CN112073974B - 协作终端通信的非授权频谱边缘接入与抗干扰方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种协作终端通信的非授权频谱边缘接入与抗干扰方法、装置、电子设备和可读存储介质。通过基站接收多个IoT设备发送的非授权信道检测结果，将其中干扰强度最小所对应的非授权信道确定为目标非授权信道，将目标非授权信道分为多个子信道，选择受干扰最小的K个IoT设备和所有蜂窝用户终端作为中继节点，通过迭代算法优化网络中调度的IoT设备数量，得到设备调度方案。通过选择干扰强度最小所对应的非授权信道确定为目标非授权信道用于IoT设备进行数据传输，能够同时使用授权频谱和非授权频谱进行数据传输，扩展了网络的覆盖范围，通过迭代算法优化网络中调度的IoT设备数量，使有限的频谱资源得到合理利用，以增加接入的IoT设备数量。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种协作终端通信的非授权频谱边缘接入与抗干扰方法及装置。
背景技术
随着第五代通信技术的发展，越来越多的应用场景需要支持大规模的IoT设备，这些设备作为网络的边缘节点，面临着授权频谱短缺和带宽不足的问题，无法满足大规模数据传输的需要。
在相关技术中，如窄带物联网技术(NB-IoT)，利用窄带授权频谱，可以在保证服务质量的情况下降低功耗，这种技术只应用于授权频谱，不能满足热点区域内大规模的IoT设备部署。
已有的非授权频谱接入技术，只考虑IoT设备以机器对机器之间的连接与通信或者蜂窝通信中的一种方式直接向基站上传数据，无法采用多种通信方式进行数据传输，对频谱资源的总体利用率较低，网络覆盖范围小，不能够支持大规模设备接入。
发明内容
本发明实施例提供一种协作终端通信的非授权频谱边缘接入与抗干扰方法及装置，旨在合理利用频谱资源，进一步提高边缘网络中IoT设备的接入数量，提高IoT设备的数据上传速率。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供了一种协作终端通信的非授权频谱边缘接入与抗干扰方法，应用于基站，在每个调度周期内，执行以下步骤：
接收多个IoT设备发送的非授权信道检测结果，所述非授权信道检测结果包括多个IoT设备检测到的非授权信道以及每个非授权信道对应的干扰强度；
根据所述非授权信道检测结果，将其中干扰强度最小所对应的非授权信道确定为目标非授权信道，所述目标非授权信道用于IoT设备的接入和数据传输；
将所述目标非授权信道分为多个子信道；
接收每个IoT设备上传的自身位置信息、待传输数据量、最大传输功率和子信道检测结果，以及，接收每个蜂窝用户终端上传的自身位置信息、待传输数据量和最大传输功率；
选择受干扰最小的K个IoT设备和所有蜂窝用户终端作为中继节点；
根据除中继节点以外的每个IoT设备的自身位置信息、待传输数据量、最大传输功率和子信道检测结果以及每个中继节点的自身位置信息、待传输数据量和最大传输功率，通过迭代算法优化网络中调度的IoT设备数量，得到设备调度方案；
根据所述设备调度方案，向对应的IoT设备和蜂窝用户终端发送连接调度和功率分配信息，以使对应的IoT设备和蜂窝用户终端根据接收到的连接调度和功率分配信息进行数据传输。
可选地，根据除中继节点以外的每个IoT设备的自身位置信息、待传输数据量、最大传输功率和子信道检测结果以及每个中继节点的自身位置信息、待传输数据量和最大传输功率通过迭代算法优化网络中调度的IoT设备数量，得到设备调度方案，包括以下步骤：
步骤1：初始化所有IoT设备和所有蜂窝用户终端的传输功率矩阵P、路由传输矩阵X、传输目的地矩阵D和信道资源分配方案
设置迭代次数I＝0，在传输功率矩阵P中，每个IoT设备的传输功率均为第一传输功率,每个蜂窝用户终端的传输功率均为第二传输功率，其中，所述路由传输矩阵X记录多个IoT设备分别对应的所有数据传输节点，所述传输目的地矩阵D记录多个IoT设备分别对应的目的中继节点；
步骤2：根据当前的传输功率和资源分配方案，利用一阶泰勒展开将系统包含的非线性约束转换为线性约束，则调度问题转化成线性整数规划问题，采用分支限界策略求解，解得所有IoT设备和所有蜂窝用户终端的路由传输矩阵XI和传输目的地矩阵DI；
步骤3：根据解得的所有IoT设备和所有蜂窝用户终端的路由传输矩阵XI和传输目的地矩阵DI，以最小化系统的总体传输功率为目标，优化系统的信道资源分配和传输功率分配，将功率传输问题转化成凸函数，利用拉格朗日对偶方法求解，解得信道资源分配方案
和传输功率矩阵PI，作为下一迭代的初始化条件；
步骤4：计算系统的总体效用，所述总体效用为一个调度周期内调度的IoT设备数量，当本次迭代的总体效用与上一迭代的总体效用之差小于第一给定阈值时，算法结束，将本次迭代所得到的传输功率矩阵PI、路由传输矩阵XI、传输目的地矩阵DI和信道资源分配方案
确定为最终的设备调度方案，否则迭代回合数I＝I+1，返回步骤2。
