专利名称：一种认知无线网络的跨层协作方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种认知无线网络的跨层协作方法和系统。
背景技术：
在传统网络的分层设计中，协议栈各层是独立设计和运行的。网络协议设计者无需设计一个单一、巨大的协议来为所有形式的通信规定完整的细节，而只需把通信问题划分成多个层次，然后为每个层次设计一个相对独立的协议。这样做使得每个协议的设计、分析、时限和测试比较容易。协议划分的一个主要原则是确保目标系统有效且效率高，从而简化了网络协议开发和实现的难度。然而在无线网络中，无线通信环境的不确定因素导致无线信道容量和误比特率等具有时变特性。传统的分层设计考虑的是有线网络，并没有考虑无线环境的时变特性，这使得严格的分层设计并不适合无线网络。此外，基于传统严格分层设计的协议栈只能在相邻的层之间以固定的方式进行通信，这使得协议栈不能对无线资源进行整体管理，也使得网络性能得不到整体优化。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种认知无线网络的跨层协作方法和系统，以实现无线网络的跨层协作。为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的:本发明提供了一种认知无线网络的跨层协作方法，该方法包括:确定传输质量准则；确定传输所需最终工作的分层，并将确定传输方案所需的各层信息统一传输到所述最终工作的分层；在所述最终工作的分层上，根据所述各层信息选取满足所述传输质量准则的传输方案；对选取的传输方案进行评估，根据评估结果确定最优方案，并在所述最终工作的分层上通过所述最优方案进行数据传输。该方法进一步包括:如果只存在一个满足所述传输质量准则的传输方案，则所述一个传输方案即为最优方案；如果存在多个满足所述传输质量准则的传输方案，则根据预设的评估准则对所述多个传输方案进行评估，并选择评估结果为最优的传输方案进行数据传输。所述评估准则的设定原则为使整体网络传输效率最高。该方法进一步包括:从开放系统互连OSI模型中确定传输所需最终工作的分层。本发明还提供了一种认知无线网络的跨层协作系统，该系统包括:准则确定模块、信息统一传输模块、方案选取模块和评估传输模块，
所述准则确定模块，用于确定传输质量准则；所述信息统一传输模块，用于确定传输所需最终工作的分层，并将确定传输方案所需的各层信息统一传输到所述最终工作的分层；所述方案选取模块，用于在所述最终工作的分层上，根据所述各层信息选取满足所述传输质量准则的传输方案；所述评估传输模块，用于对选取的传输方案进行评估，根据评估结果确定最优方案，并在所述最终工作的分层上通过所述最优方案进行数据传输。 所述评估传输模块进一步用于，当只存在一个满足所述传输质量准则的传输方案时，确定所述一个传输方案即为最优方案；当存在多个满足所述传输质量准则的传输方案时，根据预设的评估准则对所述多个传输方案进行评估，并选择评估结果为最优的传输方案进行数据传输。所述评估准则的设定原则为使整体网络传输效率最高。所述信息统一传输模块进一步用于，从开放系统互连OSI模型中确定传输所需最终工作的分层。本发明所提供的一种认知无线网络的跨层协作方法和系统，可以在非相邻层间进行信息交换或内部信息共享，充分利用各个层的信息来协调各层之间的工作，以适应无线信道的时变特性，实现对资源的整体管理和优化配置，使系统能满足各种业务的不同需求。本发明不仅致力于无线网络单目标的优化，而且解决了传统跨层设计方案的只侧重单目标优化，不考虑网络总体性能的缺点，避免了多个自适应过程的相互冲突；本发明能够在多目标间进行折衷，实现了多目标优化，在兼顾单目标优化的同时，也能够使网络性能得到整体优化。
图1为本发明一种认知无线网络的跨层协作方法的流程图；图2为本发明实施例中频谱检测和频谱分配的跨层协作方法的流程图；图3为本发明实施例中频谱分配和路由的跨层协作方法的流程图；图4为本发明一种认知无线网络的跨层协作系统的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步详细阐述。针对传统无线网络分层设计的缺陷，本发明提出了针对无线网络跨层设计。跨层设计是指在非相邻层间进行信息交换或内部信息共享，其违背了传统的严格分层的思想。在传统严格分层网络中，隔层相互独立，忽略了整体的网络设计要求和各层协议之间的相关性，难以实现信息共享，而认知无线网络(CRN, Cognitive Radio Network)需要根据目前环境的整体信息，确定最佳网络并进行网络元素协议栈的重构，因此必须采用基于应用和网络特征的跨层体系结构。通过采用跨层设计，可实现层与层之间信息的传递和共享，充分利用各个层的信息来协调各层之间的工作，以适应无线信道的时变特性，实现对资源的优化配置。