專利名稱：適用于移動(dòng)組播系統(tǒng)的離散速率跨層功率分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于移動(dòng)組播系統(tǒng)的自適應(yīng)跨層功率分配方法，屬于移動(dòng)通信中的無(wú)線資源管理領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
近年來(lái)，無(wú)線多媒體業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展對(duì)通信系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃院陀行砸蟠蟠筇岣?，正交頻分多址(OFDM)因具有頻譜利用率高和抗多徑衰落等諸多優(yōu)點(diǎn)被公認(rèn)為第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3G)長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)標(biāo)準(zhǔn)以及第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)(4G)的核心技術(shù)。在OFDM系統(tǒng)中，為了提高無(wú)線資源的利用率，同一個(gè)小區(qū)中有相同業(yè)務(wù)要求的移動(dòng)用戶可以使用同一個(gè)子信道接收基站傳輸?shù)南滦袠I(yè)務(wù)，這就形成組播(Multicast)，這在多媒體廣播組播(MBMS)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)等系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用前景。
功率分配和功率控制是現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)中必不可少的資源管理技術(shù)之一，直接影響到移動(dòng)通信系統(tǒng)的總體性能。目前，功率分配技術(shù)的研究大都是基于集中式(CPC)和分布式(DPC)進(jìn)行的。參考文獻(xiàn)“Grandhi S，Vijavan R，Goodman D，et al.Centralizedpower control in cellular radio systems[J].IEEE Trans Vehicular Techmology，1993，42(4)466～468.”在接收噪聲功率為零的假設(shè)下基于干擾最小化給出最優(yōu)功率分配方案。參考文獻(xiàn)“Saraydar C U，Mandayam N B，Goodman D J.Efficient power control via pricingin wireless data networks[J].IEEE Trans Communication，2002，50(2)291～303.”，“Xiao M，Shroff N B，Edwin K P.A utility-based power-control scheme inwireless cellular systems[J].IEEE/ACM Trans Networking，2003，11(2)210～221.”和“Koskie S，Gajic Z.A Na sh gamealgorithm for SIR-based power control in 3G wireless CDMA networks[J].IEEE/ACM TransNetworking，2005，13(5)1017～1026.”借用經(jīng)濟(jì)學(xué)中優(yōu)化效用函數(shù)的方法在不同的用戶之間實(shí)現(xiàn)分布式功率分配，大大提高了系統(tǒng)的性能。以上的研究都是針對(duì)單播(Unicast)傳輸系統(tǒng)的，針對(duì)組播系統(tǒng)的功率分配問(wèn)題，相關(guān)的研究較少。文獻(xiàn)“Kim J Y，Kwon T，Cho D H.OFDM resource allocation scheme for minimizing power consumption in multicastsystems[C]//IEEE 64th Vehicular Technology Conference.Québec，Canada，20061～5.”研究OFDM組播系統(tǒng)中的資源分配，其目標(biāo)是總功率消耗最少，資源分配采用功率最省的方案；提出一種次優(yōu)算法，這種算法以略微損失系統(tǒng)吞吐量系性能換取計(jì)算復(fù)雜度的大幅度降低。