CN103200690B - 一种异构无线网络的分布式资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异构无线网络通信系统的分布式资源分配方法，特征是针对未来通信中具有普遍意义的多无线接入技术系统，在保证下行通信网络总效用下进行的分布式资源分配，将资源分配过程统一处理，通过对偶分解理论和凸优化理论，等效化为每个接入点单独处理的分布式的资源分配方法。由于本发明方法中的接入点根据用户的速率需求进行自适应资源分配，通过引入资源、速率调整因子，经过若干次迭代，可以保证收敛，因此可以优化系统的总效用。本发明提出的资源分配方法易于在现有通信架构上实现，且能够在优化系统总效用的同时保证用户的速率需求。

Description

一种异构无线网络的分布式资源分配方法

技术领域

本发明属于异构无线网络(Heterogeneouswirelessnetworks,HWNs)通信技术领域，具体涉及异构无线网络的分布式资源分配方法。

背景技术

不同无线接入技术(Radioaccesstechnology，RAT)在容量、覆盖、传输速率、移动性支持和业务支持等方面存在着巨大的差异性和互补性，没有任何一种单独的无线接入技术可以同时满足用户各方面的所有需求，未来的无线通信必然是多种无线接入技术的有效融合网络，即为异构无线网络。如何在异构无线网络中进行合理的资源分配是一个越来越重要的研究课题。

《欧洲信号处理协会无线通信与网络杂志》(EURASIPJournalonWirelessCommunicationsandNetworking,2009:104548,2009)中提到了一种异构网络系统中分布式资源分配算法，但该算法应用场景只考虑了时分多址、频分多址以及码分多址接入技术，忽略了现在极为重要的正交频分多址技术，因此该算法无法应用到有正交频分多址存在的异构无线网络通信系统中。

《国际电子与电气工程师协会通信选题杂志》(IEEEJournalOnSelectedAreasInCommunications,Volume30,No.2,2012,pp425-432)中提到一种针对异构无线网络的分布式带宽分配算法，但该算法在分配资源时只考虑了带宽资源，忽略了其他比较重要的资源(如功率资源)，因此该算法不适用于存在功率资源分配的异构无线网络。

发明内容

本发明的目的是提出一种异构无线网络下行传输的分布式资源分配方法，以在满足用户速率范围需求的情况下优化系统的总效用。

本发明异构无线网络的分布式资源分配方法，设在总用户数为M、有N种无线接入技术共存的异构网络系统中，每种无线接入技术在系统中仅有一个接入点；其特征在于各无线接入点、各用户分别根据输入参数和信道参数执行如下操作：

在各无线接入点依次执行以下具体操作步骤：

第一步：对于每个无线接入点n＝1,…,N，以λ_n(i)表示无线接入点n的资源调整因子，初始化无线接入点n在迭代轮次i＝0的资源调整因子λ_n(0)为非负数；

各无线接入点根据用户反馈的信道状态信息、广播信息更新已存储的信息：对于所有的无线接入点n＝1,…,N和用户m＝1,…,M，更新用户m到无线接入点n由小尺度衰落产生的信道增益h_mn，更新用户m到无线接入点n之间的路径损耗l_mn，更新存储的各用户最大速率调整因子v_m(i)和最小速率调整因子μ_m(i)，最大速率调整因子v_m(i)和最小速率调整因子μ_m(i)是由各用户广播的；

第二步：根据各无线接入点n的资源调整因子λ_n(i)，各用户的最大速率调整因子v_m(i)和最小速率调整因子μ_m(i)，和用户m到无线接入点n由小尺度衰落产生的信道增益h_mn，用户m到无线接入点n之间的路径损耗l_mn，根据下行速率计算公式

$r_{nm}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_n/{\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_{nm}+(v_m-{\mathrm{\μ}}_m)}---\left(1\right)$

计算各用户可以从各无线接入点得到的下行速率；式(1)中为中间变量，由中间变量计算公式

计算；式(2)中SINR_nm为无线接入点n到用户m的信干噪比，f(SINR_nm)表示时分/频分系统中每个时间或频率时隙，无线接入点n与用户m间的链路速率，且f(SINR_nm)是非负、非减的信干噪比-速率映射曲线，该f(SINR_nm)是一般由实测得到的与无线接入点的编码和传输技术有关的表格或者曲线；C是与系统带宽和调制方式有关的码分多址系统的容量参数，一般由实测得到；D是码分多址系统误比特率；ρ是干扰调节因子；P_n是码分多址系统无线接入点n发送功率；信噪比间隙Γ是正交频分多址系统目标误比特率BER的函数，Γ＝-ln(5BER)/1.5；N₀为系统中的单边带噪声功率谱密度，h_nm和l_nm分别为用户m到无线接入点n由小尺度衰落产生的信道增益和路径损耗；

