一種異構(gòu)融合場景中基于混合優(yōu)化的資源分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于移動(dòng)通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合場景中基于混合優(yōu)化 的資源分配方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展形成了異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)，在多種接入技術(shù)、組網(wǎng)方式、無線 終端并存的場景下，實(shí)現(xiàn)多種無線通信技術(shù)的有機(jī)融合，是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，也是實(shí)現(xiàn) 最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)資源使用和最佳用戶服務(wù)質(zhì)量保障的有效途徑。隨著寬帶無線應(yīng)用的推廣，無線 資源日趨緊張，資源分配技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的關(guān)鍵技術(shù)之一。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，除了 無線接入技術(shù)的多樣性，還包括業(yè)務(wù)類型的多樣性。相應(yīng)地，資源分配技術(shù)既要考慮不同無 線接入技術(shù)的特點(diǎn)也要考慮多種業(yè)務(wù)的不同需求。
[0003] 在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，不同的無線網(wǎng)絡(luò)在傳輸速率、覆蓋范圍、系統(tǒng)容量及提供的服 務(wù)水平方面有很大的差異。傳統(tǒng)的基于用戶移動(dòng)性和業(yè)務(wù)特征的資源分配方法不能有效地 應(yīng)用到泛在網(wǎng)絡(luò)中，這些算法通常僅考慮一種業(yè)務(wù)類型，沒有考慮支持多種業(yè)務(wù)的情景以 及資源分配對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能和用戶QoS的重要作用?，F(xiàn)有的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的資源分配方法，往往僅 從用戶端或者僅從網(wǎng)絡(luò)端考慮，缺乏對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源和業(yè)務(wù)特性的清晰把握，從而導(dǎo)致資源分 配存在很多的不足，無法適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)資源的動(dòng)態(tài)變化和不同QoS需求。目前各主流算法均存在 各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如遺傳算法雖然全局搜索能力較好，但對(duì)系統(tǒng)中的反饋信息卻無能為力，缺 乏局部搜索能力容易陷入局部最優(yōu)解;蟻群算法雖具有很強(qiáng)的發(fā)現(xiàn)"較優(yōu)解"的能力，但初 期信息素缺乏會(huì)導(dǎo)致搜索效率低。
[0004] 本發(fā)明采用基于混合優(yōu)化的資源分配方法，該方法結(jié)合不同無線網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)類型 特點(diǎn)，最大化資源利用率，同時(shí)滿足各類業(yè)務(wù)的QoS要求。采用遺傳運(yùn)算與蟻群算法相結(jié)合 的混合優(yōu)化方法求解資源優(yōu)化問題，先利用遺傳算法快速隨機(jī)的全局搜索能力來產(chǎn)生初始 信息素，再利用蟻群算法求精確解，優(yōu)勢互補(bǔ)，不僅能夠清晰描述移動(dòng)終端在使用有限資源 時(shí)的競爭關(guān)系與相互作用，而且很大的提高了時(shí)間效率和最優(yōu)解精確度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供了異構(gòu)融合場景中一種基于混合優(yōu)化的資源分配方法，其目的以最大 化資源利用率為目標(biāo)，同時(shí)保證各類業(yè)務(wù)QoS需求，尋求面向異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中覆蓋范圍內(nèi)所有移 動(dòng)終端的最佳資源分配方案。
[0006] 本發(fā)明給出了在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合場景中，采用遺傳運(yùn)算與蟻群算法相結(jié)合的混合優(yōu) 化方法來尋求最佳資源分配方案。其中，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)包括N種無線接入網(wǎng)絡(luò)(RANs， Radio Access Networks)，每種RAN具有不同的覆蓋范圍和帶寬支持能力，如圖1所示。假設(shè) RAN-1具有最大的覆蓋范圍但提供的帶寬最低，ΚΑΝ-η(η = 2，···，Ν)提供的帶寬較高但覆蓋 范圍較小，Bn表示RAN-n含有的帶寬單元數(shù)，不同的RAN其帶寬單元提供的帶寬不同，覆蓋面 積越大，帶寬單元提供的帶寬越小，設(shè)RAN-1的帶寬單元為基本帶寬單元（BBU，Basic Bandwidth Unit)，一個(gè)Bn(n = 2，···，N)等于βη(η = 2，···，N)個(gè)BBUs，βη>1。