CN103002519A - 干扰感知的非合作速率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种干扰感知的非合作速率控制方法，主要解决现有技术对当前认知网络速率控制信令交互过多的不足。其实现步骤是：(1)网络重构管理实体收集并广播N个终端的初始速率干扰信息；(2)每个终端的终端重构管理模块和终端重构控制模块初始化速率选择信息；(3)每个终端的终端测量收集模块利用t时刻的干扰值和传输速率计算t时刻的效用值；(4)每个终端利用t时刻效用值和t时刻干扰信息预测t+1时刻的干扰值；(5)每个终端利用t+1时刻的干扰值计算t+1时刻的传输速率；(6)重复(3)~(5)，直到所有终端找到最佳传输速率。本发明能有效减少无线接入网和终端的信令交互，且使每个终端选择的传输速率是当前环境下通过自身努力获得的最大传输速率，可用于无线认知网络。

Description

干扰感知的非合作速率控制方法

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(Rate Control Game)。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。全局速率信息收集阶段，无线接入网管理实体使用Zeus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Zeus下发的全局信息后，启动速率传输选择过程。终端速率选择阶段，终端1根据预先设定的代价函数J_i,i∈N，其中N表示系统中的用户ID，并结合网络当前可用带宽，在满足 

条件下，其中 

表示t时刻终端i的传输速率，开启传输速率迭代。在t时刻，从终端1开始试探性的增加传输速率 

i∈N，选择t时刻使传输速率代价函数最小的传输速率为t+1时刻终端1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。无线接入网收到终端1的传输速率 后，更新全局速率信息中终端1的传输速率，并将全局速率信息下发给终端2。终端2收到全局速率信息后执行和终端1相同的操作，以此类推。当终端的传输速率的变化量的绝对值满足|ρ^(t+1)-ρ^(t)|≤ε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。 

以上技术存在以下问题： 

（1）在网络全局信息收集和终端速率选择阶段，由于信息收集载体Zeus和所有终端有大量的信息交互，加重了无线接入网负荷； 

（2）在RCG速率控制算法中，由于一个终端占用过多系统资源造成其他终端必须做出适当让步，使得系统中的用户公平性差。 

发明内容

本发明的目的针对上述已有技术的不足，提出干扰感知的非合作速率控制方法，以解决当前无线接入网和信息收集载体信令交互量过大的问题。 

干扰感知的非合作速率控制方法，包括下列步骤： 

(1)在无线接入网RAN的一侧，网络重构管理实体RNRM收集N个终端感受到的初始速率干扰信息，并广播N个终端的初始速率干扰信息，表示为θ_i ⁽⁰⁾，i∈N，每个终端包括终端重构管理模块TRM、终端测量收集模块TMC和终端重构收集模块TRC； 

(2)在第i个终端的一侧，终端重构管理模块TRM对该第i个终端和无线接入网之间信息的传输速率进行初始化，表示为 

终端重构管理模块TRM对该第i个终端的速率选择终止门限进行初始化，统一表示为ζ，终端重构控制模块TRC对该第i个终端的干扰预测步长进行初始化，统一表示为υ⁽⁰⁾＝1，i∈N，系统内的N个终端同时执行上述操作； 

(3)在第i个终端的一侧，终端测量收集模块TMC根据该第i个终端t时刻的传输速率 

和感受到的干扰值 

计算该第i个终端的效用值 

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

式中，第一项表示第i个终端对于t时刻的传输速率的感受质量，第二项表示第 i个终端对于t时刻的传输速率的惩罚，α_i为第i个终端对于t时刻的感受质量的权重因子，β_i为第i个终端对于t时刻的速率惩罚项的权重因子，第i个终端根据自身对于传输速率的感受质量和传输速率惩罚的侧重，选择权重因子α_i、β_i，i∈N，系统内的N个终端同时执行上述操作； 

(4)在第i个终端的一侧，终端测量收集模块TMC依据第i个终端在t时刻的效用值 

干扰值 

和干扰预测步长υ^(t)，预测第i个终端t+1时刻感受到的干扰值 

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

式中，C_s表示系统容量，ω为收敛因子，取值为ω＝2，i∈N，系统内的N个终端同时执行此操作； 

(5)在第i个终端的一侧，终端重构管理模块TRM根据预测的t+1时刻该第i个终端的干扰值 

选择t+1时刻第i个终端的传输速率 

${\mathrm{\ρ}}_i^{(t+1)}=\frac{{\mathrm{\α}}_i}{{\mathrm{\β}}_i}{\mathrm{\θ}}_i^{(t+1)}-1,$ i∈N； 

