一种层内协作的软件定义异构网络的效用优化方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种层内协作的软件定义异构网络的效用方法及系统，属于无线通信技术领域，包括：根据预设的接入策略，即用户根据最大接收信号强度选择小蜂窝基站协作组或单个宏基站作为其服务基站，分别计算各层的接入概率和覆盖概率，并计算网络的整体覆盖概率；计算各层基站的能力利用率，并将两层基站的能力利用率的差异程度作为网络的负载均衡；根据各层基站的实际负载情况、接入概率和覆盖概率，计算各层的动态功耗，以计算网络的能量效率；基于覆盖概率、负载均衡和能量效率归一化后的效用函数，计算网络的整体效用并优化，以确定使得整体效用最大化的两层基站密度比。本发明专利技术能够根据实际需求优化层内协作的软件定义异构网络的整体性能。

A software definition for collaboration within layers utility optimization method and system for heterogeneous networks

【技术实现步骤摘要】
一种层内协作的软件定义异构网络的效用优化方法及系统
本专利技术属于无线通信
，更具体地，涉及一种层内协作的软件定义异构网络的效用优化方法及系统。
技术介绍
移动通信技术在近几十年发展迅速，移动用户的数量也在急剧增加。研究表明，从2010年到2020年，无线通信量将增长500倍以上。第五代(5G)移动通信系统要求更高的系统容量、更高的传输速率、更高的能源效率、更低的延迟、更低的系统成本。然而，传统的由宏基站组成的蜂窝网络不足以满足这些要求，小蜂窝基站因其覆盖范围小、功耗低、成本低、部署灵活等优点，显示出巨大的潜力。在异构网络中，小蜂窝基站通过从拥塞的宏基站中卸载用户，降低宏基站的负载，从而为用户提供更好的服务体验。对一般异构网络的性能分析已有相当多的研究，然而，由于宏基站层和小蜂窝基站层的共存和小蜂窝基站的密集部署，异构网络仍然存在着干扰大、能耗高等问题，因此异构网络的性能尤其是覆盖概率受到严重干扰的限制。为了进一步提高异构网络的整体性能，允许多个基站共同处理用户数据的基站协作是可行方案之一，但如何选择基站组成协作组还需要进行深入的研究。由于小蜂窝基站的部署密度越来越大，越来越多的用户从宏基站中卸载，最后可能导致宏基站服务的用户过少，服务用户的能力没有得到充分利用，因此负载均衡也是异构网络中值得探讨的问题之一。实现无线通信系统的低能耗和高能效是下一代无线网络设计的主要目标。据报道，信息技术产业的能源消费占全球能源消费总量的10％，其中无线通信所产生的能源消费比例不容低估。有研究人员证明，通过引入小蜂窝基站层，能源消耗显著增加。睡眠策略是一种有效的节能方式，但由于能源效率同时受到吞吐量和能耗的影响，睡眠策略并不能提高能源效率。因此，如何有效提高能量效率也是改善异构网络性能的重大挑战之一。现有的研究大多集中在非合作或层间协作场景下异构网络的单个性能分析，层内协作的异构网络的性能尚未得到充分的研究。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种层内协作的软件定义异构网络的效用优化方法及系统，其目的在于，综合考虑多项性能指标来优化层内协作的软件定义异构网络的整体性能。为实现上述目的，按照本专利技术的第一方面，提供了一种层内协作的软件定义网络的效用优化方法，包括：根据预设的接入策略，分别计算用户接入小蜂窝基站层和宏基站层的接入概率As和Am，以及小蜂窝基站层和宏基站层的覆盖概率Psc和Pmc，并根据所计算的接入概率和覆盖概率计算网络的整体覆盖概率Pc；根据各层的接入概率，分别计算小蜂窝基站层和宏基站层中基站的能力利用率和并将两层基站的能力利用率的差异程度作为网络的负载均衡SN；根据各层基站的实际负载情况以及各层的接入概率和覆盖概率，分别计算小蜂窝基站层和宏基站层的动态功耗pst和pmt，以计算网络的能量效率E；对网络的覆盖概率Pc、负载均衡SN和能量效率E分别归一化，得到相应的效用函数效用函数UN和效用函数UE后，根据各性能指标的权重计算网络的整体效用Ut，并对网络的整体效用Ut进行优化，以确定使得整体效用Ut最大化的两层基站密度比λs/λm；其中，在该接入策略中，用户根据最大接收信号强度选择小蜂窝基站协作组或单个宏基站作为其服务基站；λs和λm分别表示小蜂窝基站层和宏基站层的密度。