本發(fā)明涉及一種雙層異構(gòu)場景下基于遺傳理論的多跳無線回程方法，屬于無線通信的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著通信需求的不斷增長和用戶設(shè)備的日益增加，支持高容量、海量設(shè)備互聯(lián)互通的第五代移動通信技術(shù)(5g)適時(shí)而生。5g主要包括連續(xù)廣域覆蓋、熱點(diǎn)高容量、低時(shí)延高可靠和低功耗大連接四個(gè)主要技術(shù)場景。其中，在熱點(diǎn)高容量場景中，基站分布多為兩層異構(gòu)模式，即在一個(gè)宏基站覆蓋下，有大量的小基站、家庭基站和辦公樓層基站的超密集雜亂無規(guī)律分布。在整個(gè)宏蜂窩范圍內(nèi)，由于小基站、微基站的數(shù)量眾多，用戶主要通過距其最近的小基站連接至宏蜂窩基站。另一方面，由于家庭基站等的部署隨機(jī)性和有線連接的成本因素，使得整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)完全通過有線連接進(jìn)行數(shù)據(jù)回程變得不太現(xiàn)實(shí)，因此作為適用于這一情景的無線回程應(yīng)運(yùn)而生。

無線回程主要分為從用戶到各類小基站(無線接入點(diǎn))與從無線接入點(diǎn)到服務(wù)提供商的小區(qū)中心點(diǎn)(宏基站)兩個(gè)部分。無線回程主要要考慮以下幾個(gè)因素：1)發(fā)射半徑，對于家庭基站和樓層基站來說，其發(fā)射最大功率較低，發(fā)射半徑也往往較小，難以直接連通宏基站。因此，其無線回程需要通過多跳的方式進(jìn)行解決；2)回程速率，對于用戶來說，必然希望得到更高的回程速率，因?yàn)楦叩幕爻趟俾示鸵馕吨叩耐ㄐ潘俾?。另一方面，對于整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)來說，它既要使得總的回程速率盡可能的大來支撐更多的用戶，又要保證用戶之間公平性以確保每個(gè)用戶都能擁有一定量的速率來完成通信；3)回程功率，回程的功率影響整個(gè)回程網(wǎng)絡(luò)的工作效率，通過降低回程功率可以提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的效率，而回程功率的大小又與回程路徑選擇有關(guān)；4)回程干擾，由于回程信道的密集性，其相鄰信道之間的干擾也不可忽略。然而，對于一條完整的回程路徑來說，其每一跳之間的空間距離已較遠(yuǎn)，干擾也已較小。

目前，大多數(shù)相關(guān)研究只關(guān)注在一個(gè)方面，或考慮整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的回程速率最大，或考慮整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的回程功率最低，很少有將各因素綜合聯(lián)合起來考慮的無線多跳回程路徑選擇的方法。本專利主要應(yīng)用于雙層異構(gòu)的場景，即在一個(gè)宏蜂窩下存在有多個(gè)微蜂窩，其中宏蜂窩中有一個(gè)宏基站，每一個(gè)微蜂窩中有一個(gè)無線接入點(diǎn)，無線接入點(diǎn)存在發(fā)射半徑，不是所有的無線接入點(diǎn)都能直接連接至宏基站，因此部分無線接入點(diǎn)需要通過多跳的方式連接至宏基站。在這個(gè)宏蜂窩中，所有的用戶均通過微蜂窩接到宏蜂窩，不存在宏蜂窩用戶。

因此，現(xiàn)有的回程路徑選擇方法中，進(jìn)行路由選擇時(shí)無法同時(shí)兼顧考慮回程速率、回程功率、發(fā)射半徑、用戶公平性、路由間干擾等因素，導(dǎo)致回程路徑無法得到優(yōu)化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種雙層異構(gòu)場景下基于遺傳理論的多跳無線回程方法，解決現(xiàn)有方法路由選擇時(shí)無法同時(shí)兼顧考慮回程速率、回程功率、發(fā)射半徑、用戶公平性、路由間干擾等因素，導(dǎo)致回程路徑無法得到優(yōu)化的問題。

