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

本发明专利技术涉及一种面向业务适度服务的认知无线网络传输学习方法，包括如下步骤：步骤1，采集实时业务和优先级信息；步骤2，建立白空间矩阵和干扰矩阵；步骤3，根据节点可行行动、业务传输时间，计算路由和时延；步骤4，进行本地信息和优先级的分布式协同设计；步骤5，获取信息交换自由度和自由度限制条件；步骤6，通过传输协作和信息交换，对多业务应用进行自适配；步骤7，根据和模型无关的分布式强制学习，建立频谱切换；步骤8，根据服务质量检验是否满足用户需求。本发明专利技术采用和模型无关的分布式强制学习来提高多跳认知无线网络上多样性实时需求业务的性能，提出信息交换自由度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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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

技术介绍
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。以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，在各个过程中可以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，以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。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，这导致了业务需求与网络固有能力之间的差距越来越大，最终将使得网络难以支持多样化的业务。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，以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。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，这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洞。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、MAC层、路由层、链路层)的跨层优化，这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，这些数据、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。
技术实现思路
为了建立高效能的服务机制，本专利技术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，以便自适应地匹配资源，并且以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。本专利技术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。本专利技术可广泛应用于认知无线网络环境中。为了实现上述目的，本专利技术采取如下技术方案：(1)采集实时业务和优先级信息；(2)建立白空间矩阵和干扰矩阵；(3)根据节点可行行动、业务传输时间，计算路由和时延；(4)进行本地信息和优先级的分布式协同设计；(5)获取信息交换自由度和自由度限制条件；(6)通过传输协作和信息交换，对多业务应用进行自适配；(7)根据和模型无关的分布式强制学习，建立频谱切换；(8)根据服务质量检验是否满足用户需求。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，网络节点在频谱空洞下进行传输，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。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。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三元组，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洞。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，这些干扰依赖于主用户的位置。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。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。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。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。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MAC层的链路调整进行估算。每个“链路－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。行动向量为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向业务适度服务的认知无线网络传输学习方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤1：为每个网络节点建立业务资源矩阵，根据实时业务的差异性定义实时业务的优先级；所述业务资源矩阵包括由不同链路和频段组成的路由；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；网络节点n的业务矩阵Sn＝[Sij]∈{0,1}L×Q表示如下：其中L为链路总数，Q为频段总数，链路ei属于链路集E＝{e1,…,eL}，频段Mj属于频段集M＝{M1,…,MQ}。步骤2：根据主用户是否占用某一频段以及是否和某一链路发生干扰建立白空间矩阵；根据链路采用某一频段是否干扰高优先级链路建立干扰矩阵；所述白空间矩阵和干扰矩阵用于描述业务量的时空分布呈现的动态特征；网络节点n通过频谱感知，获得的白空间矩阵On＝[Oij]∈{0,1}L×Q表示如下：优先级Cg(g≥2)的干扰矩阵为In＝[Iij]∈{0,1}L×Q：相应地，业务矩阵表示网络节点n在等级Cg中所收更高优先级干扰的差异化业务资源，那么表示矩阵反转操作步骤3：根据节点可行行动、业务传输时间，计算实时业务从源节点发送数据包到目标节点的路由和估计时延dij(ψij(Ai))表示如下：其中，ψij为Ri中第j个数据包的路由，Ai＝[An|n∈θi]是Ri的所有网络中继传输节点的行动向量，步骤4：进行本地信息和优先级的分布式协同设计，将跨层多标准优化问题 变成：其中，表示等级Ck中的数据包从中继传输节点n到达目的节点的时延期望，ξ表示一个使概率很小的安全间隔；步骤5：获取信息交换自由度和自由度限制条件；传输按时间分片，令ts为时间片持续时间，dc(Ln)为网络节点n的协作间隔，每个节点在时间片中和协作间隔后选择行动An；针对本地信息，令最优时延期望为x越大，时延期望Gn(g,x)越小；令Vn(g,In(x))为等级Ck中信息In(x)的回报利益；在静态网络中，Vn(g,In(x))定义为：Vn(g,In(x))＝Gn(g,x‑1)‑Gn(g,x)；如果节点n收到信息In(x)，那么信息回报Vn(g,In(1))被视作是按照时延期望所带来的利益；针对信息In(x)，最优时延期望Gn(g,x)可表示为：在动态网络中，一旦那么对于x≤x′≤hn有因此，定义信息自由度DoF(k,v)为：DoFn(k,v)≡argmaxx，其中λ(g,v)≥0表示实时业务带来的最小时延变化，该实时业务确定在等级Ck中收到本地信息的最小利益；步骤6：通过传输协作和信息交换，对多业务应用进行自适配；在每个时间片周期性地重复执行传输协作和信息交换两个过程，在可行行动集上寻找最优行动更新估计时延然后给信息交换接口提供更新的时延向量；根据最新选择的行动、最迟时延变量和干扰矩阵Ig(n,An)更新信息，进而干扰矩阵和在预定义信息自由度内的节点进行交换。步骤7：根据和模型无关的分布式强制学习，建立频谱切换；采用一个作为活动回报的马尔科夫决策过程来实现智能频谱切换，采用一个和模型无关的分布式强制学习方法，寻找最优决策。步骤8：根据服务质量检验是否满足用户需求从无线网络服务的对象和无线网络传递的对象两方面展开检验；如果能实现业务适配，则结束流程；否则，从获取信息交换自由度步骤重新开始执行。...

【技术特征摘要】
1.一种面向业务适度服务的认知无线网络传输学习方法，其特征在于：该方法包括以
下步骤：
步骤1：为每个网络节点建立业务资源矩阵，根据实时业务的差异性定义实时业务的优
...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦航，余华平，
申请(专利权)人：长江大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42