一种认知异构网络中基于量子花授粉搜索机制的多目标频谱分配方法组成比例

本发明专利技术涉及一种通过基于多目标量子花授粉搜索机制来实现的认知异构网络中基于量子花授粉搜索机制的多目标频谱分配方法。本发明专利技术包括：(1)基站中的无线接入网感知模块感知网络信息；(2)网络重构管理模块将频谱资源进行多粒度信道划分；(3)初始化含有P个量子花粉的量子花粉集合；(4)将花粉集合中每个花粉个体映射为频谱分配矩阵进行修正；(5)设置量子花授粉搜索机制中异花授粉和自花授粉的转换概率；(6)把新一代的花粉集合和前一代的花粉集合混合；(7)从Pareto前端解选出合适的花粉并映射为频谱分配矩阵；(8)网络重构管理模块将最优分配矩阵进行分块。本发明专利技术解决了多目标频谱分配问题，提高了频谱利用率。

【技术实现步骤摘要】
一种认知异构网络中基于量子花授粉搜索机制的多目标频谱分配方法
本专利技术涉及一种通过基于多目标量子花授粉搜索机制来实现的认知异构网络中基于量子花授粉搜索机制的多目标频谱分配方法。
技术介绍
为了适应不同的通信环境和不断增长的用户业务需求，移动无线通信相继经历了从第一代到第四代的发展，然而每一代的更新在时间上并不存在明显的界限，从新一代通信系统的投入使用到全面取代旧一代需要很长一段时间，应用不同技术标准的新旧网络的用户共存是不可避免的。可见，多种接入网共存的异构无线网络已经成为未来无线网络发展的趋势。无线通信不可避免的要占用频谱资源，而在无线频谱资源管理上，各国的无线电管理部门都采用频谱固定分配管理机制。随着无线通信技术的发展，固定频谱分配政策留给新系统和新技术的频段很少，频谱资源短缺的状况日益严重。另一方面，部分已分配频段的利用高度不均衡，一些频段由于业务繁忙而拥挤，一些频段的利用率却很低，造成了频谱资源的浪费。异构无线网络可充分利用网络的异构性动态管理资源进而提高频谱使用效率，同时认知技术使网络具有认知重构功能，可根据无线通信环境灵活改变发射参数，在不同频段上发射和接收信息，为认知异构网络动态管理资源提供了可能。为了支持无线资源的管理和优化利用，IEEE1099.4标准明确定义了异构无线网络的功能框架以及信息交互流程。因各种无线通信网络基本成熟布置，所以多种网络通过共享核心网而组成认知异构无线网络，便于动态管理无线资源，而不改变各网原有的无线通信技术。核心网和接入网分别增加了模块实体：网络重构管理(NRM,networkreconfigurationmanager)模块、接入网网络重构管理(RNRM,RANnetworkreconfigurationmanger)模块、无线接入网感知(RMC,RANmeasurementcollector)模块和接入网重构控制(RRC,RANreconfigurationcontroller)模块，其中，RMC模块感知网络信息并提交给RNRM，RNRM模块与NRM进行信息和决策交互，帮助NRM管理不同类型网络的接入网，NRM模块实现动态资源分配，通过与RNRM交互通知分配结果，RRC模块根据RNRM的重构请求实现接入网重新配置。经对现有技术文献的检索发现，P.S.Anand等在《2008IEEESymposiumonNewFrontiersinDynamicSpectrumAccessNetworks》上发表了“Near-OptimalDynamicSpectrumAllocationinCellularNetworks”，用贪婪算法解决了频谱动态分配问题，用冲突图和物理干扰模型来表示接入网之间的干扰，同时考虑了不同粒度的信道。然而贪婪算法每步做出当前看来最好的选择，容易求得局部最优解，不能有效解决稀有频谱资源的分配问题。石华等在《通信学报》(2012,Vol.33,No.7)上发表的“认知异构网络中基于克隆选择算法的动态频谱分配”，提出了基于克隆选择算法的动态频谱分配方法，并与贪婪算法进行了对比，但克隆选择算法的收敛度并不高。