CN102984736A - 无线泛在异构网络资源优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了无线泛在异构网络资源优化方法，所述方法通过构建异构网络资源优化模型，采用非合作博弈论方法进行信道分配，对于各类终端设备建立效用函数，之后利用拉格朗日算子法将异构网络资源优化公式分解，分别求解各个网络的吞吐量优化方法，最后根据吞吐量与带宽关系得出应分配的带宽数目；所述方法根据信道变化状况，随时为不同终端提供相应带宽，以保证网络接入公平性的同时最大化带宽利用率，在充分考虑信道变化的前提下，最优化不同终端带宽分配，实现了异构网络无线资源最优化利用。

Description

无线泛在异构网络资源优化方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，具体指的是无线泛在异构网络资源优化方法。

背景技术

无线泛在网络是不同的网络技术相互融合，以实现任何时间、地点、任何人和物之间通信为目标的网络。异构网络融合实现了各种无线通信网络之间互联互通、数据无缝连接以及对用户的透明化，继而满足用户日益增长的无线需求，为用户带来前所未有的业务体验，近年来引起了广泛关注。然而，由于无线频谱资源的宝贵性，在保证用户QoE的条件下如何分配资源成为了异构网络融合后急需解决的问题。资源优化是指有限带宽的条件下充分利用网络中现有频谱资源，在网络话务量分布不均匀、信道特性因信道衰弱和干扰而起伏变化等情况下，灵活分配和动态调整无线传输部分和网络的可用资源，在充分利用资源情况下各个网络均能最大化其数据传输能力，为无线用户终端提供业务质量保障。无线异构网络与单一网络相比，网络交互更加频繁，资源利用也更加复杂，这就需要设计有效的规模化无线资源管理机制，能够同时满足服务提供者和消费者需求。

目前常用的几种资源优化方法分为以下几类：联合无线资源管理、动态频谱分配和博弈论方法。联合资源管理集中研究无线网络接入控制策略。动态频谱分配方式该方法根据不同的接入网在不同时刻对于频谱利用情况的差异性，将空闲频谱按需动态分配。博弈论将多用户决策建模，分析博弈过程中博弈主体行为的相互影响，采取最优网络策略。然而，这些方法均未考虑到信道传输过程中损耗对于无线资源的利用率，有可能导致所分配信道无法满足业务QoS需要。

发明内容

本发明针对上述问题，提出无线泛在异构网络资源优化方法，该方法是基于信道状况变化的无线资源分配博弈论方法，以WLAN和蜂窝网为模型，采用博弈论方法对于异构网络无线资源进行优化分配，同时充分考虑信道变化对于终端吞吐量的影响，根据信道变化情况实时为不同终端分配带宽，以保障不同设备吞吐量公平。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案如下：

无线泛在异构网络资源优化方法，所述方法根据信道变化状况，随时为不同终端提供相应带宽，以实现保证网络接入公平性的同时最大化带宽利用率，采用非合作博弈论方法和拉格朗日算子法求解；所述资源优化方法步骤如下：

步骤A，设定博弈主体、策略空间和效用函数；设定WLAN和蜂窝网络的可分配带宽为博弈主体，分别为X_w、Y_c；WLAN和蜂窝网络中的终端设备分为四类，类别标号分别为1,2,3,4：WLAN中多模终端按照业务分为完成实时性业务和非实时性业务终端，数目分别为N₁,N₂，类别标号分别为1,2，WLAN向数目为N₁,N₂的两类移动终端提供带宽资源，WLAN之外蜂窝网中分别完成实时性业务和非实时性业务的终端数目为N₃,N₄，类别号分别为3,4，蜂窝网向所有四类移动终端提供带宽资源；则WLAN的策略空间为：

蜂窝网络的策略空间为：

其中，x₁,x₂是WLAN为1,2两类终端所分配的带宽，y₁,y₂,y₃,y₄分别是蜂窝网为所有四类终端所分配的带宽，B_w,B_c分别为WLAN总带宽和蜂窝网总带宽；

WLAN负责为类别标号1,2的多模终端分配带宽，为终端分配的带宽和终端吞吐量之间满足香农定理，则每个终端所用带宽获得吞吐量为：

$B_w^{x_i}=B_w^{x_i}{\log }_2(1+\frac{S_w}{N_w})=B_w^{x_i}\left[{\log }_2(1+k_w)\right]$

其中，

为WLAN中第i类设备的吞吐量，

为WLAN为第i类设备分配的带宽，S_w为WLAN中信号强度，N_w为WLAN中噪声强度，k_w为WLAN信道增益指数；

同理，蜂窝网络为所有四类终端分配带宽，每类终端所用带宽所获得吞吐量为：

$B_c^{y_j}=B_c^{y_j}{\log }_2(1+\frac{S_c}{N_c})=B_c^{y_j}\left[{\log }_2(1+k_c)\right]$

