一种提高网络可扩展度的用户关联方法及系统与流程

1.本发明属于无线通信技术领域，涉及一种提高去蜂窝网络可扩展度的技术方案，具体是去蜂窝用户中心网络中的一种基于网络耦合度的用户关联方法及系统。


背景技术：

2.去蜂窝用户中心网络，通过引入“用户中心”理念及分布式协作的思想，打破小区服务边界，由用户根据其需求，在网络中密集部署的大量接入点(access point,ap)中选择合适的ap簇(ap group,apg)协同为其服务，消除概念上的边缘用户，突破传统蜂窝网络因密集小区间干扰造成的性能瓶颈。现有技术研究表明，该网络架构在频谱效率和能量效率方面具有显著优势，得到了国内外研究学者的广泛关注，并被推荐作为6g的候选网络架构。
3.然而，去蜂窝用户中心网络的协作特性对信息传输的实现在可扩展性、复杂度方面带来了挑战。首先，网络中分布的大量ap通过与中心处理单元(central processing unit,cpu)连接，协作服务网络中的众多用户；当网络需服务的用户趋于无穷时，ap及cpu间的信息交互及数据计算是无法支撑的，导致该架构在数据处理、功率控制等方面存在可扩展性的问题；其次，用户根据各自需求选取为其服务的apg，不可避免的会出现apg间的重叠，造成ap间及用户间的耦合，增加了ap的数据处理复杂度，以及ap及用户动态变化时更新策略的复杂度。由以上分析可知，用于表征ap与用户间连接关系的用户关联策略对上述挑战有重要影响。因此，有必要以解决网络信息传输的可扩展性问题及高复杂度问题为目标，设计用户关联策略，以促进去蜂窝用户中心网络下信息传输的实现。
4.针对以上问题，目前已有研究主要采用两种解决思路。一种思路是通过限制ap服务的用户数，适应有限的网络信息交互及数据处理条件，进而解决可扩展性问题。该方式需采用强制分配方式或竞争机制，保证每个用户能够成功接入网络，因此，新用户接入过程中不可避免地会影响原网络节点间的关联，导致该方式具有较高的复杂度及信息交互。另一种思路是基于网络中心与用户中心相结合的用户关联策略。该策略以在apg内进行数据处理为出发点，首先预定义多个以网络为中心的apg，然后用户根据需求选择为其服务的ap，最后由被选ap所在的所有apg为其服务，避免了ap与cpu间大量的数据交换及ap间的复杂耦合。但是用户节点变动时，该节点涉及的apg内所有ap均需重新进行功率分配，导致该策略具有较高的复杂度。综上，针对网络节点变动的情况，以上研究仍存在高复杂度及高资源需求的问题，即本发明所提的可扩展度低的问题。


