双层异构场景下基于遗传理论的多跳无线回程方法与流程

本发明涉及一种双层异构场景下基于遗传理论的多跳无线回程方法，属于无线通信的技术领域。

背景技术：

随着通信需求的不断增长和用户设备的日益增加，支持高容量、海量设备互联互通的第五代移动通信技术(5g)适时而生。5g主要包括连续广域覆盖、热点高容量、低时延高可靠和低功耗大连接四个主要技术场景。其中，在热点高容量场景中，基站分布多为两层异构模式，即在一个宏基站覆盖下，有大量的小基站、家庭基站和办公楼层基站的超密集杂乱无规律分布。在整个宏蜂窝范围内，由于小基站、微基站的数量众多，用户主要通过距其最近的小基站连接至宏蜂窝基站。另一方面，由于家庭基站等的部署随机性和有线连接的成本因素，使得整个通信网络完全通过有线连接进行数据回程变得不太现实，因此作为适用于这一情景的无线回程应运而生。

无线回程主要分为从用户到各类小基站(无线接入点)与从无线接入点到服务提供商的小区中心点(宏基站)两个部分。无线回程主要要考虑以下几个因素：1)发射半径，对于家庭基站和楼层基站来说，其发射最大功率较低，发射半径也往往较小，难以直接连通宏基站。因此，其无线回程需要通过多跳的方式进行解决；2)回程速率，对于用户来说，必然希望得到更高的回程速率，因为更高的回程速率就意味着更高的通信速率。另一方面，对于整个通信网络来说，它既要使得总的回程速率尽可能的大来支撑更多的用户，又要保证用户之间公平性以确保每个用户都能拥有一定量的速率来完成通信；3)回程功率，回程的功率影响整个回程网络的工作效率，通过降低回程功率可以提高整个网络的效率，而回程功率的大小又与回程路径选择有关；4)回程干扰，由于回程信道的密集性，其相邻信道之间的干扰也不可忽略。然而，对于一条完整的回程路径来说，其每一跳之间的空间距离已较远，干扰也已较小。

目前，大多数相关研究只关注在一个方面，或考虑整个网络的回程速率最大，或考虑整个网络的回程功率最低，很少有将各因素综合联合起来考虑的无线多跳回程路径选择的方法。本专利主要应用于双层异构的场景，即在一个宏蜂窝下存在有多个微蜂窝，其中宏蜂窝中有一个宏基站，每一个微蜂窝中有一个无线接入点，无线接入点存在发射半径，不是所有的无线接入点都能直接连接至宏基站，因此部分无线接入点需要通过多跳的方式连接至宏基站。在这个宏蜂窝中，所有的用户均通过微蜂窝接到宏蜂窝，不存在宏蜂窝用户。

因此，现有的回程路径选择方法中，进行路由选择时无法同时兼顾考虑回程速率、回程功率、发射半径、用户公平性、路由间干扰等因素，导致回程路径无法得到优化。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种双层异构场景下基于遗传理论的多跳无线回程方法，解决现有方法路由选择时无法同时兼顾考虑回程速率、回程功率、发射半径、用户公平性、路由间干扰等因素，导致回程路径无法得到优化的问题。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

双层异构场景下基于遗传理论的多跳无线回程方法，包括以下步骤：

步骤a、获取无线多跳网络中的网络信息，所述网络信息至少包括无线接收点信息及信道参数；

步骤b、生成若干个初始回程路径，且每个初始回程路径均满足以无线多跳网络中的宏基站为根节点，连接所有无线接收点后形成初始回程路径树；

步骤c、计算所述初始回程路径树中第i个无线接入点服务的第j个用户可获得的速率；

步骤d、计算所述初始回程路径树中所有无线接入点的传输能量，并选取无线接入点的传输能量满足无线接入点的传输能量上限的t个初始回程路径树；

步骤e、将所选取的t个初始回程路径树进行prufer编码获得t个整数序列，并将所得整数序列分别转化为染色体编码；

步骤f、将所述t个初始回程路径树作为父代路径树，利用父代路径树所对应的父代染色体交配产生子代的初始染色体；及将子代的初始染色体进行交叉和变异后所得的子代染色体翻译，得到对应的子代路径树；

步骤g、对步骤f所得所有子代路径树，判断其是否满足无线接入点的传输能量上限，并根据符合无线接入点的传输能量上限的子代路径树与父代路径树均计算目标函数获得数值；并对计算得到的目标函数数值排序，选取其中前t个目标函数数值对应的子代路径树和父代路径树作为新一代的回程路径树；

步骤h、将步骤g选取的新一代的回程路径树翻译得到对应的染色体，且将所翻译的t个染色体作为新一代的父代染色体，并重复所述步骤f至步骤g，直至最大种群代数；选取所计算的目标函数最大的路径树作为最终无线回程路径。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤c计算初始回程路径树中第i个无线接入点服务的第j个用户可获得的速率采用公式：

rij(p)＝log(1+γij(p))

