本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種保證用戶qos的基于固定速率約束的多基站系統(tǒng)中的比例公平調(diào)度方法。

背景技術(shù)：

802.11ac作為新一代無線局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，提出了多用戶多輸入多輸出(multi-usersmultiple-inputmultiple-output，mu-mimo)技術(shù)，它是在常規(guī)多輸入多輸出(multiple-inputmultiple-output，mimo)技術(shù)的基礎(chǔ)上，添加了多用戶同時通信機(jī)制，有效地改善了網(wǎng)絡(luò)資源的利用率?，F(xiàn)在關(guān)于mu-mimo主要集中在單基站對多用戶的資源分配的研究，并且沒有考慮用戶的qos需求，僅僅追求無線資源的高效利用會造成用戶之間的不公平。另外由于基站連接每個用戶的速率是有一定限制的，現(xiàn)有的研究算法沒有在基于固定速率約束的情況下，考慮用戶的速率需求，因此沒有使系統(tǒng)的吞吐量最大化和用戶之間的公平性得到良好的折中。針對以上問題，現(xiàn)有的分配方法有：1)利用凸優(yōu)化方法得到的單基站系統(tǒng)中的關(guān)于mu-mimo流分配的比例公平算法；2)利用交叉熵算法的比例公平調(diào)度；3)多基站系統(tǒng)中的資源平均分配調(diào)度。隨著科技的進(jìn)步，移動通信的發(fā)展越來越全面，用戶對于qos的需求也逐步增加。因此在資源分配中，考慮用戶的qos需求至關(guān)重要。如何在固定速率約束的情況下，考慮用戶的qos需求，并且合理地分配資源使系統(tǒng)的吞吐量最大化與用戶之間的公平性得到良好的折中是本發(fā)明需要解決的問題。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)存在的問題是：只研究了單基站系統(tǒng)中的保證用戶qos的資源分配問題，或者是多基站系統(tǒng)中的資源平均分配問題，而沒有考慮用戶實(shí)際需求的速率，針對上述不足，本文提出一種保證用戶qos的基于固定速率約束的多基站系統(tǒng)中的比例公平分配算法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種保證用戶qos的基于固定速率約束的多基站系統(tǒng)中的比例公平調(diào)度方法。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種保證用戶qos的基于固定速率約束的多基站系統(tǒng)中的比例公平調(diào)度方法，所述保證用戶qos的基于固定速率約束的多基站系統(tǒng)中的比例公平調(diào)度方法包括以下步驟：

步驟一，隨機(jī)產(chǎn)生隨機(jī)種群并對種群中的個體進(jìn)行二進(jìn)制編碼；

步驟二，計(jì)算用戶的權(quán)值；具體包括：

(a)對群體中的個體進(jìn)行二進(jìn)制編碼，對產(chǎn)生的群體進(jìn)行化正，將編碼后的二進(jìn)制碼串轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制概率，并將其基站服務(wù)各個用戶的概率進(jìn)行歸一化處理，利用公式pai*v求出其對角線上的元素為用戶m在第t-1次迭代中實(shí)際分得的速率sm,t-1；

