CN102421104A - 混合无线网络中的网络选择与信道资源配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合无线网络中的网络选择与信道资源配置方法，包括步骤如下：每个网络所属基站统计自身的信道数量与状况，并广播给在此区域的移动用户；移动用户根据自身的估计来选择合适的基站接入，各基站统计接入情况并广播用户负载状况；重复上述过程直至均衡状态，随后各基站内部进行信道资源分配；基站广播信道数量信息，各用户返回自身选择接入的信道编号；基站统计信道选择状态，并广播信道负载情况；重复上述过程直至均衡状态，最终实现用户的网络选择与基站内的资源分配。本方法适用于具有多个频谱拥有者的4G混合无线网络环境中，分布式执行，复杂度低；节省信令开销，频道拥有者之间不需要信息交互，移动用户之间也不需要信息交互。

Description

混合无线网络中的网络选择与信道资源配置方法

技术领域

本发明涉及一种通信网络技术领域的方法，具体是一种混合无线电网络中的用户网络选择与信道资源配置方法。

背景技术

第4代(记为4G)移动通信网络的一个典型特点是用户的混合无线网络接入能力。移动终端可以接入各种现有网络中，比如全球互操作微波接入网(记为WiMAX)，第三代合作伙伴计划长期演进(记为LTE)，无线保真(记为WiFi)等等。为了使移动用户在混合网络环境下都能实现其要求的服务质量(记为QoS)的无线接入，需要设计一种包含网络选择、频谱资源配置在内的联合接入机制。

目前，一般将移动用户无线接入的网络选择问题与资源配置问题分开进行研究。经对现有技术文献的检索发现，网络选择技术目前多关注于多址接入的功率控制与切换协议问题，信道资源配置问题则着重于子载波与功率的分配算法设计。Amzallag等于2008年在IEEE INFOCOM(电气电子工程师协会计算机通信国际会议)上发表的“Cell Selection in 4G Cellular Networks”(4G移动通信网中的小区选择算法)，提出了两种算法以实现需求最大化的近似最优4G网络小区选择。Wang等于2004发表在ACM Mobicom(美国计算机协会移动计算与网络国际会议)上的“Coordinated loadbalancing，handoff/cell-site selection，and scheduling in multi-cell packetdata systems”(多小区数据包传输系统中的协调负载平衡、小区选择、切换与调度)，研究了一种基于HSPA的网络切换与选择的技术，能够最大化接入用户的数量，并给出了相应的调度算法。但是上述文献的方法都难以实现移动用户对QoS的需求。Wong等于1999年发表在IEEE JSAC上的“Multiuser OFDM with adaptive subcarrier，bit，and power allocation”(自适应子载波、比特与功率分配的多用户正交频分复用系统)，提出了一种迭代式的子载波分配与功率调整算法，能够在给定数据速率与比特差错概率下最小化总发射功率。Jang等于2003年在IEEE JSAC上发表的“Transmitpower adaptation for multiuser OFDM Systems”(自适应发射功率的多用户正交频分复用系统)，提出了在满足一定发射功率与比特差错概率限制下，最大化各用户数据速率的算法。但是上述算法的缺陷在于均采用集中式算法，拥有很高的运算复杂度以及额外的通信开销，并且限于单一的网络架构。

经对现有技术文献的检索还发现，在解决无线通信网络的资源分配问题上应用博弈理论有着一般方法无法具备的优良特性：一方面能够使得各移动用户改变自身参数来最大化自身利益如提高传输速率、降低差错概率等；另一方面能够使系统总的利益如总吞吐量、总传输速率等最大化。因此，如何采用博弈的基本原理，来实现在混合网络中移动用户的网络选择与信道资源配置的有效性是研究的一个方向。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的技术问题，提出了一种混合无线网络中的网络选择与信道资源配置方法，该方法适用于具有多个频谱拥有者的4G混合无线网络环境中，分布式执行，复杂度低；节省信令开销，频道拥有者之间不需要信息交互，移动用户之间也不需要信息交互。

假定一个特定的地理区域被N个无线网络的一个小区所覆盖，将这些小区的基站记为BS_i，1≤i≤N。考虑存在M个移动用户MS_j，i≤j≤M，需要选择接入某个网络中，并申请使用K个子信道。如果多个移动用户接入同一小区的同一子信道，则按FDMA方式均分频段并共用该信道。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种混合无线网络中的网络选择与信道资源配置方法，方法如下：

