一種面向業(yè)務(wù)適度服務(wù)的認知無線網(wǎng)絡(luò)傳輸學習方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明提供一種端到端業(yè)務(wù)適度服務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸方法，特別是關(guān)于認知無線網(wǎng)絡(luò) 中采用信息交換自由度的認知過程方法，屬認知無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 認知無線電是一個具備動態(tài)頻譜接入的頻率-靈敏無線通信設(shè)備，其巨大潛力激 發(fā)了在工程、經(jīng)濟、監(jiān)管社區(qū)中尋求更好的頻譜管理和共享方針，是未來無線通信領(lǐng)域的下 一個大事件。W認知無線電為基礎(chǔ)構(gòu)建的認知無線網(wǎng)絡(luò)，是由支持認知無線電技術(shù)的終端、 相關(guān)基礎(chǔ)性設(shè)施、控制策略組成的無線網(wǎng)絡(luò)。認知無線網(wǎng)絡(luò)具備一系列感知過程，在各個過 程中可W收集網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的時空信息，包括從每個節(jié)點提取網(wǎng)絡(luò)中每層的參數(shù)變化，W此確 定最正確的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，滿足網(wǎng)絡(luò)中單個節(jié)點、端到端乃至一組節(jié)點的通信目標需求。
[0003] 支持認知無線電技術(shù)的終端、相關(guān)基礎(chǔ)性設(shè)施與控制策略組成的無線網(wǎng)絡(luò)的作用 已經(jīng)在多個領(lǐng)域得到充分肯定，如智能電網(wǎng)、設(shè)備到設(shè)備網(wǎng)絡(luò)、軍事通信、GPS定位、醫(yī)療體 育網(wǎng)等。未來移動通信的業(yè)務(wù)種類和服務(wù)質(zhì)量需求越來越多樣化，而網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)能力卻是 有限的，運導(dǎo)致了業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)固有能力之間的差距越來越大，最終將使得網(wǎng)絡(luò)難W支 持多樣化的業(yè)務(wù)。認知無線電的研究焦點主要集中在動態(tài)頻譜接入，但是認知無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng) 用層的性能沒有被仔細討論過。一些重要的問題，例如什么應(yīng)用能夠充分利用頻譜白空間， W及是否現(xiàn)有的無線協(xié)議能夠提供滿意的性能，依然沒有得到解決。"帶寬-饑餓"的業(yè)務(wù)應(yīng) 用是充分發(fā)揮認知無線電潛力的基礎(chǔ)，因此，對認知無線網(wǎng)絡(luò)中如何提高端到端效能來促 進業(yè)務(wù)應(yīng)用問題的討論非常重要。
[0004] 然而，上述問題在無線環(huán)境下存在兩個技術(shù)挑戰(zhàn):第一個挑戰(zhàn)，是在水平方向上滿 足多樣性業(yè)務(wù)需求，運需要針對頻譜資源的不同業(yè)務(wù)量的時空分布、優(yōu)先級，然后充分利用 信道、干擾、業(yè)務(wù)的動態(tài)變化特征，對多樣性業(yè)務(wù)需求進行分析，最后識別可用的頻譜空桐。 第二個挑戰(zhàn)，是在垂直方向上實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)各層(物理層、MC層、路由層、鏈路層)的跨 層優(yōu)化，運需要一個合適的頻段分配和速率自適應(yīng)方法對次用戶（未授權(quán)）的需求進行確 認，在不受主用戶(授權(quán))干擾的情況下，滿足次用戶服務(wù)質(zhì)量需求。新型無線實時業(yè)務(wù)一方 面需要維護大量共享數(shù)據(jù)和控制信息，運些數(shù)據(jù)、信息往往是短暫的；另一方面其活動有很 強的即時約束特性。