本专利技术根据层内协作的软件定义异构网络中用户选择基站的接入策略，即用户根据最大接收信号强度选择小蜂窝基站协作组或单个宏基站作为其服务基站，计算各基站层的接入概率和覆盖概率，并根据各层的接入概率和覆盖概率进一步计算了层内协作的异构网络整体的覆盖概率、负载均衡和能量效率，实现了对层内协作的异构网络的性能研究，并综合考虑这三项性能指标对异构网络的整体效用进行优化，提高了层内协作的软件定义异构网络的整体性能。本专利技术在计算异构网络整体的负载均衡时，考虑了各基站层中基站的能力利用率，并将两层基站的能力利用率的差异程度作为网络的负载均衡，能更真实地体现网络的层基站的负载状态，更准确的获取异构网络的负载均衡，为层内协作的异构网络的整体性能优化提供了可靠的依据。本专利技术在计算异构网络的能量效率时，考虑了各层基站的实际负载情况，动态地计算各层基站的功耗，能够更准确地获得网络的能量效率，为层内协作的异构网络的整体性能优化提供了可靠的依据。进一步地，根据用户选择基站的接入策略，计算得到的用户接入小蜂窝基站层和宏基站层的接入概率As和Am分别为：其中，α表示路径损耗指数，表示由距离用户最近的k个小蜂窝基站组成的小蜂窝基站协作组，xs,j表示小蜂窝基站协作组中的第j个小蜂窝基站，rs,j表示小蜂窝基站xs,j到用户的距离，ps和pm分别表示单个小蜂窝基站和单个宏基站的发射功率，rm表示距离用户最近的宏基站与用户之间的距离，是rs,j的联合概率密度函数，进一步地，根据用户选择基站的接入策略，计算得到的小蜂窝基站层和宏基站层的覆盖概率Psc和Pmc分别为：其中，Γ表示SNIR阈值，σ2表示加性高斯白噪声的方差；表示用户接入单个宏基站时，基站与用户间距离的概率密度函数，r表示宏基站与用户间的距离；表示用户接入小蜂窝基站协作组时，基站与用户间距离的概率密度函数；表示用户所选择的服务基站所受干扰的拉普拉斯变换。进一步地，网络的整体覆盖概率为：Pc＝AmPmc+AsPsc。进一步地，根据各层的接入概率，分别计算小蜂窝基站层和宏基站层中基站的能力利用率和包括：根据小蜂窝基站层的接入概率As，计算小蜂窝基站层中每个基站服务的平均用户数为：以计算小蜂窝基站层中基站的能力利用率为：根据宏基站层的接入概率Am，计算宏基站层中每个基站服务的平均用户数为：以计算宏基站层中基站的能力利用率为：其中，k表示小蜂窝基站协作组中包含的小蜂窝基站数，λu表示异构网络中用户的密度，和分别表示小蜂窝基站层和宏基站层中基站可服务的最大用户数。进一步地，网络的负载均衡SN为：进一步地，根据各层基站的实际负载情况，计算得到的小蜂窝基站层和宏基站层的动态功耗pst和pmt分别为：pmt＝pmo+ΔmppmN2；其中，pso和pmo分别表示小蜂窝基站和宏基站发射功率为0时的静态功率，Δsp和Δmp分别表示小蜂窝基站和宏基站射频的功放效率的倒数，ps和pm分别表示单个小蜂窝基站和单个宏基站的发射功率，N1和N2分别表示单个小蜂窝基站和单个宏基站实际服务的用户数，ph是小蜂窝基站的回程功率，psleep表示小蜂窝基站处于休眠模式下的功耗。进一步地，网络的能量效率E为：其中，Cs和Cm分别表示用户由宏基站层或小蜂窝基站层服务时各层的吞吐量，Pst′和Pmt′分别表示小蜂窝基站层和宏基站层的总能量消耗；k表示小蜂窝基站协作组中包含的小蜂窝基站数，λu表示异构网络中用户的密度；R＝Blog2(1+Γ)为最大可达速率，B为信道带宽，Γ表示SNIR阈值。进一步地，其中，ξP、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种层内协作的软件定义异构网络的效用优化方法，其特征在于，包括：/n根据预设的接入策略，分别计算用户接入小蜂窝基站层和宏基站层的接入概率A