文獻(xiàn)“Du Q，Zhang X.Adaptive power and rate allocation for mobile multicastthroughput optimization over fading channels in wireless networks[C]//ComputerCommunications And Networks15th International Conference.Washington，USA，2006261～266.”在組播系統(tǒng)中采用特殊的疊合編碼和重傳機(jī)制提高系統(tǒng)吞吐量。
遺傳算法(GA)是一種利用自然選擇和進(jìn)化思想在高維空間中強(qiáng)有力的隨機(jī)搜索和優(yōu)化算法，具有簡(jiǎn)單、快速、頑健性好等特點(diǎn)。它采用有指導(dǎo)的非遍歷隨機(jī)搜索機(jī)制，可以快速收斂到全局近似最優(yōu)解，其在通信系統(tǒng)中的子載波分配、比特加載等資源分配中有重要的應(yīng)用。


發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題針對(duì)移動(dòng)組播系統(tǒng)中的自適應(yīng)傳輸問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于改進(jìn)遺傳算法的適用于移動(dòng)組播系統(tǒng)的離散速率跨層功率分配方法，該方法是在系統(tǒng)只能支持有限個(gè)離散傳輸速率的假設(shè)下進(jìn)行跨層功率分配的，更適合于實(shí)際系統(tǒng)。
技術(shù)方案本發(fā)明提出一種適用于移動(dòng)組播系統(tǒng)的離散速率跨層功率分配方法，該方法的具體實(shí)現(xiàn)步驟為 第一步基站讀取數(shù)據(jù)鏈路層中每種業(yè)務(wù)的隊(duì)列狀態(tài)信息，并獲得每種業(yè)務(wù)相應(yīng)組播組的用戶反饋的信道狀態(tài)信息； 第二步系統(tǒng)根據(jù)各組播業(yè)務(wù)的隊(duì)列狀態(tài)信息和信道狀態(tài)信息利用改進(jìn)遺傳算法進(jìn)行跨層功率分配。
上述的適用于移動(dòng)組播系統(tǒng)的離散速率跨層功率分配方法，第一步中的每種業(yè)務(wù)的隊(duì)列狀態(tài)信息是指第t個(gè)調(diào)度周期業(yè)務(wù)S1，S2，…，SN在基站的緩存量u1(t)，u2(t)，…，uN(t)，每種業(yè)務(wù)相應(yīng)的組播組信道狀態(tài)信息是指訂閱業(yè)務(wù)S1，S2，…，SN的組播組中所有用戶反饋的信道衰落系數(shù)其中，N表示系統(tǒng)支持的業(yè)務(wù)種數(shù)，K1，K2，…，KN分別表示訂閱業(yè)務(wù)S1，S2，…，SN的各組播組的用戶數(shù)。
1.上述的適用于移動(dòng)組播系統(tǒng)的離散速率跨層功率分配方法，其實(shí)現(xiàn)步驟的第二步的主要步驟為 ①系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務(wù)S1，S2，…，SN的隊(duì)列狀態(tài)信息及對(duì)應(yīng)的組播組的用戶反饋的信道狀態(tài)信息建立功率跨層分配的優(yōu)化模型 表示功率分配矢量，P1，P2，…，PN分別為業(yè)務(wù)S1，S2，…，SN的發(fā)送功率，Ptotal表示基站總的發(fā)送功率，f(P)＝κ1ξ+κ2ζ表示目標(biāo)函數(shù)，κ1和κ2分別為ξ和ζ的權(quán)重，0≤κ1，κ2≤1且κ1+κ2＝1，ζ表示系統(tǒng)公平性系數(shù)，定義為系統(tǒng)在某個(gè)調(diào)度周期達(dá)到所訂閱業(yè)務(wù)最低信噪比要求的用戶占系統(tǒng)所有用戶的比例，即Ti表示訂閱業(yè)務(wù)Si的移動(dòng)用戶中滿足業(yè)務(wù)Si的最低信噪比要求Γi的用戶個(gè)數(shù)，ξ表示系統(tǒng)吞吐量系數(shù)，定義為系統(tǒng)在某個(gè)調(diào)度達(dá)到所訂閱業(yè)務(wù)最低信噪比要求的用戶所獲得的吞吐量之和與所有用戶所能獲得的最大吞吐量之和的比值，即Ri表示業(yè)務(wù)Si在第某個(gè)調(diào)度周期的下行傳輸速率，其值取決于在這個(gè)調(diào)度周期業(yè)務(wù)Si所分配到功率，設(shè)在每個(gè)調(diào)度周期內(nèi)，N種業(yè)務(wù)S1，S2，…，SN只能以M種可供使用的速率下傳，這M種速率分別為R(1)，R(2)，…，R(M)，它們滿足下列不等式與這M種速率對(duì)應(yīng)的基站發(fā)送功率的最低門限設(shè)為P(0)，P(1)，…，P(M+1)，且滿足業(yè)務(wù)Si在第t個(gè)調(diào)度周期的下行傳輸速率Ri(t)和其功率Pi(t)之間的函數(shù)關(guān)系可以表示為其中Ri＝ui(t)/T表示業(yè)務(wù)Si在第t個(gè)調(diào)度周期的最大吞吐量，T為一個(gè)調(diào)度周期持續(xù)的時(shí)間，為0.5ms， ②對(duì)①中優(yōu)化模型的功率分配矢量進(jìn)行實(shí)數(shù)編碼，取染色體的結(jié)構(gòu)為 {P1，P2，…，PN}； ③產(chǎn)生初始群體，在①中優(yōu)化模型的可行域的每一維上以Ptotal/30為間隔畫網(wǎng)格，在每個(gè)網(wǎng)格與可行域相交的部分內(nèi)隨機(jī)地選取一點(diǎn)作為初始群體的個(gè)體，顯然，初始群體的規(guī)模Ps取值為與可行域相交的網(wǎng)格的個(gè)數(shù)； ④評(píng)價(jià)群體中個(gè)體的優(yōu)劣，適應(yīng)度函數(shù)取為f(O)＝κ1ξ+κ2ζ，即群體中個(gè)體O＝{P1，P2，…，PN}的適應(yīng)度值為f(O)； ⑤進(jìn)行選擇，以個(gè)體適應(yīng)度的大小確定該個(gè)體被遺傳到下一代群體中的概率，個(gè)體O1被選擇遺傳到下一代的概率采用賭輪法從父代群體中選擇Ps個(gè)個(gè)體組成新的群體，將目前找到的適應(yīng)度值最大的個(gè)體不參與以下遺傳操作，直接替換下一代中適應(yīng)度值最小的個(gè)體； ⑥進(jìn)行遺傳操作，包括交叉和變異，改進(jìn)遺傳算法交叉操作的具體方法為從父代群體中隨機(jī)選擇兩個(gè)個(gè)體，記適應(yīng)度值大的個(gè)體為O1，再?gòu)母复后w中隨機(jī)選擇兩個(gè)個(gè)體，記適應(yīng)度值大的個(gè)體為O2，對(duì)選出的兩個(gè)父代個(gè)體O1和O2以交叉概率pc＝0.6進(jìn)行交叉，交叉后的兩個(gè)子代個(gè)體為其中，α為區(qū)間
上的隨機(jī)數(shù)；變異操作同時(shí)對(duì)個(gè)體O＝(P1，P2，…，PN)兩個(gè)基因座上的基因以變異概率pm＝0.1進(jìn)行變異，具體操作方法為隨機(jī)地選擇兩個(gè)基因座i，j，1≤i，j≤N，i≠j，設(shè)Δ為[O，Pi]上的隨機(jī)數(shù)，個(gè)體O變異后的新個(gè)體為其中 ⑦評(píng)價(jià)新一代群體中個(gè)體的優(yōu)劣，方法同④；當(dāng)算法所找到的適應(yīng)度值最大的解不再變化，或遺傳次數(shù)超過(guò)30，終止算法，否則，返回⑤。
有益效果與現(xiàn)有技術(shù)方案相比，本發(fā)明提出的功率分配方法是在系統(tǒng)只能支持有限個(gè)離散傳輸速率的假設(shè)下同時(shí)考慮數(shù)據(jù)鏈路層的隊(duì)列狀態(tài)信息和物理層的信道狀態(tài)信息利用改進(jìn)遺傳算法進(jìn)行跨層優(yōu)化；為了在實(shí)時(shí)性的條件下有效地找到近優(yōu)解，改進(jìn)遺傳算法在選擇、交叉和變異等方面都對(duì)遺傳算法進(jìn)行了改進(jìn)；離散傳輸速率的假設(shè)更符合實(shí)際系統(tǒng)；系統(tǒng)采用本發(fā)明所提的跨層功率分配方法，可以有效提高系統(tǒng)隊(duì)列時(shí)延性能、系統(tǒng)吞吐量性能和系統(tǒng)公平性性能；當(dāng)然，本發(fā)明所提的跨層功率分配方法對(duì)于單播系統(tǒng)也是適用的。



圖1為多業(yè)務(wù)組播系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為業(yè)務(wù)發(fā)送功率與傳輸速率的關(guān)系圖。
圖3為本發(fā)明所提跨層功率分配方法的流程圖。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明提出一種適用于移動(dòng)組播系統(tǒng)的離散速率跨層功率分配方法，該方法的具體實(shí)現(xiàn)步驟為 第一步基站讀取數(shù)據(jù)鏈路層中每種業(yè)務(wù)的隊(duì)列狀態(tài)信息，并獲得每種業(yè)務(wù)相應(yīng)組播組的用戶反饋的信道狀態(tài)信息； 第二步系統(tǒng)根據(jù)各組播業(yè)務(wù)的隊(duì)列狀態(tài)信息和信道狀態(tài)信息利用改進(jìn)遺傳算法進(jìn)行跨層功率分配。
