专利名称：基于阻抗匹配的跨层优化系统及方法
技术领域：
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于阻抗匹配的跨层优化系统及方法。
背景技术：
在传统通信网络中，通信采用严格的层级架构，协议栈的每一层都有其特有的功 能。譬如，物理层规定通信设备的机械的、电气的、功能的和规程的特性，用以建立、维护和 拆除物理链路连接，透明地传输比特流。数据链路层建立相邻节点之间的数据链路，通过差 错控制提供数据帧在信道上无差错的传输，能实现物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、 数据的检错、重发等。网络层将数据链路层的帧组成数据包，选择合适的网间路由和交换 节点，确保数据及时传送。层级结构在传统通信网络和因特网网络中，确实取得了很大的成 功。但是，无线网络由于其本身的固有属性，即无线信道的时变性和不确定性，传统的层级 架构思想已不适用于无线通信网络。无线通信对层级结构设计的协议栈的合理性提出很大 的挑战，表现在以下几个方面(1)动态信道特性在无线传输中噪声、阴影效应多径衰落以及其他设备的干扰都会导致信道状态的 不可预知。并且用户的移动性将会带来信道特性的改变，给信道估计和预测带来困难，从而 无法以一种恒定的方式保证链路的高通信质量，只有根据信道状态灵活地调整协议栈的相 关参数，才能有效适应信道的动态特性，而传统的协议结构很难做到这点。(2)传统协议栈设计方式的低效性无线通信环境具有快速变化的特性，而传统的协议结构是不灵活的，各层之间只 能通过一个严格的方式进行通信，无法灵活地适应无线移动环境的变化，从而使得在设计 协议栈时只能考虑其在通信条件最为恶劣的情况下进行工作，而不是自适应的改变以适应 信道的变化，进而导致了协议栈无法对有限的频谱资源及功率资源进行有效的利用。(3)不同服务的QoS需求不同未来的网络中业务是多样的，不同的业务QoS需求都是不同的，例如实时多媒体 服务对时延的要求很高，但是可以容忍一定程度的差错；而文件传输，它对差错敏感，而对 时延却没有很高的要求，所以未来的无线网络必须能够提供多种QoS保证。近年来，跨层设计被提出以用于解决这些问题。跨层设计是一种基于协议栈中多 层之间信息交换和联合优化的方法，它利用了协议栈中各层之间的相关性，跨越层的界限， 通过在各层之间传递特定的信息，比如环境参数、业务需求等，来协调协议栈各层之间的工 作过程，使之与不断变化的无线通信环境相适应，从而使系统能够满足各种业务的不同需 求。因此，对于通信环境和业务需求不断变化的移动多媒体通信系统，通过联合协议栈的两 层或多层进行整体优化，可改善各层独立优化中的瓶颈和失准的现象，从而提升整个网络 的性能。目前无线通信网络中的跨层技术取得了很多研究成果。这些成果一般是针对无线网络的特定的通信场景，采取跨协议栈某几层(两层或三层或四层等)的方法，实现通信协 议栈不相邻层的信息交互和合作，以应对无线传输过程中所产生的一些问题。现有技术方案中，跨层技术多集中在Ad hoc网络中路由方法(跨物理层和网络 层)，无线网络的无线资源管理和动态频谱分配问题(跨物理层和数据链路层)，无线链路 的TCP传输(跨物理层和传输层)，无线网络的视频传输质量改善问题(跨物理层、数据链 路层和应用层)等。这些跨层设计方法多针对具体的网络场景进行相应的设计，允许通信 协议栈各层的相关信息参数进行直接信息交互，来改善系统性能，提高资源利用率，解决一 些无线传输的特有问题。虽然现有的跨层技术方案多种多样，但是，这些跨层设计方案都具有独立性和专 属性，受约束于特定通信场景；换一种网络环境，所设计的跨层优化方案可能就不再适用。 各方案之间的兼容性差，每种跨层方案都需有特殊的系统架构和通信机制来支持，多种跨 层方案不能在同一个系统中实施。现有技术中，几乎没有研究跨层方案之间兼容性和融合 性，并提供统一性管理和提高系统全局效能的机制和方法；多种跨层优化方案之间的协作 调度和兼容问题尚未有相应的研究成果。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明针对无线通信网络异构网络场景下的跨层方案之间的兼容性和融合性问 题，致力于设计一种低复杂度的跨层管理系统和方法，实现无线通信网络的多场景下的跨 层联合调度和协同管理，使得多种跨层方案能在系统内共存。