(b)根據(jù)t-1次迭代后用戶分得的速率，計(jì)算在第t次迭代中用戶的服務(wù)缺失率cm,t；

當(dāng)時，

當(dāng)時，cm,t＝0；

(c)根據(jù)得到的用戶的服務(wù)缺失率，計(jì)算用戶權(quán)值ωm,t；

當(dāng)時，

當(dāng)時，ωm,t＝1；

其中表示在第t次迭代時，所有用戶服務(wù)缺失率的平均值，α、β均為正整數(shù)；

步驟三，按照輪盤賭的方式選擇種群中適應(yīng)度大的個體概率；

步驟四，選擇出來的個體進(jìn)行交叉、變異操作；

步驟五，依據(jù)迭代終止條件，從而選擇出適應(yīng)度最大的個體，即多基站服務(wù)各個用戶的概率。

進(jìn)一步，所述步驟二中當(dāng)可分配資源不足時，不能滿足所有用戶服務(wù)質(zhì)量要求，服務(wù)缺失率存在非零值，由于服務(wù)程度的不同而造成服務(wù)缺失率不同，通過每個用戶的服務(wù)缺失率與平均服務(wù)缺失率的比較，得到相應(yīng)的用戶權(quán)值，當(dāng)用戶的服務(wù)缺失率高于平均服務(wù)缺失率時，相應(yīng)的用戶權(quán)值越大，在資源調(diào)度時便會向該用戶分配更多的資源；當(dāng)用戶的服務(wù)缺失率低于平均服務(wù)缺失率時，相應(yīng)的用戶權(quán)值越小，在資源調(diào)度時便會向該用戶分配較少的資源，從而達(dá)到用戶間的比例公平；在可用無線資源充足時，由于可以滿足用戶的服務(wù)質(zhì)量要求，所以服務(wù)缺失率均為0，權(quán)值均為1，此時用戶權(quán)值表征的用戶間比例公平成為次要目標(biāo)，資源調(diào)度的主要目標(biāo)變?yōu)樽畲蠡到y(tǒng)的吞吐量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量最大。

進(jìn)一步，所述保證用戶qos的基于固定速率約束的多基站系統(tǒng)中的比例公平調(diào)度方法的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟一，設(shè)置初始化參數(shù)，設(shè)迭代次數(shù)為t，基站數(shù)n，用戶數(shù)為m，群體大小為popsize，每個個體的編碼長度為chromlength，隨機(jī)產(chǎn)生popsize×chromlength的基站服務(wù)用戶的概率矩陣，迭代次數(shù)t＝1；依據(jù)用戶的實(shí)際業(yè)務(wù)需求設(shè)定用戶的服務(wù)質(zhì)量其中表示第m個用戶的服務(wù)質(zhì)量要求；

步驟二，計(jì)算用戶權(quán)值；

步驟三，計(jì)算每個個體的適應(yīng)度值；

步驟四，按照輪盤賭的方式選擇個體，計(jì)算出每個個體的適應(yīng)度的值，然后求出每個個體的適應(yīng)度的值與所有個體的適應(yīng)度的值的比值，求出適應(yīng)度的累計(jì)概率，每次隨機(jī)產(chǎn)生一個0到1之間的概率，如果產(chǎn)生的概率小于累計(jì)概率，則這個個體保留下來，否則，該個體被淘汰；

步驟五，個體進(jìn)行交叉操作，隨機(jī)產(chǎn)生一個交叉點(diǎn)和一個概率，如果該概率小于交叉概率，則群體中的第i個個體與第popsize-i個個體進(jìn)行交叉，否則第i個個體與第popsize-i個個體原樣保留下來，交叉后對群體中的個體概率進(jìn)行歸一化處理；

步驟六，個體進(jìn)行變異操作，隨機(jī)產(chǎn)生一個變異位置點(diǎn)和一個概率，如果該概率小于變異概率，該個體的對應(yīng)位置進(jìn)行變異，即0變?yōu)?或1變?yōu)?；

步驟七，根據(jù)終止條件判斷是否結(jié)束迭代過程：

若t＝t，則終止迭代過程，則輸出所有迭代中適應(yīng)度最大的個體；

否則，更新t＝t+1，轉(zhuǎn)至步驟三繼續(xù)進(jìn)行下次迭代，直至滿足終止條件為止。

進(jìn)一步，所述計(jì)算每個個體的適應(yīng)度值：

其中為示性函數(shù)，當(dāng)時，值為1，否則為0；rn,m,t表示在第t次迭代中基站n分配給第m個用戶的速率，用-h(x)表示個體的適應(yīng)度函數(shù)。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種應(yīng)用所述保證用戶qos的基于固定速率約束的多基站系統(tǒng)中的比例公平調(diào)度方法的多用戶多輸入多輸出系統(tǒng)。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種應(yīng)用所述保證用戶qos的基于固定速率約束的多基站系統(tǒng)中的比例公平調(diào)度方法的無線局域網(wǎng)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及積極效果為：1)在資源不足時，用戶之間的公平性是主要優(yōu)化目標(biāo)，即使多個基站分配給用戶的速率和與用戶各自需求的速率的比值基本相等；2)在資源充足時，多基站系統(tǒng)的吞吐量最大化是主要優(yōu)化目標(biāo)，即在滿足用戶需求的速率的前提下，使多基站系統(tǒng)的吞吐量盡可能地最大化。1、本發(fā)明由于在多基站的資源調(diào)度中兼顧了用戶服務(wù)質(zhì)量和比例公平兩個因素，使得在保證用戶服務(wù)質(zhì)量要求的前提下達(dá)到用戶間比例公平和系統(tǒng)吞吐量最大化的良好折中；

