光与无线融合组网中多维资源调度方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种光与无线融合组网中多维资源调度方法。

背景技术：

随着大容量高速无线通信技术发展的技术要求越来越高，光载无线(Radio-Over-Fiber,ROF)通信技术应运而生。ROF技术的关键在于将无线通信的微波信号在中心站调制到光纤通信中的激光上，调制信号经过光纤传输到达基站后，基站将微波信号解调，再通过天线发射供用户使用。

ROF通信系统利用无线频谱资源为用户提供更广泛的覆盖范围、更多样的接入方式。但是这些频谱资源的划分是相对固定的，随着用户接入数量与方式的增加，几乎所有优质的频谱已经分配殆尽，而且已分配出去的频谱的使用效率并不高，未来已经没有新的优质频段分配给研发出的无线通信系统。一方面是己经没有新的频段可供使用，另一方面是已经分配出去的频段的使用效率低下。

如图1所示，ROF系统包含中心站、基站、光链路和用户端四个部分。ROF通信系统中使用光纤作为基站(BS)与中心站(CS)之间的传输光链路，直接利用光载波来传输射频信号。光纤仅起到传输的作用，交换、控制和信号的再生都在中心站实现，基站仅实现光电转换。这样，可以把复杂昂贵的设备集中到中心站点，让多个远端基站共享这些设备，减少基站的功耗和成本。

光纤传输的射频信号提高了无线带宽，但天线发射后在大气中的损耗会增大，所以要求蜂窝结构向微微小区转变，而基站结构的简化有利于增加基站数目来减少蜂窝覆盖面积，从而使组网更为灵活，大气中无线信号的多径衰落也会降低；另外，利用光纤作为传输链路，具有低损耗、高带宽和防止电磁干扰的特点。正是这些优点，使得ROF技术在未来无线宽带通信、卫星通信以及智能交通系统等领域有着广阔的应用前景。ROF技术是一种光和微波相结合的通信技术，希望利用光纤的低损耗、高带宽特性，提升无线接入网的带宽。与传统的无线网络相比，ROF系统有着更广的蜂窝覆盖、更宽的带宽、较低的成本、较低的功耗和易安装等优点。

随着无线技术的高速发展，以多媒体业务为代表的各种高速数据业务不断增长，并逐渐成为未来无线通信系统的核心业务。未来无线通信系统面临的最大挑战是己经没有新的频段可供使用，另一方面是已经分配出去的频段的使用效率低下，因此灵活有效的无线资源管理和调度对于无线网络的设计有着举足轻重的作用。

无线资源分配是无线网络实现频谱动态分配和利用的关键技术之一，它在复杂的无线信道衰落特性、干扰及用户业务分布不均匀的情况下，灵活的分配多维无线资源，如频谱、波长、时间、空间资源，以尽可能有效的利用这些无线资源来提升频谱利用率和网络容量等系统性能指标。

传统无线网络中的无线资源管理的目标是在有限的无线资源条件下，为网络内无线终端用户提供端到端QoS保证的业务，灵活分配和动态调整无线空中接口和网络中的可用资源，最大程度地提高无线系统资源利用率、防止网络拥塞和降低信令开销。

异构无线融合网络中无线资源管理基于泛在网络的分层架构、异构网络的互通架构、异构网络资源管理模型以及异构网络资源管理架构，并对其中功能实体进行定义。该技术方案的目标是不仅能够支持多异构网络的互通及协同，并且能支持接入不同网络的用户终端间的协同传输。该架构在网络控制平面、用户平面以外引入认知平面，该平面通过上下文信息服务器对来自网络域、业务域、无线域及用户域的信息进行处理，支撑业务、资源和链路层面对不同网络及终端间资源分配的控制与管理决策以满足用户的业务需求。异构融合无线资源管理框架及功能实体是对现有网络进行增量升级的基础上，实现了不同无线接入网络间协同。

