CN105764121B - 一种蜂窝流量卸载网络中基于动态排序的设备与基站连接方法 - Google Patents

Abstract

一种蜂窝流量卸载网络中基于动态排序的设备与基站连接方法，包括以下步骤：(1)多个AP被部署在用户的附近为用户服务，用户可以选择接入AP或者BS；给出了一个效益函数来评估用户当前的效益；(2)通过计算，将问题进行分层之后，发现一旦用户的接入方式被确定，用户的法和功率也将随之而确定，效益函数只和用户的接入情况有关，因此只需寻找最优的用户接入从而来确定最优的系统效益；(3)根据限制条件C₁和C₂，同时结合(2)中所给的目标函数，选择用户接入方式来最大化整个系统的效益。本发明能够快速并且有效地找到较优的用户接入、同时确定用户的功率分配、效率较高。

Description

一种蜂窝流量卸载网络中基于动态排序的设备与基站连接 方法

技术领域

本发明涉及一种蜂窝网络中利用动态排序优化用户的接入控制和功率分配来最大化系统的收益。

背景技术

近年来随着移动设备和移动网络服务的迅猛发展，在蜂窝网络中产生了巨大的流量。而这些未被预料到的流量将会对蜂窝网络造成极大的拥塞。特别是在一些高峰期，3G网络是过载的。而在过载的区域内的移动用户将经历很差的体验，例如较低的传输速率和较长的延时。一种非常直观的解决方案就是更新4G网络。另外一种方法就是部署更多小基站。显然，后者更加容易且简便。将用户的流量卸载到WiFi网络中将是一种非常经济的方案。他具有较多的特点:1)设备的硬件无需更新；2)在非授权频谱上通信；3)较高的数据传输速率；4)廉价的部署费用。基于以上的三个特点，将用户的流量卸载到AP上变得越来越流行。

发明内容

为了克服现有的设备与基站连接方法的无法有效找到较优的用户接入、效率较低的不足，本发明提供一种能够快速并且有效地找到较优的用户接入、同时确定用户的功率分配、效率较高的蜂窝流量卸载网络中基于动态排序的设备与基站连接方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种蜂窝流量卸载网络中基于动态排序的设备与基站连接方法，其特征在于：所述连接方法包括以下步骤：

(1)在通信网络中存在I个移动用户，由他们组成的集合为其中i表示用户i；有K个访问接入点AP，他们组成了集合其中k表示AP k；同时存在着一个基站，用于接口的限制，用户不能通过同时连接基站和AP来获得他需要的吞吐量而是只能通过选择接入某一个AP或者基站来进行通信，从而获得他们所预期的吞吐量；

当用户i接入AP k时，在给定发射功率p_ik的情况下，用户i获得的吞吐量为

当用户i接入基站时，在给定发射功率p_iB的情况下，获得的吞吐量为

其中：

a_ik：表示用户i有无接入AP k的指标，a_ik＝1表示用户i被选择接入,反之a_ik＝0表示用户i不被选来接入AP k；

a_iB：表示用户i有无接入基站的指标，a_iB＝1表示用户i被选择接入基站；反之a_iB＝0表示用户i不被选来接入基站；

W_k：表示AP k信道上的带宽；

W_B：表示基站信道上的带宽；

n_k：表示AP k信道上的背景噪声功率；

n_B：表示基站信道上的背景噪声功率

g_ik：表示用户i到AP k的信道增益；

g_iB：表示用户i到基站的信道增益；

p_ik：表示用户i到AP k的发射功率；

p_iB：表示用户i到基站的发射功率；

(2)对每个用户统一定义了一个效益表达式：

其中π_B表示用户接入基站时，基站对用户收取的费用，π_k表示当用户接入AP k时，AP k对用户收取的费用；针对用户的接入，并考虑网络中所有用户，最大化系统效益的表达式为：

其中，为所有接入AP k的用户所产生的总收益，其中为每个AP k所接入的所有用户集合，为不接任何AP的所有用户所产生的总收益，其收益来自接入BS的这部分用户；

(3)用户i接入AP k所发射的功率p_ik由表示，且当用户吞吐量给定时，由用户吞吐量的表达式推导出：

由于用户自身的限制，它的发射功率是有限的,所以必须满足因此得到用户接入的限制条件C₁和C₂:

C₁:

C₂：

根据所述限制条件C₁和C₂，同时结合(2)中所给的目标函数，选择用户接入方式来最大化整个系统的效益，步骤包括：

步骤3.1：初始化定义用户集合变量 表示接入基站的用户，表示接入AP k的用户，定义表示在接入AP k的用户上产生的总收益，表示在接入基站的用户上产生的总收益，令 表示当前的总收益；CBV为当前最优收益，CBS为当前最优解定义净收益集合变量V_ik，V_ik表示用户i接入AP k时给系统带来的净收益，由于用户i接入AP k时会带来一部分收益，同时由于该用户接入AP k后会对其他用户产生干扰，从而使AP k中其他用户的收益下降，所以该净收益等于用户i接入AP k产生的收益减去AP k中其他用户的总下降收益；初始化定义集合表示未接入AP或者基站的用户i集合，令m表示用户i尝试接入的次数，并初始化为m＝0；

步骤3.2：初始化V_ik＝CV_k＝V_k({i})表示用户i接入AP k所产生的净收益,V_i0＝F_sub({i})表示用户i接入BS所产生的净收益；

步骤3.3：遍历选出净收益最大的值，并得到该最大值所对应的i’，k’；

步骤3.4：将用户i’加入集合更新集合并令S＝S\{i’}，表示用户i’已经接入；

步骤3.5：因为系统中接入了用户i’，可能对于未接入的用户，在选择接入AP或基站时，需要考虑在用户i’影响下的效益，所以更新

步骤3.6：遍历V_ik，选出净收益最大的值，并将该最大值所对应的i，k分别赋值给i’，k’；

步骤3.7：若将用户i’加入集合满足前面所述的C₁、C₂的要求，则将用户i’加入集合更新集合S＝S\{i’}，并跳到步骤3.9；

步骤3.8：若将用户i’加入集合不满足C₁、C₂，m＝m+1；

步骤3.9：依次遍历的并赋值

步骤3.10：若满足C₁、C₂，且则更新S＝S∪{i}\{i'}；

步骤3.11：若不满足其中之一，m＝m+1；

步骤3.12：若跳到步骤3.9继续遍历；

步骤3.13：若表示已经遍历完如果集合没有发生更新，赋值V_i′k′＝0并清零m＝0跳到步骤3.6；

步骤3.14：使V_i′k＝0，若输出最优解结束循环，否则跳到步骤3.5继续循环。

本发明的构思技术为：将用户流量卸载到AP是一种能够减轻基站压力同时提高系统效益和效率的方法，因为每个AP都将分摊管理用户的任务。但是由于接入同一个AP的用户间存在相互干扰，在给定用户需求的情况下每个用户之间的功率都是耦合在一起的。因此要求得满足系统效益最大化的用户接入和用户功率分配是比较困难的。针对耦合的用户功率，由于在给定的用户接入时，用户的功率是可以求得的。因此我们设计了一种基于启发式算法的用户接入选择法：首先使AP不接入任何用户，根据当前系统效益最大化的原则，对于每个用户，遍历接入每一个AP所产生的系统增益，选择最大增益所对应的AP，然后接入。

本发明的有益效果为：针对优化的对象给出了一个较合理的动态排序方案，在每次排序中都找到当前最好的排序方案。经过多次排序和接入选择后，所有用户的接入方案都被确定。这种动态排序方案在提高系统的效率同时还能够快速并且有效地找到较优的用户接入，同时确定用户的功率分配。

附图说明

图1是一种蜂窝流量卸载网络中基于动态排序的设备与基站连接方法的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

参照图1，一种蜂窝流量卸载网络中基于动态排序的设备与基站连接方法，用户可以通过AP或者BS进行通信从而满足他们各自的吞吐量需求。同时每个AP各自管理已接入的用户，相较于所有用户都从基站获取数据的传输，由于AP分摊了管理用户的任务，这种方式将会提高系统的整体效益和效率。同时接入同一个AP的用户之间会存在干扰，当较多用户接入同一个AP时，该AP下的用户功率将会极大地提高，有可能超过用户给定的的最大发射功率。因此用户的接入选择问题必须受到重视。然而用户的接入选择会随着用户数量的增多而变得非常复杂。针对这个问题我们设计的基于启发式算法的用户接入选择与功率分配法将有效地计算出较好的用户接入方式和相应的发射功率。

所述设备与基站连接方法，包括如下步骤：

(1)在通信网络中存在I个移动用户，由他们组成的集合为其中i表示用户i；有K个访问接入点AP，他们组成了集合其中k表示AP k；同时存在着一个基站，用于接口的限制，用户不能通过同时连接基站和AP来获得他需要的吞吐量而是只能通过选择接入某一个AP或者基站来进行通信，从而获得他们所预期的吞吐量；

