基于p-LAA与WIFI共存网络性能优化的方法与流程

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于p-laa与wifi共存网络性能优化的方法。

背景技术

近年来，移动通信设备和新服务的快速增长引起了移动数据业务的指数式增长，然而快速增长的移动数据需求同时也给通信运营商带来了巨大的挑战。

把lte(longtermevolution)技术应用到非授权频段越来越成为应对这个挑战的有效措施，而lte与wifi公平友好的共存成为在非授权波段中的关注重点。

3gpp在第13版中提出的非授权频段的lte技术称为laa(licensedassistedaccess)，还有一种被广泛研究的非授权频段的lte技术为lte-u(lteinunlicensedspectrum)。laa支持lbt(listen-before-talk)，并且得到3gpp组织的支持是一个非常有潜力的非授权频段的lte技术。

现在有些工作是研究提高laa/wifi共存网络效率和公平性。这些工作的大部分是关注竞争窗口(contentionwindow，cw)和退避冻结时间等信道访问参数的自适应调节。例如，fanrongh,changy,hongdoul等学者在文献(contentionwindowsizeadaptationalgorithmforlaa-lteinunlicensedband；proceedingsofthe2016internationalsymposiumonwirelesscommunicationsystems(iswcs),f20-23sept.2016,2016[c])提出了一个自适应cw大小的laa机制，这个机制根据一个时间周期的时隙利用率来调节cw大小，相对于固定cw大小的机制，模拟结果证明这个自适应机制可以取得更高的系统性能；又如，parvathareddyn,kulkarnivp等学者在论文(adaptivefreezingofbackoffinlaa-lte；proceedingsofthe2017ieeeinternationalconferenceonadvancednetworksandtelecommunicationssystems(ants),f17-20dec.2017,2017[c])中，提出带有自适应退避冻结时间的lbt方案，可以获得更高的laa和wifi吞吐量；又如，yih,liuy,pingzhif等学者提出了一种自适应调节cca(clearchannelassessment)和cw的机制，模拟结果显示这个机制可以获得更好的系统延迟和访问成功率；又如，jiab.在文献(anadaptivep-persistentcsmaschemeforlteinunlicensedbands；proceedingsofthe2015internationalconferenceonwirelesscommunications&signalprocessing(wcsp),f15-17oct.2015,2015[c])提出了一个应用于非授权频段lte并且不带有随机退避过程的p坚持csma(carriersensemultipleaccess)的方案，这个方案根据检测到的干扰水平来改变非授权频段lte访问信道的概率，模拟结果证明该方案可以取得lte与wifi之间灵活的平衡。

然而，发明人发现，由于laa的延迟周期cca长度是可变的，可能与wifi延迟周期(distributedinterframespace，difs)长度不一致，容易造成laa/wifi共存网络中laa和wifi的时隙开始时间不对齐，从而导致laa/wifi共存网络是一个典型的异步异构网络，但是上述方案却都不具备对laa/wifi共存网络中异步信道访问特点的性能分析。

因此，发明人提出了一种新型的基于异步信道访问的laa自适应信道访问方案，称为自适应p坚持laa(adaptivep-persistentlaa，p-laa)，使得该p-laa可以和wifi友好公平共存，不仅适用于共存网络是异步信道访问和同步信道访问的情况，而且还能综合考虑到二者共存网络的总吞吐量和公平性做自适应最优化调节，能够提高共存网络的性能。

技术实现要素：

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于p-laa与wifi共存网络性能优化的方法，同时满足异步信道访问和同步信道访问，而且综合考虑共存网络的总吞吐量和公平性，并做自适应最优化调节，提高了共存网络的性能。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于p-laa与wifi共存网络性能优化的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤s1、把p坚持机制引入到传统的laa系统，得到p-laa系统，并确定p-laa系统与wifi系统形成的共存网路，且进一步设置p-laa系统吞吐量与wifi系统吞吐量的公平性指数f，如下公式(1)：

