專利名稱：認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中跨層資源分配系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中跨層資源的分配。
背景技術(shù)：
隨著各種無線通信新技術(shù)的不斷出現(xiàn)以及各種無線業(yè)務(wù)的興起，以及新一代寬帶 無線網(wǎng)絡(luò)的大量出現(xiàn)(如LTE-A和WiMAX)，頻譜資源短缺的問題日益嚴(yán)重。目前無線電頻 譜是采取固定方式分配給不同的網(wǎng)絡(luò)(即為授權(quán)頻譜)，由國(guó)家統(tǒng)籌規(guī)劃管理。實(shí)際應(yīng)用 中的大量測(cè)量結(jié)果表明，這種固定頻譜授權(quán)分配使用的方式導(dǎo)致某些頻譜承載的業(yè)務(wù)量很 大，出現(xiàn)嚴(yán)重的擁塞現(xiàn)象；而同時(shí)，也有些頻譜的頻譜使用效率極低，造成了頻譜資源的嚴(yán) 重浪費(fèi)。認(rèn)知無線電的提出被認(rèn)為是解決這一問題最完美的技術(shù)方案。由此衍生的認(rèn)知無 線網(wǎng)絡(luò)已被視為未來網(wǎng)絡(luò)的主流發(fā)展方向?，F(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的資源分配方案雖然已經(jīng)十分成熟，但其往往只側(cè)重某一方面的優(yōu)勢(shì)， 在其他方面則存在較嚴(yán)重的缺陷。以LTE網(wǎng)絡(luò)中eNode B資源調(diào)度器中的兩種通用的調(diào)度 算法——機(jī)會(huì)調(diào)度和公平調(diào)度為例機(jī)會(huì)調(diào)度典型地被設(shè)計(jì)來最大化所有用戶的傳輸數(shù)據(jù) 速率之和，也稱最大速率調(diào)度，只為特定部分頻譜上擁有最好信道條件的用戶分配信道。機(jī) 會(huì)分配所引起的主要問題是很難確保公平和QoS要求；另外，用戶數(shù)據(jù)不能總是等到信道 條件足夠有利時(shí)才傳輸，特別是對(duì)緩慢變化的信道。而比例公平調(diào)度的原理是，當(dāng)用戶瞬時(shí) 信道質(zhì)量相對(duì)于它自己隨時(shí)間的平均信道質(zhì)量較高時(shí)就調(diào)度該用戶。這種方法能夠避免信 道資源不公平共享的問題，但這是在犧牲了部分系統(tǒng)吞吐量的情況下進(jìn)行的，并且也沒有 考慮用戶的QoS需求。而現(xiàn)實(shí)中，大多數(shù)調(diào)度算法都是兩種方法的折中，并綜合考慮QoS的 要素。隨著認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，其獨(dú)有的頻譜資源跳變性使得非認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的資源分配機(jī)制 已不再適用，由于認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中可用頻譜資源的動(dòng)態(tài)變化，傳統(tǒng)的資源分配機(jī)制已不能再為 用戶提供滿意的QoS保證?，F(xiàn)有的針對(duì)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的資源分配的方案中，較為成熟的僅有IEEE 802. 22標(biāo)準(zhǔn)中 提出的簡(jiǎn)要算法。與非認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的調(diào)度算法相比，它僅僅是多考慮了物理層上報(bào)的頻譜 檢測(cè)結(jié)果，對(duì)用戶的QoS也并未有更多的考量。目前關(guān)于認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的跨層資源分配機(jī)制的研究盡管較多，但大多數(shù)考慮的因素都 不全面。有些僅從單純提高系統(tǒng)吞吐量的角度出發(fā)，沒有或較少考慮到用戶QoS需求的影 響，也就無法充分保證系統(tǒng)對(duì)認(rèn)知用戶QoS的滿足；有些盡管將用戶QoS參數(shù)納入考慮范 疇，但并未考慮實(shí)際情況中不同業(yè)務(wù)類型QoS需求的差別；有的盡管考慮得比較完善，但完 成整個(gè)資源分配過程需要大量且長(zhǎng)時(shí)的復(fù)雜運(yùn)算，不適宜在實(shí)際系統(tǒng)中運(yùn)用。因此，有必要提供這樣一種高效快速的方法，它基于系統(tǒng)各種有用認(rèn)知信息，如用 戶業(yè)務(wù)類型和需求、頻譜可用性、信道狀況等，做出子信道分配、速率控制、功率分配等無線 資源分配決策，能夠?qū)崿F(xiàn)在滿足認(rèn)知用戶不同QoS需求的前提下盡可能最大化系統(tǒng)有效吞 吐量的目標(biāo)，優(yōu)化系統(tǒng)性能。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本方案解決多用戶認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中基于不同業(yè)務(wù)QoS需求的無線資源分配問題， 以實(shí)現(xiàn)在滿足用戶的QoS需求的前提下盡可能最大化系統(tǒng)有效吞吐量的目標(biāo)，優(yōu)化系統(tǒng)整 體性能。(二)技術(shù)方案本發(fā)明適用于可實(shí)施集中式控制的網(wǎng)絡(luò)部署場(chǎng)景中，提出了認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中跨層 資源分配系統(tǒng)及方法。