一种提高蜂窝弱覆盖区边缘无线终端频谱效率的方法技术

本发明专利技术公开了一种提高蜂窝弱覆盖区边缘无线终端频谱效率的方法，特别涉及如何结合免费频谱供应与射频能量补偿构建激励架构，以促进无线终端之间的合作，实现提升蜂窝弱覆盖区边缘无线终端频谱效率的目标，本发明专利技术提供的这种提高蜂窝弱覆盖区边缘无线终端频谱效率的方法，在确保蜂窝边缘设备用户的应用体验质量的前提下，单位资源块的剩余部分可以作为奖励资源由SBS进行协调，解决了覆盖薄弱区域的蜂窝边缘无线终端频谱资源利用率较低的问题，提高了边缘无线终端单位资源块的频谱效率。本发明专利技术通过招募具有储能优势和地理位置优势的设备作为充电节点而不是依靠SBS来提供射频能量，大量的能量将可以被SVAP获取而不是浪费在传输路径上。

【技术实现步骤摘要】
一种提高蜂窝弱覆盖区边缘无线终端频谱效率的方法
本专利技术属于无线网络性能优化
，涉及一种提高蜂窝弱覆盖区边缘无线终端频谱效率的方法，特别涉及如何结合免费频谱供应与射频能量补偿构建激励架构，以促进无线终端之间的合作，实现提升蜂窝弱覆盖区边缘无线终端频谱效率的目标。
技术介绍
根据文献[1]报道，随着互联网的爆炸性发展，互联网流量峰值增速快于平均增速，且两者之间的差距呈现日益增大的趋势。平板与便携式电脑、智能手机、机器间通信、消费型物联网应用的流量将会超过固定IP流量。除了增强型移动宽带应用外，这一增长的主要驱动力将来自于消费者可穿戴设备市场日益增长的需求。2017年，全球可穿戴医疗设备市场价值达到约52亿美元，预计到2022年将增长到135亿美元。对于移动运营商来说，应对爆炸性流量需求的一种有效的方法是超密集部署异构蜂窝网络。比如，在每个宏蜂窝中重叠部署微蜂窝，而在每个微蜂窝中又重叠部署微微蜂窝和毫微微蜂窝。事实上，移动运营商尽管会在其认为的重点区域建设这样的超密集异构蜂窝网，但很难做到普适无缝的超密集覆盖。例如，针对体育馆、世博中心和郊区工业园区等区域，移动运营商认为其多数时间内流量需求并不高，通常不会按峰值流量需求建设蜂窝网。然而，诸如民间体育赛事、节日庆典活动、大型商品交易会、工业设备博览会等活动可能会不时地在这些地方举行，从而导致短期的超高流量需求，这时，一种蜂窝弱覆盖区域必然会形成。在这样的区域内，若处于蜂窝覆盖区边缘的无线终端申请到了频谱资源，则其很难充分利用它，究其原因：一方面，在这样的蜂窝弱覆盖区域内，边缘无线终端通常远离基站，且与基站之间的通信链路也可能受到障碍物的遮挡，因此，通信信道质量通常很差，即使边缘无线终端使用最大发射功率，也可能难以克服很差的信道带来的信号衰减，导致很难达到应用体验所要求的数据率；另一方面，更高的发射功率不仅更快地消耗完自身的电池能量，而且也会对相邻蜂窝覆盖区同频信道用户造成更大干扰，影响其应用体验。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种提高蜂窝弱覆盖区边缘无线终端频谱效率的方法，通过构建基于免费频谱供应与无线射频能量补偿的激励架构，用以提高蜂窝弱覆盖区边缘无线终端频谱效率。本专利技术提供的这种提高蜂窝弱覆盖区边缘无线终端频谱效率的方法，包括以下步骤：(1)在蜂窝弱覆盖区域中规划若干个参考点，根据事先制定的标准，为每个参考点选举一个具有储能优势和地理位置优势的无线终端充当虚拟接入点(Small-cellVirtualAccessPoint，SVAP)；(2)每个SVAP将负责招募具有储能优势和地理位置优势的无线终端来充当小蜂窝能量提供者角色(Small-cellEnergyProviders，SEPs)，每个SVAP都将独自选取一组SEPs为其提供充电服务，这组SEPs也将获得免费接入基站的频谱作为提供充电服务的回报；(3)每个SVAP关联一组边缘无线终端，以方便为边缘无线终端提供中继转发服务，并依据转发数据的贡献来换取边缘无线终端的频谱资源的一部分，作为免费接入基站之用；(4)小蜂窝基站(SmallBaseStation，SBS)给定初始频谱资源的划分比例，并启动博弈过程，将每个边缘无线终端获得的单位频谱资源分成三个部分，一