一种基于信息新鲜度的蜂窝小区资源调度方法技术

本发明专利技术属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于信息新鲜度的蜂窝小区资源调度方法；利用香农公式及信息年龄图形性质求得基站处的平均信息年龄表达式；对比放大转发和解码转发方式的优劣性，以及随发射功率，频谱效率约束以及距离的变化趋势，以选择恰当转发方式；在保证D2D用户信息发送成功率同时，利用改进的樽海鞘群算法对D2D用户发射功率进行分配，使得基站处获得信息的平均信息年龄最小。得基站处获得信息的平均信息年龄最小。得基站处获得信息的平均信息年龄最小。

【技术实现步骤摘要】
一种基于信息新鲜度的蜂窝小区资源调度方法


[0001]本专利技术属于无线通信
，尤其涉及一种基于信息新鲜度的蜂窝小区资源调度方法。

技术介绍

[0002]随着5G技术的发展与部署，越来越多的新兴物联网应用出现在人们的日常生活中，未来的物联网应用将越来越依赖于通过对延迟敏感信息的交换来进行环境以及状态的监视和控制。如智能家居、智慧交通、智慧健康等，系统很大程度上都依赖于即时的状态信息。对于此类时间敏感信息，若目的端获取的是过时信息，将会导致无效决策和错误控制，甚至带来系统性灾难。在以往的研究中，通常使用延时或者吞吐量作为表征系统的信息时效性，但是在以上那些实时服务应用中，这两个指标并不能完全衡量信息的时效性，因此，信息年龄作为一种新的指标用于量化信息的新鲜程度而受到广泛研究。
[0003]目前为止，信息年龄(Age of information，AoI)已经作为一种新兴的概念，一种性能指标和一种工具而在各种各样的系统中进行了研究。目前，对AoI的研究仍处于起步阶段，大多只考虑理想环境下的数据传输。但在实际应用中，同频干扰的存在对于AoI的影响也是不容忽视的。以蜂窝网络为例，当D2D用户和蜂窝用户共享信道时，两者间的干扰对信息的及时到达也会产生损害。因此，干扰环境下的AoI保证问题也不容忽视。

