一种面向5G网络的无线回程优化方法技术

本发明专利技术公开了一种面向5G网络的无线回程优化方法，首先，在所构建的网络系统模型的基础上，分析各个节点的干扰，从而得到各个节点的信噪比计算公式；继而，定义一个基于实际数据重发的时间间隔，提出数据重发模型，再根据所得信噪比计算得到重传时延；进而，建立以时延最小化、吞吐量最大化为目标的优化模型，并且，在分析用户数目变化的基础上，提出了针对特殊情况的优化模型；最后，针对所提出的优化模型提出了一种基于分支定界理论的启发式算法。本发明专利技术的方法在尽可能保证对每个用户公平的基础上，尽可能的满足每个用户的需求；并且，在考虑资源平衡的基础上，实现网络总体平均时延最小、网络吞吐量最大，进而提升用户体验。

A wireless backhaul optimization method for 5G network

The invention discloses a 5G based wireless backhaul optimization method, first of all, on the basis of the network system construction model, interference analysis of each node, so as to obtain the SNR calculation formula of each node; then, a definition based on the actual data retransmission time interval, then puts forward the data retransmission model. According to the signal-to-noise ratio calculated by retransmission delay; then, based on minimizing the delay and throughput maximization optimization model, and based on the analysis of the change in the number of users, put forward the optimization model for the special case; finally, according to the proposed model presents a heuristic algorithm of branch and bound theory based on. The method of the invention ensures users' needs as much as possible on the basis of ensuring the fairness of each user as far as possible. Moreover, considering the resource balance, the network achieves the smallest total average delay and the largest network throughput, and then improves user experience.