第三步：更新迭代轮次i＝i+1，并采用下面的接入点资源调整因子更新公式

更新无线接入点资源调整因子，其中，Ω_n表示无线接入点n的最大资源约束：带宽或者功率资源，δ_λ(i)为资源调整因子迭代步长；

第四步：根据第二步和第三步中的各用户可以从各无线接入点得到的下行速率计算公式(1)的计算结果，判断是否收敛：如果不收敛，则返回第二步；如果收敛，进入第五步；

第五步：输出第二步计算的资源分配方案；

在各用户依次执行以下具体操作步骤：

先与无线接入点同步初始化迭代轮次为i＝0，v_m(i)和μ_m(i)分别为用户m的最大速率调整因子和最小速率调整因子，且初始化各用户在迭代轮次i＝0的最大速率调整因子v_m(0)和最小速率调整因子μ_m(0)为非负数；

再与无线接入点同步更新迭代轮次i＝i+1，并采用下面的用户速率调整因子更新公式

$\begin{array}{c}{v}_m\left(i+1\right)={\[v_m\left(i\right)-{\mathrm{\δ}}_v\left(i\right)\left(R_m^{\max }-\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{r}_{nm}\left(i\right)\right)\]}^{+}\\ {\mathrm{\μ}}_m\left(i+1\right)={\[{\mathrm{\μ}}_m\left(i\right)-{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\μ}}\left(i\right)\left(\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{r}_{nm}\left(i\right)-R_m^{\min }\right)\]}^{+}\end{array}---\left(4\right)$

更新用户速率调整因子，其中和分别表示用户m的最小、最大速率需求，δ_ν(i)和δ_μ(i)分别为最大速率调整因子迭代步长和最小速率调整因子迭代步长；

然后各用户将速率调整因子广播给无线接入点。

与现有资源分配技术相比，本发明的资源分配针对的是未来通信中具有普遍意义的多无线接入技术系统，并且是在保证下行通信网络总效用下进行的分布式资源分配。本发明将资源分配过程的统一处理，通过对偶分解理论和凸优化理论，等效化为每个接入点单独处理的分布式的资源分配方法。由于本发明接入点根据用户的速率需求进行自适应资源分配，通过引入资源、速率调整因子，经过若干次迭代，可以保证收敛，因此可以优化系统的总效用。综上，本发明提出的资源分配方法是分布式的，易于在现有通信架构上实现，且能够在优化系统总效用的同时保证用户的速率需求。

附图说明：

图1为本发明异构无线网络通信系统的资源分配方法的原理框图；

图2为本发明异构无线网络通信系统的资源分配方法的硬件实现系统图；

图3为三种算法下系统总效用对比图；

图4为三种算法下系统中断概率对比图。

具体实施方式：

以下结合附图说明本发明的实施方案。

实施例1：

本实施例采用无线接入技术为通用移动通信系统(UniversalMobileTelecommunicationsSystem,UMTS)、长期演进技术(LongTermEvolution,LTE)、和无线局域网(WirelessLocalAccessNetwork,WLAN)的N＝3异构无线网络。用户的位置随机产生。

仿真统计1000次资源分配的平均结果，从系统总效用和中断概率两方面来考察本发明提出的异构无线网络下行传输的分布式资源分配方法的性能。具体仿真参数设置如下表1所示：

表1参数设置

无线局域网的信干噪比-速率关系表由实测得到，如表2所示：

表2无线局域网(802.11a)信干噪比-速率关系表

速率/Mbps	54	48	36	24	18	12	9	6
									信干噪比/dB	24.6	24	18.8	17	10.8	9	7.8	6

本实施例中，在各无线接入点依次执行以下具体操作步骤：

第一步：对于每个无线接入点n＝1,…,N，以λ_n(i)表示无线接入点n的资源调整因子，初始化无线接入点n在迭代轮次i＝0的资源调整因子λ_n(0)为非负数；

各无线接入点根据用户反馈的信道状态信息、广播信息更新已存储的信息：对于所有的无线接入点n＝1,…,N和用户m＝1,…,M，更新用户m到无线接入点n由小尺度衰落产生的信道增益h_mn，更新用户m到无线接入点n之间的路径损耗l_mn，更新存储的各用户最大速率调整因子v_m(i)和最小速率调整因子μ_m(i)，最大速率调整因子v_m(i)和最小速率调整因子μ_m(i)是由各用户广播的；

