CN107835514B - 一种多宿主业务场景下无线网络资源匹配的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多宿主业务场景下无线网络资源匹配的建模方法，该方法首先建立了多宿主的业务场景模型，移动终端同时获取多个网络的带宽以满足自身高传输速率的需求。其次，依据信号传输环境动态变化的特性，建立了复合衰落信道模型以描述传输环境动态变化的特征。最后，建立了多宿主业务场景下的基于匹配概率指标的资源匹配模型。本发明是在动态无线环境下，关于面向多宿主业务的基于能量效率的无线网络资源匹配算法的建模方法，结合信道动态变化的特性，提出资源匹配的概念，并建立资源匹配模型。

Description

一种多宿主业务场景下无线网络资源匹配的建模方法

技术领域

本发明涉及一种多宿主业务场景下无线网络资源匹配的建模方法，具体涉及多宿主业务场景下复合衰落信道的建模，并在此场景下建立了基于能量效率的资源匹配模型，属于无线通信技术领域。

背景技术

随着无线技术的迅猛发展，移动互联网和物联网将成为无线网络发展的主要驱动力。移动通信网络逐步从3G、4G演进到第五代移动通信网络5G，未来的5G移动网络将满足人们更加多样化的业务需求，即便是在具有超高流量密度、超高连接数密度和超高移动性特征的场景下，也能够为用户提供高清视频、虚拟现实、增强现实等极致业务体验。无线局域网WLAN也由小覆盖面积Wi-Fi演进到更大覆盖面积的WiMAX。这些网络互相重叠覆盖，具有互补的网络功能(WLAN可以在热点区域提供高速率的数据传输，而蜂窝网可以进行远距离的宽带数据传输)，使得无线网络极具异构性。网络的异构性以及信道的动态变化，便形成了动态的具有异构性的无线泛在环境。

随着网络的发展，用户对业务的需求也将大大提升，单一的接入网络将难以提供用户对高数据传输速率的需求，多宿主业务应运而生。在多宿主业务场景中，移动终端把不同网络的带宽聚合起来，以满足自身对高速率数据传输的需求。面向多宿主业务的带宽分配被认为是一种解决异构无线网络中带宽分配、呼叫拥塞和用户移动性问题的有效方案，而这种方案所面临的主要挑战就是如何协调各个网络间的带宽分配，并充分利用所获得的带宽实现能量效率的最大化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种多宿主业务场景下无线网络资源匹配的建模方法，结合信道动态变化的特性，提出资源匹配的概念，并建立资源匹配模型，对终端发射功率效率进行匹配求解。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种多宿主业务场景下无线网络资源匹配的建模方法，包括如下步骤：

步骤1，在动态无线网络环境下，搭建多宿主业务场景；

步骤2，根据搭建的多宿主业务场景，建立复合衰落信道模型；具体如下：

步骤21，综合考虑大、小尺度衰落对接收信号的影响，构建接收信号包络服从Nakagami-m分布的复合衰落信道模型；

步骤22，利用矩匹配理论对服从Nakagami-m分布的复合衰落信道模型进行简化，得到经复合衰落信道后基站接收功率的概率密度函数，为：

其中，f(x)表示接收功率x的概率密度函数；

步骤23，根据概率密度函数，得到经复合衰落信道后基站接收功率的分布函数，为：

其中，F(x)表示接收功率x的分布函数，

m_s、m_m分别表示阴影衰落信道参数、Nakagami多径衰落信道参数，Ω₀表示接收信号在自由传播空间内的平均接收功率；

步骤3，选取匹配概率指标，建立多宿主业务场景下的基于匹配概率指标的资源匹配模型，为：

其中，U表示终端m的能量效率，p_nms为发射功率，b_nms表示分配的带宽，r_nms表示数据传输速率，P_m表示终端m的剩余功率，B_n表示网络中所有可以被利用的带宽总和，R_m表示移动终端m所需的数据传输速率，C_nms表示信道最大的信道容量，ε为反映匹配概率约束松弛程度的正实数，MS表示移动终端侧移动终端的集合，NS_m表示移动终端侧终端m可接入网络的集合，SS_mn表示移动终端侧终端m可接入网络的基站集合，NS表示基站侧网络集合，MS_ns表示基站侧移动终端可以接入的网络集合，SS_n表示基站侧向网络n覆盖范围内的移动终端提供服务的基站集合。