本發(fā)明由于在多基站系統(tǒng)中考慮了用戶的qos需求，因此在資源充足與不足兩種情況下分別實(shí)現(xiàn)了不同的優(yōu)化目標(biāo)：當(dāng)可分配資源充足時，用戶的服務(wù)缺失率均為零，由服務(wù)缺失率得到的用戶權(quán)值均為1，從而使得實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量最大化的重要性大于用戶間比例公平的重要性，保證了在用戶服務(wù)質(zhì)量要求的前提下達(dá)到系統(tǒng)吞吐量最大；當(dāng)可分配資源不足時，用戶的服務(wù)缺失率存在非零值，由服務(wù)缺失率得到的用戶權(quán)值存在大于1的數(shù)值，從而使得實(shí)現(xiàn)用戶間比例公平的重要性大于系統(tǒng)吞吐量最大化的重要性，保證用戶得到公平的服務(wù)；

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的保證用戶qos的基于固定速率約束的多基站系統(tǒng)中的比例公平調(diào)度方法流程圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的保證用戶qos的基于固定速率約束的多基站系統(tǒng)中的比例公平調(diào)度方法具體實(shí)現(xiàn)流程圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的本發(fā)明與傳統(tǒng)方法在可用速率資源不足情況下對不同服務(wù)質(zhì)量需求用戶的調(diào)度結(jié)果對比圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的本發(fā)明與傳統(tǒng)方法在可用速率資源不足情況下對不同服務(wù)質(zhì)量需求用戶的調(diào)度公平性對比圖。

圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的本發(fā)明與傳統(tǒng)方法在可用速率資源充足情況下對不同服務(wù)質(zhì)量需求用戶的調(diào)度結(jié)果對比圖。

圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的本發(fā)明與傳統(tǒng)方法在可用速率資源充足情況下對不同服務(wù)質(zhì)量需求用戶的調(diào)度公平性對比圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細(xì)的描述。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的保證用戶qos的基于固定速率約束的多基站系統(tǒng)中的比例公平調(diào)度方法包括以下步驟：

s101：隨機(jī)產(chǎn)生隨機(jī)種群并對種群中的個體進(jìn)行二進(jìn)制編碼；

s102：計(jì)算用戶的權(quán)值；

s103：按照輪盤賭的方式選擇種群中適應(yīng)度大的個體概率；

s104：選擇出來的個體進(jìn)行交叉、變異操作；

s105：依據(jù)迭代終止條件，從而選擇出適應(yīng)度最大的個體，即多基站服務(wù)各個用戶的概率。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的應(yīng)用原理作進(jìn)一步的描述。

如圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟1：設(shè)置初始化參數(shù)：

設(shè)迭代次數(shù)為t，基站數(shù)n，用戶數(shù)為m，群體大小為popsize，每個個體的編碼長度為chromlength。隨機(jī)產(chǎn)生popsize×chromlength的基站服務(wù)用戶的概率矩陣，迭代次數(shù)t＝1。

依據(jù)用戶的實(shí)際業(yè)務(wù)需求設(shè)定用戶的服務(wù)質(zhì)量其中表示第m個用戶的服務(wù)質(zhì)量要求；

步驟2：計(jì)算用戶權(quán)值：

(2a)對群體中的個體進(jìn)行二進(jìn)制編碼，對產(chǎn)生的群體進(jìn)行化正，將編碼后的二進(jìn)制碼串轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制概率，并將其基站服務(wù)各個用戶的概率進(jìn)行歸一化處理，利用公式pai*v求出其對角線上的元素為用戶m在第t-1次迭代中實(shí)際分得的速率sm,t-1；