式(1)中，如果sl表示p-laa系统吞吐量，则sw表示wifi系统吞吐量；反之，如果sl表示wifi系统吞吐量，则sw表示p-laa系统吞吐量；

步骤s2、综合考虑p-laa系统与wifi系统形成的共存网络的总吞吐量和公平性，引入公式(2)的激励函数r：

r＝αf+(1-α)(sl+sw)(2)；

式(2)中，α表示权重因子，取值范围为[0,1]；

步骤s3、将激励函数r转化成公式(3)的优化问题并求p的最优解：

式(3)中，令r'(p)＝0，得到求解值pdvt，并通过公式(4)，得到p-laa系统中p的最优解popt；

步骤s4、根据p的最优解popt，对p-laa系统进行优化。

其中，所述p-laa系统吞吐量和所述wifi系统吞吐量可以通过公式(5)计算：

式(5)中，sx表示x系统吞吐量，如果x＝1时表示p-laa系统，则x＝w时表示wifi系统；反之，x＝w时表示p-laa系统，x＝1时表示wifi系统；ps,x表示在一个超帧中x系统成功传输的概率；tdata表示一个数据包传输的时间长度；e[tsf]表示一个超帧平均时间长度；

其中，根据超帧的定义，超帧的平均长度e[tsf]可以通过公式(6)计算：

式(6)中，ps,x表示在一个超帧中x系统成功传输的概率；pc,x表示在一个超帧中x系统发生网内冲突的概率；pc,h表示在一个超帧中发生网间冲突的概率；ts,x表示x系统一个成功传输的时间长度；tc,x表示一个x系统网内冲突的时间长度；tc,h表示一个共存网络的网间冲突的时间长度；td,1表示p-laa系统延迟周期的时间长度；td,w表示wifi系统延迟周期的时间长度；e[ni,1]表示一个超帧中p-laa系统的平均空闲时隙数；e[ni,w]表示一个超帧中wifi系统的平均空闲时隙数；σl表示p-laa系统空闲时隙时长；σw表示wifi系统空闲时隙时长；

其中，每个超帧中x系统的平均空闲时隙数e[ni,x]，可以通过公式(7)计算：

式(7)中，nmax,i,x表示在一个超帧中x系统最大的空闲时隙数；pi,x,n表示在一个超帧中x系统至少存在n个连续空闲时隙的概率；

其中，每个超帧中x系统发生网内冲突的概率pc,x，可以通过公式(8)计算：

式(8)中，psyn,x表示x系统时隙同步的概率；nx表示x网络的节点数；τx表示x系统中任一个节点在任意时隙传输的概率；如果x＝l，则反之，x＝w，其中，

其中，x系统时隙同步的概率psyn,x，可以通过公式(9)-(11)计算：

式(9)-(11)中，e[nsf,x]表示一个超帧中x系统的平均时隙数；e[nsf,syn]表示一个超帧中平均同步时隙数；pi,syn,n一个超帧中有至少存在n个同步时隙的概率；nmax,syn表示在一个超帧中最大同步时隙数；其中，表示返回不大于a的最大整数td,x表示x系统延迟周期的时间长度；l表示在一个超帧中可能出现的最大连续空闲时间；

其中，每个超帧中x系统发生网间冲突的概率pc,h，可以通过公式(12)计算：

式(12)中，ix表示在任意时隙x系统没有任何节点发送的概率；

其中，每个超帧中x系统成功传输的概率ps,x，可以通过公式(13)计算：

式(13)中，pt,x表示在一个超帧中x系统发送的概率；其中，pt,x,n＝pi,x,n-1(1-ix),n＝1,2,...,nmax,i,x+1；pc,x＝pt,x-pc,h-ps,x

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

1、本发明中p-laa系统一方面除了用p坚持代替1坚持外，基本上仍然遵循3gpplaa的lbt过程，其他的如二进制退避(binaryexponentialbackoff，beb)和冲突避免都被保留，对已有laa机制改动很小；另一方面还考虑到现存工作没有关注到的共存网络是异步信道访问的情况，从而能够同时满足异步信道访问和同步信道访问；

2、本发明中定义一个激励函数来综合考虑p-laa系统和wifi系统共存网络的公平性和总吞吐量，用权重因子α来调节公平性和总吞吐量对激励函数的影响，且p-laa系统的p根据自身节点数、wifi系统节点数和权重因子的变化做自适应最优化，从而提高了共存网络的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。

图1为本发明实施例提供的基于p-laa与wifi共存网络性能优化的方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的基于p-laa与wifi共存网络性能优化的方法中超帧与时隙关系图；

图3为本发明实施例提供的基于p-laa与wifi共存网络性能优化的方法中x系统时隙同步的概率以及平均每个超帧中x系统同步时隙数和时隙数的具体算法图；

图4为本发明实施例提供的基于p-laa与wifi共存网络性能优化的方法中p-laa系统/wifi系统共存网络与laa系统/wifi系统共存网络的吞吐量和公平性对比图；其中，4a为不同数量laa节点下p-laa系统/wifi系统共存网络与laa系统/wifi系统共存网络的总吞吐量对比图；4b为不同数量laa节点下p-laa系统/wifi系统共存网络与laa系统/wifi系统共存网络的公平性对比图；

