一种基于认知微微蜂窝和双链接的数据卸载方法与流程

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种基于认知微微蜂窝和双链接的数据卸载方法，该方法在保证宏蜂窝用户终端服务质量的同时，又可以利用剩余资源为认知微微蜂窝用户终端服务。

背景技术：

随着移动终端设备的日益普及，移动用户通过智能终端访问互联网服务的业务需求快速增长，大大增加了宏蜂窝网络的压力。因此宏蜂窝网络运营商可以通过部署微微蜂窝网络来卸载宏蜂窝网络中的客户流量，考虑到其他网络运营商已经部署了微微蜂窝基站资源，并且宏蜂窝网络运营商自己部署微微蜂窝网络的成本比较高。宏蜂窝网络运营商可以租用其他网络运营商已经部署的微微蜂窝网络。然而，其他网络运营商(微微蜂窝网络运营商)不会免费租借资源给宏蜂窝网络运营商使用。但是由于频谱资源是一种有限自然资源并且只有经过政府授权才可以使用，而传统的接入控制规则限制了潜在用户利用频谱进行接入，限制了频谱利用率的提高。因此宏蜂窝网络运营商可以利用其拥有的授权频谱资源，对传统的接入控制规则做出优化，提高频谱利用率，即宏蜂窝网络运营商通过允许其他网络运营商(微微蜂窝网络运营商)使用宏蜂窝网络运营商的频谱资源来换取认知微微蜂窝基站为宏蜂窝网络提供数据卸载服务，并且其他网络运营商(微微蜂窝网络运营商)能够保证宏蜂窝网络运营商的用户的服务质量。

本文提出了一种基于认知微微蜂窝和双链接的数据卸载方法。当宏蜂窝用户终端移动到认知微微蜂窝基站附近时，可以同时连接宏蜂窝基站和认知微微蜂窝基站。宏蜂窝用户终端可以把数据部分卸载到认知微微蜂窝基站上，尤其当宏蜂窝网络压力比较大时，宏蜂窝用户终端就可以把所有数据卸载到认知微微蜂窝基站上，从而减轻了宏蜂窝网络的压力。认知微微蜂窝基站在满足宏蜂窝用户终端的需求之后，就可以把宏蜂窝基站剩余的频谱和时间资源用于微微蜂窝用户终端的通信。

技术实现要素：

本发明目：为解决传统宏蜂窝网络无法满足不断增长的数据流量需求的技术问题，本发明通过认知无线网络技术解决频谱缺乏和利用率低的问题，提高了用户服务数据速率。通过本发明所述方法，宏蜂窝用户终端通过双链接技术可以把数据部分卸载到认知微微蜂窝基站上，尤其当宏蜂窝网络压力比较大时，宏蜂窝用户终端就可以把所有数据卸载到认知微微蜂窝基站上；认知微微蜂窝基站在满足宏蜂窝用户终端服务质量的前提下，可以利用剩余时间和频率资源来服务认知微微蜂窝基站用户终端。本发明不仅解决了宏蜂窝网络拥塞的问题，还可以利用宏蜂窝网络剩余的时间和频谱资源服务认知微微蜂窝用户终端。

技术实现要素：
为实现上述目的，本发明提出一种基于认知微微蜂窝和双链接的数据卸载方法，该方法用于异构网络中，当宏蜂窝用户终端进入认知微微蜂窝基站通信范围时，宏蜂窝用户终端的同时连接宏蜂窝基站和认知微微蜂窝基站，并采用所述数据卸载方法将部分或全部数据卸载至认知微微蜂窝基站；

所述数据卸载方法包括步骤：

(1)将异构网络中数据传输总时间t分为两个阶段，第一阶段所占时长为τ1，第二阶段所占时长为τ2，τ1阶段用于宏蜂窝用户终端的数据传输，τ2阶段用于认知微微蜂窝用户终端的数据传输，τ1+τ2＝t；