其中，

为蜂窝网中第j类设备的吞吐量，

为蜂窝网为第j类设备分配的带宽，S_c为蜂窝网中信号强度，N_c为蜂窝网中噪声强度，k_c为蜂窝网信道增益指数；

设WLAN效用函数为U_w，则

其中，U_w(i)为第i类设备的效用函数，i＝1,2；设蜂窝网中网络效用函数为U_c，且

U_c(j)为第j类设备的效用函数，j=1,2,3,4；

则WLAN效用函数表示为：

$U_w=a_1{N}_1\ln (\frac{R_w^{x_1}+R_c^{y_1}}{N_1}*b_1)-a_1{N}_1\ln (\frac{R_c^{y_1}}{N_1}*b_1)+a_2{N}_2\ln (\frac{R_w^{x_2}+R_c^{y_2}}{N_2}*b_2)-a_2{N}_2\ln (\frac{R_c^{y_2}}{N_2}*b_2)$

蜂窝网效用函数表示为：

$U_c=a_1{N}_1\ln (\frac{R_w^{x_1}+R_c^{y_1}}{N_1}*b_1)-a_1{N}_1\ln (\frac{R_w^{x_1}}{N_1}*b_1)+a_2{N}_2\ln (\frac{R_w^{x_2}+R_c^{y_2}}{N_2}*b_2)-a_2{N}_2\ln (\frac{R_w^{x_2}}{N_2}*b_2)$

$+a_1{N}_3\ln (\frac{R_c^{y_3}}{N_3}*b_1)+a_2{N}_4\ln (\frac{R_c^{y_4}}{N_4}*b_2)$

其中，a₁,b₁为两个常数，代表实时性业务权重指数，a₂,b₂同样为两个常数，代表非实时性业务权重指数；

将业务实现时间分为n个时隙，第k个时隙长度为Δt_k；在每个时隙对带宽进行分配以达到最大化系统效用函数，从而实现整体带宽最优化利用；公式表示为：

$\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\{\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{U}_w\left(i\right)*{\mathrm{\Δt}}_k+\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{U}_c\left(j\right)*{\mathrm{\Δt}}_k\}=\mathrm{MAX}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\begin{array}{c}[a_1{N}_1\ln (\frac{R_w^{x_1}+R_c^{y_1}}{N_1}*b_1)-a_1{N}_1\ln (\frac{R_c^{y_1}}{N_1}*b_1)\\ +a_2{N}_2\ln (\frac{R_w^{x_2}+R_c^{y_2}}{N_2}*b_2)-a_2{N}_2\ln (\frac{R_c^{y_2}}{N_2}*b_2)]*{\mathrm{\Δt}}_k\\ +[a_1{N}_1\ln (\frac{R_w^{x_1}+R_c^{y_1}}{N_1}*b_1)-a_1{N}_1\ln (\frac{R_w^{x_1}}{N_1}*b_1)\\ +a_2{N}_2\ln (\frac{R_w^{x_2}+R_c^{y_2}}{N_2}*b_2)-a_2{N}_2\ln (\frac{R_w^{x_2}}{N_2}*b_2)\\ +a_1{N}_3\ln (\frac{R_c^{y_3}}{N_3}*b_1)+a_2{N}_4\ln (\frac{R_c^{y_4}}{N_4}*b_2)]{\mathrm{\Δt}}_k\end{array}\right\}$

$s.t.R_w^{x_i}=B_w^{x_i}{\log }_2(1+\frac{S_w}{N_w})=B_w^{x_i}\left[{\log }_2(1+k_w)\right]$

$R_w^{y_i}=B_w^{y_i}{\log }_2(1+\frac{S_c}{N_c})=B_c^{y_i}\left[{\log }_2(1+k_c)\right]$

$\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{B}_w^{x_i}\≤B_w$

$\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{B}_c^{y_i}\≤B_c$

步骤B，引人拉格朗日算子法求解四类终端最优化信道带宽；

设λ为拉格朗日算子，WLAN获得最大效用的拉格朗日函数定义如下：

$L(R_w^{x_i},\mathrm{\λ})=U_w-\mathrm{\λ}[\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{R}_w^{x_i}-B_w*{\log }_2(1+k_w)]$

其中，U_w是WLAN的效用函数，

是第i类设备在WLAN中吞吐量，B_w为WLAN信道带宽，k_w为WLAN中信道增益指数；

分别对λ和求导，得出：

$\frac{a_1{N}_1}{R_w^{x_1}+R_c^{y_1}}=\frac{a_2{N}_2}{R_w^{x_2}+R_c^{y_2}}$

$R_w=\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{R}_w^{x_i}=B_w*{\log }_2(1+k_w)$

其中，R_w为WLAN中各类终端吞吐量之和，B_w为WLAN整体带宽；

同理，蜂窝网获得最大效用的拉格朗日函数定义为：

$L(R_c^{y_i},\mathrm{\λ})=U_c-\mathrm{\λ}[\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{R}_c^{y_j}-B_c*{\log }_2(1+k_c)]$

