CN103237331B - 一种固定中继的多跳蜂窝网络的路径选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种固定中继的多跳蜂窝网络的路径选择方法，首先判断移动站是否满足本地转发策略，如果满足则选择本地捷径传输路径，否则从考虑用户体验质量（QoE）出发，运用可拓学理论的物元分析模型建立QoE与QoS参数之间的映射关系，构建出候选路径P的QoE评价等级目标函数F_QoE(P)，同时从优化网络性能出发构建候选路径P的网络信道容量目标函数F_Capacity(P)，将QoE评价等级目标函数F_QoE(P)和网络信道容量目标函数F_Capacity(P)作为合作博弈模型中的局中人，运用纳什谈判公理求解，得到最佳传输路径。本发明采用了一种既能优化网络性能又充分考虑用户体验质量的多目标路径选择方法，在保证较高用户体验质量的同时，降低了平均数据包时延，提高了系统吞吐率。

Description

一种固定中继的多跳蜂窝网络的路径选择方法

技术领域

本发明涉及固定中继的多跳蜂窝网络领域，特别是涉及一种固定中继的多跳蜂窝网络的路径选择方法。

背景技术

近年来，随着无线移动通信技术的迅猛发展，第三代移动通信系统已得到广泛应用，第四代移动通信系统逐渐成为学术界和工业界关注的热点。第四代移动通信系统是一个多种通信系统的综合体，由多种接入网构成、能够支持多种业务无缝通信。在这样一个通信系统框架下，多跳蜂窝网络以其独特的灵活性和可扩展性将成为该网络框架的重要组成形式。所谓多跳蜂窝网络就是将蜂窝网和自组织网相融合，在蜂窝系统中引入自组织通信方式，允许移动站之间通过多跳转发直接进行通信甚至组成局域子网。多跳蜂窝网络可以根据中继的移动性划分为固定中继和移动中继两种类型。固定中继就是中继站不具有移动性，固定布置在某一位置如建筑物顶、隧道、地下室等为移动站提供网络接入和转发数据的服务。移动中继具有移动性，它可以在基站控制范围内随时变更自己的位置。同时，移动站在移动中继多跳蜂窝网络中也不仅仅作为一般的网络服务消费终端，还可以扮演移动中继的角色，即为其它的移动站提供中继服务。由于在多跳中继蜂窝网络中引入了中继站，网络拓扑结构就变得相对比较复杂，移动站接入网络的方式也发生了变化。移动站除了可以直接与基站进行通信之外，还可以通过中继站与基站建立多跳中继连接进行通信，网络中会出现不同传输路径并存的情况。因此，当这几种通信方式都能实现用户的通信需求时，就不可避免地需要解决路径选择问题。

路径选择问题的实质就是要在综合当前网络资源的利用率、网络的负载均衡程度、业务的服务质量（QoS）要求以及用户的移动特性等相关因素的基础上确定出有效的优化函数关系，所以，选定一种既能充分优化网络性能又能满足业务服务质量要求的准则和决策算法是比较困难的。有文献从移动站探测到的信号强度、接收到的信干噪比（SINR）以及路径衰落模型等网络特征出发，建立相应的信道质量评估函数，根据评价函数的结果选择值最大或最小的路径为最佳传输路径。因为数据传输会消耗移动站和网络的能量，所以一些学者从系统能耗角度出发，建立最小能量消耗的路径评估模型，为移动站从多条路径中选出一条能耗最小的路径作为最佳传输路径。还有一些路径选择算法从第四代移动通信系统采用正交频分多点接入（OFDMA）的特点出发，定义了一个用于评价路径频谱利用率的代价函数，选择能够使代价函数的值最大的路径为目标路径。另外，还有一些路径选择算法是根据移动站的各种不同业务流的服务质量要求来进行选择。资料表明，上述方法都存在共同的问题：一般都站在网络方的角度、以优化网络性能或者满足不同业务的服务质量出发建立单目标决策模型，而忽略了用户方十分关心的用户体验质量（QoE）。因此，迫切需要设计一种既能优化网络性能又能充分考虑用户体验质量的多目标路径选择方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对固定中继的多跳蜂窝网络，如何创新地设计一种既能优化网络性能又能充分考虑用户体验质量的多目标路径选择方法。