可选地，每个调度周期分为T个子帧，所述设备调度方案还包括传输模式分配，T个子帧中的N个子帧为ON模式，T-N个子帧为OFF模式，ON模式表征IoT设备使用目标非授权信道和授权信道将数据发送给对应的中继节点，OFF模式表征IoT设备把非授权频段的使用权交回Wi-Fi系统，通过授权信道将数据发送给对应的中继节点，其中，N与目标非授权信道的干扰强度负相关。
可选地，在将其中干扰强度最小所对应的非授权信道确定为目标非授权信道的步骤之后，所述方法还包括：
持续对所述目标非授权信道进行感知，当所述目标非授权信道的干扰强度大于第二给定阈值，则立即停止对所述目标非授权信道的占用，在下一调度周期开始时，重新确定新的目标非授权信道。
第二方面，本发明实施例提供了一种协作终端通信的非授权频谱边缘接入与抗干扰装置，包括：
第一接收模块，用于接收多个IoT设备发送的非授权信道检测结果，所述非授权信道检测结果包括多个IoT设备检测到的非授权信道以及每个非授权信道对应的干扰强度；
确定模块，用于根据所述非授权信道检测结果，将其中干扰强度最小所对应的非授权信道确定为目标非授权信道，所述目标非授权信道用于IoT设备的接入和数据传输；
拆分模块，用于将所述目标非授权信道分为多个子信道；
第二接收模块，用于接收每个IoT设备上传的自身位置信息、待传输数据量、最大传输功率和子信道检测结果，以及，接收每个蜂窝用户终端上传的自身位置信息、待传输数据量和最大传输功率；
选择模块，用于选择受干扰最小的K个IoT设备和所有蜂窝用户终端作为中继节点；
获得模块，用于根据除中继节点以外的每个IoT设备的自身位置信息、待传输数据量、最大传输功率和子信道检测结果以及每个中继节点的自身位置信息、待传输数据量和最大传输功率，通过迭代算法优化网络中调度的IoT设备数量，得到设备调度方案；
发送模块，用于根据所述设备调度方案，向对应的IoT设备和蜂窝用户终端发送连接调度和功率分配信息，以使对应的IoT设备和蜂窝用户终端根据接收到的连接调度和功率分配信息进行数据传输。
可选地，所述获得模块，包括：
初始化模块，用于执行步骤1：初始化所有IoT设备和所有蜂窝用户终端的传输功率矩阵P、路由传输矩阵X、传输目的地矩阵D和信道资源分配方案
设置迭代次数I＝0，在传输功率矩阵P中，每个IoT设备的传输功率均为第一传输功率,每个蜂窝用户终端的传输功率均为第二传输功率，其中，所述路由传输矩阵X记录多个IoT设备分别对应的所有数据传输节点，所述传输目的地矩阵D记录多个IoT设备分别对应的目的中继节点；
第一获得子模块，用于执行步骤2：根据当前的传输功率和资源分配方案，利用一阶泰勒展开将系统包含的非线性约束转换为线性约束，则调度问题转化成线性整数规划问题，采用分支限界策略求解，解得所有IoT设备和所有蜂窝用户终端的路由传输矩阵XI和传输目的地矩阵DI；
第二获得子模块，用于执行步骤3：根据解得的所有IoT设备和所有蜂窝用户终端的路由传输矩阵XI和传输目的地矩阵DI，以最小化系统的总体传输功率为目标，优化系统的信道资源分配和传输功率分配，将功率传输问题转化成凸函数，利用拉格朗日对偶方法求解，解得信道资源分配方案
和传输功率矩阵PI，作为下一迭代的初始化条件；
确定或返回模块，用于执行步骤4：计算系统的总体效用，所述总体效用为一个调度周期内调度的IoT设备数量，当本次迭代的总体效用与上一迭代的总体效用之差小于第一给定阈值时，算法结束，将本次迭代所得到的传输功率矩阵PI、路由传输矩阵XI、传输目的地矩阵DI和信道资源分配方案
确定为最终的设备调度方案，否则迭代回合数I＝I+1，返回步骤2。
可选地，每个调度周期分为T个子帧，所述设备调度方案还包括传输模式分配，T个子帧中的N个子帧为ON模式，T-N个子帧为OFF模式，ON模式表征IoT设备使用目标非授权信道和授权信道将数据发送给对应的中继节点，OFF模式表征IoT设备把非授权频段的使用权交回Wi-Fi系统，通过授权信道将数据发送给对应的中继节点，其中，N与目标非授权信道的干扰强度负相关。
可选地，在确定模块之后，所述装置还包括：
感知模块，用于持续对所述目标非授权信道进行感知，当所述目标非授权信道的干扰强度大于第二给定阈值，则立即停止对所述目标非授权信道的占用，在下一调度周期开始时，重新确定新的目标非授权信道。
第三方面，本发明实施例另外提供了一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现上述第一方面所述的协作终端通信的非授权频谱边缘接入与抗干扰方法的步骤。
第四方面，本发明实施例另外提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述第一方面所述的协作终端通信的非授权频谱边缘接入与抗干扰方法的步骤。
在本发明中，通过基站接收多个IoT设备发送的非授权信道检测结果，将其中干扰强度最小所对应的非授权信道确定为目标非授权信道，将目标非授权信道分为多个子信道，接收每个IoT设备上传的自身位置信息、待传输数据量、最大传输功率和子信道检测结果，以及，接收每个蜂窝用户终端上传的自身位置信息、待传输数据量和最大传输功率，选择受干扰最小的K个IoT设备和所有蜂窝用户终端作为中继节点，通过迭代算法优化网络中调度的IoT设备数量，得到设备调度方案，根据所述设备调度方案，向对应的IoT设备和蜂窝用户终端发送连接调度和功率分配信息。
