CN115412189A - 一种多信道用户接入方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种多信道用户接入方法，涉及无线接入网络技术领域，包括以下步骤：步骤一：基站侧接收所有待入网用户的入网请求，并根据入网请求消息估计各个用户当前的信道质量，计算得出信噪比；步骤二：基站判断每个待接入用户的所需信道数总和是否小于当前可用信道数；若是，则执行步骤三；否则，执行步骤四；步骤三：根据用户所需信道数为所有待接入用户分配信道资源，执行步骤七；步骤四：计算所有用户的传输速率；步骤五：求解问题P1，得到最优解；步骤六：根据步骤五中的结果，选择可以接入的用户，为其分配所需的信道资源；步骤七：完成接入过程，结束。本申请便于提高现有的用户接入方法资源利用率，获得更高的网络吞吐量。

Description

一种多信道用户接入方法

技术领域

本发明涉及无线接入网络技术领域，具体涉及一种多信道用户接入方法。

背景技术

在无线接入网络中，网络设备由基站设备及若干用户设备构成。在这种网络结构中，需采用多信道绑定的方式进行通信。具体来说，一个基站中有多条信道可供用户使用，在用户节点进行通信之前，基站节点需根据一定策略，选择可以接入的用户，并为用户节点分配相应的接入信道。

传统的接入机制，一般分为基于竞争的接入和基于非竞争的接入。基于竞争的接入是指基站不掌握用户设备的任何信息，用户需要通过发送前导码的方式与基站建立连接关系。基站不断检测用户发送的前导码信息，产生响应信息并发送至用户。在非竞争的接入机制中，基站需要提前获取待接入用户设备的信息，例如用户对资源的需求、用户当前信道质量等。基于用户信息，依据某种策略选择可以接入的用户。在基于竞争的接入方式中，用户的接入请求存在冲突的可能性，用户接入成功率相对较低。此外，基站不掌握用户设备的任何信息，无法进行高效的统一规划，会造成无线资源的利用率相对较低。

在现有的接入网场景中，信道轮询分配、负载均衡接入、贪婪策略接入以及最优信噪比接入等是其主要应用的接入技术手段。在轮询分配方法中，基站需要为待接入的用户节点依次轮询所有信道。这种方式使每个用户获得相同概率的接入机会，是公平性较好的接入方法。然而，其并没有考虑不同用户的信道条件的差异。容易出现信道质量极差的用户占用信道传输，而信道质量好的用户接入失败的情况。此外，轮询接入的方式并没有考虑不同用户成对传输信道资源需求的差异性。在待接入用户量较大时，容易出现信道质量极差的用户占用大量信道资源的情况，造成资源利用率降低，网络吞吐量下降。应用负载均衡接入的策略，解决了各基站用户接入不均衡的问题，在一定程度上提高了资源利用效率。然而，由于其仅进行了接入用户数量上的均衡，并没有考虑不同用户信道条件的差异性，因此其不能获得基站资源与用户间的最优匹配关系。贪婪策略中，基站选择传输速率高的用户进行接入。而在最优信噪比接入中，基站选择信噪比最高的用户进行接入。基于贪婪策略的接入技术在一定程度上解决了网络吞吐量低的问题，但是其只考虑的用户的传输速率，并没有考虑其资源的利用效率，容易产生某一用户占用大量无线信道资源的情况。最优信噪比接入作为现阶段最简单且高效的接入机制，能够获得较高的资源利用效率。但其本质仍然是基于信噪比的一种贪婪策略，因此其仍然不能获得基站资源与用户间的最优匹配关系。

基于此，我们提出一种多信道用户接入方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供一种多信道用户接入方法，提高现有的用户接入方法资源利用率，获得更高的网络吞吐量。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：

一种多信道用户接入方法，以最大化网络吞吐量为目标，将多信道用户接入模型描述如下：

x(i)∈{0,1} (3)

其中，优化问题P1的优化目标为最大化一个调度周期内全网的吞吐量；R(i)表示用户i的用户传输速率；B(i)表示用户i传输所需信道数量；限制条件(2)表示所有接入成功的用户所占用的信道数量不能超过信道资源总数N；