部分用于发送边缘无线终端的数据，其余两部分分别用于奖励帮助边缘无线终端转发数据的SVAP，以及为SVAP充电的一组SEPs；(5)每组SEPs内部各个SEP通过非合作博弈过程来决定其提供充电的功率；在获知所有SEPs的充电功率后，每个SVAP通过非合作博弈过程来决定其为边缘无线终端转发数据的功率，SBS基于SVAPs和SEPs的反馈结果来更新频谱资源的划分比例；(6)重复步骤(5)，直至单位频谱资源划分比的变化值小于预设阈值，获得Stackelberg博弈的纳什均衡点，得到SEP和SVAP效用最大化的频谱资源配比方案。本专利技术步骤(1)～(3)部分涉及激励架构的角色构建，包括SBS选举SVAPs，以及被选举出来的每个SVAP选举一组SEPs和关联一组边缘无线终端。在一个具体实施方式中，步骤(1)中，SBS选举SVAPs的算法过程如下：1、SBSs执行的选举操作：步骤1.0：初始化集合Ss为空，以备存储被选出的SVAPs，然后进入步骤1.1；步骤1.1：确定需要被选举的SVAPs的数量，并根据该数量和需要加强覆盖的区域分布情况确定参考点位置，参考点数量与SVAPs的数量相同(例如8)，然后进入步骤1.2；步骤1.2：若参考点未遍历完，则针对一个未处理的参考点，以最大发射功率(例如，1000毫瓦)广播一个SVAP选举包，然后设置一个时间间隔(例如Δ1＝100毫秒)以等待响应包返回，进入步骤1.3；否则，SBSs执行的操作结束；步骤1.3：若时间间隔Δ1未消耗完，则针对收到的响应包，若满足5个SVAP选举条件，将前一轮满足5个SVAP选举条件的无线终端放弃，将当前满足5个SVAP选举条件的无线终端保留，并继续等待下一个响应包；否则，向保留的无线终端发送SVAP确认包，同时将其确定为当前考察的参考点的SVAP，并保存在集合Ss中，然后返回步骤1.2；2、参与SVAP选举的无线终端执行的操作：步骤2.0：若收到针对某参考点的SVAP选举包，且满足SVAP选举条件的前4个，则向SBSs发送响应包，并进入步骤2.1；否则，退出；步骤2.1：若收到来自SBSs的SVAP确认包，则标记自己的身份为某参考点的SVAP，然后结束该操作；否则，等待针对其它参考点的SVAP选举包，或超时退出。在一个具体实施方式中，步骤(2)中，SVAP选举SEP的算法过程如下：3、SVAPv执行的选举操作：步骤3.0：初始化集合Rv为空，以备存储被选出的SEPs，然后进入步骤3.1；步骤3.1若集合Rv的成员数量未达到预设值(例如6)，则以最大发射功率(例如，200毫瓦)广播一个SEP选举包，然后设置一个时间间隔(例如Δ2＝100毫秒)以等待响应包返回，然后进入步骤3.2；否则，SVAPv执行的选举操作结束；步骤3.2：若时间间隔Δ2未消耗完，则针对收到的响应包，若满足5个SEP选举条件，将前一轮满足5个SEP选举条件的无线终端放弃，将当前满足5个SEP选举条件的无线终端保留，并继续等待下一个响应包；否则，向保留的无线终端发送SEP确认包，并将其保存在集合Rv中，然后返回步骤3.1。4、参与SEP选举的无线终端执行的操作：步骤4.0：若收到某SVAP(例如，v)的SEP选举包，且满足SEP选举条件的前4个，则向SVAPv发送响应包，并进入步骤4.1；否则，退出；步骤4.1：若收到来自某SVAP(例如，v)的SEP确认包，则标记自己的身份为SVAPv的SEP，然后结束该操作；否则，等待SVAP的SEP选举包，或超时退出。在一个具体实施方式中，步骤(3)中，SVAP关联一组边缘无线终端的算法过程如下：5、SVAPv执行的响应关联操作：步骤5.0：初始化集合Uv为空，以备存储被关联的边缘无线终端，进入步骤5.1；步骤5.1：若收到某边缘无线终端的关联请求包，则以最大发射功率(例如，200毫瓦)反馈一个关联响应包，然后设置一个时间间隔(例如Δ3＝100毫秒)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高蜂窝弱覆盖区边缘无线终端频谱效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在蜂窝弱覆盖区域中规划若干个参考点，根据事先制定的标准，为每个参考点选举一个具有储能优势和地理位置优势的无线终端充当虚拟接入点(Small‑cell