針對上述特征，需要依據(jù)頻譜機會、干擾情況和信息利益，對無線實時 業(yè)務(wù)中的跨層分配展開設(shè)計，使之具備自主適變特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了建立高效能的服務(wù)機制，本發(fā)明在上述水平和垂直方向上通過按比例公平， 來采集業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和信息交換自由度，W便自適應(yīng)地匹配資源，并且W整網(wǎng)頻譜利用率最高 為準則來探尋最優(yōu)的多維業(yè)務(wù)類型信息的利用方式。目標是在網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)之間，能建構(gòu)一 種綜合性的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)跨層管理方法，使得整個網(wǎng)絡(luò)具備業(yè)務(wù)普適。
[0006] 本發(fā)明提出了一個實時多樣化業(yè)務(wù)的認知無線網(wǎng)絡(luò)傳輸學習方法，來適應(yīng)業(yè)務(wù)動 態(tài)變化特性之間的內(nèi)在聯(lián)系，建立多標準優(yōu)化的端到端效能的無線傳輸。本發(fā)明可廣泛應(yīng) 用于認知無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案：
[000引（1)采集實時業(yè)務(wù)和優(yōu)先級信息；
[0009] (2)建立白空間矩陣和干擾矩陣；
[0010] (3)根據(jù)節(jié)點可行行動、業(yè)務(wù)傳輸時間，計算路由和時延；
[0011] (4)進行本地信息和優(yōu)先級的分布式協(xié)同設(shè)計；
[0012] (5)獲取信息交換自由度和自由度限制條件；
[0013] (6)通過傳輸協(xié)作和信息交換，對多業(yè)務(wù)應(yīng)用進行自適配；
[0014] (7)根據(jù)和模型無關(guān)的分布式強制學習，建立頻譜切換；
[0015] (8)根據(jù)服務(wù)質(zhì)量檢驗是否滿足用戶需求。
[0016] 所述步驟（1)中，多跳環(huán)境下，認知無線網(wǎng)絡(luò)由主用戶、次用戶、網(wǎng)絡(luò)中繼組成。認 知無線網(wǎng)絡(luò)包含3個集合，即一個主用戶集，一個包括次用戶和網(wǎng)絡(luò)中繼傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)節(jié)點 集，和一個連接次用戶和網(wǎng)絡(luò)中繼傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)鏈路集。網(wǎng)絡(luò)里有多個節(jié)點和多條鏈路，節(jié)點 要么是次用戶，要么是中繼傳輸節(jié)點。為了避免主用戶干擾，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在頻譜空桐下進行傳 輸，因此，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點要建立一條鄰居節(jié)點鏈路，節(jié)點僅采用可用頻段集。
[0017] 業(yè)務(wù)特征的差異性需要著眼于無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的對象（用戶）和無線網(wǎng)絡(luò)傳遞的對 象(信息）。業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)的需求越來越多樣和多變，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的業(yè)務(wù)資源用業(yè)務(wù)矩陣描述，包 括不同鏈路和頻段組成的路由。在業(yè)務(wù)矩陣中，1表示指定頻段可用且鏈路和節(jié)點相連，0表 示頻段不可用或無連接。業(yè)務(wù)資源矩陣不僅取決于網(wǎng)絡(luò)拓撲連接，而且取決于相同的頻段 上的通信干擾。
[0018] 網(wǎng)絡(luò)承載的用戶實時業(yè)務(wù)應(yīng)用有多個，且由多個優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包組成，其中最高 優(yōu)先級針對主用戶的實時業(yè)務(wù)。相應(yīng)地，其余的優(yōu)先級能用一個=元組，即平均數(shù)據(jù)包長 度、影響力、數(shù)據(jù)包時延截止期來確定。優(yōu)先級決定了頻譜接入能力。除了主用戶頻段的最 高優(yōu)先級，還有次用戶伺機接入頻段的優(yōu)先級。主用戶具備最高優(yōu)先級，因此在任何時間接 入頻段;相反，次用戶僅能接入頻譜空桐。由于受到多跳網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的影響，如干擾、信號強 度、多跳，等等，次用戶會對主用戶感知減弱，次用戶也會對主用戶產(chǎn)生干擾，運些干擾依賴 于主用戶的位置。