第二步：根据各无线接入点n的资源调整因子λ_n(i)，各用户的最大速率调整因子v_m(i)和最小速率调整因子μ_m(i)，和用户m到无线接入点n由小尺度衰落产生的信道增益h_mn，用户m到无线接入点n之间的路径损耗l_mn，根据下行速率计算公式

$r_{nm}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_n/{\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_{nm}+(v_m-{\mathrm{\μ}}_m)}---\left(1\right)$

计算各用户可以从各无线接入点得到的下行速率；式(1)中为中间变量，由中间变量计算公式

计算；式(2)中SINR_nm为无线接入点n到用户m的信干噪比，f(SINR_nm)表示时分/频分系统中每个时间或频率时隙，无线接入点n与用户m间的链路速率，且f(SINR_nm)是非负、非减的信干噪比-速率映射曲线，该f(SINR_nm)与无线接入点的编码和传输技术有关，一般是由实测得到的表格或者曲线；C是与系统带宽和调制方式有关的码分多址系统的容量参数，一般由实测得到；D是码分多址系统误比特率；ρ是干扰调节因子；P_n是码分多址系统无线接入点n发送功率；信噪比间隙Γ是正交频分多址系统目标误比特率BER的函数，Γ＝-ln(5BER)/1.5；N₀为系统中的单边带噪声功率谱密度，h_nm和l_nm分别为用户m到无线接入点n由小尺度衰落产生的信道增益和路径损耗；

第三步：更新迭代轮次i＝i+1，并采用下面的接入点资源调整因子更新公式

更新无线接入点资源调整因子，其中，[z]⁺＝max{z，0}，Ω_n表示无线接入点n的最大资源约束：带宽或者功率资源，δ_λ(i)为资源调整因子迭代步长；

第四步：根据第二步和第三步中的各用户可以从各无线接入点得到的下行速率计算公式(1)的计算结果，判断是否收敛：如果不收敛，则返回第二步；如果收敛，进入第五步；

第五步：输出第二步计算的资源分配方案；

在各用户依次执行以下具体操作步骤：

先进行与无线接入点同步初始化迭代轮次为i＝0，v_m(i)和μ_m(i)分别为用户m的最大速率调整因子和最小速率调整因子，且初始化各用户在迭代轮次i＝0的最大速率调整因子v_m(0)和最小速率调整因子μ_m(0)为非负数；

再与无线接入点同步更新迭代轮次i＝i+1，并采用下面的用户速率调整因子更新公式

$\begin{array}{c}{v}_m\left(i+1\right)={\[v_m\left(i\right)-{\mathrm{\δ}}_v\left(i\right)\left(R_m^{\max }-\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{r}_{nm}\left(i\right)\right)\]}^{+}\\ {\mathrm{\μ}}_m\left(i+1\right)={\[{\mathrm{\μ}}_m\left(i\right)-{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\μ}}\left(i\right)\left(\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{r}_{nm}\left(i\right)-R_m^{\min }\right)\]}^{+}\end{array}---\left(4\right)$