上述的適用于移動(dòng)組播系統(tǒng)的離散速率跨層功率分配方法，第一步中的每種業(yè)務(wù)的隊(duì)列狀態(tài)信息是指第t個(gè)調(diào)度周期業(yè)務(wù)S1，S2，…，SN在基站的緩存量u1(t)，u2(t)，…，uN(t)，每種業(yè)務(wù)相應(yīng)的組播組信道狀態(tài)信息是指訂閱業(yè)務(wù)S1，S2，…，SN的組播組中所有用戶反饋的信道衰落系數(shù)其中，N表示系統(tǒng)支持的業(yè)務(wù)種數(shù)，K1，K2，…，KN分別表示訂閱業(yè)務(wù)S1，S2，…，SN的各組播組的用戶數(shù)。
2.上述的適用于移動(dòng)組播系統(tǒng)的離散速率跨層功率分配方法，其實(shí)現(xiàn)步驟的第二步的主要步驟為 ①系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務(wù)S1，S2，…，SN的隊(duì)列狀態(tài)信息及對(duì)應(yīng)的組播組的用戶反饋的信道狀態(tài)信息建立功率跨層分配的優(yōu)化模型 表示功率分配矢量，P1，P2，…，PN分別為業(yè)務(wù)S1，S2，…，SN的發(fā)送功率，Ptotal表示基站總的發(fā)送功率，f(P)＝κ1ξ+κ2ζ表示目標(biāo)函數(shù)，κ1和κ2分別為ξ和ζ的權(quán)重，0≤κ1，κ2≤1且κ1+κ2＝1，ζ表示系統(tǒng)公平性系數(shù)，定義為系統(tǒng)在某個(gè)調(diào)度周期達(dá)到所訂閱業(yè)務(wù)最低信噪比要求的用戶占系統(tǒng)所有用戶的比例，即Ti表示訂閱業(yè)務(wù)Si的移動(dòng)用戶中滿足業(yè)務(wù)Si的最低信噪比要求Γi的用戶個(gè)數(shù)，ξ表示系統(tǒng)吞吐量系數(shù)，定義為系統(tǒng)在某個(gè)調(diào)度達(dá)到所訂閱業(yè)務(wù)最低信噪比要求的用戶所獲得的吞吐量之和與所有用戶所能獲得的最大吞吐量之和的比值，即Ri表示業(yè)務(wù)Si在第某個(gè)調(diào)度周期的下行傳輸速率，其值取決于在這個(gè)調(diào)度周期業(yè)務(wù)Si所分配到功率，設(shè)在每個(gè)調(diào)度周期內(nèi)，N種業(yè)務(wù)S1，S2，…，SN只能以M種可供使用的速率下傳，這M種速率分別為R(1)，R(2)，…，R(M)，它們滿足下列不等式與這M種速率對(duì)應(yīng)的基站發(fā)送功率的最低門限設(shè)為P(0)，P(1)，…，P(M+1)，且滿足業(yè)務(wù)Si在第t個(gè)調(diào)度周期的下行傳輸速率Ri(t)和其功率Pi(t)之間的函數(shù)關(guān)系可以表示為其中Ri＝ui(t)/T表示業(yè)務(wù)Si在第t個(gè)調(diào)度周期的最大吞吐量，T為一個(gè)調(diào)度周期持續(xù)的時(shí)間，為0.5ms， ②對(duì)①中優(yōu)化模型的功率分配矢量進(jìn)行實(shí)數(shù)編碼，取染色體的結(jié)構(gòu)為{P1，P2，…，PN}； ③產(chǎn)生初始群體，在①中優(yōu)化模型的可行域的每一維上以Ptotal/30為間隔畫網(wǎng)格，在每個(gè)網(wǎng)格與可行域相交的部分內(nèi)隨機(jī)地選取一點(diǎn)作為初始群體的個(gè)體，顯然，初始群體的規(guī)模Ps取值為與可行域相交的網(wǎng)格的個(gè)數(shù)； ④評(píng)價(jià)群體中個(gè)體的優(yōu)劣，適應(yīng)度函數(shù)取為f(O)＝κ1ξ+κ2ζ，即群體中個(gè)體O＝{P1，P2，…，PN}的適應(yīng)度值為f(O)； ⑤進(jìn)行選擇，以個(gè)體適應(yīng)度的大小確定該個(gè)體被遺傳到下一代群體中的概率，個(gè)體O1被選擇遺傳到下一代的概率采用賭輪法從父代群體中選擇Ps個(gè)個(gè)體組成新的群體，將目前找到的適應(yīng)度值最大的個(gè)體不參與以下遺傳操作，直接替換下一代中適應(yīng)度值最小的個(gè)體； ⑥進(jìn)行遺傳操作，包括交叉和變異，改進(jìn)遺傳算法交叉操作的具體方法為從父代群體中隨機(jī)選擇兩個(gè)個(gè)體，記適應(yīng)度值大的個(gè)體為O1，再?gòu)母复后w中隨機(jī)選擇兩個(gè)個(gè)體，記適應(yīng)度值大的個(gè)體為O2，對(duì)選出的兩個(gè)父代個(gè)體O1和O2以交叉概率pc＝0.6進(jìn)行交叉，交叉后的兩個(gè)子代個(gè)體為其中，α為區(qū)間
