[發明專利]基于POMDP的受控無線網絡系統動態資源分配方法

有效

• 申請號: 201510271561.X
• 申請日: 2015-05-25
• 公開（公告）號: CN105007582B
• 公開（公告）日: 2018-03-16
• 發明（設計）人: 張延華;李萌;閆玉瑋;孫恩昌;司鵬搏;楊睿哲;孫艷華
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H04W16/10
• 分類號: H04W16/10;H04W72/08
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司11203
• 代理人: 劉萍

技術領域

本發明涉及一種基于部分可觀察馬爾可夫決策過程(POMDP)的受控無線通信網絡系統動態資源分配方法，通過POMDP方法，設計一種有利于無線通信網絡的資源分配的選擇方案，屬于受控無線網絡與通信資源分配研究的相關領域。

背景技術

移動通信在近幾十年來得到了迅猛發展，用戶對無線通信網絡的服務質量需求也在不斷提高，促使無線通信系統正在從2G、3G、B3G、4G以及5G演進，網絡主體也將從語音主導的網絡向著高速數據為主導的網絡轉型。與此同時，移動多媒體業務對帶寬的要求越來越高，“寬帶化”成為移動通信技術的發展趨勢。目前，影響無線通信網絡服務質量(Quality of Service,QoS)主要有以下三個方面：第一，無線移動通信網絡的高動態性、用戶位置的隨機改變帶來的頻繁切換操作和網絡拓撲的易變性，將會導致數據傳輸速率和連通性的不穩定；第二，無線通信網絡的信道衰落和移動終端的功率或能量受限等特性，導致小區用戶接收到基站的功率損耗占有很大比重；第三，受基站和用戶間的信道衰落、基站和用戶的天線開啟數、用戶的信噪比等影響，數據傳輸中的誤碼率也會受很大影響，從而影響數據鏈路傳輸的可靠性。多年來，盡管業內對無線通信網絡的設計算法等不斷優化改進，提出了諸多改善網絡服務質量的方法，推動了無線通信網絡設計向前發展，但始終無法徹底解決諸如網絡功耗損失、數據傳輸可靠性等問題，因此，基于傳統的無線通信網絡系統架構以及通信分層協議體系的設計和部署已不能更有效解決這些矛盾。

在控制工程領域，反饋控制策略作為最基本的控制方法，成為閉環控制系統的核心，對系統各個節點狀態的控制、調節起到了至關重要的作用。反饋策略從提出之始，便在工業系統的閉環控制、信息論以及信道編碼等領域獲得了廣泛而深入的應用。借助于反饋策略，控制系統本身具備了自調整、自適應和自鎮定的能力，系統性能指標得到了全面的提高。與此同時，無線網絡控制系統(Wireless Network Control Systems,WNCS)的研究引起國內外學者的高度關注。德國凱澤斯勞滕大學的L.Litz教授和A.Chamaken博士提出將無線通信網絡嵌入工業控制系統中，設計滿足控制系統性能指標需求的系統架構、控制算法以及無線通信網絡架構和通信協議，從而提升系統的傳感器、控制器和執行器之間對信息的處理和對系統的控制，實現了對工業控制系統的預測和優化。意大利拉奎拉大學的M.D.Di Benedetto等學者對WNCS設計有深入研究，他們提出了一個相關代價函數，利用該函數，首先將控制系統的噪聲、編碼、調制方式以及系統功率等參數映射到無線網絡中，然后選擇適當的無線網絡類型，從而滿足提升控制系統的魯棒性和靈活性的需要。

部分可觀察馬爾可夫決策過程(POMDP)是通過引入信念狀態空間將非馬爾可夫鏈問題轉化為馬爾可夫鏈問題來求解，其最大的特點在于假設系統的狀態信息不能直接觀測得到，是部分可知的，對只有不完全狀態信息的系統建模，依據當前的不完全狀態信息做出決策，從而獲得最大收益。這種狀態轉移模型更符合于無線通信網絡場景中的部分狀態信息不完全可知，需要通過觀測從而獲得最優資源分配的特點。

綜上所述，本發明的主要目的是引入控制反饋優化策略，將POMDP模型應用于受控無線通信網絡系統，通過給定小區用戶接入數構成的狀態轉移概率矩陣和反饋網絡QoS服務指標(用戶接收功率和用戶傳輸誤碼率)構成的觀測概率矩陣，并根據某時刻的小區用戶接入狀態(Belief State)和對應的基站開啟天線數的收益，從而預測判斷下一時刻小區用戶最優接入數；同時，根據最大收益，判決此時刻小區基站天線開啟數，最終達到小區內基站天線、用戶接入的最優資源分配。

發明內容

本發明的主要目的是在小區通信網絡最優資源分配的角度上，考慮小區網絡中存在一個多天線基站和多個用戶的情況下，以每時刻接入用戶數與小區開啟天線數動態資源分配最優為優化目標，通過POMDP模型以及控制反饋策略的應用，完成小區基站天線開啟與接入用戶的最優資源分配策略。本方法解決了在小區網絡中有多個天線的基站和多個通信用戶的情況下，如何選擇確定最優資源分配的問題，并通過最優資源分配獲得小區無線通信網絡系統的最大收益。

本發明所適應的小區環境場景模型見圖1。

本發明技術方案中的系統運行原理流程圖見圖2。

本發明系統用戶接收功率基站情況對比圖見圖3。

本發明系統誤碼率情況對比圖見圖4。

本發明系統小區內不同條件下平均收益對比圖見圖5。