CN116133143A - 一种保障信道鲁棒性的fttr资源分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种保障信道鲁棒性的FTTR资源分配方法，属于无线通信技术领域，包括：利用所有的AP通过2.4Ghz频段向区域内各个用户发送控制信号；接收响应信号以获取各个用户对应的SINR信息和RSSI测量值；响应信号还携带每个AP到各个用户的传输功率和信道状态信息；控制AP根据各个用户的SINR信息确定通信频段为2.4G频段或5G频段；控制OLT根据各个用户对应的发射功率、传输功率和信道状态信息进行资源调度决策，以达到最大瞬时数据的传输速率。本发明在AP与用户进行数据传输时，提高两种通信频段传输信道的鲁棒性，能够更准确地决策用户连接AP的情况、最优的分配带宽和发射功率，从而实现高效的资源调度。

Description

一种保障信道鲁棒性的FTTR资源分配方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，更具体地，涉及一种保障信道鲁棒性的FTTR资源分配方法。
背景技术
全光房间（Fiber to The Room，FTTR）即通过最新的光纤代替传统的网线，把千兆宽带和千兆Wi-Fi带入到每个房间、办公室甚至桌面，以支撑家庭、校园和商业的数字化、智能化和信息化，通过全新的光纤+Wi-Fi6技术实现超千兆全屋覆盖。随着光网带宽从百兆提升到千兆，虚拟现实（VR）、超高清视频等家庭高流量业务需求激增。
Wi-Fi6有2.4G和5G/6G两个频带，不同频带无线穿透能力不同。2.4G频带在障碍物中传播时衰减较小，缺点是该频段所受的干扰较大，在无线信道传输速率较慢；而5G/6G频带较宽，干扰少，网速稳定，并且可以支持更高的无线信道传输速率，缺点就是在障碍物中传播时的衰减较大。FTTR所通常应用的室内环境中，普遍存在一堵甚至多堵墙壁阻挡无线信道传输。对于多堵墙壁隔在AP与用户之间的情况，若AP与用户进行数据传输时，用5G频段进行数据传输，其通信效果反而不如2.4G频段。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种保障信道鲁棒性的FTTR资源分配方法，其目的在于，利用2.4G的频段进行控制以便为AP与用户进行数据传输的资源分配提供更高的自由度，通过SINR对信道进行判定是否适合用5G频段进行数据通信，决策用户与AP之间用何种频段进行通信，后在AP与用户进行数据传输中，通过提高信道鲁棒性来更准确地决策用户连接AP的情况，最优的分配发射功率与带宽从而实现高效的FTTR资源调度，由此解决现有FTTR中通信效率低的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种保障信道鲁棒性的FTTR资源分配方法，包括：
S1：利用所有的无线访问节点AP通过2.4Ghz频段向区域内各个用户发送控制信号；接收各个所述用户的响应信号，以获取各个所述用户对应的信号与干扰加噪声比SINR信息和接收信号强度指示RSSI测量值；其中，为第m个用户接收到第n个AP的SINR信息；第n个用户对应的RSSI测量值为FTTR网络中第n个AP对第m个用户的发射功率；所述响应信号还携带第m个用户接收来自第n个AP的传输功率和第m个用户与第n个AP的信道状态信息；，；为用户的总数，为AP的总数；
S2：控制AP根据各个所述用户对应的SINR信息确定各个所述用户的通信频段为2.4G频段或5G频段；
S3：控制光线路终端OLT根据各个AP对各个用户的发射功率、以及各个用户接收到来自AP的传输功率和信道状态信息进行资源调度决策，以达到最大瞬时数据的传输速率；所述资源调度决策包括：决策用户与AP的通信频段集合、用户连接AP集合、分配发射功率和带宽。
在其中一个实施例中，所述S1中所有的AP通过2.4Ghz频段向区域内各个用户发送控制信号的约束条件为：
