一种混合无线或有线通信网络频谱分配方法、装置及电子设备与流程

本发明属于网络通信，特别涉及该领域中的一种基于袋熊觅食机制的混合无线或有线通信网络频谱分配方法、装置及电子设备。

背景技术：

1、随着移动通信、物联网、工业自动化等领域的快速发展，要求通信网络提供更大的覆盖范围、更高的数据传输速率、更可靠的连接。混合无线/有线通信网络可通过将诸如卫星通信、4g/5g通信和光纤通信等多种技术结合在一起，克服传统有线通信网络的物理限制以及无线通信网络难以提供足够覆盖范围和可靠性的应用局限，极大地增强通信网络的整体性能，更好地适应多样化的通信需求。

2、频谱是通信的物理载体，由于无线网络和有线网络的接入方式不同，且不同设备的服务质量需求存在差异，不同通信技术和设备需要合理分配和利用频谱资源，以保证网络的正常运行和通信质量。如何减少网络中不同通信技术和不同类型设备之间的资源占用并避免竞争，已成为混合无线/有线通信网络亟待解决的难题。近年来，混合无线/有线通信网络的频谱分配问题受到了越来越多的关注。teong chee chuah和ying loong lee在《ieee systems journal》(2020,vol.14,no.2,pp.2175-2186)上发表的“qos-awarecross-layer optimization of hybrid dsl-lte access networks”针对包含数字用户线路与lte的混合无线/有线通信网络进行了分析，提出一种基于拉格朗日数乘的频谱分配方法来提高信息传输速率，但没有考虑用户的时延需求。fareha nizam等人在《telecommunication systems》(2023,vol.83,no.4,pp.339-355)上发表的“quality ofservice driven hierarchical resource allocation for network slicing-enabledhybrid wireless-wireline access networks”对基于网络切片的混合无线/有线通信网络性能展开了研究，提出一种分层资源分配方案来对不同切片和每个切片内用户的频谱资源进行分配。然而，该方法也没有考虑用户的低时延需求，其实际应用场景会受到限制，且未能针对通信网络的有效容量进行分析，难以衡量通信网络的整体服务质量。因此，设计新的频谱分配方法，最大限度地发挥频谱资源的效益，满足网络中不同类型设备的通信需求，对提升混合无线/有线通信网络的整体性能有着重要的意义。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题就是针对现有混合无线/有线通信网络频谱分配方法存在的不足，提出一种基于袋熊觅食机制的混合无线或有线通信网络频谱资源分配方法、装置及电子设备，通过袋熊觅食机制可以有效求解混合无线或有线通信网络的频谱分配难题，在满足不同类型设备的服务质量需求的前提下，极大地提升网络资源利用率和有效容量，从而提升混合无线或有线通信网络的整体性能和传输效率。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种混合无线或有线通信网络频谱分配方法，其改进之处在于，包括如下步骤：

4、步骤1，建立混合无线或有线通信网络模型：

5、一个由无线网络和有线网络组成的混合无线或有线通信网络，假设包含一个基站和m个用户，用户分为移动端设备和混合客户端设备两种类型，其中移动端设备仅能接入无线网络，混合客户端设备能通过混合接入网关同时接入无线网络和有线网络；网络中有k个频谱资源块，集合记作各个频谱资源块之间相互正交；

6、用u1表示移动端设备的集合，u2表示混合客户端设备的集合，系统中所有用户的集合为u＝u1∪u2；

7、当混合客户端设备通过有线网络不能得到足够的传输速率时，利用无线网络来满足其传输速率需求，根据香农定理，用户的信息传输速率为：

8、

9、上式中，u∈u，b表示频谱资源块的带宽，pk,u表示用户u在第k个频谱资源块上的传输功率，gk,u表示用户u在第k个频谱资源块上与基站之间的信道增益，σ表示噪声功率，所有噪声均为高斯白噪声，噪声功率σ＝fbn0，f表示噪声系数，n0表示噪声功率谱密度；