(2b)根據(jù)t-1次迭代后用戶分得的速率，計(jì)算在第t次迭代中用戶的服務(wù)缺失率cm,t；

當(dāng)時，

當(dāng)時，cm,t＝0；

(2c)根據(jù)得到的用戶的服務(wù)缺失率，計(jì)算用戶權(quán)值ωm,t；

當(dāng)時，

當(dāng)時，ωm,t＝1；

其中表示在第t次迭代時，所有用戶服務(wù)缺失率的平均值，α、β均為正整數(shù)；

在上述(2a)-(2c)步驟中，當(dāng)可分配資源不足時，不能滿足所有用戶服務(wù)質(zhì)量要求，因此服務(wù)缺失率存在非零值，由于服務(wù)程度的不同而造成服務(wù)缺失率不同，通過每個用戶的服務(wù)缺失率與平均服務(wù)缺失率的比較，得到相應(yīng)的用戶權(quán)值，當(dāng)用戶的服務(wù)缺失率高于平均服務(wù)缺失率時，相應(yīng)的用戶權(quán)值越大，在資源調(diào)度時便會向該用戶分配更多的資源；當(dāng)用戶的服務(wù)缺失率低于平均服務(wù)缺失率時，相應(yīng)的用戶權(quán)值越小，在資源調(diào)度時便會向該用戶分配較少的資源，從而達(dá)到用戶間的比例公平；在可用無線資源充足時，由于可以滿足用戶的服務(wù)質(zhì)量要求，所以服務(wù)缺失率均為0，權(quán)值為1，此時用戶權(quán)值表征的用戶間比例公平成為次要目標(biāo)，資源調(diào)度的主要目標(biāo)變?yōu)樽畲蠡到y(tǒng)的吞吐量，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量最大。

步驟3：計(jì)算每個個體的適應(yīng)度值：

其中為示性函數(shù)，當(dāng)時，值為1，否則為0；rn,m,t表示在第t次迭代中基站n分配給第m個用戶的速率，本發(fā)明用-h(x)表示個體的適應(yīng)度函數(shù)。

步驟4：按照輪盤賭的方式選擇個體。計(jì)算出每個個體的適應(yīng)度的值，然后求出每個個體的適應(yīng)度的值與所有個體的適應(yīng)度的值的比值，求出適應(yīng)度的累計(jì)概率，每次隨機(jī)產(chǎn)生一個0到1之間的概率，如果產(chǎn)生的概率小于累計(jì)概率，則這個個體保留下來，否則，該個體被淘汰。

步驟5：個體進(jìn)行交叉操作。隨機(jī)產(chǎn)生一個交叉點(diǎn)和一個概率，如果該概率小于交叉概率，則群體中的第i個個體與第popsize-i個個體進(jìn)行交叉，否則第i個個體與第popsize-i個個體原樣保留下來。交叉后對群體中的個體概率進(jìn)行歸一化處理。

步驟6：個體進(jìn)行變異操作。隨機(jī)產(chǎn)生一個變異位置點(diǎn)和一個概率，如果該概率小于變異概率，該個體的對應(yīng)位置進(jìn)行變異，即0變?yōu)?或1變?yōu)?。

步驟7：根據(jù)終止條件判斷是否結(jié)束迭代過程：

若t＝t，則終止迭代過程，則輸出所有迭代中適應(yīng)度最大的個體；

否則，更新t＝t+1，轉(zhuǎn)至步驟(3)繼續(xù)進(jìn)行下次迭代，直至滿足終止條件為止。

下面結(jié)合仿真對本發(fā)明的應(yīng)用效果作詳細(xì)的描述。

1、仿真條件

在仿真中，以無線局域網(wǎng)中一個支持mu-mimo的下行鏈路為例，共有5個基站，需服務(wù)4個用戶。固定的速率矩陣為：

同時為了能更為客觀的評價(jià)分配給用戶的速率的公平程度，在這里我們采用達(dá)到服務(wù)質(zhì)量的比例的jain公平指數(shù)作為仿真結(jié)果的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，jain公平指數(shù)定義如下：

其中[x1,...,xm,...,xm]表示調(diào)度結(jié)果，jain公平性指數(shù)的值越接近于1，表示用戶之間分配的越公平。

每次迭代的采樣數(shù)n＝2000，popsize＝400，chromlength＝80，交叉概率pc＝0.6，變異概率pm＝0.3。

2、仿真內(nèi)容

仿真1：在可用速率資源不足的情況下，各用戶的速率要求數(shù)為s^req＝[14,12,10,4]，采用本發(fā)明的調(diào)度方法與傳統(tǒng)方法對不同服務(wù)質(zhì)量需求用戶進(jìn)行資源分配，分配結(jié)果如圖3所示，兩種方法的調(diào)度公平性對比如圖4所示。