其中，U_c是蜂窝网效用函数，

是第j类设备在蜂窝网中吞吐量，B_c为蜂窝网信道带宽，k_c为蜂窝网中信道增益指数；

分别对λ和

求导，得出

$\frac{a_1{N}_1}{R_w^{x_1}+R_c^{y_1}}=\frac{a_2{N}_2}{R_w^{x_2}+R_c^{y_2}}=\frac{a_1{N}_3}{R_c^{y_3}}=\frac{a_2{N}_4}{R_c^{y_4}}$

$R_c=\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{R}_w^{y_i}=B_c*{\log }_2(1+k_c)$

其中，R_c为蜂窝网中各类终端吞吐量之和，B_c为蜂窝网整体带宽；

进一步，得出各类终端最优化终端吞吐量分别为：

$R_w^{x_1}=\frac{{\mathrm{\θa}}_1{N}_1{R}_w}{R_c{+R}_w-R_c^{y_3}-R_c^{y_4}}$

$R_w^{x_2}=\frac{{\mathrm{\θa}}_2{N}_2{R}_w}{R_c{+R}_w-R_c^{y_3}-R_c^{y_4}}$

$R_c^{y_1}=\frac{{\mathrm{\θa}}_1{N}_1(R_c-R_c^{y_3}-R_c^{y_4})}{R_c{+R}_w-R_c^{y_3}-R_c^{y_4}}$

$R_c^{y_2}=\frac{{\mathrm{\θa}}_2{N}_2(R_c-R_c^{y_3}-R_c^{y_4})}{R_c{+R}_w-R_c^{y_3}-R_c^{y_4}}$

$R_c^{y_3}={\mathrm{\θa}}_1{N}_3$

$R_c^{y_4}={\mathrm{\θa}}_2{N}_4$

其中， $\mathrm{\θ}=\frac{R_c+R_w}{a_1(N_1+N_3)+a_2(N_2+N_4)};$

进一步，针对k_w,k_c的值随着信道状态不断变化，为了满足各类终端设备完成业务所需吞吐量，需对带宽进行动态分配；所述四类终端所需分配带宽分别为：

$B_c^{y_4}=\frac{{\mathrm{\θa}}_2{N}_4}{{\log }_2(1+k_c)}$

$B_c^{y_3}=\frac{{\mathrm{\θa}}_1{N}_3}{{\log }_2(1+k_c)}$

$B_c^{y_2}=\frac{{\mathrm{\θa}}_2{N}_2(R_c-{\mathrm{\θa}}_1{N}_3-{\mathrm{\θa}}_2{N}_4)}{(R_c+R_w-{\mathrm{\θa}}_1{N}_3-{\mathrm{\θa}}_2{N}_4){\log }_2(1+k_c)}$

$B_c^{y_1}=\frac{{\mathrm{\θa}}_1{N}_1(R_c-{\mathrm{\θa}}_1{N}_3-{\mathrm{\θa}}_2{N}_4)}{(R_c+R_w-{\mathrm{\θa}}_1{N}_3-{\mathrm{\θa}}_2{N}_4){\log }_2(1+k_c)}$

$B_w^{x_1}=\frac{{\mathrm{\θa}}_1{N}_1{R}_w}{(R_c+R_w-{\mathrm{\θa}}_1{N}_3-{\mathrm{\θa}}_2{N}_4){\log }_2(1+k_w)}$

$B_w^{x_2}=\frac{{\mathrm{\θa}}_2{N}_2{R}_w}{(R_c+R_w-{\mathrm{\θa}}_1{N}_3-{\mathrm{\θa}}_2{N}_4){\log }_2(1+k_w)}$

其中，信道增益满足： $\frac{R_w}{\mathrm{\Δt}}=B_w*{\log }_2(1+k_w),$ $\frac{R_c}{\mathrm{\Δt}}=B_c*{\log }_2(1+k_c),$ 由该公式可以确定新的信道增益指数k_w,k_c；进而得出在各个时间间隔内应该为某一类终端设备分配的带宽。

本发明的有益效果是：本发明提出了无线泛在异构网络资源优化方法，所述方法通过构建异构网络资源优化模型，采用非合作博弈论方法进行信道分配，对于各类终端设备建立效用函数，之后利用拉格朗日算子法将异构网络资源优化公式分解，分别求解各个网络的吞吐量优化方法，最后根据吞吐量与带宽关系得出应分配的带宽数目；所述方法根据信道变化状况，随时为不同终端提供相应带宽，以保证网络接入公平性的同时最大化带宽利用率，在充分考虑信道变化的前提下，最优化不同终端带宽分配，实现了异构网络无线资源最优化利用。

附图说明

图1为异构网络模型示意图。

图2为无线泛在异构网络资源优化方法流程图。

具体实施方式

为了更加详细的描述本发明提出的无线泛在异构网络资源优化方法，结合附图，举例说明如下：

如图1所示，一个蜂窝网基站覆盖范围中由一个AP接入点的模型。其中A1为WLAN和蜂窝网重叠覆盖范围，A2为蜂窝网覆盖范围。A1中设备既能接入蜂窝网，也能接入WLAN，A2中设备只能接入蜂窝网。设A1区域中多模终端按照业务分为完成实时性业务终端和非实时性业务终端两类，数目分别为N₁,N₂，A2区域中完成实时性业务和非实时性业务的终端数目分别为N₃,N₄，两种网络可供分配带宽分别为B_w,B_c。