通过选择干扰强度最小所对应的非授权信道确定为目标非授权信道用于IoT设备进行数据传输，能够同时使用授权频谱和非授权频谱进行数据传输，扩展了网络的覆盖范围，且选择受干扰最小的K个IoT设备和所有蜂窝用户终端作为中继节点，从而通过多种通信方式向基站传输数据，且通过迭代算法优化网络中调度的IoT设备数量，使有限的频谱资源得到合理利用，以增加接入的IoT设备数量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中一种协作终端通信的非授权频谱边缘接入与抗干扰方法的应用场景示意图；
图2是本发明实施例中一种协作终端通信的非授权频谱边缘接入与抗干扰方法的步骤流程图；
图3是本发明实施例中一种协作终端通信的非授权频谱边缘接入与抗干扰方法的频谱资源共享示意图；
图4是本发明实施例中一种协作终端通信的非授权频谱边缘接入与抗干扰方法的步骤传输示意图；
图5是本发明实施例中一种协作终端通信的非授权频谱边缘接入与抗干扰装置的示意图；
图6是本发明实施例中的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
随着第五代通信技术的发展，越来越多的应用场景需要支持大规模的IoT设备，授权频谱资源有限，并不能满足大规模设备通信的需要。
相关技术中，如窄带物联网技术(NB-IoT)，利用窄带授权频谱，可以在保证服务质量的情况下降低功耗，这种技术只应用于授权频谱，不能满足热点区域内大规模的IoT设备部署。
非授权频谱接入技术，只考虑IoT设备以机器对机器之间的连接与通信或者蜂窝通信中的其中一种方式直接向基站上传数据，无法采用多种通信方式进行数据传输，对频谱资源的总体利用率较低，网络覆盖范围小，不能够支持大规模设备接入。
为了增加物联网中设备连接数量，本申请提出了一种协作终端通信的非授权频谱边缘接入与抗干扰方法，将网络的通信频段扩展到非授权频谱，采用载波聚合的方式同时接入授权和非授权频谱。在网络的上行链路中，对需要上传数据的IoT设备进行集群(Cluster)，首先采用机器对机器通信(M2M)的方式将数据多跳传输到空闲的IoT设备或者蜂窝用户(CU)，再由这些中继节点采用蜂窝通信(Cellular)的方式将聚合后的数据传给基站。同时，部分IoT设备也可以直接以蜂窝通信方式将数据直接传输给基站。为了降低物联网设备接入对非授权频谱中大量存在的Wi-Fi用户的影响，提出一个基于时分复用的非授权频谱共享机制，优化网络中设备的资源分配，连接调度，多跳路由和传输功率问题，提出一种迭代算法优化每个传输周期的调度结果，实现在降低传输功耗的同时最大化接入IoT设备数量。
其中，IoT:物联网，指在互联网的基础上，将大量的终端设备(Device)通过无线通信网络实现互联互通，在这个网络中，设备可以实现自动识别和信息共享的功能。物联网设备可以同时利用授权频段和非授权频段使用M2M通信实现设备之间的数据交换，也可以使用蜂窝通信(Cellular)将数据之间上传给基站。
M2M:机器对机器之间的连接与通信，是一种以机器终端智能交互为核心的、网络化的应用与服务。在机器内部嵌入无线通信模块，机器会根据既定程序主动进行通信，并根据所得到的数据智能化地做出选择，对相关设备发出正确的指令。
在介绍本申请的技术方案之前，先对本申请针对的应用场景进行介绍。
请参考图1，图1是本发明实施例中一种协作终端通信的非授权频谱边缘接入与抗干扰方法的应用场景示意图，如图1所示，在单个基站覆盖的小区内，包括一个基站和多个Wi-Fi接入点，存在多个蜂窝用户(CU)、多个Wi-Fi用户和多个IoT设备(包括直接向基站上传数据的IoT设备和需要多跳向基站上传数据的IoT设备群)。三类用户的各自特征如下：
1)蜂窝用户：利用授权频段(即授权信道)与基站进行数据传输，在上行传输过程中可以用于IoT设备的中继节点；也可以与IoT设备在非授权频段(非授权信道)进行通信，将非授权频谱划分为多个子信道，在一个周期中接收并传输多个IoT设备的数据。
2)Wi-Fi用户：利用非授权频段，根据IEEE 802.11协议进行通信。
3)IoT设备：可以同时利用授权频谱(授权信道)和非授权频谱(非授权信道)进行数据传输，数据上传包括两种方式，一是使用蜂窝通信的方式直接向基站传输；二是部分位置较远的设备采用协作通信的方式，将IoT设备分为不同的设备群，每个设备群包括一个可以与基站使用授权频谱直接通信的中继节点(IoT设备或蜂窝用户终端)，一个群中的IoT设备先使用非授权频谱以多跳的方式将数据上传给中继节点，再由中继节点将聚合后的数据发送给基站。
请参考图2，图2是本发明实施例中一种协作终端通信的非授权频谱边缘接入与抗干扰方法的步骤流程图，如图2所示，所述方法应用于基站，包括：
步骤S201：接收多个IoT设备发送的非授权信道检测结果，所述非授权信道检测结果包括多个IoT设备检测到的非授权信道以及每个非授权信道对应的干扰强度。
在本实施方式中，基站接收多个IoT设备发送的非授权信道检测结果，其中，基站覆盖的小区内的IoT设备对非授权信道进行检测，并检测得到对应的非授权信道的干扰强度，其中，干扰强度可以是对应的非授权信道上接入的Wi-Fi用户终端的数量，每个IoT设备将检测到的非授权信道以及每个非授权信道对应的干扰强度发送给基站。
