CN114337888B - 多用户共享信道条件下的下行数据传输分组方法 - Google Patents

多用户共享信道条件下的下行数据传输分组方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多用户共享信道条件下的下行数据传输分组方法，其实现步骤是：构建星型接入网络，将共享信道上所有未分组的从属节点组成一个集合，计算集合中当前所有从属节点的质心向量，生成与质心向量关联的分组，判断质心分组的总数是否满足分组终止条件，若是，如果集合有剩余的从属节点则对集合中剩余的从属节点进行分组，否则，重复上述步骤，分组完成后中心节点在共享信道的公共时隙中发送下行数据，同一个分组中的从属节点在共享信道上以相同的调制格式接收该下行数据，使得本发明有稳定的分组结果、执行效率高并且适用范围广。

Description

多用户共享信道条件下的下行数据传输分组方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及到网络通信技术领域中的一种多用户共享信道条件下的下行数据传输分组方法。本发明可用于采用星型拓扑和正交频分复用OFDM技术的接入网中的下行数据进行分组传输的场景。
背景技术
在接入网中常采用星型拓扑，下行数据传输由中心节点到从属节点用户，上行数据传输由从属节点用户到中心节点。接入网中的中心节点向各从属节点用户进行下行数据传输时，经常采用基于通告的时分复用TDM方式进行，即中心节点首先根据从属节点用户数据队列长度在当前周期规划各下行时隙的分配方案并将该分配方案通告给各从属节点用户，然后才能将数据在下一个周期指定时隙发给指定从属节点用户，从属节点用户根据接收到的通告在指定时隙接收数据，新数据由中心节点发往从属节点用户需要等待一个周期。为了降低下行数据传输时延，可以在每个周期内设置共享时隙，允许中心节点在共享时隙发送下行数据，这样就允许中心节点进行下行数据传输时可以不需要等待规划时隙完成而在共享时隙内就可以将到达的数据发往指定从属节点用户，从而可以降低下行数据的等待时延。同时，当下行信道被提前规划好而业务到达存在突发时，采用这种共享时隙的传输可以提高信道复用效率。
对于采用正交频分复用OFDM技术的接入网，由于中心节点到各从属节点用户信道条件存在差异，下行传输中从中心节点到各从属节点用户的各个子载波上会采用不同的调制格式，为了提高对共享时隙的复用性能并且保证系统可以获得最大的数据传输速率，需要根据用户在不同子载波的调制格式对从属节点用户进行分组，使得子载波调制格式相近的用户被划分到一个组内，最后再根据各个分组的业务需求，在共享时隙内为每个组划分对应的时隙，同一个组的下行数据在对应时隙采用相同调制格式进行发送，组内所有用户均可以收到该数据，对于属于同一个分组内的数据，只有目标从属节点用户会接收该数据，分组内的其它用户由于检查到自己不是目标用户，会对该数据进行丢弃处理。
广东工业大学在其申请的专利文献“一种基于用户数据分布的K-means方法”(申请号CN202110162781.4申请公布号CN 112801197 A)中公开了一种基于迭代算法的下行数据分组方法。该方法的实现步骤是，第一步，根据用户分组数随机选择指定数目的子载波调制格式向量，作为初始的质心向量；第二步，选用欧式距离作为测量标准，求得每个质心周围的向量集合。每个向量计算和每个质心的欧式距离，选择最小欧氏距离对应的质心，将当前向量加入对应的质心集合中；第三步，计算各个集合新的质心：对集合的所有向量的一个维度的所有值计算平均值，将此平均值作为新的质心的向量在该维度的值，按照此方法依次计算所有向量在每一个维度的平均值，最后得到新的质心；依次计算得到各个集合的新的质心；第四步：重复步骤二和步骤三，直到所有的质心不再发生变化；第五步，一旦分组确定，该分组的不同维度子载波调制格式为该分组内的不同用户在这个维度子载波的调制格式的最小值，对不同分组按照此方法依次配置各个分组不同维度的子载波调制格式。该分组方法存在的不足之处是，该方法迭代过程比较复杂所以时间复杂度较高，方法的执行结果和初始选择的质心相关，因而分组结果具有较强的不确定性，有可能产生分组不合理而导致信道传输效率不高。
