一种网络用户关联和资源分配的联合优化方法技术

本发明专利技术公开了一种网络用户关联和资源分配的联合优化方法，包括以下步骤：基于休假队列理论建立时延模型，将时延转换为数据传输速率，用于平衡LAA网络平均队列延时；求子载波k上的传输速率，根据LAA网络平均队列延时约束，得子载波k上的传输速率约束；将LAA网络JUARA优化问题规划为P1、P2两个子问题；将问题P2转化为用户关联和资源分配联合优化问题P3，引入额外的最小化问题并与问题P3合并得到问题P4，并求解；通过用户关联缩减策略，重新求解问题P4，重复该过程直至用户关联和资源分配结果满足优化问题P1的所有约束条件。本发明专利技术以最大化系统可服务用户数，同时最小化总功率为优化目标，能够满足平均队列时延要求。

【技术实现步骤摘要】
一种网络用户关联和资源分配的联合优化方法
本专利技术涉及无线通信
，更具体的，涉及一种网络用户关联和资源分配的联合优化方法。
技术介绍
随着无线通信业务种类和业务需求的日益增多，LTE/LTE-Advanced(以下统称LTE)授权频谱逐渐成为稀缺资源。针对此种现状，人们在致力于提高授权频谱利用率的同时，开始逐渐探索免授权频谱的合理使用。免授权频谱是指不需要得到监管部门的许可就可以直接使用的频谱，目前得到商用的主要有2.4GHz的工业、科学和医疗(Industrial，ScientificandMedical，ISM)频段，以及5GHz的免授权国家信息基础设施(UnlicensedNationalInformationInfrastructure，U-NII)频段。其中5GHz频段主要供Wi-Fi设备使用，拥堵较少，成为免授权LTE(UnlicensedLTE，U-LTE)部署的主要频段。为确保与Wi-Fi系统的公平友好共存，第三代合作伙伴计划(3rdGenerationPartnerProject，3GPP)在Release13中提出了LAA技术[1]3GPP,“Technicalspecificationgroupradioaccessnetwork,studyonlicensed-assistedaccesstounlicensedspectrum(Release13),”TR36.889,Jun.2015，为LTE在免授权频段的部署提供了统一架构和技术规范。受5GHz频段通信距离限制，LAA通常适用于小基站(SmallCellBaseStation，SBS)部署。此外，LAA基于载波聚合(CarrierAggregation，CA)技术，将使用免授权频段的辅小区(SecondaryCell，SCell)和使用授权频段的主小区(PrimaryCell，PCell)聚合在一起，以保证信令信息以及高优先级业务的可靠传输。进而在有限覆盖范围内部署多个基站，成为LAA的一种典型应用场景[1]3GPP,“Technicalspecificationgroupradioaccessnetwork,studyonlicensed-assistedaccesstounlicensedspectrum(Release13),”TR36.889,Jun.2015。在该场景下，合理设计用户关联和资源分配机制，不仅可以提高LAA网络使用效率，而且能够抑制其对Wi-Fi等共存设备造成的干扰，从而为U-LTE在免授权频段公平、高效的应用提供重要技术保证。鉴于此，文献[2]R.Liu,Q.Chen,andG.Yu,“JointuserassociationandresourceallocationforunlicensedLTEsystems,”in2018IEEEInternationalConferenceonCommunications(ICC),Jul.2018,pp.1-6提出了一种U-LTE系统吞吐量最大化的用户关联机制，但未能综合考虑资源分配带来的系统性能提升。对此，结合功率资源的最优化设计，文献[3]M.Ali,A.Qaisar,M.Naeem,andS.Mumtaz,“Jointuserassociationandpowerallocationforlicensedandunlicensedspectrumin5Gnetworks,”in2017IEEEGlobalCommunicationsConference(GLOBECOM),Dec.2017,pp.1-6给出了一种用户关联和功率分配的联合优化方案；综合考虑功率和频谱资源，文献[4]J.Tan,S.Xiao,S.Han,Y.Liang,andV.C.M.Leung,“QoS-awareuserassociationandresourceallocationinLAA-LTE/WiFicoexistencesystems,”IEEETransactionsonWirelessCommunications,Vol.15,No.4,Mar.2019,pp.2415–2430.