本發(fā)明涉及信息與通信技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種基于認(rèn)知無線電技術(shù)的多屬異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源聯(lián)合再分配方法。
背景技術(shù):
隨著各種通信技術(shù)的快速發(fā)展,新型網(wǎng)絡(luò)會逐漸替換舊有網(wǎng)絡(luò)。這就導(dǎo)致一個用戶終端可能同時接入多個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。另一方面,這種多屬網(wǎng)絡(luò)的資源利用效率比普通網(wǎng)絡(luò)要高。所以多屬網(wǎng)絡(luò)的資源分配是非常值得研究的。然而,和普通網(wǎng)絡(luò)相比,多屬網(wǎng)絡(luò)資源分配過程中涉及到的變量個數(shù)更多,變量之間的關(guān)系更為復(fù)雜,優(yōu)化問題更加難以求解。所以,研究如何在多屬網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行高效的資源分配從而提升有限頻譜和功率資源的利用效率非常有意義。
多屬網(wǎng)絡(luò)的資源分配問題是一個新興的研究方向。研究人員目前已經(jīng)從吞吐量、服務(wù)質(zhì)量、能效、能耗等不同目標(biāo)函數(shù)角度提出了相應(yīng)的分配方法。但是,這些相關(guān)的研究都假設(shè)考慮的系統(tǒng)中的不同網(wǎng)絡(luò)的工作頻段互不重疊。
當(dāng)前關(guān)于多屬網(wǎng)絡(luò)資源分配的方法都認(rèn)為不同的網(wǎng)絡(luò)工作頻段互不重疊,然而,這樣做沒能對有限的資源進(jìn)行充分的利用。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是為了解決當(dāng)前關(guān)于多屬網(wǎng)絡(luò)資源分配的方法不能對有限的資源進(jìn)行充分利用的問題,本發(fā)明提供多屬異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的一種基于認(rèn)知的聯(lián)合資源再分配方法。
本發(fā)明的多屬異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的一種基于認(rèn)知的聯(lián)合資源再分配方法,所述方法如下步驟:
步驟一、獲取原始信道中已分配給系統(tǒng)的子信道和對應(yīng)功率,該系統(tǒng)正在運行,將獲取的子信道稱為原始子信道;
步驟二、利用該系統(tǒng)接入的每個多屬異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的bs/ap節(jié)點對所述系統(tǒng)進(jìn)行頻譜檢測,檢測出頻譜空穴子信道;
步驟三:將檢測到的頻譜空穴子信道分配給用戶,并為每一個頻譜空穴子信道分配對應(yīng)的功率;
步驟四:對原始子信道的分配與步驟一中獲取的保持一致,對原始子信道對應(yīng)的功率進(jìn)行再分配;
步驟五:判斷當(dāng)前分配結(jié)果是否滿足迭代停止條件,若是,輸出資源再分配結(jié)果,若否,轉(zhuǎn)入步驟三;
所述迭代停止條件根據(jù)用戶消耗的功率總和及分配迭代停止次數(shù)上限設(shè)定。
優(yōu)選的是,所述步驟四中,對原始子信道對應(yīng)的功率進(jìn)行再分配:
將步驟一中原始子信道對應(yīng)的功率更新為:
其中,n0是單邊噪聲功率譜密度;每一個子載波帶寬為b0;
ρ表示功率放大效率;
vm和
在分配迭代過程中,vm通過下面迭代方法獲得:
在每次分配迭代過程中,
迭代步長ε2和ε3是充分小的正數(shù),j表示步驟五中所述分配迭代停止次數(shù)的變量,i表示求取最優(yōu)
pm為用戶m上消耗的功率總和;
優(yōu)選的是,所述步驟五包括:
步驟五一:計算用戶m上消耗的功率總和pm,迭代停止指示變量初始值f=1;
如果
如果
如果
否則,根據(jù)下面迭代方程增大vm,轉(zhuǎn)入步驟五二;
空穴子信道k′分配的指示函數(shù)為
步驟五二:j=j(luò)+1;
步驟五三:如果f=1并且j沒有超過上限,則返回步驟四,否則輸出資源再分配結(jié)果
優(yōu)選的是,
中間量
中間量
其中,
在每次分配迭代過程中,通過梯度下降法迭代過程獲得:
迭代步長ε1是充分小的正數(shù),在頻譜空穴子信道k′上的信號傳輸功率的預(yù)設(shè)門限為λt;
優(yōu)選的是,
其中,
在每次分配迭代過程中,通過梯度下降法迭代過程獲得:
迭代步長ε1是充分小的正數(shù),在頻譜空穴子信道k′上的信號傳輸功率的預(yù)設(shè)門限為λt;
上述技術(shù)特征可以各種適合的方式組合或由等效的技術(shù)特征來替代,只要能夠達(dá)到本發(fā)明的目的。
本發(fā)明的有益效果在于,本發(fā)明則以上行為例,提出一種可以共享頻譜的多屬異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的頻譜和功率資源聯(lián)合分配問題,從而更加充分地利用網(wǎng)絡(luò)資源。其中引入認(rèn)知無線電的思想以獲知當(dāng)前時刻可以重復(fù)利用的空穴子信道的消息,并且保證共享同一段頻譜的用戶相互之間不會影響正常的通信。和現(xiàn)有的方法不同的是,本發(fā)明針對的是正在運行的已經(jīng)利用某種分配方式進(jìn)行了資源分配的多屬系統(tǒng)。本發(fā)明要做的就是根據(jù)認(rèn)知無線電技術(shù)中的頻譜檢測結(jié)果對原始資源和檢測出來的新的可以重新利用的資源進(jìn)行聯(lián)合的再分配。這樣一來,有限的資源可以被重復(fù)利用共享使用,從而在很大程度上能夠提升系統(tǒng)的吞吐量和能量效率。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的多屬異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。其中bs是基站basestation的簡寫,ap是接入點accesspoint的簡寫;
圖2是用于仿真驗證的多屬異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)簡化模型圖;
圖3(a)、圖3(b)和圖3(c)分別為在不同原始子信道個數(shù)下,采用本發(fā)明方法和對比算法的系統(tǒng)能夠獲得的三種性能和用戶功率上限關(guān)系對比圖;
圖4(a)、圖4(b)和圖4(c)分別為采用本發(fā)明方法和對比算法的系統(tǒng)能夠獲得的系統(tǒng)總吞吐量與三種功耗相關(guān)的參數(shù)關(guān)系對比圖。
具體實施方式
下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖,對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述,顯然,所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例,而不是全部的實施例?;诒景l(fā)明中的實施例,本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例,都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
需要說明的是,在不沖突的情況下,本發(fā)明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明,但不作為本發(fā)明的限定。
本實施方式所述的多屬異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的一種基于認(rèn)知的聯(lián)合資源再分配方法,本實施方式的方法包括:
步驟一、獲取原始信道中已分配給系統(tǒng)的子信道和對應(yīng)功率,該系統(tǒng)正在運行,將獲取的子信道稱為原始子信道;
步驟二、利用該系統(tǒng)接入的每個多屬異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的bs/ap節(jié)點對所述系統(tǒng)進(jìn)行頻譜檢測,檢測出頻譜空穴子信道;
步驟三:將檢測到的頻譜空穴子信道分配給用戶,并為每一個頻譜空穴子信道分配對應(yīng)的功率;
步驟四:對原始子信道的分配與步驟一中獲取的保持一致,對原始子信道對應(yīng)的功率進(jìn)行再分配;
步驟五:判斷當(dāng)前分配結(jié)果是否滿足迭代停止條件,若是,輸出資源再分配結(jié)果,若否,轉(zhuǎn)入步驟三;
所述迭代停止條件根據(jù)用戶消耗的功率總和及分配迭代停止次數(shù)上限設(shè)定。
