一种双层异构网络频谱资源分配方法、装置及电子设备与流程

本发明属于无线通信领域，特别涉及该领域中的一种基于离散海象优化机制并考虑了用户信息传输速率权重系数的双层异构网络频谱资源分配方法、装置及电子设备。

背景技术：

1、频谱资源被视为促进移动通信产业发展的核心资源，是保障用户服务质量的基础。然而，随着移动通信用户数量、业务类型以及网络服务需求的不断增长，频谱资源短缺日益成为制约无线通信领域发展的瓶颈之一。双层异构网络将传统宏基站网络与微基站或家庭基站网络相结合，以适应不同的场景和需求。家庭基站网络提供低功率、小覆盖范围的服务，而宏基站网络则提供高功率、大覆盖范围的服务。在异构网络中，如何在两个不同的网络层次间协调和优化频谱资源的分配使用成为关键问题。传统的移动通信系统存在频谱资源利用率较低的问题，而双层异构网络的引入有利于提高系统的频谱资源利用率，进而提高系统的吞吐量和通信性能。通过合理的频谱资源分配策略，可以实现不同网络层次间的协调和优化，减轻同层干扰和跨层干扰，从而实现更高的网络覆盖率和用户体验质量。因此，双层异构网络频谱资源的合理分配成为无线通信领域的研究热点之一。

2、靳冬慧等在《电讯技术》(2023,63(04),466-474)发表的“密集异构网络中基于多目标优化的资源分配策略”中为了提高系统的能量效率和频谱效率，提出了基于强化学习的资源分配算法。虽然该算法考虑了宏基站用户和家庭基站用户之间的跨层干扰，并且综合考虑了用户的服务质量，但是固定了每个宏基站用户所占用的资源块，在一定程度上限制了系统的整体性能，无法推广到考虑宏基站用户之间存在同层干扰的情况。此外，该算法的复杂度较高且训练时间较长。张海辉等在《航空电子技术》(2021,52(02),51-60)发表的“基于改进引力搜索算法的认知无线网络频谱分配”中为了提高频谱效率进而提高网络总效益，引入了非线性引力衰减因子改进原始的引力搜索算法，并且利用迭代过程中发现的适应度最高的个体引导群体更快寻求到最优解。然而，该频谱分配方案不能保证每个用户处的信干噪比大于最低需求值，该算法的计算复杂度较高，且全局寻优能力有待进一步提高，没有最大程度地提高频谱利用率。

3、通过查阅资料发现已有的双层异构网络频谱资源分配方法未考虑部分特殊用户对信息传输速率要求较高的特殊情形，无法推广到在满足所有用户最低信息传输速率要求的同时、最大化部分特殊用户的信息传输速率之和的情形。通过检索现有文献并进行对比，尚未发现考虑用户信息传输速率权重系数的双层异构网络频谱资源分配方法，更未发现基于离散海象优化机制的双层异构网络频谱资源分配方法。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题就是针对目前的双层异构网络频谱资源分配方法无法在满足所有用户最低信息传输速率要求的同时最大化部分特殊用户的信息传输速率之和的缺点和不足，提供一种基于离散海象优化机制和用户信息传输速率权重系数的双层异构网络频谱资源分配方法、装置及电子设备。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种双层异构网络频谱资源分配方法，其改进之处在于，包括如下步骤：

4、步骤1，建立双层异构网络频谱资源分配模型：

5、假设一个半径为rm的宏小区内随机分布有nm个宏基站用户和b个家庭基站，每个家庭基站覆盖半径为rf并且包含nf个家庭基站用户；

6、将系统总带宽均匀划分为nw个子信道，对于每个宏基站用户和家庭基站用户所分配的信道的标号构成了决策变量，每一维决策变量取值为1到nw之间的整数；

7、设一个家庭基站内的用户不会占用相同的子信道，对于第n个宏基站用户，设其占用第个子信道，其信干噪比为：

8、

9、上式中，表示宏基站分配在第个子信道的功率，hn表示宏基站到第n个宏基站用户的信道增益，kn表示宏基站到第n个宏基站用户的路径损耗，λ表示占用第个子信道的家庭用户所属的家庭基站的标号的集合，表示第j个家庭基站分配在第个子信道的功率，表示第j个家庭基站到第n个宏基站用户的信道增益，表示第j个家庭基站到第n个宏基站用户的路径损耗，δ2表示噪声功率；

10、第n个宏基站用户的信息传输速率为：

11、

12、上式中，w表示系统总带宽；

13、对于第b个家庭基站下的第m个用户，设其占用第θ个子信道，b＝1,2,...,b，m＝1,2,...,nf，其信干噪比为：

14、

15、上式中，表示第b个家庭基站分配在第θ个子信道的功率，表示第b个家庭基站到其第m个用户的信道增益，表示第b个家庭基站到其第m个用户的路径损耗，δ表示占用第θ个子信道的家庭用户所属的家庭基站的标号的集合，表示第k个家庭基站分配在第θ个子信道的功率，表示第k个家庭基站到第b个家庭基站下的第m个用户的信道增益，表示第k个家庭基站到第b个家庭基站下的第m个用户的路径损耗，pθ表示宏基站分配在第θ个子信道的功率，表示宏基站到第b个家庭基站下的第m个用户的信道增益，表示宏基站到第b个家庭基站下的第m个用户的路径损耗；