【技术实现步骤摘要】
一种面向5G网络的无线回程优化方法
本专利技术涉及一种面向5G网络的无线回程优化方法，属于无线通信

技术介绍
随着无线通信技术的迅猛发展，以及用户需求的日益多样化，支持高速率、低时延、海量设备连接的第五代移动通信(5G)技术应运而生。5G网络可看作是由分层的网络构成，因此，5G网络的资源分配问题变得更加复杂。5G网络的传输可分为接入和回程两个阶段。其中，回程网络主要承担核心网和接入网之间的通信任务，是基站控制器和基站之间的信息传输网络。在5G网络中，为了应对流量的爆炸性增长，Femtocell、Picocell、Microcell等小基站的部署会具有超密集、随机等特点，使得为小基站提供费用低、高质量的回程连接成为一种挑战。目前，对5G环境下的无线回程研究主要集中在部署成本、传输速率、无线传输技术以及回程结点部署等方面。却忽略了，在小基站的无线回程网络中引入回程聚集节点的同时，使得，相比与直接连接到宏基站络进行传输，无线回程增加了一次无线传输，这就导致了整体时延的增加。因此，在对回程链路进行优化时，需要将时延问题一同进行分析，以便提高网络系统的性能。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术提供一种面向5G网络的无线回程优化方法。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：本专利技术提供一种面向5G网络的无线回程优化方法，用于覆盖若干小基站的宏蜂窝网络，其中，用户通过无线连接的方式连接到宏基站MBS或者一个小基站SCBS，MBS通过光纤与核心网相连，SCBS通过无线连接的方式连接到回程聚集节点BAN，BAN再通过光纤与核心网相连进行回程传输。该方法的具体步骤如下：步骤1，基于宏蜂窝网络的频谱分配以及干扰，构造信噪比计算公式；步骤2，定义重发的时间间隔，提出基于数据重发的传输模型，并计算数据重传的平均时延，其中传输模型具体为：每个数据包会被反复地传输直到被成功接收，若成功接收时的重传次数小于等于预定义的最大重传次数，则用户向MBS或SCBS发送确认信息，否则令成功接收时的重传次数等于预定义的最大重传次数，且用户向MBS或SCBS发送非确认信息步骤3，通过比较用户数与系统容量，建立优化模型；步骤4，采用基于分支定界的求解算法对步骤3中的优化模型进行求解，从而得到用户信道分配集合作为本专利技术的进一步技术方案，步骤1中构造的信噪比计算公式具体为：连接到MBS的用户的接收信噪比为：其中，表示连接到MBS的用户n使用信道k的接收功率，N1表示来自其它相邻宏基站的干扰，N0表示热噪声；连接到SCBS的用户的接收信噪比为：其中，表示连接到SCBS的用户n使用信道k的接收功率，Ω′表示与用户n使用相同信道的用户的集合，而表示与用户n使用相同信道的用户n′对用户n产生的干扰功率；SCBS端的接收信噪比为：其中，表示SCBSm使用信道k的接收功率，Ω″表示与SCBSm使用相同信道的SCBS的集合，而表示对与SCBSm使用相同信道的SCBSm′对SCBSm产生的干扰功率。作为本专利技术的进一步技术方案，步骤2中所述数据重传的平均时延的计算公式为：数据包由MBS到用户成功传输的平均时延为：其中，pm为数据包由MBS到用户成功下行传输一次的概率，R0为数据包由MBS到用户成功下行传输的重传次数，T0为数据包由MBS传送到用户从而完成一次数据传输的时间；数据包由SCBS到用户成功传输的平均时延为：其中，ps为数据包由SCBS到用户成功下行传输一次的概率，R1为数据包由SCBS到用户成功下行传输的重传次数，T1为数据包由SCBS传送到用户从而完成一次数据传输的时间；数据包由BAN到SCBS成功传输的平均时延为：其中，pb为数据包由BAN到SCBS成功下行传输一次的概率，R2为数据包由BAN到SCBS成功下行传输的重传次数，T2为数据包由BAN传送到SCBS从而完成一次数据传输的时间。作为本专利技术的进一步技术方案，步骤3具体为：若|N|≤|K0|+|K1|·|M|，则建立的优化模型为：maxRtotal-ετtotals.t.其中，K0表示MBS可分配给用户的信道集合，K1表示SCBS可分配用户的信道集合，N表示用户集合，M表示SCBS的集合，|·|表示集合内的元素数量；τtotal表示网络总的平均传输时延；ε表示第一权值，Rtotal表示网络的总吞吐量；表示连接到MBS的用户n的流量，表示SCBSm的流量，N(0)表示连接到MBS的用户集合；表示连接到MBS的用户n是否在信道k上传输，表示连接到SCBS的用户n是否在信道k上传输，表示连接到BAN的SCBSm是否在信道k上传输，E(MBS)表示数据包由MBS到用户成功传输的平均时延，E(SCBS)表示数据包由SCBS到用户成功传输的平均时延，E(BAN)表示数据包由BAN到SCBS成功传输的平均时延；pmax,MBS表示MBS的最大接收功率，pmax,m表示SCBSm的最大接收功率，pmax,BAN表示BAN的最大接收功率；N(1)表示连接到SCBS的用户集合；表示连接到SCBSm的用户集合；显然有若|N|＞|K0|+|K1|·|M|，则建立的优化模型为：maxRtotal-ετtotal+ω||X||1s.t.其中，ω表示第二权值，X表示用户的连接矩阵，||X||1表示连接矩阵X中元素为1的元素数量。作为本专利技术的进一步技术方案，步骤4中采用基于分支定界的求解算法对优化模型进行求解的具体步骤为：第一步：令n＝1,k＝1,n′＝1,k′＝1，其中，n∈N，N＝N(0)∪N(1)；k∈K，K＝K0∪K1；第二步：若或者则转第六步；否则，转第三步；第三步：令等于0，代入优化模型并求解，得到目标函数值f0；令等于1，代入优化模型并求解，得到目标函数值f1；若f1＞f0，则令并代入优化模型，形成新的优化问题后转第四步；否则，转第五步；第四步：若没有遍历所有k值，将当前对应的n从集合N中剔除，形成新的集合N，令k′＝(k′+1)％|K|，并将集合K中的第k′个元素的值赋给k，转第二步；否则，转第六步；第五步：若没有遍历所有n值，令n′＝(n′+1)％|N|，并将集合N中的第n′个元素的值赋给n，转第三步；否则，令代入优化模型，形成新的优化问题，并将当前对应的k从集合K中剔除，形成新的集合K，转第二步；第六步：输出解，运算停止。作为本专利技术的进一步技术方案，第三步中利用MATLAB的linprog函数求解优化模型。作为本专利技术的进一步技术方案，所述宏蜂窝网络中，MBS的接入链路使用6GHz以下频段与用户进行连接，SCBS使用28GHz频段与用户进行连接，SCBS使用60GHz的毫米波与BAN进行回程传输；不同基站内部以及不同BAN内部存在信道复用的情况。作为本专利技术的进一步技术方案，所述宏蜂窝网络中，不同SCBS接入链路间存在来自邻近小区的SCBS的干扰，SCBS接入链路与MBS接入链路间不存在干扰，SCBS回程链路与其接入链路间也不存在干扰，不同BAN内的SCBS的回程链路间存在来自相邻BAN的干扰，连接到MBS的用户只受到来自其它相邻宏基站的干扰。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本专利技术的面向5G网络的无线回程优化方法，从系统模型出发，分析干扰，构造信噪比，计算重传时延；进而，综本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向5G网络的无线回程优化方法，用于覆盖若干小基站的宏蜂窝网络，其中，用户通过无线连接的方式连接到宏基站MBS或者一个小基站SCBS，MBS通过光纤与核心网相连，SCBS通过无线连接的方式连接到回程聚集节点BAN，BAN再通过光纤与核心网相连进行回程传输，其特征在于，该方法的具体步骤如下：步骤1，基于宏蜂窝网络的频谱分配以及干扰，构造信噪比计算公式；步骤2，定义重发的时间间隔，提出基于数据重发的传输模型，并计算数据重传的平均时延，其中传输模型具体为：每个数据包会被反复地传输直到被成功接收，若成功接收时的重传次数小于等于预定义的最大重传次数，则用户向MBS或SCBS发送确认信息，否则令成功接收时的重传次数等于预定义的最大重传次数，且用户向MBS或SCBS发送非确认信息；步骤3，通过比较用户数与系统容量，建立优化模型；步骤4，采用基于分支定界的求解算法对步骤3中的优化模型进行求解，从而得到用户信道分配集合。