，；
实现利用2.4Ghz频段通信在最低信干噪比时，室内所有AP能够通信的用户达到最多数目；为连接状态标识，成功配对时为1，否则为0；为2.4G频段AP的总发功率上限。
在其中一个实施例中，所述S2包括：
若，则判定第m个用户与第n个AP之间利用2.4G频段进行通信；重写SINR约束，以保证每个AP与各个用户之间的SINR信息均大于2.4G频段的通信阈值；
定义目标函数为：，其约束条件为：
；
；
；
其中，为连接状态标识，为2.4Ghz频段所有AP的最大通信用户数目，是第 n个AP到第 m个用户的传输带宽，为2.4G频段AP的总发功率上限。
在其中一个实施例中，所述重写SINR约束，包括：
；
其中，是数据传输时第 i个AP到第 m个用户的发射功率，是数据传输时第 n个AP到第 m个用户的发射功率，表示高斯白噪声的平均功率。
在其中一个实施例中，所述S2包括：
若，则判定第n个AP与第m个用户之间利用5G频段进行通信，为5G频段的通信阈值；
定义目标函数为：，其约束条件为：
；
；
；
其中，是数据传输时第 n个AP到第 m个用户的发射功率；为5G频段AP的总发功率上限，是第 n个AP到第 m个用户的传输带宽；是总传输带宽上限；是AP利用2.4Ghz频段时的信道条件，是AP利用5Ghz频段与用户进行数据传输时的信道条件。
在其中一个实施例中，5G频段所有数据传输链路利用的不完全信道站信息CSI模型为：
；
其中，是信道估计误差；是相应的可能信道估计误差所跨越的连续空间，常数表示CSI估计误差的最大范数。
在其中一个实施例中，第m个用户接收到第n个AP的SINR信息标识为：
；
为第i个AP到第m个用户的传输功率，是第 n个AP到第 m个用户的传输带宽；表示高斯白噪声的平均功率。
按照本发明的另一方面，提供了一种保障信道鲁棒性的FTTR资源分配系统，用于执行所述的保障信道鲁棒性的FTTR资源分配方法，包括：
获取模块，用于控制所有的无线访问节点AP通过2.4Ghz频段向区域内各个用户发送控制信号；接收各个所述用户的响应信号，以获取各个所述用户对应的信号与干扰加噪声比SINR信息和接收信号强度指示RSSI测量值；其中，为第m个用户接收到第n个AP的SINR信息；第n个用户对应的RSSI测量值为FTTR网络中第n个AP对第m个用户的发射功率；所述响应信号还携带第m个用户接收来自第n个AP的传输功率和第m个用户到第n个AP的信道状态信息；；为用户的总数，为AP的总数，r是一个下标，用于将与做区分，因为两者都是功率，一个是AP的发射功率，一个是用户的接收传输功率；
判定模块，控制AP根据各个所述用户对应的SINR信息确定各个所述用户的通信频段为2.4G频段或5G频段；
决策模块，用于控制光线路终端OLT根据发射功率、传输功率和信道状态信息进行资源调度决策，以达到最大瞬时数据的传输速率；所述资源调度决策包括：决策用户与AP的通信频段集合、用户连接AP集合、分配发射功率和带宽。
按照本发明的另一方面，提供了一种通信设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法。
按照本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其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方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
（1）本发明先使用2.4G的频段进行控制以便为AP与用户进行数据传输的资源分配提供更高的自由度，通过SINR对信道进行判定是否适合用5G频段进行数据通信，决策用户与AP之间用何种频段进行通信，后在AP与用户进行数据传输中，通过提高信道鲁棒性来更准确地决策用户连接AP的情况，最优的分配发射功率与带宽从而实现高效的FTTR智能资源调度。本发明在FTTR场景下，在AP与用户进行数据传输时考虑2.4G频带或5G/6G频带进行通信并提高信道鲁棒性，能够确保在有较高的瞬时数据传输速率的同时调度尽可能多的用户，达到提升用户数目以及提高用户的上网体验的效果。