本實施方式是正在運行的已經(jīng)利用某種分配方式進(jìn)行了資源分配的多屬系統(tǒng)。本實施方式要做的就是根據(jù)認(rèn)知無線電技術(shù)中的頻譜檢測結(jié)果對原始資源和檢測出來的新的可以重新利用的資源進(jìn)行聯(lián)合的再分配,使有限的資源可以被重復(fù)利用共享使用,從而在很大程度上能夠提升系統(tǒng)的吞吐量和能量效率。
針對每一個用戶可以同時接入多個系統(tǒng)的多屬異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),本實施方式給出了一種基于認(rèn)知無線電思想的頻譜和功率資源聯(lián)合再分配方法,本實施方式中,以最大化系統(tǒng)吞吐量為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),正如實際系統(tǒng)那樣,認(rèn)為系統(tǒng)頻譜資源和功率資源有限。而后對所研究的問題進(jìn)行建模,經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)此問題實際上是一個混合整數(shù)型非線性優(yōu)化問題。便利用連續(xù)松弛法將此問題轉(zhuǎn)換成凸優(yōu)化問題,并根據(jù)karush-kuhn-tucker條件進(jìn)行求解。本實施方式認(rèn)為系統(tǒng)中的不同網(wǎng)絡(luò)可以相互共享頻譜資源,這是和現(xiàn)有分配方法最大的區(qū)別。從而可以更加充分地利用系統(tǒng)的有限資源,提升系統(tǒng)性能。仿真結(jié)果顯示,在本實施方式中相對于沒有利用認(rèn)知無線電思想去共享頻譜資源的對比算法而言,可以獲得更大的系統(tǒng)總吞吐量、每個子信道平均吞吐量和系統(tǒng)能效。
具體實施例:
圖1給出了多屬異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。此系統(tǒng)中包含的全部n個無線網(wǎng)絡(luò)組成集合
步驟1、獲取原始信道中已分配給系統(tǒng)的子信道
該步驟是初始分配階段。考慮的系統(tǒng)根據(jù)某種資源分配方案分配資源,子信道和功率分配結(jié)果分別為
步驟2、利用該系統(tǒng)接入的每個多屬異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的bs/ap節(jié)點對所述系統(tǒng)進(jìn)行頻譜檢測,檢測出頻譜空穴子信道k′,集合為
該步驟是頻譜檢測階段。和步驟1一樣本階段也是所提再分配方法的前提,而非本發(fā)明主要考慮的內(nèi)容。所以這里選擇的較為簡單的能量檢測法。其門限略高于噪聲功率是較為恰當(dāng)?shù)模沟酶蓴_能夠淹沒在噪聲的波動之中,和噪聲相比可被忽略不計。令網(wǎng)絡(luò)n的第s個bs/ap節(jié)點對子信道k的檢測結(jié)果為
最后就是資源再分配階段了。這也是本發(fā)明的重點。目標(biāo)是對原始信道和檢測出的新的可以再利用的信道資源進(jìn)行聯(lián)合再分配,同時將用戶有限的功率資源分配給這些信道。
步驟3、初始化參數(shù):設(shè)置分配迭代停止次數(shù)j的初始值為1,迭代停止指示變量初始值f=1,對偶變量vm的初值為一隨機生成正數(shù);
步驟4:將檢測到的頻譜空穴子信道分配給用戶,并為每一個頻譜空穴子信道分配對應(yīng)的功率,分配的子信道為
通過下面梯度下降法迭代過程獲得:
i表示求取最優(yōu)
將用戶m在空穴子信道k′上和網(wǎng)絡(luò)n的第s個bs/ap節(jié)點間的信道增益設(shè)為
分配結(jié)果需要保證在空穴子信道k′上的信號傳輸功率不會超過預(yù)設(shè)門限λt;
這樣一來,再分配后,空穴子信道k′上的信號仍然不會影響網(wǎng)絡(luò)n的第s個bs/ap節(jié)點的正常通信。
步驟5:該步驟是再分配階段,為了保證頻譜檢測結(jié)果的時效性,在初始分配階段的子信道分配結(jié)果
下面詳細(xì)說明本步驟:首先對考慮的問題進(jìn)行建模。在再分配階段,用戶
其中,
其中
用戶m上消耗的功率總和為
本實施例資源再分配方法的目標(biāo)是使得系統(tǒng)能夠獲得的總吞吐量最大。對應(yīng)的優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)為:
限制條件為:
公式(3),
公式(4),
其中x′r,p′r和pa分別是再分配結(jié)果