步骤S202：根据所述非授权信道检测结果，将其中干扰强度最小所对应的非授权信道确定为目标非授权信道，所述目标非授权信道用于IoT设备的接入和数据传输。
在本实施方式中，基站根据接收到的非授权信道的检测结果，将其中干扰强度最小所对应的非授权信道确定为目标非授权信道，用于IoT设备的接入和数据传输，其中，只选择一个干扰强度最小的非授权信道用于IoT设备的接入和数据传输，能够尽量减小对非授权信道对应的Wi-Fi用户终端的影响。
在一种可行的实施方式中，在确定了目标非授权信道之后，所述方法还包括：
持续对所述目标非授权信道进行感知，当所述目标非授权信道的干扰强度大于第二给定阈值，则立即停止对所述目标非授权信道的占用，在下一调度周期开始时，重新确定新的目标非授权信道。
在本实施方式中，在确定了目标非授权信道之后，基站便会调度IoT设备对目标非授权信道进行占用，在此期间，基站持续对目标非授权信道进行感知，检测目标非授权信道的干扰强度，并预先设置有一个干扰强度的给定阈值，若目标非授权信道的干扰强度小于第二给定阈值，则IoT设备可以继续对目标非授权信道进行占用，若目标非授权信道的干扰强度大于第二给定阈值，则基站立即调度IoT设备停止对目标非授权信道的占用，将目标非授权信道重新交还回对应的Wi-Fi用户终端使用，以尽量减小对Wi-Fi用户终端的干扰，直到本次调度周期完毕，在下一调度周期开始时，重新确定新的干扰强度最小的目标非授权信道。
步骤S203：将所述目标非授权信道分为多个子信道。
在本实施方式中，一个非授权子信道通常较大，所以，将目标非授权信道划分为多个子信道，以便不同的IoT设备接入不同的子信道，从而可以同时接入多个IoT设备进行数据传输，从而增加IoT设备接入量。
步骤S204：接收每个IoT设备上传的自身位置信息、待传输数据量、最大传输功率和子信道检测结果，以及，接收每个蜂窝用户终端上传的自身位置信息、待传输数据量和最大传输功率。
在本实施方式中，基站接收每个IoT设备上传的自身位置信息、待传输数据量、最大传输功率和子信道检测结果，以及，接收每个蜂窝用户终端上传的自身位置信息、待传输数据量和最大传输功率。其中，蜂窝用户终端使用蜂窝通信直接向基站上传数据，IoT设备可使用授权信道或非授权信道进行数据传输，最大传输功率为IoT设备或蜂窝用户终端自身所拥有的最大的传输功率，待传输数据量为IoT设备或蜂窝用户终端在本周期内需要向基站传输的数据量，自身位置信息为IoT设备或蜂窝用户终端最近一次定位的位置，每个IoT设备均会对多个子信道进行检测，并将检测到的子信道作为子信道检测结果发送给基站。
步骤S205：选择受干扰最小的K个IoT设备和所有蜂窝用户终端作为中继节点。
在本实施方式中，蜂窝用户终端和IoT设备使用授权信道向基站传输数据时会造成干扰，选择受干扰最小的K个IoT设备和所有蜂窝用户终端作为中继节点，以便更好地将数据传输给基站。
步骤S206：根据除中继节点以外的每个IoT设备的自身位置信息、待传输数据量、最大传输功率和子信道检测结果以及每个中继节点的自身位置信息、待传输数据量和最大传输功率，通过迭代算法优化网络中调度的IoT设备数量，得到设备调度方案。
在本实施方式中，为了实现在降低传输功耗的同时最大化接入IoT设备数量，基站根据除中继节点以外的每个IoT设备的自身位置信息、待传输数据量、最大传输功率和子信道检测结果以及每个中继节点的自身位置信息、待传输数据量和最大传输功率，通过迭代算法优化网络中调度的IoT设备数量，得到设备调度方案。
在一种可行的实施方式中，所述步骤S206可包括以下步骤：
步骤S206-1：初始化所有IoT设备和所有蜂窝用户终端的传输功率矩阵P、路由传输矩阵X、传输目的地矩阵D和信道资源分配方案
设置迭代次数I＝0，在传输功率矩阵P中，每个IoT设备的传输功率均为第一传输功率,每个蜂窝用户终端的传输功率均为第二传输功率，其中，所述路由传输矩阵X记录多个IoT设备分别对应的所有数据传输节点，所述传输目的地矩阵D记录多个IoT设备分别对应的目的中继节点。
在本实施方式中，预先根据除中继节点以外的每个IoT设备的自身位置信息、待传输数据量、最大传输功率和子信道检测结果以及每个中继节点的自身位置信息、待传输数据量和最大传输功率，初始化所有IoT设备和所有蜂窝用户终端的传输功率矩阵P、路由传输矩阵X、传输目的地矩阵D和信道资源分配方案
每个IoT设备的传输功率相同，均为预设的第一传输功率，且第一传输功率不超过所有IoT设备中任一IoT设备的最大传输功率，每个蜂窝用户终端的传输功率相同，均为预设的第二传输功率，且第二传输功率不超过所有蜂窝用户终端中任一蜂窝用户终端的最大传输功率。对于路由传输矩阵X、传输目的地矩阵D和信道资源分配方案
则随机进行分配，其中，信道资源分配方案中包括多个授权信道的分配和多个子信道的分配。
步骤S206-2：根据当前的传输功率和资源分配方案，利用一阶泰勒展开将系统包含的非线性约束转换为线性约束，则调度问题转化成线性整数规划问题，采用分支限界策略求解，解得所有IoT设备和所有蜂窝用户终端的路由传输矩阵XI和传输目的地矩阵DI。