本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題：

雙層異構(gòu)場景下基于遺傳理論的多跳無線回程方法，包括以下步驟：

步驟a、獲取無線多跳網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)信息，所述網(wǎng)絡(luò)信息至少包括無線接收點(diǎn)信息及信道參數(shù)；

步驟b、生成若干個(gè)初始回程路徑，且每個(gè)初始回程路徑均滿足以無線多跳網(wǎng)絡(luò)中的宏基站為根節(jié)點(diǎn)，連接所有無線接收點(diǎn)后形成初始回程路徑樹；

步驟c、計(jì)算所述初始回程路徑樹中第i個(gè)無線接入點(diǎn)服務(wù)的第j個(gè)用戶可獲得的速率；

步驟d、計(jì)算所述初始回程路徑樹中所有無線接入點(diǎn)的傳輸能量，并選取無線接入點(diǎn)的傳輸能量滿足無線接入點(diǎn)的傳輸能量上限的t個(gè)初始回程路徑樹；

步驟e、將所選取的t個(gè)初始回程路徑樹進(jìn)行prufer編碼獲得t個(gè)整數(shù)序列，并將所得整數(shù)序列分別轉(zhuǎn)化為染色體編碼；

步驟f、將所述t個(gè)初始回程路徑樹作為父代路徑樹，利用父代路徑樹所對應(yīng)的父代染色體交配產(chǎn)生子代的初始染色體；及將子代的初始染色體進(jìn)行交叉和變異后所得的子代染色體翻譯，得到對應(yīng)的子代路徑樹；

步驟g、對步驟f所得所有子代路徑樹，判斷其是否滿足無線接入點(diǎn)的傳輸能量上限，并根據(jù)符合無線接入點(diǎn)的傳輸能量上限的子代路徑樹與父代路徑樹均計(jì)算目標(biāo)函數(shù)獲得數(shù)值；并對計(jì)算得到的目標(biāo)函數(shù)數(shù)值排序，選取其中前t個(gè)目標(biāo)函數(shù)數(shù)值對應(yīng)的子代路徑樹和父代路徑樹作為新一代的回程路徑樹；

步驟h、將步驟g選取的新一代的回程路徑樹翻譯得到對應(yīng)的染色體，且將所翻譯的t個(gè)染色體作為新一代的父代染色體，并重復(fù)所述步驟f至步驟g，直至最大種群代數(shù)；選取所計(jì)算的目標(biāo)函數(shù)最大的路徑樹作為最終無線回程路徑。

進(jìn)一步地，作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述步驟c計(jì)算初始回程路徑樹中第i個(gè)無線接入點(diǎn)服務(wù)的第j個(gè)用戶可獲得的速率采用公式：

rij(p)＝log(1+γij(p))

其中，第i個(gè)無線接入點(diǎn)內(nèi)第j個(gè)用戶的信噪比γij(p)；

且

所述hi為第i個(gè)無線接入點(diǎn)到宏基站的回程路徑信道參數(shù)，pij|hiij|²為第i個(gè)無線接入點(diǎn)內(nèi)第j個(gè)用戶接收到的信息；所述為第i個(gè)無線接入點(diǎn)內(nèi)第k個(gè)小蜂窩用戶的干擾，為第i個(gè)無線接入點(diǎn)的相鄰無線接入點(diǎn)產(chǎn)生的干擾。

進(jìn)一步地，作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述步驟d計(jì)算無線接入點(diǎn)的傳輸能量采用公式：

其中，pi為第i個(gè)無線接入點(diǎn)的傳輸能量；pelse為經(jīng)由第i個(gè)接入點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信號的傳輸能量；ui為第i個(gè)無線接入點(diǎn)所服務(wù)的用戶集。

進(jìn)一步地，作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述步驟g計(jì)算目標(biāo)函數(shù)采用公式：

