CN105578596B - 基于小区内协同多点传输的异构中继网络资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种小区内协同多点传输的异构中继网络资源分配方法，包括以下步骤：步骤1，异构中继网络系统收集异构中继网络系统可用的带宽资源；步骤2，异构中继网络系统收集用户终端的资源使用申请；步骤3，异构中继网络系统采用和声搜索算对法异构中继网络中的频率资源进行分配。本发明提供的资源分配方法高效、可靠，以最大化异构中继网络总的比例公平吞吐量，并保障用户终端的服务质量与公平性。

Description

基于小区内协同多点传输的异构中继网络资源分配方法

技术领域

本发明属于计算机网络技术领域，特别是一种基于小区内协同多点传输的异构中继网络资源分配方法。

背景技术

异构网络作为四代长期演进的关键技术之一，准许在一个网络区域内混合使用宏基站和微基站并提供不同的接入能力和容量/覆盖需求。微基站包括微微小区基站，毫微微蜂窝基站和中继节点。微基站既可以通过有线回程链路接入网络也可以通过无线回程链路接入网络并使用低传输功率覆盖较小的区域。考虑到宏基站较高的传输功率，如果没有合理的移动结合，干扰管理和无线资源管理方案，微基站由于其覆盖较小利用率将十分低下而且和微基站相连的用户终端将受到强烈的干扰，异构网络的好处也将被破坏。更重要的是，对异构同频带信号传输中继节点网络而言，当分配用户终端给中继节点微型小区以及进行资源分配的时候，需要仔细考虑无线回程链路上的资源消耗。

基于分布区扩大移动结合方案以及在宏基站与微基站之间采用完整的频分复用，在异构中继网络中可以采用基于下行链路传输的正交频分多址无线资源管理方案。中继节点在宏基站小区上创造更小的中继节点小区并且它们都有着完整的无线资源管理能力。用户终端既可以和宏基站相连也可以和中继节点相连。基于分布区扩大的移动结合使得在中继节点扩展范围中的用户终端受到来自相邻大功率基站的强干扰。鉴于此，采用小区内协同多点传输能够改善这些用户终端的信号接收质量。在不利的情况下，基站就可以协助中继在中介节点覆盖范围内服务用户终端。由于中继节点服务的用户终端上的数据信息对基站和中继节点都可用，因此小区内协同多点不会产生额外的回程数据交换花费来支持合作，并能避免中继网络中宏观层和微观层的干扰。

专利1(基于强化学习的异构网络资源管理方法，南京邮电大学，公开号CN102238631A，申请号CN201110236029.6，申请日2011.08.17)公开了一种基于强化学习的异构网络资源管理方法,针对异构网络的多种业务需求和多样呼叫类型,将强化学习用于异构无线网络的资源管理中,将不同的呼叫类型区分对待,赋予不同的处理优先级,对不同的业务类型采取不同的资源分配策略,给出了基 于负载的带宽自适应均衡因子和基于带宽的利润函数,并将二者联合作为回报函数,在尽量满足各种业务带宽需求的情况下实现了不同网络之间的负载均衡和同一网络内的自适应带宽分配,提高了资源利用率。专利2(一种蜂窝系统基站辅助的异构网络资源分配方法，哈尔滨工业大学，公开号CN102946642A，申请号CN201210505090.0，申请日2012.11.30)公开了一种基站辅助的异构网络资源分配方法。在蜂窝和自组网组成的异构网络中,基站根据资源调度表,定期广播各扇区可用于自组网的资源。各终端用户根据可用资源优先选择通过自组网方式通信,采用AODV协议建立多跳路由,并在路由建立完成后,参与通信的各节点分别告知基站该链路所占用的资源。待本次通信结束后,参与通信的各节点告知基站通信已结束,释放相应资源。但是上述两种方法均没有考虑异构中继网络总的比例公平吞吐量，这样不能保证用户间的公平性。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种高效、可靠的基于小区内协同多点传输的异构中继网络资源分配方法，以最大化异构中继网络总的比例公平吞吐量，并保障用户终端的服务质量与公平性。

一种基于小区内协同多点传输的异构中继网络资源分配方法，包括以下步骤：

步骤1，异构中继网络系统收集异构中继网络系统可用的带宽资源，包括系统总带宽为NMHz，系统总带宽中的每一个频率资源块为MkHz，其中N∈[10,20]，M∈[180,300]；