步骤一：各网络基站BS_i，1≤i≤N向其覆盖范围内的所有移动用户MS_j，1≤j≤M广播信道信息，各移动用户MS_j检测自身位置到达各网络基站的信道增益h_ji和噪声功率σ²，并在M×N的矩阵Mn和Mp中分别存储并初始化各网络基站接入移动用户个数的频率信息和概率统计信息；

步骤二：移动用户MS_j解码各网络基站BS_i的广播信息，轮流对接入的网络基站做出选择后，将选择结果传输给相应的网络基站；

步骤三：各网络基站BS_i统计接入的用户数量，然后将用户数量广播给所有移动用户MS_j；

步骤四：移动用户MS_j解码各网络基站BS_i的广播信息，更新对应的频率矩阵Mn和概率统计矩阵Mp；

步骤五：重复步骤二、三、四至系统达到均衡状态；

步骤六：网络基站BS_i向选择其的移动用户广播其所有的子信道占用状态；

步骤七：移动用户MS_j根据子信道占用状态选择接入的子信道，并将结果传回网络基站BS_i；

步骤八：网络基站BS_i统计其子信道的占用情况，并广播给选择该基站的移动用户MS_j；

步骤九：重复步骤六、七、八至系统达到均衡状态。

所述步骤一中每个网络基站BS_i的广播信息包括自身的信道带宽B_i、子信道分配数量w_i以及网络基站为移动用户提供接入获得的收益π_i。

所述接入移动用户个数的频率信息Mn_i，j表示网络基站BS_i中接入移动用户数量为j-1出现的次数，将其初始化为全零；所述接入移动用户个数的概率统计信息Mp_i，j表示网络基站BS_i中接入移动用户数量为j-1出现的概率，并初始化全为1/N。

所述移动用户MS_j对接入的网络基站BS_i的选择方法是：移动用户MS_j解码各小区BS_i的广播信息，根据这些参数确定接入各小区的最佳发射功率值

并由此得到单独占用BS_i的一个子信道获得的收益

结合MS_j存储的BS_i接入用户的统计信息得到期望收益E[U_ji]，即：

$E\left[U_{\mathrm{ji}}\right]=U_{\mathrm{ji}}^{*}\·(\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}M{p}_{i,k}\·\min \{\frac{w_i}{k+1},K\left\}\right)$ 式一

MS_j得到接入各BS_i的概率为Z_j＝[z₁，z₂，…，z_M]，其中：

$z_i=\frac{E\left[U_{\mathrm{ji}}\right]}{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}E\left[U_{\mathrm{ji}}\right]}$ 式二

MS_j产生一个随机数R_j∈[0，1]，则选择接入BS_k使得

成立。

所述最佳功率值

和单独占用网络基站BS_i的一个子信道获得的收益

的计算方法是：如果MS_j接入BS_i的第k个子信道，并假设同时有T_k个用户也接入了该信道，那么MS_j在该子信道上的收益等于可传输的最大数据速率减去付给BS_i的代价，即：

$U_{\mathrm{ji}}=\frac{B_i}{w_i{T}_k}{\log }_2(1+\frac{p_j{\left|h_{\mathrm{ji}}\right|}^2}{{\mathrm{\σ}}^2})-\frac{q_j{\mathrm{\π}}_i{p}_j}{T_k}$ 式三

其中q_j是用户自定义参数。由上式可知用户的最佳发射功率

需使上式取最大值，并且与该信道上有多少用户共用无关。用户MS_j接入BS_i的第k个子信道最佳发射功率由下式给出：

$p_{\mathrm{ji}}^{*}=\left\{\begin{array}{cc}{P}_m& {\mathrm{\π}}_i\∈(0,{\mathrm{\π}}_1)\\ \frac{B_i}{q_j{\mathrm{\π}}_i{w}_i\mathrm{In}2}-\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{{\left|h_{\mathrm{ji}}\right|}^2}& {\mathrm{\π}}_i\∈({\mathrm{\π}}_1,{\mathrm{\π}}_2)\\ 0& {\mathrm{\π}}_i\∈({\mathrm{\π}}_2,+\∞)\end{array}\right.$ 式四

其中P_m为用户的最大发射功率，且有 ${\mathrm{\π}}_1=\frac{B_i}{q_j{w}_i\mathrm{In}2\·(\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{{\left|h_{\mathrm{ji}}\right|}^2}+P_m)},$ ${\mathrm{\π}}_2=\frac{B_i}{q_j{w}_i\mathrm{In}2\·\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{{\left|h_{\mathrm{ji}}\right|}^2}}.$

