪詢申請會自動被所輪詢基站放棄；所述輪詢?yōu)榈捷喸?，首先選擇一個SBSn，創(chuàng)建隨機(jī)數(shù)；當(dāng)rand<0.5時，SBSn從服務(wù)列表中隨機(jī)選擇一個用戶，并計算，其中是學(xué)習(xí)步長，SBSn以為概率發(fā)送轉(zhuǎn)移申請到鄰居；如果，，則同意SBSn發(fā)送的轉(zhuǎn)移申請，否則拒絕SBSn發(fā)送的轉(zhuǎn)移申請；當(dāng)rand>0.5時，則進(jìn)行用戶交換匹配，在SBSn和中各隨機(jī)找到一個用戶組成用戶對，并計算，然后SBSn以為概率發(fā)送交換申請到鄰居，如果；，則同意SBSn發(fā)送的交換申請，否則拒絕SBSn發(fā)送的交換申請；以上為一次循環(huán)，直到不存在或迭代達(dá)到上限值則循環(huán)結(jié)束。如圖1所示，考慮在一個60米方形區(qū)域內(nèi)隨機(jī)布設(shè)4個微蜂窩基站，和32個用戶，小蜂窩傳輸功率為20dBm，傳輸半徑為20米。用戶存在3種應(yīng)用，分別是視頻會議，高清視頻通話，一般視頻通話，根據(jù)Skype公司公布的速率要求，3種應(yīng)用的最低速率和推薦速率下表所示：應(yīng)用類型最小速率推薦速率視頻會議512kbps2Mbps高清視頻通話1.2Mbps1.5Mbps一般視頻通話128kbps500kbps使最低速率和推薦速率分別代表MOS打分中的2分和4分?；谶@兩個值，可以得出相應(yīng)應(yīng)用速率的具體QoE轉(zhuǎn)化函數(shù)。在本發(fā)明中各種應(yīng)用需要設(shè)置權(quán)重，它反映出不同應(yīng)用在系統(tǒng)中所占用或需要分配的資源的多少，在實際應(yīng)用中，比如表1中的三種應(yīng)用，可根據(jù)情況設(shè)置成等權(quán)重或者非等權(quán)重，例如或者。圖4為本發(fā)明所用用戶-網(wǎng)絡(luò)匹配與現(xiàn)有技術(shù)在仿真設(shè)置4基站服務(wù)32個用戶的重負(fù)載條件下的效果對比。從用戶滿意角度來看，所提算法的用戶滿意度在90%以上，其中高滿意度用戶占比75%。而基于信號強(qiáng)度的匹配方式的用戶滿意度只有15%，無高滿意用戶；基于速率的的匹配方式的用戶滿意度78%，高滿意用戶占59%。相比于2種常用方式，所提算法在用戶滿意度上有較大的提高。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實施例提出了一種新的用戶基站配對機(jī)制，實現(xiàn)了更加高效的資源分配。與傳統(tǒng)的以容量速率或信號接收功率為標(biāo)準(zhǔn)的基站接入相比，可帶來整體網(wǎng)絡(luò)的平均用戶體驗質(zhì)量的大幅提高。本發(fā)明所提的兩種算法具有簡單的機(jī)構(gòu)、好的通用性和擴(kuò)展性。兩種算法在收斂速度和基站用戶匹配結(jié)果上各有特點(diǎn)，可根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)的硬件的計算能力和信息交互能力經(jīng)行靈活選擇。本發(fā)明的社會效用可基于不同的接入目標(biāo)被靈活定義。比如可以把MOS得分大于3的效用設(shè)為1。低于3的設(shè)為0。在這種情況下，就可得到公平性更好的用戶基站匹配結(jié)果。本發(fā)明把用戶體驗質(zhì)量QoE作為基站選擇和接入過程的判決，是應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)，保證了用戶的業(yè)務(wù)服務(wù)感受，且避免了用戶盲目最求速率最大化而帶來的資源浪費(fèi)問題。并且本發(fā)明是分布式方式進(jìn)行基站和用戶的匹配，更加適用于未來5G網(wǎng)絡(luò)的密集自組織組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)特性。當(dāng)前第1頁1 2 3