[发明专利]基于POMDP的受控无线网络系统动态资源分配方法

摘要

基于POMDP的受控无线网络系统动态资源分配方法，属于受控无线网络与通信资源分配领域。通过构造小区用户接入基站数的状态转移矩阵和反馈观测矩阵，计算用户信度状态概率和用户依据基站天线开启数所获得的传输速率，从而判决系统获得最大收益时的基站天线开启数与最优用户接入数，完成小区内最优资源分配。本发明是在小区中存在多个用户和一个多天线基站的情况下，分别以小区内用户接收功率最大和用户数据传输误码率最小，从而获得最大系统收益为目标，确定最终的基站天线开启数和用户接入基站数。本发明克服了能源过度消耗、小区基站负载较大、天线开启与用户接入数不匹配等问题。在提高用户接收功率、抗干扰和系统整体收益方面具有一定的优势。

主权项

基于POMDP的受控无线网络系统动态资源分配方法，其特征在于：在某个通信小区内，包含有一个具有N根天线的基站和M个单天线的用户，当已知小区用户接入数的状态转移概率矩阵和反馈网络用户接收功率和数据传输误码率的QoS指标的观测矩阵后，依据某一时刻用户接入数的信度状态概率，从而获得此时刻具有最大收益的基站天线开启数和下一时刻小区用户最优接入数，具体依次按以下步骤实现：步骤(1)，系统初始化，根据实际情况有：小区内包含有M个单天线用户，某一时刻，需要接入基站的用户数表示为s1,s2,…,sm,…,sM，sm表示有m个用户接入基站，同时，包含有一个N根天线的基站，开启天线数表示为T1,T2,…,Tn,…,TN，Tn表示基站开启n根天线；基站与各用户之间的传输带宽为B，信道衰落系数均为hS,D，基站发送功率为Ptotal，各发送天线均相同，对应每根天线的发送功率Ptr＝Ptotal/N，系统噪声功率表示为σ；步骤(2)，构造用户接入基站数的状态转移矩阵：根据基站开启各个天线数，确定小区内用户接入数的转移概率矩阵，当基站开启天线数为Tn时，小区用户接入数转移概率矩阵Sn表示为：用si表示当前时刻，用户接入基站数为i个，其中1≤i≤M，s'j表示下一时刻，用户接入基站数为j个，其中1≤j≤M，pij表示用户接入基站数从i个到j个的概率，其计算方法表示如下：当基站开启天线数为Tn时，随机重复A次观测，观察用户接入数转移情况，当用户接入基站数从i个转移到j个共有B(B≤A)次时，概率pij表示为：pij=B{m=j}A;]]>步骤(3)，构造反馈观测矩阵：根据反馈控制策略，针对系统待优化的反馈QoS目标，即用户接收功率和用户传输误码率，确定观测矩阵，具体步骤如下：步骤(3.1)，当开启天线数为Tn，用户接入基站数为m时，计算用户接收功率，表示为：Puser_m=m·Tn·Ptr·(lnHn)-hS,D]]>其中，基站的发射功率为Ptotal，每一根天线的发射功率表示为Ptr＝Ptotal/N，ln为基站与用户之间的距离，Hn为用户天线高度，hS,D为路径衰落系数；步骤(3.2)，当开启天线数为Tn，用户接入基站数为m时，计算用户传输误码率：小区内用户接收基站发送数据的误码率会随用户接入数与基站开启数，以及路径损耗有关，因此，用户接收误码率表示为：Pe=(SNR)-(m·Tn)]]>SNR=10lg(1+Tn·Ptrσ2)]]>步骤(3.3)，当基站开启天线数为Tn时，根据用户接收功率和用户传输误码率，计算系统反馈观测概率矩阵On，表示为：其中，o1表示考虑用户接收功率所带来的影响，o2表示考虑数据传输误码率所带来的影响，ppm1表示在用户接入数是m个的情况下，满足用户接收功率的门限阈值α的概率，ppm2表示在用户接入数是m个的情况下，满足用户误码率的门限阈值β的概率，门限阈值α和β分别满足：0<α≤M·Tn·Ptr·(lnHn)-hS,D]]>(SNR)-(Tn)<β≤(SNR)-(M·Tn)]]>ppm1和ppm2的计算方法如下：ppm1=1-δPuser_m≥aδPuser_m<a]]>ppm2=1-ϵPe>βϵPe≤β]]>其中，δ和ε分别满足：0<δ≤1,0<ε≤1步骤(4)，在完成步骤(1)‑步骤(3)构造用户数转移矩阵和反馈观测矩阵后，开始计算每一时刻的最优资源分配，按下式计算所述的用户信度状态概率，即根据天线开启数Tn所对应的状态转移矩阵Sn和反馈观测矩阵On，以及上一时刻k‑1的用户信度状态值b(s)nlm，计算此时刻k的bnlm值：bnlm=ηOn(ol|sm′,Tn)Σsm=s1sm=sMSn(sm′|sm,Tn)b(s)nlm]]>η＝1/Pr(o|b,T)Pr(o|b,T)=Σsm′=s1′sm′=sM′On(ol|sm′,Tn)Σsm=s1sm=sMSn(s′m|sm,Tn)b(s)nlm]]>其中，Sn(s'm|sm,Tn)表示在基站开启天线数为Tn时，用户接入数从sm转移到s'm的概率，On(ol|s'm,Tn)表示在基站开启天线数为Tn时，接入用户数s'm对应第l种反馈QoS优化目标的概率，l＝1或l＝2，η为中间变量，第一时刻的初始b(s)nlm值设定为：分别计算后，分别带入bnlm值，得到在基站天线开启数从1至TN、接入用户数从1到M、对应两种反馈QoS优化目标的b'(s')nlm矩阵：步骤(5)，计算基站开启天线数为Tn、接入用户数为sm时的系统传输速率cnm，即对应各种情形所获得的数据传输速率C：其中，步骤(6)，根据步骤(4)所得的b'(s')nlm和步骤(5)所得的数据传输速率C，计算系统在考虑第l种反馈QoS优化目标时，l＝1或l＝2，基站天线开启数从1至Tn所获得的系统收益其中，Rnm＝cnm·bnlm；步骤(7)，确定优化目标：步骤(7.1)，对应第l种反馈QoS优化目标方法，确定收益表示为：Rol=maxR(Tn,Puser_m,Pe)]]>即选取中最大的Rnm所对应的Tn，即为当前时刻k时，对应考虑第l种反馈QoS优化目标方法时应开启的基站天线数，l＝1或l＝2，对应的sm，即为下一时刻k+1时，小区用户接入数的初始状态b(s)nlm；步骤(7.2)，综合考虑用户接收功率和数据传输误码率的最大收益，表示为：Rtotal=γRo1+λRo2]]>其中，γ和λ分别为两种反馈QoS优化目标方法所对应的权重系数，满足：0<γ≤1,0<λ≤1γ+λ=1,]]>若优先考虑用户接收功率，则有γ>λ；若优先考虑数据传输误码率，则有γ<λ。