基于匹配博弈的带宽动态性优化方法与流程

本发明涉及一种基于匹配博弈的带宽动态性优化方法，特别涉及一种5g超密集组网环境下带宽动态性优化方法，属于移动通信技术领域。

背景技术：

随着移动通信技术的发展，4g已经进入规模商用阶段。连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠的5g成为全球研究的热点。超密集组网是指在传统蜂窝之外增加大量的微蜂窝，从而提高网络密度。近年来，超密集组网已经成为5g的关键技术之一。然而5g的网络环境动态性非常多，例如，信道动态性、干扰动态性(对于任意用户或者基站，其所受到干扰是动态变化的)、可用带宽动态性(在某个时刻，基站可用带宽是随机变化的)等。如何在5g超密集组网环境下对带宽动态性进行优化是本发明的重点内容。

目前，基于合作博弈的带宽分配机制和基于非合作匹配的带宽分配机制已被提出，具体来说即用破产游戏模型和古诺模型来优化带宽分配。然而，仍存在着很多的问题，例如，频谱聚合情况下，初始化时频谱是连续分配，但经过多次分配后(因为有的业务退出，有的还在占用)，频谱被打乱，空闲频谱碎片化，此时连续的频谱带宽是动态的；在当前时刻考虑下一时刻的带宽状态，比如已知某一业务下一时刻将会接入，那么需要知道下一时刻带宽情况，显然下一时刻带宽是随机的。这些问题都对设计最优化的带宽分配方案有着极大的影响。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种在5g超密集组网环境下基于匹配博弈的带宽动态性优化方法。该方法考虑了用户和基站之间的偏好关系，增加了匹配的稳定性；并且考虑了有的用户断开连接，有的用户仍然占用带宽，带宽此时碎片化，当有新业务接入时，空余带宽的分配问题。该方案提高了带宽的利用率，为用户提供更加稳定的服务，提升了用户体验。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种基于匹配博弈的带宽动态性优化方法，用于5g超密集组网环境，该网络环境由宏蜂窝和家庭基站构成，宏蜂窝基站mbs位于小区中心，该小区的宏蜂窝基站mbs下分布有若干个家庭基站fbs，其特征在于，将该网络环境下的整个频谱资源分为若干个相同的资源块。

该方法的具体步骤如下：

步骤1：以资源块的编号为列、用户的编号为行构建矩阵h，其元素i＝1,2,…,n，j＝1,2,…,m，n为总用户数目，m为资源块数目；。

步骤2：每个需要进行带宽分配的用户分别根据矩阵h以及自己对带宽的需求，选择能够为自己提供满足带宽需求的资源块的候选家庭基站，并按照偏好关系对候选基站降序排列形成偏好基站列表；

步骤3：每个需要进行带宽分配的用户分别向各自的偏好基站列表中第一个家庭基站发送请求；

步骤4：每个家庭基站根据收到的用户请求，按照用户与家庭基站连接时受到的干扰大小升序排列形成偏好用户列表，并根据自身剩余的宽带容量选取偏好用户列表中的前k个用户，同时拒绝其他用户；

步骤5：未分配到带宽的用户选取各自的偏好基站列表中的下一个家庭基站发送请求，重复步骤4，直至所有用户分配完毕或家庭基站的带宽分配完毕，匹配结束；

步骤6：根据当前的资源块分配情况，更新矩阵h。

作为本发明的进一步技术方案，步骤2中通过家庭基站将资源块分配给用户的效用函数确定用户的偏好关系。

作为本发明的进一步技术方案，如果效用函数大小相同，则将与用户之间的回程链路时延较小的家庭基站排在列表的前列。

作为本发明的进一步技术方案，第i个用户接入第k个家庭基站的效用函数为：

其中，kk为第k个家庭基站的所有用户数量，rk为第k个家庭基站的功率，cik为第i个用户与第k个家庭基站之间的信道的系数，σ²为加性噪声的功率，rk为第k个家庭基站覆盖区域的半径，rk为第k个家庭基站的hf圆半径，pt为第t个家庭基站的功率，cit为第i个用户与第t个家庭基站之间的信道的系数。

