一种求解无线网络基站切换极小化问题的变邻域搜索方法技术

一种求解无线网络基站切换极小化问题的变邻域搜索方法，首先用随机方法生成一个初始可行解，然后迭代地使用扰动、基于邻域分解的变邻域下降算法对其进行优化。本方法对用户设备在无线网络下的移动过程中基站切换次数进行了优化，从而减少了不同网络控制器下的基站间切换次数。本发明专利技术减少了不同网络控制器下基站间的切换次数，提高了用户设备在移动过程中基站间切换的成功率，从而对无线通信网络的服务质量进行了优化。

【技术实现步骤摘要】
一种求解无线网络基站切换极小化问题的变邻域搜索方法
本专利技术适用于无线通信网络
，提供了一种求解无线网络基站切换极小化问题的变邻域搜索方法。
技术介绍
随着国民经济的增长以及互联网的飞速发展，截至2019年6月，我国网民规模已达8.54亿人，未来呈不断增长趋势。用户对网络的使用程度和要求越来越高，比如使用用户设备(UE)如智能手机、平板等获取在线视频、移动支付、社交通信等已成为人们日常生活的重要组成部分。在典型的蜂窝无线电系统中，无线终端，也被称为移动台或用户设备，经由无线电接入网络(Radionetworkcontroller,RNC)向一个或多个核心网进行通信。无线电接入网络覆盖地理区域，该地理区域被划分成小区区域(CELL)，其中每个小区区域由基站(Basestation,BS)来提供服务。由于每个基站所能覆盖的小区范围有限，所以用户设备在移动的过程中，可能发生与源基站小区断开，并连接到目标基站小区，这个过程称为基站切换。在两个不同无线网络控制器下基站间的切换，比在同一个无线网络控制器下基站间的切换，更容易出现切换失败。图1给出了用户设备从源小区到目标小区的切换示意图。无线网络控制器RNC[1]控制着两个基站BS[1]、BS[2]的通信，而基站BS[3]的通信由无线网络控制器RNC[2]控制。用户设备UE[1]在同一无线网络控制器下的两个基站BS[1]、BS[2]间发生切换，用户设备UE[2]在不同无线网络控制器下的两个基站BS[2]、BS[3]间发生切换。在图1中,用户设备UE[1]发生的切换成功率比用户设备UE[2]发生的切换成功率更高。在日常生活中，如果没有将基站分配给合适的无线网络控制器，则用户设备在无线网络中切换的失败率会骤升。如何解决将基站分派给合适的无线网络控制器，来减少不同无线网络控制器下，越区切换失败率高的问题成为亟需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术以无线通信网络为背景，以减少不同无线网络控制器下基站间数据切换次数极小化问题为研究目标，提出一种求解无线网络基站切换极小化问题的变邻域搜索方法。该方法首先用随机方法生成一个初始可行解，然后迭代地使用扰动、基于邻域分解的变邻域下降算法对其进行优化。该方法具有计算速度快、求解质量高等特点。一种求解无线网络基站切换极小化问题的变邻域搜索方法，包括如下步骤：步骤1，输入算例和参数，随机生成初始的可行解；步骤2，进入扰动阶段，执行扰动程序；步骤3，进入局部搜索阶段，使用邻域分解的变邻域下降VND算法对扰动的解进行优化；步骤4，进入更新阶段，执行更新操作，同时，使用判别准则，判断是维持当前扰动强度，还是增加扰动强度；并根据判断条件转到步骤2和步骤5；步骤5，满足停止条件，步骤停止。进一步地，步骤2所述的扰动程序，以扰动强度k对当前解S进行随机扰动，目的是使其跳出局部最优；扰动算法的具体步骤如下：连续地执行k次随机的顶点交换动作，其中每次交换动作交换两个随机选择的顶点的位置，使得交换后的解仍为合法解。