当用户i接入AP k时，在给定发射功率p_ik的情况下，用户i获得的吞吐量为

当用户i接入基站时，在给定发射功率p_iB的情况下，获得的吞吐量为

其中：

a_ik：表示用户i有无接入AP k的指标，a_ik＝1表示用户i被选择接入,反之a_ik＝0表示用户i不被选来接入AP k；

a_iB：表示用户i有无接入基站的指标，a_iB＝1表示用户i被选择接入基站；反之a_iB＝0表示用户i不被选来接入基站；

W_k：表示AP k信道上的带宽；

W_B：表示基站信道上的带宽；

n_k：表示AP k信道上的背景噪声功率；

n_B：表示基站信道上的背景噪声功率

g_ik：表示用户i到AP k的信道增益；

g_iB：表示用户i到基站的信道增益；

p_ik：表示用户i到AP k的发射功率；

p_iB：表示用户i到基站的发射功率；

(2)对每个用户统一定义了一个效益表达式：

其中π_B表示用户接入基站时，基站对用户收取的费用，π_k表示当用户接入AP k时，AP k对用户收取的费用；针对用户的接入，并考虑网络中所有用户，最大化系统效益的表达式为：

其中，为所有接入AP k的用户所产生的总收益，其中为每个AP k所接入的所有用户集合，为不接任何AP的所有用户所产生的总收益，其收益来自接入BS的这部分用户；

(3)用户i接入AP k所发射的功率p_ik由表示，且当用户吞吐量给定时，由用户吞吐量的表达式推导出：

由于用户自身的限制，它的发射功率是有限的,所以必须满足因此得到用户接入的限制条件C₁和C₂:

C₁:

C₂:

根据所述限制条件C₁和C₂，同时结合(2)中所给的目标函数，选择用户接入方式来最大化整个系统的效益，步骤包括：

步骤3.1：初始化定义用户集合变量 表示接入基站的用户，表示接入AP k的用户，定义表示在接入AP k的用户上产生的总收益，表示在接入基站的用户上产生的总收益，令 表示当前的总收益；CBV为当前最优收益，CBS为当前最优解定义净收益集合变量V_ik，V_ik表示用户i接入AP k时给系统带来的净收益，由于用户i接入AP k时会带来一部分收益，同时由于该用户接入AP k后会对其他用户产生干扰，从而使AP k中其他用户的收益下降，所以该净收益等于用户i接入AP k产生的收益减去AP k中其他用户的总下降收益；初始化定义集合表示未接入AP或者基站的用户i集合，令m表示用户i尝试接入的次数，并初始化为m＝0；

步骤3.2：初始化V_ik＝CV_k＝V_k({i})表示用户i接入AP k所产生的净收益,V_i0＝F_sub({i})表示用户i接入BS所产生的净收益；

步骤3.3：遍历选出净收益最大的值，并得到该最大值所对应的i’，k’；

步骤3.4：将用户i’加入集合更新集合并令S＝S\{i’}，表示用户i’已经接入；

步骤3.5：因为系统中接入了用户i’，可能对于未接入的用户，在选择接入AP或基站时，需要考虑在用户i’影响下的效益，所以更新

步骤3.6：遍历选出净收益最大的值，并将该最大值所对应的i，k分别赋值给i’，k’；

步骤3.7：若将用户i’加入集合满足前面所述的C₁、C₂的要求，则将用户i’加入集合更新集合S＝S\{i’}，并跳到步骤3.9；

步骤3.8：若将用户i’加入集合不满足C₁、C₂，m＝m+1；

步骤3.9：依次遍历的并赋值

步骤3.10：若满足C₁、C₂，且则更新S＝S∪{i}\{i'}；

步骤3.11：若不满足其中之一，m＝m+1；

步骤3.12：若跳到步骤3.9继续遍历；

步骤3.13：若表示已经遍历完如果集合没有发生更新，赋值V_i′k′＝0并清零m＝0跳到步骤3.6；

步骤3.14：使V_i′k＝0，若输出最优解结束循环，否则跳到步骤3.5继续循环。

本实施例着眼于当今社会热点需求，巧妙结合社交网络的特性优势。部署一定数量的AP去服务用户，一方面减轻了BS的压力，另一方面也提高了用户的接入选择空间，同时提高系统的效率。我们的工作可以促使网络运营商充分意识到在一些用户数量较多的场景下，部署一些AP的重要性。这样既能够提高云因上的服务质量同时也能够提高用户的使用质量，能够有效提高数据资源的利用率，最终使得网络运营商和用户能够双赢。

