基于退火遺傳算法的網(wǎng)絡(luò)通信資源分配方法

曾 琪

（江西制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，江西 南昌 330095）

0 引言

在通信效率要求不斷提高的時(shí)代背景下，D2D通信（Device-to-Device，設(shè)備間直接通信）為核心的短距離無線通信技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛[1-2]。一般情況下，數(shù)據(jù)在通信網(wǎng)絡(luò)中的傳輸需要借助中繼結(jié)構(gòu)，這就造成了在某一時(shí)段用戶請(qǐng)求急劇增加，或用戶數(shù)量大幅擴(kuò)增條件，通信網(wǎng)絡(luò)中中繼節(jié)點(diǎn)的負(fù)載過重，影響最終的傳輸效率和通信時(shí)延[3-4]。針對(duì)該問題，相關(guān)學(xué)者已經(jīng)開展了一系列研究，其中，文獻(xiàn)[5]將不完美CSI理論應(yīng)用到D2D通信網(wǎng)絡(luò)資源分配的研究中，以魯棒能效為核心目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率的提升，但是對(duì)于越來越高的通信要求而言，其仍存在一定的提升空間。文獻(xiàn)[6]以O(shè)FDMA為研究對(duì)象，借助粒子群遺傳混合優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的自適應(yīng)分配，提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，但是程度有待加強(qiáng)。文獻(xiàn)[7]以蜂窩網(wǎng)絡(luò)為研究對(duì)象，利用Q-Learning實(shí)現(xiàn)對(duì)D2D通信資源的分配，同樣使得網(wǎng)絡(luò)的吞吐量得到了一定程度的提升，但是其對(duì)于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變化的靈敏度較低。

在此基礎(chǔ)上，本文提出一種基于退火遺傳算法的網(wǎng)絡(luò)通信資源分配方法，并通過試驗(yàn)測(cè)試的方式分析驗(yàn)證了其在提高網(wǎng)絡(luò)信息吞吐效率方面的優(yōu)越性。

1 網(wǎng)絡(luò)通信資源分配方法設(shè)計(jì)

1.1 網(wǎng)絡(luò)通信資源分配需求分析

在對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信資源進(jìn)行分配之前，首先需要結(jié)合實(shí)際情況明確網(wǎng)絡(luò)通信資源分配需求。在以核心基站為中心的通信網(wǎng)絡(luò)中，所有終端狀態(tài)及對(duì)應(yīng)可執(zhí)行傳輸任務(wù)的鏈路狀態(tài)信息都直接影響著后續(xù)資源分配的結(jié)果[8]。當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域處于滿載狀態(tài)時(shí)，每個(gè)用戶對(duì)應(yīng)的信道資源是相對(duì)固定的；當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域處于非滿載狀態(tài)時(shí)，每個(gè)用戶對(duì)應(yīng)的信道資源是相對(duì)動(dòng)態(tài)的[9]。以此為基礎(chǔ)，通信網(wǎng)絡(luò)資源分配的需求可以理解為在有限的通信條件下最大化通信信道的利用率。結(jié)合這一理論基礎(chǔ)，本文構(gòu)建的通信信道分配目標(biāo)函數(shù)可以表示為

式中， 為信道執(zhí)行通信傳輸任務(wù)的最短時(shí)間開銷；為通信網(wǎng)絡(luò)中i中繼節(jié)點(diǎn)的傳輸速率； 為執(zhí)行傳輸速率所需的能量；為通信網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的總量。但是需要注意的是，通信網(wǎng)絡(luò)中i中繼節(jié)點(diǎn)的傳輸速率受對(duì)應(yīng)信道帶寬、能量損耗以及噪聲共同影響，因此其計(jì)算方式可以表示為

式中，為通信網(wǎng)絡(luò)中i中繼節(jié)點(diǎn)與j中繼節(jié)點(diǎn)之間對(duì)應(yīng)傳輸鏈路的信道帶寬；為鏈路的損耗系數(shù)；為噪聲的擾動(dòng)系數(shù)；為作用于鏈路上的噪聲強(qiáng)度。