为了解决上述问题，本发明公开了一种固定中继的多跳蜂窝网络的路径选择方法，其技术方案包括以下各步骤：

步骤1：初始化参数；

步骤2：判断移动站是否满足本地转发策略，如果满足则选择本地捷径传输路径；

步骤3：如果移动站不满足本地转发策略，则从考虑用户体验质量出发，运用可拓学理论的物元分析模型建立QoE与QoS参数之间的映射关系，各个QoE评价等级的物元描述形式如下：

其中N _j 为QoE评价等级级数，依据国际电信联盟ITU建议的五个QoE评价等级即优、良、中、次、劣，其量值分别为5、4、3、2、1，C _i 为物元R _j 的各个特征，分别对应于通用QoS参数中的带宽、延迟、丢包率和抖动，V _ji =〈a _ji , b _ji 〉为物元R _j 对应特征C _i 的取值范围，即相应规范或标准所规定的QoS参数的取值范围，如果特征C _i 的取值范围为最高容许取值范围，则记为V _ei ；然后计算候选路径P的QoE评价等级即待评物元R的某个特征C _i 与某物元R _j 的关联度：

其中d为按照区间模公式计算特征C _i 的取值范围〈a _ji , b _ji 〉的模，即d = |V _ji | = |a _ji –b _ji |，v _i 为待评物元R的特征C _i 在实轴上的某一量值，即候选路径P实际的QoS参数值，ρ(V _i , V _ji ) 和ρ(V _i , V _ei ) 分别为量值V _i 到区间V _ji 和V _ei 的距离，分别定义为：ρ(V _i , V _ji ) = |V _i –(a _ji +b _ji )/2|–(b _ji –a _ji  )/2，ρ(V _i , V _ei ) = |V _i –(a _ei +b _ei )/2| –(b _ei –a _ei  )/2，由此可以得到待评物元R的多个特征指标与某物元R _j 的综合关联度其中T为特征个数，ω _i 为各个特征的权重，ω _i 的取值可以根据模糊层次分析法计算得到；K _j (P)的值越大表示其越符合相应的QoE评价等级，所以从用户体验质量角度出发，可以构建出候选路径P的QoE评价等级目标函数，其中M为移动站的候选路径数量；

步骤4：设移动站MS到基站BS之间有H跳，则每一跳的信道容量分别为，其中Λ ₁为移动站MS与基站BS之间传输路径第一跳的接入链路，Λ _i 和Λ _i+1为中继站RS _i 与RS _i+1之间的中继链路，Λ _H-1为最后一跳中继站RS _H-1到基站BS的中继链路，则移动站MS与基站BS之间的传输路径的信道容量上界为，由此得到候选路径P的关于信道容量的目标函数为；

步骤5：将QoE评价等级目标函数F _QoE (P)和网络信道容量目标函数F _Capacity (P)作为合作博弈模型中的局中人，运用纳什谈判公理求解，得到最佳传输路径。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）针对固定中继的多跳蜂窝网络，本发明采用了一种既能优化网络性能又充分考虑用户体验质量的多目标路径选择方法，克服了传统路径选择方法仅仅站在网络方的角度、以优化网络性能或者满足不同业务的服务质量出发建立单目标决策模型的缺陷；

（2）本发明从移动用户关心的用户体验质量出发，采用可拓理论的物元分析模型建立QoE与QoS参数之间的映射关系，构建出候选路径的QoE评价等级目标函数，从优化网络性能角度出发构建候选路径的网络信道容量目标函数，从而建立起路径选择问题的多目标优化模型，运用合作博弈论的纳什谈判公理求解该多目标优化模型，得到最佳传输路径，在保证较高用户体验质量的同时，降低了平均数据包时延，提高了系统吞吐率。

附图说明

图1为本发明的典型的固定中继多跳蜂窝网络的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如附图1所示，典型的固定中继多跳蜂窝网络由基站（BS）、中继站（RS）和移动站（MS）等三种基本网元构成，移动站除了可以直接与基站进行通信之外，还可以通过中继站与基站建立多跳中继连接进行通信。

本发明方法按照以下步骤进行：

步骤1：初始化参数；

设置网络参数，如：移动站个数及分布，移动站到基站的最大中继跳数和移动站的业务类型以及QoS参数取值范围等。

步骤2：判断移动站是否满足本地转发策略，如果满足则选择本地捷径传输路径；

如果两个位于同一网络下的移动站之间的传输路径满足：Hops _rbr  > Hops _rr ，其中Hops _rbr 表示两个移动站之间经过基站进行数据传输的跳数，Hops _rr 表示两个移动站之间直接通过中继站进行数据传输的跳数，则两个移动站之间可以直接利用中继站进行数据的本地转发。