作为本发明的一种优选方案，步骤23所述接收信号在自由传播空间内的平均接收功率，表达为：

其中，Ω₀表示接收信号在自由传播空间内的平均接收功率，p_nms为发射功率，θ为电磁波的长度，d为发送端与接收端的距离，g_t、g_r分别表示发送端、接收端的天线增益。

作为本发明的一种优选方案，步骤3所述匹配概率指标表达式为：

其中，C_nms表示信道最大的信道容量，r_nms表示数据传输速率，ε为正实数，n∈NS_m表示终端m可接入的网络集合NS_m中的网络n，s∈SS_mn表示终端m可接入的网络的基站集合SS_mn中的基站s。

作为本发明的一种优选方案，所述信道最大的信道容量表示为：

其中，C_nms表示信道最大的信道容量，b_nms表示分配的带宽，f(p_nms)表示经复合衰落信道后的基站接收功率，

表示功率谱密度。

作为本发明的一种优选方案，所述建模方法建立在以下五个条件上：一、无线网络的带宽全分配；二、用户从不同网络获得的数据传输速率有限，当网络将其所有带宽全部分配给一个终端时，数据传输速率达到上限；三、信道为等效信道，且具有相同的高斯白噪声的功率谱密度；四、同网络的不同小区间无干扰；五、网络场景中一个用户只有一个移动终端。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明建模方法能够协调各个网络间的带宽分配，并充分利用所获得的带宽实现能量效率的最大化。

附图说明

图1是本发明多宿主业务场景图。

图2是多宿主业务场景下无线网络资源匹配的建模方法流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明研究在多宿主业务需求下，如何进行无线网络资源的匹配。无线网络资源匹配指的是在无线通信系统中，以单个用户或者小区内全体用户的吞吐量或用户间公平性为性能指标，按照一定规则将系统内的无线资源恰当地分配给各个用户，以满足用户对不同业务服务质量的要求，并使资源与用户之间达到最佳匹配。

在本发明的匹配模型中，考虑上行传输信道场景，并作了如下的假设：

1)假设无线网络的带宽进行全分配，也即每当有新的用户终端接入网络时，全网重新进行带宽、功率和传输速率分配；

2)假设用户从不同网络获得的数据传输速率是有限的，不同终端接入的网络不同，剩余的功率也不同，没有办法给出具体的上限值。当网络把其所有带宽全部分配给一个用户终端时，便达到了数据传输速率的上限值；

3)假设信道是等效信道，且具有相同的高斯白噪声的功率谱密度

4)由于不同网络小区间是无干扰的，假设通过定向天线传输数据，则同网络的不同小区间是没有干扰的；

5)本发明中，假设网络场景中一个用户只有一个移动终端。

如图2所示，本发明主要包括三个内容：一是复合衰落信道的建模，给出复合衰落信道的数学表达式；二是匹配概率指标的选取；三是资源匹配模型的构建，对多宿主业务和无线资源进行基于能效最优的匹配。

1、多宿主业务场景

该场景下基站的覆盖范围互相重叠，场景模型如图1所示。移动终端的集合为MS＝{1,2,…,m}，终端m∈MS接入的网络集合为NS_m＝{1,2,…,n}，终端m可接入网络n∈NS_m的基站集合为SS_mn＝{1,2,…,s}，其中基站s∈SS_mn。基站s分配给终端m的在网络n上的带宽集合为b_nms＝{b_nm1,b_nm2,…,b_nms}，若移动终端m不在基站覆盖范围内，则b_nms＝0。终端m分配在可接入网络n上功率和传输速率集合分别为p_nms＝{p_n1s,p_n2s,…,p_nms}、r_nms＝{r_n1s,r_n2s,…,r_nms}。

2、复合衰落信道模型

步骤1：为了得到匹配概率指标的完备表达式，本发明综合考虑了大、小尺度衰落对信号的影响，构建了接收信号包络服从Nakagami-m分布的复合衰落信道模型，以更准确的反映实际信道中信号传输的衰落特性。

