基于双向协作的动态信道分配与QoS保障的数据传输方法技术

本发明专利技术公开了一种基于双向协作的动态信道分配与QoS保障的数据传输方法。本发明专利技术一种基于双向协作的动态信道分配与QoS保障的数据传输方法，其特征在于，包括：步骤1：通过设定收益函数作为博弈约束，主用户对次用户进行博弈匹配，生成符合纳什均衡收敛性的最优策略集；步骤2：对带宽进行自适应分割，通过取W1的范围下限来保障在不影响主用户传输质量的条件下。本发明专利技术的有益效果：本发明专利技术可以对现有的网络资源进行合理调度，在不增加硬件资源的基础上，最大限度地提升网络吞吐率和网络带宽利用率，同时可以在不影响主用户传输质量的条件下，最大限度地降低主用户的发射功率，从而降低主节点的工作能耗，延长主节点的使用寿命。

Dynamic Channel Assignment and QoS Guaranteed Data Transfer Method Based on Two-way Collaboration

【技术实现步骤摘要】
基于双向协作的动态信道分配与QoS保障的数据传输方法
本专利技术涉及涉及一种应用于认知无线网络中，在不增加硬件资源的基础上，使全局网络的数据传输性能达到最优的数据传输方法，具体涉及一种基于双向协作的动态信道分配与QoS保障的数据传输方法。
技术介绍
最近几年，随着无线通信技术的快速发展，特别是无线个人域网络和无线局域网技术的发展，越来越多的人与物依赖该无线技术接入到互联网中。最初无线网络应用的是静态频谱分配策略，政府基于地区性的长期需求，将无线频谱长期授权给某些特定用户使用。然而由于带宽需求的不断增长，该政策使得某些频谱的供应严重匮乏。另一方面，相当一部分已分配频谱的使用频率较低，导致无线频谱的整体利用率低下。为了解决在频谱资源总量一定的情况下，授权频带利用率过低的技术难题，相关领域的专家学者提出了建立频谱二级市场的解决方案，对授权频带进行“二次利用”，从而提升频带整体的使用效率。认知无线电的概念正是在这样的技术背景下应运而生的，它最早由瑞典皇家学院的JosephMitola博士提出来，被当成是软件无线电的一种扩展技术。认知无线电能够感知网络环境信息，允许未被授权的无线通信设备去主动识别并合法利用已授权频带的空闲资源。该技术的出现使得频带的“二次利用”得以实现，从而为在带宽缺乏的前提下实行频带资源管理、增加频带使用频率的构想开辟了一个全新的局面。联邦通信委员会(FederalCommunicationsCommission)从带宽资源管理的角度出发，把任何拥有主动频谱感知能力的无线电称为认知无线电。同时FCC规定在不影响授权用户的前提下，未授权的设备可以利用授权频谱。根据FCC对其定义可知，认知无线电是一种机会通信技术，它颠覆了传统无线通信的工作模式，使得原先被动执行的无线设备可以对无线网络环境进行感知，从而根据网络环境的变化进行主动地调整系统参数。在认知无线电网络中存在着两种类型的用户，一种是合法的授权用户，也称为主用户，另一种是非授权用户，也称为次用户。主用户拥有授权的频谱资源，而次用户没有授权的频谱资源，次用户可以使用未授权的频带或空闲的授权频带。当次用户正在使用授权频带的时候主用户返回，次用户必须立即让出授权频带，从而保证不对主用户产生任何有害影响。次用户可以切换到另一条频谱空洞上执行任务。认知无线电发展至今，面临的一个主要挑战就是如何增加次用户的传输机会。为了解决这个难题，无线领域的专家学者提出了很多解决方法，其中最有前景的就是协作通信技术。该技术通过空间分集来提升信道容量，在协作传输过程中，系统中共有三种不同类型的节点，分别是源节点，中继节点和目的节点。协作通信技术利用空间分集，使中继节点转发来自源节点的数据包到目的节点。