技术实现思路

[0004]为了克服上述问题，本专利技术提供一种基于信息新鲜度的蜂窝小区资源调度方法，该方法能够对D2D用户的发射功率进行分配，从而使基站处获得信息的信息年龄最小化。
[0005]一种基于信息新鲜度的蜂窝小区资源调度方法，包括如下内容：
[0006]步骤一，设置蜂窝小区系统模型：
[0007]在以基站为中心的蜂窝小区中，同时存在C个蜂窝用户和D个D2D用户，且蜂窝用户和D2D用户共享信道资源，两者产生同频干扰；
[0008]蜂窝用户发送状态信息至中继器，当蜂窝用户发送的信息满足频谱效率约束时，信息发送成功，否则将重传；中继器接收信息后再向基站转发信息，当转发信息满足频谱效率约束时信息发送成功，否则将重传；当信息成功发送至基站后，蜂窝用户进行下一信息传递；
[0009]其中中继器工作在干扰受限的条件下，中继器会受到q个复用信道的D2D用户的干扰，基站噪声功率记为σ2；规定|h
C,M
|2，|h
M,B
|2，|g
l
|2分别表示蜂窝用户与中继器之间信道的信道增益，中继器节点与基站之间的信道增益，D2D用户对中继器节点造成干扰的干扰信道增益，信道均满足瑞利块衰落，且分别服从参数为λ
C,M
，λ
M,B
，τ的指数分布，l∈{1,2...q}；
[0010]步骤二，为确定中继器的转发方式，进行不同模式下蜂窝用户或中继器成功发送信息概率的计算：
[0011]利用香农定理及概率论方法计算解码转发和放大转发两种模式下不同用户成功
发送信息的概率，计算方法如下：
[0012]一，解码转发模式：
[0013]蜂窝用户和中继器在解码转发模式下成功发送信息的概率π
C1
和π
M1
分别按下式计算：
[0014][0015][0016]其中：P{}代表对{}内公式取概率，蜂窝用户发射功率为P
C
，中继器发射功率为P
M
，D2D用户发射功率为P
D
，r指每个发射端信道至少使用r比特的信息量才能成功发送信息；
[0017]二，放大转发模式：
[0018]蜂窝用户和中继器在放大转发模式下成功发送信息的概率π
C2
和π
M2
分别按下式计算：
[0019][0020][0021]其中：β为中继器的放大因子，计算公式为：其中：β为中继器的放大因子，计算公式为：μ2＝σ2P
C
，x为积分变量，表示对时间的积分；
[0022]步骤三，不同模式下的平均信息年龄的计算：
[0023]利用信息年龄图像性质及泰勒级数计算从蜂窝用户到中继器再到基站的整个传输过程成功进行K次传输时的平均信息年龄，其中平均信息年龄按下式计算：
[0024][0025]其中：X为基站更新数据包的时间间隔，E(X)表示对时间间隔X取期望，按下式计
算：
[0026][0027]E(X 2
)是对时间间隔X的平方取期望，按下式计算：
[0028][0029]其中m为蜂窝用户传输次数，n为中继器转发次数，π
C
和π
M
分别为对应模式下蜂窝用户和中继器成功发送信息的概率；
[0030]步骤四，根据步骤二和步骤三的计算结果，对比不同转发模式下从蜂窝用户到中继器再到基站的整个传输过程成功进行K次传输时的平均信息年龄的大小，将平均信息年龄较小的解码转发模式作为本方法确定的转发模式；
[0031]步骤五，蜂窝小区资源调度策略：提出增强随机的樽海鞘群算法，对蜂窝小区中的D2D用户发射功率进行分配，使基站处平均信息年龄达到最小化；具体策略如下：
[0032]步骤5.1，规定D个D2D用户利用随机分配方式复用蜂窝信道，同时需满足单蜂窝用户只被一个D2D用户复用，一个D2D用户仅复用一个蜂窝信道，且D2D用户及蜂窝用户发送的信息均满足如下频谱效率约束条件：
[0033]log(1+γ)≥r
[0034]其中：γ为信干噪比；
[0035]步骤5.2，初始化樽海鞘种群位置：即随机设置种群中每一只樽海鞘的位置，其中樽海鞘所在位置代表使得平均信息年龄达到最小化的D2D用户可能的发射功率，所述樽海鞘所在位置包括食物源位置、樽海鞘领导者位置和樽海鞘追随者位置三种类别；
[0036]步骤5.3，计算初始种群中所有樽海鞘所在位置的适应度f，其中f值最小时对应的樽海鞘所在位置为食物源位置，也就是说f值最小时D2D用户的发射功率P
D
能够使得最终平均信息年龄达到最小化，f值的最小保证了目标：平均信息年龄最小化的同时满足了频谱效率约束；其中樽海鞘所在位置的适应度f按下式计算：
[0037][0038][0039]式中μ为惩罚因子，且μ＞0，适应度f包含了目标函数及约束条件两个部分，目标函数及约束条件如下：
[0040][0041]log2(1+γ
M1
)≥r,
[0042]log2(1+γ
B1
)≥r,
[0043]log2(1+γ
d
)≥r,d∈D
[0044][0045][0046]C＞D
[0047]0＜P
D
＜P
Dmax
[0048]其中：当复用参数时，表示D2D用户d复用蜂窝用户c的信道，否则γ
M1
表示解码转发模式下中继器的信干噪比；γ
B1
表示解码转发模式下基本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于信息新鲜度的蜂窝小区资源调度方法，其特征在于包括如下内容：步骤一，设置蜂窝小区系统模型：在以基站为中心的蜂窝小区中，同时存在C个蜂窝用户和D个D2D用户，且蜂窝用户和D2D用户共享信道资源，两者产生同频干扰；蜂窝用户发送状态信息至中继器，当蜂窝用户发送的信息满足频谱效率约束时，信息发送成功，否则将重传；中继器接收信息后再向基站转发信息，当转发信息满足频谱效率约束时信息发送成功，否则将重传；当信息成功发送至基站后，蜂窝用户进行下一信息传递；中继器工作在干扰受限的条件下，中继器会受到q个复用信道的D2D用户的干扰，基站噪声功率记为σ2；规定|h
C,M
|2，|h
M,B
|2，|g
l
|2分别表示蜂窝用户与中继器之间信道的信道增益，中继器节点与基站之间的信道增益，D2D用户对中继器节点造成干扰的干扰信道增益，信道均满足瑞利块衰落，且分别服从参数为λ
C,M
，λ
M,B
，τ的指数分布，l∈{1,2...q}；步骤二，为确定中继器的转发方式，进行不同模式下蜂窝用户或中继器成功发送信息概率的计算：利用香农定理及概率论方法计算解码转发和放大转发两种模式下不同用户成功发送信息的概率，计算方法如下：一，解码转发模式：蜂窝用户和中继器在解码转发模式下成功发送信息的概率π
C1
和π
M1
分别按下式计算：分别按下式计算：其中：P{}代表对{}内公式取概率，蜂窝用户发射功率为P
C
，中继器发射功率为P
M
，D2D用户发射功率为P
D
，r指每个发射端信道至少使用r比特的信息量才能成功发送信息；二，放大转发模式：蜂窝用户和中继器在放大转发模式下成功发送信息的概率π
C2
和π
M2
分别按下式计算：
其中：β为中继器的放大因子，计算公式为：μ2＝σ2P
C
，x为积分变量，表示对时间的积分；步骤三，不同模式下的平均信息年龄的计算：利用信息年龄图像性质及泰勒级数计算从蜂窝用户到中继器再到基站的整个传输过程成功进行K次传输时的平均信息年龄，其中平均信息年龄按下式计算：其中：X为基站更新数据包的时间间隔，E(X)表示对时间间隔X取期望，按下式计算：E(X 2
)是对时间间隔X的平方取期望，按下式计算：其中m为蜂窝用户传输次数，n为中继器转发次数，π
C
和π
M
分别为对应模式下蜂窝用户和中继器成功发送信息的概率；步骤四，根据步骤二和步骤三的计算结果，对比不同转发模式下从蜂窝用户到中继器再到基站的整个传输过程成功进行K次传输时的平均信息年龄的大小，将平均信息年龄较小的解码转发模式作为本方法确定的转发模式；步骤五，蜂窝小区资源调度策略：提出增强随机的樽海鞘群算法，对蜂窝小区中的D2D用户发射功率进行分配，使基站处平均信息年龄达到最小化；具体策略如下：步骤5.1，规定D个D2D用户利用随机分配方式复用蜂窝信道，同时需满足单蜂窝用户只被一个D2D用户复用，一个D2D用户仅复用一个蜂窝信道，且D2D用户及蜂窝用户发送的信息均满足如下频谱效率约束条件：log(1+γ)≥r其中：γ为信干噪比；步骤5.2，初始化樽海鞘种群位置：即随机设置种群中每一只樽海鞘的位置，其中樽海鞘所在位置代表使得平均信息年龄达到最小化的D2D用户可能的发射功率，所述樽海鞘所在位置包括食物源位置、樽海鞘领导者位置和樽海鞘追随者位置三种类别；

【专利技术属性】
技术研发人员：董颖，刘禹宏，王春悦，魏铭，霍雨欣，娄志远，石若欣，翟若彤，钟宇凤，王勇，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：