CN107682935A - 一种基于***稳定性的无线自回传资源调度方法 - Google Patents

一种基于***稳定性的无线自回传资源调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于***稳定性的无线自回传资源调度方法，属于移动通信领域。该方法保证***队列稳定性、无线回传约束条件以及***可达速率和最小用户业务质量所对应的速率匹配,即溢出概率满足一定约束，以最大化相对用户质量满意度的等级为目标进行的动态资源调度。在每个离散时隙上，根据用户的信道状态信息、宏基站和小基站处联合考虑的排队情况为每个用户分配合适的无线资源并根据溢出概率来动态调整队列长度以期改变***实际可达速率、联合动态调整无线自回传小基站以及每个用户的回传、接入的资源分配比例。本发明提出的基于***稳定性的无线自回传资源调度方法能够在最大化相对用户质量满意度等级的同时保持***队列稳定性。

Description

一种基于***稳定性的无线自回传资源调度方法
技术领域
本发明属于移动通信领域，涉及一种基于***稳定性的无线自回传资源调度方法。
背景技术
在高速发展的移动互联网和不断增长的物联网业务需求共同推动下，要求5G连接设备密度增加10到100倍，频谱效率提升5到10倍，能够在500km/h的速度下保证用户体验。为了满足上述需求，未来5G在网络架构方面将是基于超密集异构网络、云计算技术等，而无线自回传网络(Wireless Self-backhaul Networks)作为5G超密集网络(Ultra DenseNetwork，UDN)的基本组成部分。在宏基站覆盖范围内通过部署低功率小基站来增强覆盖，并用无线毫米波或微波来代替传统有线光纤连接的方式，能够大大减少通信时延和设备体积及功耗，降低***部署成本。由于不同用户的需求有所差异、信道状态信息的时变性、业务提供的持续性与稳定性、频谱资源的有限性，如何最大化基站覆盖范围内所有用户的服务质量问题显得迫在眉睫，这就需要在保证***队列稳定性的前提下，根据用户的信道状态信息、宏基站和小基站联合考虑来动态分配资源。
在现有的资源分配方案中，大多数是静态的分配资源，以吞吐量最大化或频谱效率最大化作为优化目标，往往忽略了对资源的动态调整和用户服务质量等问题。除此之外，常见的优化目标只是考虑某一时刻上的问题优化，不适合现实过程中优化变量随时间变化而变化的实际情况。因此，把Lyapunov优化方法应用到保证***稳定性和动态分配无线资源来提高资源利用率。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于***稳定性的无线自回传资源调度方法，并引入溢出概率约束来动态调整队列长度以期改变***实际可达速率，使得宏基站以及小基站覆盖范围下所有用户的相对用户质量满意度等级最大化和***队列稳定性取一个折衷。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于***稳定性的无线自回传资源调度方法，包括以下步骤：
S1：初始化回传带宽分配比例和误差Δ＞0，
S2：给定每个用户回传带宽分配比例、每个用户接入带宽分配比例、小基站回传和接入的带宽分配比例，
S3：检查收敛条件是否满足，当满足收敛条件，则获得最初问题的最优解，若不满足，将得到的解作为初始值，并多次迭代并最终满足收敛条件，得到最优解；
在每个离散时隙上，在保证***队列稳定性、无线回传约束条件以及溢出概率约束的前提下，根据用户的信道状态信息、宏基站和小基站处联合考虑的排队情况，以最大化相对用户质量满意度等级为目标，为每个用户分配合适的无线资源并根据溢出概率来动态调整队列长度以期改变***实际可达速率、联合动态调整无线自回传小基站以及每个用户的回传、接入的资源分配比例。
进一步，所述无线回传约束条件为小基站平均回传速率大于等于接入速率；
其中所述的平均回传速率、平均接入速率分别为：多个时隙内小基站实际回传传输速率的平均值、多个时隙内小基站实际接入传输速率的平均值。
进一步，所述***队列稳定性为***中所有用户的队列考虑队列稳定性约束验证方案的时延性能，所述队列稳定性约束为：
其中为：宏基站和小基站覆盖范围内每个用户k的关于时间的平均队列长度，t为时隙，T为每个用户k队列长度的讨论周期，E为在整个周期T内，对宏基站和小基站覆盖范围内每个用户k的队列长度取平均值，U为用户k的集合，且U＝{1,2...,k}。
进一步，所述溢出概率约束为***可达速率和最小用户业务质量所对应的速率匹配。