并且只考虑了单目标情况，不能解决多目标频谱分配问题，适用范围不广。认知异构网络频谱分配需考虑接入网频谱需求，接入网之间的干扰和对异构网络不同接入技术的多粒度重叠信道之间的干扰约束条件，它是一个多目标的非线性约束0-1整数规划问题，很难在有限的时间内寻得最优解。因此设计了多目标量子花授粉搜索机制，获得了一种多目标频谱分配的新方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有认知异构网络中频谱分配方法的不足，提出了一种有效解决认知异构网络中离散多目标频谱分配问题的认知异构网络中基于量子花授粉搜索机制的多目标频谱分配方法。本专利技术的目的是这样实现的：(1)基站中的无线接入网感知模块感知网络信息，预测业务请求，提出频谱需求和网络资源效益，将信息通过接入网网络重构管理模块的信息交互接口发送至接入网网络重构管理模块；接入网网络重构管理模块收集其管理的所有基站的频谱需求信息，并将此信息通过与网络重构管理模块的信息交互接口提供给网络重构管理模块；(2)网络重构管理模块将频谱资源进行多粒度信道划分，得到信道集合，并根据收到的信息整理得到基站集合、频谱需求集合和频谱资源效益集合，通过计算得到基站干扰矩阵和信道干扰矩阵；最后建立认知异构网络多目标频谱分配模型；(3)初始化含有P个量子花粉的量子花粉集合，对量子花粉集合进行测量得到花粉集合，花粉集合中每一个花粉都表示一种可能的频谱分配结果；设置初始迭代次数t＝0；(4)将花粉集合中每个花粉个体映射为频谱分配矩阵进行修正，再将修正后的频谱分配矩阵映射为花粉，对修正后的每个花粉进行适应度评价；根据不同的网络要求，设置频谱效益、频谱需求满足率、频谱使用效率和频谱占用等4个适应度函数；(5)设置量子花授粉搜索机制中异花授粉和自花授粉的转换概率u，对于量子花粉每一维，若rand＜u，rand∈[0,1]是满足均匀分布的随机数，则采用异花授粉的方式进行更新；若rand≥u，则采用自花授粉的方式进行更新；对更新后的量子花粉集合进行测量得到新一代的花粉集合，将新一代的花粉集合中每个花粉个体映射为频谱分配矩阵进行修正，再将修正后的频谱分配矩阵映射为花粉，对修正后的每个花粉进行适应度评价；(6)把新一代的花粉集合和前一代的花粉集合混合，进行非支配解等级排序和拥挤度计算，并对非支配解等级相同的花粉按拥挤度值进行降序排列，选择非支配等级为1，且拥挤度较大的花粉加入精英花粉集G；当精英花粉集G中花粉数目大于2P，则对精英花粉集G中的花粉进行非支配解等级排序和拥挤度计算，并对非支配解等级相同的花粉按拥挤度值进行降序排列，从中选取前2P个优秀花粉作为新的精英花粉集G；(7)如果没有达到最大迭代次数，则t＝t+1，返回步骤5继续进行；否则，迭代终止，并将得到的精英花粉集中的花粉进行非支配解排序；选择非支配解等级为1的花粉作为最终的Pareto前端解，从Pareto前端解选出合适的花粉并映射为频谱分配矩阵A*；(8)网络重构管理模块将最优分配矩阵A*进行分块，通过与接入网网络重构管理模块的决策交互接口，将频谱资源分配结果通知接入网网络重构管理模块；基站中的接入网重构控制模块根据频谱分配结果实现重构，即通过软件自适应地修改工作参数。