步骤2，异构中继网络系统收集用户终端的资源使用申请，包括用户终端所需的频率资源块数；

步骤3，异构中继网络系统采用和声搜索算对法异构中继网络中的频率资源进行分配：

步骤3.1，系统初始化和声搜索算法的参数；

步骤3.2，系统产生和声搜索算法的新解；

步骤3.3，确定新解的目标函数值，更新和声记忆库中的解向量；

步骤3.4，确定和声记忆库内吞吐量最大的解、以及该吞吐量最大的解相应的吞吐量值；

步骤3.5，重复步骤3.2～3.4N_g次，输出最大和声解向量，N_g表示和声搜索算法的最大迭代次数。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)异构中继网络系统中基于和声搜索算法进行频率资源分配，满足异构中继网络系统最优资源分配要求；(2)充分挖掘了异构中继网络系统中可用的频率资源，保障了异构中继网络总的比例公平吞吐量最大化与用户间的公平；(3)为高效利用异构中继网络中的频率资源提供技术支持。

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明基于小区内协同多点传输的异构中继网络资源分配方法的流程图；

图2为本发明异构中继网络的频率资源分配示意图；

图3为本发明基于和声搜索算法的资源分配方法流程图。

具体实施方式

结合图1，一种基于小区内协同多点传输的异构中继网络资源分配方法，包括以下步骤：

步骤1，异构中继网络系统收集异构中继网络系统可用的带宽资源，包括系统总带宽为N MHz，系统总带宽中的每一个频率资源块为M kHz，其中N∈[10,20]，M∈[180,300]。

步骤2，结合图2，异构中继网络系统收集用户终端的资源使用申请，资源使用申请为用户终端所需的频率资源块数。

步骤3，结合图3，异构中继网络系统采用和声搜索算对法异构中继网络中的频率资源进行分配。步骤3的详细过程如下：

步骤3.1，系统初始化和声搜索算法的参数，参数包括：

初始化的参数包括：乐器的个数N_L、和声记忆库可保存的和声个数N_p、和声记忆库保留概率P_HMCR、记忆库扰动概率P_PAR、和声搜索算法解的范围[n_min,n_max]以及和声搜索算法的最大迭代次数N_g，并且令迭代次数序号 gen＝1；其中N_L∈[2,4]、N_p∈[50,60]、P_HMCR∈[0.9,0.95]、P_PAR∈[0.1,0.15]和N_g∈[500,600]；

初始化的参数还包括：滑动平均时间窗口大小T_c、低功率中继节点总数N_r、表示总小区数目的N_c、用户终端总数N_u、基站传输功率P_b、中继节点传输功率P_r、加性高斯白噪声方差N₀、总频率分成的资源块数F、第i个小区中第k个用户终端和基站之间关联状态x_k,0,i，x_k,0,i需要满足公式(1)，第i个小区中第k个用户终端和第j个中继节点之间关联状态x_k,j,i，x_k,j,i需要满足公式(2)和公式(3)，时刻t第i个小区中第k个用户终端和第j个中继节点是否使用了协同多点 需要满足公式(4)，信道在时刻t获得第m个基站和第k个用户终端之间第f个资源块信道在时刻t获得第i个小区第j个中继节点和第k个用户终端之间第f个资源块信道在时刻t获得第i个小区第j个中继节点和第k个用户终端之间第f个资源块且使用了协同多点时刻t在第f个资源块上第i个小区中第j个中继节点第k个用户终端数据接收速率采用公式(5)确定时刻t在第f个资源块上第i个小区中第j个中继节点第k个用户终端使用了协同多点的数据接收速率采用公式(6)确定

初始化和声记忆库，采用公式(7)随机产生Np个和声搜索算法的初始解放入和声记忆库中，其中表示第t个子帧第i个小区中的第j个中继节点第k个用户终端的第f个资源块部分，表示第t个子帧第i个小区中与第j个中继节点相关联且使用协同多点的第k个用户终端第f个资源块部分；初始解需要满足公式(8)、(9)、(10)、和(11)：