跨层设计打破了传统的开放系统互连(OSI, Open System Interconnect)模型的严格分层的束缚，通过在协议栈层与层之间传递特定的信息来协调协议栈各层之间的工作，使之与无线通信环境相适应，从而使系统能满足各种业务的不同需求。跨层设计的核心就是使协议栈能够根据无线环境的变化实现对资源的自适应优化配置。跨层设计不是放弃分层，而是将无线网络看成一个整体来进行设计，利用层与层之间的相互依赖和影响。基于上述思想，本发明所提供的一种认知无线网络的跨层协作方法，如图1所示，主要包括:步骤101，确定传输质量准则。无线资源控制(RRC,Radio Resource Control)连接后,基站和终端之间即可以进行数据传输。在基站或者终端发出数据的时候，会由基站或者上层(相对于数据传输的层以上的层)根据网络的拥堵情况、信道情况和频谱分配情况发出一个传输质量准则。所述传输质量准则具体包括用来表征传输质量的一些参数，较常用的如服务质量(QoS, Quality of Service)参数等等。步骤102，根据业务信息和网络的实际需要确定传输所需最终工作的分层，并将确定传输方案所需的各层信息统一传输到最终工作的分层。从OSI模型中确定传输所需最终工作的分层，所述OSI模型中最终工作的分层，是传统的七层模型(包括应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层，每一个分层都有其确定的目标和功能)中的某一分层；确定了最终工作的分层后，将确定传输方案所需的信息从其他分层传输到所述最终工作的分层。步骤103，在最终工作的分层上，根据所述各层信息选取满足传输质量准则的传输方案。以QoS参数作传输质量准则为例，在最终工作的分层上，根据各层信息选取满足QoS传输方案。步骤104，对选取的传输方案进行评估，根据评估结果确定最优方案，并在最终工作的分层上通过最优方案进行数据传输。如果只存在一个满足传输质量准则的传输方案，则此传输方案即作为最优方案，在最终工作的分层上通过此传输方案进行数据传输；如果存在多个满足传输质量准则的传输方案，则根据预设的评估准则对这多个传输方案进行评估，并选择评估结果为最优的传输方案进行数据传输。评估准则设定的原则是使得整体网络传输效率最高，如:延时最小的评估准则、传输时间最短的评估准则、路由最小的评估准则、需要的时隙最小的评估准则等等。下面结合具体实施例对上述认知无线网络的跨层协作方法进一步详细阐述。本发明的实施例一为物理层的频谱检测和媒体接入控制(MAC，Media AccessControl)层的频谱分配的跨层协作方法，其中，MAC层属于数据链路层，如图2所示，该方法主要包括:步骤201，确定吞吐量收益为跨层协作的传输质量准则，通过物理层和MAC层的联合设计，在每个时隙的起始时刻，根据上一时隙计算出的检测和分配联合决策的吞吐量收益来选择给系统吞吐量带来收益最大的信道进行检测。步骤202，根据信道检测的结果判断信道的状态是否可用，如果可用，执行步骤203 ;否则，返回步骤201。
步骤203，分配信道(即状态检测可用的信道)。步骤204，将需要传输的数据在此信道上进行传输。步骤205，在时隙结束时，根据信道分配情况结合状态转移概率来预测下一时隙的信道占用信息，并据此更新吞吐量收益。本发明的实施例二为频谱分配和路由的跨层协作方法，MAC层的频谱分配和网络层的路由的联合设计中，每个源节点通过标准路由发现过程找到所有可能的备选路由；对于每个备选路由，找到所有可行的频谱分配方案。对于每个路由和频谱组合，执行最优无冲突调度方案。因此，既实现了单目标的优化，又考虑了网络的总体性能，实现了多目标优化。结合Qos需求的频谱分配和路由的跨层协作方法，如图3所示，该方法主要包括:步骤301，当有数据包需要传输时，将该数据包的最大允许时延等QoS参数从应用层传输到网络层。步骤302，将物理层检测到的可用频谱信息传输到网络层。步骤303，网络层通过标准路由发现过程找到数据包传输的所有备选路由。步骤304，对于每个备选路由，网络层结合物理层检测到的可用频谱信息，找到所有可行的频谱分配方案。步骤305，对每个数据包传输的路由选择和频谱分配的组合，网络层根据物理层、MAC层提供的传输速率和误包率信息，计算数据包在该段路由上的传输参数，如传输时间、准确率等信息；在所有满足最大允许时延要求的路由选择和频谱分配的组合中，利用最小延时路由算法，找到传输时间最小的组合作为该数据包传输的最优路由选择和频谱分配方案。这个频谱分配方案满足了应用层最大允许时延的Qos需求，并使数据包传输的端到端时延最小。这种跨层协作方法将应用层、网络层、MAC层和物理层进行联合设计，将应用层的最大允许时延的Qos需求作为路由判断准则，并结合最小时延路由算法，显著地改善了 CRN中对时延敏感业务的传输。对应上述认知无线网络的跨层协作方法，本发明还提供了一种认知无线网络的跨层协作系统，如图4所示，主要包括:准则确定模块10、信息统一传输模块20、方案选取模块30和评估传输模块40。