(6)在第i个终端的一侧，终端重构管理模块TRM计算该第i个终端当前t时刻的传输速率和t+1时刻的传输速率的差值绝对值，当 

时，终端重构管理模块TRM停止更新第i个终端的传输速率，第i个终端以当前传输速率 

传输信息，否则终端重构控制模块TRC更新干扰预测步长 

并返回步骤(3)。 

本发明具有如下优点： 

1.本发明由于采用每个终端自主选择速率的非合作速率控制方法，有效减少终端和无线接入网之间信息的交互，从而节省时间和信令开销； 

2.本发明由于每个终端能够有效感知干扰信息，使得每个终端得到的传输速率是当前环境下通过自身努力能够得到的最大传输速率。 

仿真结果表明：相对于现有RCG速率控制方法，本发明能够在系统同利用率损失不大的情况下快速收敛，节省信令开销。 

附图说明

图1是本发明的实现流程图； 

图2是本发明使用的场景图； 

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速率控制方法速率更新迭代的次数对比图。 

具体实施方式

参照图1，本发明的具体实施步骤如下： 

步骤1，初始化全局速率干扰信息： 

在无线接入网RAN的一侧，网络重构管理实体RNRM收集N个终端感受到的初始速率干扰信息，并广播N个终端的初始速率干扰信息，表示为θ_i ⁽⁰⁾，i∈N，其中网络重构管理实体RNRM根据当前系统中的终端总数，在区间 

内随机选取每个终端感受到的干扰值，C_s表示系统的容量；所述的每个终端包括终端重构管理模块TRM、终端测量收集模块TMC和终端重构收集模块TRC。 

步骤2，初始化终端速率选择所需信息： 

在第i个终端一侧，终端重构管理模块TRM在区间 

内随机选取第i个终端初始传输速率 终端重构管理模块TRM对第i个终端速率选择终止门限进行初始化，统一表示为ζ，ζ＞0，终端重构控制模块TRC初始化第i个终端的扰预测步长 i∈N，系统内的N个终端同时执行此操作； 

步骤3，选择终端速率： 

(3a)在第i个终端一侧，终端测量收集模块TMC根据第i个终端的t时刻的传输速率ρ_i ^(t)和感受到的干扰信息 

计算第i个终端的t时刻的效用函数值 

效用函数是一种评估传输速率所带来的感受质量的函数，本发明定义效用函数为： 

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

式中，第一项表示第i个终端对于t时刻的传输速率的感受质量，第二项表示第i个终端对于t时刻的传输速率的惩罚，α_i为第i个终端对于t时刻的感受质量的权重因子，β_i为第i个终端对于t时刻的速率惩罚项的权重因子，第i个终端根据自身对于传输速率的感受质量和传输速率惩罚的侧重，选择权重因子α_i、β_i，i∈N； 

(3b)在第i个终端一侧，终端测量收集模块TMC根据t时刻第i个终端的效 

用值 

感受到的干扰信息 

和干扰预测步长υ^(t)，预测t+1时刻该终端感受到的干扰值 

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

式中，C_s表示系统容量，ω为收敛因子，取值为ω＝2，i∈N； 

(3c)在第i个终端一侧，终端重构管理模块TRM根据t+1时刻感受到的干扰值 

计算t+1时刻终端的传输速率 

本发明定义下一时终端传输速率的计算公式： 

${\mathrm{\ρ}}_i^{(t+1)}=\frac{{\mathrm{\α}}_i}{{\mathrm{\β}}_i}{\mathrm{\θ}}_i^{(t+1)}-1,$ i∈N； 

(3d)在第i个终端一侧，终端重构管理模块TRM，计算t时刻传输速率 

和t+1时刻传输速率 

的差值绝对值，当 

时，第i个终端认为已将得到最佳传输速率 

终端重构管理模块TRM不再计算第i个终端的传输速率，第i个终端以当前传输速率 

传输信息，否则终端重构控制模块TRC计算干扰预测步长  ${\mathrm{\υ}}^{\left(t\right)}=\frac{1}{\ln (e+t)},i\∈N;$

