基于物理层网络编码的自回程异构蜂窝虚拟资源优化方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，涉及网络编码技术，尤其涉及一种基于物理层网络编码的自回程异构蜂窝虚拟资源优化方法。

背景技术：

异构蜂窝网络是指，在传统宏基站覆盖小区叠加部署微基站，从而利用空间复用性达到提高频谱效率以及负载均衡的目的。相比于宏基站，微基站具有较小的覆盖半径和发送功率，能够以低廉的成本提供高速无线传输，同时，可以根据网络要求灵活地部署，这使得异构蜂窝网络成为当前应对日益增长的无线数据量的重要技术。

在异构蜂窝网络中，由于同时存在宏基站和微基站等设备，对网络资源的分配和利用也更加复杂。近年来，网络虚拟化技术作为提升网络资源效率的关键技术，受到工业局和学术界的广泛关注，其核心思想是将物理资源抽象成虚拟资源，从而根据用户的需求进行动态分配和共享，以达到降低成本，提升网络资源效率的目的。因此，将网络虚拟化技术引入异构蜂窝网络，已成为当前的研究热点。

然而，将网络虚拟化与异构蜂窝网络结合，需要解决微基站的自回程传输问题。回程传输是指，微基站在接入用户后，需要通过某种链路连接宏基站，进而连接到核心网。由于位置和建设成本等原因，微基站与宏基站之间的传输往往成为网络性能的瓶颈。尽管目前已有基于有线和无线的回程传输方案，但效果有限。针对该问题，人们提出了无线自回程技术，该方法利用微基站自身资源，通过干扰消除完成信号分割，不需要额外增添设备和功率。例如，Lei Chen等人(“Distributed Virtual Resource Allocation in Small-Cell Networks With Full-Duplex Self-Backhauls and Virtualization”，IEEE Transactions on Vehicular Technology，2016，65(7),pp.5410-5423)提出采用全双工通信完成无线自回程，并给出了相应的虚拟资源分配算法。但是，该类方法采用的干扰抵消技术会产生干扰残留，影响用户接收信噪比，进而降低网络资源利用效率。

技术实现要素：

针对现有无线自回程方法的不足，比如产生干扰残留、影响网络资源效率等问题，本发明提出了一种基于物理层网络编码的自回程异构蜂窝虚拟资源优化方法，该方法利用物理层网络编码对现有无线自回程传输进行改进，避免了产生干扰残留，从而能够提高用户收益以及系统的网络资源利用率。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：

步骤一、异构蜂窝的基站类型包括宏基站和微基站，一个宏基站覆盖区域可以有多个微基站，用户可以选择接入宏基站或者微基站。

步骤二、当用户接入微基站时，采用物理层网络编码来实现微基站的自回程传输。

步骤三、通过将物理层网络编码的特点抽象成约束条件，构建异构蜂窝虚拟资源优化模型。

步骤四、通过利用物理层网络编码的速率上界进行近似和变量替换，将该模型转化为两个凸优化子问题，并分别求解和交替迭代，得到资源分配结果。

在步骤一的实施方式中，用户只能从宏基站和微基站二者中选择其一进行接入，并且由服务提供商指定。

在步骤二的实施方式中，具体包括以下子步骤：

2a)微基站的回程传输分为2个时隙；

2b)在时隙1，宏基站与用户同时向微基站发送各自的信号；

2c)在时隙2，微基站将接收到的叠加信号译码成物理层网络编码信号，然后将该信号广播

2d)宏基站和用户接收到来自微基站的信号后，分别利用各自在时隙1发送的信号对其进行译码，从而获得对方发送的信息。

其中，在子步骤2c)中，微基站对叠加信号的译码分为两步，一是对叠加信号进行过采样；二是对采样结果利用置信传播算法计算边缘概率，然后依据最大似然准则输出译码结果。在子步骤2d)中，宏基站和用户在对物理层网络编码信号译码时，首先将其解调为比特，然后将各自在时隙1发送的信息与该比特进行异或运算，结果作为译码输出。