（2）本发明以总瞬时数据传输速率为目标函数，考虑AP只利用2.4Ghz频段测量信道时，功率分配去调度尽可能多的用户，以便为AP与用户进行数据传输的资源分配提供更高的自由度，在AP与用户进行数据传输通过SINR对信道进行判定，选用2.4G频段或5G频段进行数据通信，提高数据传输时信道的鲁棒性，灵活调整用户与AP连接情况、各AP的发射功率、带宽，在保证最大用户数目的同时达到最大的瞬时数据传输速率，保证更好的用户体验。
（3）本发明在2.4G频段先验获取各用户与AP的SINR与RSSI，来调整用户与AP及选择信道情况，在发射功率和SINR的约束下，调整AP可连接的最大用户数目；在AP与用户进行数据传输时，通过SINR对信道进行判定，选用2.4G频段或5G频段进行数据通信，若选用2.4G频段进行数据传输，则在2.4G频段提高SINR约束，保证每个AP与用户之间的SINR都大于2.4G频段的通信阈值减小2.4G频段的干扰以提高信道的鲁棒性，后重写SINR约束，从而将形式转化为二阶锥优化问题分配带宽；若选用5G频段进行数据传输，则考虑数据传输时的不完全CSI以提高信道的鲁棒性，保证更好的传输性能并分配带宽。在SINR、功率约束、带宽约束的限制下，利用所提出的在线算法，OLT进行资源优化调度，调整用户连接AP集合，分配发射功率达到最大的瞬时数据传输速率的同时，能够保证不消耗太多的功率和带宽资源，从而提升网络服务有效性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种保障信道鲁棒性的FTTR资源分配方法的流程图。
图2本发明实施例中FTTR系统的模型示意图。
图3a为本发明实施例提供的实施一种保障信道鲁棒性的FTTR资源分配方法与第一种基线方案的总瞬时数据传输速率结果对比图。
图3b为本发明实施例提供的实施一种保障信道鲁棒性的FTTR资源分配方法与第二种基线方案的总瞬时数据传输速率结果对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
FTTR系统一个信道上只允许一个用户传输数据，如果AP和用户在同一信道上侦听到有其他802.11无线电传输，则会自动进行冲突避免，推迟传输，这就导致当用户数量较多时每个用户需要轮流使用信道。在FTTR服务的用户数量较多时，特别是在使用2.4GHz频段时，可能会遇到可用信道太少的问题。所以AP与多个用户在同一信道进行通信时，无线信号会通过BSS Coloring（BSS着色）机制来避免多个用户使用同一信道传输时的冲突与干扰。同时，AP还需要将用户分组到不同的唤醒时间（TWT）周期并与用户协调唤醒时间。在协调过程中，AP和用户会互相交换信息，信息中包含预计的通信持续时间。在此机制作用下，用户可以与AP协商在特定时间唤醒后以进行通信连接，从而减少唤醒后同时竞争与AP建立通信的用户数量。利用以上两种机制，就可以避开多个不同用户与AP进行通信时的竞争和重叠情况。
如图1所示，本发明提供一种保障信道鲁棒性的FTTR资源分配方法，包括：
S1，AP在发送控制信号期间，AP只利用2.4Ghz频段测量信道，根据用户反馈，得到SINR信息以及RSSI测量值，也称为RSSI指纹数据集。
分配系统用户的RSSI信息为FTTR网络中第n个AP对第m个用户的发射功率dBm，；
第m个用户传送来的信息中包含了第m个用户接收来自第n个AP的传输功率dBm，其中，是2.4G频段上，第个用户到第个AP的信道状态信息；约束条件为：
，；
；
OLT在满足AP只利用2.4Ghz频段测量信道时的最低信干噪比要求的情况下来获取室内所有AP可进行通信的最多用户数目。
