专利名称：泛在无线网络下基于协同优化的多域资源分配方法
技术领域：
本发明基于混沌理论与协同学的视角，利用经济学基本原理与方法，结合业务QoS保证，综合考虑用户、业务、网络和资源等多个域，建立了泛在无线网络下基于协同优化的多域资源分配模型，应用于泛在无线网络中的资源分配。
背景技术：
泛在无线网络，可随时随地供人使用，让人享用无处不在服务的无线网络，其通信服务对象由人扩展到任何东西，如智能家居、智能交通等。已有的泛在无线网络技术包括3G、LTE、GSM、WLAN、WiMax, RFID、Zigbee, Bluetooth等无线通信协议和技术。这些网络存在着很大差异，彼此之间很难相互替代，当今社会即将迈入无线互联网时代，人们对无线通信的需求也不断扩展，但稀缺的无线网络资源是对人们无限欲望的抑制。这就要求研究人员在既定的无线资源条件下，不断开发新技术来推动无线通信技术的发展。
在既定的无线网络资源下，网络所能提供的最大数据传输数率是一定的。从宏观角度，运营商不断开发新技术以致力于提高网络资源利用率，提升系统吞吐量；从微观角度，用户真正关心的是分配给他的资源能否满足其需求。运营商不可能提供无偿服务，因此对定价机制的研究有很大的实用意义，运营商对网络的建设和网络服务的提供将投入大量的成本，需要通过定价计费收回其投资并取得收益，同时，运营商的收费又能起到引导用户消费行为的作用。混沌理论是一种兼具质性思考与量化分析的方法，用以研究动态系统，是系统从有序突然变为无序状态的一种演化理论。而协同学则是研究协同系统从无序到有序的演化规律，协同系统是指由许多子系统组成、能以自组织方式形成宏观的空间、时间或功能有序结构的开发系统。混沌理论与协同学是紧密联系的。泛在无线网络的发展依赖于现存的多种无线网络技术，由于网络间的差异性，这些网络将长期共存，从宏观角度，泛在无线网络包含多种异构无线网络；从介观角度，我们可以将这些异构无线网络分别视为协同子系统，如GSM子系统、LTE子系统、WLAN子系统等；从微观角度，我们又可以将网络用户分别视为协同子系统，网络用户的数量是庞大的，而且各用户的消费行为是随机的，但又是稳定的周期运动。基于混沌理论和协同学的视角，面向泛在无线网络下用户多样的业务及QoS的需求，采用经济学理论和方法，结合业务QoS保证，综合考虑用户、业务、网络和资源等多个域，建立基于协同优化的多域资源分配模型，是泛在无线网络商用发展的必然趋势。
发明内容
技术问题本发明的目的是基于混沌理论和协同学的视角，采用经济学原理和方法，结合业务QoS保证，综合考虑用户、业务、网络和资源等多个域，建立泛在无线网络下基于协同优化的多域资源分配模型，实现泛在无线网络资源的均衡分配。技术方案本发明是以经济学基本原理和方法为基础，以泛在无线网络通用多域资源分配模型为主线，以协同学和混沌理论为主要研究工具，结合业务QoS保证，综合考虑用户、业务、网络和资源等多个域，建立泛在无线网络下基于协同优化的多域资源分配模型，通过各异构无线网络的协同优化带动资源分配的优化。本发明拟将泛在无线网络视为一个供给一需求模型，运营商出售无线网络资源的使用权，而用户按照其需求向运营商购买无线资源的使用权。将无线网络资源分配看作一个生产一消费模型，在无线网络中生产资源包括频谱、时间、空间、能量、码字、缓冲区等；生产者为各种网络实体和控制算法；消费者为用户的各种业务。结合业务QoS保证，采用自适应调制技术、有效带宽理论、有效容量理论等，利用不同类型资源的适当组合提供一定数量的网络数据传输服务，运营商不可能提供无偿服务，应当考虑到运营商的收费情况。不同异构无线网络由不同运营商运营，从介观角度，将不同运营商视为协同子系统，基于混沌理论与协同学的视角，建立多运营商定价协同机制的优化。