高级搜索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

一种基于接入与回传一体化小基站的用户满意度最大化算法

唐伦 刘云龙 赵旭 马润琳 陈前斌

唐伦, 刘云龙, 赵旭, 马润琳, 陈前斌. 一种基于接入与回传一体化小基站的用户满意度最大化算法[J]. 电子与信息学报, 2018, 40(9): 2088-2095. doi: 10.11999/JEIT171169
引用本文: 唐伦, 刘云龙, 赵旭, 马润琳, 陈前斌. 一种基于接入与回传一体化小基站的用户满意度最大化算法[J]. 电子与信息学报, 2018, 40(9): 2088-2095. doi: 10.11999/JEIT171169
Lun TANG, Yunlong LIU, Xu ZHAO, Runlin MA, Qianbin CHEN. A User Satisfaction Maximization Algorithm Based on Access and Backhaul Integrated Small Base Station[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2018, 40(9): 2088-2095. doi: 10.11999/JEIT171169
Citation: Lun TANG, Yunlong LIU, Xu ZHAO, Runlin MA, Qianbin CHEN. A User Satisfaction Maximization Algorithm Based on Access and Backhaul Integrated Small Base Station[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2018, 40(9): 2088-2095. doi: 10.11999/JEIT171169

一种基于接入与回传一体化小基站的用户满意度最大化算法

doi: 10.11999/JEIT171169
基金项目: 国家自然科学基金(61571073)
详细信息
    作者简介:

    唐伦:男,1973 年生,教授,博士,主要研究方向为新一代无线通信网络、异构蜂窝网络、软件定义无线网络等

    刘云龙:男,1992 年生,硕士生,研究方向为5G无线自回传网络中的资源分配问题

    赵旭:男,1989 年生,硕士生,研究方向为5G移动性管理

    马润琳:女,1993 年生,硕士生,研究方向为5G网络切片

    陈前斌:男,1967 年生,教授,博士生导师,主要研究方向为个人通信、多媒体信息处理与传输、下一代移动通信网络等

    通讯作者:

    陈前斌  cqb@cqupt.edu.cn

  • 中图分类号: TN929.5

A User Satisfaction Maximization Algorithm Based on Access and Backhaul Integrated Small Base Station

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61571073)
  • 摘要: 针对接入与回传一体化小基站场景下用户个性化视频流业务需求问题,该文提出一种基于接入与回传一体化小基站的用户满意度最大化算法。该算法首先根据系统实际可达速率和用户满意度需求速率间的不匹配程度,动态调整下一周期队列传输所需频谱资源,并建立用户质量满意度最大化模型,其次运用Lyapunov优化方法把初始问题转化为Lyapunov偏移加罚项的优化,将溢出概率约束转化为关于自变量的不等式,最后基于拉格朗日对偶分解的用户接入带宽分配算法和基于内点法的回传和接入带宽分配算法进行求解。仿真结果表明,该算法提高了系统用户质量满意度,同时保证了系统稳定性。
  • 图  1  系统场景图

    图  2  虚拟队列积压

    图  3  用户在连续时隙上的队列积压

    图  4  RQSAU与控制参数V 的关系

    图  5  不同资源分配方案的平均队列积压比较

    图  6  不同资源分配方案的RQSAU和队列稳定性比较

    图  7  不同资源分配方案的PSNR比较

    表  1  基于拉格朗日对偶分解的用户接入带宽分配算法

     算法1 基于拉格朗日对偶分解的用户接入带宽分配算法
     步骤1 初始化 ${{{π}} ^{(0)}},{o^{(0)}},{\delta ^{(0)}},{\sigma ^{(0)}}$, $\beta = 0.1$,终止条件 ${\varDelta _1} = {10^{ - 2}}$;
     步骤2 根据 ${\rm{P}}2.2$式(28)求计算UE接入带宽分配 ${\eta _{1,k}}$的表达式;
     步骤3 判定式 $||{Y^{(n + 1)}}(t) - {Y^{(n)}}(t)|| \le {\varDelta _1}$,若满足,则执行步骤
        6,否则执行步骤4;
     步骤4 根据梯度法更新对偶变量 ${{{π}} ^{(n)}},{o^{(n)}},{\delta ^{(n)}},{\sigma ^{(n)}}$;
     步骤5 $n = n + 1$,将更新的拉格朗日乘子值代入 ${\rm P}2.2$式(28)中计
        算,得到新的用户接入频带分配比例,并跳转步骤3;
     步骤6 获得UE接入带宽分配方案 ${\eta _{1,k}}\!\!\!\!^*\ $。
    下载: 导出CSV