16、第b个家庭基站下的第m个用户的信息传输速率为：

17、

18、为每个宏基站用户与家庭基站用户设置其信息传输速率权重系数：要求在所有用户满足最低信息传输速率要求的情况下，最大化部分特殊用户的信息传输速率之和，若特殊用户中包含第n个宏基站用户，则令其权重系数wn＝1，否则令wn＝0；若特殊用户中包含第b个家庭基站下的第m个用户，则令其权重系数否则令

19、优化目标为：

20、

21、约束条件为：

22、cn≥cmin，n＝1,2,...,nm，b＝1,2,...,b，m＝1,2,...,nf

23、上式中，cmin为用户所要求的最低信息传输速率；

24、步骤2，初始化离散海象群，确定全局最优速度：

25、设离散海象群的群体规模为a，宏基站用户与家庭基站用户的总数为搜索空间维数，表示为z＝nm+b×nf；

26、设离散海象群进化到第t代时，第a头海象的速度为：

27、

28、上式中，a＝1,2,...,a，z＝1,2,...,z，每头海象的每一维初始速度服从0到1之间的均匀随机分布；

29、第t代时第a头海象的位置表示为：

30、

31、上式中，

32、第a头海象的第z维速度与位置之间的映射规则为：

33、

34、上式中，ceil(·)表示向上取整函数；

35、每一头海象的位置对应一种频谱资源分配方案，决定了每个用户分配的子信道，第t代时第a头海象的适应度为：

36、

37、上式中，ε为惩罚因子；

38、将到第t代为止离散海象群适应度最大的海象的速度记作全局最优速度：

39、

40、步骤3，根据捕食策略、迁徙策略或逃避策略更新每头海象的速度：

41、当离散海象群迭代到第t代时，对于第a头海象产生一个服从标准高斯分布的随机数以及一个服从0到1之间均匀分布的随机数令：

42、

43、上式中，β1为一常数，tmax为最大迭代次数；

44、对于第a头海象，若并且则执行捕食策略，若并且则执行迁徙策略，若则执行逃避策略；

45、当第a头海象利用捕食策略或者逃避策略更新移动步长时，首先产生一个在1到z中随机选择的，由个不同的整数所组成的集合ω，其中为服从0到1之间均匀分布的随机数；

46、当利用捕食策略更新时，第a头海象的第z维移动步长更新公式为：

47、

48、上式中，exp(·)为自然指数函数，为服从标准正态分布的随机变量，为在离散海象群中随机选择的第τ头海象的第z维速度；

49、当利用逃避策略更新时，第a头海象的第z维移动步长更新公式为：

50、

51、上式中，表示服从标准正态分布的随机变量，表示服从0到1之间均匀分布的随机变量；

52、当第a头海象利用捕食策略或者逃避策略更新移动步长后，第a头海象第z维速度的更新公式为：

53、

54、当利用迁徙策略更新时，第a头海象的第z维移动步长更新公式为：

55、

56、上式中，β2为一常数，为服从标准正态分布的随机变量，为在离散海象群中随机选择的第ζ头海象的第z维速度；

57、当第a头海象利用迁徙策略更新移动步长后，第a头海象第z维速度的更新公式为：

58、且

59、步骤4，计算每头海象的适应度，根据贪婪选择策略确定每头海象的速度：

60、更新每头海象的速度后，根据步骤2中所示的速度与位置之间的映射规则计算每头海象更新后的位置，并计算每一头海象更新后的适应度；

61、根据贪婪选择策略确定第a头海象的速度，具体表示为：

62、

63、将更新后适应度最大的海象的速度记为直到第t+1代的全局最优速度：

64、

65、步骤5，判断是否终止迭代，输出最优位置作为最优频谱资源分配方案：

66、若迭代次数未达到设定的最大迭代次数，就是t＜tmax，则令t＝t+1，返回步骤3继续执行迭代；否则终止迭代，根据速度与位置之间的映射规则得到离散海象群的全局最优位置，并将全局最优位置作为最优频谱资源分配方案输出。

67、一种双层异构网络频谱资源分配装置，其改进之处在于，包括：

68、建模模块：用于建立双层异构网络频谱资源分配模型；

69、初始化模块：用于初始化离散海象群，确定全局最优速度；

70、更新模块：用于根据捕食策略、迁徙策略或逃避策略更新每头海象的速度；

71、计算模块：用于计算每头海象的适应度，根据贪婪选择策略确定每头海象的速度；

72、输出模块：用于判断是否终止迭代，输出最优位置作为最优频谱资源分配方案。

73、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，以实现上述的一种双层异构网络频谱资源分配方法中的步骤。

74、本发明的有益效果是：

75、本发明提出的双层异构网络频谱资源分配方法，通过设计用户信息传输速率权重系数，在满足所有用户最低信息传输速率要求的前提下，能够最大化部分特殊用户的信息传输速率之和。通过调整用户信息传输速率权重系数，可以将该频谱资源分配方法应用于不同的场景，扩展了其适用范围。

76、针对双层异构网络的频谱分配难题，本发明设计了离散海象优化机制，有效地解决了该问题，考虑到了部分特殊用户对信息传输速率要求较高的情形，在保证所有用户信息传输速率均大于最低需求值的前提下，通过调整权重系数最大化部分特殊用户的信息传输速率之和，能够在较短时间内寻求最优的频谱资源分配方案。

77、本发明设计的离散海象优化机制，解决了离散整数优化问题，突破了原始海象优化算法不能用于离散优化问题的应用局限，通过设计新的速度和位置更新公式，在降低算法计算复杂度的同时提高了算法的全局寻优能力，为利用群智能优化算法解决其他整数优化问题提供了一种新思路。