CN102932851B - 干扰感知的合作速率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种干扰感知的合作速率分配方法，主要解决现有技术对于认知网络速率控制用户公平性较差的问题。其实现步骤是：(1)网络重构管理模块搜集N个终端的非合作速率请求信息和干扰信息；(2)初始化速率分配所需信息；(3)网络重构管理模块在终端速率分配列表中选择终端集合，若速率分配列表为空则停止，否则对终端集合内的所有终端进行速率分配；(4)网络重构管理模块计算终端集合内的终端t时刻的效用值，计算终端t时刻全局效用值，并预测终端t+1时刻的干扰值，得到终端t+1时刻的传输速率；(5)网络重构管理模块计算t时刻和t+1时刻终端速率的差值绝对值，当它小于速率分配终止门限时，在速率分配列表中删除该终端，返回步骤(3)。本发明能够有效提高终端传输速率的公平性，可用于认知无线网络。

Description

干扰感知的合作速率分配方法

技术领域

本发明属于通信领域，特别涉及一种速率控制方法，可用于认知无线网络。

背景技术

认知网络是由Motorola及Virginia-Tech公司率先提出的。认知网络是一种具有认知能力的网络，能够在复杂多变的网络环境中感知网络当前的状况，并根据当前的状况来计划、决策并在保证端到端性能的前提下做出自适应的调整。同时，认知网络能够从不断的自适应过程中学习网络知识，并利用这些知识在未来的决策中。

综上所述，认知网络能够感知当前网络条件并根据系统性能目标进行动态规划和配置，通过自学习和自调节，采取适当的行动来满足性能目标。

认知网络自从明确提出概念以来，在很长一段时间科研人员将研究的重心集中在如何进行频谱侦听和主用户检测、动态频谱分配、功率控制等问题上，而对于基于认知网络环境的干扰感知的速率控制方法研究还处于初期阶段。

现有技术中适用于认知无线网络环境的速率选择方法是由Dimitrio Tsamis等人提出的速率控制算法RCG。在该方法中，无线接入网管理实体广播全局信息，每个终端依据全局信息根据预先设定好的效用函数选择传输速率。该方法包括网络全局信息收集和终端速率选择两个阶段。在网络全局信息收集阶段，无线接入网管理实体使用宙斯模块作为信息收集载体负责收集当前网络容量和当前网络可用带宽，终端1在收到宙斯模块下发的全局信息后，启动速率传输选择过程。在终端速率选择阶段，终端1根据预先设定的代价函数J_i和网络当前可用带宽，在传输速率满足条件下，开启传输速率迭代，其中N表示系统中的用户编号，表示t时刻第i个终端的传输速率，i∈N；在t时刻，第1个终端开始试探性的增加传输速率并选择t时刻使代价函数J_i最小的传输速率作为第1个终端t+1时刻的传输速率并向无线接入网上报该终端t+1时刻的传输速率，其中i∈N；无线接入网收到第1个终端的传输速率后，更新全局速率信息中第1个终端的传输速率，并将全局速率信息下发给第2个终端；第2个终端收到全局速率信息后执行和第1个终端相同的操作，以此类推；当第i个终端的传输速率的变化量的绝对值满足时，终端停止速率选择，并一直以该时刻的传输速率传输信息，其中ε＞0。

以上技术存在以下几个问题：

(1)在网络全局信息收集阶段和终端速率选择阶段，由于信息收集载体与系统内终端有大量的信息交互，加重了无线接入网负荷；

(2)在RCG速率控制方法中，由于每个终端通过自私理性地选择传输速率而没有考虑的其他终端选择速率带来的影响，导致了网络中终端的公平性无法得到保证。

发明内容

本发明的目的针对上述已有技术的不足，提出干扰感知的合作速率控制方法，以解决当前网络中终端公平性无法得到保证的问题。

为实现上述目的，本发明干扰感知的合作速率控制方法，包括如下步骤：

1.一种干扰感知的合作速率分配方法，包括如下步骤：

(1)用无线接入网一侧的网络重构管理模块RNRM和终端一侧的终端重构管理模块TRM构成底层速率控制环，并控制网络重构管理模块RNRM与终端重构管理模块TRM之间的信息交互维持在分秒级；