在本实施方式中，根据当前的传输功率和资源分配方案，求解得到针对所有IoT设备和所有蜂窝用户终端的新的路由传输矩阵XI和传输目的地矩阵DI。
步骤S206-3：根据解得的所有IoT设备和所有蜂窝用户终端的路由传输矩阵XI和传输目的地矩阵DI，以最小化系统的总体传输功率为目标，优化系统的信道资源分配和传输功率分配，将功率传输问题转化成凸函数，利用拉格朗日对偶方法求解，解得信道资源分配方案
和传输功率矩阵PI，作为下一迭代的初始化条件。
在本实施方式中，根据解得的所有IoT设备和所有蜂窝用户终端的路由传输矩阵XI和传输目的地矩阵DI，以最小化系统的总体传输功率为目标，优化系统的信道资源分配和传输功率分配，解得新的信道资源分配方案
和传输功率矩阵PI，作为下一迭代的初始化条件。
步骤S206-4：计算系统的总体效用，所述总体效用为一个调度周期内调度的IoT设备数量，当本次迭代的总体效用与上一迭代的总体效用之差小于第一给定阈值时，算法结束，将本次迭代所得到的传输功率矩阵PI、路由传输矩阵XI、传输目的地矩阵DI和信道资源分配方案
确定为最终的设备调度方案，否则迭代回合数I＝I+1，返回步骤S206-2。
在本实施方式中，根据本回合迭代得到的新的信道资源分配方案
传输功率矩阵PI、路由传输矩阵XI和传输目的地矩阵DI，计算系统的总体效用，总体效用为一个周期内调度的IoT设备数量，即一个调度周期内接入授权信道或非授权的子信道并进行数据传输的IoT设备数量，当本次迭代的总体效用与上一迭代的总体效用之差小于第一给定阈值时，则已经达到了优化目标，算法结束，将本次迭代所得到的传输功率矩阵PI、路由传输矩阵XI、传输目的地矩阵DI和信道资源分配方案
确定为最终的设备调度方案，否则，迭代回合数I＝I+1，返回步骤S206-2，继续进行优化迭代，直到满足本次迭代的总体效用与上一迭代的总体效用之差小于第一给定阈值。
得到设备调度方案的过程中，利用一阶泰勒展开将系统包含的非线性约束转换为线性约束，则调度问题转化成线性整数规划问题，采用分支限界策略求解，解得所有IoT设备和所有蜂窝用户终端的路由传输矩阵XI和传输目的地矩阵DI，以最小化系统的总体传输功率为目标，优化系统的信道资源分配和传输功率分配，从而可以得到较优的数据传输方式和数据传输路径，以降低传输功率的消耗，且接入更多的IoT设备，例如，待传输数据量较大的IoT设备使用授权信道直接向基站传输数据，位置较远的IoT设备采用协作通信的方式，经过一个或多个IoT设备的协作，将数据传输到中继节点，再由中继节点将数据传输给基站。得到设备调度方案后，即完成了设备的集群，一个设备集群为以同一个中继节点向基站传输数据的所有设备的集合。
步骤S207：根据所述设备调度方案，向对应的IoT设备和蜂窝用户终端发送连接调度和功率分配信息，以使对应的IoT设备和蜂窝用户终端根据接收到的连接调度和功率分配信息进行数据传输。
在本实施方式中，得到设备调度方案后，根据设备调度方案，向对应的IoT设备和蜂窝用户终端发送连接调度和功率分配信息，以使对应的IoT设备和蜂窝用户终端根据接收到的连接调度和功率分配信息进行数据传输，其中，连接调度即为每个IoT设备或蜂窝用户终端所接入的信道以及数据传输路径，功率分配为每个IoT设备或蜂窝用户终端传输数据所需的功率。
请参考图3，图3是本发明实施例中一种协作终端通信的非授权频谱边缘接入与抗干扰方法的频谱资源共享示意图，如图3所示，在一种可行的实施方式中，所述方法还包括：
每个调度周期分为T个子帧，所述设备调度方案还包括传输模式分配，T个子帧中的N个子帧为ON模式，T-N个子帧为OFF模式，ON模式表征IoT设备使用目标非授权信道和授权信道将数据发送给对应的中继节点，OFF模式表征IoT设备把非授权频段的使用权交回Wi-Fi系统，通过授权信道将数据发送给对应的中继节点，其中，N与目标非授权信道的干扰强度负相关。
在本实施方式中，在进行数据的传输时，每个调度周期分为T个子帧，为了尽量减小对目标非授权信道上的Wi-Fi用户终端的影响，设备调度方案还包括传输模式分配，其中，传输模式包括ON模式和OFF模式，T个子帧中的N个子帧为ON模式，T-N个子帧为OFF模式，ON模式时，IoT设备可使用目标非授权信道和授权信道将数据直接或间接地发送给对应的中继节点，OFF模式时，IoT设备把非授权频段的使用权交回Wi-Fi系统，即，目标非授权信道用于Wi-Fi系统中的Wi-Fi用户终端接入并进行数据的传输，IoT设备通过授权信道将数据发送给对应的中继节点，具体地，IoT设备通过授权信道将数据直接或间接地发送给对应的中继节点，N与目标非授权信道的干扰强度负相关，目标非授权信道的干扰强度越大，N越小，将更多的子帧留给Wi-Fi用户终端接入并进行数据的传输，减小对目标非授权信道上的Wi-Fi用户终端的影响，目标非授权信道的干扰强度越小，N越大，可将较少的子帧留给Wi-Fi用户终端接入并进行数据的传输。