步骤3：如果移动站不满足本地转发策略，则从考虑用户体验质量出发，运用可拓学理论的物元分析模型建立QoE与QoS参数之间的映射关系，构建出候选路径P的QoE评价等级目标函数F _QoE (P)；

根据可拓理论的物元分析模型，各个QoE评价等级的物元描述形式如下：

其中N _j 为QoE评价等级级数，依据国际电信联盟ITU建议的五个QoE评价等级即优、良、中、次、劣，其量值分别为5、4、3、2、1，C _i 为物元R _j 的各个特征，分别对应于通用QoS参数中的带宽、延迟、丢包率和抖动，V _ji =〈a _ji , b _ji 〉为物元R _j 对应特征C _i 的取值范围，即相应规范或标准所规定的QoS参数的取值范围，如果特征C _i 的取值范围为最高容许取值范围，则记为V _ei 。然后计算候选路径P的QoE评价等级即待评物元R的某个特征C _i 与某物元R _j 的关联度：

其中d为按照区间模公式计算特征C _i 的取值范围〈a _ji , b _ji 〉的模，即d = |V _ji | = |a _ji –b _ji |，v _i 为待评物元R的特征C _i 在实轴上的某一量值，即候选路径P实际的QoS参数值，ρ(V _i , V _ji ) 和ρ(V _i , V _ei ) 分别为量值V _i 到区间V _ji 和V _ei 的距离，分别定义为：

ρ(V _i , V _ji ) = |V _i –(a _ji +b _ji )/2|–(b _ji –a _ji  )/2，ρ(V _i , V _ei ) = |V _i –(a _ei +b _ei )/2| –(b _ei –a _ei  )/2，

由此可以得到待评物元R的多个特征指标与某物元R _j 的综合关联度：

其中T为特征个数，ω _i 为各个特征的权重，ω _i 的取值可以根据模糊层次分析法计算得到，K _j (P)的值越大表示其越符合相应的QoE评价等级。所以从用户体验质量角度出发，可以构建出候选路径P的QoE评价等级目标函数，其中M为移动站的候选路径数量；

步骤4：从优化网络性能出发构建候选路径P的网络信道容量目标函数F _Capacity (P)；

假设发送者s与接收者r（s和r可以是移动站、中继站或者基站）之间存在信道衰落，则每一跳链路的信道容量定义为

其中W和G _i,j 分别是收发站i和j之间的信道带宽和信道增益，W为接收者r所对应的发送者集合，N ₀为加性高斯白噪声功率，E _b 表示发送一位数据信号需要消耗的能量，R _s 和R _t 分别表示发送者s和t的数据传输速率。假设移动站MS到基站BS之间有H跳，则每一跳的信道容量分别为，其中Λ ₁为移动站MS与基站BS之间传输路径第一跳的接入链路，Λ _i 和Λ _i+1为中继站RS _i 与RS _i+1之间的中继链路，Λ _H-1为最后一跳中继站RS _H-1到基站BS的中继链路，则移动站MS与基站BS之间的传输路径的信道容量上界为，由此得到候选路径P的关于信道容量的目标函数为。

步骤5：将QoE评价等级目标函数F _QoE (P)和网络信道容量目标函数F _Capacity (P)作为合作博弈模型中的局中人，运用纳什谈判公理求解，得到最佳传输路径；

QoE评价等级目标函数F _QoE (P)和网络信道容量目标函数F _Capacity (P)构成的多目标优化决策模型为

其中P为候选路径，S为移动站的候选路径集，P ^*为移动站的最佳传输路径。由于多目标优化的目的是要尽可能地同时满足所有目标函数的要求，所以多目标优化中的各个目标函数之间存在博弈关系，本发明就是将F _QoE (P)和F _Capacity (P)这两个目标函数作为合作博弈模型中的局中人，运用纳什谈判公理求解，从而得到最佳传输路径P ^*，合作博弈模型各要素定义如下：

局中人：目标函数F _QoE (P)和F _Capacity (P)；

策略：局中人i的可选策略集合记为S _i  = {P _i1 , P _i2 , ..., P _ij }, i = 1, 2，j = 1, 2, ..., M，P _ij 表示局中人i的第j条候选路径，两个局中人具有相同的策略集合；