在该优化模型中，如何在最大化利用网络资源的同时保证设备吞吐量公平是需要解决的核心问题，为此，本发明提出了一种根据信道状况，随时为不同终端提供相应带宽，以实现保证网络接入公平性的同时最大化带宽利用率的方法，该方法采用非合作博弈论方法和拉格朗日算子法求解，具有严密的数学逻辑型。

本发明无线泛在异构网络资源优化方法，所述资源优化方法采用博弈论方法，首先设定博弈主体、策略空间和效用函数。假设WLAN和蜂窝网络可分配带宽为博弈主体，WLAN向N₁,N₂两类设备提供带宽资源，蜂窝网向N₁,N₂,N₃,N₄四类设备提供带宽资源，则WLAN的策略空间为：

的策略空间，x₁,x₂分别为WLAN为N₁,N₂两类终端所分配的带宽，y₁,y₂,y₃,y₄分别为蜂窝网为N₁,N₂,N₃,N₄四类终端所分配的带宽，B_w,B_c分别为WLAN总带宽和蜂窝网总带宽。

设WLAN负责为A1区域多模终端分配带宽，为终端分配的带宽和终端吞吐量之间满足香农定理，则每类终端所用带宽获得吞吐量为：

$B_w^{x_i}=B_w^{x_i}{\log }_2(1+\frac{S_w}{N_w})=B_w^{x_i}\left[{\log }_2(1+k_w)\right]---\left(1\right)$

其中，为WLAN中第i类设备的吞吐量，

为WLAN为第i类设备分配的带宽，S_w为WLAN中信号强度，N_w为WLAN中噪声强度，k_w为WLAN信道增益指数。

同理，蜂窝网络为A1，A2区域中四类终端分配带宽，每类终端所用带宽获得吞吐量为：

$B_c^{y_j}=B_c^{y_j}{\log }_2(1+\frac{S_c}{N_c})=B_c^{y_j}\left[{\log }_2(1+k_c)\right]---\left(2\right)$

其中，

为蜂窝网中第j类设备的吞吐量，

为蜂窝网为第j类设备分配的带宽，S_c为蜂窝网中信号强度，N_c为蜂窝网中噪声强度，k_c为蜂窝网信道增益指数。

设WLAN效用函数为U_w，则其中i＝1,2。设蜂窝网中网络效用函数为U_c，且

j=1,2,3,4。

则WLAN效用函数表示为：

$U_w=a_1{N}_1\ln (\frac{R_w^{x_1}+R_c^{y_1}}{N_1}*b_1)-a_1{N}_1\ln (\frac{R_c^{y_1}}{N_1}*b_1)+a_2{N}_2\ln (\frac{R_w^{x_2}+R_c^{y_2}}{N_2}*b_2)-a_2{N}_2\ln (\frac{R_c^{y_2}}{N_2}*b_2)$

$\left(3\right)$

蜂窝网效用函数表示为：

$U_c=a_1{N}_1\ln (\frac{R_w^{x_1}+R_c^{y_1}}{N_1}*b_1)-a_1{N}_1\ln (\frac{R_w^{x_1}}{N_1}*b_1)+a_2{N}_2\ln (\frac{R_w^{x_2}+R_c^{y_2}}{N_2}*b_2)-a_2{N}_2\ln (\frac{R_w^{x_2}}{N_2}*b_2)$

$+a_1{N}_3\ln (\frac{R_c^{y_3}}{N_3}*b_1)+a_2{N}_4\ln (\frac{R_c^{y_4}}{N_4}*b_2)$

$\left(4\right)$

其中，a₁,b₁为两个常数，代表实时性业务权重指数，a₂,b₂同样为两个常数，代表非实时性业务权重指数。

在信道状况不存在差异的情况下，终端吞吐量和所分配带宽保持一致性，带宽平均分配即可保证系统资源利用公平性。在信道状况存在较大差异的情况下，根据信道状况制定异构网络资源优化方法，从而保证能够满足终端吞吐量公平性。为了保证带宽分配能够及时根据信道状况进行调整，本发明提出将业务实现时间分为n个时隙，每个时隙长度为Δt。在每个时隙对带宽进行分配以达到最大化系统效用函数，从而实现整体带宽最优化利用。系统目标是考虑信道变化情况下对带宽进行合理分配，最大化网络资源利用，用公式表示为：