进一步地，步骤3中，通过基于邻域分解的变邻域下降VND算法对步骤2扰动后的结果进行优化，其中VND算法的邻域的结构描述如下：基于邻域分解的变邻域下降算法使用了两个邻域结构，即单点移动邻域N1(s)和两点交换邻域N2(s)；单点移动邻域N1(s)：N1(s)由单点移动算子生成；已知一个顶点集的划分，单点移动算子将一个顶点从它当前的类中移到另一个类中，从而得到一个新的合法解；N1(s)的数学表达式如下：其中，s表示当前解；<v,Ci,Cj>表示一个单点移动动作，即将类Ci中的一个顶点v，移动到类Cj中；符号表示在解s上进行单点移动动作；Ω表示搜索空间，定义为：其中Lg为类g的下界，Ug为类g的上界；两点交换邻域N2(s)：N2(s)由交换算子生成；已知一个顶点集的划分，两点交换动作将对两个处于不同类的顶点进行位置交换，以得到一个新的合法解；N2(s)的数学表达式如下：其中，s表示一个可行解，v表示类Ci中的一个顶点，u表示类Cj中的一个顶点，swap(.,.)表示一个交换动作，表示在解s上进行两点交换动作。进一步地，步骤3中，所述的基于邻域分解的变邻域下降VND算法，对扰动结果进行优化，其中变邻域下降VND算法的主要构成部分包括领域分解、领域块标记和状态矩阵更新，具体的：领域的分解：将邻域N1(s)和邻域N2(s)划分成若干个由可行解构成的集合，即邻域块；邻域N1(s)被划分成K×(K-1)个不相关的邻域块B1[i][j](s)，即N1(s)＝∪1≤i≠j≤KB1[i][j](s)，其中邻域块B1[i][j](s)表示从类Ci中选一个顶点移到类Cj中所形成的可行解的集合；形式上，B1[i][j](s)表示为类似地，邻域N2(s)被分成K×(K-1)/2个不相关的邻域块B2[i][j](s)(i＜j)，即N2(s)＝∪1≤i≠j≤KB2[i][j](s)，其中邻域块B2[i][j](s)表示的是将类Ci中的一个顶点和类Cj中一个顶点进行交换所形成的可行解的集合，即邻域块的标记：当邻域N1(s)和邻域N2(s)被分成不相关的邻域块后，根据邻域块的下标顺序对邻域块进行逐块地扫描，分别使用两个K×K的0-1状态矩阵M1和M2对N1(s)和N2(s)的邻域块的状态进行标记；当邻域块B1[i][j](s)中有改进解的时候，将对应的元素M1[i][j]置为1；当邻域块B1[i][j](s)已经被扫描并不包括改进解的时候，将对应的元素M1[i][j]置为0；对于领域N2(s)中的邻域块B2[i][j](s)的状态矩阵中的元素M2[i][j]也进行类似操作；同时，在变邻域下降算法的初始化阶段，将状态矩阵M1和M2中的对角元素全部初始化为0，非对角元素全部初始化为1。状态矩阵的更新：对于邻域N1(s)和N2(s)，在邻域搜索过程中，当其中一个邻域的邻域块中出现改进解时，需同时更新状态矩阵M1和M2中的一些相应元素的值，具体实施规则如下：对B1[i][j](s)进行扫描，先将状态矩阵M1中相应的M1[i][j]置为0，当邻域块B1[i][j](s)中出现改进的解时，将状态矩阵M1和M2中的元素M1[i][t]、M1[t][i]、M2[t][j]和M2[j][t](1≤t≤K)均置为1；当对B2[i][j](s)进行扫描时，状态矩阵M1和M2进行类似的更新。进一步地，步骤3中，基于邻域分解的变邻域下降VND算法的具体步骤为：步骤3-1，输入解存于S1；步骤3-2，设置状态矩阵M1和M2的初值：将两个状态矩阵中的对角元素初值设为0，非对角元素的初值设为1；步骤3-3，设置邻域编号θ值为1；步骤3-4，对当前邻域Nθ中转态值为1的邻域块进行逐个地扫描，一旦遇到一个改进解，则用改进解替代当前解；当一个邻域块被扫描完时，更新状态矩阵；若出现改进解，转到步骤3-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种求解无线网络基站切换极小化问题的变邻域搜索方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：/n步骤1，输入算例和参数，随机生成初始的可行解；/n步骤2，进入扰动阶段，执行扰动程序；/n步骤3，进入局部搜索阶段，使用邻域分解的变邻域下降VND算法对扰动的解进行优化；/n步骤4，进入更新阶段，执行更新操作，同时，使用判别准则，判断是维持当前扰动强度，还是增加扰动强度；并根据判断条件转到步骤2和步骤5；/n步骤5，满足停止条件，步骤停止。/n