Virtual Access Point，SVAP)；(2)每个SVAP将负责招募具有储能优势和地理位置优势的无线终端来充当小蜂窝能量提供者角色(Small‑cell Energy Providers，SEPs)，每个SVAP都将独自选取一组SEPs为其提供充电服务，这组SEPs也将获得免费接入基站的频谱作为提供充电服务的回报；(3)每个SVAP关联一组边缘无线终端，以方便为边缘无线终端提供中继转发服务，并依据转发数据的贡献来换取边缘无线终端的频谱资源的一部分，作为免费接入基站之用；(4)SBS给定初始频谱资源的划分比例，并启动博弈过程，将每个边缘无线终端获得的单位频谱资源分成三个部分，一部分用于发送边缘无线终端的数据，其余两部分分别用于奖励帮助边缘无线终端转发数据的SVAP，以及为SVAP充电的一组SEPs；(5)每组SEPs内部各个SEP通过非合作博弈过程来决定其提供充电的功率；在获知所有SEPs的充电功率后，每个SVAP通过非合作博弈过程来决定其为边缘无线终端转发数据的功率，SBS基于SVAPs和SEPs的反馈结果来更新频谱资源的划分比例；(6)重复步骤(5)，直至单位频谱资源划分比的变化值小于预设阈值，获得Stackelberg博弈的纳什均衡点，得到SEP和SVAP效用最大化的频谱资源配比方案。...

【技术特征摘要】
1.一种提高蜂窝弱覆盖区边缘无线终端频谱效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在蜂窝弱覆盖区域中规划若干个参考点，根据事先制定的标准，为每个参考点选举一个具有储能优势和地理位置优势的无线终端充当虚拟接入点(Small-cellVirtualAccessPoint，SVAP)；(2)每个SVAP将负责招募具有储能优势和地理位置优势的无线终端来充当小蜂窝能量提供者角色(Small-cellEnergyProviders，SEPs)，每个SVAP都将独自选取一组SEPs为其提供充电服务，这组SEPs也将获得免费接入基站的频谱作为提供充电服务的回报；(3)每个SVAP关联一组边缘无线终端，以方便为边缘无线终端提供中继转发服务，并依据转发数据的贡献来换取边缘无线终端的频谱资源的一部分，作为免费接入基站之用；(4)SBS给定初始频谱资源的划分比例，并启动博弈过程，将每个边缘无线终端获得的单位频谱资源分成三个部分，一部分用于发送边缘无线终端的数据，其余两部分分别用于奖励帮助边缘无线终端转发数据的SVAP，以及为SVAP充电的一组SEPs；(5)每组SEPs内部各个SEP通过非合作博弈过程来决定其提供充电的功率；在获知所有SEPs的充电功率后，每个SVAP通过非合作博弈过程来决定其为边缘无线终端转发数据的功率，SBS基于SVAPs和SEPs的反馈结果来更新频谱资源的划分比例；(6)重复步骤(5)，直至单位频谱资源划分比的变化值小于预设阈值，获得Stackelberg博弈的纳什均衡点，得到SEP和SVAP效用最大化的频谱资源配比方案。2.根据权利要求1所述提高蜂窝弱覆盖区边缘无线终端频谱效率的方法，其特征在于，步骤(1)中，SBS选举SVAPs的算法过程如下：1)、SBSs执行的选举操作：步骤1.0：初始化集合Ss为空，以备存储被选出的SVAPs，然后进入步骤1.1；步骤1.1：确定需要被选举的SVAPs的数量，并根据该数量和需要加强覆盖的区域分布情况确定参考点位置，参考点数量与SVAPs的数量相同(例如8)，然后进入步骤1.2；步骤1.2：若参考点未遍历完，则针对一个未处理的参考点，以最大发射功率(例如，1000毫瓦)广播一个SVAP选举包，然后设置一个时间间隔(例如Δ1＝100毫秒)以等待响应包返回，进入步骤1.3；否则，SBSs执行的操作结束；步骤1.3：若时间间隔Δ1未消耗完，则针对收到的响应包，若满足5个SVAP选举条件，将前一轮满足5个SVAP选举条件的无线终端放弃