(二)技术方案为解决上述技术问题并实现上述目的，本发明提供了一种基于阻抗匹配的跨层优 化系统，该系统包括通过信息进行交互的异构资源管理器11和跨层管理器12 ；其中，异构 资源管理器11包括无线网络信息收集单元111、信源阻抗抽象单元112、匹配发起单元113、 指令执行单元114及阻抗匹配评估单元115 ；跨层管理器12包括跨层触发单元121、负载阻 抗抽象单元122、阻抗匹配策略集单元123、匹配决策单元IM及匹配学习单元125 ；其中，无线网络信息收集单元111，连接至信源阻抗抽象单元112，负责收集和存储外界 异构环境的信息，并与阻抗匹配评估单元115连接接收评估结果的反馈；信源阻抗抽象单元112，连接至匹配发起单元113，对无线网络信息收集单元111 收集的信息进行深度抽象，形成特定的信源阻抗向量，并与阻抗匹配评估单元115连接接 收评估结果的反馈；匹配发起单元113，连接至跨层管理器12的跨层触发单元121，在特定条件下，以 周期性或事件触发的方式，发起基于阻抗匹配的跨层优化，激活所述跨层触发单元121，传 送已抽象的相关信源阻抗信息，并与阻抗匹配评估单元115连接接收评估结果的反馈；指令执行单元114，与跨层管理器12的匹配决策单元IM相连接，执行所决策的跨 层策略，更改跨层策略实施过程中参与的相关信息，并与阻抗匹配评估单元115连接接收 评估结果的反馈；阻抗匹配评估单元115，连接至无线网络信息收集单元111、信源阻抗抽象单元 112、匹配发起单元113、指令执行单元114及跨层管理器12中的跨层匹配学习单元125，并与指令执行单元114进行交互，用于对跨层策略的执行效果进行评估，计算跨层策略实施 所产生的系统开销，定性、定量化跨层的评估报告，并将结果反馈给连接的各单元；跨层触发单元121，与匹配发起单元113相连接，并连接至负载阻抗抽象单元122 和阻抗匹配策略集单元123，在接收到匹配发起单元113发起的信号后被激活，使跨层管理 器12开始工作，并驱动负载阻抗抽象单元122和阻抗匹配策略集单元123工作，将匹配发 起单元113发来的信源阻抗向量信息传送到阻抗匹配策略集单元123和负载阻抗抽象单元 122 ；负载阻抗抽象单元122，与跨层触发单元121和匹配学习单元125相连接，并连接 至阻抗匹配策略集单元123，对通信协议栈进行负载阻抗抽象，使得各种跨层设计具有统一 性的描述语言和描述向量，对各种跨层策略进行统一管理；阻抗匹配策略集单元123，与跨层触发单元121、匹配学习单元125和负载阻抗抽 象单元122相连接，并连接至匹配决策单元124，存储信源阻抗、负载阻抗及阻抗匹配的相 关数据及算法，作为匹配策略集的数据库，并通过匹配学习单元125的学习成果，不断更新 策略集和匹配算法；匹配决策单元124，与阻抗匹配策略集单元123和匹配学习单元125相连接，并连 接至异构资源管理器11的指令执行单元114，通过一定的规则，选择基于阻抗匹配的最优 或次优的跨层策略，决策出最终选定的负载阻抗，并将决策结果传送给指令执行单元114 ；匹配学习单元125，与异构资源管理器11的阻抗匹配评估单元115相连接，连接至 负载阻抗抽象单元122、阻抗匹配策略集单元123和匹配决策单元124，根据阻抗匹配评估 单元115的数据进行学习，并为负载阻抗抽象单元122、阻抗匹配策略集单元123和匹配决 策单元1 提供更新和完善建议，不断进行阻抗匹配的优化。优选地，所述无线网络信息收集单元111针对的所述外界异构环境包括网络环 境、无线环境、和/或用户环境。优选地，与所述网络环境相关的信息包括网络拓扑结构、容量、网络延时、业务；与 所述无线环境相关的信息包括无线接入技术、频谱信息、信道信息、数据速率、衰落、干扰； 与所述用户环境相关的信息包括用户业务质量、用户优先级、业务需求、偏好。优选地，所述负载阻抗抽象单元122用于将协议栈的各层抽象成一系列有序的组 件，每个组件对应一个基本完整的功能，通过黑盒算法将各层的组件进行有机的组合，组合 后的新的对象形成针对特定通信场景下的负载阻抗。进一步地，本发明同时提供一种基于阻抗匹配的跨层优化方法，该方法具体包括 步骤步骤201，异构资源管理器11采用周期性的触发机制或者事件触发机制来触发跨 层匹配；步骤202，无线网络信息收集单元111对无线通信网络中的信息收集和保存；步骤203，信源阻抗抽象单元112将收集到的信息抽象成信源阻抗；步骤204，匹配发起单元113判断是否向跨层管理器12发起阻抗匹配请求；如果 是，激活跨层管理器12的跨层触发单元121 ；否则，返回至步骤202 ；步骤205，跨层触发单元121判断是否为真实的发起信号；如果是，就进入下一个 步骤206 ；否则，就返回至步骤202。