在认知网络中，共有两种协作传输技术用来提升次用户的传输机会，分别是垂直协作和水平协作。垂直协作发生于主用户与次用户之间，次用户作为协作节点帮助转发数据包，从而提升了主用户的传输质量并缩短了传输时延。主用户释放授权带宽为次用户提供中继。如此一来，次用户通过向主用户提供协作而获得了传输机会。传统技术存在以下技术问题：然而协作技术在为认知无线电的发展提供机遇的同时，也使其面临着巨大挑战。第一，由于主用户在传输数据过程中，授权频带很难被恰好完全占用，同时在传统的协作方案中，次用户也无法对这部分空闲频带进行合理利用，这就造成了频带资源的浪费，从而降低了网络的整体性能；第二，实际的网络环境是动态变化的，一次生成的协作方案无法长时间满足主次用户的传输需求。与此同时，频繁地改变协作方案会严重影响网络的整体性能；第三，在传统的协作技术中，协作节点的选择通常只是满足当前节点的QoS，该做法仅仅保障了节点的局部最优性，没有考虑网络整体的全局最优性；第四，由于主用户地位的特殊性，在保障其QoS的同时，也要考虑延长它的使用寿命。也就是说在协作的过程中，不仅要考虑保障主次用户的QoS，同时也要适当降低主用户的功率消耗。
技术实现思路
在动态复杂的认知网络中，最根本的目标就是在不增加硬件资源的基础上，使全局网络的数据传输性能达到最优。为了实现该目标，需要解决三个关键性问题。一是协作节点的选择。在通常情况下，当一个节点发出协作请求，附近会有多个空闲节点进行响应。如何选择合适节点，使得网络的节点带宽利用率达到全局最优是个技术难题；二是带宽与时隙的比例分割问题。主用户在使用授权带宽时，常常会有多余的带宽未利用。需要在保障主用户QoS的前提下，对主用户的带宽和传输时隙进行比例分割，从而使得主节点授权带宽的利用率达到最优；三是协作方案的自适应调整。在真实的网络环境中，节点的可用带宽是动态变化的，因此协作方案也需要根据网络环境的改变进行自适应调整。现有认知网络的研究成果中还没有一种解决方案可以同时解决上述三个技术难题。针对现有技术中的不足之处，本专利技术的目的在于提供一种应用于主用户与次用户之间的双向动态协作的数据传输方法，可以对现有的网络资源进行合理调度，在不增加硬件资源的基础上，最大限度地提升网络资源利用率，同时降低主节点的工作能耗，从而延长主节点的使用寿命。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于双向协作的动态信道分配与QoS保障的数据传输方法，包括：步骤1：通过设定收益函数作为博弈约束，主用户对次用户进行博弈匹配，生成符合纳什均衡收敛性的最优策略集；步骤2：对带宽进行自适应分割，通过取W1的范围下限来保障在不影响主用户传输质量的条件下，对主用户进行适度服务；通过取W2的范围上限，并结合节点博弈选择的结果，满足次用户的传输需求，同时提升了网络带宽的整体利用率；步骤3：在节点的可用带宽由于环境干扰或自身需求变化而发生改变时，对之前生成的协作方案进行修正操作。在其中一个实施例中，所述步骤1包括：步骤1.1：对主用户与次用户的博弈角色进行初始化；步骤1.2：获得主用户与次用户的物理属性信息；步骤1.3：确定收益函数US其中，ki，jBandj表示匹配成功的所有次用户的需求总带宽，ki，j*Wei表示匹配成功的所有主用户的空闲带宽总量，收益函数US表示全局网络空闲带宽的利用率；步骤1.4：以收益函数US为基准进行主用户博弈，从而生成一组全局最优的策略集合；步骤1.5：对最终策略集进行纳什均衡分析，如果满足纳什均衡则结束，得到一组全局最优的策略集合，并执行步骤2；如果不满足纳什均衡，返回步骤1.4进行再次博弈；其中，非合作博弈τnon的纳什均衡是指：对于非合作博弈τnon＝{N，M，{S}，{US}}，策略组台是一个纳什均衡，当且仅当对于每个博弈者来说，如下不等式成立：其中，在其中一个实施例中，所述步骤2中的其中，QPU表示主用户在时间T内需要传输的数据包大小，VPU表示主用户的传输需求QoS，变量P1，2和P2分别表示主用户面向次用户的发射功率以及主用户的初始发射功率，W表示主用户的可用总带宽，W2表示主用户的部分空闲带宽(W1，W2是W的一部分，并且W＝W1+W2)。