公式(3)-(8)描述的事實上是一個混合整數(shù)型非線性優(yōu)化問題,可以利用下面給出的松弛法求解最優(yōu)解。
將
那么公式(5)可以重新寫為
限制條件為:
其中
通過給公式(12)-(14)分別引入對偶變量vm,
其中v=[vm]1×m,
其中[x]+=max{0,x}。為描述簡便,令
將(17)代入(16),然后令
假設(shè)
所以,優(yōu)化結(jié)果
由于
利用梯度下降法,利用下面的迭代方法可以獲得γ′的最優(yōu)值γ′*。
其中迭代步長ε1是一個足夠小的正數(shù)。
針對更新后的信道k對應(yīng)的功率再分配結(jié)果
拉格朗日乘子矩陣α和v的最優(yōu)值α*和v*可以通過下式計算:
其中,迭代步長ε2和ε3是充分小的正數(shù)。
根據(jù)上述求解,將步驟1獲取的功率
i表示內(nèi)層循環(huán)當(dāng)前迭代次數(shù)(初值為0),迭代步長ε2是充分小的正數(shù)。
步驟6:計算用戶m上消耗的功率總和pm,迭代停止指示變量初始值f=1;
如果
如果
如果
否則根據(jù)下面迭代方程增大vm,轉(zhuǎn)入步驟7。
用戶m上消耗的功率總和為
步驟7、j=j(luò)+1;
步驟8、如果f=1并且j沒有超過迭代次數(shù)j的上限,則返回步驟4,否則輸出資源再分配結(jié)果
最后,通過仿真實驗證實本實施例在多屬異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的基于認(rèn)知的聯(lián)合資源再分配方法和對比算法(初始資源分配方案)相比的優(yōu)越性。圖3(a)、圖3(b)和圖3(c)是在子信道帶寬b0=1mhz,噪聲功率譜密度n0=-174dbm/hz,用戶個數(shù)m=6時,對本發(fā)明基于認(rèn)知的聯(lián)合再分配方法和對比算法(初始資源分配方案)在不同k11(bs的原始子信道個數(shù))和k12(ap的原始子信道個數(shù))不同情況下獲得的系統(tǒng)總吞吐量、每個子信道平均吞吐量和能量效率的仿真對比圖。用戶m在子信道k上同網(wǎng)絡(luò)n中的第s個bs/ap節(jié)點進(jìn)行通信時消耗的功率
在實驗參數(shù)下,從圖3(a)、圖3(b)和圖3(c)各自仿真實驗可以看出,在系統(tǒng)中原始子信道個數(shù)和用戶可以提供的功率發(fā)生變化時,本實施例進(jìn)行資源再分配的方法相比于對比算法來說能夠獲得更好的性能,即更大的系統(tǒng)總吞吐量,更大的信道平均吞吐量,更高的能效。另外,從圖3(a)、圖3(b)和圖3(c)分別得知用戶功率上限越大,系統(tǒng)能夠達(dá)到的總吞吐量更大,每個信道上的平均吞吐量更大,但能效更低。最后,對比原始子信道個數(shù)不同的系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)信道個數(shù)越多,系統(tǒng)總的吞吐量越大,平均吞吐量越小,能效越大。從圖4(a)、圖4(b)和圖4(c)各自仿真實驗可以看出,在實驗假設(shè)參數(shù)下,當(dāng)三個與能耗有關(guān)的參數(shù)
本發(fā)明具有以下特點和顯著進(jìn)步:
1、本發(fā)明針對的是一個正在運行的多屬異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),借鑒認(rèn)知無線電的思想,對網(wǎng)絡(luò)原始資源以及頻譜檢測出的新資源進(jìn)行聯(lián)合再分配過程。
2、本發(fā)明認(rèn)為系統(tǒng)中的不同網(wǎng)絡(luò)可以相互共享頻譜資源,這也是和現(xiàn)有方法最大的區(qū)別。從而可以更加充分地利用系統(tǒng)的有限資源。
3、本發(fā)明通過利用認(rèn)知無線電的思想,更加充分利用系統(tǒng)資源,提升資源利用率,可以有效改善系統(tǒng)的吞吐量以及能效等性能。
雖然在本文中參照了特定的實施方式來描述本發(fā)明,但是應(yīng)該理解的是,這些實施例僅僅是本發(fā)明的原理和應(yīng)用的示例。因此應(yīng)該理解的是,可以對示例性的實施例進(jìn)行許多修改,并且可以設(shè)計出其他的布置,只要不偏離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。應(yīng)該理解的是,可以通過不同于原始權(quán)利要求所描述的方式來結(jié)合不同的從屬權(quán)利要求和本文中所述的特征。還可以理解的是,結(jié)合單獨實施例所描述的特征可以使用在其他所述實施例中。