给出了一种满足系统吞吐量和时延要求的用户关联和资源分配方案。然而，现有方案的设计都是基于满缓冲器的假设来实现的，并不适用于现实情况中数据包突发性到达的场景。当数据包突发性到达时，队列时延(QueueingDelay)成为一项重要考核指标。不同于以专有方式独享信道的LTE传输，LAA一般建议采用先听后说(Listen-Before-Talk，LBT)的传输机制，当有数据需要传输时，需要通过空闲信道评估(ClearChannelAssessment，CCA)判断当前信道是否可以接入。因此，在LAA的队列时延分析中需要考虑信道接入时延(ChannelAccessDelay)所带来的影响。信道接入时延与Wi-Fi负载情况有关，在负载较高的频段，由于LAA传输机会相应减少，使用现有的用户关联和资源分配机制，短期内LAA用户得到的传输速率或许较高，但是长期来看，系统可能无法满足其队列时延要求。因此，结合数据包突发性到达情况下的队列时延要求，建立用户关联和资源分配机制，是适应LAA网络实际应用场景的一种普遍需求。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术无法满足LAA网络数据包突发到达场景下时延要求的现状的问题，提供一种网络用户关联和资源分配的联合优化方法，其以最大化系统可服务用户数，同时最小化总功耗为优化目标，能够满足平均队列时延要求。为实现上述本专利技术目的，采用的技术方案如下：一种网络用户关联和资源分配的联合优化方法，所述的联合优化方法包括以下步骤：S1：基于休假队列理论建立时延模型，将时延转换为数据传输速率，利用数据传输速率进行LAA网络平均队列延时约束；S2：考虑资源分配，基于香农公式求基站中基站用户的子载波k上的传输速率，并结合LAA网络平均队列延时约束，得到子载波k上的传输速率约束；S3：基于步骤S2得到的子载波k上的传输速率约束，将LAA网络JUARA优化问题规划为两个子问题，分别用P1和P2表示；其中P1主要关注用户和基站的关联问题，实现系统服务用户数的最大化；P2着重处理资源分配问题，针对每个小基站实现发射功率的最小化；S4：将问题P2转化为用户关联和资源分配联合优化问题P3，基于迭代重加权最小化的并行优化方法，引入额外的最小化问题并与问题P3合并得到问题P4，并求解；S5：通过用户关联缩减策略，从当前的关联用户中逐渐剔除违反约束条件的解，并重新求解问题P4，重复该过程直至用户关联和资源分配结果满足优化问题P1的所有约束条件。本专利技术的有益效果如下：本方法基于休假队列理论建立时延模型，在此模型基础上构造用户关联和资源分配联合优化问题，进而提出了一种基于迭代重加权最小化的并行优化方法。相比现有文献中的方案，在数据包突发性到达场景下，系统能够承载更多的满足队列时延要求的用户，具备较高的用户容量；同时，系统总功耗相对较小，适应免授权频段发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种网络用户关联和资源分配的联合优化方法，其特征在于：所述的联合优化方法包括以下步骤：/nS1：基于休假队列理论建立时延模型，将时延转换为数据传输速率，利用数据传输速率进行LAA网络平均队列延时约束；/nS2：考虑资源分配，基于香农公式求基站中基站用户的子载波k上的传输速率，并结合LAA网络平均队列延时约束，得到子载波k上的传输速率约束；/nS3：基于步骤S2得到的子载波k上的传输速率约束，将LAA网络JUARA优化问题规划为两个子问题，分别用P1和P2表示；其中P1主要关注用户和基站的关联问题，实现系统服务用户数的最大化；P2着重处理资源分配问题，针对每个小基站实现发射功率的最小化；/nS4：将问题P2转化为用户关联和资源分配联合优化问题P3，基于迭代重加权最小化的并行优化方法，引入额外的最小化问题并与问题P3合并得到问题P4，并求解；/nS5：通过用户关联缩减策略，从当前的关联用户中逐渐剔除违反约束条件的解，并重新求解问题P4，重复该过程直至用户关联和资源分配结果满足优化问题P1的所有约束条件。/n