泛在无线网络内各异构无线网络的调度以帧为周期，对于每个调度帧，泛在无线网络中的用户总数是一定的，以泛在无线网络用户社会福利最大化为系统目标，以各异构无线网络子系统的协同优化为约束，考虑泛在无线网络具有复杂性、混沌性和协同性，将协同优化和混沌优化相结合，完 成泛在无线网络的优化。本发明泛在无线网络下基于协同优化的多域资源分配方法基于混沌理论和协同学的视角，通过泛在无线网络协同优化机制的运行实现资源的均衡分配，它包括以下几个流程I).协同子系统的划分用户基于效用最大化的资源分配模型选择网络并发出请求接入信号；2).混沌优化各个协同子系统内部的混沌优化；3).协同优化协同子系统间的协同优化；4).联合优化混沌优化和协同优化的联合优化以达到泛在无线网络的资源分配；其中所述协同子系统的划分为泛在无线网络是包含多种异构无线网络，且不同的异构无线网络由不同运营商经营，一个用户可能处于多家运营商网络的覆盖范围，用户基于效用最大化的资源分配模型选择能使其效用最大的网络，在生产-消费模型结合业务QoS保证，综合考虑用户、业务、网络和资源的多个域，采用自适应调制技术提高频谱效率，为用户i分配功率资源Pi,采用有效带宽理论建模业务的到达过程，采用有效容量理论抽象业务的服务过程，当有效带宽与有效容量取得均衡时，达到业务服务的最佳状态，为用户i分配一定的频谱资源A和时隙资源ti;完成资源的有效分配，这样便确定在某异构网络中保证用户iQoS等级3^所分配的资源量况，h，Pi),运营商的收费Ini=G^, Pi)以及效用值Ui，用户i将选择其效用值最大的运营商并发出请求接入信号，同时确保各个网络不超载，这样便可确定各个运营商在当前调度帧的活动用户，将各个运营商视为协同子系统，为资源分配做准备。所述的混沌优化为各异构网络拥有的资源是既定的，在每个调度帧内只能服务一定数量的用户并保证他们的QoS，考虑各个协同子系统的复杂性、混沌性，各个协同子系统内部的混沌优化以其对应的相容性约束％，的，K 为优化目标，优化模型如图3所示，优化流程如图4所示。所述的协同优化为考虑泛在无线网络的复杂性、协同性，以泛在无线网络用户社会福利？>(〃)最大化为目标函数，以各异构无线网络子系统协同优化为约束，优化模型如图3所示，优化流程如图4所示。所述的混沌优化和协同优化的联合优化为优化模型如图3所示，优化流程如图4所示，在确定各协同子系统后进入混沌优化，满足条件后将进入协同优化，其中当用户数较少系统资源过剩时，将调整用户请求的QoS等级L以提升其效用值，使得社会福利和资源利用率提高，逐步实现混沌优化和协同优化的联合优化以完成泛在无线网络系统的资源分配，最终便可确定用户i选择的异构网络η、业务的QoS等级分配的资源量
对应的消费金额Hii以及用户的效用值Ui O Ini)。有益效果本发明基于混沌理论与协同学的视角，利用经济学基本原理与方法，综 合考虑用户、业务、网络和资源等多个域，结合业务QoS保证，建立了一种异构无线网络之间基于协同优化的多域资源分配模型，应用于泛在无线网络的资源分配，使网络的供给一需求达到均衡。
图I是基于供给一需求的泛在无线网络市场机制框图。图2是基于生产一消费的多域资源分配模型框图。图3是基于协同优化的泛在无线网络优化模型框图。图4是基于协同优化的泛在无线网络优化流程框图。图5是泛在无线网络下基于协同优化的多域资源分配模型框图。