作为本发明的进一步技术方案，回程链路时延的计算公式为：

τ＝l*ts

其中，l为回程链路长度，ts为回程链路的一个单位时隙。

作为本发明的进一步技术方案，步骤4中第s个用户受到其他用户的同频干扰为：

其中，dl,s为第l个用户与第s个用户之间的距离，hl,s为第l个用户到第s个用户链路上的功率增益，lf表示家庭基站的传输损耗系数，αf表示家庭基站的衰落指数，pf表示家庭基的发射功率。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明基于匹配博弈的带宽动态性优化方法，是一种5g超密集组网环境下带宽动态性优化方法，该方法在频谱离散话的情况下，使用匹配博弈论的相关知识，充分考虑了基站和用户的偏好性，利用迭代方法，确定频谱碎片化情形下用户与基站的匹配关系，使得带宽分配具有稳定性和最优性。本发明在不断有业务断开和新业务需要接入的情形下，有非常广阔的应用场景。

附图说明

图1为宏蜂窝和家庭基站组成的超密集异构无线网络场景图；

图2为用户的移动轨迹及hf；

图3为频谱碎片化情况下的带宽分配流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明基于匹配博弈的带宽动态性优化方法，用于宏蜂窝网络，具体步骤如图2所示。

一.宏基站和家庭基站

本发明的网络环境是由宏蜂窝和家庭基站构成的超密集组网。如图1所示的宏蜂窝和家庭基站组成的超密集异构无线网络，其中，宏蜂窝基站(mbs)位于小区中心，在该宏小区基站下分布着m个家庭基站(fbs)。现定义集合u、b分别表示用户和家庭基站。

二.用户的移动性

由于用户的移动性，用户在小区之间的切换(ho)是经常发生的。然而，在切换过程中，有可能切换失败。为了保证qos，网络必须避免可能导致信息损失的高风险切换，即应当尽可能减小切换失败(hf)的概率。如图2所示，d＝2rcos(θ)为fbs覆盖区域圆的弦，其中，r是覆盖区域圆的半径，θ是用户运动的轨迹与水平线的夹角，则d的分布函数可以表示为：

当用户移动路径与hf圆(半径为r)相切时，则hf的概率可以表示为：

三.带宽动态性

在频谱聚合情况下，初始化时频谱是连续分配，但经过多次分配后(因为有的业务退出，有的还在占用)，频谱被打乱，空闲频谱碎片化，此时连续的频谱带宽是动态的；在此情形下，当有新的用户需要接入时，如何才能确保分配的带宽方案最优且稳定？

针对上述问题，现将此超密集组网的整个可用频谱资源分为n个相同的资源块，并进行编号，用集合r＝{r1，r2，……，rn}表示。将所有用户用集合u＝{u1，u2，……，un}表示。以资源块编号为列，用户编号为行构建矩阵h，矩阵元素取0或1，当矩阵元素为0时，表示相应的资源块不分配给相应用户，否则分配给相应用户。当有用户断开连接时，将矩阵h该用户所在行的元素更改为0。对于新接入尚未分配带宽的用户，在矩阵h中，该用户所对应的行的所有元素为0。

四.多对一的匹配博弈

定义1：一个匹配μ是从集合b∪u到它自身的映射，满足：对所有的基站b∈b和所有用户u∈u，有

1.

2.

3.

上述定义表明用户和基站之间的匹配是多对一的匹配，即一个基站能与多个用户匹配，一个用户只能与一个基站连接。对于任意参与者k∈r∪u，若则k在匹配μ下未发生匹配。

定义2：ψ(u，p)表示所有匹配的集合，＞u表示用户u的偏好关系。如果存在μ'∈ψ且有μ'(u)＞uμ(u)，μ'(p)＞pμ(p)，则称匹配μ被用户u和基站p的联盟所阻碍。如果一个匹配不被任何用户和基站的联盟阻碍，则称该匹配是稳定的。如果每一个用户稳定匹配后的满意度高于或等于其他稳定匹配的情况，则称该匹配是最优的。

五.用户偏好

回程链路时延计算公式如公式(1)所示：

τ＝l*ts(3)

其中l代表回程链路长度，ts表示回程链路的一个单位时隙。

如果第i个用接入第k个家庭基站，则效用函数如下：

其中，kk为第k个家庭基站的所有用户数量，rk为第k个家庭基站的功率，cik为第i个用户与第k个家庭基站之间的信道的系数，σ²为加性噪声的功率，rk为第k个家庭基站覆盖区域的半径，rk为第k个家庭基站的hf圆半径，pt为第t个家庭基站的功率，cit为第i个用户与第t个家庭基站之间的信道的系数。