技术实现要素：

5.针对去蜂窝用户中心网络中现有用户关联策略可扩展度低的问题，本发明提供了一种基于网络耦合度的用户关联方法及系统。
6.本发明采取如下技术方案：
7.一种提高网络可扩展度的用户关联方法，按如下步骤：
8.步骤1：确定apg候选集及gk，同时初始化用户k的apg表示为与用户k间性
能最好的ap称为主ap，记为gk；
9.步骤2：apg合并，并更新
10.步骤3：ap选择退出的apg，并更新
11.步骤4：验证用户速率性能。
12.优选的，步骤1具体如下：用户根据元素r
i,k
的大小筛选出用户关联的ap数上限个服务质量好的ap组成r
i,k
为表征ap i与用户k间服务质量的参数(如参考信号接收强度、信道增益、信息速率等)，并将服务质量最好的ap作为用户的主ap
13.即
[0014][0015]
同时，初始化为
[0016][0017]
优选的，步骤2具体如下：cpu将重叠率超过β0的apg合并为β0表示apg间的重叠率上限，并对其进行更新，直至中无满足条件的表示还未参与合并的apg集合。
[0018]
优选的，步骤3具体如下：如果ap所关联的ap数目超过n0或其关联用户数超过n0为ap所关联的ap数目上限，为ap可服务的用户数上限，则ap i通过以下方法选择退出的apg：
[0019]
1)筛选出未将其作为主ap的apg，作为待退出apg的候选集即
[0020]
2)根据式(3)，在中选择退出的apg：
[0021][0022]
其中，表示ap i退出apg前后的网络耦合度κ的变化；
[0023]
更新为：
[0024]
优选的，步骤4具体如下：对于通过步骤2及步骤3发生变化的用户k，验证apg变更后是否仍能满足rk≥r
k,min
的速率需求；若不满足，根据式(4)选择加入的ap：
[0025][0026]
其中，表示apg内性能需求未得到满足的用户集合，表示ap i加入apg前后
的网络耦合度κ的变化；假设表示为
[0027][0028]
更新为：
[0029]
执行该步骤4直至满足所有用户的速率需求。
[0030]
本发明还公开了一种提高网络可扩展度的用户关联系统，包括如下模块：
[0031]
确定候选集模块：用于确定apg候选集及gk，同时初始化用户k的apg表示为与用户k间性能最好的ap称为主ap，记为gk；
[0032]
合并模块：用于将apg合并，并更新
[0033]
选择退出模块：用于ap选择退出的apg，并更新
[0034]
验证模块：用于验证用户速率性能。
[0035]
优选的，确定候选集模块具体如下：用户根据元素r
i,k
的大小筛选出用户关联的ap数上限个服务质量好的ap组成r
i,k
为表征ap i与用户k间服务质量的参数(如参考信号接收强度、信道增益、信息速率等)，并将服务质量最好的ap作为用户的主ap即
[0036][0037]
同时，初始化为
[0038][0039]
优选的，合并模块具体如下：cpu将重叠率超过β0的apg合并为表示apg间的重叠率上限，并对其进行更新，直至中无满足条件的表示还未参与合并的apg集合。
[0040]
优选的，选择退出模块具体如下：如果ap所关联的ap数目超过n0或其关联用户数超过n0为ap所关联的ap数目上限，为ap可服务的用户数上限，则ap i通过以下方法选择退出的apg：
[0041]
1)筛选出未将其作为主ap的apg，作为待退出apg的候选集即
[0042]
2)根据式(8)，在中选择退出的apg：
[0043][0044]
其中，表示ap i退出apg前后的网络耦合度κ的变化；
[0045]
更新为：
[0046]
优选的，验证模块具体如下：对于通过合并模块及选择退出模块发生变化的用户k，验证apg变更后是否仍能满足rk≥r
k,min
的速率需求；若不满足，根据式(9)选择加入的ap：
[0047][0048]
其中，表示apg内性能需求未得到满足的用户集合，表示ap i加入apg前后的网络耦合度κ的变化；假设表示为
[0049][0050]
更新为：
[0051]
验证模块继续执行，直至满足所有用户的速率需求。
[0052]
与现有技术相比，本发明所提策略以较小的用户速率损失为代价，提高了网络可扩展度，并且，随着用户关联ap数上限的增大，本发明所提策略的可扩展度性能优势越明显。
附图说明
[0053]
图1是本发明实施例1中用户总速率、可扩展度η及网络耦合度κ的性能仿真图。
[0054]
图2是本发明实施例2的系统框图。
具体实施方式
[0055]
下面结合附图对本发明优选实施例做详细说明。本发明实施例的应用场景：包含大量ap、大量用户及cpu的去蜂窝网络，每个ap均通过回程链路连接到一个cpu，且多个cpu之间互连以实现ap间的协作。用户由各自apg内的所有ap协作为其服务。
[0056]
采用关联矩阵表示用户与ap间的连接关系，其元素x
i,k
表示为
[0057][0058]
其中，和分别表示ap集合和用户集合，n为ap总数目，k为用户总数目。那么，用户k的apg表示为ap i服务的用户集合表示为ap i所属apg的集合表示为为了实现网络的可扩展性同时降低网络复杂度，假设ap可服务的用户数上限为且用户关联的ap数上限为
即另外，将与用户k间性能最好的ap称为主ap，记为gk。为了表述方便，定义集合
[0059]
采用r
i,k
表示表征ap i与用户k间的服务质量的参数(如参考信号接收强度、信道增益、信息速率等)，rk表示apg内所有ap服务用户时的服务质量，r
k,min
为用户的最小服务质量需求。
[0060]
本发明定义了两种概念：网络可扩展度η和网络耦合度κ
[0061]