H.Mehmood等人在其发表的论文“Bit loading profiles for high-speed datain DOCSIS 3.1”(IEEE Communications Magazine:Articles,News,and Events ofInterest to Communications Engineers,2015,53(3):114-120)中公开了一种基于二分排序算法的下行数据传输分组方法。该方法的步骤是，第一步，用户根据子载波调制格式的多维向量计算各自总的传输速率，根据传输速率将用户由低到高排序。第二步，利用二分法将用户分为两组，具体做法是确定传输速率中间的某个值使得整体用户的数据传输速率最大，将该值作为分割点，将用户分为两组。第三步，对每组用户重复上述的分割步骤直到分组数目达到要求的用户分组数目。该分组方法存在的不足之处是，该方法假设用户在不同子载波上具有相同的数据传输能力，未考虑用户在子载波上的传输特征不同的情形，适用范围具有局限性。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种多用户共享信道条件下的下行数据传输分组方法，用于解决采用OFDM技术的星型接入网中多用户下行数据传输分组的分组结果具有不确定性的问题，该方法具有较低的时间复杂度，并适用于不同用户在各子载波上传输特性不同的情形。
实现本发明目的的技术思路是，本发明每次利用当前所有从属节点计算出唯一的质心向量，每个唯一质心向量都关联着一个唯一的质心分组，保证了分组结果的确定性，避免了随机节点大量迭代可能会计算出不同的质心向量进一步生成不同的质心分组，解决了用户分组结果存在不确定性导致分组传输效率不高的问题，同时降低了计算复杂度提高了执行效率。本发明利用星型接入网的所有从属节点在所有子载波上的数据传输能力计算质心，充分考虑了从属节点不同子载波上的数据传输能力，将与质心向量在所有子载波上数据传输能力相似的从属节点划分为同一个分组，可适用于不同用户在各子载波上传输特性不同的情形，解决了适用范围具有局限性的问题。
实现本发明目的的技术方案的步骤如下：
步骤1，构建星型接入网络：
构建一个由中心节点和N个从属节点构成的星型接入网络，中心节点采用OFDM技术将中心节点和从属节点的共享信道均分为K个子载波，其中，N≥2，K≥1；
步骤2，将共享信道上所有未分组的从属节点组成一个集合A；
步骤3，计算集合A中当前所有从属节点的质心向量：
(3a)计算集合A中当前所有从属节点在每个子载波上的平均数据传输能力；
(3b)将集合A中当前每个从属节点的所有数据传输能力组成该节点的数据传输向量[Kj1,...,Kji,...,KjK]T，其中，T表示转置操作；
(3c)将集合A中当前所有从属节点的平均数据传输能力组成质心向量[N1,...,Ni,...,NK]T；
步骤4，生成与质心向量关联的分组：
(4a)分别计算每个节点的数据传输向量与质心向量的欧氏距离，将所有欧式距离组成欧式距离序列；
(4b)计算集合A中当前每个从属节点的平均密度；
(4c)将欧式距离序列中不大于Lmax的所有欧式距离对应的从属节点组成与当前质心向量关联的分组，并从集合A中删去该分组中的从属节点，其中，Lmax表示所有平均密度的最大值对应从属节点的传输向量到质心向量的欧式距离；
步骤5，判断质心分组的总数是否满足分组终止条件，若是，则执行步骤6，否则，执行步骤3；
步骤6，判断集合A是否仍有未分组的从属节点，若是，则执行步骤7，否则，执行步骤8；
步骤7，对集合A中剩余的从属节点进行分组：
计算集合A中剩余的每个从属节点分别与每个质心向量的欧式距离，从中选出该从属节点最小欧式距离对应的质心向量，移到该质心关联的质心分组中并从集合A中移除该从属节点；
步骤8，发送下行数据：
中心节点在共享信道的公共时隙中发送下行数据，同一个分组中的从属节点在共享信道上以相同的调制格式接收该下行数据。
本发明与现有技术相比有以下优点：