步骤2：经过大、小尺度复合衰落信道作用后，接收信号的包络服从Nakagami-m分布。由于阴影衰落的影响，基站的接收功率Ω服从Gamma分布，其概率密度函数可以表示为：

y>0，m_s>0，其中m_s反映了阴影衰落信道参数，Ω₀是信号在自由传播空间内的接收功率值。在信号的自由传播空间里，平均接收功率

其中p_nms是发射功率，θ是电磁波的长度，d是发送端与接收端的距离，g_t和g_r表示发送端与接收端的天线增益。

步骤3：在阴影衰落接收功率为Ω的条件下，经复合衰落信道后基站接收功率的概率密度函数可以表示为：

x>0，m_m≥0.5，Γ(·)代表了Gamma函数，m_m反映了Nakagami多径衰落参数。

步骤4：由于阴影衰落和多径衰落是相互独立的，因此经复合衰落信道后基站接收功率Υ的概率密度函数可以表示为下式，其中K_v(·)表示第二类修正(m_s-m_m)阶贝塞尔函数：

步骤5：为了方便计算，本发明利用矩匹配理论对该复合信道模型进行简化近似。假设经复合衰落信道后基站接收功率的概率密度函数服从分布f(x)＝λ·e^-λ(x-μ)，x>0，λ>0，μ>0，其n阶原点距为：

其中λ是信道衰落因子，μ是接收信号延迟因子。K分布的n阶原点距为：

依据矩匹配的理论匹配K分布和复合衰落信道模型概率密度函数的一阶、二阶矩，得到匹配参数的关系为：

其中

且信道衰落因子

信号延迟因子

则经复合信道后基站接收功率的概率密度函数为：

x>0代表接收功率。因此，经复合信道后基站接收功率的分布函数：

x>0。

3、匹配概率指标的选取

对于终端m∈MS，总共所需的数据传输速率为R_m，设移动终端的发射功率为p_nms。针对某个移动终端m而言，本发明综合考虑了下面三种匹配概率指标，其中

表示信道的容量。

第一种：

f(p_nms)＝p_nms·δ表示经信道噪声、用户间干扰后所获得的接收功率，其中δ为信道的衰落因子和干扰随机数，是随信道随机变化的。该种匹配概率方案将接收功率值表示为一个随机数，具有很强的随机性，结合实际情况易发现这种处理方式不够准确。

第二种：

由于该匹配模型考虑到在信道受到大、小尺度衰落的影响时，基站的接收功率是以移动终端发送功率p_nms为中心值而上下波动的，接收功率是与复合衰落信道有关的关于发送功率p_nms的函数值。但是，对于

而言，当信道上总的数据传输速率满足要求时，可能存在某个信道上的传输速率不满足此约束，造成整个数据传输的失败。

第三种：修改匹配指标为

这种匹配概率模型，严格要求每个信道上分配的数据传输速率无限趋近但仍低于此信道的信道容量，从而避免信道负载分布不均或数据传输失败情况的发生。

本发明采用了第三种基于概率保障的匹配概率模型，以构建资源匹配模型。

4、无线资源匹配模型

本发明所提出的无线资源匹配，指的是在动态无线网络环境下面向多宿主业务的能效优先的资源匹配问题。所谓的匹配是指在尽可能低的成本下(较低的终端发射功率)进行用户业务需求与网络资源的分配，既可以满足用户对无线网络资源的业务需求，又尽可能的降低用户的功率损耗，节省能量，实现“绿色网络”。

资源匹配具体有两层含义：

1)资源分配(基站分配给用户的带宽，以及用户根据带宽分配到每个网络上的功率)能够满足用户所需的数据传输速率；

2)分配方案的成本最小(用户传输数据所消耗的功率最低)，也即尽可能地为用户分配更多的带宽(带宽全分配)，降低业务对功率的需求，节省用户的功率开销。

步骤1模型的目标函数：移动终端m的效用函数可表示为

它表示了移动终端m通过基站s分配在网络n上的归一化功率值，其中，P_m正比于当前终端m的剩余功率，反应了终端m对功率变化的敏感程度，若当前剩余功率P_m少，则终端m对功率分配变化敏感。

步骤2模型约束条件：无线资源的分配目标就是在全网中寻求最优的带宽分配b_nms、终端发射功率分配p_nms以及数据传输速率r_nms。因此在移动终端侧，对于

有约束：

对于基站侧而言，基站分配带宽到各个信道上。考虑网络集合为NS＝{1,2,…,n}，对于网络集合中的任一网络n由基站集合S_n＝{1,2,…,s}向其覆盖范围内的移动终端提供服务，因此，移动终端可以接入的网络集合可以表示为MS_ns＝{1,2,…,m}。因此，基站侧形成的对网络的约束可以表示为：