在其中一个实施例中，所述步骤3中的修正操作是指：当传输方案的上一个时隙T结束时，分别检测空闲带宽总量和带宽的分割比例是否满足主用户与次用户的传输需求。当主用户的空闲带宽总量无法满足次用户的传输需求时，通过博弈模型重新选择次用户的协作节点；当带宽的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双向协作的动态信道分配与QoS保障的数据传输方法，其特征在于，包括：步骤1：通过设定收益函数作为博弈约束，主用户对次用户进行博弈匹配，生成符合纳什均衡收敛性的最优策略集；步骤2：对带宽进行自适应分割，通过取W1的范围下限来保障在不影响主用户传输质量的条件下，对主用户进行适度服务；通过取W2的范围上限，并结合节点博弈选择的结果，满足次用户的传输需求，同时提升了网络带宽的整体利用率；步骤3：在节点的可用带宽由于环境干扰或自身需求变化而发生改变时，对之前生成的协作方案进行修正操作。

【技术特征摘要】
1.一种基于双向协作的动态信道分配与QoS保障的数据传输方法，其特征在于，包括：步骤1：通过设定收益函数作为博弈约束，主用户对次用户进行博弈匹配，生成符合纳什均衡收敛性的最优策略集；步骤2：对带宽进行自适应分割，通过取W1的范围下限来保障在不影响主用户传输质量的条件下，对主用户进行适度服务；通过取W2的范围上限，并结合节点博弈选择的结果，满足次用户的传输需求，同时提升了网络带宽的整体利用率；步骤3：在节点的可用带宽由于环境干扰或自身需求变化而发生改变时，对之前生成的协作方案进行修正操作。2.根据权利要求1所述的基于双向协作的动态信道分配与QoS保障的数据传输方法，其特征在于，所述步骤1包括：步骤1.1：对主用户与次用户的博弈角色进行初始化；步骤1.2：获得主用户与次用户的物理属性信息；步骤1.3：确定收益函数US其中，ki，jBandj表示匹配成功的所有次用户的需求总带宽，ki，j*Wei表示匹配成功的所有主用户的空闲带宽总量，收益函数US表示全局网络空闲带宽的利用率；步骤1.4：以收益函数US为基准进行主用户博弈，从而生成一组全局最优的策略集合；步骤1.5：对最终策略集进行纳什均衡分析，如果满足纳什均衡则结束，得到一组全局最优的策略集合，并执行步骤2；如果不满足纳什均衡，返回步骤1.4进行再次博弈；其中，非合作博弈τnon的纳什均衡是指：对于非合作博弈τnon＝{N，M，{S}，{US}}，策略组合是一个纳什均衡，当且仅当对于每个博弈者来说，如下不等式成立：其中，3.根据权利要求1所述的基于双向协作的动态信道分配与QoS保障的数据传输方法，其特征在于，所述步骤2中的其中，QPU表示主用户在时间T内需要传输的数据包大小，VPU表示主用户的传输需求QoS，变量P1，2和P2分别表示主用户面向次用户的发射功率以及主用户的初始发射功率，W表示主用户的可用总带宽，W2表示主用户的部分空闲带宽(W1，W2是W的一部分，并且W＝W1+...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐飞龙，
申请(专利权)人：苏州全时空信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32