其中rand(N_p,2)表示N_p行2列的位于(0,1)区间的随机数，表示第t个子帧第m个基站第k个用户终端第f个资源块部分,

表示回程总的数据接收速率。

步骤3.2，系统产生和声搜索算法的新解其中新解通过两种机理产生：

第一种机理，以概率P_HMCR随机对和声记忆库内的解进行保留，即将P_HMCR与rand比较，若rand＜P_HMCR，则保留和声记忆库内的解，否则采用公式(12)在和声搜索算法解的范围[n_min,n_max]内随机产生新解：

其中rand∈(0,1)之间的随机数，rand(1,2)表示1行2列的位于(0,1)区间的随机数；

第二种机理，以概率P_PAR∈[0.1,0.15]对第一种机理产生的新解进行扰动，即将P_PAR与rand比较，若rand＜P_PAR，则采用公式(13)和(14)产生新解，否则保留第一种机理产生的新解

其中，rand∈(0,1)之间的随机数，α是[0,1]之间的随机变量，ε是扰动步长。

步骤3.3，采用公式(15)确定新解的目标函数值，更新和声记忆库中的解向量，

式中

如果新解的目标函数值大于和声记忆库内最小函数值，则将新解替换和声记忆库内的最小函数值对应的解，得到新的和声记忆库，否则保持原和声记忆库不变。

步骤3.4，确定和声记忆库内吞吐量最大的解以及该吞吐量最大的解相应的吞吐量值表示和声记忆库内吞吐量最大的解，表示解向量对应的吞吐量值。

步骤3.5，令gen←gen+1，重复步骤3.2～3.4N_g次，从N_g个中输出最大和声解向量N_g表示和声搜索算法的最大迭代次数。

实施例1

本发明基于小区内协同多点传输的异构中继网络资源分配方法，步骤如下：

步骤1，异构中继网络系统收集可用的无线资源，

所述异构中继网络系统中有57个小区，平均每个小区有50个中继节点，系统总带宽为10MHz，系统总带宽中的每一个频率资源块为180kHz。

步骤2，异构中继网络系统收集用户终端的资源使用申请，异构中继网络系统中有三类用户终端，包括与基站相连的非协同多点用户终端、与中继节点相连的非协同多点用户终端和与中继节点相连的协同多点用户终端，所需的资源块数分别为[2,3,2]。图2为本发明的异构中继网络频率资源分配示意图。

步骤3，异构中继网络系统采用和声搜索算法对异构中继网络中的频率资源 进行分配

首先，异构中继网络系统初始化和声搜索算法的参数，初始化N_L＝2、N_p＝50、P_HMCR＝0.9、P_PAR＝0.1、N_g＝500,令gen＝1，初始化T_c、N_r、N_c、N_u、P_b、P_r、N₀、F，采用公式(1)确定x_k,0,i，公式(2)确定x_k,j,i，x_k,j,i需要满足公式(3)，初始化采用公式(4)确定初始化 和采用公式(5)确定公式(6)确定初始化和声记忆库，随机产生N_p个优化问题的初始解放入和声记忆库中，初始解需要满足公式(7)、(8)、(9)、和(10)；

然后，系统产生和声搜索算法的新解由于若rand＜P_HMCR，则保留和声记忆库内的解。

其次，确定新解的目标函数值，更新和声记忆库中的解向量，采用公式(13)确定新解的目标函数值；

再次，确定和声记忆库内确定和声记忆库内吞吐量最大的解和相应的吞吐量值，寻找和声记忆库中吞吐量最大的解和吞吐量

最后，令gen←gen+1，重复上述步骤，直到达到和声搜索算法的最大迭代次数，输出最大和声解向量

实施例2

本发明基于小区内协同多点传输的异构中继网络资源分配方法，步骤如下：

步骤1，异构中继网络系统收集可用的无线资源，

所述异构中继网络系统中有60个小区，平均每个小区有70个中继节点，系统总带宽为20MHz，系统总带宽中的每一个频率资源块为300kHz。

步骤2，异构中继网络系统收集用户终端的资源使用申请，异构中继网络系统中有三类用户终端，包括与基站相连的非协同多点用户终端、与中继节点相连的非协同多点用户终端和与中继节点相连的协同多点用户终端，所需的资源块数 分别为[2,3,2]。图2为本发明的异构中继网络频率资源分配示意图。

