一种面向业务适度服务的认知无线网络传输学习方法
【技术领域】
[0001] 本发明提供一种端到端业务适度服务的数据传输方法，特别是关于认知无线网络 中采用信息交换自由度的认知过程方法，属认知无线网络设计应用技术领域。
【背景技术】
[0002] 认知无线电是一个具备动态频谱接入的频率-灵敏无线通信设备，其巨大潜力激 发了在工程、经济、监管社区中寻求更好的频谱管理和共享方针，是未来无线通信领域的下 一个大事件。W认知无线电为基础构建的认知无线网络，是由支持认知无线电技术的终端、 相关基础性设施、控制策略组成的无线网络。认知无线网络具备一系列感知过程，在各个过 程中可W收集网络环境的时空信息，包括从每个节点提取网络中每层的参数变化，W此确 定最正确的网络参数，满足网络中单个节点、端到端乃至一组节点的通信目标需求。
[0003] 支持认知无线电技术的终端、相关基础性设施与控制策略组成的无线网络的作用 已经在多个领域得到充分肯定，如智能电网、设备到设备网络、军事通信、GPS定位、医疗体 育网等。未来移动通信的业务种类和服务质量需求越来越多样化，而网络的服务能力却是 有限的，运导致了业务需求与网络固有能力之间的差距越来越大，最终将使得网络难W支 持多样化的业务。认知无线电的研究焦点主要集中在动态频谱接入，但是认知无线网络应 用层的性能没有被仔细讨论过。一些重要的问题，例如什么应用能够充分利用频谱白空间， W及是否现有的无线协议能够提供满意的性能，依然没有得到解决。"带宽-饥饿"的业务应 用是充分发挥认知无线电潜力的基础，因此，对认知无线网络中如何提高端到端效能来促 进业务应用问题的讨论非常重要。
[0004] 然而，上述问题在无线环境下存在两个技术挑战:第一个挑战，是在水平方向上满 足多样性业务需求，运需要针对频谱资源的不同业务量的时空分布、优先级，然后充分利用 信道、干扰、业务的动态变化特征，对多样性业务需求进行分析，最后识别可用的频谱空桐。 第二个挑战，是在垂直方向上实现网络体系结构各层(物理层、MC层、路由层、链路层)的跨 层优化，运需要一个合适的频段分配和速率自适应方法对次用户（未授权）的需求进行确 认，在不受主用户(授权)干扰的情况下，满足次用户服务质量需求。新型无线实时业务一方 面需要维护大量共享数据和控制信息，运些数据、信息往往是短暂的；另一方面其活动有很 强的即时约束特性。针对上述特征，需要依据频谱机会、干扰情况和信息利益，对无线实时 业务中的跨层分配展开设计，使之具备自主适变特性。
【发明内容】
[0005] 为了建立高效能的服务机制，本发明在上述水平和垂直方向上通过按比例公平， 来采集业务数据和信息交换自由度，W便自适应地匹配资源，并且W整网频谱利用率最高 为准则来探寻最优的多维业务类型信息的利用方式。目标是在网络和业务之间，能建构一 种综合性的业务数据跨层管理方法，使得整个网络具备业务普适。
[0006] 本发明提出了一个实时多样化业务的认知无线网络传输学习方法，来适应业务动 态变化特性之间的内在联系，建立多标准优化的端到端效能的无线传输。本发明可广泛应 用于认知无线网络环境中。
[0007]为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
[000引（1)采集实时业务和优先级信息；
[0009] (2)建立白空间矩阵和干扰矩阵；
[0010] (3)根据节点可行行动、业务传输时间，计算路由和时延；
[0011] (4)进行本地信息和优先级的分布式协同设计；
[0012] (5)获取信息交换自由度和自由度限制条件；
[0013] (6)通过传输协作和信息交换，对多业务应用进行自适配；
[0014] (7)根据和模型无关的分布式强制学习，建立频谱切换；
[0015] (8)根据服务质量检验是否满足用户需求。