η＝ra·log0.5δr·e^-p

其中，ra為平均用戶速率；δr為用戶速率標(biāo)準(zhǔn)差；p為系統(tǒng)消耗的總能量。

本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，能產(chǎn)生如下技術(shù)效果：

本發(fā)明提出了雙層異構(gòu)場景下基于遺傳理論的多跳無線回程方法。所述方法針對雙層異構(gòu)場景下，當(dāng)無線接入點(diǎn)由于發(fā)射半徑的限制而不能直接接入宏基站時(shí)，利用多跳方式來進(jìn)行無線回程時(shí)路由選擇的問題。本方法綜合考慮了網(wǎng)絡(luò)無線回程速率、各接入點(diǎn)無線發(fā)射半徑、總體網(wǎng)絡(luò)的回程功率、回程路由之間的干擾等因素，提出了一種既能得到最大總回程速率又能照顧用戶公平性的計(jì)算無線回程路徑的方法。本發(fā)明方法既能兼顧功率和速率的要求，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源；又非常簡單而易于實(shí)現(xiàn)，具有很好的應(yīng)用前景。

因此，本發(fā)明的方法進(jìn)行路由選擇時(shí)主要考慮回程速率、回程功率、發(fā)射半徑、用戶公平性、路由間干擾等因素。相較于以前的研究，本專利一方面考慮了無線接入點(diǎn)的發(fā)射半徑限制，并引入了多跳回程來解決這一問題；另一方面，本專利考慮到了用戶之間的公平性，以防止在追求網(wǎng)絡(luò)總回程速率最大功率最低時(shí)，出現(xiàn)某些無線接入點(diǎn)的回程速率過低乃至于回程速率為零的情況。

附圖說明

圖1為本發(fā)明層異構(gòu)場景下基于遺傳理論的多跳無線回程方法的流程示意圖。

圖2為本發(fā)明無線路由選擇考慮因素的原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行描述。

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種雙層異構(gòu)場景下基于遺傳理論的多跳無線回程方法，該方法具體包括兩個(gè)階段，回程數(shù)據(jù)的收集階段和回程路線的選擇階段。對于回程數(shù)據(jù)的收集階段，在這一階段，各無線接入點(diǎn)首先收集在自身小區(qū)內(nèi)需要進(jìn)行回程的用戶信息。對于處于小區(qū)交界處的用戶需要回傳信息，無線接入點(diǎn)將會首先判斷用戶的回程數(shù)據(jù)是否可以分割傳遞。若數(shù)據(jù)不可分割，用戶的回程數(shù)據(jù)將會自動通過距離最近的小基站進(jìn)行回傳；若數(shù)據(jù)可分割，無線接入點(diǎn)間將會進(jìn)行協(xié)同合作，根據(jù)自身業(yè)務(wù)承載情況進(jìn)行合理分割再回傳數(shù)據(jù)。然后，無線接入點(diǎn)將會收集其與可連接無線接入點(diǎn)之間的信道信息。最后，所有的無線接入點(diǎn)將利用“洪泛法”把各項(xiàng)信息匯總至宏基站。

對于回程路線的選擇階段，在這一階段，宏基站收集完所有無線接入點(diǎn)的基本信息后，首先產(chǎn)生宏蜂窩內(nèi)的路由狀態(tài)信息和小基站拓?fù)鋱D。接著，宏基站依照一定約束產(chǎn)生遺傳算法所需的初始路由。然后，宏基站根據(jù)遺傳算法得出最優(yōu)路由并依此分配各無線接入點(diǎn)的回程路由。

具體地，本方法包括以下步驟：

步驟a、獲取無線多跳網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)信息，所述網(wǎng)絡(luò)信息至少包括無線接收點(diǎn)信息及信道參數(shù)。

利用“洪泛式”的方法獲取網(wǎng)絡(luò)信息，包括m個(gè)無線接入點(diǎn)位置、第i個(gè)無線接入點(diǎn)到第j個(gè)無線接入點(diǎn)之間的信道參數(shù)hij、第k個(gè)小蜂窩內(nèi)第i個(gè)無線接入點(diǎn)到第j個(gè)用戶的信道參數(shù)hkij、第i個(gè)無線接入點(diǎn)到第j個(gè)用戶的傳輸能量pij、第i個(gè)無線接入點(diǎn)的半徑為di、噪聲功率n0，完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱Do。

令集合sa＝{1,2,...,m}為無線接入點(diǎn)集，m為無線接入點(diǎn)個(gè)數(shù)；集合ui為第i個(gè)無線接入點(diǎn)所服務(wù)的用戶集。由于無線接入點(diǎn)有發(fā)射半徑上限，令集合gi為第i個(gè)無線接入點(diǎn)發(fā)射半徑內(nèi)的無線接入點(diǎn)集。