面向业务需求的异构无线网络资源分配方法，针对异构网络中多无线接入协同传输的应用场景，研究了基于业务流量区分的异构网络无线资源分配问题。方案考虑了异构无线网络中多模终端同时接入多个异构网络的协同并行传输上行场景，根据用户终端的请求业务类型分为：时延受限类和尽力而为类。根据这两类业务数据流量的QoS需求不同，考虑时延受限类业务数据需要保证时延满足一定阈值以内，即需保证该业务的最小传输速率；同时，尽力而为类业务数据由于无时延限制，但是基于用户的公平性考虑，尽力而为类业务流量在不同用户之间需要保证比例公平性。因此，为提高异构网络中资源利用率，异构网络下多无线接入上行场景中的问题建模为在满足上述用户业务流量QoS前提下最大化异构网络系统容量对用户终端的发射功率和接入频率带宽进行分配。

上述两个技术方案均是从频谱资源入手，通过构建资源管理架构或是最大化异构网络系统容量建模来实现异构网络的资源分配。两个技术方案虽然可以达到预期的效果，但是它们仅仅在传输层角度提高了资源的利用效率，面对日益增多的无线接入用户与接入方式，这样是远远不够的。对于异构网络中多无线接入场景中面向用户业务需求的实际网络运行环境中异构业务的资源分配方面，还存在有待深入研究的问题。

ROF技术为用户提供了高速多样的通信方式、接入手段，但由于缺乏有效的协调，出现了频谱资源稀缺、路径拥堵等异构资源分配不均衡的现实问题。

技术实现要素：

本发明提出一种光与无线融合组网中多维资源调度方法，主要应用在ROF通信系统中多维资源调度场景，通过路径选择、波长分配以及射频资源调配对异构资源进行合理配置，重点解决了由于缺乏有效的协调，出现了频谱资源稀缺、路径拥堵等异构资源分配不均的现实问题，提高网络资源利用效率。

随着ROF网络发展的过程中用户数量与接入方式的增多，频谱等异构资源稀缺很大程度上限制了ROF网络的进一步发展。如何实现多维资源的合理调度成为ROF网络发展面临的最大挑战。本发明的核心思想是在光与无线融合组网场景下，通过路径选择、波长分配以及射频分配实现异构多维资源的调度。

本发明提供的光与无线融合组网中多维资源调度方法，包括如下步骤：

步骤一：通过蚁群算法选择最优路径，随着信息的发送，形成一个动态判断最优路径的过程；

步骤二：选择合适的波长资源承载信号，当波长资源不足时，选用其他射频资源的波长资源承载信号，并使用新的射频传输信号。

本发明的优点在于：

(1)解决了由于缺乏有效的协调，出现了频谱资源稀缺、路径拥堵等异构资源分配不均的现实问题，提高网络资源利用效率。

(2)蚁群算法模拟真实的蚁群协作过程。算法由若干个蚂蚁共同构造解路径，通过在解路径上遗留并交换信息素提高解的质量，进而达到优化的目的。在求解性能上，具有很强的鲁棒性(对基本蚁群算法模型稍加修改，便可以应用于其他问题)和搜索较好解的能力。

(3)采用波长资源与频谱资源并行的方式来承载信息，可以提高资源利用率，在网络资源不充足的情况下，尽可能的满足用户需求。

附图说明

图1为现有的ROF网络系统示意图。

图2为现有网络出现协调路径拥堵问题的示意图。

图3为ROF网络多维资源分配示意图。

图4为本发明提供的多维资源调度方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明的目的是解决ROF网络中由于网络资源分配不均匀而带来的路径拥堵问题，如图2所示，所述ROF网络包括多个基站和多个虚拟网络节点，虚拟网络节点接收一个基站的信息，在经过其他虚拟网络节点的传递后通过光链路传送给另一个基站，在多个虚拟网络节点的信息传递过程中，由于缺乏有效的资源协调，出现了路径拥堵的问题，即在多个虚拟网络节点之间发生了故障。