进一步，所述宏基站处和小基站的用户队列更新过程为：
其中为时隙t时用户k在宏基站处的队列长度，为时隙t时小基站处用户的队列，是用户k在时隙t开始到达的数据包数量，为宏基站在时隙t向小基站发送的数据包数量，为小基站在时隙t时向用户发送的数据包数量，为下一个调度时隙t+1时用户k在宏基站处的队列长度，为下一个调度时隙t+1时小基站处的队列长度；
所述宏基站到用户k的信道增益且服从均值为h的指数分布，宏基站到小基站之间的信道增益且服从均值为g的指数分布，小基站到用户K的下行链路的信道增益为且服从均值为l的指数分布。
进一步，所述用户k接入实际的传输速率等于在用户k无线接入的理论传输速率和小基站处堆积的用户数据包的传输速率中取最小值，用户k回程实际的传输速率等于在用户k无线回传的理论传输速率和宏基站处堆积的用户数据包的传输速率中取最小值。
进一步，所述联合动态调整无线自回传小基站具体步骤为：
在时隙t开始时，根据宏基站到用户的信道增益计算宏基站到用户下行链路的信干噪比；
给定宏基站的大规模天线阵列数、波束成型组大小、宏基站到用户下行链路的信干噪比，计算小基站无线回传下行链路的理论容量；
给定小基站无线回传下行链路的理论容量，计算每个用户无线回传下行链路的理论传输速率；
给定时隙t时刻用户k在宏基站处的队列长度、时隙t时刻小基站处用户的队列、业务包的长度、每个用户k无线回传下行链路的理论传输速率，求每个用户回传带宽分配比例。
进一步，所述接入的资源分配比例的改变具体步骤为：
在时隙t开始时，根据小基站到用户的信道增益计算小基站到用户下行链路的信干噪比；
给定小基站到用户下行链路的信干噪比，计算用户无线接入下行链路的理论传输速率和小基站无线接入下行链路的总吞吐量；
给定时隙t时刻用户k在宏基站处的队列长度、时隙t时小基站处用户的队列、业务包的长度、虚拟队列长度和每个用户回传带宽分配比例，求每个用户接入带宽分配比例。
进一步，所述为每个用户分配合适的无线资源以及所述每个用户的回传的改变具体步骤为：
在时隙t开始时，根据宏基站到用户的信道增益、小基站到用户的信道增益计算宏基站到用户下行链路的信干噪比、小基站到用户下行链路的信干噪比；
给定宏基站的大规模天线阵列数、波束成型组大小、宏基站到用户下行链路的信干噪比，计算小基站无线回传下行链路的理论容量和每个用户无线回传下行链路的理论传输速率；
给定小基站到用户下行链路的信干噪比，计算用户无线接入下行链路的理论传输速率和小基站无线接入下行链路的总吞吐量；
给定时隙t时刻用户k在宏基站处的队列长度、时隙t时小基站处用户的队列、业务包的长度、虚拟队列长度、每个用户回传带宽分配比例、上述每个用户k无线回传下行链路的理论传输速率，上述每个用户接入带宽分配比例，求分配给小基站的无线接入和回传资源比例。
本发明的有益效果在于：本发明在保证***队列稳定性、无线回传约束条件以及溢出概率约束的前提下，根据用户的信道状态信息、宏基站和小基站处联合考虑的排队情况动态调整无线自回传小基站以及每个用户的回传、接入的资源分配比例，并根据溢出概率来动态调整队列长度以期改变***实际可达速率，可避免资源的浪费，大大提高资源利用率。同时把Lyapunov优化方法应用到保证***稳定性，多个调度时间来考虑，更切合实际过程。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为一个宏基站、一个小基站和多个用户的双跳网络场景图；
图2为每个用户接入带宽分配方法的流程图；
图3为小基站的无线接入和回传资源分配方法的流程图；
图4为基于最大化质量满意度的无线自回传资源分配算法的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
参见图1所示，图1描述了一个宏基站、一个小基站和多个用户的双跳网络场景图，本实施例中宏蜂窝为了减轻小蜂窝内的干扰，使用大规模MIMO天线阵列。假定宏基站的大规模天线阵列数为KT，在宏基站覆盖范围内，有一个小基站，小基站和宏基站之间的回程采用毫米波传输。有k个用户随机分布，多个用户在任一个时刻最多只能连接到一个基站，且都采用单天线技术。在用户的数量K远远大于波束成型组大小Kg时，通过给不同的波束成型组分配正交频率、时间域的资源，达到消除***组间干扰的目的。在大规模MIMO下行链路传输中使用迫零波束成型方法，有效地消除波束成形组内用户间的干扰。当每个用户对应一个业务服务时，Internet上的服务器会提供相应的服务，通过核心网并在每个时隙t先都到达宏基站处进行排队，随后一部分业务包直接传送给宏用户，另一部分小用户的业务包会传到小基站，每个小用户的业务包在传输数据到达其相应的用户之前，会在小基站处形成一个传输队列，用以暂时数据的存储。