所述的认知异构网络多目标频谱分配模型包括信道集合、基站集合、频谱需求集合、频谱资源效益集合、基站干扰矩阵和信道干扰矩阵；待分配的频谱资源宽度为F，K种无线接入网对应采用的接入技术所支持的信道带宽分别为Wk，k＝1,2,…,K，频谱资源在分配前被划分为多粒度信道；对应第k种接入网，其可用信道数为Mk＝[F/Wk]，其中，[·]表示向下取整，则这些可用信道总数为对每个信道用一个整数m进行编号，1≤m≤M，将每个接入网对应的信道组成信道集合{Φ1,Φ2,…,ΦK}，其中，Φ1＝{1,2,…,M1}，将参与频谱分配的小区基站组成基站集合其中，表示第n个基站及其属于第k种接入网；对应基站集合得到频谱需求集合B＝{bn,n＝1,2,…,N}和频谱效益集合R＝{rnm,n＝1,2,…,N,m＝1,2,…,M}，其中，bn表示第n个基站需求本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种认知异构网络中基于量子花授粉搜索机制的多目标频谱分配方法，其特征在于：(1)基站中的无线接入网感知模块感知网络信息，预测业务请求，提出频谱需求和网络资源效益，将信息通过接入网网络重构管理模块的信息交互接口发送至接入网网络重构管理模块；接入网网络重构管理模块收集其管理的所有基站的频谱需求信息，并将此信息通过与网络重构管理模块的信息交互接口提供给网络重构管理模块；(2)网络重构管理模块将频谱资源进行多粒度信道划分，得到信道集合，并根据收到的信息整理得到基站集合、频谱需求集合和频谱资源效益集合，通过计算得到基站干扰矩阵和信道干扰矩阵；最后建立认知异构网络多目标频谱分配模型；(3)初始化含有P个量子花粉的量子花粉集合，对量子花粉集合进行测量得到花粉集合，花粉集合中每一个花粉都表示一种可能的频谱分配结果；设置初始迭代次数t＝0；(4)将花粉集合中每个花粉个体映射为频谱分配矩阵进行修正，再将修正后的频谱分配矩阵映射为花粉，对修正后的每个花粉进行适应度评价；根据不同的网络要求，设置频谱效益、频谱需求满足率、频谱使用效率和频谱占用等4个适应度函数；(5)设置量子花授粉搜索机制中异花授粉和自花授粉的转换概率u，对于量子花粉每一维，若rand＜u，rand∈[0,1]是满足均匀分布的随机数，则采用异花授粉的方式进行更新；若rand≥u，则采用自花授粉的方式进行更新；对更新后的量子花粉集合进行测量得到新一代的花粉集合，将新一代的花粉集合中每个花粉个体映射为频谱分配矩阵进行修正，再将修正后的频谱分配矩阵映射为花粉，对修正后的每个花粉进行适应度评价；(6)把新一代的花粉集合和前一代的花粉集合混合，进行非支配解等级排序和拥挤度计算，并对非支配解等级相同的花粉按拥挤度值进行降序排列，选择非支配等级为1，且拥挤度较大的花粉加入精英花粉集G；当精英花粉集G中花粉数目大于2P，则对精英花粉集G中的花粉进行非支配解等级排序和拥挤度计算，并对非支配解等级相同的花粉按拥挤度值进行降序排列，从中选取前2P个优秀花粉作为新的精英花粉集G；(7)如果没有达到最大迭代次数，则t＝t+1，返回步骤5继续进行；否则，迭代终止，并将得到的精英花粉集中的花粉进行非支配解排序；选择非支配解等级为1的花粉作为最终的Pareto前端解，从Pareto前端解选出合适的花粉并映射为频谱分配矩阵A...

【技术特征摘要】
1.一种认知异构网络中基于量子花授粉搜索机制的多目标频谱分配方法，其特征在于：(1)基站中的无线接入网感知模块感知网络信息，预测业务请求，提出频谱需求和网络资源效益，将信息通过接入网网络重构管理模块的信息交互接口发送至接入网网络重构管理模块；接入网网络重构管理模块收集其管理的所有基站的频谱需求信息，并将此信息通过与网络重构管理模块的信息交互接口提供给网络重构管理模块；(2)网络重构管理模块将频谱资源进行多粒度信道划分，得到信道集合，并根据收到的信息整理得到基站集合、频谱需求集合和频谱资源效益集合，通过计算得到基站干扰矩阵和信道干扰矩阵；最后建立认知异构网络多目标频谱分配模型；(3)初始化含有P个量子花粉的量子花粉集合，对量子花粉集合进行测量得到花粉集合，花粉集合中每一个花粉都表示一种可能的频谱分配结果；设置初始迭代次数t＝0；(4)将花粉集合中每个花粉个体映射为频谱分配矩阵进行修正，再将修正后的频谱分配矩阵映射为花粉，对修正后的每个花粉进行适应度评价；根据不同的网络要求，设置频谱效益、频谱需求满足率、频谱使用