其中，B_n表示网络中所有可以被利用的带宽总和，当移动终端不在基站的覆盖范围内时，有b_nms＝0，p_nms＝0，r_nms＝0，且根据模型可知，当所分配的b_nms、p_nms或r_nms其中一个为0时，其余变量也为0。C_nms＝b_nms log₂(1+γ_SNRnms)表示信道最大的信道容量，式中

f(p_nms)表示经复合信道后的基站接收功率，可以根据复合衰落信道模型计算。R_m表示移动终端m所需的数据传输速率，ε是一个趋近于0的正实数，反映了匹配概率约束的松弛程度。该匹配模型保证了在满足统计保障约束下实现各终端能量效率的最大化。

因此，可以得到整个匹配模型的约束条件为：

步骤3：基于能量效率的匹配模型

以移动终端m的功率最小化

为目标函数，则最优化问题的描述如下：

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多宿主业务场景下无线网络资源匹配的建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，在动态无线网络环境下，搭建多宿主业务场景；

步骤2，根据搭建的多宿主业务场景，建立复合衰落信道模型；具体如下：

步骤21，综合考虑大、小尺度衰落对接收信号的影响，构建接收信号包络服从Nakagami-m分布的复合衰落信道模型；

步骤22，利用矩匹配理论对服从Nakagami-m分布的复合衰落信道模型进行简化，得到经复合衰落信道后基站接收功率的概率密度函数，为：

其中，f(x)表示接收功率x的概率密度函数；

步骤23，根据概率密度函数，得到经复合衰落信道后基站接收功率的分布函数，为：

其中，F(x)表示接收功率x的分布函数，

m_s、m_m分别表示阴影衰落信道参数、Nakagami多径衰落信道参数，Ω₀表示接收信号在自由传播空间内的平均接收功率；

步骤3，选取匹配概率指标，建立多宿主业务场景下的基于匹配概率指标的资源匹配模型，为：

其中，U表示终端m的能量效率，p_nms为发射功率，b_nms表示分配的带宽，r_nms表示数据传输速率，P_m表示终端m的剩余功率，B_n表示网络中所有可以被利用的带宽总和，R_m表示移动终端m所需的数据传输速率，C_nms表示信道最大的信道容量，ε为反映匹配概率约束松弛程度的正实数，MS表示移动终端侧移动终端的集合，NS_m表示移动终端侧终端m可接入网络的集合，SS_mn表示移动终端侧终端m可接入网络的基站集合，NS表示基站侧网络集合，MS_ns表示基站侧移动终端可以接入的网络集合，SS_n表示基站侧向网络n覆盖范围内的移动终端提供服务的基站集合。

2.根据权利要求1所述多宿主业务场景下无线网络资源匹配的建模方法，其特征在于，步骤23所述接收信号在自由传播空间内的平均接收功率，表达为：

其中，Ω₀表示接收信号在自由传播空间内的平均接收功率，p_nms为发射功率，θ为电磁波的长度，d为发送端与接收端的距离，g_t、g_r分别表示发送端、接收端的天线增益。

3.根据权利要求1所述多宿主业务场景下无线网络资源匹配的建模方法，其特征在于，步骤3所述匹配概率指标表达式为：

其中，C_nms表示信道最大的信道容量，r_nms表示数据传输速率，n∈NS_m表示终端m可接入的网络集合NS_m中的网络n，s∈SS_mn表示终端m可接入的网络的基站集合SS_mn中的基站s。

4.根据权利要求3所述多宿主业务场景下无线网络资源匹配的建模方法，其特征在于，所述信道最大的信道容量表示为：

其中，C_nms表示信道最大的信道容量，b_nms表示分配的带宽，f(p_nms)表示经复合衰落信道后的基站接收功率，

表示高斯白噪声的功率谱密度。

5.根据权利要求1所述多宿主业务场景下无线网络资源匹配的建模方法，其特征在于，所述建模方法建立在以下五个条件上：一、无线网络的带宽全分配；二、用户从不同网络获得的数据传输速率有限，当网络将其所有带宽全部分配给一个终端时，数据传输速率达到上限；三、信道为等效信道，且具有相同的高斯白噪声的功率谱密度；四、同网络的不同小区间无干扰；五、网络场景中一个用户只有一个移动终端。

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