(2)网络重构管理模块RNRM搜集系统内N个终端重构控制模块TRM上报的非合作速率请求信息φ_i和初始虚拟干扰信息其中非合作速率请求信息φ_i是终端根据自身业务对于速率的偏好选择的传输速率，初始虚拟干扰信息是终端感知的自身受到的干扰状况，N为系统内所有的终端，i∈N；

(3)初始化：

网络重构管理模块RNRM建立终端速率分配列表，并将N个终端的非合作速率请求信息φ_i作为初始终端虚拟传输速率存入终端速率分配列表中；

网络重构管理模块RNRM定义N个终端的速率分配终止门限，并对这些门限进行初始化，统一表示为ξ,ξ＞0；

网络重构控制模块RRC定义N个终端的干扰预测步长，并对这些步长进行初始化，统一表示为υ⁽⁰⁾＝1，i∈N；

(4)网络重构管理模块RNRM在终端速率分配列表中选择终端作为终端集合K，并对集合内终端进行虚拟速率分配，如果终端速率分配列表为空，则速率分配执行完毕，否则执行步骤(5)；

(5)网络重构管理模块RNRM根据在t时刻终端集合K内的所有终端的虚拟传输速率和虚拟干扰信息计算t时刻终端集合K内所有终端效用值

$u_j^{\left(t\right)}={\mathrm{\α}}_j\log (1+{\mathrm{\ρ}}_j^{\left(t\right)})+{\mathrm{\β}}_j(1-\frac{{\mathrm{\ρ}}_j^{\left(t\right)}}{{\mathrm{\θ}}_j^{\left(t\right)}}),$

式中，第一项表示第j个终端对于传输速率的感受质量，第二项表示第j个终端对于感受到干扰的惩罚，α_j为第j个终端的t时刻的感受质量的权重因子，β_j为第j个终端的t时刻的干扰惩罚项的权重因子，网络重构管理模块RNRM根据在第j个终端上运行的业务对于速率的感受质量和干扰惩罚的侧重，选择权重因子α_j、β_j，j表示终端集合K内的第j个终端，j∈K；

(6)网络重构管理模块RNRM根据系统中N个终端在t时刻的效用值，计算t时刻的全局效用值u^(t)：

$u^{\left(t\right)}=\frac{1}{N}\underset{i\∈N}{\mathrm{\Σ}}{u}_i^{\left(t\right)},$

式中，表示第i个终端的效用值，N表示系统内的终端数；

(7)无线接入网中的网络测量收集模块RMC根据在t时刻的全局效用值u^(t)和终端集合K内所有终端的虚拟干扰信息以及干扰预测步长υ^(t)，预测t+1时刻终端集合K内所有终端的虚拟干扰信息

${\mathrm{\θ}}_j^{(t+1)}=\max \{\frac{\mathrm{\ω}}{\mathrm{\ω}+1}{C}_s,\min \{(1-{\mathrm{\υ}}^{\left(t\right)}){\mathrm{\θ}}_j^{\left(t\right)}+{\mathrm{\υ}}^{\left(t\right)}{u}^{\left(t\right)},C_s\left\}\right\},$

式中，C_s表示系统容量，ω为收敛因子，取值为ω＝2，j表示终端集合K内的第j个终端，j∈K；

(8)网络重构管理模块RNRM根据在t+1时刻终端集合K内所有终端的虚拟干扰信息和非合作速率请求信息φ_j，计算t+1时刻终端集合K内所有终端的虚拟传输速率

${\mathrm{\ρ}}_j^{(t+1)}=\frac{{\mathrm{\θ}}_j^{(t+1)}}{{\mathrm{\λ}}_j}+{\mathrm{\φ}}_j,$

式中，λ_j为第j个终端的拉格朗日乘子，取值为λ_j＝10；

(9)网络重构管理模块RNRM计算终端集合K内所有终端t时刻虚拟传输速率和t+1时刻虚拟传输速率的差值绝对值当时，网络重构管理模块RNRM将t时刻第j个终端的虚拟传输速率分配给第j个终端，并将该第j个终端的虚拟传输速率从终端速率分配列表中删去，否则更新终端速率分配列表中t时刻第j个终端的虚拟传输速率值为同时网络重构控制模块RRC更新干扰预测步长并返回步骤(4)。