(2)以最大化认知微微蜂窝用户终端的总数据速率为目标问题构建问题模型：

c1：τ1+τ2＝t，τ1≥0，τ2≥0，

c5：rp(τ1，p^p)+rps(τ1，p^ps)≥rmin

其中，rs(τ2，p^s)表示认知微微蜂窝用户终端的总数据速率，rp(τ1，p^p)表示宏蜂窝用户终端发送到宏蜂窝基站的总数据速率，rps(τ1，p^ps)表示宏蜂窝用户终端卸载到认知微微蜂窝基站的总数据速率；c1至c5为约束条件，表示宏蜂窝用户终端m向宏蜂窝基站发送数据的发射功率，表示宏蜂窝用户终端m向认知微微蜂窝基站发送数据的发射功率，表示认知微微蜂窝用户终端k向认知微微蜂窝基站发送数据的发射功率；m表示宏蜂窝用户终端总数，k表示认知微微蜂窝用户终端总数；表示认知微微蜂窝用户终端k的最大发射功率，表示宏蜂窝用户终端的最大功率，rmin表示宏蜂窝用户终端要求的最低传输速率；

(3)求解问题模型，得到满足约束条件c1至c5的τ1、τ2、p^p、p^ps、p^s，根据τ1、τ2、p^p、p^ps、p^s进行数据卸载。

进一步的，所述rs(τ2，p^s)、rp(τ1，p^p)、rps(τ1，p^ps)均通过香农公式计算：

其中，σ²表示背景噪声功率，表示认知微微蜂窝用户终端k到认知微微蜂窝基站的信道增益，表示宏蜂窝用户终端m到宏蜂窝基站的信道增益，表示宏蜂窝用户终端m到认知微微蜂窝基站的信道增益。

进一步的，所述求解问题模型的方法包括依次执行的步骤(3-1)至(3-4)：

(3-1)设置收敛精度ε，ε＞0；初始化τ1＝t1，τ2＝t2，t1∈(0，t)，t2∈(0，t)；

(3-2)根据τ1、τ2求解问题模型，得到p^p、p^ps、p^s；

(3-3)将步骤(3-2)得到的p^p、p^ps、p^s代入问题模型，得到τ1、τ2；

(3-4)将步骤(2)得到的p^p、p^ps、p^s和步骤(3)得到的τ1、τ2代入问题模型，得到认知微微蜂窝用户终端的总数据速率rs(τ2，p^s)；判断rs(τ2，p^s)是否收敛至收敛精度ε，若是，则停止步骤(3-4)，并输出当前的τ1、τ2、p^p、p^ps、p^s；否则，返回步骤(3-2)。

进一步的，所述步骤(3-2)中，根据τ1、τ2求得p^p、p^ps、p^s的具体步骤为：

1)初始化p^p、p^ps为满足约束条件的任意值；选取任意一个作为优化变量，初始化p^s中其他变量为满足约束条件的任意值；

2)将τ1、τ2、p^p、p^ps、p^s代入问题模型，求出的最优解；

3)将已求出的最优解代入p^s，从p^s中未求出最优解的变量中选取任意一个作为优化变量，初始化除以外的未求出最优解的变量为满足约束条件的任意值，返回步骤2)；

4)重复执行步骤2)至3)，直至p^s中的所有变量都求出最优解，输出优化后的p^s；

5)根据τ1、τ2和步骤4)求得的p^s优化p^p、p^ps，包括依次执行的步骤(a)至(e)：

(a)设置收敛精度ζ，ζ＞0；初始化p^ps为满足约束条件的任意值；

(b)根据公式计算的值，得到p^p；

(c)根据τ1、τ2、p^s和步骤b)得到的p^p，求解问题模型，得到p^ps；

(d)将τ1、τ2、p^s、p^p和p^ps代入问题模型，得到认知微微蜂窝用户终端的总数据速率rs(τ2，p^s)；判断rs(τ2，p^s)是否收敛至ζ，若是，则结束步骤(d)，输出p^s、p^p和p^ps；否则，返回步骤(b)。