具体实施例方式本发明是以经济学基本原理为基础，以通用多域资源分配模型研究为主线，以混沌理论和协同学为主要研究工具，结合业务QoS保证，综合考虑用户、业务、网络和资源等多个域，建立泛在无线网络下基于协同优化的多域资源分配模型，实现泛在无线网络资源的均衡分配。相关经济学原理效用是指对于消费者通过消费或者享受闲暇等使自己的需求、欲望等得到的满足的一个度量。经济学家用它来解释有理性的消费者如何把他们有限的资源分配在能给他们带来最大满足的商品上。相关的经济学重要概念和原理有边际效益递减原理、帕累托最优、社会福利以及公平性。边际效益递减原理是指消费者在消费物品时，每一单位物品对消费者的效用是不同的，它们呈递减关系。帕累托最优，是指资源分配的一种状态，在不使任何人境况变坏的情况下，而不可能再使某些人的处境变好。社会福利最大化是比用户总效用最大化更加宽泛的概念，在这里后者可以看作是前者的一种特殊形式。本发明建立了一个多运营商协同的市场模型，其供求关系描述如图I。把网络资源分配看作一个生产-消费模型，如图2，无线网络中生产资源包括频谱、时间、空间、能量、码字、缓冲区等；生产者为各种网络实体和控制算法；消费者为用户的各种业务。利用不同类型资源的适当组合，生产者可以提供一定数量的网络数据传输服务。假定网络拥有五类资源频谱资源F、时间资源T、空间资源S、能量资源P以及码字资源C，可以向多个用户提供两类数据传输服务有QoS的服务G和尽力而为的服务E。生产函数表示给定资源组合，可以产出多少产品或服务；消费函数表示用户根据业务请求的产品或服务的量。运营商不可能提供无偿服务，在上述生产一消费模型中应当考虑到运营商的收费情况，运营商将会对用户请求的资源进行收费，假定运营商的收费Hii=GKi, ti； Si, Pi, Ci),^为系统为用户i分配的频谱资源的量山为系统为用户i分配的时间资源的量；Si为系统为用户i分配的空间资源的量；Pi为系统为用户i分配的能量资源的量；Ci为系统为用户i分配的码字资源的量。参数的确定取决于用户需求，即业务数据到达过程，还与用户选择的QoS等级π i有关，业务QoS包括误码率要求、时延界限、违反概率以及丢包率，运营商为用户分配的QoS等级不得低于用户请求的QoS等级，本发明采用自适应调制技术、有效带宽理论、有效容量理论以保证业务QoS。而用户将会根据其QoS满足情况以及收费做出一个评价，即用户效用值征，令g代表分配给用户的网络资源(一维或多维)，假定效用函数为
u (g)，根据边际效用递减规律有> O, Hm = O,表示用户的效用u (g)随着g增 大而增大，但增大的幅度变小，效用u(g)有最大值丨1$〃(#) = 1，这样,我们可确定用户效用值的范围O彡u(g) ( I。自适应调制技术主要包括以下四种调制方式BPSK、QPSK、16QAM、64QAM，对应的星座图点数分别为M=2，4，16，64。特殊地，M=O对应于“停电”模式，即不传送数据。自适应调制模式的确定取决于用户i的衰落程度，即用户i的调制模式Μ 是信噪比Y的函数，
定义O)=六其中I=)，Ytl为一常量。这样，我们需将分为5个互
不重叠的连续区间，6个界限点，分别标记为{i//L M0=O, \=2, Μ2=4, Μ3=16, Μ4=64, M5=
若O)落在区间[M11Mw),则对该用户i采的调制模式为1，特殊地，落在区间[Mtl, M1),调制模式为1=0，即“停电”模式。根据频谱效率最大化模型，即最大化/'|iog,μ㈦」=J丨。叫I +)巧)\Hy)^y
I I P(V) - --,Y K其中f = r。γΚ-1.5 BERi为用户i的目标误码率。根
0,r</()/A； — InfS-BER,)'
据功率限制条件=1,我们推导出Ytl的等式- -]—丄 expf—每]+ 1 = 0
Yo κ rA J确定Ytl值后,便能确定的值,从而确定用户i的自适应调制模式I以及功率Pi,符号比特率尤= Iog2(W) (bit)，y为用户i所处调制模式I的星座图点数，详细参数特征见下表。自适应调制模式/范围 Μι馬 Pi