【技术特征摘要】
1.一种面向5G网络的无线回程优化方法，用于覆盖若干小基站的宏蜂窝网络，其中，用户通过无线连接的方式连接到宏基站MBS或者一个小基站SCBS，MBS通过光纤与核心网相连，SCBS通过无线连接的方式连接到回程聚集节点BAN，BAN再通过光纤与核心网相连进行回程传输，其特征在于，该方法的具体步骤如下：步骤1，基于宏蜂窝网络的频谱分配以及干扰，构造信噪比计算公式；步骤2，定义重发的时间间隔，提出基于数据重发的传输模型，并计算数据重传的平均时延，其中传输模型具体为：每个数据包会被反复地传输直到被成功接收，若成功接收时的重传次数小于等于预定义的最大重传次数，则用户向MBS或SCBS发送确认信息，否则令成功接收时的重传次数等于预定义的最大重传次数，且用户向MBS或SCBS发送非确认信息；步骤3，通过比较用户数与系统容量，建立优化模型；步骤4，采用基于分支定界的求解算法对步骤3中的优化模型进行求解，从而得到用户信道分配集合。2.根据权利要求1所述的一种面向5G网络的无线回程优化方法，其特征在于，步骤1中构造的信噪比计算公式具体为：连接到MBS的用户的接收信噪比为：其中，表示连接到MBS的用户n使用信道k的接收功率，N1表示来自其它相邻宏基站的干扰，N0表示热噪声；连接到SCBS的用户的接收信噪比为：其中，表示连接到SCBS的用户n使用信道k的接收功率，Ω′表示与用户n使用相同信道的用户的集合，而表示与用户n使用相同信道的用户n′对用户n产生的干扰功率；SCBS端的接收信噪比为：其中，表示SCBSm使用信道k的接收功率，Ω″表示与SCBSm使用相同信道的SCBS的集合，而表示对与SCBSm使用相同信道的SCBSm′对SCBSm产生的干扰功率。3.根据权利要求1所述的一种面向5G网络的无线回程优化方法，其特征在于，步骤2中所述数据重传的平均时延的计算公式为：数据包由MBS到用户成功传输的平均时延为：其中，pm为数据包由MBS到用户成功下行传输一次的概率，R0为数据包由MBS到用户成功下行传输的重传次数，T0为数据包由MBS传送到用户从而完成一次数据传输的时间；数据包由SCBS到用户成功传输的平均时延为：其中，ps为数据包由SCBS到用户成功下行传输一次的概率，R1为数据包由SCBS到用户成功下行传输的重传次数，T1为数据包由SCBS传送到用户从而完成一次数据传输的时间；数据包由BAN到SCBS成功传输的平均时延为：其中，pb为数据包由BAN到SCBS成功下行传输一次的概率，R2为数据包由BAN到SCBS成功下行传输的重传次数，T2为数据包由BAN传送到SCBS从而完成一次数据传输的时间。4.根据权利要求1所述的一种面向5G网络的无线回程优化方法，其特征在于，步骤3具体为：若|N|≤|K0|+|K1|·|M|，则建立的优化模型为：maxRtotal-ετtotals.t.

【专利技术属性】
技术研发人员：张晖，李风乐，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32