[0016] 所述步骤（1)中，多跳环境下，认知无线网络由主用户、次用户、网络中继组成。认 知无线网络包含3个集合，即一个主用户集，一个包括次用户和网络中继传输的网络节点 集，和一个连接次用户和网络中继传输的网络链路集。网络里有多个节点和多条链路，节点 要么是次用户，要么是中继传输节点。为了避免主用户干扰，网络节点在频谱空桐下进行传 输，因此，网络节点要建立一条邻居节点链路，节点仅采用可用频段集。
[0017] 业务特征的差异性需要着眼于无线网络服务的对象（用户）和无线网络传递的对 象(信息）。业务对网络的需求越来越多样和多变，网络节点的业务资源用业务矩阵描述，包 括不同链路和频段组成的路由。在业务矩阵中，1表示指定频段可用且链路和节点相连，0表 示频段不可用或无连接。业务资源矩阵不仅取决于网络拓扑连接，而且取决于相同的频段 上的通信干扰。
[0018] 网络承载的用户实时业务应用有多个，且由多个优先级的数据包组成，其中最高 优先级针对主用户的实时业务。相应地，其余的优先级能用一个=元组，即平均数据包长 度、影响力、数据包时延截止期来确定。优先级决定了频谱接入能力。除了主用户频段的最 高优先级，还有次用户伺机接入频段的优先级。主用户具备最高优先级，因此在任何时间接 入频段;相反，次用户仅能接入频谱空桐。由于受到多跳网络环境的影响，如干扰、信号强 度、多跳，等等，次用户会对主用户感知减弱，次用户也会对主用户产生干扰，运些干扰依赖 于主用户的位置。
[0019] 所述步骤(2)中，假设频谱机会对次用户可用，主用户会阻止所有邻居链路采用频 段，节点感知该信道，并获得主用户的白空间矩阵。在白空间矩阵中，1表示主用户占用指定 频段，且链路和主用户干扰，否则为0。
[0020] 在优先级的干扰矩阵中，1表示如果链路采用指定频段能被优先等级干扰，否则为 0。无线环境下，邻居链路彼此干扰，且网络节点能和其它中继传输节点互相干扰。为了进行 协调，干扰矩阵由邻居节点的信息交换进行计算。另外，更高优先级的白空间矩阵和干扰矩 阵将影响可用业务矩阵。
[0021] 建立干扰矩阵时需要考虑下面两种情况。第一种情况下，网络节点能够同时传送、 接受差异化业务，节点不能重用邻居节点使用的频段。如果频段被邻居节点使用，那么频段 中的干扰矩阵的所有元素置为1。第二种情况下，网络节点不能同时传送、接受差异化业务。 如果采用指定频段，那么频段中的干扰矩阵中的所有元素置为1。而且，如果邻居节点采用 网络链路，那么不管采用何种频段，节点干扰矩阵中的所有元素也置为1。
[0022] 所述步骤(3)中，为了实现实时业务中继，网络节点会有一个可行行动。网络中继 传输选择邻居节点的链路集，为了配合行动，用一个次用户服务向量来表示网络节点选择 上述行动的概率。该情况下，选择的链路和频段不会和更高优先级的通信发生干扰。
[0023] 为了计算优先级下的实时业务传输时间，在指定频段下，需要结合节点在链路上 的传输速率和误包率，并通过物理层和MC层的链路调整进行估算。每个"链路一频段"对的 信道条件由一个有限状态数的连续时间马尔科夫链来表示，主用户依据一个时间片同步结 构利用频段，频段的使用服从离散的马尔科夫过程。
[0024] 行动向量为实时业务的所有网络中继传输节点的向量。实时业务从源节点发送数 据包到目的节点，其路由即数据包通过的"链路一频段"对集合。
[0025] 如果中继传输节点的行动改变，那么实时业务的路由也会改变。根据上述拓扑，每 个收到数据包的中继传输节点会决定在何处中继传输数据包，W及采用何种频段来减少端 到端时延。然后，源节点需要按照中继传输节点的行动获得其它节点的时延信息。
[0026] 所述步骤(4)中，实时业务的目标在于最小化端到端时延。分布式方法与集中式方 法相比，能通过周期性地收集本地信息，因此更好地满足多无线电、多频带设备环境。多标 准优化解依赖于不同的数据包多跳传输的时延，源节点的数据传输需要得到及时中继。
[0027] 为了不在源节点收集互联信息，采用一个分布式多标准优化方案来收集节点的本 地信息，（即多跳环境中节点本身的信息，包括各种业务参数和时间参数。无线网络中，需要 先收集本地信息，再进行