第1，由于本发明通过有限次计算当前集合中所有从属节点在每个子载波上的平均数据传输能力，将每个子载波上的平均传输能力组成唯一的质心向量，生成与质心向量关联的质心分组，克服了现有技术用户分组结果具有不确定性导致分组传输效率降低且计算复杂度高的问题，使得本发明具有稳定的分组结果，有利于提高信道传输效率，同时本发明执行效率较高。
第2，由于本发明计算了集合中所有从属节点在每个子载波上的平均数据传输能力，将集合中每个从属节点的所有数据传输能力组成该节点的数据传输向量，克服了现有技术未考虑从属节点的子载波的传输特征不同的问题，使得本发明的适用范围更加广泛。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明星型接入网络的拓扑图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的详细描述。
参照图1和实施例对本发明的实现步骤做进一步的详细描述。
步骤1，构建星型接入网络。
构建一个由中心节点和N个从属节点构成的星型接入网络，中心节点采用OFDM技术将中心节点和从属节点的共享信道均分为K个子载波，其中，N≥2，K≥1。
参照图2，对本发明实施例所构建的星型接入网络做进一步的详细描述。
本发明实施例所构建的星型接入网络由1个中心节点和5个从属节点组成，整个信道共有5个子载波。数字1，2，3...来描述子载波传输能力，分别代表了QAM，4QAM，8QAM...调制格式。星型接入网中的5个从属节点用户的数据传输向量分别为[1,3,4,6,12]T、[2,3,4,8,12]T、[1，2，3，9，11]T、[6，8，10，11，12]T、[7，8，9，12，12]T，星型接入网预设的分组总数为2。
步骤2，将共享信道上所有未分组的从属节点组成一个集合A，本发明实施例将星型接入网中5个从属节点组成集合A。
步骤3，计算集合A中当前所有从属节点的质心向量。
第一步，按照下式，计算集合A中当前所有从属节点在每个子载波上的平均数据传输能力：
其中，Ni表示集合A中当前所有从属节点在第i个子载波上的平均数据传输能力，b表示集合A中当前从属节点的总数，1≤b≤N，N表示星型接入网中从属节点的总数，∑表示求和操作，j表示集合A中当前从属节点的序号，i表示子载波的序号，1≤i≤K，K表示共享信道中子载波的总数，Kji表示集合A中第j个从属节点在第i个子载波上的数据传输能力。
本发明实施例中，第一次遍历到该步骤时，集合A中共有5个从属节点，按照上述公式计算出集合A中当前所有从属节点在每个子载波上的平均数据传输能力分别为：N1＝3.4，N2＝4.8，N3＝6，N4＝9.2，N5＝11.8。
本发明实施例中，第二次遍历到该步骤时，集合A中共有2个从属节点，按照上述公式计算出集合A中当前所有从属节点在每个子载波上的平均数据传输能力分别为：N1＝6.5，N2＝8，N3＝9.5，N4＝11.5，N5＝12。
第二步，将集合A中当前每个从属节点的所有数据传输能力组成该节点的数据传输向量为：[Kj1,...,Kji,...,KjK]T，其中，T表示转置操作。
本发明实施例中，第一次遍历到该步骤时，集合A中5个从属节点的数据传输向量分别为：[1,3,4,6,12]T、[2,3,4,8,12]T、[1，2，3，9，11]T、[6，8，10，11，12]T、[7，8，9，12，12]T。
本发明实施例中，第二次遍历到该步骤时，集合A中2个从属节点的数据传输向量分别为：[6，8，10，11，12]T、[7，8，9，12，12]T。
第三步，将集合A中当前所有从属节点的平均数据传输能力组成质心向量为：[N1,...,Ni,...,NK]T。
本发明实施例中，第一次遍历到该步骤时，集合A中当前所有从属节点的质心向量为：[3.4,4.8,6,9.2,11.8]T。
本发明实施例中，第二次遍历到该步骤时，集合A中当前所有从属节点的质心向量为：[6.5,8,9.5,11.5,12]T。
步骤4，生成与质心向量关联的分组。
第一步，分别计算每个节点的数据传输向量与质心向量的欧氏距离，将所有欧式距离组成欧式距离序列。