S2，AP根据用户反馈的SINR对信道进行判定，选用2.4G频段或5G频段进行数据通信；
S3，OLT进行资源调度决策，分别决策用户与AP进行通信频段的集合、用户连接AP集合，分配发射功率以及带宽，以达到最大的瞬时数据传输速率。
需要说明的是，当前的所有用户与AP之间信道状态信息有一定的关联性，把所有信道状态信息传输到AP为后续提供先验信息。
在其中一个实施例中，S2包括为：若，则第n个AP与第m个用户之间用2.4G频段进行通信。在以2.4G频段作控制的约束条件上，提高对SINR约束，；保证每个AP与用户之间的SINR都大于2.4G频段的通信阈值，以减小2.4G频段的干扰提高传输信道的鲁棒性，后重写SINR约束，从而将形式转化为二阶锥优化问题分配带宽。
在其中一个实施例中，S2包括为：若，则第n个AP与第m个用户之间用5G频段进行通信。由于信道估计误差和反馈延迟，实际上在AP和用户之间通常只有不完善的信道站信息（CSI）可用。所产生的信道估计误差会降低AP与用户之间可实现的传输速率。
在其中一个实施例中，因此在不丧失一般性的前提下，本发明考虑了在5G频段上的所有数据链路上传输的不完全CSI。所考虑链路的CSI建模为：
；
通过提高信道的鲁棒性以保证更好的传输性能并进行分配带宽。
在其中一个实施例中，定义目标函数为：
；
2.4G频段的约束条件包括：
；
；
。
5G频段的约束条件包括：
；
；
。
OLT通过决策用户连接AP集合、分配发射功率以达到最大的瞬时数据传输速率。
其中，是数据传输时第 n个AP到第 m个用户的发射功率；是数据传输时总发射功率上限；是AP只利用2.4Ghz频段测量信道时总发射功率上限；是第 n个AP到第 m个用户的传输带宽；是总传输带宽上限。是第n个AP与第m个用户的配对情况，成功配对，否则为0。是AP只利用2.4Ghz频段测量信道时的信道条件，是AP与用户进行数据传输时的信道条件，是信道估计误差。是相应的可能信道估计误差所跨越的连续空间，常数表示CSI估计误差的最大范数。
本发明技术效果：
1）在2.4G频段，根据用户与AP之间的RSSI以及SINR信息，得超过最低通信阈值与总功率不超过特定值得约束下，得到目标函数即所有AP可连接的最大用户数目。
2）在得到可连接得最大用户数目后，在AP与用户进行数据传输时，先通过SINR对信道进行判定，选用2.4G频段或5G频段进行数据通信，定义总瞬时数据传输速率为目标函数，并在总功率总带宽不超过特定值的约束以及SINR的限制下，进行优化功率与带宽。即求解目标函数的两个非常数项。交替优化分配功率和带宽，决策用户连接AP集合，求得最大的瞬时数据传输速率。
具体地，系统中有M个用户，用户的集合为；N个AP，AP的集合为N。
系统中第m个用户连接第n个AP的情况表示为集合。表示第m个用户连接到第n个AP，表示该用户未连接第n个AP。集合中必须有一个为1，其他为0。
AP与用户首先选择2.4G频带进行控制，对与第m个用户与第n个AP而言，信干噪比标识：，这里的噪声是高斯噪声。
最大用户数目问题定义为；
其中，约束是保证AP只利用2.4Ghz频段测量信道时，SINR的最低通信阈值；约束是发射功率。后续的就是该处的。
在AP与用户进行数据传输时，选择频段进行数据传输，瞬时数据传输速率最大化由以下随机优化问题定义：；
；
；
；
；
；
；
；
其中，约束是在AP只利用2.4Ghz频段测量信道时，对SINR约束，保证每个用户至少可以与一个AP建立通信。约束是使用2.4G频段进行数据传输时对发射功率的限制约束。是AP与用户匹配的限制。约束是使用5G频段进行数据传输时对发射功率的限制约束。是整个数据传输过程中对带宽的限制约束。
为了便于在后续部分中展示最佳资源分配算法，并由非1即0的特性，我们重写了目标函数的等效形式；
其中，。
考虑到使用5G频段进行数据传输时，可通过提高信道的鲁棒性，保证更好的传输性能并分配带宽：