步骤3，异构中继网络系统采用和声搜索算法对异构中继网络中的频率资源进行分配

首先，异构中继网络系统初始化和声搜索算法的参数，初始化N_L＝2、N_p＝60、P_HMCR＝0.95、P_PAR＝0.15、N_g＝600,令gen＝1，初始化T_c、N_r、N_c、N_u、P_b、P_r、N₀、F，采用公式(1)确定x_k,0,i，公式(2)确定x_k,j,i，x_k,j,i需要满足公式(3)，初始化采用公式(4)确定初始化 和采用公式(5)确定公式(6)确定初始化和声记忆库，随机产生N_p个优化问题的初始解放入和声记忆库中，初始解需要满足公式(7)、(8)、(9)、和(10)；

然后，确定新解的目标函数值。由于rand≥P_HMCR，采用公式(12)在和声搜索算法解的范围[n_min,n_max]内随机产生新解；以概率P_PAR＝0.1对上述新解进行扰动，即将P_PAR与rand比较，rand＜P_PAR，则采用公式(13)和(14)产生新解。扰动步长ε＝0.3；

其次，更新和声记忆库中的解向量，采用公式(13)确定新解的目标函数值；

再次，确定和声记忆库内确定和声记忆库内吞吐量最大的解和相应的吞吐量值，寻找和声记忆库中吞吐量最大的解和吞吐量

最后，令gen←gen+1，重复上述步骤，直到达到和声搜索算法的最大迭代次数，输出最大和声解向量

实施例3

本发明基于小区内协同多点传输的异构中继网络资源分配方法，步骤如下：

步骤1，异构中继网络系统收集可用的无线资源，

所述异构中继网络系统中有60个小区，平均每个小区有70个中继节点，系统总带宽为20MHz，系统总带宽中的每一个频率资源块为300kHz。

步骤2，异构中继网络系统收集用户终端的资源使用申请，异构中继网络系统中有三类用户终端，包括与基站相连的非协同多点用户终端、与中继节点相连的非协同多点用户终端和与中继节点相连的协同多点用户终端，所需的资源块数分别为[2,3,2]。图2为本发明的异构中继网络频率资源分配示意图。

步骤3，异构中继网络系统采用和声搜索算法对异构中继网络中的频率资源进行分配

首先，异构中继网络系统初始化和声搜索算法的参数，初始化N_L＝2、N_p＝60、P_HMCR＝0.95、P_PAR＝0.15、N_g＝600,令gen＝1，初始化T_c、N_r、N_c、N_u、P_b、P_r、N₀、F，采用公式(1)确定x_k,0,i，公式(2)确定x_k,j,i，x_k,j,i需要满足公式(3)，初始化采用公式(4)确定初始化 和采用公式(5)确定公式(6)确定初始化和声记忆库，随机产生N_p个优化问题的初始解放入和声记忆库中，初始解需要满足公式(7)、(8)、(9)、和(10)；

然后，确定新解的目标函数值。由于rand≥P_HMCR，采用公式(12)在和声搜索算法解的范围[n_min,n_max]内随机产生新解；以概率P_PAR＝0.15对上述新解进行扰动，即将P_PAR与rand比较，rand≥P_PAR，保留上述新解。扰动步长ε＝0.3；

其次，更新和声记忆库中的解向量，采用公式(13)确定新解的目标函数值；

再次，确定和声记忆库内确定和声记忆库内吞吐量最大的解和相应的吞吐量值，寻找和声记忆库中吞吐量最大的解和吞吐量

最后，令gen←gen+1，重复上述步骤，直到达到和声搜索算法的最大迭代次数，输出最大和声解向量 。

Claims (7)

1.一种基于小区内协同多点传输的异构中继网络资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，异构中继网络系统收集异构中继网络系统可用的带宽资源；

步骤2，异构中继网络系统收集用户终端的资源使用申请；

步骤3，异构中继网络系统采用和声搜索算对法异构中继网络中的频率资源进行分配；

步骤3所述的异构中继网络系统采用和声搜索算法对异构中继网络中的频率资源进行分配，具体步骤如下：

步骤3.1，系统初始化和声搜索算法的参数；

步骤3.2，系统产生和声搜索算法的新解；

步骤3.3，确定新解的目标函数值，更新和声记忆库中的解向量；

步骤3.4，确定和声记忆库内吞吐量最大的解、以及该吞吐量最大的解相应的吞吐量值；

步骤3.5，重复步骤3.2～3.4N_g次，输出最大和声解向量，N_g表示和声搜索算法的最大迭代次数；

步骤3.3中采用公式(15)确定新解的目标函数值：

式中

如果新解的目标函数值大于和声记忆库内最小函数值，则将新解替换和声记忆库内的最小函数值对应的解，得到新的和声记忆库，否则保持原和声记忆库不变。

2.根据权利要求1所述的基于小区内协同多点传输的异构中继网络资源分配方法，其特征在于，步骤1所述的异构中继网络系统收集可用的无线频率资源，系统总带宽为N MHz，系统总带宽中的每一个频率资源块为M kHz，其中N∈[10,20]，M∈[180,300]。