请参考图4，图4是本发明实施例中一种协作终端通信的非授权频谱边缘接入与抗干扰方法的步骤传输示意图，如图4所示，在每个调度周期中，首先进行信道选择，其中，信道选择的具体步骤包括信道选择、集群调度和数据传输，其中，信道选择时，基站接收IoT设备发送的非授权信道检测结果，并选择其中受Wi-Fi用户终端干扰最小的非授权信道作为目标非授权信道用于IoT设备的接入和传输，并对目标非授权信道的干扰强度进行持续感知，若目标非授权信道的干扰强度不超出第二给定阈值，则进行集群调度，若目标非授权信道的干扰强度超出第二给定阈值，则在下一周期开始时，重新进行信道选择。
集群调度时，选择部分空闲的IoT设备和蜂窝用户终端一起作为可能的中继节点，其中，空闲的IoT设备可为受干扰较小的IoT设备，通过迭代优化算法，优化网络中的IoT设备接入量，得到设备调度方案，从而得到IoT设备的集群结果，基站根据设备调度方案向相应设备发送连接调度和功率分配信息。
数据传输时，传输模式包括ON模式和OFF模式，ON模式时，IoT设备可使用目标非授权信道和授权信道将数据直接或间接地发送给对应的中继节点，OFF模式时，IoT设备把非授权频段的使用权交回Wi-Fi系统，即，目标非授权信道用于Wi-Fi系统中的Wi-Fi用户终端接入并进行数据的传输，IoT设备通过授权信道将数据发送给对应的中继节点。
在本发明的实施方式中，通过基站接收多个IoT设备发送的非授权信道检测结果，将其中干扰强度最小所对应的非授权信道确定为目标非授权信道，将目标非授权信道分为多个子信道，接收每个IoT设备上传的自身位置信息、待传输数据量、最大传输功率和子信道检测结果，以及，接收每个蜂窝用户终端上传的自身位置信息、待传输数据量和最大传输功率，选择受干扰最小的K个IoT设备和所有蜂窝用户终端作为中继节点，通过迭代算法优化网络中调度的IoT设备数量，得到设备调度方案，根据所述设备调度方案，向对应的IoT设备和蜂窝用户终端发送连接调度和功率分配信息。通过选择干扰强度最小所对应的非授权信道确定为目标非授权信道用于IoT设备进行数据传输，能够同时使用授权频谱和非授权频谱进行数据传输，扩展了网络的覆盖范围，且选择受干扰最小的K个IoT设备和所有蜂窝用户终端作为中继节点，从而通过多种通信方式向基站传输数据，且通过迭代算法优化网络中调度的IoT设备数量，使有限的频谱资源得到合理利用，以增加接入的IoT设备数量。
基于同一发明构思，本发明一实施例提供了一种协作终端通信的非授权频谱边缘接入与抗干扰装置，请参考图5，图5是本发明实施例中一种协作终端通信的非授权频谱边缘接入与抗干扰装置的示意图，如图5所示，所述装置包括：
第一接收模块501，用于接收多个IoT设备发送的非授权信道检测结果，所述非授权信道检测结果包括多个IoT设备检测到的非授权信道以及每个非授权信道对应的干扰强度；
确定模块502，用于根据所述非授权信道检测结果，将其中干扰强度最小所对应的非授权信道确定为目标非授权信道，所述目标非授权信道用于IoT设备的接入和数据传输；
拆分模块503，用于将所述目标非授权信道分为多个子信道；
第二接收模块504，用于接收每个IoT设备上传的自身位置信息、待传输数据量、最大传输功率和子信道检测结果，以及，接收每个蜂窝用户终端上传的自身位置信息、待传输数据量和最大传输功率；
选择模块505，用于选择受干扰最小的K个IoT设备和所有蜂窝用户终端作为中继节点；
获得模块506，用于根据除中继节点以外的每个IoT设备的自身位置信息、待传输数据量、最大传输功率和子信道检测结果以及每个中继节点的自身位置信息、待传输数据量和最大传输功率，通过迭代算法优化网络中调度的IoT设备数量，得到设备调度方案；
发送模块507，用于根据所述设备调度方案，向对应的IoT设备和蜂窝用户终端发送连接调度和功率分配信息，以使对应的IoT设备和蜂窝用户终端根据接收到的连接调度和功率分配信息进行数据传输。
可选地，所述获得模块，包括：
初始化模块，用于执行步骤1：初始化所有IoT设备和所有蜂窝用户终端的传输功率矩阵P、路由传输矩阵X、传输目的地矩阵D和信道资源分配方案
设置迭代次数I＝0，在传输功率矩阵P中，每个IoT设备的传输功率均为第一传输功率,每个蜂窝用户终端的传输功率均为第二传输功率，其中，所述路由传输矩阵X记录多个IoT设备分别对应的所有数据传输节点，所述传输目的地矩阵D记录多个IoT设备分别对应的目的中继节点；
第一获得子模块，用于执行步骤2：根据当前的传输功率和资源分配方案，利用一阶泰勒展开将系统包含的非线性约束转换为线性约束，则调度问题转化成线性整数规划问题，采用分支限界策略求解，解得所有IoT设备和所有蜂窝用户终端的路由传输矩阵XI和传输目的地矩阵DI；
第二获得子模块，用于执行步骤3：根据解得的所有IoT设备和所有蜂窝用户终端的路由传输矩阵XI和传输目的地矩阵DI，以最小化系统的总体传输功率为目标，优化系统的信道资源分配和传输功率分配，将功率传输问题转化成凸函数，利用拉格朗日对偶方法求解，解得信道资源分配方案
和传输功率矩阵PI，作为下一迭代的初始化条件；
确定或返回模块，用于执行步骤4：计算系统的总体效用，所述总体效用为一个调度周期内调度的IoT设备数量，当本次迭代的总体效用与上一迭代的总体效用之差小于第一给定阈值时，算法结束，将本次迭代所得到的传输功率矩阵PI、路由传输矩阵XI、传输目的地矩阵DI和信道资源分配方案