步骤206，负载阻抗抽象单元122收到跨层触发单元121的指令后，开始进行负载 阻抗的抽象，添加新的负载阻抗到阻抗匹配策略集单元123的跨层策略集中；步骤207，匹配决策单元IM依据阻抗匹配策略集单元123提供的匹配策略，进行 与信源阻抗相匹配的跨层策略选择；步骤208，判断是否找到适当的跨层策略，即与信源阻抗相匹配的负载阻抗；如果 是，将该跨层策略作为选定的跨层策略进入下一个步骤209 ；否则，返回至步骤206，重新进 行负载阻抗抽象；步骤209，发布选定的跨层策略，将最终选择结果传送给异构资源管理器11的指 令执行单元114;步骤210，指令执行单元114执行所述选定的跨层策略，并将执行效果提交至阻抗 匹配评估单元115 ；步骤211，阻抗匹配评估单元115评估本次阻抗匹配的结果，撰写并储存评估报 告，反馈给异构资源管理器11的其他各单元和跨层管理器12的匹配学习单元125 ；步骤212，匹配学习单元125经过学习训练，对评估报告深度剖析，进而对负载阻 抗抽象单元122、阻抗匹配策略集单元123和匹配决策单元124中内容进行修改；步骤213，判断是否执行完选定的跨层策略，如果是，则进入下一步骤214 ；否则， 返回步骤210继续执行选定的跨层策略；步骤214，结束本次基于阻抗匹配的跨层策略，等待下次流程。优选地，所述无线网络信息收集单元111针对的无线通信网络环境包括网络环 境、无线环境、和/或用户环境。优选地，与所述网络环境相关的信息包括网络拓扑结构、容量、网络延时、业务等； 与所述无线环境相关的信息包括无线接入技术、频谱信息、信道信息、数据速率、衰落、干扰 等；与所述用户环境相关的信息包括用户业务质量、用户优先级、业务需求、偏好等。优选地，步骤203中所述将收集到的信息抽象成信源阻抗的具体步骤为用一个三维空间向量^l(HR)来表征信源阻抗，其中，Ns标识网络状态信息向 量，Rs标识无线环境信息向量，Us标识用户环境信息向量。优选地，步骤206中所述进行负载阻抗的抽象的具体步骤为通过层、组件、开销、优化空间来描述负载阻抗，一个负载阻抗对应一种跨层设计 策略；层之间关系用一个矩阵」=^y Iyn描述，矩阵A中元素表征In层通信协议栈的可
跨层能力，为0或1，1代表两层之间可进行跨层操作，0表示两层之间不可进行跨层操作或 暂时不允许跨层操作；组件用一个特征向量屮力+爿来标识，其中$代表优化空间向量，f代表优化空
间向量的权值，(x，y)代表了组件在协议栈中的位置；优化空间的一个优化目标可由若干组件Cu共同协作完成；每个组件根据其位置及优化空间设定开销为Zt。优选地，步骤207中跨层策略选择具体包括步骤S301，取矩阵A的上三角矩阵为矩阵B ；
S302，设定优先级参数Pr = t-s-(N-I) _1(Γα · count, {0 < s < t 彡 1η，α >0，count > 0}，其中t表示参与跨层的协议栈的最高层的数字，s表示参与跨层的协议栈的最低 层的数字，N表示参与跨层的总层数，α表示满足10_α · count < 1的正整数，count表示 跨层策略的相邻层对的数目；ft"值越小，表示优先级越大；
/J,A:,...,/z,ze{l,2”..,/K}S303，遍历矩阵B，如果满足
权利要求
1. 一种基于阻抗匹配的跨层优化系统，其特征在于，该系统包括通过信息进行交互的 异构资源管理器(11)和跨层管理器(12)；所述异构资源管理器(11)包括无线网络信息收集单元(111)、信源阻抗抽象单元 (112)、匹配发起单元(113)、指令执行单元(114)及阻抗匹配评估单元(11 ；所述跨层管 理器(1 包括跨层触发单元(121)、负载阻抗抽象单元(122)、阻抗匹配策略集单元(123)、 匹配决策单元(124)及匹配学习单元(125)； 其中，无线网络信息收集单元(111)连接至信源阻抗抽象单元(11 ；负责收集和存储外界 异构环境的信息，并与阻抗匹配评估单元(115)连接接收评估结果的反馈；信源阻抗抽象单元(112)连接至匹配发起单元(113)；对无线网络信息收集单元(111) 