$\mathrm{Max}$

$\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\{\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{U}_w\left(i\right)*{\mathrm{\Δt}}_k+\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{U}_c\left(j\right)*{\mathrm{\Δt}}_k\}=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\begin{array}{c}[a_1{N}_1\ln (\frac{R_w^{x_1}+R_c^{y_1}}{N_1}*b_1)-a_1{N}_1\ln (\frac{R_c^{y_1}}{N_1}*b_1)\\ +a_2{N}_2\ln (\frac{R_w^{x_2}+R_c^{y_2}}{N_2}*b_2)-a_2{N}_2\ln (\frac{R_c^{y_2}}{N_2}*b_2)]*{\mathrm{\Δt}}_k\\ +[a_1{N}_1\ln (\frac{R_w^{x_1}+R_c^{y_1}}{N_1}*b_1)-a_1{N}_1\ln (\frac{R_w^{x_1}}{N_1}*b_1)\\ +a_2{N}_2\ln (\frac{R_w^{x_2}+R_c^{y_2}}{N_2}*b_2)-a_2{N}_2\ln (\frac{R_w^{x_2}}{N_2}*b_2)\\ +a_1{N}_3\ln (\frac{R_c^{y_3}}{N_3}*b_1)+a_2{N}_4\ln (\frac{R_c^{y_4}}{N_4}*b_2)]{\mathrm{\Δt}}_k\end{array}\right\}$

$s.t.R_w^{x_i}=B_w^{x_i}{\log }_2(1+\frac{S_w}{N_w})=B_w^{x_i}\left[{\log }_2(1+k_w)\right]$

$R_w^{y_i}=B_w^{y_i}{\log }_2(1+\frac{S_c}{N_c})=B_c^{y_i}\left[{\log }_2(1+k_c)\right]$

$\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{B}_w^{x_i}\≤B_w---\left(5\right)$

$\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{B}_c^{y_j}\≤B_c$

为了得到博弈的纳什均衡，对方程（3）、（4）、（5）进行求解，利用拉格朗日算子法分别求解WLAN和蜂窝网络资源分配策略。

设λ为拉格朗日算子，根据公式（3），WLAN获得最大效用的拉格朗日函数定义如下：

$L(R_w^{x_i},\mathrm{\λ})=U_w-\mathrm{\λ}[\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{R}_w^{x_i}-B_w*{\log }_2(1+k_w)]---\left(6\right)$

其中，U_w是WLAN的效用函数，是第i类设备在WLAN中吞吐量，B_w为WLAN信道带宽，k_w为WLAN中信道增益指数。

同理，根据公式（4）得出蜂窝网获得最大效用的拉格朗日函数定义为：

$L(R_c^{y_i},\mathrm{\λ})=U_c-\mathrm{\λ}[\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{R}_c^{y_j}-B_c*{\log }_2(1+k_c)]---\left(7\right)$

其中，U_c是蜂窝网效用函数，

是第j类设备在蜂窝网中吞吐量，B_c为蜂窝网信道带宽，k_c为蜂窝网中信道增益指数。

对于公式（6）求解，分别对λ和求导，得出：

$\frac{a_1{N}_1}{R_w^{x_1}+R_c^{y_1}}=\frac{a_2{N}_2}{R_w^{x_2}+R_c^{y_2}}---\left(8\right)$

$R_w=\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{R}_w^{x_i}=B_w*{\log }_2(1+k_w)---\left(9\right)$

其中，R_w为WLAN中各类终端吞吐量之和，B_w为WLAN整体带宽。

对公式（7）求解，分别对λ和

求导，得出

$\frac{a_1{N}_1}{R_w^{x_1}+R_c^{y_1}}=\frac{a_2{N}_2}{R_w^{x_2}+R_c^{y_2}}=\frac{a_1{N}_3}{R_c^{y_3}}=\frac{a_2{N}_4}{R_c^{y_4}}---\left(10\right)$

$R_c=\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{R}_w^{y_j}=B_c*{\log }_2(1+k_c)---\left(11\right)$

其中，R_c为蜂窝网中各类终端吞吐量之和，B_c为蜂窝网整体带宽。

将公式（8）、（9）、（10）、（11）求解可得出最优策略下各个终端吞吐量。

令R_w=B_w*log₂(1+k_w),R_c=B_c*log₂(1+k_c),

经过计算，得出各类终端最优化终端吞吐量分别为：

$R_w^{x_1}=\frac{{\mathrm{\θa}}_1{N}_1{R}_w}{R_c{+R}_w-R_c^{y_3}-R_c^{y_4}}---\left(12\right)$

$R_w^{x_2}=\frac{{\mathrm{\θa}}_2{N}_2{R}_w}{R_c{+R}_w-R_c^{y_3}-R_c^{y_4}}---\left(13\right)$

$R_c^{y_1}=\frac{{\mathrm{\θa}}_1{N}_1(R_c-R_c^{y_3}-R_c^{y_4})}{R_c{+R}_w-R_c^{y_3}-R_c^{y_4}}---\left(14\right)$

$R_c^{y_2}=\frac{{\mathrm{\θa}}_2{N}_2(R_c-R_c^{y_3}-R_c^{y_4})}{R_c{+R}_w-R_c^{y_3}-R_c^{y_4}}---\left(15\right)$