    表  2  基于内点法的回传和接入带宽分配算法

     算法2 基于内点法的回传和接入带宽分配算法
     步骤1 取初始 ${\chi ^{\left( 0 \right)}},{\rho ^{\left( 0 \right)}},{\kappa ^{\left( 0 \right)}},{\omega ^{\left( 0 \right)}}$都>0,一般取各自初始值为1,
    误差 ${\varDelta _2} = {10^{ - 3}} > 0$;
     步骤2 用随机数生成法生成多个初始点,并选取满足约束条件的
        初始点 ${\beta ^{(0)}}$,令 $n = 1$;
     步骤3 构造惩罚函数 $\varphi \left( {\beta ,{\chi ^{(n)}},{\rho ^{(n)}},{\kappa ^{(n)}},{\varpi ^{(n)}}} \right)$,从 ${\beta ^{(n - 1)}}$点出发
        用无约束优化方法求惩罚函数的极值点:
             ${\beta ^*}\left( {{\chi ^{(n)}},{\rho ^{(n)}},{\kappa ^{(n)}},{\varpi ^{(n)}}} \right)$
     步骤4 检查迭代终止准则:如果满足
           $\left|\frac{{\varDelta \varphi }}{{\varphi \left( {{\beta ^*},{\chi ^{(n - 1)}},{\rho ^{(n - 1)}},{\kappa ^{(n - 1)}},{\varpi ^{(n - 1)}}} \right)}}\right| \le {\varDelta _2}$
    其中,
           $\begin{align} \Delta \varphi =& \varphi \left( {{\beta ^*},{\chi ^{(n)}},{\rho ^{(n)}},{\kappa ^{(n)}},{\varpi ^{(n)}}} \right) \\ &- \varphi \left( {{\beta ^*},{\chi ^{(n - 1)}},{\rho ^{(n - 1)}},{\kappa ^{(n - 1)}},{\varpi ^{(n - 1)}}} \right) \\ \end{align} $
    则停止迭代计算,并以 $\left( {{\beta ^*},{\chi ^{(n)}},{\rho ^{(n)}},{\kappa ^{(n)}},{\varpi ^{(n)}}} \right)$作为
    目标函数P2.3的局部最优解,否则转步骤5;
     步骤5 缩小惩罚因子, $n = n + 1$,转向步骤3。递减系数
         ${\omega _1},{\omega _2},{\omega _3},{\omega _4}$通常取值为0.1。
    下载: 导出CSV

    表  3  基于接入与回传一体化小基站的用户满意度最大化全局算法

     算法3 基于接入与回传一体化小基站的用户满意度最大化全局算法
     步骤1 初始化带宽分配比例 $\beta $和误差 $\varDelta = {10^{ - 5}}$;
     步骤2 根据式(27)求子问题 ${\rm{P}}2.1$UE回传带宽分配方案的局部最优解 ${\mu _k}\!\!^*$;
     步骤3 根据算法1求问题 ${\rm{P}}2.2$每个用户的接入带宽分配方案的局部最优 ${\eta _{1,k}}\!\!\!\!^*\ $;
     步骤4 将最优解 ${\mu _k}\!\!^*$与最优解 ${\eta _{1,k}}\!\!\!\!^*\ $代入式(26),根据算法2求问题 ${\rm{P}}2.3$回传带宽分配比例的局部最优解 ${\beta^*}$;
     步骤5 将 ${\mu _k}\!\!^*$与 ${\eta _{1,k}}\!\!\!\!^*\ ,{\beta ^*}$代入到最初目标问题P2中,检查收敛条件 $\left\| {f\left( {\eta _{1,k}^{(n)}(t),\mu _k^{(n)}(t),{\beta ^{(n)}}(t)} \right) - f\left( {\eta _{1,k}^{(n - 1)}(t),\mu _k^{(n - 1)}(t),{\beta ^{(n - 1)}}(t)} \right)}\right\| \le \varDelta $是否
        满足,否则令 $\beta = {\beta ^*}$,并依此执行步骤2 $ \sim $步骤5;当满足收敛条件,则获得最初问题 ${\rm P}2$的全局最优解 ${\beta ^*}$, ${\eta _{1,k}}\!\!\!\!^*\ $和 ${\mu _k}\!\!^*$。
    下载: 导出CSV