上的隨機(jī)數(shù)；變異操作同時(shí)對(duì)個(gè)體O＝(P1，P2，…，PN)兩個(gè)基因座上的基因以變異概率pm＝0.1進(jìn)行變異，具體操作方法為隨機(jī)地選擇兩個(gè)基因座i，j，1≤i，j≤N，i≠j，設(shè)Δ為[O，Pi]上的隨機(jī)數(shù)，個(gè)體O變異后的新個(gè)體為其中 ⑦評(píng)價(jià)新一代群體中個(gè)體的優(yōu)劣，方法同④；當(dāng)算法所找到的適應(yīng)度值最大的解不再變化，或遺傳次數(shù)超過(guò)30，終止算法，否則，返回⑤。
下文結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明所提的跨層功率分配方法。研究一個(gè)支持下行組播業(yè)務(wù)傳輸?shù)膯涡^(qū)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，如圖1所示，基站支持多種下行組播業(yè)務(wù)，設(shè)每種業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)包到達(dá)基站后，被存儲(chǔ)在基站的相應(yīng)緩沖隊(duì)列中，并且按照先入先出(FIFO)的規(guī)則，以組播的方式下傳給訂閱該業(yè)務(wù)的所有移動(dòng)用戶?；疽設(shè)FDM的方式將下行傳輸?shù)念l帶劃分成若干個(gè)相互正交的子信道，每種業(yè)務(wù)占用一個(gè)子信道，不同的業(yè)務(wù)使用不同的子信道，假設(shè)每種業(yè)務(wù)下傳時(shí)所使用的子信道具有相互獨(dú)立的衰落特性。此外，每個(gè)移動(dòng)用戶不能同時(shí)訂閱兩種或兩種以上的業(yè)務(wù)。移動(dòng)用戶能夠通過(guò)信道估計(jì)算法測(cè)量信道的參數(shù)，并能通過(guò)反饋信道將所測(cè)量的信道狀態(tài)信息(CSI)反饋給基站。
這樣，基站就可以根據(jù)數(shù)據(jù)鏈路層的隊(duì)列狀態(tài)信息(QSI)和物理層的CSI自適應(yīng)地調(diào)整不同業(yè)務(wù)的傳輸功率，并進(jìn)行相應(yīng)的自適應(yīng)調(diào)制編碼(AMC)，從而優(yōu)化系統(tǒng)整體性能。
假設(shè)基站支持N種組播業(yè)務(wù)的下傳，N≥1，例如N＝2、N＝5，將這N種組播業(yè)務(wù)分別記為S1，S2，…，SN，每種業(yè)務(wù)在第t個(gè)傳輸時(shí)間間隔(TTI)內(nèi)在基站中的緩存量為u1(t)，u2(t)，…，uN(t)比特，訂閱業(yè)務(wù)Si的移動(dòng)用戶有Ki個(gè)，

表示訂閱業(yè)務(wù)Si的第j個(gè)移動(dòng)用戶。設(shè)在一個(gè)TTI內(nèi)系統(tǒng)的

個(gè)移動(dòng)用戶的信道衰落系數(shù)保持恒定，

表示在第t個(gè)TTI內(nèi)

的信道衰落系數(shù)，Pi(t)表示基站在第t個(gè)TTI分配給業(yè)務(wù)Si的傳輸功率，σ2表示各移動(dòng)用戶接收機(jī)的加性Gauss白噪聲功率，則移動(dòng)用戶

的接收信噪比(SNR)為 假設(shè)在每個(gè)TTI內(nèi)，這N種業(yè)務(wù)只能以M種可供使用的速率下傳，這M種速率分別為R(1)，R(2)，…，R(M)，它們滿足下列不等式 與這M種速率對(duì)應(yīng)的基站發(fā)送功率的最低門限設(shè)為P(0)，P(1)，…，P(M+1)，且滿足 設(shè)業(yè)務(wù)Si在第t個(gè)TTI所分配到的發(fā)送功率為Pi(t)，若Pi(t)∈[P(m)，P(m+1))，則此時(shí)只能選擇R(m)作為下行傳輸速率，如圖2所示，故業(yè)務(wù)Si的下行傳輸速率Ri(t)和其功率Pi(t)之間的函數(shù)關(guān)系可以表示為 其中U(x)為Heaviside單位階躍函數(shù) 業(yè)務(wù)Si在第t個(gè)TTI內(nèi)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)量為 si(t)＝TRi(t) (6) T表示一個(gè)TTI持續(xù)的時(shí)間，為0.5ms。