本发明具有如下优点：

(1)由于本发明采用集中式的合作博弈速率分配方式，在分配速率之前终端之前网络重构管理模块已经协调好了每个终端的传输速率，所以分配给每一个终端的传输速率都是在不降低其他终端传输速率前提下相应终端能获得的最大传输速率；

(2)由于使用本发明后，网络重构管理模块收集了系统内N个终端的效用值并计算得到全局效用信息，从而能够有效结合全局效用信息分配给每个终端合理的传输速率，进而提升用户公平性。

附图说明

图1是本发明使用的场景图；

图2是本发明的实现流程图；

图3是本发明与现有RCG速率控制方法对系统资源利用率的对比图；

图4是本发明与现有RCG速率控制方法对用户公平性的对比图。

具体实施方式

参照图1，本发明使用的场景由无线接入网和若干个分布在无线接入网的周围的终端组成，并且所有终端共享同一信道。无线接入网应包括网络重构管理模块RNRM、网络测量收集模块RMC和网络重构控制模块RRC，终端应包含终端重构管理模块TRM。每个终端通过终端重构管理模块TRM与网络重构管理模块RNRM交互信息。

参照图2，本发明的具体实施步骤如下：

步骤1，系统内的N个终端通过各自的终端重构管理模块TRM向网络重构管理模块RNRM上报非合作速率请求信息和虚拟干扰信息，同时网络重构管理模块RNRM为每个终端分配传输速率，使无线接入网的网络重构管理模块RNRM和每个终端的终端重构管理模块TRM形成底层速率控制环。

步骤2，无线接入网中的网络重构管理模块RNRM收集系统内N个终端的非合作速率请求信息和初始虚拟干扰信息。

网络重构管理模块RNRM周期性的从每个终端的终端重构管理模块TRM收集非合作速率请求信息φ_i和初始虚拟干扰信息其中非合作速率请求信息φ_i是终端根据自身业务对于速率的偏好选择的传输速率，初始虚拟干扰信息是终端感知的自身受到的干扰状况，i∈N。

步骤3，初始化速率分配所需信息。

网络重构管理模块RNRM建立终端速率分配列表，即建立链表、堆栈或队列等常用的数据结构，并将N个终端的非合作速率请求信息φ_i作为初始终端虚拟传输速率存入终端速率分配列表中；

网络重构管理模块RNRM定义N个终端的速率分配终止门限，并对这些终止门限进行初始化，统一表示为ξ，ξ＞0；

网络重构控制模块RRC定义N个终端的干扰预测步长，并对这些干扰预测步长进行初始化，统一表示为υ⁽⁰⁾＝1，i∈N。

步骤4，网络重构管理模块RNRM为每个终端分配传输速率。

(4a)网络重构控制模块RNRM将终端速率分配列表中的所有终端选入终端集合K中，并对集合K内的终端进行虚拟速率分配，如果终端速率分配列表为空，则速率分配执行完毕，否则执行步骤(4b)；

(4b)网络重构管理模块RNRM根据在t时刻终端集合K内的所有终端的虚拟传输速率和虚拟干扰信息计算t时刻终端集合K内所有终端效用值

$u_j^{\left(t\right)}={\mathrm{\α}}_j\log (1+{\mathrm{\ρ}}_j^{\left(t\right)})+{\mathrm{\β}}_j(1-\frac{{\mathrm{\ρ}}_j^{\left(t\right)}}{{\mathrm{\θ}}_j^{\left(t\right)}}),$

式中，第一项表示第j个终端对于传输速率的感受质量，第二项表示第j个终端对于感受到干扰的惩罚，α_j为第j个终端的t时刻的感受质量的权重因子，β_j为第j个终端的t时刻的干扰惩罚项的权重因子，网络重构管理模块RNRM根据在第j个终端上运行的业务对于速率的感受质量和干扰惩罚的侧重，选择权重因子α_j、β_j，j表示终端集合K内的第j个终端，j∈K；