其中，准则确定模块10,用于确定传输质量准则；信息统一传输模块20，用于确定传输需要最终工作的分层，并将确定传输方案所需的各层信息统一传输到最终工作的分层；信息统一传输模块20从OSI模型中确定传输所需最终工作的分层；方案选取模块30，用于在最终工作的分层上，根据各层信息选取满足传输质量准则的传输方案；评估传输模块40，用于对选取的传输方案进行评估，根据评估结果确定最优方案，并在最终工作的分层上通过最优方案进行数据传输。所述传输质量准则可以是:吞吐量收益、QoS或最大允许时延要求等等，根据实际情况而定。较佳的，评估传输模块40还可进一步用于，当只存在一个满足传输质量准则的传输方案时，确定此一个传输方案即为最优方案；
当存在多个满足传输质量准则的传输方案时，根据预设的评估准则对多个传输方案进行评估，并选择评估结果为最优的传输方案进行数据传输。所述评估准则的设定原则为使整体网络传输效率最高，如:延时最小的评估准则、传输时间最短的评估准则、路由最小的评估准则、需要的时隙最小的评估准则等等，根据实际情况而定。综上所述，本发明可以在非相邻层间进行信息交换或内部信息共享，充分利用各个层的信息来协调各层之间的工作，以适应无线信道的时变特性，实现对资源的整体管理和优化配置，使系统能满足各种业务的不同需求。本发明不仅致力于无线网络单目标的优化，而且解决了传统跨层设计方案的只侧重单目标优化，不考虑网络总体性能的缺点，避免了多个自适应过程的相互冲突；本发明能够在多目标间进行折衷，实现了多目标优化，在兼顾单目标优化的同时，也能够使网络性能得到整体优化。以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
权利要求
1.一种认知无线网络的跨层协作方法，其特征在于，该方法包括: 确定传输质量准则； 确定传输所需最终工作的分层，并将确定传输方案所需的各层信息统一传输到所述最终工作的分层； 在所述最终工作的分层上，根据所述各层信息选取满足所述传输质量准则的传输方案； 对选取的传输方案进行评估，根据评估结果确定最优方案，并在所述最终工作的分层上通过所述最优方案进行数据传输。
2.根据权利要求1所述认知无线网络的跨层协作方法，其特征在于，该方法进一步包括: 如果只存在一个满足所述传输质量准则的传输方案，则所述一个传输方案即为最优方案； 如果存在多个满足所述传输质量准则的传输方案，则根据预设的评估准则对所述多个传输方案进行评估，并选择评估结果为最优的传输方案进行数据传输。
3.根据权利要求2所述认知无线网络的跨层协作方法，其特征在于，所述评估准则的设定原则为使整体网络传输效率最高。
4.根据权利要求1、2或3所述认知无线网络的跨层协作方法，其特征在于，该方法进一步包括:从开放系统互连OSI模型中确定传输所需最终工作的分层。
5.一种认知无线网络的跨层协作系统，其特征在于，该系统包括:准则确定模块、信息统一传输模块、方案选取模块和评估传输模块， 所述准则确定模块，用于确定传输质量准则； 所述信息统一传输模块，用于确定传输所需最终工作的分层，并将确定传输方案所需的各层信息统一传输到所述最终工作的分层； 所述方案选取模块，用于在所述最终工作的分层上，根据所述各层信息选取满足所述传输质量准则的传输方案； 所述评估传输模块，用于对选取的传输方案进行评估，根据评估结果确定最优方案，并在所述最终工作的分层上通过所述最优方案进行数据传输。
6.根据权利要求5所述认知无线网络的跨层协作系统，其特征在于，所述评估传输模块进一步用于， 当只存在一个满足所述传输质量准则的传输方案时，确定所述一个传输方案即为最优方案； 当存在多个满足所述传输质量准则的传输方案时，根据预设的评估准则对所述多个传输方案进行评估，并选择评估结果为最优的传输方案进行数据传输。
7.根据权利要求6所述认知无线网络的跨层协作系统，其特征在于，所述评估准则的设定原则为使整体网络传输效率最高。
8.根据权利要求5、6或7所述认知无线网络的跨层协作系统，其特征在于，所述信息统一传输模块进一步用于，从开放系统互连OSI模型中确定传输所需最终工作的分层。
全文摘要
本发明公开了一种认知无线网络的跨层协作方法和系统，方法包括确定传输质量准则；确定传输所需最终工作的分层，并将确定传输方案所需的各层信息统一传输到最终工作的分层；在最终工作的分层上，根据各层信息选取满足传输质量准则的传输方案；对选取的传输方案进行评估，根据评估结果确定最优方案，并在最终工作的分层上通过最优方案进行数据传输。通过本发明，解决了传统跨层设计方案的只侧重单目标优化，不考虑网络总体性能的缺点，避免了多个自适应过程的相互冲突。
文档编号H04W28/16GK103200572SQ20121000100
公开日2013年7月10日 申请日期2012年1月4日 优先权日2012年1月4日
发明者王曼 申请人:中兴通讯股份有限公司