由此即可得到单独占用BS_i的一个子信道获得的收益

所述各用户期望收益的计算，是基于小区内资源分配算法的均衡结果的。接入同一基站的用户结果一段时间的调整后达到均衡状态，该均衡状态的特点是各子信道上占用的用户个数基本相同，用户数量最大相差为1。而由于各用户申请的信道数量相同，因此通过解码基站发送的接入用户数量信息就可以获得其每个子信道上用户的平均数量，并由此计算期望收益。

所述步骤二中采用产生随机数的方式选择接入基站，是因为本算法中各用户的小区选择算法只存在混合均衡策略。从一段相对长的时间来看，选择各基站的次数符合计算得到的概率。

所述步骤五中的均衡状态是指各用户选择基站的概率趋于稳定，不会有用户单方面的提高某个基站的选择概率，从而提高自身的期望收益。继续重复步骤二、三、四，各用户的频率矩阵Mn和概率矩阵Mp不会发生变化。步骤二、三、四的重复过程是发生在每一个移动用户做出选择之后，一旦有移动用户提交接入申请，各基站需要重新统计并广播给所有移动用户。

所述步骤六中，网络基站BS_i向选择该小区的移动用户广播其所有子信道的占用状态

其中y_k，1≤k≤w_i表示有y_k个用户占用第k个子信道。MS_j随机指定整数补偿值W_j∈[0，W]，其中W为补偿值的最大值；

所述步骤七中，对于所有的MS_j轮流进行，如果W_j＞0，则W_j＝W_j-1并直接跳到下一个用户；如果W_j＝0，则选择Y_i中值最小的K个对应的子信道，并将子信道选择信息传回BS_i，再对补偿值W_j重新赋随机数。

所述步骤九中的均衡状态是指没有用户愿意改变自己的子信道占用情况，从而提高自身的收益。步骤六、七、八的重复过程是在所有的移动用户做出一轮子信道选择之后，基站重新统计子信道占用情况并广播给所有移动用户。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：(i)分布式执行，复杂度很低；(ii)频道拥有者之间不需要信息交互，二级用户之间也不需要信息交互，节省信令开销。事实上，算法的每一个流程中，各用户独立做出决策，并将选择信息传回基站，基站在所有用户更新完成后公布接入信息和子信道占用信息即可；(iii)最终的频道分配结果近似于全局最优的。

附图说明

图1是本发明一实施例多个频道拥有者的无线网络的结构示意图；

图2是本发明一实施例方法的收敛速度示意图；

图3是本发明一实施例方法的各用户网络选择概率收敛示意图。

具体实施方式

本发明所提供的混合无线网络中的网络选择与信道资源配置方法，包含N个无线网络基站BS_i，1≤i≤N，M个需要选择接入无线网络基站的移动用户MS_j，1≤j≤M，并申请使用K个子信道，其中2≤N≤10、1≤M≤100、1≤K≤20。

如图1所示，本实施例在给定的地理区域范围内，存在3个分别属于LTE网络基站BS₁、WiMAX网络基站BS₂、WiFi网络基站BS₃，且有50个移动用户(图中只标示了5个进行说明，分别是MS₁、MS₂、MS₃、MS₄、MS₅)。每个小区基站有一定数量的频段资源并划分为一定数量的子信道。每个移动用户需要一定数量的子信道用于数据传输，并且任一时刻只能接入一个网络基站。各网络基站由于所属网络的不同，提供的带宽大小、子信道数目、单位功率代价均不相同。但这三个参数对于用户选择最佳发射功率并最终决定接入哪个网络的作用是相同的。本实施例假设3个基站提供的总可用带宽不同但子信道的带宽B_i均为500kHz，功率代价π_i也均为1，子信道个数不同，分别为w₁＝10，w₂＝15，w₃＝20。各用户的申请信道数量K均为5，用户自定义参数q_j也相同。这里假定基站、用户每次操作的时间都是1ms。

本实施例包括如下具体步骤：

步骤一，3个基站向所有的移动用户广播自身所能提供的子信道带宽B_i，子信道个数w_i，以及移动用户接入后发射单位功率的代价π_i。移动用户MS_j测量从自身位置到达各BS_i的信道增益h_ji，信道的白噪声功率σ²，在M×N的矩阵Mn中存储各小区接入移动用户个数的频率信息并初始化为全零；在M×N的矩阵Mp中存储各小区接入移动用户个数的概率统计信息并初始化全为1/N；