参见图2所示，图2为每个用户接入带宽分配方法的流程图，步骤如下：
步骤201：初始化设置算法所需的初始回传带宽比例值、惩罚因子V、和用户业务类型相关的系数ζ、相对业务质量等级需求定义域最大范围UE等参数。
步骤202：根据凸函数的约束条件可以转化为无约束的函数去处理的思想，为每个约束条件引入拉格朗日乘子矢量，构造拉格朗日函数L(η1,k,π,o,δ,σ)，并初始化对偶变量。
步骤203：利用KKT条件，对拉格朗日函数求用户接入带宽分配比例的导数，分别按照用户接入带宽分配的数学表达式：
其中，
上式中η1,k为每个用户接入带宽分配比例，
上式中ζ是和用户业务类型相关的系数，UE是相对用户质量满意度等级的限制最大范围，
上式中V为：惩罚因子，用于平衡相对用户质量满意度等级和***的队列稳定性，
上式中π,o,δ,σ分别为拉格朗日乘子；
求得用户接入带宽分配比例η1,k。
步骤204：设置一个递减函数为迭代步长，利用梯度法更新对偶变量。
步骤205：n＝n+1，将更新的拉格朗日乘子的值带入计算，从而得到新的用户接入频带分配比例，之后带入到基于最大化质量满意度的无线自回传资源分配算法中，判断是否满足收敛条件，若不满足，则继续跳转到步骤202，否则执行步骤206。
步骤206：求出此时的用户接入频带分配比例次优解。
参见图3所示，图3为小基站的无线接入和回传资源分配方法的流程图，步骤如下：
步骤301：初始化设置回传带宽比例，惩罚因子V、和用户业务类型相关的系数ζ、相对业务质量等级需求定义域最大范围UE等参数。
步骤302：利用内点法思想：通过引入效用函数的方法将约束优化问题转换成无约束问题，再利用优化迭代过程不断地更新效用函数，以使得算法收敛。根据约束条件，采用自然对数构造惩罚函数并带入上述求得用户接入频带分配比例次优解、用户回传频带分配比例次优解。
步骤303：在优化过程中，初始惩罚因子为由大到小变化，即取递减数列，
误差取为10-5，递减系数取值范围为0.1～0.7，通常取0.1。
步骤304：在可行域D内用随机数生成法生成多个初始点，并选取满足约束条件的初始点β(0)。
步骤305：第一次执行记为n＝1。
步骤306：从第n-1次的点出发求解，使得惩罚函数的梯度等于零时，求出此时的回传带宽比例解β(n-1)。
步骤307：判断是否满足收敛条件，若不满足，则执行步骤308，否则跳转到步骤310。
步骤308：缩小惩罚因子，即将第n次的惩罚因子更新
步骤309：执行次数n＝n+1，并把308更新后的值和第n次求的解作为新的初始值，跳转到步骤306。
步骤310：多次迭代后求出此时小基站的无线接入和回传资源分配比例次优解。
参见图4所示，为基于最大化质量满意度的无线自回传资源分配算法的流程图，步骤如下：
步骤401：初始设置回传带宽比例，一般情况下取0.2、惩罚因子V、和用户业务类型相关的系数ζ、相对业务质量等级需求定义域最大范围UE等参数。
步骤402：初始化误差Δ＞0，取值范围为10-5～10-7。
步骤403：使用MTALAB优化工具箱中的linprog函数来求每个用户回传带宽分配比例。
步骤404：根据上述参见图2求每个用户接入带宽分配比例。
步骤405：根据上述参见图3求回传和接入的带宽分配比例最优解。
步骤406：判断是否满足收敛条件，若满足，则跳转到步骤408，否则执行步骤407。
步骤407：执行次数n＝n+1，并把405求的解作为新的初始值更新后，跳转到步骤403。
步骤408：最终求得回传和接入的带宽比例、用户接入频谱资源分配比例和
用户回传分配比例各自的最优解。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种基于***稳定性的无线自回传资源调度方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：初始化回传带宽分配比例和误差Δ＞0，
S2：给定每个用户回传带宽分配比例、每个用户接入带宽分配比例、小基站回传和接入的带宽分配比例，
S3：检查收敛条件是否满足，当满足收敛条件，则获得最初问题的最优解，若不满足，将得到的解作为初始值，并多次迭代并最终满足收敛条件，得到最优解；