收集的信息进行深度抽象，形成特定的信源阻抗向量，并与阻抗匹配评估单元(115)连接 接收评估结果的反馈；匹配发起单元(11 连接至跨层管理器(1 的跨层触发单元(121)；在特定条件下以 周期性或事件触发的方式，发起基于阻抗匹配的跨层优化，激活跨层触发单元(121)，传送 已抽象的相关信源阻抗信息，并与阻抗匹配评估单元(115)连接接收评估结果的反馈；指令执行单元(114)与跨层管理器(1 的匹配决策单元(124)相连接；执行所决策的 跨层策略，更改跨层策略实施过程中参与的相关信息，并与阻抗匹配评估单元(115)连接 接收评估结果的反馈；阻抗匹配评估单元(115)连接至无线网络信息收集单元(111)、信源阻抗抽象单元 (112)、匹配发起单元(113)、指令执行单元(114)及跨层管理器(1 中的跨层匹配学习单 元(125)，并与指令执行单元(114)进行交互；用于对跨层策略的执行效果进行评估，计算 跨层策略实施所产生的系统开销，定性、定量化跨层的评估报告，并将结果反馈给连接的各 单元；跨层触发单元(121)与匹配发起单元(11 相连接，并连接至负载阻抗抽象单元(122) 和阻抗匹配策略集单元(123)；在接收到匹配发起单元(11 发起的信号后被激活，使跨层 管理器(12)开始工作，并驱动负载阻抗抽象单元(122)和阻抗匹配策略集单元(123)工 作，将匹配发起单元(113)发来的信源阻抗向量信息传送到阻抗匹配策略集单元(123)和 负载阻抗抽象单元(122)；负载阻抗抽象单元(12 与跨层触发单元(121)和匹配学习单元(12 相连接，并连 接至阻抗匹配策略集单元(123)；对通信协议栈进行负载阻抗抽象，使得各种跨层设计具 有统一性的描述语言和描述向量，对各种跨层策略进行统一管理；阻抗匹配策略集单元(12 与跨层触发单元(121)、匹配学习单元(12 和负载阻抗抽 象单元(122)相连接，并连接至匹配决策单元(124)；存储信源阻抗、负载阻抗及阻抗匹配 的相关数据及算法，作为匹配策略集的数据库，并通过匹配学习单元(125)的学习成果，不 断更新策略集和匹配算法；匹配决策单元(124)与阻抗匹配策略集单元(123)和匹配学习单元(125)相连接，并 连接至异构资源管理器(11)的指令执行单元(114)；通过一定的规则，选择基于阻抗匹配 的最优或次优的跨层策略，决策出最终选定的负载阻抗，并将决策结果传送给指令执行单 元(114)；匹配学习单元(12 与异构资源管理器(11)的阻抗匹配评估单元(11 相连接，连接 至负载阻抗抽象单元(122)、阻抗匹配策略集单元(123)和匹配决策单元(124)；根据阻抗 匹配评估单元(115)的数据进行学习，并为负载阻抗抽象单元(122)、阻抗匹配策略集单元 (123)和匹配决策单元(124)提供更新和完善建议，不断进行阻抗匹配的优化。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无线网络信息收集单元(111)针对的 所述外界异构环境包括网络环境、无线环境、和/或用户环境。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，与所述网络环境相关的信息包括网络拓 扑结构、容量、网络延时、业务；与所述无线环境相关的信息包括无线接入技术、频谱信息、 信道信息、数据速率、衰落、干扰；与所述用户环境相关的信息包括用户业务质量、用户优先 级、业务需求、偏好。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述负载阻抗抽象单元(122)用于将协议 栈的各层抽象成一系列有序的组件，每个组件对应一个基本完整的功能，通过黑盒算法将 各层的组件进行有机的组合，组合后的新的对象形成针对特定通信场景下的负载阻抗。