定义1(网络可扩展度)：当网络中节点i变动时，网络中未受影响的节点数占总节点数的比例定义为节点i变动下网络的可扩展度ηi，即
[0062][0063]
其中，为节点i变动下网络中受影响的ap集合。那么，网络可扩展度η为：
[0064][0065]
定义2(网络耦合度)：采用ap相关联数目来表征ap间及用户间的关联度，并将其定义为网络耦合度κ
[0066][0067]
提高网络可扩展度问题可建模为最小化网络耦合度问题。
[0068]
本发明研究内容的数学描述：如何设计以实现最小化κ及最大化rk的多目标优化，即：
[0069]
目标1：网络耦合度最小化
[0070][0071]
目标2：最大化用户速率
[0072][0073]
本发明实施例2采取方法的具体步骤如下：
[0074]
步骤1：确定apg候选集及gk，同时初始化
[0075]
用户根据r
i,k
的大小筛选出个服务质量好的ap组成并将服务质量最好的ap作为用户的主ap即
[0076][0077]
同时，初始化为
[0078][0079]
步骤2：apg合并，并更新
[0080]
cpu将重叠率超过β0的apg合并为并对其进行更新。本发明采用“迭代-更新”方式实现apg合并。在的一次迭代过程中，首先计算与中各的重叠率，其中表示还未参与合并的apg集合；然后选择重叠率最高且超过β0的apg与进行合并，并对和进行更新，继续下一次迭代，直至中无满足条件的具体算法见算法1。
[0081][0082]
步骤3：ap选择其退出的apg，并更新
[0083]
如果ap所关联的ap数目超过n0或其关联用户数超过即或则ap i通过以下方法选择退出的apg：
[0084]
1)筛选出未将其作为主ap的apg，作为待退出apg的候选集即
[0085]
2)根据式(19)，在中选择退出的apg：
[0086]
[0087]
其中，表示ap i退出apg前后的网络耦合度κ的变化。
[0088]
更新为：
[0089]
步骤4：用户速率性能验证。
[0090]
对于通过步骤2及步骤3发生变化的用户k，即验证apg变更后是否仍能满足rk≥r
k,min
的速率需求。若不满足，根据式(20)选择加入的ap：
[0091][0092]
其中，表示apg内性能需求未得到满足的用户集合，表示ap i加入apg前后的网络耦合度κ的变化。假设表示为
[0093][0094]
更新为：
[0095]
执行该步骤直至满足所有用户的速率需求。
[0096]
本发明实施例2采取的系统技术方案如下：
[0097]
一种提高网络可扩展度的用户关联系统，包括如下模块：
[0098]
确定候选集模块：用于确定apg候选集及gk，同时初始化用户k的apg表示为与用户k间性能最好的ap称为主ap，记为gk；
[0099]
合并模块：用于将apg合并，并更新
[0100]
选择退出模块：用于ap选择退出的apg，并更新
[0101]
验证模块：用于验证用户速率性能。
[0102]
确定候选集模块具体如下：用户根据元素r
i,k
的大小筛选出用户关联的ap数上限个服务质量好的ap组成并将服务质量最好的ap作为用户的主ap即
[0103][0104]
同时，初始化为
[0105][0106]
合并模块具体如下：cpu将重叠率超过β0的apg合并为并对其进行更新。本发明采用“迭代-更新”方式实现apg合并。在的一次迭代过程中，首先计算与中各的重叠率，其中表示还未参与合并的apg集合；然后选择重叠率最高且超过β0的apg与进行合并，并对和进行更新，继续下一次迭代，直至中无满足条件的具体算法见算法1。
[0107][0108][0109]
选择退出模块具体如下：如果ap所关联的ap数目超过n0或其关联用户数超过n0为ap所关联的ap数目上限，为ap可服务的用户数上限，则ap i通过以下方法选择退出的apg：
[0110]
1)筛选出未将其作为主ap的apg，作为待退出apg的候选集即
[0111]
2)根据式(24)，在中选择退出的apg：
[0112]
[0113]
其中，表示ap i退出apg前后的网络耦合度κ的变化；
[0114]
更新为：
[0115]
验证模块具体如下：对于通过合并模块及选择退出模块发生变化的用户k，验证apg变更后是否仍能满足rk≥r
k,min
的速率需求；若不满足，根据式(25)选择加入的ap：
[0116][0117]
其中，表示apg内性能需求未得到满足的用户集合，表示ap i加入apg前后的网络耦合度κ的变化；假设表示为
[0118][0119]
更新为：
[0120]
验证模块继续执行，直至满足所有用户的速率需求。
[0121]
为了直观地体现本发明方法的优越性，参见图1，将本发明方法与传统策略进行了对比，传统策略是由用户根据其需求独立选择各自apg。由图1可以看出，与传统策略相比，本发明所提策略以较小的用户速率损失为代价，提高了网络可扩展度η；并且，随着用户关联ap数上限的增大，本发明所提策略的可扩展度性能优势越明显。
[0122]
本发明的创新之处在于：
[0123]
1)采用网络可扩展度的概念用于衡量去蜂窝网络中节点变动时的网络复杂度及资源需求。
[0124]
2)从网络耦合度的角度解决去蜂窝网络可扩展度的问题。
[0125]
3)采用apg合并的方式提高网络可扩展度。
[0126]
4)采用ap退出apg的方式提高网络可扩展度。
[0127]
5)从技术方法上，借鉴拓扑势的思想，建立网络耦合度与用户速率间的关系，用于步骤3和步骤4中ap退出apg及加入apg的选择标准。
[0128]
本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种调整或修改，这并不影响本发明的保护范围。