(3e)重复步骤(3a)~(3d)，直到系统中的N个终端都找到最佳的传输速率为止。本发明的效果可以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2所示。图2中的每个终端包含终端重构管理模块TRM、终端测量收集模块TMC和终端重构控制模块TRC，其中终端重构管理模块TRM用于选择传输速率，终端测量收集模块TMC用于感知干扰信息，终端重配控制模块TRC用于初始化和计算干扰预测步长。网络重构管理实体RNRM用于向新接入终端广播速率干扰信息。 

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。 

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3可见，本发明的干扰感知速率控制方法和现有RCG速率控制方法都能在系统中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略有降低，这是由本发明中的每个终端独立选择传输速率造成的。 

从图4可见，本发明的干扰感知速率控制方法和现有RCG速率控制方法都能在系统中用户数增多的情况下，速率更新迭代次数变化不大。但是，本发明的方法能够有效降低速率更新迭代次数，从而有效减少了无线接入网和终端之间的信令交互。 

以上仿真结果表明，本发明能够在牺牲少量系统资源利用率的条件下，速率更新迭代次数相对于现有RCG速率控制方法大幅度降低，从而有效减少无线接入网和终端之间的信令交互。 

术语解释： 

RNRM：Radio Access Network Reconfiguration Manager，网络重构管理实体 

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

TMC：Terminal Measurement Collector，终端测量收集模块 

TRC：Terminal Reconfiguration Controller，终端重构控制模块 

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

Claims (4)

1.干扰感知的非合作速率控制方法，包括下列步骤：

(1)在无线接入网RAN的一侧，网络重构管理实体RNRM收集N个终端感受到的初始速率干扰信息，并广播N个终端的初始速率干扰信息，表示为θ_i ⁽⁰⁾，i∈N，每个终端包括终端重构管理模块TRM、终端测量收集模块TMC和终端重构收集模块TRC；

(2)在第i个终端的一侧，终端重构管理模块TRM对第i个终端和无线接入网之间信息的传输速率进行初始化，表示为 

终端重构管理模块TRM对该第i个终端的速率选择终止门限进行初始化，统一表示为ζ，终端重构控制模块TRC对该第i个终端的干扰预测步长进行初始化，统一表示为υ⁽⁰⁾=1，i∈N，系统内的N个终端同时执行上述操作；

(3)在第i个终端的一侧，终端测量收集模块TMC根据该第i个终端t时刻的传输速率 

和感受到的干扰值 

计算该第i个终端的效用值 

式中，第一项表示第i个终端对于t时刻的传输速率的感受质量，第二项表示第i个终端对于t时刻的传输速率的惩罚，α_i为第i个终端对于t时刻的感受质量的权重因子，β_i为第i个终端对于t时刻的速率惩罚项的权重因子，第i个终端根据自身对于传输速率的感受质量和传输速率惩罚的侧重，选择权重因子α_i、β_i，i∈N，系统内的N个终端同时执行上述操作；

(4)在第i个终端的一侧，终端测量收集模块TMC依据第i个终端在t时刻的效用值 

干扰值 和干扰预测步长υ^(t)，预测第i个终端t+1时刻感受到的干扰值 

式中，C_s表示系统容量，ω为收敛因子，取值为ω=2，i∈N，系统内的N个终端同时执行此操作；

(5)在第i个终端的一侧，终端重构管理模块TRM根据预测的t+1时刻该第i个终端的干扰值 

选择t+1时刻第i个终端的传输速率 

i∈N；

(6)在第i个终端的一侧，终端重构管理模块TRM计算该第i个终端当前t时刻的传输速率和t+1时刻的传输速率的差值绝对值 

当 

时，终端重构管理模块TRM停止更新第i个终端的传输速率，第i个终端以当前传输速率 

传输信息，否则终端重构控制模块TRC更新干扰预测步长 

并返回步骤(3)。

2.如权利要求1中所述方法，其中步骤(1)所述的网络重构管理实体RNRM收集N个终端感受到的干扰信息，是根据系统中终端总数N，在区间 

中随机选取每个终端感受到的干扰值，其中C_s为当前系统容量，并广播给每个终端。

3.如权利要求1中所述方法，其步骤(2)所述的终端重构管理模块TRM对该第i个终端和无线接入网之间信息的传输速率进行初始化，是由终端重构管理模块TRM在区间 

中随机选取该第i个终端的初始传输速率                                                   。

4.如权利要求1中所述方法，其中所述步骤(4)中的干扰值 

是指系统内的剩余容量，用公式表示为

其中，j表示系统内的第j个终端，i∈N。 

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