【技术特征摘要】
1.一种层内协作的软件定义异构网络的效用优化方法，其特征在于，包括：
根据预设的接入策略，分别计算用户接入小蜂窝基站层和宏基站层的接入概率As和Am，以及小蜂窝基站层和宏基站层的覆盖概率Psc和Pmc，并根据所计算的接入概率和覆盖概率计算网络的整体覆盖概率Pc；
根据各层的接入概率，分别计算小蜂窝基站层和宏基站层中基站的能力利用率和并将两层基站的能力利用率的差异程度作为网络的负载均衡SN；
根据各层基站的实际负载情况以及各层的接入概率和覆盖概率，分别计算小蜂窝基站层和宏基站层的动态功耗pst和pmt，以计算网络的能量效率E；
对网络的覆盖概率Pc、负载均衡SN和能量效率E分别归一化，得到相应的效用函数效用函数UN和效用函数UE后，根据各性能指标的权重计算网络的整体效用Ut，并对网络的整体效用Ut进行优化，以确定使得整体效用Ut最大化的两层基站密度比λs/λm；
其中，在所述接入策略中，用户根据最大接收信号强度选择小蜂窝基站协作组或单个宏基站作为其服务基站；λs和λm分别表示小蜂窝基站层和宏基站层的密度。


2.如权利要求1所述的层内协作的软件定义异构网络的效用优化方法，其特征在于，根据用户选择基站的接入策略，计算得到的用户接入小蜂窝基站层和宏基站层的接入概率As和Am分别为：



其中，α表示路径损耗指数，表示由距离用户最近的k个小蜂窝基站组成的小蜂窝基站协作组，xs,j表示小蜂窝基站协作组中的第j个小蜂窝基站，rs,j表示小蜂窝基站xs,j到用户的距离，ps和pm分别表示单个小蜂窝基站和单个宏基站的发射功率，rm表示距离用户最近的宏基站与用户之间的距离，是rs,j的联合概率密度函数，


3.如权利要求2所述的层内协作的软件定义异构网络的优化方法，其特征在于，根据用户选择基站的接入策略，计算得到的小蜂窝基站层和宏基站层的覆盖概率Psc和Pmc分别为：



其中，Γ表示SNIR阈值，σ2表示加性高斯白噪声的方差；表示用户接入单个宏基站时，基站与用户间距离的概率密度函数，r表示宏基站与用户间的距离；表示用户接入小蜂窝基站协作组时，基站与用户间距离的概率密度函数；表示用户所选择的服务基站所受干扰的拉普拉斯变换。


4.如权利要求1所述的层内协作的软件定义异构网络的效用优化方法，其特征在于，根据各层的接入概率，分别计算小蜂窝基站层和宏基站层中基站的能力利用率和包括：
根据小蜂窝基站层的接入概率As，计算小蜂窝基站层中每个基站服务的平均用户数为：以计算小蜂窝基站层中基站的能力利用率为：
根据宏基站层的接入概率Am，计算宏基站层中每个基站服务的平均用户数为：以计算宏基站层中基站的能力利用率为：
其中，k表示小蜂窝基站协作组中包含的小蜂窝基站数，λu表示异构网络中用户的密度，和分别表示小蜂窝基站层和宏基站层中基站可服务的最大用户数。


5.如权利要求1或4所述的层内协作的软件定义异构网络的效用优化方法，其特征在于，网络的负载均衡SN为：





6.如权利要求1所述的层内协作的软件定义异构网络的效用优化方法，其特征在于，根据各层基站的实际负载情况，计算得到的小蜂窝基站...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩涛，李世民，钟祎，贺威，江雪莹，代俊，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42