由于在第t個(gè)TTI業(yè)務(wù)Si的緩存量為ui(t)，因此業(yè)務(wù)Si在第t個(gè)TTI內(nèi)的最大吞吐量為 顯然所有業(yè)務(wù)的功率總和具有上限，即 每種業(yè)務(wù)都有其最低SNR要求，設(shè)業(yè)務(wù)Si的最低SNR要求為Γi，設(shè)在第t個(gè)TTI內(nèi)訂閱業(yè)務(wù)Si的Ki個(gè)移動(dòng)用戶中有Ti個(gè)用戶滿足業(yè)務(wù)Si的最低SNR要求，定義系統(tǒng)的公平性系數(shù)為 定義系統(tǒng)的吞吐量系數(shù)為 顯然，此處的功率分配是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，第一個(gè)目標(biāo)是最大化系統(tǒng)吞吐量系數(shù)ξ，第二個(gè)目標(biāo)是最大化系統(tǒng)公平性系數(shù)ζ，但同時(shí)達(dá)到這兩個(gè)目標(biāo)的功率分配矢量在很多場(chǎng)合不存在，因此本發(fā)明采用加權(quán)求和的方法折中這兩個(gè)目標(biāo)，也即用f(P)＝κ1ξ+κ2ζ作為目標(biāo)函數(shù)，其中κ1和κ2分別為ξ和ζ的權(quán)重，0≤κ1，κ2≤1且κ1+κ2＝1。具體來(lái)說(shuō)，跨層功率分配問(wèn)題的離散速率集優(yōu)化模型為 為方便起見，式(9)-(11)省去了TTI下標(biāo)n。式(11)是一個(gè)復(fù)雜的組合優(yōu)化問(wèn)題，目前沒(méi)有有效的方法獲得該問(wèn)題的最優(yōu)解，提出一種簡(jiǎn)單快速的全局搜索方案有很大的應(yīng)用價(jià)值，下文擬用改進(jìn)遺傳算法優(yōu)化式(11)，整個(gè)功率跨層優(yōu)化的流程如圖3所示。
遺傳算法來(lái)源于生物遺傳學(xué)和適者生存的自然規(guī)律，它的基本思想是從一個(gè)初始群體也即一組候選解開始迭代，在每次迭代的過(guò)程中都按候選解的優(yōu)劣進(jìn)行排序，保留其中優(yōu)秀的部分，通過(guò)一些遺傳操作如雜交、變異等運(yùn)算產(chǎn)生新一代候選解，重復(fù)這個(gè)過(guò)程，直到滿足某個(gè)收斂條件為止。遺傳算法的主要步驟如下①進(jìn)行基因編碼；②產(chǎn)生初始群體；③評(píng)價(jià)群體的優(yōu)劣；④對(duì)群體進(jìn)行選擇；⑤進(jìn)行遺傳操作，包括雜交和變異；⑥評(píng)價(jià)新一代群體的優(yōu)劣；⑦如果滿足收斂條件，結(jié)束算法；如果不滿足，返回④。下面給出求解式(11)的改進(jìn)遺傳算法的幾個(gè)關(guān)鍵步驟。
確定編碼方式是設(shè)計(jì)遺傳算法的首要任務(wù)，不僅影響交叉算子、變異算子的運(yùn)算方法，而且與遺傳算法的收斂性能有密切關(guān)系。二進(jìn)制編碼方法編碼解碼過(guò)程簡(jiǎn)單，對(duì)交叉、變異操作易于實(shí)現(xiàn)，但受染色體長(zhǎng)度的限制，計(jì)算精度不高。實(shí)數(shù)編碼是對(duì)連續(xù)參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題的自然描述，不存在編碼和解碼的過(guò)程，能大大提高解的精度和算法的收斂速度。本算法采用實(shí)數(shù)編碼，染色體的結(jié)構(gòu)為{P1，P2，…，PN}，染色體的基因滿足式(11)的約束條件。
一般地，初始群體的個(gè)體產(chǎn)生是隨機(jī)進(jìn)行的，但考慮到功率控制問(wèn)題的實(shí)時(shí)性要求，初始群體最好能分布在最優(yōu)個(gè)體附近，這樣，經(jīng)過(guò)有限次迭代，群體向最優(yōu)解逼近；另一方面，為了防止算法陷入局部最優(yōu)解，改進(jìn)遺傳算法在式(11)的可行域的每一維上以Ptotal/30為間隔畫網(wǎng)格，在每個(gè)網(wǎng)格與可行域相交的部分內(nèi)隨機(jī)地選取一點(diǎn)作為初始群體的一個(gè)個(gè)體，初始群體的規(guī)模Ps取值為與可行域相交的網(wǎng)格的個(gè)數(shù)； 在遺傳算法中，以個(gè)體適應(yīng)度的大小確定該個(gè)體被遺傳到下一代群體中的概率。在該算法中，適應(yīng)度函數(shù)就取為式(11)的目標(biāo)函數(shù)，個(gè)體O1被選擇遺傳到下一代的概率采用賭輪法從父代群體中選擇Ps個(gè)個(gè)體組成新的群體。為了保證算法以概率1收斂到最優(yōu)解，改進(jìn)算法在個(gè)體選擇時(shí)采取保護(hù)措施，即將目前找到的適應(yīng)度值最大的個(gè)體不參與任何遺傳操作，直接替換下一代中適應(yīng)度值最小的個(gè)體。