3.根据权利要求1所述的基于小区内协同多点传输的异构中继网络资源分配方法，其特征在于，步骤2所述的资源使用申请为用户终端所需的频率资源块数。

4.根据权利要求1所述的基于小区内协同多点传输的异构中继网络资源分配方法，其特征在于，步骤3.1所述的的参数包括：

乐器的个数N_L、和声记忆库可保存的和声个数N_p、和声记忆库保留概率P_HMCR、记忆库扰动概率P_PAR、和声搜索算法解的范围[n_min,n_max]以及和声搜索算法的最大迭代次数N_g，并且令迭代次数序号gen＝1；其中、N_p∈[50,60]、P_HMCR∈[0.9,0.95]、P_PAR∈[0.1,0.15]和N_g∈[500,600]；

滑动平均时间窗口大小T_c、低功率中继节点总数N_r、表示总小区数目的N_c、用户终端总数N_u、基站传输功率P_b、中继节点传输功率P_r、加性高斯白噪声方差N₀、总频率分成的资源块数F、第i个小区中第k个用户终端和基站之间关联状态x_k,0,i，第i个小区中第k个用户终端和第j个中继节点之间关联状态x_k,j,i，时刻t第i个小区中第k个用户终端和第j个中继节点是否使用了协同多点信道在时刻t获得第m个基站和第k个用户终端之间第f个资源块的信道在时刻t获得第i个小区第j个中继节点和第k个用户终端之间第f个资源块的信道在时刻t获得第i个小区第j个中继节点和第k个用户终端之间第f个资源块且使用了协同多点时刻t在第f个资源块上第i个小区中第j个中继节点第k个用户终端数据接收速率时刻t在第f个资源块上第i个小区中第j个中继节点第k个用户终端使用了协同多点的数据接收速率

初始化和声记忆库，采用公式(7)随机产生N_p个和声搜索算法的初始解放入和声记忆库中，其中表示第t个子帧第i个小区中的第j个中继节点第k个用户终端的第f个资源块部分，表示第t个子帧第i个小区中与第j个中继节点相关联且使用协同多点的第k个用户终端第f个资源块部分；

其中rand(N_p,2)表示N_p行2列的位于(0,1)区间的随机数，表示第t个子帧第m个基站第k个用户终端第f个资源块部分。

5.根据权利要求1所述的基于小区内协同多点传输的异构中继网络资源分配方法，其特征在于，步骤3.2中通过两种机理产生所述的系统和声搜索算法的新解

第一种机理，将P_HMCR与rand比较，若rand＜P_HMCR，则保留和声记忆库内的解，否则采用公式(12)在和声搜索算法解的范围[n_min,n_max]内随机产生新解：

其中rand∈(0,1)之间的随机数，rand(1,2)表示1行2列的位于(0,1)区间的随机数；

第二种机理，以概率P_PAR∈[0.1,0.15]对第一种机理产生的新解进行扰动，即将P_PAR与rand比较，若rand＜P_PAR，则采用公式(13)和(14)产生新解，否则保留第一种机理产生的新解

其中，rand∈(0,1)之间的随机数，α是[0,1]之间的随机变量，ε是扰动步长。

6.根据权利要求1所述的基于小区内协同多点传输的异构中继网络资源分配方法，其特征在于，步骤3.4的具体过程为：寻找和声记忆库内吞吐量最大的解及该吞吐量最大的解相应的吞吐量值

7.根据权利要求1所述的基于小区内协同多点传输的异构中继网络资源分配方法，其特征在于，步骤3.5，令gen←gen+1，重复步骤3.2～3.4N_g次后，输出最大和声解向量N_g表示和声搜索算法的最大迭代次数。