    表  4  仿真参数

    参数 数值 参数 数值
    载波频率 3.5 GHz 总用户数 15
    天线阵列数 ${K_T}$ 100 波束成形组大小 ${K_g}$ 20
    噪声功率谱密度 ${N_0}$ –174 dBm/Hz 宏基站天线模型 MIMO波束赋形[6]
    宏基站发送功率 ${P_0}$ 46 dBm 天线阵列数目是 ${K_T}$ 100
    小基站发送功率 ${P_{}}$ 33 dBm 业务相关系数 $\zeta $ 6, 9, 12
    用户业务模型 到达率1 packet/slot 业务质量需求UE 30, 45, 60
    下载: 导出CSV
  • JABER M, IMRAN M A, TAFAZOLLI R, et al. 5G backhaul challenges and emerging research directions: A survey[J]. IEEE Access, 2017, 4: 1743–1766 doi: 10.1109/ACCESS.2016.2556011
    GE Xiaohu, TU Song, MAO Guoqiang, et al. 5G ultra-dense cellular networks[J]. IEEE Wireless Communications, 2016, 23(1): 72–79 doi: 10.1109/MWC.2016.7422408
    ROBSON J. Small cell backhaul requirements[R]. A White Paper by the NGMN Alliance, Cambridge: NGMN, 2012.
    SIDDIQUE U, TABASSUM H, and HOSSAIN E. Adaptive in-band self-backhauling for full-duplex small cells[C]. IEEE International Conference on Communication Workshop, London, UK, 2015: 44–49.
    TAORI R, and SRIDHARAN A. Point-to-multipoint in-band mmwave backhaul for 5G networks[J]. IEEE Communications Magazine, 2015, 53(1): 195–201 doi: 10.1109/MCOM.2015.7010534
    WANG Ning, HOSSAIN E, BHARGAVA V K. Joint downlink cell association and bandwidth allocation for wireless backhauling in two-tier hetNets with large-scale antenna arrays[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2016, 15(5): 3251–3268 doi: 10.1109/TWC.2016.2519401
    NEELY Michael. Stochastic Network Optimization with Application to Communication and Queueing Systems[M]. San Rafael, USA: Morgan & Claypool, 2010: 149–152.
    CHEN Lei, YU F. Green full-duplex self-backhaul and energy harvesting small cell networks with massive MIMO[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2016, 34(12): 3709–3724 doi: 10.1109/JSAC.2016.2611846
    XU Yiran, Hu Rose Qiyang, QIAN Yi, et al. Video quality-based spectral and energy efficient mobile association in heterogeneous wireless networks[J]. IEEE Transactions on Communications, 2016, 64(2): 805–817 doi: 10.1109/TCOMM.2015.2503760
    LAKSHMINARAYANA S, ASSAAD M, and DEBBAH M. Transmit power minimization in small cell networks under time average QoS constraints[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2015, 33(10): 2087–2103 doi: 10.1109/JSAC.2015.2435312
    LIU Yinjun, LU Lu, LI Geoffrey Ye, et al. Joint user association and spectrum allocation for small cell networks with wireless backhauls[J]. IEEE Wireless Communications Letters, 2017, 5(5): 496–499 doi: 10.1109/LWC.2016.2593465
    HUANG Jianwei, SUBRAMANIAN V, AGRAWAL R, et al. Downlink scheduling and resource allocation for OFDM systems[C]. 2006, IEEE International Conference on Information Sciences and Systems, Princeton, USA, 2007: 288–296.
    YUN H C, KIM H, LEE S H, et al. A QoE-aware proportional fair resource allocation for multi-cell OFDMA networks[J]. IEEE Communications Letters, 2015, 19(1): 82–85 doi: 10.1109/LCOMM.2014.2367115
  • 加载中
图(7) / 表(4)
计量
  • 文章访问数:  3070
  • HTML全文浏览量:  567
  • PDF下载量:  40
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2017-12-12
  • 修回日期:  2018-05-07
  • 网络出版日期:  2018-07-12
  • 刊出日期:  2018-09-01

目录

    /

    返回文章
    返回