結(jié)合式（1）和式（2），網(wǎng)絡(luò)通信資源分配的目標(biāo)函數(shù)可以表示為

將其作為分配目標(biāo)，實(shí)施對(duì)通信資源的分配。

1.2 基于退火遺傳算法的資源分配

本文采用遺傳退火算法實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的計(jì)算，具體的實(shí)現(xiàn)方式分為以下幾個(gè)步驟。

步驟1：設(shè)置通信網(wǎng)絡(luò)中任意D2D鏈路為初始化個(gè)體，網(wǎng)絡(luò)中所有D2D鏈路形成初始化種群。以發(fā)射階段為基準(zhǔn)，在種群中隨機(jī)給出一個(gè)vi的初始數(shù)值x，并將其代入到式（2）、（3）中，計(jì)算對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值，此時(shí)的溫度為初始溫度。需要注意的是，此時(shí)的計(jì)算結(jié)果只是2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的傳輸。

步驟2：迭代步驟1的計(jì)算結(jié)果，并計(jì)算新個(gè)體的目標(biāo)函數(shù)值與當(dāng)前結(jié)果之間的差異，其可以表示為

式中，為目標(biāo)函數(shù)值的增量。

步驟3：個(gè)體尋優(yōu)，當(dāng)<0時(shí)，將保留新個(gè)體，繼續(xù)執(zhí)行對(duì)下一個(gè)個(gè)體的計(jì)算，當(dāng)>0，則繼續(xù)以當(dāng)前個(gè)體為基準(zhǔn)執(zhí)行對(duì)下一個(gè)個(gè)體的計(jì)算，直至完成對(duì)初始化種群的分析，并將分析過后得到的個(gè)體作為最優(yōu)個(gè)體，以進(jìn)行下一步驟。

步驟4：再以新確定個(gè)體對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)為基準(zhǔn)，執(zhí)行步驟1～3，直至得到接收節(jié)點(diǎn)，完成對(duì)所有鏈路資源的分配。但是需要特別注意的是，在利用按上述方法實(shí)施對(duì)多用戶并發(fā)傳輸請(qǐng)求下的資源分配時(shí)，節(jié)點(diǎn)當(dāng)前時(shí)刻的利用率不僅受執(zhí)行傳輸任務(wù)的影響，在分配階段對(duì)于該階段的使用情況也是重點(diǎn)考慮的問題之一。因此，為了避免由于多源分配請(qǐng)求下的節(jié)點(diǎn)重疊引起的傳輸效率問題，可以在上述基礎(chǔ)上引入時(shí)間參數(shù)，利用其實(shí)現(xiàn)對(duì)階段利用率的準(zhǔn)確計(jì)算。

2 測(cè)試與分析

2.1 測(cè)試準(zhǔn)備

為了對(duì)本文設(shè)計(jì)的基于退火遺傳算法的網(wǎng)絡(luò)通信資源分配方法應(yīng)用效果進(jìn)行更加直觀的分析，本文進(jìn)行了獨(dú)立蒙特卡洛實(shí)驗(yàn)，并將執(zhí)行1 000次的平均結(jié)果作為最終的評(píng)價(jià)基準(zhǔn)，以此避免由于偶然性對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。以此為基礎(chǔ)，在測(cè)試準(zhǔn)備階段，本文設(shè)置通信信道陰影的衰落按照對(duì)數(shù)正態(tài)分布的形式存在。構(gòu)建的仿真通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中包含D2D鏈路和蜂窩鏈路2種類型，對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差分別設(shè)置為10 dB和12 dB。表1為具體的測(cè)試環(huán)境參數(shù)設(shè)置情況。