步驟b、生成若干個(gè)初始回程路徑，且每個(gè)初始回程路徑均滿足以無線多跳網(wǎng)絡(luò)中的宏基站為根節(jié)點(diǎn)，連接所有無線接收點(diǎn)后形成初始回程路徑樹。即路徑滿足以下條件：1)路徑為拓?fù)鋱Do的一棵樹；2)路徑連接所有無線接入點(diǎn)；3)路徑根節(jié)點(diǎn)為宏基站。滿足以上三個(gè)條件的成為一棵初始回程路徑樹，使得初始回程路徑可以形成多個(gè)初始回程路徑樹。

步驟c、然后，計(jì)算所述初始回程路徑樹中第i個(gè)無線接入點(diǎn)服務(wù)的第j個(gè)用戶可獲得的速率可表示為:

rij(p)＝log(1+γij(p))(1)

其中，第i個(gè)無線接入點(diǎn)內(nèi)第j個(gè)用戶的信噪比γij(p)：

hi為第i個(gè)無線接入點(diǎn)到宏基站的回程路徑信道參數(shù)，pij|hiij|²為第i個(gè)無線接入點(diǎn)內(nèi)第j個(gè)用戶接收到的信息?？紤]到路徑間干擾，主要包括本小蜂窩內(nèi)干擾和臨近小蜂窩對本小蜂窩產(chǎn)生的干擾，其中為第i個(gè)無線接入點(diǎn)內(nèi)第k個(gè)小蜂窩用戶的干擾，為第i個(gè)無線接入點(diǎn)的相鄰無線接入點(diǎn)產(chǎn)生的干擾。并且，hl是第l個(gè)無線接入點(diǎn)到宏基站的回程路徑信道參數(shù)，與之前的hi表達(dá)的意思基本相同，區(qū)別在于l是屬于gi的，是第l個(gè)無線接入點(diǎn)發(fā)射半徑內(nèi)的一個(gè)無線接入點(diǎn)。hilk是第i個(gè)小蜂窩內(nèi)第l個(gè)無線接入點(diǎn)到第k個(gè)用戶的信道參數(shù)，與之前的hkij含義基本相同。

步驟d、計(jì)算所述初始回程路徑樹中所有無線接入點(diǎn)的傳輸能量，其中第i個(gè)無線接入點(diǎn)的傳輸能量為pi：

所述pelse為經(jīng)由第i個(gè)接入點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信號的傳輸能量，ui為第i個(gè)無線接入點(diǎn)所服務(wù)的用戶集。若對于所有的無線接入點(diǎn)均有pi≤pmax，則此路徑樹為滿足約束條件無線接入點(diǎn)的傳輸功率上限的回程路徑樹，將其記錄下來。然后重復(fù)步驟b-d直至獲得t個(gè)初始回程路徑樹。pmax是無線接入點(diǎn)的傳輸功率上限，是一個(gè)常數(shù)。

步驟e、將所得t個(gè)初始回程路徑樹進(jìn)行prufer編碼獲得t個(gè)整數(shù)序列，并將所得整數(shù)序列分別轉(zhuǎn)化為0-1形式的染色體編碼。

步驟f、將所述t個(gè)回程路徑樹作為父代路徑樹，根據(jù)父代路徑樹所對應(yīng)的父代染色體交配產(chǎn)生子代的初始染色體；及將子代的初始染色體進(jìn)行交叉和變異后所得的子代染色體翻譯，得到對應(yīng)的子代路徑樹。具體為：

根據(jù)交叉率產(chǎn)生進(jìn)行交叉操作的染色對，即用交叉率乘以種群數(shù)量t得到經(jīng)行交叉操作的染色體個(gè)數(shù)，然后利用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生進(jìn)行交叉操作的染色體對w1和w2。假設(shè)w1和w2為以下兩串二進(jìn)制串：

w1＝[1001010111001]

w2＝[1011000100111]

由計(jì)算機(jī)隨機(jī)生成一個(gè)在1～13之間的整數(shù)，因?yàn)檎麄€(gè)染色體二進(jìn)制串長度為13。假設(shè)所得的整數(shù)位2，那么將兩個(gè)染色體從第2位開始分割開，并把兩個(gè)染色體串的第3位到第13位整體做交換生成子代染色體，即：