本发明实施例中，第一次遍历到该步骤时，集合A中共有5个从属节点，计算出的欧式距离序列中的元素值分别为：l1＝4.82、l2＝3.27、l3＝4.82、l4＝6.02、l5＝6.33。
本发明实施例中，第二次遍历到该步骤时，集合A中共有2个从属节点，计算出的欧式距离序列中的元素值分别为：l1＝0.866、l2＝0.866。
第二步，按照下式，计算集合A中当前每个从属节点的平均密度：
其中，pj表示集合A中第j个从属节点的平均密度，Lj表示第j个从属节点的数据传输向量与质心向量的欧式距离，Sj表示欧式距离序列中小于Lj的个数，π表示圆周率。
本发明实施例中，第一次遍历到该步骤时，集合A中共有5个从属节点，计算出的平均密度分别为：p1＝0.0411、p2＝0.02977、p3＝0.0411、p4＝0.0351、p5＝0.0397。
本发明实施例中，第二次遍历到该步骤时，集合A中共有2个从属节点，计算出的平均密度分别为：p1＝0.8489、p2＝0.8489。
第三步，将欧式距离序列中不大于Lmax的所有欧式距离对应的从属节点组成与当前质心向量关联的分组，并从集合A中删去该分组中的从属节点，其中，Lmax表示所有平均密度的最大值对应从属节点的传输向量到质心向量的欧式距离。
本发明实施例中，第一次遍历到该步骤时，当前集合A中共有五个从属节点，当前集合A中五个从属节点中平均密度的最大值为p1＝0.0411，平均密度最大的从属节点对应的欧氏距离序列中的值l1＝4.82，Lmax表示当前集合A中五个从属节点中平均密度的最大值对应从属节点的传输向量到质心向量的欧式距离，故Lmax＝4.82，五个从属节点中欧式距离序列不大于Lmax的所有欧式距离对应的从属节点包括第一、第二和第三个从属节点，将这三个从属节点组成当前质心关联的分组中，同时从当前集合A中删去这三个从属节点。平均密度表示质心附近从属节点的密集情况，此步骤可以将靠近质心且周围从属较密集区域内的从属节点划分为同一个质心分组。
本发明实施例中，第一次遍历到该步骤从集合A中移除了两个从属节点，当前集合A中共有五个从属节点，当前集合A中两个从属节点中平均密度的最大值为p2＝0.8489，平均密度最大的从属节点对应的欧氏距离序列中的值l2＝0.866，Lmax表示当前集合A中五个从属节点中平均密度的最大值对应从属节点的传输向量到质心向量的欧式距离，故Lmax＝0.866，两个从属节点中欧式距离序列中不大于Lmax的所有欧式距离对应的从属节点包括第一和第二个从属节点，将这两个从属节点组成当前质心关联的分组中，同时从当前集合A中删去这两个从属节点。平均密度表示质心附近从属节点的密集情况，此步骤可以将靠近质心且周围从属较密集区域内的从属节点划分为同一个质心分组。
步骤5，判断质心分组的总数是否满足分组终止条件，若是，则执行步骤6，否则，执行步骤3。
所述的分组终止条件指的是满足下述条件之一的情形：
条件1，质心分组的总数小于星型接入网预设的分组总数，但是，集合A中剩余的从属节点已经无法满足质心分组所需的节点数目。
条件2，质心分组的总数等于星型接入网预设的分组总数。
本发明实施例中，未满足分组终止条件时，会重复计算质心，生成质心关联的质心分组。每次将从属节点的一部分划分为一个分组，第一次遍历到该步骤时，质心分组的总数为1，星型接入网预设的分组总数为2，质心分组的总数小于星型接入网预设的分组总数，不满足分组终止条件，故继续执行步骤3。
本发明实施例中，未满足分组终止条件时，会重复计算质心，生成质心关联的质心分组，每次将从属节点的一部分划分为一个分组，第二次遍历到该步骤时，质心分组的总数为2，星型接入网预设的分组总数为2，质心分组的总数等于星型接入网预设的分组总数，满足分组终止条件，故继续执行步骤6。
步骤6，判断集合A是否仍有未分组的从属节点，若是，则执行步骤7，否则，执行步骤8。
本发明实施例中，集合A中没有未分组的从属节点，故执行步骤8。
步骤7，对集合A中剩余的从属节点进行分组。
计算集合A中剩余的每个从属节点分别与每个质心向量的欧式距离，从中选出该从属节点最小欧式距离对应的质心向量，移到该质心关联的质心分组中并从集合A中移除该从属节点；