具体包括以下步骤：

步骤一：基站侧接收所有待入网用户的入网请求，并根据入网请求消息估计各个用户当前的信道质量，计算得出信噪比SINR_i，i＝1，2，…，L；

步骤二：基站判断每个待接入用户的所需信道数总和是否小于当前可用信道数；若是，则执行步骤三；否则，执行步骤四；

步骤三：根据用户所需信道数为所有待接入用户分配信道资源，执行步骤七；

步骤四：计算所有用户的传输速率

其中ΔB为每个信道的带宽；

步骤五：求解问题P1，得到最优解X＝(x₁,x₂,...,x_L)；

步骤六：根据步骤五中的结果，选择可以接入的用户，为其分配所需的信道资源；

步骤七：完成接入过程，结束。

优选地，所述步骤五中，将问题P1定义为一个L级动态规划问题，其第k阶段状态变量为s_k，表示当前剩余信道资源数；决策策略变量为x_k，当用户k获得传输机会时，有x_k＝1，否则x_k＝0；递推关系式具体化为：

优选地，求解优化问题P1的动态规划算法为：

优选地，定义变量x(i)∈{0,1}表示用户i是否在一个调度周期内成功接入；当用户i接入成功时，有x(i)＝1，否则x(i)＝0。

综上所述，本发明相比于传统的接入方式，具有以下优点：

第一、综合考虑了用户信道质量的差异性以及用户传输信道资源需求的差异性，资源利用率高。

第二、以数学建模的方式具体化接入问题，通过数学方法求取最优解，在相同场景下，能实现最高的***吞吐量。

综上，本发明中，我们从用户与基站中信道资源优化匹配的角度，研究了用户的接入机制。以最大化***吞吐量为目标，建立了多信道条件下用户接入的理论优化模型。通过理论分析，采用动态规划的方法对其进行求解，并在此基础上设计了相应的接入方法。通过理论分析证明，在相同条件下，本发明提出的接入方法的结果为最优解，能获得最高的***吞吐量。

附图说明

图1为本发明的***模型示意图；

图2为本发明的接入方法流程示意图；

图3为本发明的性能对比图。

具体实施方式

以下结合附图1-3对本发明作进一步详细说明。

本发明提供的一种实施例：一种多信道用户接入方法，该方法主要针对无线接入网络，以基站为中心的网络场景。其思路为：中心节点在信道上根据每个用户对资源的需求、基站负载情况以及用户的无线信道质量，对信道资源进行统一分配。通过合理的接入规划，实现用户和信道资源的优化匹配，进而提高信道资源的利用效率，增强***的业务数据传输能力。

考虑一个接入网络中存在L个待接入用户，共有N条信道可供用户使用，如图1所示。考虑到用户数量较多，无线资源受限的情况，并不是所有待接入用户都能在一个调度周期内接入成功。因此，定义变量x(i)∈{0,1}表示用户i是否在一个调度周期内成功接入。当用户i接入成功时，有x(i)＝1，否则x(i)＝0。以最大化网络吞吐量为目标，我们将多信道用户接入模型描述如下：

x(i)∈{0,1} (3)

其中，优化问题P1的优化目标为最大化一个调度周期内全网的吞吐量。R(i)表示用户i的用户传输速率；B(i)表示用户i传输所需信道数量。限制条件(2)表示所有接入成功的用户所占用的信道数量不能超过信道资源总数N；而由限制条件(3)可以看出，优化问题P1为0-1整数规划问题。