进一步的，所述(3-3)中根据p^p、p^ps、p^s计算τ1、τ2的公式分别为：

τ2＝t-τ1。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

(1)本发明提出的基于认知微微蜂窝和双链接的数据卸载方法，提出了一种新的频谱资源利用方式，宏蜂窝网络运营商通过允许认知微微蜂窝基站运营商使用其频谱资源，来换取认知微微蜂窝基站为宏蜂窝网络提供数据卸载服务，从而减缓了宏蜂窝网络的数据拥塞。

(2)认知微微蜂窝基站使用宏蜂窝网络频谱资源的方式是基于宏蜂窝用户终端服务质量需求设计的，可以促进宏蜂窝网络和认知微微蜂窝网络的协作，更加高效的保证了宏蜂窝用户终端的服务质量。

附图说明

图1为本发明的整体流程图；

图2为本发明所述异构网络模型图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所述技术方案进行进一步说明。

本发明提出的基于认知微微蜂窝和双链接的数据卸载方法考虑的系统模型如图2所示。它是由一个宏蜂窝基站，m个宏蜂窝用户终端和一个认知微微蜂窝基站，k个认知微微蜂窝用户终端组成。

上述系统模型中参数设置如下：分别表示宏蜂窝用户终端m向宏蜂窝基站的发射功率、宏蜂窝用户终端m向认知微微蜂窝基站的发射功率、认知微微蜂窝用户终端k向认知微微蜂窝基站的发射功率；表示宏蜂窝用户终端的最大发射功率，表示认知微微蜂窝用户终端的最大发射功率。令假设数据传输总时间为t，t划分为τ1，τ2两个阶段，τ1阶段用于宏蜂窝用户终端的数据传输，τ2阶段用于认知微微蜂窝用户终端的数据传输。当宏蜂窝用户终端移动到认知微微蜂窝基站附近时，可以同时连接到宏蜂窝基站和认知微微蜂窝基站。宏蜂窝用户终端可以把数据发送到宏蜂窝基站，也可以把数据卸载到认知微微蜂窝基站上。设rp(τ1，p^p)表示宏蜂窝用户终端发送到宏蜂窝基站的总数据速率，rps(τ1，p^ps)表示宏蜂窝用户终端卸载到认知微微蜂窝基站的总数据速率，rs(τ2，p^s)表示微蜂窝用户终端发送到认知微蜂窝基站的总数据速率。为了保证宏蜂窝用户终端的服务质量，宏蜂窝用户终端的总传输速率rp(τ1，p^p)+rps(τ1，p^ps)要大于宏蜂窝用户终端要求的最低传输速率rmin。

其中，rp(τ1，p^p)，rps(τ1，p^ps)和rs(τ2p^s)都可根据香农公式求出，rp(τ1，p^p)，rps(τ1，p^ps)和rs(τ2p^s)表达式如下：

在满足宏蜂窝用户终端的速率需求的基础上，最大化认知微微蜂窝用户终端的总数据速率，问题如下：

c1：τ1+τ2＝t，τ1≥0，τ2≥0，

c5：rp(τ1，p^p)+rps(τ1，p^ps)≥rmin

约束c1表示宏蜂窝用户终端和认知微微蜂窝用户终端的总传输时间为t，约束c2表示认知微微蜂窝用户终端的发射功率应该小于其最大发射功率，约束c3，c4表示宏蜂窝用户终端向宏蜂窝基站的发射功率与宏蜂窝用户终端向认知微微蜂窝基站的发射功率之和要小于宏蜂窝用户终端的最大功率，并且两者都应该为正值。约束c5表示宏蜂窝用户终端的总数据速率要大于速率要求的最低值rmin。