显然，用户偏好于低负载的基站，以获得最大的效用。根据效用函数，可以构建用户的偏好列表，并按降序排列。如果出现效用函数相同的情况，则回程链路时延小的排在前列。

六.基站偏好

每一个基站b最多可以为q个用户提供服务，公式(5)表示用户u接入基站b需要满足的条件：

其中，tb表示基站b与用户u连接所需要的准备时间，du表示用户u穿过小区时所经过的距离，vu是其平均速度，它们的比值表示总的可能交互时间。

用户s受到的其他用户的干扰可以表示为：

其中，dl,s为第l个用户与第s个用户之间的距离，hl,s为第l个用户到第s个用户链路上的功率增益，lf表示家庭基站的传输损耗系数，αf表示家庭基站的衰落指数，pf表示家庭基的发射功率。

显然，在分配带宽时，应使得基站受到的干扰尽可能的小，根据公式(6)建立基站的偏好关系，并升序排列。如果出现干扰相同的情况，则将所需要资源块数较小的排在前列。

七.基于匹配博弈的带宽动态性优化方案

在频谱聚合情况下，初始化时频谱是连续分配，但经过多次分配后(因为有的业务退出，有的还在占用)，频谱被打乱，空闲频谱碎片化，此时连续的频谱带宽是动态的。由于有的业务退出，将会有带宽空余出来。如果此时有新的用户需要接入，同样也要分配带宽。如何使得此情形下，带宽分配具有稳定性和最优性是本发明的重点内容。

频谱碎片化情况下，带宽分配方案如图3所示：

步骤1：构建矩阵h。

步骤2：每个需要进行带宽分配的用户分别根据矩阵h以及自己对带宽的需求，选择能够为自己提供满足带宽需求的资源块的候选家庭基站，即用户通过候选基站能够获得满足自身带宽需求的资源块数。根据公式(3)和(4)，计算通过家庭基站将资源块分配给用户的回程链路时延和效用函数，根据效用函数确定用户的偏好关系，并按照偏好关系对候选基站降序排列形成偏好基站列表。如果效用函数大小相同，则将用户与基站距之间回程链路时延较小的排在前列。

步骤3：每个需要进行带宽分配的用户分别向各自的偏好基站列表中第一个家庭基站发送请求。

步骤4：每个家庭基站根据收到的用户请求，用户和基站连接必须满足公式(5)，根据公式(6)，计算用户与基站连接时受到的干扰大小，按照干扰大小升序排列形成偏好用户列表。如果受到的干扰相同，则需要资源块数目较小的排在前列。家庭基站根据自身剩余的宽带容量选取偏好用户列表中的前k个用户，同时拒绝其他用户。

步骤5：未分配到带宽的用户选取各自的偏好基站列表中的下一个家庭基站发送请求，重复步骤4，直至所有用户分配完毕或家庭基站的带宽分配完毕，匹配结束。

步骤6：更新矩阵h中的元素。

现定义bi表示分配给用户ui(ui∈u)的带宽，已知hij为矩阵h第i行第j列的元素则

对于具有恒定比特率服务的用户，所获得的带宽应当满足它的需求带宽bu，即

对于具有动态比特率服务的用户，所获得的带宽应在需求的最小带宽和最大带宽之间即

以下证上诉算法的匹配是稳定的且最优：

算法中提到，所有用户首先构建自己的偏好列表，然后根据偏好列表的先后顺序依次向基站发送请求，基站接收到请求后，建立候选列表，并根据自身的偏好列表，选择候选列表中的前k个用户，拒绝其他用户。剩余用户向偏好列表中的下一个基站发送请求，重复之前操作。现假设用户ui，uj分别与基站bm，bn匹配，但是用户uj更偏好基站bm，则按照算法用户uj一定在某一阶段向基站bm发送过请求，然而基站bm把最后一个名额分配给了它更偏好的用户，拒绝了用户j。所以对于用户ui和uj，基站bm一定更偏好用户ui。因此，这样的匹配是稳定的，不会出现用户uj偏好基站bm，基站bm也更偏好用户uj的情况。

假设基站bm从所有发送请求的用户中选择了u1，u2，……ut，拒绝了包括用户ui在内的其他用户，由此可见u1，u2，……un相比于其他网络一定更偏好基站bm。如果现在将用户ui与基站bm匹配，那么至少一个用户不得不与偏好不如基站bm的基站匹配，显然这样是不稳定的，匹配的效益降低了。因此，上述算法还具有最优性。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。