[发明专利]一种分布式端到端用户和蜂窝网络用户关联及时间分配方法

摘要

一种分布式的端到端用户和蜂窝网络用户关联及时间分配方法，当DU i和CU j关联时，计算它们的吞吐率；将问题建模为在保证单个用户最小吞吐率的情况下，最大化系统吞吐率问题；当DU i和CU j关联时，为它们分配时间片；建模DU和CU关联子问题，转换为最大权重二分匹配问题；DU向CU广播峰值速率和最小数据速率，CU向DU发送时间片大小和吞吐量；DU和CU计算各自邻居集合，选择初始收益，向邻居广播收益，向对方出价，估计各自利润,然后更新收益；所有DU和CU迭代执行出价，更新收益；CU判断是否关联DU，DU查找它关联的CU。本发明在CU和DU混合网络中，保证单个用户最小数据率的情况下，最大化系统吞吐量。

主权项

一种分布式端到端用户(DU)和蜂窝网络用户(CU)关联及时间分配方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：1)对于一个具有N个DU和M个CU的混合网络，M≥N，当DU i与CU j关联时，1≤i≤N，1≤j≤M，DU i和CU j的吞吐率分别为：RijD=b(1-αij)xijlog2(1+piDgijni)]]>RijC=bαijxijlog2(1+pjCgjnj)---(1)]]>其中，式中各参数定义如下：DU i的吞吐率；CU j的吞吐率；b：CU j的上行链路的带宽；αij：分配给CU j的时间片；1‑αij：分配给DU i时间片大小；xij：指示变量，xij＝1表示DU i和CU j相关联，xij＝0表示DU i和CU j不相关联；DU i的传输功率；CU j的传输功率；gij：发送者DU i和接收者之间的信道增益；gj：CU j和基站之间的信道增益；ni：DU i相应的接收者的噪声功率；nj：CU j相应的接收者的噪声功率；2)在保证单个DU和CU的最小吞吐率的情况下，允许DU共享CU的蜂窝网络资源以最大化系统的吞吐量，所以，问题描述为：maxΣj=1M(Σi=1N(RijC+RijD)+Cjxj^)---(2)]]>约束条件：Σi=1NRijC≥Rj,minC,]]>Σj=1Mxij≤1,]]>Σi=1Nxij+xj^≤1,]]>0≤αij≤1,其中，式中各参数定义如下：DU i的最小数据速率；CU j的最小数据速率；Cj：为简化符号，用Cj表示表示CU j不和任何DU关联，表示CU j和某一个DU关联；N个DU用户的集合，M个CU用户的集合，问题(2)使用凸优化理论难以解决，将该问题(2)分解为时间分配优化子问题和DU与CU关联优化子问题；3)当DU i和CU j关联时，时间分配优化子问题为maxαij(1+αij)Dij+αijCj---(3)]]>约束问题：αijCj≥Rj,minC,]]>0≤αij≤1问题(3)是具有一个变量的线性优化问题，如果该问题存在一个最优解α′ij,则α′ij为所以，在最优情况下，DU i和CU j的总吞吐量Wij为Wij＝(1‑α′ij)Dij+α′ijCj  (5)其中，式中各参数定义如下：Dij：为简化符号，用Dij表示如果问题(3)不存在最优解，则令Wij＝0，xij＝0；4)DU与CU关联优化子问题用下式表示：maxΣj=1MΣi=1NWtjxij+Σj=1MCjxj^---(6)]]>约束条件：Σi=1Nxij+xj^≤1,]]>问题(6)是一个二元线性优化问题，它的前两个约束条件对应的约束矩阵是一个完全幺模矩阵，因此放宽问题(6)的约束条件，得到(7)：maxΣj=1MΣi=1NWijxij+Σj=1MCjxj^---(7)]]>约束条件：Σi=1Nxij+xj^≤1,]]>5)当CU和DU关联时，有一部分CU没有关联到DU用户，假设存在M个虚拟的DU用户，如果CU j没有关联的DU，则把该CU视作和虚拟的DUj相关联，因此，问题(6)转化为一个从集合到集合的最大权重的二分匹配，问题(6)的对偶问题是：minΣj=1Myj+Σi=1Nxi+Σj=1Mzj---(8)]]>约束条件：其中，式中各参数定义如下:yj:CU j的收益；xi：DU i的收益；zj：虚拟DU j的收益；6)每个DU i向所有的CU广播一个信息，该信息包括DU i的峰值速率Dij和最小数据速率每一个CUj收到DU i发来的信息后，求解问题(3)，然后将Wij和时间片1‑αij通知DU i；7)每个DU i根据收到的信息求出它的邻居集合每个CU j根据它收到的信息求出它的邻居集合8)每个DU和CU从[0,Wij]中随机的选择收益和每一个CU j从[0,Cj]中随机选择收益每一个虚拟DU j的收益为选择一个近似因子∈>0，令t＝1；9)每一个DU i将它的收益通知每一个邻居CU j，每一个CU j将它的收益通知每一个邻居DU i；10)每一个DUi根据公式(9)向CUj出价每一个CUj根据公式(9)向DU i出价其中符号[·]+表示投影到非负象限；每一个虚拟的DUj根据公式(10)向CU j出价每一个CU j根据公式(10)向虚拟的DU j出价其中，由于每一个虚拟的DU j只允许和CU j关联，因此对于所有的t，的值均为0；11)每个DU和CU通过公式(11)估计它的利润然后通过公式(12)更新它们的收益；其中，k∈(0,1)，k接近0表示更新前后的e值差别不大，k接近1表示更新后的值受邻居出价影响较大，表示i的邻居集合中除去元素j；更新完毕后，将t加1，t＝t+1；12)令如果max{A,B,C}≤∈，则转到步骤13)，否则转到步骤9)；13)每一个DU和CU根据公式(11)获得最优的利润，假设它们相应的最优利润为每一个CUj判断是否关联DU，如果则CUj不和任何DU关联，然后CUj将通知给它的邻居；14)每一个DUi查找它关联的CU，如果则DUi可以和CUj关联，这样DUi就和CUj共享上行链路资源。