确定为最终的设备调度方案，否则迭代回合数I＝I+1，返回步骤2。
可选地，每个调度周期分为T个子帧，所述设备调度方案还包括传输模式分配，T个子帧中的N个子帧为ON模式，T-N个子帧为OFF模式，ON模式表征IoT设备使用目标非授权信道和授权信道将数据发送给对应的中继节点，OFF模式表征IoT设备把非授权频段的使用权交回Wi-Fi系统，通过授权信道将数据发送给对应的中继节点，其中，N与目标非授权信道的干扰强度负相关。
可选地，在确定模块之后，所述装置还包括：
感知模块，用于持续对所述目标非授权信道进行感知，当所述目标非授权信道的干扰强度大于第二给定阈值，则立即停止对所述目标非授权信道的占用，在下一调度周期开始时，重新确定新的目标非授权信道。
图6是本发明实施例中的一种电子设备的结构示意图，如图6所示，本申请还提供了一种电子设备，包括：
处理器61；
其上存储有指令的存储器62，及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器61执行时，使得所述装置执行一种终端间多跳通信的非授权频谱共享方法。
本申请还提供了一种非临时性计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，当所述存储介质中的计算机程序由电子设备的处理器61执行时，使得电子设备能够执行实现所述的一种终端间多跳通信的非授权频谱共享方法。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
本领域内的技术人员应明白，本发明实施例的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种协作终端通信的非授权频谱边缘接入与抗干扰方法、装置、电子设备及可读存储介质，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种协作终端通信的非授权频谱边缘接入与抗干扰方法，其特征在于，应用于基站，在每个调度周期内，执行以下步骤：
接收多个IoT设备发送的非授权信道检测结果，所述非授权信道检测结果包括多个IoT设备检测到的非授权信道以及每个非授权信道对应的干扰强度；
根据所述非授权信道检测结果，将其中干扰强度最小所对应的非授权信道确定为目标非授权信道，所述目标非授权信道用于IoT设备的接入和数据传输；
将所述目标非授权信道分为多个子信道；
接收每个IoT设备上传的自身位置信息、待传输数据量、最大传输功率和子信道检测结果，以及，接收每个蜂窝用户终端上传的自身位置信息、待传输数据量和最大传输功率；
选择受干扰最小的K个IoT设备和所有蜂窝用户终端作为中继节点；
根据除中继节点以外的每个IoT设备的自身位置信息、待传输数据量、最大传输功率和子信道检测结果以及每个中继节点的自身位置信息、待传输数据量和最大传输功率，通过迭代算法优化网络中调度的IoT设备数量，得到设备调度方案；
根据所述设备调度方案，向对应的IoT设备和蜂窝用户终端发送连接调度和功率分配信息，以使对应的IoT设备和蜂窝用户终端根据接收到的连接调度和功率分配信息进行数据传输。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据除中继节点以外的每个IoT设备的自身位置信息、待传输数据量、最大传输功率和子信道检测结果以及每个中继节点的自身位置信息、待传输数据量和最大传输功率，通过迭代算法优化网络中调度的IoT设备数量，得到设备调度方案，包括以下步骤：
步骤1：初始化所有IoT设备和所有蜂窝用户终端的传输功率矩阵P、路由传输矩阵X、传输目的地矩阵D和信道资源分配方案
设置迭代回合数I＝0，在传输功率矩阵P中，每个IoT设备的传输功率均为第一传输功率,每个蜂窝用户终端的传输功率均为第二传输功率，其中，所述路由传输矩阵X记录多个IoT设备分别对应的所有数据传输节点，所述传输目的地矩阵D记录多个IoT设备分别对应的目的中继节点；
步骤2：根据当前的传输功率和资源分配方案，利用一阶泰勒展开将系统包含的非线性约束转换为线性约束，则调度问题转化成线性整数规划问题，采用分支限界策略求解，解得所有IoT设备和所有蜂窝用户终端的路由传输矩阵XI和传输目的地矩阵DI；
步骤3：根据解得的所有IoT设备和所有蜂窝用户终端的路由传输矩阵XI和传输目的地矩阵DI，以最小化系统的总体传输功率为目标，优化系统的信道资源分配和传输功率分配，将功率传输问题转化成凸函数，利用拉格朗日对偶方法求解，解得信道资源分配方案
和传输功率矩阵PI，作为下一迭代的初始化条件；
步骤4：计算系统的总体效用，所述总体效用为一个调度周期内调度的IoT设备数量，当本次迭代的总体效用与上一迭代的总体效用之差小于第一给定阈值时，算法结束，将本次迭代所得到的传输功率矩阵PI、路由传输矩阵XI、传输目的地矩阵DI和信道资源分配方案