在每个离散时隙上，在保证***队列稳定性、无线回传约束条件以及溢出概率约束的前提下，根据用户的信道状态信息、宏基站和小基站处联合考虑的排队情况，以最大化相对用户质量满意度等级为目标，为每个用户分配合适的无线资源并根据溢出概率来动态调整队列长度以期改变***实际可达速率、联合动态调整无线自回传小基站以及每个用户的回传、接入的资源分配比例。
2.根据权利要求1所述的一种基于***稳定性的无线自回传资源调度方法，其特征在于：所述无线回传约束条件为小基站平均回传速率大于等于接入速率；
其中所述的平均回传速率、平均接入速率分别为：多个时隙内小基站实际回传传输速率的平均值、多个时隙内小基站实际接入传输速率的平均值。
3.根据权利要求1所述的一种基于***稳定性的无线自回传资源调度方法，其特征在于：所述***队列稳定性为***中所有用户的队列考虑队列稳定性约束验证方案的时延性能，所述队列稳定性约束为：
<mrow> <msub> <mover> <mi>Q</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mi>k</mi> </msub> <mover> <mo>=</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> </mover> <munder> <mi>lim</mi> <mrow> <mi>T</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> <mi>&amp;infin;</mi> </mrow> </munder> <mi>s</mi> <mi>u</mi> <mi>p</mi> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>T</mi> </mfrac> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>t</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mrow> <mi>T</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </munderover> <mi>E</mi> <mo>{</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>Q</mi> <mi>k</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>|</mo> <mo>}</mo> <mo>&lt;</mo> <mi>&amp;infin;</mi> <mo>,</mo> <mo>&amp;ForAll;</mo> <mi>k</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>U</mi> </mrow>
其中为：宏基站和小基站覆盖范围内每个用户k的关于时间的平均队列长度，t为时隙，T为每个用户k队列长度的讨论周期，E为在整个周期T内，对宏基站和小基站覆盖范围内每个用户k的队列长度取平均值，U为用户k的集合，且U＝{1,2...,k}。
4.根据权利要求1所述的一种基于***稳定性的无线自回传资源调度方法，其特征在于：所述溢出概率约束为***可达速率和最小用户业务质量所对应的速率匹配。
5.根据权利要求1所述的一种基于***稳定性的无线自回传资源调度方法，其特征在于：所述宏基站处和小基站的用户队列更新过程为：
<mrow> <msubsup> <mi>Q</mi> <mi>k</mi> <mn>0</mn> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msubsup> <mi>Q</mi> <mi>k</mi> <mn>0</mn> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>A</mi> <mi>k</mi> <mn>0</mn> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>D</mi> <mi>k</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>h</mi> </mrow> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> <mn>0</mn> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow>