在步骤三的实施方式中涉及的物理层网络编码的特点分为两类，一类是指时隙对称性，另一类是指信息速率不增性。其中，所涉及的时隙对称性是指，物理层网络编码的上行时隙与下行时隙在数量上一一对应；所涉及的信息速率不增性是指，叠加信号所包含的信息量不超过单个源信号的信息量。

在步骤四的实施方式中，所涉及的交替迭代是指，子问题1的优化结果，作为子问题2的初始值输入进行优化；子问题2的优化结果，作为子问题1的初始值输入进行优化，优化结果作为下一次迭代的初始值。

有益效果

1.与现有基于全双工的技术相比，本发明采用物理层网络编码实现无线自回程传输，避免了产生干扰残留，减少了其对用户接收信噪比和网络资源效率的负面影响。

2.本发明通过将物理层网络编码抽象成约束条件，构建了异构蜂窝虚拟资源优化模型，通过求解该模型，提高了网络资源利用效率。此外，本发明通过将该模型转化为两个凸优化子问题，降低了求解最优分配方案的计算复杂度。

附图说明

图1为虚拟化异构蜂窝网络结构示意图。

图2为基于物理层网络编码的无线自回程传输示意图。

图3为本发明优化方法迭代流程图。

图4为仿真实验中本发明方法与现有基于全双工技术的用户收益对比图。

图5为仿真实验中本发明方法与现有基于全双工技术的资源利用效率对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明，其具体实施方式如下：

步骤一、如图1所示，本发明考虑M个基础设施运营商和N个服务提供商共存的情况，其中基础设施运营商m拥有1个宏基站和多个微基站S_m,m＝1,…M。S_m为基础设施运营商m的微基站集合，表示其中第j个元素。通过网络虚拟化，所有基础设施运营商的网络资源被抽象成公共统一的虚拟网络资源，供N个服务提供商租用，以此来向用户提供无线接入服务。基础设施运营商m的频谱带宽为B_m，被分割成a_mB_m和(1-a_m)B_m，分别被宏基站和多个微基站使用，其中a_m是频谱分割因子。每个用户在宏基站和微基站二者中选择一个进行接入，具体接入基站类型由该用户所属的服务提供商决定。

步骤二、当用户u选择接入微基站时，采用物理层网络编码实现自回程传输，整个过程分为2个时隙。在时隙1，如图2所示，宏基站m和用户u同时向微基站以相同功率P发送数据，则微基站的接收信号y_Sj可以表示为

其中x_m和x_u分别是宏基站m和用户u的发送信息，n_Sj表示背景噪声，和分别表示宏基站m到微基站和用户u的信道增益。

微基站对y_Sj进行过采样，得到采样信号Y_Sj，然后利用置信传播算法计算边缘概率，最后依据最大似然准则输出的译码结果x_Sj可以表示为

其中x_T为发送符号集，表示异或运算。

在时隙2，微基站将x_Sj作为物理层网络编码信号以功率P进行广播，则宏基站m和用户u收到的信号分别为

用户u对y_u进行判决，得到x_Sj的估计然后通过下式来得到宏基站m发送的信息：

其中x_u是用户u已知的。

步骤三、当用户u接入宏基站m时，双方采用点对点直接通信。设宏基站m的发送功率为P_m，则用户u的可达速率可以表示为

其中是用户u和宏基站m之间的信道增益。

当用户u接入微基站时，用户u的可达速率根据(4)、(5)可以表示为

这样对于任意一个用户u，其长期可达速率可以表示为

其中表示用户u的接入基站因子，当用户u接入了某类基站，否则另外，和分别表示用户u接入微基站和宏基站m。表示分配给用户u的时隙因子，和分别表示用户u接入微基站和宏基站m的时隙占比。