交叉和變異是最主要的遺傳操作。為了提高子代個(gè)體的質(zhì)量，借助優(yōu)生學(xué)原理，改進(jìn)遺傳算法交叉操作的具體方法為從父代群體中隨機(jī)選擇兩個(gè)個(gè)體，保留適應(yīng)度值大的個(gè)體，再進(jìn)行一次兩兩優(yōu)選，對(duì)選出的兩個(gè)父代個(gè)體以概率pc進(jìn)行交叉。設(shè)兩父代個(gè)體分別為O1和O2，則交叉后的兩個(gè)子代個(gè)體分別為 其中，α為區(qū)間
上的隨機(jī)數(shù)。顯然，交叉后的個(gè)體依然滿足式(11)的約束條件。
變異運(yùn)算是將個(gè)體染色體編碼串中的某些基因座上的基因值用該基因座的其它等位基因替換。變異可以改善遺傳算法的局部搜索能力，維持群體的多樣性。為了使變異后的個(gè)體仍然滿足式(11)的約束，同時(shí)對(duì)兩個(gè)基因座上的基因進(jìn)行變異。對(duì)個(gè)體O＝(P1，P2，…，PN)以概率pm進(jìn)行變異操作，隨機(jī)地選擇兩個(gè)基因座i，j，設(shè)Δ為
上的隨機(jī)數(shù)，個(gè)體O變異后的新個(gè)體為其中 算法會(huì)一代一代向前進(jìn)化去搜尋最優(yōu)功率分配矢量，直到終止條件滿足。當(dāng)算法所找到的適應(yīng)度值最大的解不再變化，或遺傳次數(shù)超過(guò)30，終止算法。
權(quán)利要求
1.一種適用于移動(dòng)組播系統(tǒng)的離散速率跨層功率分配方法，其特征在于，該方法的具體實(shí)現(xiàn)步驟為
第一步基站讀取數(shù)據(jù)鏈路層中每種業(yè)務(wù)的隊(duì)列狀態(tài)信息，并獲得每種業(yè)務(wù)相應(yīng)組播組的用戶反饋的信道狀態(tài)信息；
第二步系統(tǒng)根據(jù)各組播業(yè)務(wù)的隊(duì)列狀態(tài)信息和信道狀態(tài)信息利用改進(jìn)遺傳算法進(jìn)行跨層功率分配。
2.如權(quán)利要求1所述的適用于移動(dòng)組播系統(tǒng)的離散速率跨層功率分配方法，其特征在于，第一步中的每種業(yè)務(wù)的隊(duì)列狀態(tài)信息是指第t個(gè)調(diào)度周期業(yè)務(wù)S1，S2，…，SN在基站的緩存量u1(t)，u2(t)，…，uN(t)，每種業(yè)務(wù)相應(yīng)的組播組信道狀態(tài)信息是指訂閱業(yè)務(wù)S1，S2，…，SN的組播組中所有用戶反饋的信道衰落系數(shù)其中，N表示系統(tǒng)支持的業(yè)務(wù)種數(shù)，K1，K2，…，KN分別表示訂閱業(yè)務(wù)S1，S2，…，SN的各組播組的用戶數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的適用于移動(dòng)組播系統(tǒng)的離散速率跨層功率分配方法，其特征在于，其實(shí)現(xiàn)步驟的第二步的主要步驟為
①系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務(wù)S1，S2，…，SN的隊(duì)列狀態(tài)信息及對(duì)應(yīng)的組播組的用戶反饋的信道狀態(tài)信息建立功率跨層分配的優(yōu)化模型
表示功率分配矢量，P1，P2，…，PN分別為業(yè)務(wù)S1，S2，…，SN的發(fā)送功率，Ptotal表示基站總的發(fā)送功率，f(P)＝κ1ξ+κ2ζ表示目標(biāo)函數(shù)，κ1和κ2分別為ξ和ζ的權(quán)重，0≤κ1，κ2≤1且κ1+κ2＝1，ζ表示系統(tǒng)公平性系數(shù)，定義為系統(tǒng)在某個(gè)調(diào)度周期達(dá)到所訂閱業(yè)務(wù)最低信噪比要求的用戶占系統(tǒng)所有用戶的比例，即Ti表示訂閱業(yè)務(wù)Si的移動(dòng)用戶中滿足業(yè)務(wù)Si的最低信噪比要求Γi的用戶個(gè)數(shù)，ξ表示系統(tǒng)吞吐量系數(shù)，定義為系統(tǒng)在某個(gè)調(diào)度達(dá)到所訂閱業(yè)務(wù)最低信噪比要求的用戶所獲得的吞吐量之和與所有用戶所能獲得的最大吞吐