其中，第i个无线接入点内第j个用户的信噪比γij(p)；

且

所述hi为第i个无线接入点到宏基站的回程路径信道参数，pij|hiij|²为第i个无线接入点内第j个用户接收到的信息；所述为第i个无线接入点内第k个小蜂窝用户的干扰，为第i个无线接入点的相邻无线接入点产生的干扰。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤d计算无线接入点的传输能量采用公式：

其中，pi为第i个无线接入点的传输能量；pelse为经由第i个接入点转发信号的传输能量；ui为第i个无线接入点所服务的用户集。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤g计算目标函数采用公式：

η＝ra·log0.5δr·e^-p

其中，ra为平均用户速率；δr为用户速率标准差；p为系统消耗的总能量。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明提出了双层异构场景下基于遗传理论的多跳无线回程方法。所述方法针对双层异构场景下，当无线接入点由于发射半径的限制而不能直接接入宏基站时，利用多跳方式来进行无线回程时路由选择的问题。本方法综合考虑了网络无线回程速率、各接入点无线发射半径、总体网络的回程功率、回程路由之间的干扰等因素，提出了一种既能得到最大总回程速率又能照顾用户公平性的计算无线回程路径的方法。本发明方法既能兼顾功率和速率的要求，充分利用网络资源；又非常简单而易于实现，具有很好的应用前景。

因此，本发明的方法进行路由选择时主要考虑回程速率、回程功率、发射半径、用户公平性、路由间干扰等因素。相较于以前的研究，本专利一方面考虑了无线接入点的发射半径限制，并引入了多跳回程来解决这一问题；另一方面，本专利考虑到了用户之间的公平性，以防止在追求网络总回程速率最大功率最低时，出现某些无线接入点的回程速率过低乃至于回程速率为零的情况。

附图说明

图1为本发明层异构场景下基于遗传理论的多跳无线回程方法的流程示意图。

图2为本发明无线路由选择考虑因素的原理图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

如图1所示，本发明提供了一种双层异构场景下基于遗传理论的多跳无线回程方法，该方法具体包括两个阶段，回程数据的收集阶段和回程路线的选择阶段。对于回程数据的收集阶段，在这一阶段，各无线接入点首先收集在自身小区内需要进行回程的用户信息。对于处于小区交界处的用户需要回传信息，无线接入点将会首先判断用户的回程数据是否可以分割传递。若数据不可分割，用户的回程数据将会自动通过距离最近的小基站进行回传；若数据可分割，无线接入点间将会进行协同合作，根据自身业务承载情况进行合理分割再回传数据。然后，无线接入点将会收集其与可连接无线接入点之间的信道信息。最后，所有的无线接入点将利用“洪泛法”把各项信息汇总至宏基站。

对于回程路线的选择阶段，在这一阶段，宏基站收集完所有无线接入点的基本信息后，首先产生宏蜂窝内的路由状态信息和小基站拓扑图。接着，宏基站依照一定约束产生遗传算法所需的初始路由。然后，宏基站根据遗传算法得出最优路由并依此分配各无线接入点的回程路由。

具体地，本方法包括以下步骤：

步骤a、获取无线多跳网络中的网络信息，所述网络信息至少包括无线接收点信息及信道参数。

利用“洪泛式”的方法获取网络信息，包括m个无线接入点位置、第i个无线接入点到第j个无线接入点之间的信道参数hij、第k个小蜂窝内第i个无线接入点到第j个用户的信道参数hkij、第i个无线接入点到第j个用户的传输能量pij、第i个无线接入点的半径为di、噪声功率n0，完成整个网络拓扑图o。

令集合sa＝{1,2,...,m}为无线接入点集，m为无线接入点个数；集合ui为第i个无线接入点所服务的用户集。由于无线接入点有发射半径上限，令集合gi为第i个无线接入点发射半径内的无线接入点集。

步骤b、生成若干个初始回程路径，且每个初始回程路径均满足以无线多跳网络中的宏基站为根节点，连接所有无线接收点后形成初始回程路径树。即路径满足以下条件：1)路径为拓扑图o的一棵树；2)路径连接所有无线接入点；3)路径根节点为宏基站。满足以上三个条件的成为一棵初始回程路径树，使得初始回程路径可以形成多个初始回程路径树。

步骤c、然后，计算所述初始回程路径树中第i个无线接入点服务的第j个用户可获得的速率可表示为:

rij(p)＝log(1+γij(p))(1)