基于以上分析，本发明的技术方案包括以下步骤：

步骤一：基站侧接收所有待入网用户的入网请求，并根据入网请求消息估计各个用户当前的信道质量，计算得出信噪比SINR_i，i＝1，2，…，L。

步骤二：基站判断每个待接入用户的所需信道数总和是否小于当前可用信道数；若是，则执行步骤三；否则，执行步骤四。

步骤三：根据用户所需信道数为所有待接入用户分配信道资源，执行步骤七。

步骤四：计算所有用户的传输速率

其中ΔB为每个信道的带宽。

步骤五：求解问题P1，得到最优解X＝(x₁,x₂,...,x_L)。

步骤六：根据步骤五中的结果，选择可以接入的用户，为其分配所需的信道资源。

步骤七：完成接入过程，结束。

上述流程如图2所示。

在步骤五中，需要求解优化问题P1，考虑采用动态规划的方法求解此问题。将问题P1定义为一个L级动态规划问题，其第k阶段状态变量为s_k，表示当前剩余信道资源数；决策策略变量为x_k，当用户k获得传输机会时，有x_k＝1，否则x_k＝0；递推关系式具体化为：

基于以上分析，总结求解问题P1的动态规划算法如下：

算法1求解优化问题P1的动态规划算法

在算法1中，输入的值为可用信道数量N，各用户传输所需信道数量B(i)(i＝1,2,...,L)，各用户的用户传输速率R(i)(i＝1,2,...,L)；输出为状态函数V_k；以及最优解X。

综上，本发明中，将多信道用户的接入问题建模为一个最优化问题，并通过动态规划的方法对其进行求解，得出最优的用户接入方案。从而使得本发明具有无线资源利用率高，传输性能好等优势。

具体实施示例：

对本发明的实现步骤做进一步的描述。并与传统方法进行性能对比。

示例1：

假设如图1所示的场景中，存在L＝6个待接入用户，基站信道容量N＝10。其中，用户所需信道数量B＝[2，1，3，4，2，3]。用户的传输速率

由于计算R(i)时，B(i)、ΔB为定值，因此R(i)与信噪比SINR_i为一一对应关系。为简化描述，直接给出计算后的传输速率值R＝[5，2.5，6，7，4.5，5.5]。