表1 測(cè)試環(huán)境參數(shù)設(shè)置

從表1可以看出，本文主要是通過調(diào)整通信網(wǎng)絡(luò)中用戶的數(shù)量對(duì)資源分配效果進(jìn)行分析，同時(shí)降低了計(jì)算的復(fù)雜度。

2.2 測(cè)試結(jié)果與分析

考慮到對(duì)于通信網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行合理分配的主要目標(biāo)是提高通信網(wǎng)絡(luò)整體的吞吐量，因此本文將其作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)了在不同用戶規(guī)模下，三種資源分配方法對(duì)應(yīng)通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效果，計(jì)算得到的數(shù)據(jù)信息如表2所示。

表2 通信信道吞吐量對(duì)比表（Mbps）

從表2中可以看出，對(duì)三種方法的分配結(jié)果，采用本文方法，通信網(wǎng)絡(luò)蜂窩鏈路的吞吐量和D2D鏈路的吞吐量最高。不僅如此，在三種方法的測(cè)試結(jié)果中，通信網(wǎng)絡(luò)的吞吐量均呈現(xiàn)出隨著用戶規(guī)模的增加而逐漸增大的發(fā)展趨勢(shì)，但是對(duì)具體的增長(zhǎng)情況進(jìn)行觀察可以發(fā)現(xiàn)，在增長(zhǎng)幅度和增長(zhǎng)速率上存在一定的差異。其中，采用文獻(xiàn)[6]方法，通信網(wǎng)絡(luò)的吞吐量以相對(duì)平穩(wěn)的狀態(tài)穩(wěn)定增長(zhǎng)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中用戶規(guī)模達(dá)到160時(shí)，對(duì)應(yīng)的蜂窩鏈路吞吐量和D2D鏈路吞吐量分別為2.12 Mbps和2.13 Mbps。文獻(xiàn)[7]方法下，通信網(wǎng)絡(luò)的吞吐量在初期的增長(zhǎng)趨勢(shì)相對(duì)平緩，當(dāng)用戶人數(shù)增加至100時(shí)，對(duì)應(yīng)的吞吐量增幅僅為0.50 Mbps，在測(cè)試后期，通信網(wǎng)絡(luò)的吞吐量在初期的增長(zhǎng)趨勢(shì)更加明顯，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中用戶規(guī)模達(dá)到160時(shí)，對(duì)應(yīng)的蜂窩鏈路吞吐量和D2D鏈路吞吐量分別為2.16 Mbps和2.17 Mbps。相比之下，通過對(duì)采用本方法的通信網(wǎng)絡(luò)的吞吐量發(fā)展情況進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，其不僅表現(xiàn)出的穩(wěn)定增長(zhǎng)的特點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的增幅也明顯高于采用文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]方法，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中用戶規(guī)模達(dá)到160時(shí)，對(duì)應(yīng)的吞吐量為2.28 Mbps，表明此時(shí)其具有更高的通信效率。根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果可以得出，本文設(shè)計(jì)的基于退火遺傳算法的網(wǎng)絡(luò)通信資源分配方法可以更大限度提高通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

高速發(fā)展的通信信息技術(shù)在極大程度上促進(jìn)了信息交互的效率，利用通信網(wǎng)絡(luò)，人們可以實(shí)現(xiàn)更加高效的信息傳輸，但是隨著通信網(wǎng)絡(luò)用戶的增加，通信傳輸任務(wù)的總量也越來越多，在有限的通信資源下，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)其的合理分配成為了保障通信效果的關(guān)鍵。本文提出基于退火遺傳算法的網(wǎng)絡(luò)通信資源分配方法，在充分考慮傳輸鏈路實(shí)際通信能力以及當(dāng)前任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)的前提下，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，使其具有更高的通信效果，在極大程度上滿足了用戶的通信需求。借助本文的研究?jī)?nèi)容，希望能夠?yàn)閷?shí)際的通信網(wǎng)絡(luò)資源規(guī)劃管理提供參考價(jià)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的合理調(diào)度。