收益：局中人i选择P _ij 的收益定义为u _i (P _ij ), i= 1, 2, j = 1, 2, ..., M，是相应目标函数的函数值；

局中人之间的合作博弈过程实际上是局中人以自己的现状点为基础进行谈判协商以达到共赢的目的，为了使局中人之间的谈判更具公平性，谈判函数即纳什乘积定义如下：

其中sta _i 是局中人i的现状点（一般可以取值为0），w _i 为局中人i具备的谈判能力（因为两个局中人都同等重要，因此可以取值为0.5），根据纳什谈判公理，可以得到合作博弈的均衡解即纳什谈判解为

P ^opt 即为移动站的最佳传输路径P ^*。

Claims (2)

1.一种固定中继的多跳蜂窝网络的路径选择方法，其特征在于，包括以下各个步骤：

步骤1：初始化参数；

步骤2：判断移动站是否满足本地转发策略，如果满足则选择本地捷径传输路径；

步骤3：如果移动站不满足本地转发策略，则从考虑用户体验质量出发，运用可拓学理论的物元分析模型建立QoE与QoS参数之间的映射关系，各个QoE评价等级的物元描述形式如下：

其中N _j 为QoE评价等级级数，依据国际电信联盟ITU建议的五个QoE评价等级即优、良、中、次、劣，其量值分别为5、4、3、2、1，C _i 为物元R _j 的各个特征，分别对应于通用QoS参数中的带宽、延迟、丢包率和抖动，V _ji =〈a _ji , b _ji 〉为物元R _j 对应特征C _i 的取值范围，即相应规范或标准所规定的QoS参数的取值范围，如果特征C _i 的取值范围为最高容许取值范围，则记为V _ei ；然后计算候选路径P的QoE评价等级即待评物元R的某个特征C _i 与某物元R _j 的关联度：

其中d为按照区间模公式计算特征C _i 的取值范围〈a _ji , b _ji 〉的模，即d = |V _ji | = |a _ji –b _ji |，v _i 为待评物元R的特征C _i 在实轴上的某一量值，即候选路径P实际的QoS参数值，ρ(V _i , V _ji ) 和ρ(V _i , V _ei ) 分别为量值V _i 到区间V _ji 和V _ei 的距离，分别定义为：ρ(V _i , V _ji ) = |V _i –(a _ji +b _ji )/2|–(b _ji –a _ji  )/2，ρ(V _i , V _ei ) = |V _i –(a _ei +b _ei )/2| –(b _ei –a _ei  )/2，由此可以得到待评物元R的多个特征指标与某物元R _j 的综合关联度其中T为特征个数，ω _i 为各个特征的权重，ω _i 的取值可以根据模糊层次分析法计算得到；K _j (P)的值越大表示其越符合相应的QoE评价等级，所以从用户体验质量角度出发，可以构建出候选路径P的QoE评价等级目标函数，其中M为移动站的候选路径数量；

步骤4：设移动站MS到基站BS之间有H跳，则每一跳的信道容量分别为，其中Λ ₁为移动站MS与基站BS之间传输路径第一跳的接入链路，Λ _i 和Λ _i+1为中继站RS _i 与RS _i+1之间的中继链路，Λ _H-1为最后一跳中继站RS _H-1到基站BS的中继链路，则移动站MS与基站BS之间的传输路径的信道容量上界为，由此得到候选路径P的关于信道容量的目标函数为；

步骤5：将QoE评价等级目标函数F _QoE (P)和网络信道容量目标函数F _Capacity (P)作为合作博弈模型中的局中人，运用纳什谈判公理求解，得到最佳传输路径。

2.根据权利要求1所述的固定中继的多跳蜂窝网络的路径选择方法，其特征是：所述合作博弈模型各要素定义如下：

局中人：目标函数F _QoE (P)和F _Capacity (P)；

策略：局中人i的可选策略集合记为S _i  = {P _i1 , P _i2 , ..., P _ij }, i = 1, 2, j = 1, 2, ..., M，P _ij 表示局中人i的第j条候选路径，两个局中人具有相同的策略集合；

收益：局中人i选择P _ij 的收益定义为u _i (P _ij )，i = 1, 2, j = 1, 2, ..., M，是相应目标函数的函数值；

局中人之间的合作博弈过程实际上是局中人以自己的现状点为基础进行谈判协商以达到共赢的目的，为了使局中人之间的谈判更具公平性，谈判函数即纳什乘积定义如下：

其中sta _i 是局中人i的现状点，w _i 为局中人i具备的谈判能力，根据纳什谈判公理，可以得到合作博弈的均衡解即纳什谈判解为

P ^opt 即为移动站的最佳传输路径。