Claims (1)

1.一种蜂窝流量卸载网络中基于动态排序的设备与基站连接方法，其特征在于：所述连接方法包括以下步骤：

(1)在通信网络中存在I个移动用户，由他们组成的集合为其中i表示用户i；有K个访问接入点AP，他们组成了集合其中k表示AP k；同时存在着一个基站，用于接口的限制，用户不能通过同时连接基站和AP来获得他需要的吞吐量而是只能通过选择接入某一个AP或者基站来进行通信，从而获得他们所预期的吞吐量；

当用户i接入AP k时，在给定发射功率p_ik的情况下，用户i获得的吞吐量为

当用户i接入基站时，在给定发射功率p_iB的情况下，获得的吞吐量为

其中：

a_ik：表示用户i有无接入AP k的指标，a_ik＝1表示用户i被选择接入，反之a_ik＝0表示用户i不被选来接入AP k；

a_iB：表示用户i有无接入基站的指标，a_iB＝1表示用户i被选择接入基站；反之a_iB＝0表示用户i不被选来接入基站；

W_k：表示AP k信道上的带宽；

W_B：表示基站信道上的带宽；

n_k：表示AP k信道上的背景噪声功率；

n_B：表示基站信道上的背景噪声功率

g_ik：表示用户i到AP k的信道增益；

g_iB：表示用户i到基站的信道增益；

p_ik：表示用户i到AP k的发射功率；

p_iB：表示用户i到基站的发射功率；

(2)对每个用户统一定义了一个效益表达式：

其中π_B表示用户接入基站时，基站对用户收取的费用，π_k表示当用户接入AP k时，AP k对用户收取的费用；针对用户的接入，并考虑网络中所有用户，最大化系统效益的表达式为：

其中，为所有接入AP k的用户所产生的总收益，其中为每个AP k所接入的所有用户集合，为所有不接入任何AP的用户所产生的总收益，其收益来自接入BS的这部分用户；

(3)用户i接入AP k所发射的功率pik由表示，且当用户吞吐量给定时，由用户吞吐量的表达式推导出：

由于用户自身的限制，它的发射功率是有限的，所以必须满足因此得到用户接入的限制条件C₁和C₂：

C₁：

C₂：

根据所述限制条件C₁和C₂，同时结合(2)中所给的目标函数，选择用户接入方式来最大化整个系统的效益，步骤包括：

步骤3.1：初始化定义用户集合变量 表示接入基站的用户，表示接入AP k的用户，定义表示在接入AP k的用户上产生的总收益，表示在接入基站的用户上产生的总收益，令 表示当前的总收益；CBV为当前最优收益，CBS为当前最优解定义净收益集合变量V_ik，V_ik表示用户i接入AP k时给系统带来的净收益，由于用户i接入AP k时会带来一部分收益，同时由于该用户接入AP k后会对其他用户产生干扰，从而使AP k中其他用户的收益下降，所以该净收益等于用户i接入AP k产生的收益减去AP k中其他用户的总下降收益；初始化定义集合表示未接入AP或者基站的用户i集合，令m表示用户i尝试接入的次数，并初始化为m＝0；

步骤3.2：初始化V_ik＝CV_k＝V_k({i})表示用户i接入AP k所产生的净收益，V_i0＝F_sub({i})表示用户i接入BS所产生的净收益；

步骤3.3：遍历选出净收益最大的值，并得到该最大值所对应的i’，k’；

步骤3.4：将用户i’加入集合更新集合并令S＝S\{i’}，表示用户i’已经接入；

步骤3.5：因为系统中接入了用户i’，可能对于未接入的用户，在选择接入AP或基站时，需要考虑在用户i’影响下的效益，所以更新

步骤3.6：遍历选出净收益最大的值，并将该最大值所对应的i，k分别赋值给i’，k’；

步骤3.7：若将用户i’加入集合满足前面所述的C₁、C₂的要求，则将用户i’加入集合更新集合并跳到步骤3.9；

步骤3.8：若将用户i’加入集合不满足C₁、C₂，m＝m+1；

步骤3.9：依次遍历的并赋值

步骤3.10：若满足C₁、C₂，且则更新

步骤3.11：若不满足其中之一，m＝m+1；

步骤3.12：若跳到步骤3.9继续遍历；

步骤3.13：若表示已经遍历完如果集合没有发生更新，赋值V_i′k′＝0并清零m＝0跳到步骤3.6；

步骤3.14：使V_i′k＝0，若输出最优解结束循环，否则跳到步骤3.5继续循环。