(1)采用本发明中的接入方法，步骤如下：

1：基站侧接收所有待入网用户的入网请求，并根据入网请求消息估计各个用户当前的信道质量，计算得出信噪比SINR_i，i＝1，2，…，L。

2：基站判断每个待接入用户的所需信道数总和是否小于当前可用信道数，由于2+1+3+4+2+3＝15>N，因此执行步骤四。

3：计算所有用户的传输速率R＝[5，2.5，6，7，4.5，5.5]。

4：将L、N、B、R代入得到问题P1，并采用本发明中算法1进行求解，得到最优解X＝(1,0,1,0,1,1)。

5：选择用户1、用户3、用户5、用户6进行接入，并为其分配相应的信道资源。

采用上述方法，得到全网的吞吐量为5+6+4.5+5.5＝21。

(2)采用贪婪算法进行接入，进行对比分析，贪婪算法的实现策略为：优先选择传输速率高的用户进行接入，其步骤如下：

1：基站侧接收所有待入网用户的入网请求，并根据入网请求消息估计各个用户当前的信道质量，计算得出信噪比SINR_i，i＝1，2，…，L。

2：基站判断每个待接入用户的所需信道数总和是否小于当前可用信道数，由于2+1+3+4+2+3＝15>N，因此进行后续贪婪算法流程。

3：将各用户根据信噪比进行降序排序，得到用户索引序列S＝[4，3，6，1，5，2]。

4：依次选择用户4、用户3、用户6进行接入，并为其分配相应的信道资源。

采用上述方法，得到全网的吞吐量为6+7+5.5＝18.5。

(3)采用最优信噪比的接入方式进行对比，最优信噪比接入的实现策略为：优先选择传输信噪比高的用户进行接入，其步骤如下：

1：基站侧接收所有待入网用户的入网请求，并根据入网请求消息估计各个用户当前的信道质量，计算得出信噪比SINR_i，i＝1，2，…，L。

2：基站判断每个待接入用户的所需信道数总和是否小于当前可用信道数，由于2+1+3+4+2+3＝15>N，因此进行后续最优信噪比接入流程。

3：将各用户根据信噪比进行降序排序，得到用户索引序列S＝[1，2，5，3，6，4]。

4：依次选择用户1、用户2、用户5、用户3进行接入，并为其分配相应的信道资源。

采用上述方法，得到全网的吞吐量为5+2.5+4.5+6＝18。

由以上对比分析可以得知，采用本发明中提出的接入方法，较传统的贪婪接入以及最优信噪比接入，在吞吐量性能上具有明显优势。

示例2：

假设如图1所示的场景中，存在L个待接入用户，基站信道容量N。为了不失一般性，我们在不同用户数量情况下的对本发明中提出的接入方法进行了性能仿真，并与传统接入方法进行对比。其中，用户所需信道数量B在范围[1，4]中随机产生，信噪比SINR在范围[1，7]中随机产生。具体仿真参数如下表所示：

表1仿真参数表

仿真参数	仿真值
		基站信道容量N	10/15
用户数量	1-10
		用户所需信道数量B	U[1，4]
用户信噪比SINR	U[1，7]
		仿真次数	100

基于以上参数，我们得到如图3所示的吞吐量性能，所得到的结果为100次仿真结果的均值。

由以上对比分析可以得知，采用本发明中提出的接入方法，较传统的贪婪接入以及最优信噪比接入，在吞吐量性能上具有明显优势。

以上均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多信道用户接入方法，其特征在于：以最大化网络吞吐量为目标，将多信道用户接入模型描述如下：

x(i)∈{0,1} (3)

其中，优化问题P1的优化目标为最大化一个调度周期内全网的吞吐量；R(i)表示用户i的用户传输速率；B(i)表示用户i传输所需信道数量；限制条件(2)表示所有接入成功的用户所占用的信道数量不能超过信道资源总数N；

具体包括以下步骤：

步骤一：基站侧接收所有待入网用户的入网请求，并根据入网请求消息估计各个用户当前的信道质量，计算得出信噪比SINR_i，i＝1，2，…，L；

步骤二：基站判断每个待接入用户的所需信道数总和是否小于当前可用信道数；若是，则执行步骤三；否则，执行步骤四；

步骤三：根据用户所需信道数为所有待接入用户分配信道资源，执行步骤七；

步骤四：计算所有用户的传输速率

其中ΔB为每个信道的带宽；

步骤五：求解问题P1，得到最优解X＝(x₁,x₂,...,x_L)；

步骤六：根据步骤五中的结果，选择可以接入的用户，为其分配所需的信道资源；

步骤七：完成接入过程，结束。

2.根据权利要求1所述的一种多信道用户接入方法，其特征在于：所述步骤五中，将问题P1定义为一个L级动态规划问题，其第k阶段状态变量为s_k，表示当前剩余信道资源数；决策策略变量为x_k，当用户k获得传输机会时，有x_k＝1，否则x_k＝0；递推关系式具体化为：

3.根据权利要求2所述的一种多信道用户接入方法，其特征在于：求解优化问题P1的动态规划算法为：

(1)：初始化状态函数V_k＝0

(2)：for k＝1：L

(3)：for s_k＝1：N

(4)：if(s_k＜B(k))

(5)：V_k(s_k)＝V_k-1(s_k)

(6)：else

(7)：if(V_k-1(s_k)＞V_k-1(s_k-B(k))+R(k))

(8)：V_k(s_k)＝V_k-1(s_k)

(9)：else

(10)：V_k(s_k)＝V_k-1(s_k-B(k))+R(k)

(11)：end if

(12)：end if

(13):end for

(14)：end for

(15)：k＝L，sk＝N

(16)：while(k>＝1)

(17)：if(V_k(s_k)＝＝V_k-1(s_k))

(18)：x_k＝0

(19)：else

(20)：x_k＝1，s_k＝s_k-B(k)

(21)：end if

(22)：k＝k-1

(23)：end while

(24)：输出V_k、X＝(x₁,x₂,...,x_L)。

4.根据权利要求1所述的一种多信道用户接入方法，其特征在于：定义变量x(i)∈{0,1}表示用户i是否在一个调度周期内成功接入；当用户i接入成功时，有x(i)＝1，否则x(i)＝0。

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