本发明设计的基于认知微微蜂窝和双链接的数据卸载方法的整体流程如图1所示，包括以下步骤：

1)初始化宏蜂窝用户终端和认知微微蜂窝用户终端的传输时间分配τ1，τ2。

2)给定宏蜂窝用户终端和认知微微蜂窝用户终端的传输时间分配τ1，τ2最优化宏蜂窝用户终端和认知微微蜂窝用户终端的发射功率p^p，p^ps，p^s，问题如下：

c5：rp(τ1，p^p)+rps(τ1，p^ps)≥rmin

因为目标函数只与认知微微蜂窝用户终端的发射功率p^s有关，而宏蜂窝用户终端的发射功率p^p，p^ps的取值可以通过约束c6，c7，c8来取得最优值。所以优化分为两个子步骤，子步骤一优化认知微微蜂窝用户终端的发射功率p^s，子步骤二优化宏蜂窝用户终端的发射功率p^p，p^ps。

3)给定宏蜂窝用户终端和认知微微蜂窝用户终端的发射功率p^p，p^ps，p^s的情况下，最优化宏蜂窝用户终端和认知微微蜂窝用户终端的传输时间分配τ1，τ2，问题如下：

c1：τ1+τ2＝t，τ1≥0，τ2≥0，

c5：rp(τ1，p^p)+rps(τ1，p^ps)≥rmin

认知微微蜂窝用户终端向认知微微蜂窝基站发送的总数据速率rs(τ2，p^s)可由香农公式计算，其是关于τ2的增函数。由rp(τ1，p^p)+rps(τ1，p^ps)＝rmin，可得：

其中表示宏蜂窝用户终端到宏蜂窝基站的信道增益，表示宏蜂窝用户终端到认知微微蜂窝基站的信道增益，σ²表示背景噪声功率。又根据约束c1可得τ2＝t-τ1。

4)根据步骤2)和步骤3)中求得的发射功率分配p^p，p^ps，p^s和传输时间分配τ1，τ2，计算认知微微蜂窝用户终端的总数据速率。若认知微微蜂窝用户终端的总传输速率收敛，则结束计算；否则重复步骤2)和步骤3)，直至其收敛。

上述方案中，步骤1)的具体流程为：

τ1，τ2在满足约束τ1+τ2＝t，τ1≥0，τ2≥0的前提下，可以初始化为任意值，如τ1＝τ2＝t/2。

本发明方法的方案中，步骤2)的子步骤一具体流程为：

给定τ1，τ2，优化p^s。目标是最大化rs(τ2，p^s)，其可由香农公式求出。采用交替优化的方法，先固定除了发射功率以外的其他的发射功率值来优化单个变量然后依次优化每一个发射功率值，直至p^s中所有变量都优化完毕。rs(τ2，p^s)是关于的凸函数，可以通过二分法得到的最优解。

本发明方法的方案中，步骤2)的子步骤二具体流程为：

给定τ1，τ2，优化p^p，p^ps，使宏蜂窝用户终端的总数据速率rp(τ1，p^p)+rps(τ1，p^ps)最大。整个过程分为两步，第一步给定p^ps优化p^p，目标是最大化rp(τ1，p^p)，第二步给定p^p优化p^ps，目标是最大化rps(τ1，p^ps)。具体步骤为：

a)给定p^ps优化p^p，目标是最大化rp(τ1，p^p)，其可由香农公式计算得到。由于rp(τ1，p^p)是关于的增函数，所以的取值为

b)给定p^p优化p^ps，目标是最大化rps(τ1，p^ps)，其可由香农公式计算得到。首先初始化宏蜂窝用户终端向认知微微蜂窝基站的最大发射功率，计算公式为然后采用交替优化的方法来计算宏蜂窝用户终端向认知微微蜂窝的发射功率，先固定除了之外的发射功率值来优化单个变量然后依次优化每一个量，直至迭代优化收敛。由于rps(τ1，p^ps)是关于的凸函数，利用二分法得到的最优解。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。