，将当前满足5个SVAP选举条件的无线终端保留，并继续等待下一个响应包；否则，向保留的无线终端发送SVAP确认包，同时将其确定为当前考察的参考点的SVAP，并保存在集合Ss中，然后返回步骤1.2；2)、参与SVAP选举的无线终端执行的操作：步骤2.0：若收到针对某参考点的SVAP选举包，且满足SVAP选举条件的前4个，则向SBSs发送响应包，并进入步骤2.1；否则，退出；步骤2.1：若收到来自SBSs的SVAP确认包，则标记自己的身份为某参考点的SVAP，然后结束该操作；否则，等待针对其它参考点的SVAP选举包，或超时退出。3.根据权利要求1所述提高蜂窝弱覆盖区边缘无线终端频谱效率的方法，其特征在于，步骤(2)中，SVAP选举SEP的算法过程如下：1)、SVAPv执行的选举操作：步骤3.0：初始化集合Rv为空，以备存储被选出的SEPs，然后进入步骤3.1；步骤3.1若集合Rv的成员数量未达到预设值(例如6)，则以最大发射功率(例如，200毫瓦)广播一个SEP选举包，然后设置一个时间间隔(例如Δ2＝100毫秒)以等待响应包返回，然后进入步骤3.2；否则，SVAPv执行的选举操作结束；步骤3.2：若时间间隔Δ2未消耗完，则针对收到的响应包，若满足5个SEP选举条件，将前一轮满足5个SEP选举条件的无线终端放弃，将当前满足5个SEP选举条件的无线终端保留，并继续等待下一个响应包；否则，向保留的无线终端发送SEP确认包，并将其保存在集合Rv中，然后返回步骤3.1；2)、参与SEP选举的无线终端执行的操作：步骤4.0：若收到某SVAP(例如，v)的SEP选举包，且满足SEP选举条件的前4个，则向SVAPv发送响应包，并进入步骤4.1；否则，退出；步骤4.1：若收到来自某SVAP(例如，v)的SEP确认包，则标记自己的身份为SVAPv的SEP，然后结束该操作；否则，等待SVAP的SEP选举包，或超时退出。4.根据权利要求1所述提高蜂窝弱覆盖区边缘无线终端频谱效率的方法，其特征在于，步骤(3)中，SVAP关联一组边缘无线终端的算法过程如下：1)、SVAPv执行的响应关联操作：步骤5.0：初始化集合Uv为空，以备存储被关联的边缘无线终端，进入步骤5.1；步骤5.1：若收到某边缘无线终端的关联请求包，则以最大发射功率(例如，200毫瓦)反馈一个关联响应包，然后设置一个时间间隔(例如Δ3＝100毫秒)以等待关联确认包返回，然后进入步骤5.2；步骤5.2：若时间间隔Δ3未消耗完，则针对收到的关联确认包，将其发送者保存在集合Uv中，并继续等待下一个关联确认包；否则，SVAPv执行的响应关联操作结束；2)、执行关联的边缘无线终端的操作：步骤6.0：以最大发射功率(例如，200毫瓦)广播一个关联请求包，然后设置一个时间间隔(例如Δ4＝100毫秒)，以等待关联响应包返回，然后进入步骤6.1；步骤6.1：若时间间隔Δ4未消耗完，则针对每个反馈的关联响应包，将当前接收信号最强的关联响应包的发送者保留，并继续等待下一个关联响应包；否则，向保留的SVAP发送关联确认包，并结束关联操作。5.根据权利要求1所述提高蜂窝弱覆盖区边缘无线终端频谱效率的方法，其特征在于，基于折半搜索思想算法[BinarySearch(min,max)]，完成SBS、SEP和SVAP之间激励机制的构建，具体过程为：SBS给定初始频谱资源分配比并启动博弈过程、每组SEP内部通过非合作博弈过程决定功率划分比、SVAP之间通过非合作博弈过程决定功率划分比，以及SBS根据SVAP和SEP反馈结果决定是否进行下一轮Stackelberg博弈过程。6.根据权利要求5所述提高蜂窝弱覆盖区边缘无线终端频谱效率的方法，其特征在于，算法BinarySearch(min,max)的具体过程为：步骤7.0：设置两个变量max和min，分别用于保存折半搜索范围的上下边界值，并使用该算法调用者指定的值初始max和min，然后进入步骤7.1；步骤7.1：...

【专利技术属性】
技术研发人员：桂劲松，惠丽欢，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43