一种蜂窝网络优化中给定优化指标下的蜂窝用户接入控制与功率分配方法

摘要

一种蜂窝网络优化中给定优化指标下的蜂窝用户接入控制与功率分配方法，包括以下步骤：(1)为了用户的发射功率尽可能小以便节省用户的能量，同时让较多的用户接入AP，给出了一个效益函数来衡量当前网络的好坏；(2)由于用户接入指标只和用户的接入情况有关，因此只需寻找最优的用户接入从而来确定最优的系统效益，提出一种基于heuristic算法的用户交换法，针对未接入AP的所有用户，根据当前系统效益最大化的原则，遍历计算每一个AP所产生的用户接入指标，选择最小用户接入指标的用户以及其所对应的AP，然后接入。不断地循环直到所有用户都有相应的AP可以接入，从而得到近优解。本发明有效提高了数据资源的利用率。

说明书

技术领域

本发明涉及蜂窝网络领域，尤其是一种给定优化指标下的蜂窝用户接入控制与功 率分配方法。

背景技术

最近的3G蜂窝网络在一定程度上为移动用户提供了较为广泛的而网络接入。然 而，随着移动设备数量以及相应地流量需求迅猛上升，超过了蜂窝网络所能承受的容量。据 统计，在2018年末，平均每人拥有1.4部移动设备。并且在2013年至2018年，全球的数据流量 将会翻14倍。这些多出来的流量将使得蜂窝网络面临较为严峻的挑战。目前为止，一种缓建 急剧增长的流量带来的挑战较为有效的方法就是进行流量卸载。随着流量卸载技术的日益 成熟，这一难题也将进一步得到缓解。目前小型基站和WIFI网络是较为常用的流量卸载的 途径。

发明内容

为了克服现有实际网络场景中存在着多用户通信场景，为了使得系统的效益达到 最大，如何有效的调度他们的接入和对应的功率分配尤其重要，进行有效的调度的原因在 于同一个AP的用户间存在相互干扰，导致用户间的发射功率是耦合在一起的，因此要求出 最优的用户接入和功率分配是比较困难的，本发明提供一种蜂窝网络优化中给定优化指标 下的蜂窝用户接入控制与功率分配方法，提出了一个较为合理地优化指标进行随机优化， 在每次优化过程根据优化指标进行用户接入控制。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种蜂窝网络优化中给定优化指标下的蜂窝用户接入控制与功率分配方法，其特 征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)在实际的通信网络中，存在着I个移动用户，由他们组成的集合为其中i表示用户i；有K个AP，他们组成了集合其中k表示APk，同时在 该网络场景中存在着一个基站为用户提供服务，用户只能通过选择接入某一个AP或者基站 来进行通信，从而获得他们所预期的吞吐量当用户i接入APk时在给定发射功率p_ik的情况下，用户i获得的吞吐量为:

当用户i接入基站时，在给定发射功率p_iB的情况下，获得的吞吐量为

$R_{iB}={\alpha }_{iB}{W}_B{\log }_2(1+\frac{p_{iB}{g}_{iB}}{n_B}),$

其中:

a_ik:表示用户i有无接入APk的指标，a_ik＝1表示用户i被选择接入,反之a_ik＝0表 示用户i不被选来接入APk；

a_iB:表示用户i有无接入基站的指标，a_iB＝1表示用户i被选择接入基站；反之a_iB＝ 0表示用户i不被选择接入基站；

W_k:表示APk信道上的带宽；

W_B:表示基站信道上的带宽；

n_k:表示APk信道上的背景噪声功率；

n_B:表示基站信道上的背景噪声功率

g_ik:表示用户i到APk的信道增益；

g_iB:表示用户i到基站的信道增益；

p_ik:表示用户i到APk的发射功率；

p_iB:表示用户i到基站的发射功率；

(2)对每个用户统一定义了一个效益表达式：

其中π_B表示用户接入基站时，基站对他收取的费用，π_k表示当用户接入APk时，APk对它 收取的费用，启发式地对这个通信网络定义了一个用户接入指标V_ik，对于接入基站的用户 指标定义对于接入AP的用户指标定义$V_{ik}=\frac{n_k}{g_{ik}}(1-2^{-\frac{R_i^{req}}{w_k}});$