【技术特征摘要】
1.一种网络用户关联和资源分配的联合优化方法，其特征在于：所述的联合优化方法包括以下步骤：
S1：基于休假队列理论建立时延模型，将时延转换为数据传输速率，利用数据传输速率进行LAA网络平均队列延时约束；
S2：考虑资源分配，基于香农公式求基站中基站用户的子载波k上的传输速率，并结合LAA网络平均队列延时约束，得到子载波k上的传输速率约束；
S3：基于步骤S2得到的子载波k上的传输速率约束，将LAA网络JUARA优化问题规划为两个子问题，分别用P1和P2表示；其中P1主要关注用户和基站的关联问题，实现系统服务用户数的最大化；P2着重处理资源分配问题，针对每个小基站实现发射功率的最小化；
S4：将问题P2转化为用户关联和资源分配联合优化问题P3，基于迭代重加权最小化的并行优化方法，引入额外的最小化问题并与问题P3合并得到问题P4，并求解；
S5：通过用户关联缩减策略，从当前的关联用户中逐渐剔除违反约束条件的解，并重新求解问题P4，重复该过程直至用户关联和资源分配结果满足优化问题P1的所有约束条件。


2.根据权利要求1所述的网络用户关联和资源分配的联合优化方法，其特征在于：步骤S1，考虑LAA网络下行通信场景，在同一运营商部署下，系统中包括M个小基站SBS和N个小基站用户SUE，分别用m和n代表其索引，基于载波选择机制，SBSm部署在免授权频段的某个载波上，每载波包含K个子载波，子载波索引用k表示，有K≥N；
在SBSm对应的载波上，假设网络接入点在该载波上为Um个网络用户提供服务，网络用户以分布式方式接入免授权频段，为了减少用户之间的碰撞，用户的通信网络系统采用二值指数退避机制，LAA网络也采用二值指数退避机制；
S101：在二值指数退避机制下，求得LAA网络的数据发送概率为和通信网络的数据发送概率为
S102：根据计算得到LAA在免授权信道上的成功传输概率ηm，如下：



其中，Um表示载波上通信网络用户的数量；
S103：当获得一次成功传输时，LAA的信道占用时间为tLAA，相应地，对应一次成功传输，LAA保持空闲的时间为：



S104：基于休假队列理论中的M/M/1非空竭服务单休假模型，假设数据包呈泊松到达，并将vm看做服务台的一段休假时间，进而得到LAA系统的平均队列时延：



其中，λn表示SUEn上的数据包到达速率，rm,n表示通过SBSm为SUEn提供服务的包传输速率，考虑平稳队列场景，有rm,n＞λn，因此max(rm,n-λn,0)＝rm,n-λn；
S105：令Tmax为系统允许的最大平均队列时延，存在时延约束条件dm≤Tmax，结合公式(5)可转换为对传输速率的约束，即





3.根据权利要求2所述的网络用户关联和资源分配的联合优化方法，其特征在于：为了增加时延的可分析性，为用户关联和资源分配联合优化提供了便利条件，将式(3)、(4)代入(6)，得到



通过式(7)，LAA网络中的平均队列时延约束可以使用传输速率进行描述。


4.根据权利要求3所述的网络用户关联和资源分配的联合优化方法，其特征在于：步骤S2，考虑资源分配，定义SBSm中SUEn的子载波k上的传输速率为rm,k,n，基于香农公式有：



其中，pm,k,n为发射功率，gm,k,n表示路损和信道衰落带来的功率增益，B为子载波带宽，σ2为噪声功率，L代表数据包大小；
定义：



并将(8)代入公式(7)，有



式(10)是子载波k上的传输速率约束。


5.根据权利要求4所述的网络用户关联和资源分配的联合优化方法，其特征在于：步骤S3，对于问题P1，具体地，定义βm,n∈{0,1}为用户关联指示...

【专利技术属性】
技术研发人员：张文杰，赵磊，蒋付强，刘为，江明，容琪龙，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第七研究所，中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44