(4c)网络重构管理模块RNRM根据系统中N个终端在t时刻的效用值，计算t时刻的全局效用值u^(t)：

$u^{\left(t\right)}=\frac{1}{N}\underset{i\∈N}{\mathrm{\Σ}}{u}_i^{\left(t\right)},$

式中，表示第i个终端的效用值，N表示系统内的终端数；

(4d)无线接入网中的网络测量收集模块RMC根据在t时刻的全局效用值u^(t)和终端集合K内所有终端的虚拟干扰信息以及干扰预测步长υ^(t)，预测t+1时刻终端集合K内所有终端的虚拟干扰信息

${\mathrm{\θ}}_j^{(t+1)}=\max \{\frac{\mathrm{\ω}}{\mathrm{\ω}+1}{C}_s,\min \{(1-{\mathrm{\υ}}^{\left(t\right)}){\mathrm{\θ}}_j^{\left(t\right)}+{\mathrm{\υ}}^{\left(t\right)}{u}^{\left(t\right)},C_s\left\}\right\},$

式中，C_s表示系统容量，ω为收敛因子，取值为ω＝2，j表示终端集合K内的第j个终端，j∈K；

(4e)网络重构管理模块RNRM根据在t+1时刻终端集合K内所有终端的虚拟干扰信息和非合作速率请求信息φ_j，计算t+1时刻终端集合K内所有终端的虚拟传输速率

${\mathrm{\ρ}}_j^{(t+1)}=\frac{{\mathrm{\θ}}_j^{(t+1)}}{{\mathrm{\λ}}_j}+{\mathrm{\φ}}_j,$

式中，λ_j为第j个终端的拉格朗日乘子，取值为λ_j＝10；

(4f)网络重构管理模块RNRM计算终端集合K内所有终端t时刻虚拟传输速率和t+1时刻虚拟传输速率的差值绝对值并将该差值绝对值与与速率分配终止门限进行比较：

若则网络重构管理模块RNRM将t时刻第j个终端的虚拟传输速率分配给第j个终端，并将该第j个终端的虚拟传输速率从终端速率分配列表中删去，并返回步骤(4a)；

若则更新终端速率分配列表中t时刻第j个终端的虚拟传输速率值为同时网络重构控制模块RRC更新干扰预测步长并返回步骤(4a)。

本发明的效果可通过仿真进一步说明：

1.仿真条件：

仿照CDMA-HDR系统，本发明构建的仿真模型为一个无线接入网中分布若干个终端，并且他们共享同一信道，如图1所示。图1中的无线接入网应包含网络重构管理模块RNRM、网络测量收集模块RMC和网络重构控制模块RRC，其中网络重构管理模块RNRM负责和收集系统内所有终端的非合作速率请求信息和初始速率干扰信息，同时为每个终端分配传输速率，网络测量收集模块RMC用于感知系统内终端的干扰信息，网络重构控制模块RRC用于初始化和更新干扰步长。终端通过终端重构管理模块TRM与网络重构管理模块交互非合作速率请求信息和初始速率干扰信息。

2.仿真内容与结果：

仿真1，在系统终端数由10个增加到45个的条件下，分别采用RCG速率控制方法和本发明速率控制方法对终端进行传输速率控制，仿真系统的资源利用率，仿真结果如图3所示。

从图3可见，本发明的干扰感知的合作速率分配方法和现有RCG速率控制方法都能在系统内用户数增多的情况下，提升系统的资源利用率，相对于现有RCG速率控制方法，使用本发明后系统资源利用率有所降低，这是由于本发明预测的干扰值相对于真实的干扰值存在一定误差，不能很好的反映每个终端实际受到的干扰情况。

仿真2，在系统终端数由10个增加到45个的条件下，分别采用RCG速率控制方法和本发明速率控制方法对终端进行传输速率控制，仿真速率更新迭代次数，仿真结果如图4所示。

从图4可见，本发明的干扰感知的合作速率分配方法和现有RCG速率控制方法都在系统内用户数增多的情况下用户公平性下降，但是，相对于现有RCG速率控制方法，本发明的方法能够提高系统内终端公平性，这是由于本发明使用了全局效用信息作为分配终端速率的依据，网络重构控制模块在掌握全局信息后能够做出相对合理的分配速率方案。