本发明提供一种光与无线融合组网中多维资源调度方法，如图4所示流程，具体包括如下步骤：

步骤一：收集基站与业务信息，随着信息的发送，通过蚁群算法选择最优路径，形成一个动态判断最优路径的过程。

对于服务器与路径的最优选择，本发明采用蚁群算法，具体方法如下：

1)初始化服务器与路径信息；

2)基站发出信息，信息到达服务器；

3)当信息经服务器处理后，返回基站的过程中，在经过的节点产生一个会随时间不断衰减的标示信号；所述的节点是指网络节点，节点可以是工作站、客户、网络用户或个人计算机，还可以是服务器、打印机和其他网络连接的设备。

4)信息所经过路径越短、所经过服务器的资源越多，信息反馈会更快，因此在信息所经过的节点上会产生更多的标示信号，即某个节点上经过的信息越多，该节点产生的标示信号越多。蚁群算法的过程中，信息会经过所有的路径，在经过最短的路径时，会有更快的反馈。

5)信息在经过网络的每一个节点时，该节点都会产生一个标示信号，信息在传递过程中，对下一个可以选择的节点的标示信号进行判断，选择具有标示信号最多的一个节点来传输信息，形成当前信息传输的最优路径；

6)当一个节点比较拥堵时，说明服务器的资源被使用的较多，服务器对信息的处理会相应变慢，标示信号的增加速度会变慢，且标示信号会不断衰减，节点上标示信号的变化导致信息传输过程中对节点的选择发生变化，进而产生新的最优路径。

7)随着信息的不断发送，会形成一个动态的最优路径选择过程。

步骤二：选择合适的波长资源承载信号，当波长资源不足是，选用其他射频资源的波长资源来承载信号，并使用新的射频传输信号。

本步骤是在频谱资源固定的情况下，通过合理分配频谱资源的方式，实现ROF网络中的多维资源调度。现有的分配频谱资源方式有很多，本步骤从网络层面入手，采用综合考虑波长与射频资源的方法，提高网络资源利用效率。该方法概括起来就是：

先选择一个波长资源承载信号进行信息传输；

当波长资源不足时，选用其他射频资源的波长资源承载信号，并使用新的射频传输信号。

路由选择、波长和射频资源分配的方法在图3A所示的例子中进行了说明，在图3A和图3B的示例中考虑具有6个节点(圆形节点1～6)的简单网络拓扑，在每条光纤链路中的波长被划分成9个子载波，而子载波的标号顺序为从1到9。在拓扑中，假设共有4个业务请求T_n(X，Y，Z)同时到达，其中n表示业务请求编号，n＝1,2,3,4；X、Y和Z分别表示起始节点、目的节点和占用波长资源数量，并在图3B中用不同的填充形状表示。在初始状态中，由于所有的波长资源在初始时没有被占用，因此业务请求T₁(1，5，3)选择最短路由L_A，E作为路径并分配波长1-3(左斜线)对信息进行传输。由于路由L_A，E已经被占用，因此业务请求T₂(1，5，5)重新选择次优路由L_A，D，G作为路径，但是波长资源依然充裕，故选择波长4-8(竖直线)对信息进行传输。由于最优路由L_A，E和次优路由L_A，D，G均被占用，故业务请求T₃(1，6，6)选择次次优路由L_B，F，I作为路径，但是波长资源依然充裕故选择波长1-6(横直线)对信息进行传输。因此前三个业务请求成功建立。当业务请求T₄(1，5，4)到达时，发现波长资源不足以对该业务请求进行传输，因此选用20GHz射频来传送信息，新的射频下波长资源没有被占用，因此业务请求T₄(1，5，4)选择最短路由L_A，E作为路径并分配波长1-3(右斜线)对信息进行传输。

本发明通过光载无线组网架构下的多维资源调度，实现了最优路径的选择与频谱资源的合理配置，减轻了网络堵塞和频谱资源稀缺的问题，可以为用户提供更高的传输速率与业务提供能力。