其中，第i个无线接入点内第j个用户的信噪比γij(p)：

hi为第i个无线接入点到宏基站的回程路径信道参数，pij|hiij|²为第i个无线接入点内第j个用户接收到的信息。考虑到路径间干扰，主要包括本小蜂窝内干扰和临近小蜂窝对本小蜂窝产生的干扰，其中为第i个无线接入点内第k个小蜂窝用户的干扰，为第i个无线接入点的相邻无线接入点产生的干扰。并且，hl是第l个无线接入点到宏基站的回程路径信道参数，与之前的hi表达的意思基本相同，区别在于l是属于gi的，是第l个无线接入点发射半径内的一个无线接入点。hilk是第i个小蜂窝内第l个无线接入点到第k个用户的信道参数，与之前的hkij含义基本相同。

步骤d、计算所述初始回程路径树中所有无线接入点的传输能量，其中第i个无线接入点的传输能量为pi：

所述pelse为经由第i个接入点转发信号的传输能量，ui为第i个无线接入点所服务的用户集。若对于所有的无线接入点均有pi≤pmax，则此路径树为满足约束条件无线接入点的传输功率上限的回程路径树，将其记录下来。然后重复步骤b-d直至获得t个初始回程路径树。pmax是无线接入点的传输功率上限，是一个常数。

步骤e、将所得t个初始回程路径树进行prufer编码获得t个整数序列，并将所得整数序列分别转化为0-1形式的染色体编码。

步骤f、将所述t个回程路径树作为父代路径树，根据父代路径树所对应的父代染色体交配产生子代的初始染色体；及将子代的初始染色体进行交叉和变异后所得的子代染色体翻译，得到对应的子代路径树。具体为：

根据交叉率产生进行交叉操作的染色对，即用交叉率乘以种群数量t得到经行交叉操作的染色体个数，然后利用随机数产生进行交叉操作的染色体对w1和w2。假设w1和w2为以下两串二进制串：

w1＝[1001010111001]

w2＝[1011000100111]

由计算机随机生成一个在1～13之间的整数，因为整个染色体二进制串长度为13。假设所得的整数位2，那么将两个染色体从第2位开始分割开，并把两个染色体串的第3位到第13位整体做交换生成子代染色体，即：

再根据变异率产生变异染色体位置，仍然假设染色体二进制长度为13，则总共有t×13个基因，再用变异率乘以总基因数则得到了突变基因个数q，此时用计算机产生q个介于1到t×13之间的随机整数，此即为突变基因的位置。假设其中得到的一个突变基因位置整数为z，用z除以t得到的商为7，余数为3，那么将第7个染色体二进制串的第3位进行突变得到子代染色体，即将w7＝[0111011011010]变为

最后，将子代染色体翻译回对应的子代路径树。

步骤g、对步骤f所得所有子代路径树，判断其是否符合无线接入点的传输能量上限pmax，并根据符合该约束条件的子代路径树与父代路径树均计算以下函数：

令用户总数为n，计算平均用户速率为ra：

对于整个网络来说，平均用户速率代表了网络回程总速率的大小，平均用户速率越大，网络回程总速率越大。

计算用户速率标准差δr：

考虑到用户之间的公平性，引入用户速率标准差变量。用户之间的公平性即指减小各用户之间的速率差距，使得每个用户能得到相同水平的通信服务质量，减少个别用户速率过低的情况。其中，rij指的是步骤c中计算出的第i个无线接入点服务的第j个用户可获得的速率。

计算系统消耗的总能量p：

其中，p0为系统电路的固定消耗，pmax无线接入点的传输能量上限，由于发射能量限制，p≤pmax。

计算目标函数maxη：

η＝ra·log0.5δr·e^-p(7)

计算目标函数获得数值；并对计算得到的目标函数数值排序，选取其中前t个目标函数数值对应的子代路径树和父代路径树作为新一代的回程路径树。即根据计算的目标函数中η的值，从大到小排序，可以从父代和子代两代回程路径树中，选择前t个目标函数数值对应子代路径树和父代路径树，并将其作为新一代的回程路径树。

步骤h、将步骤g选取的新一代的回程路径树翻译得到对应的染色体，且将所翻译的t个染色体作为新一代的父代染色体，并重复所述步骤f至步骤g，直至最大种群代数，完成最后一次循环；然后，选取所计算的目标函数η值最大的路径树作为最终无线回程路径。

所述宏基站根据上述得出最终无线回程路径确定最优路由，并依此分配各无线接入点的回程路由，完成回程路线的选择过程。

综上，本方法综合考虑了网络无线回程速率、各接入点无线发射半径、总体网络的回程功率、回程路由之间的干扰等因素，提出了一种既能得到最大总回程速率又能照顾用户公平性的计算无线回程路径的方法。本发明方法既能兼顾功率和速率的要求，充分利用网络资源；又非常简单而易于实现，具有很好的应用前景。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。