这样，对于服务提供商i，其效用函数可以表示为

其中δ_u是用户u为接入每比特所付的费用，γ_m是服务提供商向基础设施运营商租用虚拟网络资源所付的费用。是基础设施运营商m提供的虚拟网络资源，可以表示为

其中w_m是使用微基站的代价增益，有w_m＜1。

在式(9)中，最后一项表示服务提供商i为自回程传输所付费用，可以表示为

其中g_PNC表示本发明提出的基于物理层网络编码的自回程所消耗的网络资源，可以表示为

式中的表示分配给微基站的时隙占比。

这样，所有服务提供商的效用函数F_MVNO可以表示为

基于式(13)，构建如下虚拟资源优化模型：

其中C1是物理层网络编码的时隙对称性约束，表示为

C1:

C2是物理层网络编码的信息速率约束，表示为

C2:

C3至C7是用户时隙约束，表示为

C3:

C4:

C5:

C6:

C7:

C8和C9是基站时隙约束，表示为

C8:

C9:

C10是频谱因子约束，表示为

C10:

C11是功率约束，表示为

C11:

其中表示宏基站m的功率预算。

步骤四、为了降低模型(14)的求解复杂度，本发明采用图3所示的迭代过程对其进行求解。首先收集网络状态参数，包括δ_u、γ_m、w_m、B_m和信道增益。将上述参数带入式(14)，并且先固定频谱因子a和功率P，然后做变量代换则(14)可以简化为子问题1：

Sub Problem 1：

s.t.C′1:

C′2:

C′3:

C′4:

C′5:

子问题1为凸优化问题，可以利用steepest方法求的最优解(X_O+1,Y_O+1,Z_O+1)，然后如图3所示，将其带入(14)化简，得到子问题2：

Sub Problem 2:

s.t.C10,C11.

子问题2对于变量P和a仍然是凸优化问题，通过求解可以得到(P_O+1,a_O+1)。将两次优化结果合并，得到本次迭代结果(X_O+1,Y_O+1,Z_O+1,P_O+1,a_O+1)。如图3所示，将该结果带入式(13)，进行迭代终止判定，采用如下终止条件：

其中为本次迭代结果计算得到的目标函数值，为前一次迭代结果计算得到的目标函数值，χ^T为终止门限。如果式(26)成立，则将(P_O+1,a_O+1)作为参数输入子问题1，进入下一轮迭代；否则，将(X_O+1,Y_O+1,Z_O+1,P_O+1,a_O+1)作为虚拟资源分配方案输出执行。

下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步说明。

1.实验条件

为了方便性能比较，采用Lei Chen等人(“Distributed Virtual Resource Allocation in Small-Cell Networks With Full-Duplex Self-Backhauls and Virtualization”，IEEE Transactions on Vehicular Technology，2016，65(7),pp.5410–5423)的全双工自回程方案作为对比算法。仿真实验中，假设在一个方形区域内均匀分布着2个基础设施运营商和2个服务提供商，其中每个基础设施运营商拥有1个宏基站和4个微基站。宏基站位于覆盖区域中心位置，微基站和用户服从均匀分布。频谱带宽B_m＝10M Hz，宏基站功率预算对于用户u，δ_u＝10⁶,w_m＝10^-3,γ_m＝5,终止门限χ^T＝100。

2.实验结果分析

图4为本发明方法与现有基于全双工方法的用户收益对比图，其中横坐标为用户数量，纵坐标为用户收益。可以看出，在相同的用户数下，本发明方法优于对比算法，可以获得更高的用户收益，这主要是由于，本发明方法采用物理层网络编码进行微基站的无线自回程传输，避免了产生干扰残留，因此，用户接收信噪比不会受到干扰，从而获得了更高的收益。

图5为本发明方法与现有基于全双工方法的资源利用效率对比图，其中横坐标为用户数量，纵坐标为资源利用效率。如图5所示，在相同的用户数下，本发明方法优于对比算法，能够获得更高的资源利用效率，这主要是由于，本发明方法采用的基于物理层网络编码的传输方案，降低了微基站的自回程传输成本，使得用户在资源优化过程中更加倾向于接入微基站，从而提升了微基站的资源利用效率。