<mrow> <msubsup> <mi>Q</mi> <mi>k</mi> <mn>1</mn> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msubsup> <mi>Q</mi> <mi>k</mi> <mn>1</mn> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>D</mi> <mi>k</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>h</mi> </mrow> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>D</mi> <mi>k</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>a</mi> </mrow> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> <mn>0</mn> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow>
其中为时隙t时用户k在宏基站处的队列长度，为时隙t时小基站处用户的队列，是用户k在时隙t开始到达的数据包数量，为宏基站在时隙t向小基站发送的数据包数量，为小基站在时隙t时向用户发送的数据包数量，为下一个调度时隙t+1时用户k在宏基站处的队列长度，为下一个调度时隙t+1时小基站处的队列长度；
所述宏基站到用户k的信道增益且服从均值为h的指数分布，宏基站到小基站之间的信道增益且服从均值为g的指数分布，小基站到用户K的下行链路的信道增益为且服从均值为l的指数分布。
6.根据权利要求5所述的一种基于***稳定性的无线自回传资源调度方法，其特征在于：所述用户k接入实际的传输速率等于在用户k无线接入的理论传输速率和小基站处堆积的用户数据包的传输速率中取最小值，用户k回程实际的传输速率等于在用户k无线回传的理论传输速率和宏基站处堆积的用户数据包的传输速率中取最小值。
7.根据权利要求1所述的一种基于***稳定性的无线自回传资源调度方法，其特征在于：所述联合动态调整无线自回传小基站具体步骤为：
在时隙t开始时，根据宏基站到用户的信道增益计算宏基站到用户下行链路的信干噪比；
给定宏基站的大规模天线阵列数、波束成型组大小、宏基站到用户下行链路的信干噪比，计算小基站无线回传下行链路的理论容量；
给定小基站无线回传下行链路的理论容量，计算每个用户无线回传下行链路的理论传输速率；
给定时隙t时刻用户k在宏基站处的队列长度、时隙t时刻小基站处用户的队列、业务包的长度、每个用户k无线回传下行链路的理论传输速率，求每个用户回传带宽分配比例。
8.根据权利要求1所述的一种基于***稳定性的无线自回传资源调度方法，其特征在于：所述接入的资源分配比例的改变具体步骤为：
在时隙t开始时，根据小基站到用户的信道增益计算小基站到用户下行链路的信干噪比；
给定小基站到用户下行链路的信干噪比，计算用户无线接入下行链路的理论传输速率和小基站无线接入下行链路的总吞吐量；
给定时隙t时刻用户k在宏基站处的队列长度、时隙t时小基站处用户的队列、业务包的长度、虚拟队列长度和每个用户回传带宽分配比例，求每个用户接入带宽分配比例。
9.根据权利要求1所述的一种基于***稳定性的无线自回传资源调度方法，其特征在于：所述为每个用户分配合适的无线资源以及所述每个用户的回传的改变具体步骤为：
在时隙t开始时，根据宏基站到用户的信道增益、小基站到用户的信道增益计算宏基站到用户下行链路的信干噪比、小基站到用户下行链路的信干噪比；
给定宏基站的大规模天线阵列数、波束成型组大小、宏基站到用户下行链路的信干噪比，计算小基站无线回传下行链路的理论容量和每个用户无线回传下行链路的理论传输速率；
给定小基站到用户下行链路的信干噪比，计算用户无线接入下行链路的理论传输速率和小基站无线接入下行链路的总吞吐量；
给定时隙t时刻用户k在宏基站处的队列长度、时隙t时小基站处用户的队列、业务包的长度、虚拟队列长度、每个用户回传带宽分配比例、上述每个用户k无线回传下行链路的理论传输速率，上述每个用户接入带宽分配比例，求分配给小基站的无线接入和回传资源比例。
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