再根據(jù)變異率產(chǎn)生變異染色體位置，仍然假設(shè)染色體二進(jìn)制長度為13，則總共有t×13個(gè)基因，再用變異率乘以總基因數(shù)則得到了突變基因個(gè)數(shù)q，此時(shí)用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生q個(gè)介于1到t×13之間的隨機(jī)整數(shù)，此即為突變基因的位置。假設(shè)其中得到的一個(gè)突變基因位置整數(shù)為z，用z除以t得到的商為7，余數(shù)為3，那么將第7個(gè)染色體二進(jìn)制串的第3位進(jìn)行突變得到子代染色體，即將w7＝[0111011011010]變?yōu)?imgfile="bda0001297814060000072.gif"wi="533"he="62"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>

最后，將子代染色體翻譯回對應(yīng)的子代路徑樹。

步驟g、對步驟f所得所有子代路徑樹，判斷其是否符合無線接入點(diǎn)的傳輸能量上限pmax，并根據(jù)符合該約束條件的子代路徑樹與父代路徑樹均計(jì)算以下函數(shù)：

令用戶總數(shù)為n，計(jì)算平均用戶速率為ra：

對于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)來說，平均用戶速率代表了網(wǎng)絡(luò)回程總速率的大小，平均用戶速率越大，網(wǎng)絡(luò)回程總速率越大。

計(jì)算用戶速率標(biāo)準(zhǔn)差δr：

考慮到用戶之間的公平性，引入用戶速率標(biāo)準(zhǔn)差變量。用戶之間的公平性即指減小各用戶之間的速率差距，使得每個(gè)用戶能得到相同水平的通信服務(wù)質(zhì)量，減少個(gè)別用戶速率過低的情況。其中，rij指的是步驟c中計(jì)算出的第i個(gè)無線接入點(diǎn)服務(wù)的第j個(gè)用戶可獲得的速率。

計(jì)算系統(tǒng)消耗的總能量p：

其中，p0為系統(tǒng)電路的固定消耗，pmax無線接入點(diǎn)的傳輸能量上限，由于發(fā)射能量限制，p≤pmax。

計(jì)算目標(biāo)函數(shù)maxη：

η＝ra·log0.5δr·e^-p(7)

計(jì)算目標(biāo)函數(shù)獲得數(shù)值；并對計(jì)算得到的目標(biāo)函數(shù)數(shù)值排序，選取其中前t個(gè)目標(biāo)函數(shù)數(shù)值對應(yīng)的子代路徑樹和父代路徑樹作為新一代的回程路徑樹。即根據(jù)計(jì)算的目標(biāo)函數(shù)中η的值，從大到小排序，可以從父代和子代兩代回程路徑樹中，選擇前t個(gè)目標(biāo)函數(shù)數(shù)值對應(yīng)子代路徑樹和父代路徑樹，并將其作為新一代的回程路徑樹。

步驟h、將步驟g選取的新一代的回程路徑樹翻譯得到對應(yīng)的染色體，且將所翻譯的t個(gè)染色體作為新一代的父代染色體，并重復(fù)所述步驟f至步驟g，直至最大種群代數(shù)，完成最后一次循環(huán)；然后，選取所計(jì)算的目標(biāo)函數(shù)η值最大的路徑樹作為最終無線回程路徑。

所述宏基站根據(jù)上述得出最終無線回程路徑確定最優(yōu)路由，并依此分配各無線接入點(diǎn)的回程路由，完成回程路線的選擇過程。

綜上，本方法綜合考慮了網(wǎng)絡(luò)無線回程速率、各接入點(diǎn)無線發(fā)射半徑、總體網(wǎng)絡(luò)的回程功率、回程路由之間的干擾等因素，提出了一種既能得到最大總回程速率又能照顧用戶公平性的計(jì)算無線回程路徑的方法。本發(fā)明方法既能兼顧功率和速率的要求，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源；又非常簡單而易于實(shí)現(xiàn)，具有很好的應(yīng)用前景。

上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式作了詳細(xì)說明，但是本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。