确定为最终的设备调度方案，否则迭代回合数I＝I+1，返回步骤2。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个调度周期分为T个子帧，所述设备调度方案还包括传输模式分配，T个子帧中的N个子帧为ON模式，T-N个子帧为OFF模式，ON模式表征IoT设备使用目标非授权信道和授权信道将数据发送给对应的中继节点，OFF模式表征IoT设备把非授权频段的使用权交回Wi-Fi系统，通过授权信道将数据发送给对应的中继节点，其中，N与目标非授权信道的干扰强度负相关。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将其中干扰强度最小所对应的非授权信道确定为目标非授权信道的步骤之后，所述方法还包括：
持续对所述目标非授权信道进行感知，当所述目标非授权信道的干扰强度大于第二给定阈值，则立即停止对所述目标非授权信道的占用，在下一调度周期开始时，重新确定新的目标非授权信道。
5.一种协作终端通信的非授权频谱边缘接入与抗干扰装置，其特征在于，包括：
第一接收模块，用于接收多个IoT设备发送的非授权信道检测结果，所述非授权信道检测结果包括多个IoT设备检测到的非授权信道以及每个非授权信道对应的干扰强度；
确定模块，用于根据所述非授权信道检测结果，将其中干扰强度最小所对应的非授权信道确定为目标非授权信道，所述目标非授权信道用于IoT设备的接入和数据传输；
拆分模块，用于将所述目标非授权信道分为多个子信道；
第二接收模块，用于接收每个IoT设备上传的自身位置信息、待传输数据量、最大传输功率和子信道检测结果，以及，接收每个蜂窝用户终端上传的自身位置信息、待传输数据量和最大传输功率；
选择模块，用于选择受干扰最小的K个IoT设备和所有蜂窝用户终端作为中继节点；
获得模块，用于根据除中继节点以外的每个IoT设备的自身位置信息、待传输数据量、最大传输功率和子信道检测结果以及每个中继节点的自身位置信息、待传输数据量和最大传输功率，通过迭代算法优化网络中调度的IoT设备数量，得到设备调度方案；
发送模块，用于根据所述设备调度方案，向对应的IoT设备和蜂窝用户终端发送连接调度和功率分配信息，以使对应的IoT设备和蜂窝用户终端根据接收到的连接调度和功率分配信息进行数据传输。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述获得模块，包括：
初始化模块，用于执行步骤1：初始化所有IoT设备和所有蜂窝用户终端的传输功率矩阵P、路由传输矩阵X、传输目的地矩阵D和信道资源分配方案
设置迭代回合数I＝0，在传输功率矩阵P中，每个IoT设备的传输功率均为第一传输功率,每个蜂窝用户终端的传输功率均为第二传输功率，其中，所述路由传输矩阵X记录多个IoT设备分别对应的所有数据传输节点，所述传输目的地矩阵D记录多个IoT设备分别对应的目的中继节点；
第一获得子模块，用于执行步骤2：根据当前的传输功率和资源分配方案，利用一阶泰勒展开将系统包含的非线性约束转换为线性约束，则调度问题转化成线性整数规划问题，采用分支限界策略求解，解得所有IoT设备和所有蜂窝用户终端的路由传输矩阵XI和传输目的地矩阵DI；
第二获得子模块，用于执行步骤3：根据解得的所有IoT设备和所有蜂窝用户终端的路由传输矩阵XI和传输目的地矩阵DI，以最小化系统的总体传输功率为目标，优化系统的信道资源分配和传输功率分配，将功率传输问题转化成凸函数，利用拉格朗日对偶方法求解，解得信道资源分配方案
和传输功率矩阵PI，作为下一迭代的初始化条件；
确定或返回模块，用于执行步骤4：计算系统的总体效用，所述总体效用为一个调度周期内调度的IoT设备数量，当本次迭代的总体效用与上一迭代的总体效用之差小于第一给定阈值时，算法结束，将本次迭代所得到的传输功率矩阵PI、路由传输矩阵XI、传输目的地矩阵DI和信道资源分配方案
确定为最终的设备调度方案，否则迭代回合数I＝I+1，返回步骤2。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，每个调度周期分为T个子帧，所述设备调度方案还包括传输模式分配，T个子帧中的N个子帧为ON模式，T-N个子帧为OFF模式，ON模式表征IoT设备使用目标非授权信道和授权信道将数据发送给对应的中继节点，OFF模式表征IoT设备把非授权频段的使用权交回Wi-Fi系统，通过授权信道将数据发送给对应的中继节点，其中，N与目标非授权信道的干扰强度负相关。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，在确定模块之后，所述装置还包括：
感知模块，用于持续对所述目标非授权信道进行感知，当所述目标非授权信道的干扰强度大于第二给定阈值，则立即停止对所述目标非授权信道的占用，在下一调度周期开始时，重新确定新的目标非授权信道。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如权利要求1至4中任一项所述的协作终端通信的非授权频谱边缘接入与抗干扰方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1至4中任一项所述的协作终端通信的非授权频谱边缘接入与抗干扰方法。
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