。
故目标函数重写为：
。
同理并对进行重写：
；
；
；
考虑到使用2.4G频段进行数据传输时，可通过提高SINR约束，保证每个AP与用户之间的SINR都大于2.4G频段的通信阈值，以减小2.4G频段的干扰以提高信道鲁棒性，并重写SINR约束，从而将形式转化为二次锥优划问题。
，；
；
即，；
故SINR约束可重写为：，
故问题变为：；
；
；
；
；
。
该问题通过交替优化分配功率和带宽，决策用户连接AP集合，求出最大的瞬时数据传输速率。
本发明实施例提供的一种保障信道鲁棒性的FTTR资源分配方法，适用于多用户在家庭中位置随机分布的场景，如图2所示，该室内存在两个AP，分别分布在房间俯视图的中上方与左下角，每个AP通过光纤连接到同一个OLT，OLT可以集中处理所有AP的状态信息，进行发射功率和带宽分配。随机给定两个个用户的位置。
图3a和图3b为本发明实施例提供的一种保障信道鲁棒性的FTTR资源分配方法与两种基线方案的瞬时数据传输速率对比图，反映出不同发射功率上限和带宽上限时，瞬时数据传输速率的不同。基线方案为固定带宽，单独优化发射功率分配；固定发射功率，单独优化带宽分配。从图3可以看出，对比两种基线方案，本发明中联合优化发射功率分配和带宽分配可以得到更大的瞬时数据传输速率。此外还可以看出，随着可分配的发射功率、带宽上限的增大，瞬时数据传输速率也更大。
下面对本发明提供的一种保障信道鲁棒性的FTTR资源分配系统进行描述，下文描述的一种保障信道鲁棒性的FTTR资源分配系统与上文描述的一种保障信道鲁棒性的FTTR资源分配方法可相互对应参照。
本发明还提供了一种保障信道鲁棒性的FTTR资源分配系统，用于执行分配系统的保障信道鲁棒性的FTTR资源分配方法，包括：
获取模块，用于控制所有的无线访问节点AP通过2.4Ghz频段向区域内各个用户发送控制信号；接收各个分配系统用户的响应信号，以获取各个分配系统用户对应的信号与干扰加噪声比SINR信息和接收信号强度指示RSSI测量值；其中，为第m个用户接收到第n个AP的SINR信息；为第n个AP对第m个用户的发射功率；所述响应信号还携带第m个用户接收来自第n个AP的传输功率和第m个用户到第n个AP的信道状态信息；，；为用户的总数，为AP的总数；
判定模块，控制AP根据各个分配系统用户对应的SINR信息确定各个分配系统用户的通信频段为2.4G频段或5G频段；
决策模块，用于控制光线路终端OLT根据各个用户对应的发射功率、传输功率和信道状态信息进行资源调度决策，以达到最大瞬时数据的传输速率；分配系统资源调度决策包括：决策用户与AP的通信频段集合、用户连接AP集合、分配发射功率和带宽。
本发明还提供了一种通信设备，包括存储器和处理器，分配系统存储器存储有计算机程序，分配系统处理器执行分配系统计算机程序时实现上述方法。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，分配系统计算机程序被处理器执行时实现上述方法。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种保障信道鲁棒性的FTTR资源分配方法，其特征在于，包括：
S1：利用所有的无线访问节点AP通过2.4Ghz频段向区域内各个用户发送控制信号；接收各个所述用户的响应信号，以获取各个所述用户对应的信号与干扰加噪声比SINR信息和接收信号强度指示RSSI测量值；其中，为第m个用户接收到第n个AP的SINR信息；第n个用户对应的RSSI测量值为FTTR网络中第n个AP对第m个用户的发射功率 ；所述响应信号还携带第m个用户接收来自第n个AP的传输功率和第m个用户与第n个AP的信道状态信息；，；为用户的总数，为AP的总数；
S2：控制AP根据各个所述用户对应的SINR信息确定各个所述用户的通信频段为2.4G频段或5G频段；