更新用户速率调整因子，其中和分别表示用户m的最小、最大速率需求，δ_ν(i)和δ_μ(i)分别为最大速率调整因子迭代步长和最小速率调整因子迭代步长；

然后各用户将速率调整因子广播给无线接入点。

图1为本发明异构无线网络通信系统的资源分配方法的原理框图：在各无线接入点初始化步骤I设迭代轮次为i，对于每个无线接入点n＝1,…,N，以λ_n(i)表示无线接入点的资源调整因子，初始化无线接入点n在迭代轮次i＝0的资源调整因子λ_n(0)为非负数，各无线接入点根据用户反馈的信道状态信息、广播信息更新已存储的信息，对于所有的无线接入点和用户m＝1,…,M，更新用户m到无线接入点n由小尺度衰落产生的信道增益h_mn，更新用户m到无线接入点n之间的路径损耗l_mn，更新各用户广播的最大速率调整因子v_m(i)和最小速率调整因子μ_m(i)；资源分配步骤II分别按照中间变量计算公式(2)计算中间变量的值，之后按各用户可以从各无线接入点得到的下行速率计算公式(1)计算各用户从各无线接入点可以达到的速率结果；迭代步骤III更新迭代轮次i＝i+1，并按照接入点资源调整因子更新公式(3)更新无线接入点资源调整因子λ_n(i)；收敛判别步骤IV判断速率是否收敛，如果不收敛，则返回资源分配步骤II，如果收敛，进入结果输出步骤V；结果输出步骤V输出资源分配方案；在各用户端，初始化步骤VI与无线接入点同步初始化迭代轮次为i＝0，初始化用户最大速率调整因子v_m(i)和最小速率调整因子μ_m(i)为非负数，并广播；迭代步骤VII与无线接入点同步更新迭代轮次i＝i+1，并按照用户速率调整因子更新公式(4)更新最大速率调整因子v_m(i)和最小速率调整因子μ_m(i)，并广播给各无线接入点。

图2为本发明异构无线网络通信系统的资源分配方法的硬件实现系统示意图，该实现系统包括MSC-51单片机A、外设接口RS-232C、可擦除可编程只读存储器EPROM和随机存取存储器RAM。将可擦除可编程只读存储器EPROM和随机存取存储器RAM连接到单片机A上，单片机A与外设接口RS-232C相互连接。实现系统的输入参数包括各无线接入技术的系统参数：信干噪比-速率关系式f(SINR)、系统带宽(时分/频分多址接入)；系统容量参数C、误比特率D、干扰调节因子ρ、系统总功率(码分多址接入)；系统总功率(正交频分多址接入)；噪声功率谱密度N₀、无线接入技术的数目N和用户数目M；还包括对于所有用户m＝1,…,M和无线接入点n＝1,…,N的信道参数E：小尺度衰落产生的信道增益h_mn和路径损耗l_mn。实现系统的输出为对于所有用户m＝1,…,M和无线接入点n＝1,…,N，用户下行传输速率结果F：r_nm。将系统参数B和信道参数E通过外设接口RS-232C输入到单片机A，经过运算处理得到资源结果F，结果由单片机A通过外设接口RS-232C输出。

将本发明的资源分配方法的性能与两种算法(本发明中采用的算法与用户只能接入一个无线接入技术的条件时的算法以及等分资源算法)的方法进行比较。下面分别从系统总效用和中断概率两方面来考察方法的性能。

图3给出了上述三种算法下随用户数变化系统总效用的变化曲线。系统效用定义如下：

$U=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{m}{\overset{M}{\Σ}}log(0.7\·r_{nm})---\left(5\right)$

图3中，上面的曲线a为采用本发明的资源分配方法得到的曲线，中间的曲线b为采用只选择一个无线接入技术的本发明方法的变形算法，下面的曲线c为采用等分资源算法得到的曲线。从图中可以看出，在不同用户数情况下，采用本发明的资源分配方法得到的系统总效用性能都超过对比方法。本发明的方法优于对比算法是因为联合优化资源分配过程，且充分利用了多接入带来的增益。

图4给出了三种算法在不同用户数下用户中断概率变化曲线，其中上曲线d为采用等分资源算法得到的曲线，中曲线e为采用只选择一个无线接入技术的变形算法得到的曲线，而本发明的资源分配方法得到的曲线为下曲线f。可见，在不同用户数情况下，采用本发明的资源分配方法得到的中断概率都是最低的，说明当系统中具有不同数目用户时，本发明的方法均能够接入更多的用户，即能更充分的利用资源。

综上所述，本发明异构无线网络下行通信系统的资源分配方法采取了将不同系统资源区别对待，进而将资源分配过程的统一处理，通过对偶分解理论和凸优化理论，等效化为每个接入点单独处理的分布式的资源分配方法。由于本发明接入点根据用户的速率需求进行自适应资源分配，通过引入资源、速率调整因子，经过若干次迭代，可以保证收敛，因此可以优化系统的总效用。本发明提出的资源分配方法是分布式的，易于在现有通信架构上实现，且能够在优化系统总效用的同时保证用户的速率需求。

Claims (1)