步骤二，移动用户MS_j解码各小区BS_i的广播信息，根据这些参数确定接入各小区的最佳发射功率值

并由此得到接入BS_i期望收益E[U_ji]和接入各BS_i的概率Z_j＝[z₁，z₂，…，z_M]。MS_j产生一个随机数R_j∈[0，1]，则选择接入BS_k使得

成立。各用户轮流对接入的基站做出选择后，将选择结果传输给相应的基站。

步骤三，BS_i统计接入的用户数量N_i，然后将用户数量N_i广播给所有用户。

步骤四，MS_j解码各BS_i的广播信息，更新对应的频率矩阵Mn和概率统计矩阵Mp。

步骤五，重复步骤二、三、四至系统达到均衡状态。

步骤六：BS_i向选择该小区的移动用户广播其所有子信道的占用状态

其中y_k，1≤k≤w_i表示有y_k个用户占用第k个子信道。MS_j随机指定整数补偿值W_j∈[0，W]，其中W为补偿值的最大值；

步骤七：对于所有的MS_j轮流进行，如果W_j＞0，则W_j＝W_j-1并直接跳到下一个用户；如果W_j＝0，则选择Y_i中值最小的K个对应的子信道，并将子信道选择信息传回BS_i，再对补偿值W_j重新赋随机数。

步骤八：BS_i统计其子信道的占用情况，并广播给选择该基站的移动用户。

步骤九，重复步骤七和步骤八，直到系统到达均衡状态。

本实施例中，步骤五是移动用户选择网络过程的均衡状态，表现为每个移动用户在一段时隙内各网络选择的概率趋于稳定。步骤九是移动用户选择子信道的均衡状态，表现为各基站相邻两次收到的移动用户子信道选择信息保持不变。

如图2所示，本实施例的各网络内信道资源分配随时间变化示意图。定义信道负载方差v为各信道用户数减去平均用户数之和，则纵坐标方差比率

反映各信道的用户负载情况，其中

表示最大的负载方差，

表示最小的负载方差，也即达到均衡时的负载方差。因此图中曲线趋近于1表示系统已经达到均衡，并且所需时隙数少于两倍的用户数量。此仿真表明，网络内的各用户信道资源分配能在每个用户最多做出两次选择后达到均衡状态。

如图3所示是本实施例的各用户网络选择概率变化图。此仿真表明，用户的网络选择将很快趋于稳定，并将以固定的概率选择各个可用网络。

Claims (8)

1.一种混合无线网络中的网络选择与信道资源配置方法，包括N个无线网络基站，M个需要选择接入无线网络基站的移动用户，并申请使用K个子信道，其中2≤N≤10、1≤M≤100、1≤K≤20，方法如下：

步骤一：各网络基站BS_i，1≤i≤N向其覆盖范围内的所有移动用户MS_j，1≤j≤M广播信道信息，各移动用户MS_j检测自身位置到达各网络基站的信道增益h_ji和噪声功率σ²，并在M×N的矩阵Mn和Mp中分别存储并初始化各网络基站接入移动用户个数的频率信息和概率统计信息；

步骤二：移动用户MS_j解码各网络基站BS_i的广播信息，轮流对接入的网络基站做出选择后，将选择结果传输给相应的网络基站；

步骤三：各网络基站BS_i统计接入的用户数量，然后将用户数量广播给所有移动用户MS_j；

步骤四：移动用户MS_j解码各网络基站BS_i的广播信息，更新对应的频率矩阵Mn和概率统计矩阵Mp；

步骤五：重复步骤二、三、四至系统达到均衡状态；

步骤六：网络基站BS_i向选择其的移动用户广播其所有的子信道占用状态；

步骤七：移动用户MS_j根据子信道占用状态选择接入的子信道，并将结果传回网络基站BS_i；

步骤八：网络基站BS_i统计其子信道的占用情况，并广播给选择该基站的移动用户MS_j；

步骤九：重复步骤六、七、八至系统达到均衡状态。

2.根据权利要求1所述的混合无线网络中的网络选择与信道资源配置方法，其特征是，所述步骤一中每个网络基站BS_i的广播信息包括自身的信道带宽B_i、子信道分配数量w_i以及网络基站为移动用户提供接入获得的收益π_i。

3.根据权利要求2所述的混合无线网络中的网络选择与信道资源配置方法，其特征是，所述接入移动用户个数的频率信息Mn_i，j表示网络基站BS_i中接入移动用户数量为j-1出现的次数，将其初始化为全零；所述接入移动用户个数的概率统计信息Mp_i，j表示网络基站BS_i中接入移动用户数量为j-1出现的概率，并初始化全为1/N。