S3：控制光线路终端OLT根据各个AP对各个用户的发射功率、以及各个用户接收到来自AP的传输功率和信道状态信息进行资源调度决策，以达到最大瞬时数据的传输速率；所述资源调度决策包括：决策用户与AP的通信频段集合、用户连接AP集合、分配发射功率和带宽。
2.如权利要求1所述的保障信道鲁棒性的FTTR资源分配方法，其特征在于，所述S1中所有的AP通过2.4Ghz频段向区域内各个用户发送控制信号的约束条件为：
，；
；
实现利用2.4Ghz频段通信在最低信干噪比时，室内所有AP能够通信的用户达到最多数目；为连接状态标识，成功配对时为1，否则为0；为2.4G频段AP的总发功率上限。
3.如权利要求1所述的保障信道鲁棒性的FTTR资源分配方法，其特征在于，所述S2包括：
若，则判定第m个用户与第n个AP之间利用2.4G频段进行通信；重写SINR约束，以保证每个AP与各个用户之间的SINR信息均大于2.4G频段的通信阈值；
定义目标函数为：，在2.4G频段上进行数据传输的约束条件为：
；
；
；
其中，为连接状态标识，为2.4Ghz频段所有AP的最大通信用户数目，是第n个AP到第m个用户的传输带宽，为2.4G频段AP的总发功率上限。
4.如权利要求3所述的保障信道鲁棒性的FTTR资源分配方法，其特征在于，所述重写SINR约束，包括：
；
其中，是数据传输时第i个AP到第m个用户的发射功率，是数据传输时第n个AP到第m个用户的发射功率，表示高斯白噪声的平均功率。
5.如权利要求1所述的保障信道鲁棒性的FTTR资源分配方法，其特征在于，所述S2包括：
若，则判定第n个AP与第m个用户之间利用5G频段进行通信，为5G频段的通信阈值；
定义目标函数为：，在5G频段上进行数据传输的约束条件为：
；
；
；
其中，是数据传输时第n个AP到第m个用户的发射功率；为5G频段AP的总发功率上限，是第n个AP到第m个用户的传输带宽；是总传输带宽上限；是AP利用2.4Ghz频段时的信道条件，是AP利用5Ghz频段与用户进行数据传输时的信道条件。
6.如权利要求4所述的保障信道鲁棒性的FTTR资源分配方法，其特征在于，5G频段所有数据传输链路利用的不完全信道站信息CSI模型为：
；
其中，是信道估计误差；是相应的可能信道估计误差所跨越的连续空间，常数表示CSI估计误差的最大范数。
7.如权利要求1所述的保障信道鲁棒性的FTTR资源分配方法，其特征在于，第m个用户接收到第n个AP的SINR信息标识为：
；
为第i个AP到第m个用户的传输功率，是第n个AP到第m个用户的传输带宽；表示高斯白噪声的平均功率。
8.一种保障信道鲁棒性的FTTR资源分配系统，其特征在于，用于执行权利要求1-7任一项所述的保障信道鲁棒性的FTTR资源分配方法，包括：
获取模块，用于控制所有的无线访问节点AP通过2.4Ghz频段向区域内各个用户发送控制信号；接收各个所述用户的响应信号，以获取各个所述用户对应的信号与干扰加噪声比SINR信息和接收信号强度指示RSSI测量值；其中，为第m个用户接收到第n个AP的SINR信息；第n个用户对应的RSSI测量值为FTTR网络中第n个AP向第m个用户的发射功率；所述响应信号还携带第m个用户接收到来自第n个AP到的传输功率和第m个用户到第n个AP的信道状态信息；，；为用户的总数，为AP的总数；
判定模块，控制AP根据各个所述用户对应的SINR信息确定各个所述用户的通信频段为2.4G频段或5G频段；
决策模块，用于控制光线路终端OLT根据各个AP对各个用户的发射功率、以及各个用户接收到来自AP的传输功率和信道状态信息进行资源调度决策，以达到最大瞬时数据的传输速率；所述资源调度决策包括：决策用户与AP的通信频段集合、用户连接AP集合、分配发射功率和带宽。
9.一种通信设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
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