术语解释：

RNRM：Radio Access Network Reconfiguration Manager，网络重构管理模块

RMC：Radio Measurement Collector，网络测量收集模块

RRC：Radio Reconfiguration Controller，网络重构控制模块

TRM：Terminal Reconfiguration Manager，终端重构管理模块

CDMA-HDR：Code Division Multiple Access-High Data Rate，码分多址高速率传输系统。

Claims (2)

1.一种干扰感知的合作速率分配方法，包括如下步骤： 

(1)用无线接入网一侧的网络重构管理模块RNRM和终端一侧的终端重构管理模块TRM构成底层速率控制环，并控制网络重构管理模块RNRM与终端重构管理模块TRM之间的信息交互维持在分秒级； 

(2)网络重构管理模块RNRM搜集系统内N个终端重构管理模块TRM上报的非合作速率请求信息φ_i和初始虚拟干扰信息其中非合作速率请求信息φ_i是终端根据自身业务对于速率的偏好选择的传输速率，初始虚拟干扰信息是终端感知的自身受到的干扰状况，N为系统内所有的终端，i∈N； 

(3)初始化： 

网络重构管理模块RNRM建立终端速率分配列表，并将N个终端的非合作速率请求信息φ_i作为初始终端虚拟传输速率存入终端速率分配列表中； 

网络重构管理模块RNRM定义N个终端的速率分配终止门限，并对这些门限进行初始化，统一表示为ξ,ξ＞0； 

网络重构控制模块RRC定义N个终端的干扰预测步长υ^(t)，并对这些步长进行初始化，统一表示为υ⁽⁰⁾＝1，i∈N； 

(4)网络重构管理模块RNRM在终端速率分配列表中选择终端作为终端集合K，并对集合内终端进行虚拟速率分配，如果终端速率分配列表为空，则速率分配执行完毕，否则执行步骤(5)； 

(5)网络重构管理模块RNRM根据在t时刻终端集合K内的所有终端的虚拟传输速率和虚拟干扰信息计算t时刻终端集合K内所有终端效用值

式中，第一项表示第j个终端对于传输速率的感受质量，第二项表示第j个终端对于感受到干扰的惩罚，α_j为第j个终端的t时刻的感受质量的权重因子，β_j为 第j个终端的t时刻的干扰惩罚项的权重因子，网络重构管理模块RNRM根据在第j个终端上运行的业务对于速率的感受质量和干扰惩罚的侧重，选择权重因子α_j、β_j，j表示终端集合K内的第j个终端，j∈K； 

(6)网络重构管理模块RNRM根据系统中N个终端在t时刻的效用值，计算t时刻的全局效用值u^(t)： 

式中，表示第i个终端的效用值，N表示系统内的终端数； 

(7)无线接入网中的网络测量收集模块RMC根据在t时刻的全局效用值u^(t)和终端集合K内所有终端的虚拟干扰信息以及干扰预测步长υ^(t)，预测t+1时刻终端集合K内所有终端的虚拟干扰信息

式中，C_s表示系统容量，ω为收敛因子，取值为ω＝2，j表示终端集合K内的第j个终端，j∈K； 

(8)网络重构管理模块RNRM根据在t+1时刻终端集合K内所有终端的虚拟干扰信息和非合作速率请求信息φ_j，计算t+1时刻终端集合K内所有终端的虚拟传输速率

式中，λ_j为第j个终端的拉格朗日乘子，取值为λ_j＝10； 

(9)网络重构管理模块RNRM计算终端集合K内所有终端t时刻虚拟传输速率和t+1时刻虚拟传输速率的差值绝对值当|ρ_j ^(t+1)-ρ_j ^(t)|＜ξ时，网络重构管理模块RNRM将t时刻第j个终端的虚拟传输速率分配给第j个终端，并将该第j个终端的虚拟传输速率从终端速率分配列表中删去，否则更新终端速率分配列表中 t时刻第j个终端的虚拟传输速率值为同时网络重构控制模块RRC更新干扰预测步长并返回步骤(4)。 

2.如权利要求1中所述方法，其步骤(4)中所述的网络重构管理模块RNRM在终端速率分配列表中选择的终端集合K，包括终端速率分配列表中的所有终端。