效率和频谱占用等4个适应度函数；(5)设置量子花授粉搜索机制中异花授粉和自花授粉的转换概率u，对于量子花粉每一维，若rand＜u，rand∈[0,1]是满足均匀分布的随机数，则采用异花授粉的方式进行更新；若rand≥u，则采用自花授粉的方式进行更新；对更新后的量子花粉集合进行测量得到新一代的花粉集合，将新一代的花粉集合中每个花粉个体映射为频谱分配矩阵进行修正，再将修正后的频谱分配矩阵映射为花粉，对修正后的每个花粉进行适应度评价；(6)把新一代的花粉集合和前一代的花粉集合混合，进行非支配解等级排序和拥挤度计算，并对非支配解等级相同的花粉按拥挤度值进行降序排列，选择非支配等级为1，且拥挤度较大的花粉加入精英花粉集G；当精英花粉集G中花粉数目大于2P，则对精英花粉集G中的花粉进行非支配解等级排序和拥挤度计算，并对非支配解等级相同的花粉按拥挤度值进行降序排列，从中选取前2P个优秀花粉作为新的精英花粉集G；(7)如果没有达到最大迭代次数，则t＝t+1，返回步骤5继续进行；否则，迭代终止，并将得到的精英花粉集中的花粉进行非支配解排序；选择非支配解等级为1的花粉作为最终的Pareto前端解，从Pareto前端解选出合适的花粉并映射为频谱分配矩阵A*；(8)网络重构管理模块将最优分配矩阵A*进行分块，通过与接入网网络重构管理模块的决策交互接口，将频谱资源分配结果通知接入网网络重构管理模块；基站中的接入网重构控制模块根据频谱分配结果实现重构，即通过软件自适应地修改工作参数。2.根据权利要求1所述的一种认知异构网络中基于量子花授粉搜索机制的多目标频谱分配方法，其特征在于：所述的认知异构网络多目标频谱分配模型包括信道集合、基站集合、频谱需求集合、频谱资源效益集合、基站干扰矩阵和信道干扰矩阵；待分配的频谱资源宽度为F，K种无线接入网对应采用的接入技术所支持的信道带宽分别为Wk，k＝1,2,…,K，频谱资源在分配前被划分为多粒度信道；对应第k种接入网，其可用信道数为Mk＝[F/Wk]，其中，[·]表示向下取整，则这些可用信道总数为对每个信道用一个整数m进行编号，1≤m≤M，将每个接入网对应的信道组成信道集合{Φ1,Φ2,…,ΦK}，其中，Φ1＝{1,2,…,M1}，k＝2,…,K；将参与频谱分配的小区基站组成基站集合其中，表示第n个基站及其属于第k种接入网；对应基站集合得到频谱需求集合B＝{bn,n＝1,2,…,N}和频谱效益集合R＝{rnm,n＝1,2,…,N,m＝1,2,…,M}，其中，bn表示第n个基站需求的信道数，rnm表示第n个基站使用第m个信道的频谱资源效益；基站干扰矩阵表示为分块矩阵其中，子块矩阵表示基站与之间的干扰关系，表示基站与同时使用相同信道或重叠信道会相互干扰，而表示互不干扰；当k1＝k2时，根据接入技术规范的频谱复用系数确定，且当j1＝j2时，表示每个BS不能被分配重叠的信道；当k1≠k2时，若与之间距离小于其覆盖半径之和，则认为相互干扰，否则信道干扰矩阵表示为当m1≠m2时，若信道m1和信道m2有重叠部分，则表示基站使用信道m1会对信道m2的信号造成干扰，否则同理，当m1＝m2时，频谱分配矩阵表示为AN×M＝(anm)N×M，若得到信道m，则anm＝1，否则anm＝0；得到的信道数为一个可行分配矩阵需满足互相干扰的基站不能分配重叠或同一信道，即接入网只能分的信道集合Φk中的信道，即且其得到的信道数en≤min(bn,Mk)；其中，之间的整数；之间的整数；为指示函数，表示信道m是否属于集合Φk，定义3.根据权利要求1所述的一种认知异构网络中基于量子花授粉搜索机制的多目标频谱分配方法，其特征在于，所述的对量子花授粉集...

【专利技术属性】
技术研发人员：高洪元，梁炎松，杜亚男，刁鸣，李佳，张世铂，苏雪，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23