每種網(wǎng)絡(luò)都支持J 類業(yè)務(wù)，滿足j類業(yè)務(wù)的最少BBUs數(shù)為5_，最多為在研究區(qū)域有Μ個(gè)隨機(jī)分布的移動(dòng) 終端(MTs，Mobi 1 e Terminal s )，ΜΤ是多模終端，即可以同時(shí)接入多種RANs，甩6&表示由 RAN-n(n = 1，…，N)分配給移動(dòng)終端m(m= 1，…，M)的j (j = 1，…，J)類業(yè)務(wù)的BBUs，表示 網(wǎng)絡(luò)分配給業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)參數(shù)，A〗,e (〇，1]。本發(fā)明以最大化資源利用率為目標(biāo)建立優(yōu)化目 標(biāo)函數(shù)，再將其轉(zhuǎn)化為遺傳算法的適值函數(shù)，種群中個(gè)體用矢量g表示， § =[氣，…，f，…. .，/【..，/φ …，0^…^，…力^ 化、計(jì)算適值函數(shù)、選擇、交叉、變異、種群更新等一系列迭代運(yùn)算后得到資源初次分配結(jié) 果，然后將其轉(zhuǎn)換為蟻群算法的初始信息素分布，每只螞蟻按照信息素濃度決定轉(zhuǎn)移方向， 依據(jù)每次循環(huán)結(jié)果進(jìn)行全局信息素更新，經(jīng)過多次循環(huán)迭代得到最佳資源分配方案，最后 根據(jù)最佳資源分配方案為移動(dòng)終端的每個(gè)業(yè)務(wù)請(qǐng)求分配相應(yīng)的帶寬資源。本方法的框圖如 圖2所示。
[0007] 具體步驟分為三個(gè)階段：
[0008] (1)建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)階段
[0009] 根據(jù)獲取的研究區(qū)域內(nèi)RANs種類及其提供的帶寬、用戶數(shù)量、業(yè)務(wù)種類及其QoS要 求等信息確定優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)及其約束條件。C n表示RAN-n的系統(tǒng)容量，即RAN-n所包含的
BBUs數(shù)量 _示資源利用率，則資源分配優(yōu)化問題應(yīng)滿足：
[0010]
[0011]
[0012]
[0013]
[0014]
[0015] 其中^是二進(jìn)制數(shù)，取1時(shí)表示第m個(gè)用戶的j類業(yè)務(wù)接入RAN-n，=1是為 了保證一個(gè)業(yè)務(wù)只能由一個(gè)網(wǎng)絡(luò)為其分配資源，4的取值與業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)參數(shù) 減? 0<& Μ >相關(guān)，例如，對(duì)于語音業(yè)務(wù)，當(dāng)η為蜂窩網(wǎng)時(shí)，< 的取值大于η為WLAN時(shí)的 值，這樣在j為語音業(yè)務(wù)的情況下，η為蜂窩網(wǎng)時(shí)4,取1的概率大于η為WLAN時(shí)； 確保分配給終端的資源總量不超過系統(tǒng)資源總量。
[0016] (2)基于遺傳運(yùn)算的資源初次分配階段
[0017] 首先將優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為無約束的適值函數(shù)，這里采用引入懲罰函數(shù)的方法，個(gè)體 擴(kuò)展目標(biāo)函數(shù)：
[0018]
(2)
[0019] ση是一個(gè)充分大的罰因子，F(xiàn)max表不所有個(gè)體擴(kuò)展目標(biāo)函數(shù)的最大值，則個(gè)體k的 適值函數(shù)：廠(々)=;#_ _供(岣，γ >1，γ是為了讓適應(yīng)值較小的個(gè)體也能以很小的概率產(chǎn)生 下一代，確定適值函數(shù)后，再經(jīng)過種群初始化、計(jì)算適值函數(shù)、選擇、交叉、變異、種群更新等 一系列迭代運(yùn)算后，可以得到資源初次分配結(jié)果。
[0020] (3)基于蟻群算法的資源再分配階段
[0021] 以一定的概率選取種群中適應(yīng)度值高個(gè)體組成的優(yōu)化解作為初始信息素公式，用 戶m的j類業(yè)務(wù)由RAN-n分配資源塊數(shù)為a的初始信息素公式為：
[0022]
(3)
[0023] 其中τ〇為信息素常量是根據(jù)遺傳算法的結(jié)果轉(zhuǎn)換的信息素值。本方法采 取的信息素轉(zhuǎn)換具體做法是遺傳算法終止時(shí)，以一定的概率PQ選取種群中適應(yīng)值最好的個(gè) 體，信息素轉(zhuǎn)換公式為：
[0024]
， (4)
[0025] 其中，w為信息素轉(zhuǎn)換因子，Κ表示個(gè)體總數(shù)，如果在第k個(gè)個(gè)體中用戶m的j類業(yè)務(wù) 由RAN-n分配帶寬為a個(gè)BBUs則v k等于1，否則等于0，a的取值與j有關(guān)，滿足S廣& < 5；?"'。轉(zhuǎn) 移概率由信息素和路徑啟發(fā)信息共同決定：
[0026]
, (5)
[0027] 其中，allowedn表示當(dāng)前可用的RANs，當(dāng)RAN-n剩下的資源不足以滿足業(yè)務(wù)QoS需 求時(shí)，螞蟻不能選擇該RAN-n作為接入網(wǎng)。?表示路徑啟發(fā)信息，與業(yè)務(wù)類型有關(guān)，例 如，考慮同時(shí)接入蜂窩網(wǎng)的語音業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，顯然蜂窩網(wǎng)對(duì)語音業(yè)務(wù)的支持能力要更 好，所以當(dāng)RAN-n是蜂窩網(wǎng)時(shí)，語音業(yè)務(wù)的路徑啟發(fā)信息比數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)