吉林大学学报(工学版) ›› 2025, Vol. 55 ›› Issue (6): 2138-2144.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb.20240563

• 通信与控制工程 • 上一篇    

高维无线多用户通信网络频谱资源动态分配算法

高云(),周建慧,郭艳萍   

  1. 山西大同大学 计算机与网络工程学院,山西 大同 037009
  • 收稿日期:2024-05-27 出版日期:2025-06-01 发布日期:2025-07-23
  • 作者简介:高云(1976-),女,副教授,硕士.研究方向:人工智能,深度学习.E-mail:gylg2003@163.com
  • 基金资助:
    山西省哲学社会科学规划项目(2023YJ125);山西省软科学研究计划项目(2019041023-5);山西大同大学基础青年科研基金项目(2022Q4);国家自然科学基金项目(11871314)

Dynamic allocation algorithm of spectrum resources in high⁃dimensional wireless multi⁃user communication networks

Yun GAO(),Jian-hui ZHOU,Yan-ping GUO   

  1. School of Computer and Network Engineering,Shanxi Datong University,Datong 037009,China
  • Received:2024-05-27 Online:2025-06-01 Published:2025-07-23

摘要:

针对高维无线多用户通信网络中因频谱资源分配不合理导致网络负载不均衡、通信质量不稳定,传统的频谱资源分配方法无法实时响应用户需求的动态变化,从而导致频谱资源的利用效率不高的问题,提出了高维无线多用户通信网络频谱资源动态分配算法。通过确定频谱资源动态分配程序,同时兼顾通信网络负载均衡目标与通信质量目标,构造频谱资源动态分配目标函数,并阐明其约束条件。引入改进遗传算法对目标函数进行求解,获取频谱资源动态分配最优方案。实验表明,应用本文算法获得的频谱资源利用率最大值达到了95%,频谱资源分配结果与实际结果一致,充分证实了本文算法具备更优质的频谱资源分配性能。

关键词: 频谱资源, 用户需求, 网络性能, 高维无线多用户通信网络, 动态分配

Abstract:

In high-dimensional wireless multi-user communication networks, there is a problem of unreasonable spectrum resource allocation, which leads to uneven network load and unstable communication quality. Traditional spectrum resource allocation methods can not respond to dynamic changes in user needs in real time, resulting in low utilization efficiency of spectrum resources. Therefore, a dynamic allocation algorithm for spectrum resources in high-dimensional wireless multi-user communication networks was proposed. By determining the dynamic allocation program of spectrum resources, while considering the goals of communication network load balancing and communication quality, a dynamic allocation objective function of spectrum resources was constructed, and its constraint conditions were explained. An improved genetic algorithm was introduced to solve the objective function and the optimal solution for dynamic allocation of spectrum resources was obtained. The experimental results show that the maximum spectrum resource utilization rate obtained by the proposed algorithm reaches 95%, and the spectrum resource allocation results are consistent with the actual results, fully confirming that the proposed algorithm has better spectrum resource allocation performance.

Key words: spectrum resources, user needs, network performance, high-dimensional wireless multi-user communication network, dynamic allocation

中图分类号: 

  • TN929.5

图1

频谱资源动态分配目标函数求解流程图"

图2

高维无线多用户通信网络模型示意图"

表1

频谱资源表"

代码频段频段名称
ζ1300~3 000 Hz特低频
ζ23~30 kHz甚低频
ζ330~300 kHz低频
ζ4300~3 000 kHz中频
ζ53~30 MHz高频
ζ630~300 MHz甚高频
ζ7300~3 000 MHz特高频
ζ83~30 GHz超高频
ζ930~300 GHz极高频
ζ10300~3 000 GHz至高频

图3

参数γ0与改进遗传算法运算迭代次数关系图"

图4

频谱资源利用率示意图"

表2

频谱资源分配结果示意表"

