[發明專利]基于量子帝王蝶優化機制的雙層異構網絡頻譜分配方法

有效

• 申請號: 202011097353.X
• 申請日: 2020-10-14
• 公開（公告）號: CN112217678B
• 公開（公告）日: 2023-03-17
• 發明（設計）人: 高洪元;馬靜雅;趙海軍;王世豪;蘇雨萌;陳世聰;劉廷暉;李慧爽;楊杰
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: H04L41/044
• 分類號: H04L41/044;H04L41/14;H04L41/0806;H04L41/0823;H04L41/0816;H04B17/382
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1.基于量子帝王蝶優化機制的雙層異構網絡頻譜分配方法，其特征在于：步驟如下：

步驟一：建立雙層異構網絡系統模型；

步驟二：設置系統參數，初始化種群中每只帝王蝶在解空間中的量子位置，并映射得到帝王蝶的整數編碼位置，其中，整數編碼位置代表了帝王蝶在解空間中的實際位置；

步驟三：根據系統模型中的吞吐量最大值優化問題設計適應度函數，計算所有帝王蝶的適應度值，得到全局最優量子位置及其對應的全局最優位置；

采用懲罰函數的方法定義第i個帝王蝶個體的適應度函數：其中，δ₁和δ₂是懲罰因子，δ₁,δ₂＞0，第i個帝王蝶個體的適應度函數值也同時代表了該帝王蝶量子位置和位置的優劣，其值越大，該帝王蝶的位置和量子位置越優秀；利用設計的適應度函數計算種群中所有帝王蝶個體的適應度值，評價每只帝王蝶個體整數編碼位置的優劣，即解空間中潛在解的優劣；令代表至t次迭代為止帝王蝶種群的全局最優量子位置，其對應的整數編碼的全局最優位置的適應度值即為至第t次迭代為止的最優適應度；

步驟四：根據適應度值，應用快速排序方法對帝王蝶種群排序，將其分為兩個帝王蝶子種群；

步驟五：利用遷移算子更新子種群1中每個帝王蝶個體的過渡量子位置；

步驟六：利用帝王蝶調整算子更新子種群2中每個帝王蝶個體的過渡量子位置；

步驟七：合并兩個新生成的子種群為一個新的過渡種群，利用量子演化機制更新帝王蝶種群的量子位置，并計算更新后的量子帝王蝶的適應度值，執行貪婪選擇機制，更新全局最優量子位置和其對應的全局最優位置；

步驟八：判斷是否達到最大迭代次數，若是則輸出全局最優量子位置和全局最優位置，全局最優位置即為頻譜分配的最佳方案；否則令迭代次數加1，即t＝t+1，并返回步驟四，進行新一輪的迭代。

2.根據權利要求1所述的基于量子帝王蝶優化機制的雙層異構網絡頻譜分配方法，其特征在于：步驟一具體為：建立異構網絡模型時，考慮Macro-Femtocell雙層異構網絡下行鏈路的頻譜分配問題，Macro-Femtocell雙層異構網絡中，宏基站用戶m在子信道上的信干噪比為家庭基站f下的用戶u在子信道上的信干噪比為其中，和分別表示宏基站和家庭基站f在子信道上的發射功率，和分別代表宏基站和家庭基站f與宏基站用戶m之間的信道增益，和分別為宏基站和家庭基站f到宏基站用戶m的路徑損耗，為干擾基站f′在子信道上的發射功率，和分別代表家庭基站f，干擾基站f′和宏基站與家庭基站f下的用戶u之間的信道增益，和分別代表家庭基站f，干擾基站f′和宏基站到家庭基站f下的用戶u的路徑損耗，σ²代表加性高斯白噪聲功率，F_bs＝{1,2,...,F}為家庭基站標號的集合；

根據香農公式，Macro-Femtocell雙層異構網絡系統總吞吐量模型為：

綜合考慮頻譜分配的公平性與用戶滿意度的問題，在功率平均分配的情況下，Macro-Femtocell雙層異構網絡系統吞吐量最大值優化問題方程為：

式中，B為系統總帶寬，Q為子信道數量，N為網絡中所有用戶的數量，N_m代表宏基站用戶數量，N_f為每個家庭基站內的用戶數量；與為約束條件，用以確保網絡中用戶資源分配的比例公平性，并滿足絕大部分用戶的需求，其中，S_n代表分配給第n個用戶的頻譜資源，和分別為滿足最低信干噪比的宏基站用戶數量和滿足最低信干噪比的家庭基站用戶數量，R_u為用戶需求滿足率。

3.根據權利要求1或2所述的基于量子帝王蝶優化機制的雙層異構網絡頻譜分配方法，其特征在于：步驟二具體包括：設置帝王蝶種群規模H，令初始迭代次數t＝0，設置最大迭代次數G，帝王蝶調整率R_BAR，遷移周期T_peri以及遷移率R_mig；在第t次迭代過程中，第i只帝王蝶在N維搜索空間中的量子位置為由量子位置映射得到第i只帝王蝶在N維搜索空間中的整數編碼的位置映射方式為其中，N為雙層異構網絡用戶總數，i＝1,2,...,H，n＝1,2,...,N，代表向上取整運算；在初始化過程中，種群中帝王蝶的初始量子位置通過隨機的方式產生。