(3)对于(2)中给出的指标只是针对于用户的接入是可行的情况下才成立，当用户 吞吐量给定时，用户i接入APk所发射的功率p_ik由表示，且由用户吞吐量的表 达式推导出：

因此一组用户的功率与用户的接入时一一对应的，同时由于用户自身发射功率的 限制，必须满足因此得到用户接入时必须满足的两个限制条件C₁和C₂：

根据所述限制条件C₁和C₂，同时结合(2)中所给的目标函数，选择用户接入方式来 最大化整个系统的效益，步骤如下：

步骤2.1：初始化定义用户集合变量表示接入基站 的用户,表示接入APk的用户，k≠0；定义集合表示基站中的用 户接入指标，定义集合表示APk中的用户接入指标，k≠0；定义变 量S_k用来表示接入APk或基站的所有用户中净收益最大的用户，初始化序号变量k′＝1，初 始化定义集合G＝{1，2…,i,…I}，集合G表示未接入AP或者基站的用户集合；

步骤2.2：遍历V_ik’(i∈G)，选出最小值对应的用户记为i′，使S_k‘＝i′；

步骤2.3：若k′≤K+1，k′＝k′+1，并跳到步骤2.2；否则继续往下运行；

步骤2.4：遍历S_k，选出最小值对应的值k′，如果把用户S_k′加入APk′满足C1，C2条 件，则把用户S_k′加入APk′，即同时把i′＝S_k，再跳到步骤2.5；否则置S_k’＝ 1000并跳到步骤2.4；

步骤2.5：设置G＝G{S_k′}；

步骤2.6：若把V_i′k＝1000，即剔除用户i′；并跳到步骤2.2；否则继续往下运 行；

步骤2.7：输出最优解

本发明的构思技术为：考虑到实际网络场景中存在着多用户通信场景，为了使得 系统的效益达到最大，如何有效的调度他们的接入和对应的功率分配尤其重要。进行有效 的调度的原因在于同一个AP的用户间存在相互干扰，导致用户间的发射功率是耦合在一起 的，因此要求出最优的用户接入和功率分配是比较困难的。但是提出一种基于启发式算法 用户接入方法来寻找较优的用户接入。在这种方法中，提出了一个较为合理地优化指标进 行随机优化。在每次优化过程根据优化指标进行用户接入控制：先使AP不接入任何用户，根 据当前系统效益最大化的原则，对于所有用户，遍历计算每一个AP所产生的用户接入指标， 选择最小用户接入指标的用户以及其所对应的AP，然后接入。不断地循环直到所有用户都 有相应的AP可以接入，从而得到近优解。

本发明的有益效果为：根据当前系统效益最大化的原则，在每次优化过程根据优 化指标进行用户接入控制，不断地循环直到所有用户都有相应的AP可以接入，从而得到近 优解；有效提高了数据资源的利用率。

附图说明

图1是蜂窝网络中利用用户联合接入和功率分配来优化移动数据卸载的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

参照图1，一种流量卸载网络中基于优化指标的用户接入控制与功率分配方法，用 户可以通过AP或者BS进行通信从而满足他们各自的吞吐量需求。同时每个AP各自管理已接 入的用户，相较于所有用户都从基站获取数据的传输，由于AP分摊了管理用户的任务，这种 方式将会提高系统的整体效益和效率。同时接入同一个AP的用户之间会存在干扰，当较多 用户接入同一个AP时，该AP下的用户功率将会极大地提高，有可能超过用户给定的的最大 发射功率。因此用户的接入选择问题必须受到重视。然而用户的接入选择会随着用户数量 的增多而变得非常复杂。针对这个问题设计基于heuristic算法的用户接入选择与功率分 配法将有效地计算出较好的用户接入方式和相应的发射功率。