$R_c^{y_3}={\mathrm{\θa}}_1{N}_3---\left(16\right)$

$R_c^{y_4}={\mathrm{\θa}}_2{N}_4---\left(17\right)$

由于k_w,k_c的值随着信道状态不断变化，因此，为了保证在设备完成业务期间实现各个设备吞吐量公平性，需对带宽进行动态分配，其中，带宽与信道增益的关系为：

$B_c^{y_4}=\frac{{\mathrm{\θa}}_2{N}_4}{{\log }_2(1+k_c)}---\left(18\right)$

$B_c^{y_3}=\frac{{\mathrm{\θa}}_1{N}_3}{{\log }_2(1+k_c)}---\left(19\right)$

$B_c^{y_2}=\frac{{\mathrm{\θa}}_2{N}_2(R_c-{\mathrm{\θa}}_1{N}_3-{\mathrm{\θa}}_2{N}_4)}{(R_c+R_w-{\mathrm{\θa}}_1{N}_3-{\mathrm{\θa}}_2{N}_4){\log }_2(1+k_c)}---\left(20\right)$

$B_c^{y_1}=\frac{{\mathrm{\θa}}_1{N}_1(R_c-{\mathrm{\θa}}_1{N}_3-{\mathrm{\θa}}_2{N}_4)}{(R_c+R_w-{\mathrm{\θa}}_1{N}_3-{\mathrm{\θa}}_2{N}_4){\log }_2(1+k_c)}---\left(21\right)$

$B_c^{x_1}=\frac{{\mathrm{\θa}}_1{N}_1{R}_w}{(R_c+R_w-{\mathrm{\θa}}_1{N}_3-{\mathrm{\θa}}_2{N}_4){\log }_2(1+k_w)}---\left(22\right)$

$B_c^{x_2}=\frac{{\mathrm{\θa}}_2{N}_2{R}_w}{(R_c+R_w-{\mathrm{\θa}}_1{N}_3-{\mathrm{\θa}}_2{N}_4){\log }_2(1+k_w)}---\left(23\right)$

其中，k_w,k_c分别表示WLAN中终端信道增益和蜂窝网中终端信道增益，根据信道反馈值求出。进而由上述关系式可推出在各个时间间隔内应该为某一类终端分配的带宽，且该分配方法基于实时信道状况和博弈论理论，能够实现保证终端吞吐量公平性和信道资源优化利用。

如图2所示无线泛在异构网络资源优化方法流程图，本实施例实现步骤如下：

第一步：建立网络拓扑，初始化网络环境（如终端数目、终端类型、网络带宽B_w,B_c、预设WLAN信号强度S_w、噪声强度N_w、蜂窝网信号强度S_c、噪声强度N_c以及定时反馈时间Δt）。

第二步：根据第一步设置参数及公式（12）-（17）确定各类设备的最优化吞吐量

第三步：进一步根据公式（18）-（23）计算分配给各个设备带宽

第四步：每隔Δt，基站向各个终端发出信道情况反馈请求，收集不同网络中终端吞吐量信息R_w,R_c，其中R_w为WLAN网络中各类终端吞吐量总和，R_c为蜂窝网中各类终端吞吐量总和。

第五步：基站从终端所获得的终端吞吐量、所分配带宽关系及时间间隔Δt满足如下关系： $\frac{R_w}{\mathrm{\Δt}}=B_w*{\log }_2(1+k_w),$ $\frac{R_c}{\mathrm{\Δt}}=B_c*{\log }_2(1+k_c),$ 其中R_w,R_c分别为基站获得的WLAN及蜂窝网中各类终端吞吐量之和，B_w,B_c分别为WLAN及蜂窝网总带宽，由该公式可以确定新的信道增益指数k_w,k_c。

第六步：判断业务是否完成，若完成，结束信道优化分配过程，若未完成，则据新的信道增益指数k_w,k_c和公式（12）-（23）重新计算各个终端吞吐量信息及带宽分配方案，之后转向第四步。

Claims (1)

1.无线泛在异构网络资源优化方法，所述方法根据信道变化状况，随时为不同终端提供相应带宽，以实现保证网络接入公平性的同时最大化带宽利用率，采用非合作博弈论方法和拉格朗日算子法求解；所述资源优化方法步骤如下：

步骤A，设定博弈主体、策略空间和效用函数；

WLAN和蜂窝网络中的终端设备分为四类，类别标号分别为1,2,3,4：WLAN中多模终端按照业务分为完成实时性业务和非实时性业务终端，数目分别为N₁,N₂，类别标号分别为1,2，WLAN向数目为N₁,N₂的两类移动终端提供带宽资源，WLAN之外蜂窝网中分别完成实时性业务和非实时性业务的终端数目为N₃,N₄，类别号分别为3,4，蜂窝网向所有四类移动终端提供带宽资源；

设定WLAN和蜂窝网络的可分配带宽为博弈主体，分别为X_w、Y_c；

WLAN的策略空间为： $X_w=\left\{(x_1,x_2)\right|\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\≤B_w\},$