频谱资源实际结果本文算法对比算法1对比算法2
ζ12,82,852,8
ζ25595,15
ζ39,159,152,154
ζ410,1110,111010,11
ζ51,41,41,41,9
ζ612121212,14
ζ7666,86
ζ813131313
ζ93,143,143,143
ζ10777,117
[1] 吴钢, 周金辉, 李慧. 面向边缘增强分布式电力无线传感网的资源分配[J]. 中国电力, 2023, 56(8): 77-85.
Wu Gang, Zhou Jin-hui, Li Hui. Resource allocation for edge-enhanced distributed power wireless sensor network[J]. Electric Power, 2023, 56(8): 77-85.
[2] 方海, 高媛, 赵扬, 等. 卫星边缘计算中任务卸载与资源分配联合优化算法[J]. 小型微型计算机系统, 2023, 44(6): 1214-1219.
Fang Hai, Gao Yuan, Zhao Yang, et al. Joint optimization of task offloading and resource allocation in satellite edge computing[J]. Journal of Chinese Computer Systems, 2023, 44(6): 1214-1219.
[3] 毛忠阳, 孙林, 刘锡国, 等. 信息优先级保护的动态频谱分配算法[J]. 电讯技术, 2022, 62(8): 1023-1028.
Mao Zhong-yang, Sun Lin, Liu Xi-guo, et al. An nformation riority-protected ynamic pectrum llocation lgorithm[J]. Telecommunication Engineering, 2022, 62(8): 1023-1028.
[4] 王岳, 王乐, 孙文洋, 等. 改进蜉蝣算法求解认知车载网络频谱分配问题[J]. 计算机工程与设计, 2023, 44(10): 3012-3020.
Wang Yue, Wang Le, Sun Wen-yang, et al. Using improved mayfly optimization algorithm to solve spectrum allocation problem of cognitive vehicular network[J]. Computer Engineering and Design, 2023, 44(10): 3012-3020.
[5] 徐勇军, 姜思巧, 张海波, 等. 基于硬件损伤的认知反向散射通信网络鲁棒安全资源分配算法[J]. 电子与信息学报, 2024, 46(2): 652-661.
Xu Yong-jun, Jiang Si-qiao, Zhang Hai-bo, et al. Robust secure resource allocation algorithm for cognitive backscatter communication with hardware impairment[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2024, 46(2): 652-661.
[6] 孙林, 毛忠阳, 康家方, 等. 基于最大化能效的海上中继通信频谱分配算法[J]. 系统工程与电子技术, 2022, 44(8): 2661-2667.
Sun Lin, Mao Zhong-yang, Kang Jia-fang, et al. Energy efficiency maximization-based spectrum allocation algorithm for maritime relay communication system[J]. Systems Engineering and Electronics, 2022, 44(8): 2661-2667.
[7] Mai L, Pham Q V, Kim H C, et al. Enhanced Resource allocation in D2D communications with NOMA and unlicensed spectrum[J]. IEEE systems journal, 2022, 16(2): 2856-2866.
[8] 陈波, 张志华. 融合智能算法的软件定义网络负载均衡控制[J]. 计算机仿真, 2023, 40(3): 405-408.
Chen Bo, Zhang Zhi-hua. Software defined network load balancing control with intelligent algorithm[J]. Computer Simulation, 2023, 40(3): 405-408.
[9] 王改花, 谢健骊, 李翠然. 基于博弈资源分配的认知异构网络干扰协调算法[J]. 计算机应用研究, 2023, 40(1): 244-248.
Wang Gai-hua, Xie Jian-li, Li Cui-ran. Interference coordination algorithm for cognitive heterogeneous networks resource allocation based on game theory[J]. Application Research of Computers, 2023, 40(1): 244-248.
[10] 黄兴, 张文杰, 李曦, 等. 一种面向电力物联网的认知D2D网络能效资源分配算法[J]. 电测与仪表, 2023, 60(2): 97-103.
Huang Xing, Zhang Wen-jie, Li Xi, et al. Energy-efficient resource allocation algorithm for cognitive D2D networks for power IoT[J]. Electrical Measurement & Instrumentation, 2023, 60(2): 97-103.
[11] 葛瑞林, 江亮, 陈铭毓, 等. 基于图着色模型的弹性光网络频谱分配算法[J]. 光通信技术, 2023, 47(2): 59-63.
Ge Rui-lin, Jiang Liang, Chen Ming-yu, et al. Spectrum allocation algorithm for elastic optical networks based on graph coloring model[J]. Optical Communication Technology, 2023, 47(2): 59-63.
[12] 张钰, 赵雄文, 王晓晴, 等. 多载波NOMA安全通信系统稳健性资源分配算法[J]. 通信学报, 2022, 43(3): 42-52.
Zhang Yu, Zhao Xiong-wen, Wang Xiao-qing, et al. Robust resource allocation algorithm for multicarrier NOMA security communication system[J]. Journal on Communications, 2022, 43(3): 42-52.
[13] 刘焕淋, 王展鹏, 陈勇, 等. 物理损伤感知的多芯光纤网络动态路由资源分配方法[J]. 电子学报, 2022, 50(2): 502-507.