量之和的比值，即Ri表示業(yè)務(wù)Si在第某個(gè)調(diào)度周期的下行傳輸速率，其值取決于在這個(gè)調(diào)度周期業(yè)務(wù)Si所分配到功率，設(shè)在每個(gè)調(diào)度周期內(nèi)，N種業(yè)務(wù)S1，S2，…，SN只能以M種可供使用的速率下傳，這M種速率分別為R(1)，R(2)，…，R(M)，它們滿足下列不等式與這M種速率對(duì)應(yīng)的基站發(fā)送功率的最低門限設(shè)為P(0)，P(1)，…，P(M+1)，且滿足業(yè)務(wù)Si在第t個(gè)調(diào)度周期的下行傳輸速率Ri(t)和其功率Pi(t)之間的函數(shù)關(guān)系可以表示為其中表示業(yè)務(wù)Si在第t個(gè)調(diào)度周期的最大吞吐量，T為一個(gè)調(diào)度周期持續(xù)的時(shí)間，為0.5ms，
②對(duì)①中優(yōu)化模型的功率分配矢量進(jìn)行實(shí)數(shù)編碼，取染色體的結(jié)構(gòu)為{P1，P2，…，PN}；
③產(chǎn)生初始群體，在①中優(yōu)化模型的可行域的每一維上以Ptotal/30為間隔畫網(wǎng)格，在每個(gè)網(wǎng)格與可行域相交的部分內(nèi)隨機(jī)地選取一點(diǎn)作為初始群體的個(gè)體，顯然，初始群體的規(guī)模Ps取值為與可行域相交的網(wǎng)格的個(gè)數(shù)；
④評(píng)價(jià)群體中個(gè)體的優(yōu)劣，適應(yīng)度函數(shù)取為f(O)＝κ1ξ+κ2ζ，即群體中個(gè)體O＝{P1，P2，…，PN}的適應(yīng)度值為f(O)；
⑤進(jìn)行選擇，以個(gè)體適應(yīng)度的大小確定該個(gè)體被遺傳到下一代群體中的概率，個(gè)體Ol被選擇遺傳到下一代的概率采用賭輪法從父代群體中選擇Ps個(gè)個(gè)體組成新的群體，將目前找到的適應(yīng)度值最大的個(gè)體不參與以下遺傳操作，直接替換下一代中適應(yīng)度值最小的個(gè)體；
⑥進(jìn)行遺傳操作，包括交叉和變異，改進(jìn)遺傳算法交叉操作的具體方法為從父代群體中隨機(jī)選擇兩個(gè)個(gè)體，記適應(yīng)度值大的個(gè)體為O1，再?gòu)母复后w中隨機(jī)選擇兩個(gè)個(gè)體，記適應(yīng)度值大的個(gè)體為O2，對(duì)選出的兩個(gè)父代個(gè)體O1和O2以交叉概率pc＝0.6進(jìn)行交叉，交叉后的兩個(gè)子代個(gè)體為其中，α為區(qū)間
上的隨機(jī)數(shù)；變異操作同時(shí)對(duì)個(gè)體O＝(P1，P2，…，PN)兩個(gè)基因座上的基因以變異概率pm＝0.1進(jìn)行變異，具體操作方法為隨機(jī)地選擇兩個(gè)基因座i，j，1≤i，j≤N，i≠j，設(shè)Δ為
上的隨機(jī)數(shù)，個(gè)體O變異后的新個(gè)體為其中
⑦評(píng)價(jià)新一代群體中個(gè)體的優(yōu)劣，方法同④；當(dāng)算法所找到的適應(yīng)度值最大的解不再變化，或遺傳次數(shù)超過(guò)30，終止算法，否則，返回⑤。
全文摘要
一種適用于移動(dòng)組播系統(tǒng)的離散速率跨層功率分配方法涉及一種適用于單小區(qū)移動(dòng)組播系統(tǒng)多業(yè)務(wù)之間的跨層功率分配方法。在移動(dòng)組播系統(tǒng)中，需要為每種業(yè)務(wù)分配適當(dāng)?shù)墓β室酝瓿牲c(diǎn)到多點(diǎn)的業(yè)務(wù)傳輸，該方法在假定基站只能使用有限個(gè)離散傳輸速率的情況下首先獲得數(shù)據(jù)鏈路層的隊(duì)列狀態(tài)信息和物理層的信道狀態(tài)信息，然后應(yīng)用改進(jìn)遺傳算法優(yōu)化系統(tǒng)的吞吐量系數(shù)和系統(tǒng)的公平性系數(shù)，從而進(jìn)行跨層功率分配。離散傳輸速率的假設(shè)更符合實(shí)際系統(tǒng)，組播系統(tǒng)采用本發(fā)明所提的跨層功率分配方法，可以有效提高系統(tǒng)隊(duì)列時(shí)延性能、系統(tǒng)吞吐量性能和系統(tǒng)公平性性能。
文檔編號(hào)H04W72/04GK101489298SQ20091002914
公開日2009年7月22日 申請(qǐng)日期2009年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月8日
發(fā)明者唐蘇文, 明 陳 申請(qǐng)人:東南大學(xué)