所述的用户接入控制与功率分配方法，包括如下步骤：

(1)在实际的通信网络中，存在着I个移动用户，由他们组成的集合为其中i表示用户i；有K个AP，他们组成了集合其中k表示APk，同时在 该网络场景中存在着一个基站为用户提供服务，用户只能通过选择接入某一个AP或者基站 来进行通信，从而获得他们所预期的吞吐量当用户i接入APk时在给定发射功率p_ik的情况下，用户i获得的吞吐量为:

当用户i接入基站时，在给定发射功率p_iB的情况下，获得的吞吐量为

$R_{iB}={\alpha }_{iB}{W}_B{\log }_2(1+\frac{p_{iB}{g}_{iB}}{n_B}),$

其中:

a_ik:表示用户i有无接入APk的指标，a_ik＝1表示用户i被选择接入,反之a_ik＝0表 示用户i不被选来接入APk；

a_iB:表示用户i有无接入基站的指标，a_iB＝1表示用户i被选择接入基站；反之a_iB＝ 0表示用户i不被选择接入基站；

W_k:表示APk信道上的带宽；

W_B:表示基站信道上的带宽；

n_k:表示APk信道上的背景噪声功率；

n_B:表示基站信道上的背景噪声功率

g_ik:表示用户i到APk的信道增益；

g_iB:表示用户i到基站的信道增益；

p_ik:表示用户i到APk的发射功率；

p_iB:表示用户i到基站的发射功率；

(2)对每个用户统一定义了一个效益表达式：

其中π_B表示用户接入基站时，基站对他收取的费用，π_k表示当用户接入APk时，APk对它收 取的费用，启发式地对这个通信网络定义了一个用户接入指标V_ik，对于接入基站的用户指 标定义对于接入AP的用户指标定义$V_{ik}=\frac{n_k}{g_{ik}}(1-2^{-\frac{R_i^{req}}{w_k}});$

(3)对于(2)中给出的指标只是针对于用户的接入是可行的情况下才成立，当用户 吞吐量给定时，用户i接入APk所发射的功率p_ik由表示，且由用户吞吐量的表 达式推导出：

因此一组用户的功率与用户的接入时一一对应的，同时由于用户自身发射功率的 限制，必须满足因此得到用户接入时必须满足的两个限制条件C₁和C₂：

根据所述限制条件C₁和C₂，同时结合(2)中所给的目标函数，选择用户接入方式来 最大化整个系统的效益，步骤如下：

步骤2.1：初始化定义用户集合变量表示接入基站 的用户,表示接入APk的用户，k≠0；定义集合表示基站中的用 户接入指标，定义集合表示APk中的用户接入指标，k≠0；定义变 量S_k用来表示接入APk或基站的所有用户中净收益最大的用户，初始化序号变量k′＝1，初 始化定义集合G＝{1，2…,i,…I}，集合G表示未接入AP或者基站的用户集合；

步骤2.2：遍历V_ik’(i∈G)，选出最小值对应的用户记为i′，使S_k‘＝i′；

步骤2.3：若k′≤K+1，k′＝k′+1，并跳到步骤2.2；否则继续往下运行；

步骤2.4：遍历S_k，选出最小值对应的值k′，如果把用户S_k′加入APk′满足C1，C2条 件，则把用户S_k′加入APk′，即同时把i′＝S_k，再跳到步骤2.5；否则置S_k’＝ 1000并跳到步骤2.4；

步骤2.5：设置G＝G{S_k′}；

步骤2.6：若把V_i′k＝1000，即剔除用户i′；并跳到步骤2.2；否则继续往下运 行；

步骤2.7：输出最优解

本实施例着眼于当今社会热点需求，巧妙结合社交网络的特性优势；在当前移动 设备流量需求较大的情况下充分利用一些AP进行分流，从而减轻BS的压力，同时满足更多 的用户需求；它的好处是两方面的，一方面，对于运营商来说可以部署一些较为廉价的AP可 以减轻基站的压力，从而减少拥塞。另一方面，从用户的角度上看，接入AP可以支付较少的 费用，同时由于AP离用户的距离比较近，用户所消耗的功率也较小。可以使网络运营商获得 更多的利益，服务更多的用户，也使得用户达到获得数据资源的同时节省相应流量资费的 目的，有效提高了数据资源的利用率，最终使得网络运营商和用户能够双赢。