Liu Huan-lin, Wang Zhan-peng, Chen Yong, et al. Physical impairment aware-based dynamic routing resource allocation method for multi-core fiber network[J]. Acta Electronica Sinica, 2022, 50(2): 502-507.
[14] 晋春, 毛罕平, 马国鑫, 等. 基于改进遗传算法的温室环境动态优化控制[J]. 江苏大学学报: 自然科学版, 2022, 43(2): 169-177.
Jin Chun, Mao Han-ping, Ma Guo-xin, et al. Dynamic optimal control of greenhouse environment based on improved genetic algorithm[J]. Journal of Jiangsu University (Natural Science Edition), 2022,43(2): 169-177.
[15] 蔡一峰, 蓝求旺, 陈尚君, 等. 一种串扰感知的空分复用弹性光网络频谱分配算法[J]. 光通信技术, 2022, 46(5): 20-24.
Cai Yi-feng, Lan Qiu-wang, Chen Shang-jun, et al. Crosstalk-aware spectrum allocation algorithm for space-division multiplexing elastic optical networks[J]. Optical Communication Technology, 2022, 46(5): 20-24.
[1] 潘磊,陈岚,朱胜利,童雯艳. 一种正交频分复用定时同步算法及其硬件实现优化[J]. 吉林大学学报(工学版), 2022, 52(11): 2728-2734.
[2] 孙洪亮,沈伟达,陈玲玲. 时延QoS约束下的混合业务带宽补偿算法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2022, 52(8): 1912-1917.
[3] 李建坡,薛鹏,杨涛,李美霖. 基于分组导频复用的大规模多输入多输出系统导频污染抑制方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2021, 51(6): 2225-2236.
[4] 王义君,张有旭,缪瑞新,豆佳敏. 5G中基于系统中断概率的D2D资源分配算法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2021, 51(1): 331-339.
[5] 王金鹏,叶政鹏,曹帆,邹念育. 5G移动通信中基于同频干扰分布的协同分布式天线传输系统[J]. 吉林大学学报(工学版), 2020, 50(1): 333-341.
[6] 李翠然,于永生,谢健骊. 基于次用户优先级的频谱共享动态博弈算法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2020, 50(1): 315-323.
[7] 刘毅,肖玲玲,王改静,张武军. 基于联合优化的D2D资源分配算法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2020, 50(1): 306-314.
[8] 王宏志,姜方达,周明月. 基于遗传粒子群优化算法的认知无线电系统功率分配[J]. 吉林大学学报(工学版), 2019, 49(4): 1363-1368.
[9] 姜来为, 沙学军, 吴宣利, 张乃通. LTE-A异构网络中新的用户选择接入和资源分配联合方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(6): 1926-1932.
[10] 金志刚, 王健, 苏毅珊. 生物友好的认知水声网络频谱分配[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(4): 1321-1328.
[11] 韩伟良, 葛建华, 马波, 高洋. 符号干扰多径信道下可达信道容量的预编码方案[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(3): 981-987.
[12] 李钊, 饶正发, 蔡沈锦. 协作认知无线网络中基于优先级队列的两级中心频谱共享机制[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(5): 1651-1659.
[13] 李钊, 李培凤, 蔡沈锦. 基于动态中继激励的协作下行传输用户调度[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(4): 1313-1319.
[14] 李正训, 孙晓颖, 曲良东, 刘妍妍, 允光石. 基于硬件限幅器和LMS自适应算法的GPS接收机干扰抑制方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(3): 941-946.
[15] 李钊, 李培凤. MU-MIMO下行链路基于加权用户相关的公平调度[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(3): 947-954.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[1] 李嘉菲,刘大有,于万钧 . 一种能发现重复任务的过程挖掘算法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2007, 37(01): 106 -110 .
[2] 季常煦,杨楠,胡娟娟,陈昕. 城市交通流诱导系统与交通控制系统集成中的信息处理[J]. 吉林大学学报(工学版), 2006, 36(增刊1): 140 -0143 .
[3] 谢宁,赵晓晖,莫秀玲,孙玉晶 . Pre-Rake合并超宽带无线接收机的性能[J]. 吉林大学学报(工学版), 2007, 37(05): 1192 -1196 .
[4] 白莉,尹军,廖资生. 基于塑铝管改进的城市污水热能供热系统[J]. 吉林大学学报(工学版), 2006, 36(02): 269 -0273 .
[5] 李雯,高峰,孙鹏. 复合材料深空探测车车轮的设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2006, 36(04): 502 -505 .
[6] 王田苗,孟刚,梁建宏,文力 . SPC系列仿生机器鱼的高频拍动[J]. 吉林大学学报(工学版), 2008, 38(06): 1412 -1417 .
[7] 苏建,刘义生. PXI总线在车用仪表性能检测中的应用[J]. 吉林大学学报(工学版), 2009, 39(增刊2): 229 -0232 .
[8] 王昕,姜继海. 轮边驱动液压混合动力车辆再生制动控制策略[J]. 吉林大学学报(工学版), 2009, 39(06): 1544 -1549 .
[9] 王健,葛安林,雷雨龙,田华,杨建华. 基于三维流动理论的液力变矩器设计流程[J]. 吉林大学学报(工学版), 2006, 36(03): 315 -0320 .
[10] 曲昭伟,王殿海,姚荣涵 . 信号交叉口起动波的运动学模型[J]. 吉林大学学报(工学版), 2008, 38(02): 268 -0272 .