[0019] 所述步驟(2)中，假設(shè)頻譜機會對次用戶可用，主用戶會阻止所有鄰居鏈路采用頻 段，節(jié)點感知該信道，并獲得主用戶的白空間矩陣。在白空間矩陣中，1表示主用戶占用指定 頻段，且鏈路和主用戶干擾，否則為0。
[0020] 在優(yōu)先級的干擾矩陣中，1表示如果鏈路采用指定頻段能被優(yōu)先等級干擾，否則為 0。無線環(huán)境下，鄰居鏈路彼此干擾，且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能和其它中繼傳輸節(jié)點互相干擾。為了進行 協(xié)調(diào)，干擾矩陣由鄰居節(jié)點的信息交換進行計算。另外，更高優(yōu)先級的白空間矩陣和干擾矩 陣將影響可用業(yè)務(wù)矩陣。
[0021] 建立干擾矩陣時需要考慮下面兩種情況。第一種情況下，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠同時傳送、 接受差異化業(yè)務(wù)，節(jié)點不能重用鄰居節(jié)點使用的頻段。如果頻段被鄰居節(jié)點使用，那么頻段 中的干擾矩陣的所有元素置為1。第二種情況下，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不能同時傳送、接受差異化業(yè)務(wù)。 如果采用指定頻段，那么頻段中的干擾矩陣中的所有元素置為1。而且，如果鄰居節(jié)點采用 網(wǎng)絡(luò)鏈路，那么不管采用何種頻段，節(jié)點干擾矩陣中的所有元素也置為1。
[0022] 所述步驟(3)中，為了實現(xiàn)實時業(yè)務(wù)中繼，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點會有一個可行行動。網(wǎng)絡(luò)中繼 傳輸選擇鄰居節(jié)點的鏈路集，為了配合行動，用一個次用戶服務(wù)向量來表示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點選擇 上述行動的概率。該情況下，選擇的鏈路和頻段不會和更高優(yōu)先級的通信發(fā)生干擾。
[0023] 為了計算優(yōu)先級下的實時業(yè)務(wù)傳輸時間，在指定頻段下，需要結(jié)合節(jié)點在鏈路上 的傳輸速率和誤包率，并通過物理層和MC層的鏈路調(diào)整進行估算。每個"鏈路一頻段"對的 信道條件由一個有限狀態(tài)數(shù)的連續(xù)時間馬爾科夫鏈來表示，主用戶依據(jù)一個時間片同步結(jié) 構(gòu)利用頻段，頻段的使用服從離散的馬爾科夫過程。
[0024] 行動向量為實時業(yè)務(wù)的所有網(wǎng)絡(luò)中繼傳輸節(jié)點的向量。實時業(yè)務(wù)從源節(jié)點發(fā)送數(shù) 據(jù)包到目的節(jié)點，其路由即數(shù)據(jù)包通過的"鏈路一頻段"對集合。
[0025] 如果中繼傳輸節(jié)點的行動改變，那么實時業(yè)務(wù)的路由也會改變。根據(jù)上述拓撲，每 個收到數(shù)據(jù)包的中繼傳輸節(jié)點會決定在何處中繼傳輸數(shù)據(jù)包，W及采用何種頻段來減少端 到端時延。然后，源節(jié)點需要按照中繼傳輸節(jié)點的行動獲得其它節(jié)點的時延信息。
[0026] 所述步驟(4)中，實時業(yè)務(wù)的目標在于最小化端到端時延。分布式方法與集中式方 法相比，能通過周期性地收集本地信息，因此更好地滿足多無線電、多頻帶設(shè)備環(huán)境。多標 準優(yōu)化解依賴于不同的數(shù)據(jù)包多跳傳輸?shù)臅r延，源節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸需要得到及時中繼。
[0027] 為了不在源節(jié)點收集互聯(lián)信息，采用一個分布式多標準優(yōu)化方案來收集節(jié)點的本 地信息，（即多跳環(huán)境中節(jié)點本身的信息，包括各種業(yè)務(wù)參數(shù)和時間參數(shù)。無線網(wǎng)絡(luò)中，需要 先收集本地信息，再進行