【技术特征摘要】
1.一种求解无线网络基站切换极小化问题的变邻域搜索方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
步骤1，输入算例和参数，随机生成初始的可行解；
步骤2，进入扰动阶段，执行扰动程序；
步骤3，进入局部搜索阶段，使用邻域分解的变邻域下降VND算法对扰动的解进行优化；
步骤4，进入更新阶段，执行更新操作，同时，使用判别准则，判断是维持当前扰动强度，还是增加扰动强度；并根据判断条件转到步骤2和步骤5；
步骤5，满足停止条件，步骤停止。


2.根据权利要求1所述的一种求解无线网络基站切换极小化问题的变邻域搜索方法，其特征在于：步骤2所述的扰动程序，以扰动强度k对当前解S进行随机扰动，目的是使其跳出局部最优；扰动算法的具体步骤如下：连续地执行k次随机的顶点交换动作，其中每次交换动作交换两个随机选择的顶点的位置，使得交换后的解仍为合法解。


3.根据权利要求1所述的一种求解无线网络基站切换极小化问题的变邻域搜索方法，其特征在于：步骤3中，通过基于邻域分解的变邻域下降VND算法对步骤2扰动后的结果进行优化，其中VND算法的邻域的结构描述如下：
基于邻域分解的变邻域下降算法使用了两个邻域结构，即单点移动邻域N1(s)和两点交换邻域N2(s)；
单点移动邻域N1(s)：N1(s)由单点移动算子生成；已知一个顶点集的划分，单点移动算子将一个顶点从它当前的类中移到另一个类中，从而得到一个新的合法解；N1(s)的数学表达式如下：



其中，s表示当前解；<v,Ci,Cj>表示一个单点移动动作，即将类Ci中的一个顶点v，移动到类Cj中；符号表示在解s上进行单点移动动作；Ω表示搜索空间，定义为：



其中Lg为类g的下界，Ug为类g的上界；
两点交换邻域N2(s)：N2(s)由交换算子生成；已知一个顶点集的划分，两点交换动作将对两个处于不同类的顶点进行位置交换，以得到一个新的合法解；N2(s)的数学表达式如下：



其中，s表示一个可行解，v表示类Ci中的一个顶点，u表示类Cj中的一个顶点，swap(.,.)表示一个交换动作，表示在解s上进行两点交换动作。


4.根据权利要求1所述的一种求解无线网络基站切换极小化问题的变邻域搜索方法，其特征在于：步骤3中，所述的基于邻域分解的变邻域下降VND算法，对扰动结果进行优化，其中变邻域下降VND算法的主要构成部分包括领域分解、领域块标记和状态矩阵更新，具体的：
领域的分解：将邻域N1(s)和邻域N2(s)划分成若干个由可行解构成的集合，即邻域块；邻域N1(s)被划分成K×(K-1)个不相关的邻域块B1[i][j](s)，即N1(s)＝∪1≤i≠j≤KB1[i][j](s)，其中邻域块B1[i][j](s)表示从类Ci中选一个顶点移到类Cj中所形成的可行解的集合；形式上，B1[i][j](s)表示为
类似地，邻域N2(s)被分成K×(K-1)/...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖向京，罗冬妮，胡松林，岳东，孙芹，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32