4.根据权利要求3所述的混合无线网络中的网络选择与信道资源配置方法，其特征是，所述移动用户MS_j对接入的网络基站BS_i的选择方法是：移动用户MS_j解码各网络BS_i的广播信息，根据这些参数确定接入各网络基站的最佳发射功率值

并由此得到单独占用网络基站BS_i的一个子信道获得的收益

结合移动用户MS_j存储的网络基站BS_i接入用户的统计信息得到期望收益E[U_ji]，即：

$E\left[U_{\mathrm{ji}}\right]=U_{\mathrm{ji}}^{*}\·(\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}M{p}_{i,k}\·\min \{\frac{w_i}{k+1},K\left\}\right)$ 式一

移动用户MS_j得到接入各网络基站BS_i的概率为Z_j＝[z₁，z₂，…，z_M]，其中：

$z_i=\frac{E\left[U_{\mathrm{ji}}\right]}{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}E\left[U_{\mathrm{ji}}\right]}$ 式二

移动用户MS_j产生一个随机数R_j∈[0，1]，则选择接入网络基站BS_k使得 ${\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{k-1}{z}_i\≤R_j\≤{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^k{z}_i$ 成立。

5.根据权利要求4所述的混合无线网络中的网络选择与信道资源配置方法，其特征是，所述最佳功率值

和单独占用网络基站BS_i的一个子信道获得的收益

的计算方法是：如果移动用户MS_j接入网络基站BS_i的第k个子信道，并假设同时有T_k个移动用户也接入了该信道，那么移动用户MS_j在该子信道上的收益等于可传输的最大数据速率减去付给BS_i的代价，即：

$U_{\mathrm{ji}}=\frac{B_i}{w_i{T}_k}{\log }_2(1+\frac{p_j{\left|h_{\mathrm{ji}}\right|}^2}{{\mathrm{\σ}}^2})-\frac{q_j{\mathrm{\π}}_i{p}_j}{T_k}$ 式三

其中q_j是用户自定义参数；由上式可知用户的最佳发射功率

需使上式取最大值，并且与该信道上有多少用户共用无关；移动用户MS_j接入网络基站BS_i的第k个子信道最佳发射功率由下式给出：

$p_{\mathrm{ji}}^{*}=\left\{\begin{array}{cc}{P}_m& {\mathrm{\π}}_i\∈(0,{\mathrm{\π}}_1)\\ \frac{B_i}{q_j{\mathrm{\π}}_i{w}_i\mathrm{In}2}-\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{{\left|h_{\mathrm{ji}}\right|}^2}& {\mathrm{\π}}_i\∈({\mathrm{\π}}_1,{\mathrm{\π}}_2)\\ 0& {\mathrm{\π}}_i\∈({\mathrm{\π}}_2,+\∞)\end{array}\right.$ 式四

其中P_m为用户最大发射功率，且 ${\mathrm{\π}}_1=\frac{B_i}{q_j{w}_i\mathrm{In}2\·(\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{{\left|h_{\mathrm{ji}}\right|}^2}+P_m)},$ ${\mathrm{\π}}_2=\frac{B_i}{q_j{w}_i\mathrm{In}2\·\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{{\left|h_{\mathrm{ji}}\right|}^2}}.$

由此即可得到单独占用网络基站BS_i的一个子信道获得的收益

6.根据权利要求1所述的混合无线网络中的网络选择与信道资源配置方法，其特征是，所述步骤六中，网络基站BS_i向选择其的移动用户广播其所有子信道的占用状态

其中y_k，1≤k≤w_i表示有y_k个用户占用第k个子信道；移动用户MS_j随机指定整数补偿值W_j∈[0，W]，其中W为补偿值的最大值；步骤七中，对于所有的移动用户MS_j轮流进行，如果W_j＞0，则W_j＝W_j-1并直接跳到下一个用户；如果W_j＝0，则选择Y_i中值最小的K个对应的子信道，并将子信道选择信息传回网络基站BS_i，再对补偿值W_j重新赋随机数。

7.根据权利要求1所述的混合无线网络中的网络选择与信道资源配置方法，其特征是，所述步骤五中的均衡状态，是指每个移动用户在一段时隙内各网络选择的概率趋于稳定。

8.根据权利要求1所述的混合无线网络中的网络选择与信道资源配置方法，其特征是，所述步骤九中的均衡状态，是指各网络基站相邻两次收到的移动用户子信道选择信息保持不变。

Images