10、定义为用户u的时延指数，ε表示最大允许时延违反概率，dmax表示最大允许时延；

11、对于正交频分多址接入的通信系统，用户u的有效容量为：

12、

13、上式中，表示期望算子，ωk,u表示用户u在第k个频谱资源块上的频谱分配变量，根据用户的有效容量计算出移动端设备的总有效容量为：

14、

15、针对混合无线或有线通信网络，提出以最大化有效容量为目标的频谱分配问题为：

16、

17、约束条件：

18、

19、

20、ωk,u∈{0,1}

21、上式中，ω是一个k×m维的频谱分配方案矩阵，矩阵中的每个元素用ωk,u表示，表示移动端设备需要满足的最小传输速率，表示混合客户端设备在无线网络上需要满足的最小传输速率；

22、步骤2，初始化袋熊种群及参数：

23、设定袋熊种群中包含l只袋熊，每只袋熊的维数为n，表示待优化问题的维数，第t代第i只袋熊的位置为：速度为：上式中，表示第i只袋熊的第n维位置，表示第i只袋熊的第n维速度，i＝1,2,...,l，n＝1,2,...,n；

24、步骤3，计算袋熊的食物营养价值：

25、将袋熊位置的测量态代入营养价值评估函数来计算袋熊的食物营养价值，食物营养价值越大表示混合无线或有线通信网络的有效容量越大，对所有袋熊的食物营养价值进行比较，将整个袋熊种群直到第t代为止搜索到的食物营养价值最大的位置记为全局最优位置：

26、

27、步骤4，根据搜寻策略更新袋熊的位置：

28、具体方程为：上式中，δρ为搜索步长，通过测量规则得到袋熊位置的测量态，计算袋熊所在位置的食物营养价值；

29、每只袋熊对所在位置附近区域进行进一步探索，用h表示袋熊在所在位置附近区域能搜索到的食物个数，为第i只袋熊搜寻到的第h个食物的位置，其中表示第i只袋熊搜寻到的第h个食物的第n维位置，表示第i只袋熊搜寻到的第h个食物的第n维位置相对于第i只袋熊所在的第n维位置的方位，

30、对每只袋熊搜寻到的食物位置进行测量并计算食物的营养价值，根据贪婪策略，选出营养价值最大的食物位置如果其营养价值优于袋熊所在位置的食物营养价值，令

31、

32、步骤5，对更新后的袋熊位置进行测量并计算袋熊的食物营养价值，更新袋熊种群的全局最优位置

33、步骤6，如果迭代次数小于预先设定的最大迭代次数，令t＝t+1，返回步骤4；否则终止迭代，输出袋熊种群的全局最优位置，根据测量规则得到全局最优位置的测量态，就是混合无线或有线通信网络的相应频谱分配方案。

34、一种混合无线或有线通信网络频谱分配装置，其改进之处在于，包括：

35、建模模块：用于建立混合无线或有线通信网络模型；

36、初始化模块：用于初始化袋熊种群及参数；

37、计算模块：用于计算袋熊的食物营养价值；

38、第一更新模块，用于根据搜寻策略更新袋熊的位置；

39、第二更新模块，对更新后的袋熊位置进行测量并计算袋熊的食物营养价值，更新袋熊种群的全局最优位置；

40、输出模块：用于判断是否终止迭代，输出全局最优位置作为混合无线或有线通信网络的相应频谱分配方案。

41、一种电子设备，其改进之处在于：包括存储器和处理器，其中，所述存储器，用于存储程序；所述处理器，与所述存储器耦合，用于执行所述存储器中存储的所述程序，以实现上述混合无线或有线通信网络频谱分配方法中的步骤。

42、本发明的有益效果是：

43、本发明所公开的方法，通过研究混合无线或有线通信网络系统的有效容量，可以更好地规划网络的容量，避免网络拥塞和性能瓶颈，能够满足移动端设备的时延要求和混合客户端设备的最小传输速率要求，显著提升混合无线或有线通信网络的整体性能和传输效率。

44、本发明设计的袋熊觅食机制模拟了袋熊在寻找食物的行为，设计不同的搜寻策略提高了种群多样性，有效克服了传统优化方法易陷入局部最优的缺点，具有收敛速度快、精度高、稳定性强的优势，可以在短时间内实现频谱分配，为其他工程问题的解决提供新思路，具有实际推广价值。

45、本发明所公开的方法，通过袋熊觅食机制来实现混合无线或有线通信网络频谱资源的自适应配置，能够有效求解混合无线或有线通信网络的频谱分配难题，可以极大地节省系统资源，提高资源利用率，从而提升混合无线或有线通信网络的整体服务质量。