本发明实施例中，经过两次分组，刚好将5个节点分为两组，没有剩余的从属节点故不需要对剩余从属节点进行分组。如果质心分组的总数小于星型接入网预设的分组总数，则需要判断剩余从属节点传输向量与已有质心向量的欧式距离，该值越小则说明该从属节点和该质心的数据传输能力较为接近，故该从属节点应该加入数据传输能力最接近的质心关联的质心分组中。
步骤8，发送下行数据。
中心节点在共享信道的公共时隙中发送下行数据，同一个分组中的从属节点在共享信道上以相同的调制格式接收该下行数据。
本发明实施例中，整个从属节点共分为两组，中心节点在共享信道的公共时隙中发送下行数据，每组从属节点在共享信道上以相同的调制格式接收该下行数据。
以上是本发明的一个具体实例，并不构成对本发明的任何限制，凡是在本发明的思想和精神下进行的修改和变化，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种多用户共享信道条件下的下行数据传输分组方法，其特征在于，该分组方法通过子载波的数据传输能力计算质心，生成质心向量关联的分组；该方法的步骤包括如下：
步骤1，构建星型接入网络：
构建一个由中心节点和N个从属节点构成的星型接入网络，中心节点采用OFDM技术将中心节点和从属节点的共享信道均分为K个子载波，其中，N≥2，K≥1；
步骤2，将共享信道上所有未分组的从属节点组成一个集合A；
步骤3，计算集合A中当前所有从属节点的质心向量：
(3a)计算集合A中当前所有从属节点在每个子载波上的平均数据传输能力；
(3b)将集合A中当前每个从属节点的所有数据传输能力组成该节点的数据传输向量[Kj1,...,Kji,...,KjK]T，其中，T表示转置操作；
(3c)将集合A中当前所有从属节点的平均数据传输能力组成质心向量[N1,...,Ni,...,NK]T；
步骤4，生成与质心向量关联的分组：
(4a)分别计算每个节点的数据传输向量与质心向量的欧氏距离，将所有欧式距离组成欧式距离序列；
(4b)按照下式，计算集合A中当前每个从属节点的平均密度：
其中，pj表示集合A中第j个从属节点的平均密度，Lj表示第j个从属节点的数据传输向量与质心向量的欧式距离，Sj表示欧式距离序列中小于Lj的个数，π表示圆周率；
(4c)将欧式距离序列中不大于Lmax的所有欧式距离对应的从属节点组成与当前质心向量关联的分组，并从集合A中删去该分组中的从属节点，其中，Lmax表示所有平均密度的最大值对应从属节点的传输向量到质心向量的欧式距离；
步骤5，判断质心分组的总数是否满足分组终止条件，若是，则执行步骤6，否则，执行步骤3；
步骤6，判断集合A是否仍有未分组的从属节点，若是，则执行步骤7，否则，执行步骤8；
步骤7，对集合A中剩余的从属节点进行分组：
计算集合A中剩余的每个从属节点分别与每个质心向量的欧式距离，从中选出该从属节点最小欧式距离对应的质心向量，移到该质心关联的质心分组中并从集合A中移除该从属节点；
步骤8，发送下行数据：
中心节点在共享信道的公共时隙中发送下行数据，同一个分组中的从属节点在共享信道上以相同的调制格式接收该下行数据。
2.根据权利要求1所述多用户共享信道条件下的下行数据传输分组方法，其特征在于，步骤(3a)中所述的计算集合A中当前所有从属节点在每个子载波上的平均数据传输能力是由下式得到的：
其中，Ni表示集合A中当前所有从属节点在第i个子载波上的平均数据传输能力，b表示集合A中当前从属节点的总数，1≤b≤N，N表示星型接入网中从属节点的总数，∑表示求和操作，j表示集合A中当前从属节点的序号，i表示子载波的序号，1≤i≤K，K表示共享信道中子载波的总数，Kji表示集合A中第j个从属节点在第i个子载波上的数据传输能力。
3.根据权利要求1所述多用户共享信道条件下的下行数据传输分组方法，其特征在于，步骤5中所述的分组终止条件指的是满足下述条件之一的情形：
条件1，质心分组的总数小于星型接入网预设的分组总数，但是，集合A中剩余的从属节点已经无法满足质心分组所需的节点数目；
条件2，质心分组的总数等于星型接入网预设的分组总数。
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