权利要求
1.一种泛在无线网络下基于协同优化的多域资源分配方法，其特征在于该方法基于混沌理论和协同学的视角，通过泛在无线网络协同优化机制的运行实现资源的均衡分配，它包括以下几个步骤 1).协同子系统的划分用户基于效用最大化的资源分配模型选择网络并发出请求接入信号； 2).混沌优化各个协同子系统内部的混沌优化； 3).协同优化协同子系统间的协同优化； 4).联合优化混沌优化和协同优化的联合优化以达到泛在无线网络的资源分配； 其中 所述协同子系统的划分为泛在无线网络是包含多种异构无线网络，且不同的异构无线网络由不同运营商经营，一个用户可能处于多家运营商网络的覆盖范围，用户基于效用最大化的资源分配模型选择能使其效用最大的网络，在生产-消费模型结合业务QoS保证，综合考虑用户、业务、网络和资源的多个域，采用自适应调制技术提高频谱效率，为用户i分配功率资源Pi，采用有效带宽理论建模业务的到达过程，采用有效容量理论抽象业务的服务过程，当有效带宽与有效容量取得均衡时，达到业务服务的最佳状态，为用户i分配一定的频谱资源和时隙资源ti;完成资源的有效分配，这样便确定在某异构网络中保证用户iQoS等级3^所分配的资源量况，h，Pi),运营商的收费Ini=Gai, Pi)以及效用值Ui,用户i将选择其效用值最大的运营商并发出请求接入信号，同时确保各个网络不超载，这样便可确定各个运营商在当前调度帧的活动用户，将各个运营商视为协同子系统，为资源分配做准备； 所述的混沌优化为各异构网络拥有的资源是既定的，在每个调度帧内只能服务一定数量的用户并保证他们的QoS，考虑各个协同子系统的复杂性、混沌性，各个协同子系统内部的混沌优化以其对应的相容性约束K队为优化目标； 所述的协同优化为考虑泛在无线网络的复杂性、协同性，以泛在无线网络用户社会福利炉(〃)最大化为目标函数，以各异构无线网络子系统协同优化为约束； 所述的混沌优化和协同优化的联合优化为在确定各协同子系统后进入混沌优化，满足条件后将进入协同优化，其中当用户数较少系统资源过剩时，将调整用户请求的QoS等级^以提升其效用值，使得社会福利和资源利用率提高，逐步实现混沌优化和协同优化的联合优化以完成泛在无线网络系统的资源分配，最终便可确定用户i选择的异构网络η、业务的QoS等级π i、分配的资源量(4\，？1)、对应的消费金额叫以及用户的效用值UiO i, IIli)。
全文摘要
泛在无线网络下基于协同优化的多域资源分配模型的建立是以经济学基本原理为基础，以通用多域资源分配模型研究为主线，以协同学和混沌理论为主要研究工具，结合业务QoS保证，综合考虑用户、业务、网络和资源等多个域，旨在实现泛在无线网络资源的均衡分配。该发明将泛在无线网络视为一个供给—需求模型；将网络的资源分配看作一个生产—消费模型；在生产—消费模型中结合用户业务的QoS，利用自适应调制技术、有效带宽理论、有效容量理论为用户分配资源，考虑运营商的收费情况，以效用值来衡量用户满意度；从介观角度，将经营各异构无线网络的运营商分别视为协同子系统，基于混沌理论与协同学的视角，建立泛在无线网络下多运营商的基于协同优化的多域资源分配模型，通过混沌优化和协同优化的联合，实现泛在无线网络的资源分配。
文档编号H04W16/02GK102917362SQ201210387470
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月12日 优先权日2012年10月12日
发明者朱晓荣, 严伟, 夏正炎, 邵世祥, 朱洪波 申请人:南京邮电大学