蜂窝网络的策略空间为： $Y_c=\left\{(y_1,y_2,y_3,y_4)\right|\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\≤B_c\};$

其中，x₁,x₂是WLAN为1,2两类终端所分配的带宽，y₁,y₂,y₃,y₄分别是蜂窝网为所有四类终端所分配的带宽，B_w,B_c分别为WLAN总带宽和蜂窝网总带宽；

WLAN负责为类别标号1,2的多模终端分配带宽，为终端分配的带宽和终端吞吐量之间满足香农定理，则每个终端所用带宽和吞吐量的关系为：

$B_w^{x_i}=B_w^{x_i}{\log }_2(1+\frac{S_w}{N_w})=B_w^{x_i}\left[{\log }_2(1+k_w)\right]$

其中，

为WLAN中第i类设备的吞吐量，

为WLAN为第i类设备分配的带宽，i＝1,2；S_w为WLAN中信号强度，N_w为WLAN中噪声强度，k_w为WLAN信道增益指数；

同理，蜂窝网络为所有四类终端分配带宽，每类终端所用带宽所获得吞吐量为：

$B_c^{y_j}=B_c^{y_j}{\log }_2(1+\frac{S_c}{N_c})=B_c^{y_j}\left[{\log }_2(1+k_c)\right]$

其中，

为蜂窝网中第j类设备的吞吐量，

为蜂窝网为第j类设备分配的带宽，j=1,2,3,4；S_c为蜂窝网中信号强度，N_c为蜂窝网中噪声强度，k_c为蜂窝网信道增益指数；

设WLAN效用函数为U_w，则

其中，U_w(i)为第i类设备的效用函数，i＝1,2；设蜂窝网中网络效用函数为U_c，且

U_c(j)为第j类设备的效用函数，j=1,2,3,4；

则WLAN效用函数表示为：

$U_w=a_1{N}_1\ln (\frac{R_w^{x_1}+R_c^{y_1}}{N_1}*b_1)-a_1{N}_1\ln (\frac{R_c^{y_1}}{N_1}*b_1)+a_2{N}_2\ln (\frac{R_w^{x_2}+R_c^{y_2}}{N_2}*b_2)-a_2{N}_2\ln (\frac{R_c^{y_2}}{N_2}*b_2)$

蜂窝网效用函数表示为：

$U_c=a_1{N}_1\ln (\frac{R_w^{x_1}+R_c^{y_1}}{N_1}*b_1)-a_1{N}_1\ln (\frac{R_w^{x_1}}{N_1}*b_1)+a_2{N}_2\ln (\frac{R_w^{x_2}+R_c^{y_2}}{N_2}*b_2)-a_2{N}_2\ln (\frac{R_w^{x_2}}{N_2}*b_2)$

$+a_1{N}_3\ln (\frac{R_c^{y_3}}{N_3}*b_1)+a_2{N}_4\ln (\frac{R_c^{y_4}}{N_4}*b_2)$

其中，a₁,b₁为两个常数，代表实时性业务权重指数，a₂,b₂同样为两个常数，代表非实时性业务权重指数；

将业务实现时间分为n个时隙，n值由无线网络系统决定；第k个时隙长度为Δt_k=Δt，为常数；在每个时隙对带宽进行分配以达到最大化系统效用函数，从而实现整体带宽最优化利用；公式表示为：

$\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\{\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{U}_w\left(i\right)*{\mathrm{\Δt}}_k+\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{U}_c\left(j\right)*{\mathrm{\Δt}}_k\}=\mathrm{MAX}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\begin{array}{c}[a_1{N}_1\ln (\frac{R_w^{x_1}+R_c^{y_1}}{N_1}*b_1)-a_1{N}_1\ln (\frac{R_c^{y_1}}{N_1}*b_1)\\ +a_2{N}_2\ln (\frac{R_w^{x_2}+R_c^{y_2}}{N_2}*b_2)-a_2{N}_2\ln (\frac{R_c^{y_2}}{N_2}*b_2)]*{\mathrm{\Δt}}_k\\ +[a_1{N}_1\ln (\frac{R_w^{x_1}+R_c^{y_1}}{N_1}*b_1)-a_1{N}_1\ln (\frac{R_w^{x_1}}{N_1}*b_1)\\ +a_2{N}_2\ln (\frac{R_w^{x_2}+R_c^{y_2}}{N_2}*b_2)-a_2{N}_2\ln (\frac{R_w^{x_2}}{N_2}*b_2)\\ +a_1{N}_3\ln (\frac{R_c^{y_3}}{N_3}*b_1)+a_2{N}_4\ln (\frac{R_c^{y_4}}{N_4}*b_2)]{\mathrm{\Δt}}_k\end{array}\right\}$

$s.t.R_w^{x_i}=B_w^{x_i}{\log }_2(1+\frac{S_w}{N_w})=B_w^{x_i}\left[{\log }_2(1+k_w)\right]$