图5为本发明实施例提供的基于p-laa与wifi共存网络性能优化的方法中权重因子α对p-laa系统/wifi系统共存网络吞吐量和公平性的影响示意图；其中，5a为权重因子α不同取值下p-laa系统/wifi系统共存网络与laa系统/wifi系统共存网络的总吞吐量对比图；5b为权重因子α下p-laa系统/wifi系统共存网络与laa系统/wifi系统共存网络的公平性对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

如图1所示，为本发明实施例中，提出的一种基于p-laa与wifi共存网络性能优化的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤s1、把p坚持机制引入到传统的laa系统，得到p-laa系统，并确定p-laa系统与wifi系统形成的共存网路，且进一步设置p-laa系统吞吐量与wifi系统吞吐量的公平性指数f，如下公式(1)：

式(1)中，如果sl表示p-laa系统吞吐量，则sw表示wifi系统吞吐量；反之，如果sl表示wifi系统吞吐量，则sw表示p-laa系统吞吐量；

步骤s2、综合考虑p-laa系统与wifi系统形成的共存网络的总吞吐量和公平性，引入公式(2)的激励函数r：

r＝αf+(1-α)(sl+sw)(2)；

式(2)中，α表示权重因子，取值范围为[0,1]；

步骤s3、将激励函数r转化成公式(3)的优化问题并求p的最优解：

式(3)中，令r'(p)＝0，得到求解值pdvt，并通过公式(4)，得到p-laa系统中p的最优解popt；

步骤s4、根据p的最优解popt，对p-laa系统进行调整。

具体过程为，在步骤s1中，把p坚持机制引入到传统的laa系统，得到p-laa系统，使得p-laa系统与wifi系统形成的共存网路能够同时满足异步信道访问及同步信道访问的情况。在这里分别定义p-laa系统和wifi系统的信道接入机制，具体如下：

(1)p-laa系统的信道接入机制应遵循以下步骤：步骤s11，当任一节点准备传输数据前，执行延迟周期，并待检测到信道持续空闲时间长度与延迟周期的时间长度一致时，则进入二进制退避过程；步骤s12、初始化qi＝16；其中，i＝0；步骤s13、退避计数器随机从[0，qi-1]选取一个整数；其中，qi表示第i退避阶段的竞争窗口大小，且16≤qi≤1024；i为小于等于6的正整数；步骤s14、判断i是否小于等于6；步骤s15、如果是，则返回步骤s12；步骤s16、如果否，则继续判断退避计数器所选的整数是否为0；步骤s17、如果是，则节点会以概率p准备发送数据；其中，0<p<1；如果否，则设置i＝i+1且qi＝2*qi后(如果不数据，则返回当时的退避阶段，即，i，qi和重传次数不变。；如果发送数据带发生冲突，则设置i＝i+1且qi＝2*qi同时重传次数加一；如果数据传输成功，则返回步骤s12；)，返回步骤s17。

应当说明的是，为了避免出现重复传送而长时间占用信道，设定重传次数不超过16次。

(2)wifi系统的信道接入机制应遵循以下内容：wifi设备遵循ieee802.11标准的基本dcf(distributedcoordinationfunction)机制，该机制非常类似于p＝1的p-laa机制，其中初始竞争窗口为w0＝32，最大退避阶段mw＝5。

采用公式(1)，定义p-laa系统吞吐量与wifi系统吞吐量的公平指数。其中，如果x＝1时表示p-laa系统，则x＝w时表示wifi系统；反之，x＝w时表示p-laa系统，x＝1时表示wifi系统。例如，sl表示p-laa系统吞吐量；则sw表示wifi系统吞吐量。因此，p-laa系统或wifi系统吞吐量可以通过sx表示，x＝1或w。(如果x＝1表示p-laa系统，则表示wifi系统；反之，x＝w表示wifi系统，则表示p-laa系统(以下变量和常量下标l，表示此变量和常量是表示laa或p-laa的相关量；变量和常量下标w，表示此变量和常量是表示wifi的相关量)；)

在步骤s2中，考虑p-laa/wifi共存系统总吞吐量和公平性，引入公式(2)的激励函数。从该激励函数可知，当共存网络中p-laa系统节点数(如n1)、wifi系统节点数(如nw)和α发生变化，访问因子p需要做自适应最优化改变。在权重因子α、p-laa系统节点数和wifi系统节点数给定的条件下，使得激励函数r达到最大值的p为新的优化p；其中p的取值范围是[0,1]。