5.一种基于阻抗匹配的跨层优化方法，其特征在于，该方法具体包括步骤步骤201，异构资源管理器(11)采用周期性的触发机制或者事件触发机制来触发跨层 匹配；步骤202，无线网络信息收集单元(111)对无线通信网络中的信息收集和保存； 步骤203，信源阻抗抽象单元(112)将收集到的信息抽象成信源阻抗； 步骤204，匹配发起单元(113)判断是否向跨层管理器(12)发起阻抗匹配请求；如果 是，激活跨层管理器(1 的跨层触发单元(121)；否则，返回至步骤202;步骤205，跨层触发单元(121)判断是否为真实的发起信号；如果是，就进入下一个步 骤206 ；否则，就返回至步骤202 ；步骤206，负载阻抗抽象单元(12 收到跨层触发单元(121)的指令后，开始进行负载 阻抗的抽象，添加新的负载阻抗到阻抗匹配策略集单元(123)的跨层策略集中；步骤207，匹配决策单元(124)依据阻抗匹配策略集单元(12 提供的匹配策略，进行 与信源阻抗相匹配的跨层策略选择；步骤208，判断是否找到适当的跨层策略，即与信源阻抗相匹配的负载阻抗；如果是， 将该跨层策略作为选定的跨层策略进入下一个步骤209 ；否则，返回至步骤206，重新进行 负载阻抗抽象；步骤209，发布选定的跨层策略，将最终选择结果传送给异构资源管理器(11)的指令 执行单元(114)；步骤210，指令执行单元(114)执行所述选定的跨层策略，并将执行效果提交至阻抗匹 配评估单元(115)；步骤211，阻抗匹配评估单元(115)评估本次阻抗匹配的结果，撰写并储存评估报告， 反馈给异构资源管理器(11)的其他各单元和跨层管理器(1 的匹配学习单元(125)；步骤212，匹配学习单元(12 经过学习训练，对评估报告深度剖析，进而对负载阻抗 抽象单元(122)、阻抗匹配策略集单元(12 和匹配决策单元(124)中内容进行修改；步骤213，判断是否执行完选定的跨层策略，如果是，则结束本次基于阻抗匹配的跨层 策略，等待下次触发事件；否则，返回步骤210继续执行选定的跨层策略；步骤214，结束本次基于阻抗匹配的跨层策略，等待下次流程。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述无线网络信息收集单元(111)针对的 无线通信网络环境包括网络环境、无线环境、和/或用户环境。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，与所述网络环境相关的信息包括网络拓 扑结构、容量、网络延时、业务；与所述无线环境相关的信息包括无线接入技术、频谱信息、 信道信息、数据速率、衰落、干扰；与所述用户环境相关的信息包括用户业务质量、用户优先 级、业务需求、偏好。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤203中所述将收集到的信息抽象成信 源阻抗的具体步骤为用一个三维空间向量^l(HR)来表征信源阻抗，其中，Ns标识网络状态信息向量，RS 标识无线环境信息向量，Us标识用户环境信息向量。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤206中所述进行负载阻抗的抽象的具 体步骤为通过层、组件、开销、优化空间来描述负载阻抗，一个负载阻抗对应一种跨层设计策略；层之间关系用一个矩阵
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤207中所述跨层策略选择具体包括 步骤S301，取矩阵A的上三角矩阵为矩阵B ； S302，设定优先级参数Pr = t-s-(N-I)-1(Γα · count, {0 < s < t ≤ 1η，α >0，count > 0}， 其中t表示参与跨层的协议栈的最高层的数字，s表示参与跨层的协议栈的最低层的 数字，N表示参与跨层的总层数，α表示满足10_α · count < 1的正整数，count表示跨层 策略的相邻层对的数目；ft"值越小，表示优先级越大；S303,遍历矩阵B，如果满足
全文摘要
本发明涉及无线通信技术领域，提供了一种基于阻抗匹配的跨层优化系统及方法，重点关注多种无线接入技术共存的异构网络环境下，跨层优化策略之间和谐共存和有效兼容问题。本发明基于电路理论中的阻抗匹配思想，从跨层优化技术的特殊属性出发，为无线通信网络建立新型的协议栈抽象模型，将时变而易出错的外界环境抽象为信源阻抗，将多种多样的跨层优化策略抽象为负载阻抗，从全局的范围提出了一种新型的跨层优化系统和方法。从整个网络的角度，使多种不同的跨层方案之间能互相兼容，共同存在，高效而有序的执行；使系统能更好的管理跨层优化策略，合理的部署跨层功能，更高效的利用资源。
文档编号H04W24/02GK102104889SQ201110069629
公开日2011年6月22日 申请日期2011年3月22日 优先权日2011年3月22日
发明者冯志勇, 尹鹏, 张平, 李一喆, 李蓉, 王莹 申请人:北京邮电大学