仿真2：在可用速率資源充足的情況下，各用戶的速率要求數(shù)為s^req＝[3.5,4.5,5.5,7.5]，采用本發(fā)明的調(diào)度方法與傳統(tǒng)方法對不同服務(wù)質(zhì)量需求用戶進(jìn)行資源分配，分配結(jié)果如圖5所示，兩種方法的調(diào)度公平性對比如圖6所示。

3、仿真結(jié)果分析

圖3中采用本發(fā)明的調(diào)度方法得到基站服務(wù)各個用戶的發(fā)送概率矩陣為用戶1到用戶4分得的速率分別為s＝[13.097011.08889.36673.6973]mbps，基站發(fā)送的總速率為37.2498mbps；而傳統(tǒng)分配算法由于不考慮用戶的服務(wù)質(zhì)量得到的基站服務(wù)各個用戶的發(fā)送概率矩陣為各個用戶分得的速率分別為s＝[10.01949.026311.66157.4365]mbps，基站發(fā)送的總速率為38.1437mbps。通過對比兩種方法的調(diào)度結(jié)果可見，在資源不足的情況下，本發(fā)明相比于傳統(tǒng)方法平均分配的調(diào)度方式雖有一定的吞吐量損失，但能為不同服務(wù)質(zhì)量要求的用戶提供相同服務(wù)缺失率的服務(wù)。

圖4中本發(fā)明分配的速率達(dá)到用戶1到用戶4服務(wù)質(zhì)量的比例分別為93.35％、92.41％、93.67％、92.43％，jain公平指數(shù)為0.9999；傳統(tǒng)比例公平分配方法達(dá)到用戶1到用戶4的服務(wù)質(zhì)量的比例分別為71.57％、75.22％、116.62％、185.91％，jain公平指數(shù)為0.8563。通過對比兩種方法的jain公平指數(shù)可見，在資源不足情況下本發(fā)明相比于傳統(tǒng)調(diào)度方法，資源調(diào)度結(jié)果達(dá)到了更高的公平性。

圖5中采用本發(fā)明的調(diào)度方法得到基站服務(wù)各個用戶的發(fā)送概率矩陣為用戶1到用戶4分到的速率分別為s＝[9.85034.834616.64567.5080]mbps，基站發(fā)送的總速率為38.8385mbps；而傳統(tǒng)分配算法由于不考慮服務(wù)質(zhì)量得到的各個用戶分到的速率仍為s＝[10.01949.026311.66157.4365]mbps，基站發(fā)送的總速率為38.1437mbps。通過對比兩種方法的調(diào)度結(jié)果可知在資源充足的情況下，相比于傳統(tǒng)調(diào)度方法，本發(fā)明能夠在保證各用戶服務(wù)質(zhì)量要求的前提下提高系統(tǒng)的吞吐量。

圖6中本發(fā)明分配的速率達(dá)到用戶1到用戶4的服務(wù)質(zhì)量的比例分別為281.44％、107.44％、302.65％、100.11％，jain公平指數(shù)為0.8144；傳統(tǒng)比例公平分配方法達(dá)到用戶1到用戶4的服務(wù)質(zhì)量的比例分別為286.27％、200.58％、212.03％、99.15％，jain公平指數(shù)為0.8997。通過對比兩種方法的jain公平指數(shù)可知，在資源充足的情況下，相比于傳統(tǒng)調(diào)度方法，本發(fā)明不僅滿足了每個用戶的速率需求，而且系統(tǒng)的吞吐量也得到提高。

通過以上仿真結(jié)果及分析可以看出，在本發(fā)明中，當(dāng)速率資源不足時，滿足比例公平是最主要的目標(biāo)，吞吐量最大則是次要目標(biāo)，以較小的系統(tǒng)吞吐量為代價(jià)獲得更高的調(diào)度公平性；當(dāng)速率資源充足時，在滿足各個用戶的服務(wù)質(zhì)量要求后以提高系統(tǒng)吞吐量為主要目標(biāo)，此時調(diào)度的公平性雖有所下降，但是卻增大了系統(tǒng)的吞吐量。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。