应当说明的是，共存网络中p-laa系统节点数、wifi系统节点数和权重因子α没有变化，则p保持不变。

在本发明实施例中，假设p-laa系统和wifi系统共存网络的信道是理想信道，而且没有隐藏和暴露终端问题，所有节点都是在饱和状态。p-laa系统节点可以侦听到共存网络中p-laa系统和wifi系统节点数。

根据马尔可夫模型，一个p-laa系统节点在任意时隙传输的概率可以计算如下：

相应的，一个wifi系统节点在任意时隙传输的概率可以计算如下：

如图3所示，我们把共存网络中一个传输的开始到下一个传输的开始这段时间周期成为一个超帧。因此一个超帧有两部分组成：一部分是由成功传输或者冲突引起的信道繁忙周期，另一部分是由延迟周期和零个或多个连续的空闲时隙组成的空闲周期。

因此，p-laa系统和wifi系统吞吐量可以表示成一个超帧中x系统平均成功传输时间与平均超帧长度之比，如公式(5)所示：

式(5)中，sx表示x系统吞吐量，如果x＝1时表示p-laa系统，则x＝w时表示wifi系统；反之，x＝w时表示p-laa系统，x＝1时表示wifi系统；ps,x表示在一个超帧中x系统成功传输的概率；tdata表示一个数据包传输的时间长度；e[tsf]表示一个超帧平均时间长度。

应当说明的是，在信道繁忙后，节点执行延迟周期，其中p-laa系统执行cca延迟和wifi系统执行difs延迟。如果执行更短延迟周期节点的退避计数器在执行完延迟周期后到达0，那么该节点就会首先发送。然而，此时具有更长延迟周期的节点执行延迟周期就会被中断。也就是说拥有更长延迟周期的系统在每个超帧中它的延迟周期可能是不完整的。

因此，选择拥有更长延迟周期的系统相关参数去求平均超帧长度，根据超帧的定义，超帧的平均长度e[tsf]通过公式(6)计算：

式(6)中，ps,x表示在一个超帧中x系统成功传输的概率；pc,x表示在一个超帧中x系统发生网内冲突的概率；pc,h表示在一个超帧中发生网间冲突的概率；ts,x表示x系统一个成功传输的时间长度；tc,x表示一个x系统网内冲突的时间长度；tc,h表示一个共存网络的网间冲突的时间长度；td,1表示p-laa系统延迟周期的时间长度；td,w表示wifi系统延迟周期的时间长度；e[ni,1]表示一个超帧中p-laa系统的平均空闲时隙数；e[ni,w]表示一个超帧中wifi系统的平均空闲时隙数；σl表示p-laa系统空闲时隙时长；σw表示wifi系统空闲时隙时长。

此时，每个超帧中x系统的平均空闲时隙数e[ni,x]，可以通过公式(7)计算：

式(7)中，nmax,i,x表示在一个超帧中x系统最大的空闲时隙数；pi,x,n表示在一个超帧中x系统至少存在n个连续空闲时隙的概率。

此时，每个超帧中x系统发生网内冲突的概率pc,x，可以通过公式(8)计算：

式(8)中，psyn,x表示x系统时隙同步的概率；nx表示x网络的节点数；τx表示x系统中任一个节点在任意时隙传输的概率；如果x＝l，则反之，x＝w，

x系统时隙同步的概率psyn,x可以表示成平均每个超帧中同步时隙数与平均每个超帧中x系统的时隙数之比。在这里把一个超帧中至少有n个同步时隙的概率表示成pi,syn,n；pi,x,n表示一个超帧中x系统至少有n个连续空闲时隙；pi,x,0表示在一个超帧中x系统执行完延迟周期的概率。

因为对于x系统来说，只有执行完它的延迟周期才会出现新的繁忙时隙。所以平均每个超帧中x系统繁忙时隙出现的概率等于它的延迟周期执行完的概率。因此，x系统时隙同步的概率psyn,x以及平均每个超帧中x系统同步时隙数和时隙数可以通过公式(9)-(11)计算：

式(9)-(11)中，e[nsf,x]表示一个超帧中x系统的平均时隙数；e[nsf,syn]表示一个超帧中平均同步时隙数；pi,syn,n一个超帧中有至少存在n个同步时隙的概率；nmax,syn表示在一个超帧中最大同步时隙数。