1.一种异构无线网络的分布式资源分配方法，设在总用户数为M、有N种无线接入技术共存的异构网络系统中，每种无线接入技术在系统中仅有一个接入点；其特征在于各无线接入点、各用户分别根据输入参数和信道参数执行如下操作：

在各无线接入点依次执行以下具体操作步骤：

第一步：对于每个无线接入点n＝1,...,N，以λ_n(i)表示无线接入点n的资源调整因子，初始化无线接入点n在迭代轮次i＝0的资源调整因子λ_n(0)为非负数；

各无线接入点根据用户反馈的信道状态信息、广播信息更新已存储的信息：对于所有的无线接入点n＝1,...,N和用户m＝1,...,M，更新用户m到无线接入点n由小尺度衰落产生的信道增益h_mn，更新用户m到无线接入点n之间的路径损耗l_mn，更新存储的各用户最大速率调整因子v_m(i)和最小速率调整因子μ_m(i)，最大速率调整因子v_m(i)和最小速率调整因子μ_m(i)是由各用户广播的；

第二步：根据各无线接入点n的资源调整因子λ_n(i)，各用户的最大速率调整因子v_m(i)和最小速率调整因子μ_m(i)，和用户m到无线接入点n由小尺度衰落产生的信道增益h_mn，用户m到无线接入点n之间的路径损耗l_mn，根据下行速率计算公式

$r_{nm}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_n/{\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_{nm}+(v_m-{\mathrm{\μ}}_m)}$

计算各用户可以从各无线接入点得到的下行速率；式中中间变量

其中SINR_nm为无线接入点n到用户m的信干噪比，f(SINR_nm)表示时分/频分系统中每个时间或频率时隙，无线接入点n与用户m间的链路速率，且f(SINR_nm)是非负、非减的信干噪比-速率映射曲线，该f(SINR_nm)是通过实测得到的与无线接入点的编码和传输技术有关的表格或者曲线；C是通过实测得到的与系统带宽和调制方式有关的码分多址系统的容量参数；D是码分多址系统误比特率；ρ是干扰调节因子；P_n是码分多址系统无线接入点n发送功率；信噪比间隙Γ是正交频分多址系统目标误比特率BER的函数，Γ＝-ln(5BER)/1.5；N₀为系统中的单边带噪声功率谱密度，h_nm和l_nm分别为无线接入点n到用户m由小尺度衰落产生的信道增益和路径损耗；

第三步：更新迭代轮次i＝i+1，并采用下面的接入点资源调整因子更新公式

${\mathrm{\λ}}_n(i+1)={\[{\mathrm{\λ}}_n\left(i\right)-{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\λ}}\left(i\right)({\mathrm{\Ω}}_n-\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}\frac{r_{nm}\left(i\right)}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_{nm}})\]}^{+},$

更新无线接入点资源调整因子，其中，Ω_n表示无线接入点n的最大资源约束：带宽或者功率资源，δ_λ(i)为资源调整因子迭代步长；

第四步：根据第二步和第三步中的各用户可以从各无线接入点得到的下行速率计算公式的计算结果，判断是否收敛：如果不收敛，则返回第二步；如果收敛，进入第五步；

第五步：输出第二步计算的资源分配方案；

在各用户依次执行以下具体操作步骤：

先与无线接入点同步初始化迭代轮次为i＝0，v_m(i)和μ_m(i)分别为用户m的最大速率调整因子和最小速率调整因子，且初始化各用户在迭代轮次i＝0的最大速率调整因子v_m(0)和最小速率调整因子μ_m(0)为非负数；

再与无线接入点同步更新迭代轮次i＝i+1，并采用下面的用户速率调整因子更新公式

$v_m(i+1)={\[v_m\left(i\right)-{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\ν}}\left(i\right)(R_m^{max}-\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{r}_{nm}\left(i\right))\]}^{+}$

${\mathrm{\μ}}_m(i+1)={\[{\mathrm{\μ}}_m\left(i\right)-{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\μ}}\left(i\right)\left(\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{r}_{nm}\right(i)-R_m^{min})\]}^{+}$

更新用户速率调整因子，其中和分别表示用户m的最小、最大速率需求，δ_ν(i)和δ_μ(i)分别为最大速率调整因子迭代步长和最小速率调整因子迭代步长；

然后各用户将速率调整因子广播给无线接入点。