$R_w^{y_i}=B_w^{y_i}{\log }_2(1+\frac{S_c}{N_c})=B_c^{y_i}\left[{\log }_2(1+k_c)\right]$

$\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{B}_w^{x_i}\≤B_w$

$\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{B}_c^{y_i}\≤B_c$

步骤B，引人拉格朗日算子法求解四类终端最优化信道带宽；

设λ为拉格朗日算子，WLAN获得最大效用的拉格朗日函数定义如下：

$L(R_w^{x_i},\mathrm{\λ})=U_w-\mathrm{\λ}[\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{R}_w^{x_i}-B_w*{\log }_2(1+k_w)]$

分别对λ和

求导，得出：

$\frac{a_1{N}_1}{R_w^{x_1}+R_c^{y_1}}=\frac{a_2{N}_2}{R_w^{x_2}+R_c^{y_2}}$

$R_w=\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{R}_w^{x_i}=B_w*{\log }_2(1+k_w)$

其中，R_w为WLAN中各类终端吞吐量之和；

同理，蜂窝网获得最大效用的拉格朗日函数定义为：

$L(R_c^{y_i},\mathrm{\λ})=U_c-\mathrm{\λ}[\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{R}_c^{y_j}-B_c*{\log }_2(1+k_c)]$

分别对λ和

求导，得出

$\frac{a_1{N}_1}{R_w^{x_1}+R_c^{y_1}}=\frac{a_2{N}_2}{R_w^{x_2}+R_c^{y_2}}=\frac{a_1{N}_3}{R_c^{y_3}}=\frac{a_2{N}_4}{R_c^{y_4}}$

$R_c=\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{R}_w^{y_i}=B_c*{\log }_2(1+k_c)$

其中，R_c为蜂窝网中各类终端吞吐量之和；

进一步，得出各类终端最优化终端吞吐量分别为：

$R_w^{x_1}=\frac{{\mathrm{\θa}}_1{N}_1{R}_w}{R_c{+R}_w-R_c^{y_3}-R_c^{y_4}}$

$R_w^{x_2}=\frac{{\mathrm{\θa}}_2{N}_2{R}_w}{R_c{+R}_w-R_c^{y_3}-R_c^{y_4}}$

$R_c^{y_1}=\frac{{\mathrm{\θa}}_1{N}_1(R_c-R_c^{y_3}-R_c^{y_4})}{R_c{+R}_w-R_c^{y_3}-R_c^{y_4}}$

$R_c^{y_2}=\frac{{\mathrm{\θa}}_2{N}_2(R_c-R_c^{y_3}-R_c^{y_4})}{R_c{+R}_w-R_c^{y_3}-R_c^{y_4}}$

$R_c^{y_3}={\mathrm{\θa}}_1{N}_3$

$R_c^{y_4}={\mathrm{\θa}}_2{N}_4$

其中， $\mathrm{\θ}=\frac{R_c+R_w}{a_1(N_1+N_3)+a_2(N_2+N_4)};$

进一步，针对k_w,k_c的值随着信道状态不断变化，信道增益k_w,k_c满足： $\frac{R_w}{\mathrm{\Δt}}=B_w*{\log }_2(1+k_w),$ $\frac{R_c}{\mathrm{\Δt}}=B_c*{\log }_2(1+k_c);$ 为了满足各类终端设备完成业务所需吞吐量，需对带宽进行动态分配；所述四类终端所需分配带宽分别为：

$B_c^{y_4}=\frac{{\mathrm{\θa}}_2{N}_4}{{\log }_2(1+k_c)}$

$B_c^{y_3}=\frac{{\mathrm{\θa}}_1{N}_3}{{\log }_2(1+k_c)}$

$B_c^{y_2}=\frac{{\mathrm{\θa}}_2{N}_2(R_c-{\mathrm{\θa}}_1{N}_3-{\mathrm{\θa}}_2{N}_4)}{(R_c+R_w-{\mathrm{\θa}}_1{N}_3-{\mathrm{\θa}}_2{N}_4){\log }_2(1+k_c)}$

$B_c^{y_1}=\frac{{\mathrm{\θa}}_1{N}_1(R_c-{\mathrm{\θa}}_1{N}_3-{\mathrm{\θa}}_2{N}_4)}{(R_c+R_w-{\mathrm{\θa}}_1{N}_3-{\mathrm{\θa}}_2{N}_4){\log }_2(1+k_c)}$

$B_w^{x_1}=\frac{{\mathrm{\θa}}_1{N}_1{R}_w}{(R_c+R_w-{\mathrm{\θa}}_1{N}_3-{\mathrm{\θa}}_2{N}_4){\log }_2(1+k_w)}$

$B_w^{x_2}=\frac{{\mathrm{\θa}}_2{N}_2{R}_w}{(R_c+R_w-{\mathrm{\θa}}_1{N}_3-{\mathrm{\θa}}_2{N}_4){\log }_2(1+k_w)}$

进而得出在各个时间间隔内为某一类终端设备分配的带宽。

Images