在一个超帧中，x系统最大连续空闲时隙数可以计算如下：

表示返回不大于a的最大整数

其中，td,x表示x系统延迟周期的时间长度；l表示在一个超帧中可能出现的最大连续空闲时间。

如图2所示，为x系统超帧与时隙关系图，并在图3中给出了给出了x系统时隙同步的概率psyn,x以及平均每个超帧中x系统同步时隙数和时隙数的具体算法。该算法计算的是：一个超帧中x系统至少存在n个连续空闲时隙的概率pi,x,n；一个超帧中有至少存在n个同步时隙的概率pi,syn,n；在一个超帧中最大同步时隙数nmax,syn；以及pi,x,n和pi,syn,n的导数pi,x,n'和pi,syn,n')。

在一个超帧中，x系统发生网间冲突的概率pc,h，可以通过公式(12)计算：

式(12)中，ix表示在任意时隙x系统没有任何节点发送的概率；

在一个超帧中，x系统成功传输的概率ps,x，可以通过公式(13)计算：

式(13)中，pt,x表示在一个超帧中x系统发送的概率；其中，pt,x,n＝pi,x,n-1(1-ix),n＝1,2,...,nmax,i,x+1；pc,x＝pt,x-pc,h-ps,x。

在步骤s3中，将激励函数r转化成公式(3)的优化问题并求p的最优解。，这个优化问题可以通过对r求导并令其导数为0，即r'(p)＝0。如果上式存在解的话，令pdvt为其解，那么p的最优值popt，可以通过如下式子得到：

应当说明的是，p＝0对于共存网络来说是没有意义的，之所以p的取值包括0是为了在一些极端情况下，例如α＝0，取到r的最大值。

在本发明实施例中，r'的推导具体计算过程如下：

τl'和τw'分别是τl和τw的导数，可以被计算如下：

其中βl'＝[-2-(r+1)pf,l^r+2(r+2)pf,l^r+1]pf,l'，

其中βw'＝[-2-(r+1)pf,w^r+2(r+2)pf,w^r+1]pf,w'，

pf,x的导数可以计算如下：

其中，

其中，

ps,x＝ηx'(pt,x-pc,h)+ηx(pt,x'-pc,h')

其中，

pc,x'＝pt,x'-pc,h'-ps,x'

其中，

r'＝αf'+(1-α)(sl'+sw')。

如图4所示，比较了p-laa/wifi共存网络和laa/wifi共存网络的吞吐量和公平性。wifi的节点数被固定为10，laa节点数从1增加到30，权重因子α设定为0.5。当td,l＝25μs和laa节点数较少时，p-laa/wifi共存网络的总吞吐量是低于laa/wifi共存网络的总吞吐量。这是因为为了提高公平性，提高的wi-fi吞吐量小于降低的p-laa吞吐量。除此之外，我们可以观察到无论是吞吐量(如图4a所示)还是公平性(如图4b所示)，p-laa都要优于原有的laa。令人惊讶的是，当nl更大时，p-laaa/wifi共存网络的公平性接近于1，即sl＝sw。

如图5所示，显示了权重因子α对共存网络吞吐量和公平性的影响，其中nl和nw都设置成15。我们可以看到随着α的增长，总吞吐量逐渐减少(如图5a所示)，公平性逐渐增加(如图5b所示)。这是因为更大的α意味着公平性影响更大。换句话说，公平性比总吞吐量更重要。当α大于0.3时，p-laa/wifi共存网络吞吐量和公平性基本趋于稳定。当α小于0.3时，p-laa/wifi共存网络吞吐量和公平性变化显著。因为α越大意味着公平性影响对激励函数的影响越大。当α大于0.3时，公平性指数接近于1.因此，p基本保持不变，p-laa/wifi共存网络吞吐量和公平性趋于稳定。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

1、本发明中p-laa系统一方面除了用p坚持代替1坚持外，基本上仍然遵循3gpplaa的lbt过程，其他的如二进制退避(binaryexponentialbackoff，beb)和冲突避免都被保留，对已有laa机制改动很小；另一方面还考虑到现存工作没有关注到的共存网络是异步信道访问的情况，从而能够同时满足异步信道访问和同步信道访问；

2、本发明中定义一个激励函数来综合考虑p-laa系统和wifi系统共存网络的公平性和总吞吐量，用权重因子α来调节公平性和总吞吐量对激励函数的影响，且p-laa系统的p根据自身节点数、wifi系统节点数和权重因子的变化做自适应最优化，从而提高了共存网络的性能本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如rom/ram、磁盘、光盘等。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。