具體地，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案首先，本發(fā)明提供一種認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中跨層資源分配系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括可重配置 的認(rèn)知基站11以及至少一個(gè)可重配置的認(rèn)知終端12 ；其中，所述認(rèn)知基站11包括認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)111，接收并存儲(chǔ)本小區(qū)內(nèi)所有認(rèn)知終端12上報(bào)的頻譜檢測(cè)結(jié)果和信 道測(cè)量結(jié)果，為檢測(cè)數(shù)據(jù)融合單元112和自適應(yīng)調(diào)制編碼單元113提供接口和用于分析計(jì) 算的數(shù)值依據(jù)；檢測(cè)數(shù)據(jù)融合單元112，與認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)111相連接，用于根據(jù)所述認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)111 中各個(gè)認(rèn)知終端12上報(bào)的子信道的頻譜占用狀況，做出數(shù)據(jù)融合，并結(jié)合長(zhǎng)期測(cè)量得到的 主用戶活躍度，計(jì)算出各個(gè)子信道的空閑概率；為無線資源分配決策單元115提供接口 ；自適應(yīng)調(diào)制編碼單元113，與認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)111相連接，用于根據(jù)認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)111中 各個(gè)認(rèn)知終端12上報(bào)的子信道的信道質(zhì)量，確定最佳的調(diào)制編碼方案，并結(jié)合子信道空閑 概率計(jì)算誤碼率的期望值；為無線資源分配決策單元115提供接口 ；業(yè)務(wù)參數(shù)計(jì)算分析單元114，根據(jù)各個(gè)認(rèn)知終端12的業(yè)務(wù)類型、數(shù)據(jù)包的排隊(duì)狀 況計(jì)算分析業(yè)務(wù)平均時(shí)延和丟包率；為無線資源分配決策單元115提供接口 ；無線資源分配決策單元115，與檢測(cè)數(shù)據(jù)融合單元112、自適應(yīng)調(diào)制編碼單元113 和業(yè)務(wù)參數(shù)計(jì)算分析單元114分別相連接，用于根據(jù)前述三個(gè)單元提供的接口，結(jié)合各個(gè) 用戶的不同QoS需求，在滿足用戶QoS需求的前提下進(jìn)行可最大化系統(tǒng)有效吞吐量的無線 資源分配決策；基站參數(shù)重配置單元116，與無線資源分配決策單元115相連接，用于根據(jù)無線資 源分配決策結(jié)果執(zhí)行基站重配置與管理功能；所述認(rèn)知終端12包括頻譜檢測(cè)單元121，用于檢測(cè)該認(rèn)知終端12的主用戶對(duì)頻譜占用狀況；信道測(cè)量單元122，用于測(cè)量該認(rèn)知終端12與認(rèn)知基站11間在各個(gè)子信道上的信 道質(zhì)量；終端參數(shù)重配置管理單元123，根據(jù)無線資源分配決策結(jié)果執(zhí)行終端重配置與管 理功能。優(yōu)選地，所述無線資源分配決策具體包括子信道分配、數(shù)據(jù)包調(diào)度和功率分配。此外，本發(fā)明同時(shí)提供一種利用所述認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中跨層資源分配系統(tǒng)進(jìn)行認(rèn)知 無線網(wǎng)絡(luò)中跨層資源分配方法，所述方法包括步驟S201，小區(qū)的所有認(rèn)知用戶終端通過環(huán)境認(rèn)知單元對(duì)其當(dāng)前所處的外部無線環(huán)境進(jìn)行認(rèn)知；S202,認(rèn)知用戶終端將認(rèn)知信息上報(bào)到位于基站的認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)；S203，位于認(rèn)知基站中的數(shù)據(jù)融合單元根據(jù)認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)中各個(gè)終端上報(bào)的認(rèn)知信 息做出基于概率的融合和判決；S204,自適應(yīng)調(diào)制編碼單元根據(jù)認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)中各個(gè)終端上報(bào)的認(rèn)知信息確定調(diào)制 方式與編碼方案；S205，位于認(rèn)知基站中的資源分配決策單元依據(jù)各個(gè)用戶的應(yīng)用層業(yè)務(wù)參數(shù)和物 理層參數(shù)，在MAC層做出滿足優(yōu)化目標(biāo)的系統(tǒng)無線資源分配決策；S206，資源分配決策單元將決策結(jié)果信息發(fā)送到位于認(rèn)知基站內(nèi)的基站參數(shù)重配 置單元和位于認(rèn)知用戶終端內(nèi)的終端參數(shù)重配置單元；S207，由各個(gè)參數(shù)重配置單元分別引導(dǎo)并控制認(rèn)知基站和各個(gè)認(rèn)知終端執(zhí)行決策 結(jié)果，進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，并實(shí)施滿足QoS需求的業(yè)務(wù)傳輸。優(yōu)選地，針對(duì)數(shù)據(jù)的每一幀周期性地執(zhí)行無線資源分配流程，在步驟S201之前還 包括步驟S301，在每一幀的開始，各個(gè)用戶的業(yè)務(wù)以MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU的形式到達(dá)基站 的MAC層，存儲(chǔ)在認(rèn)知基站為各個(gè)用戶分配的緩存中；S302，認(rèn)知基站進(jìn)行初始功率分配，使得工作在任一子信道上的用戶都具有相同 的功率值。優(yōu)選地，步驟S201中，所述認(rèn)知用戶終端利用頻譜檢測(cè)單元進(jìn)行頻譜檢測(cè)，收集 到的各個(gè)子信道的頻譜占用狀況；利用信道測(cè)量單元進(jìn)行信道測(cè)量，收集各個(gè)子信道的信 道質(zhì)量；步驟S202中，所述認(rèn)知用戶終端將收集到的各個(gè)子信道的頻譜占用狀況信息以 及各個(gè)子信道的信道質(zhì)量信息上報(bào)到認(rèn)知基站中的認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)。優(yōu)選地，步驟S203具體為認(rèn)知基站中的檢測(cè)數(shù)據(jù)融合單元根據(jù)認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)中各個(gè)認(rèn)知終端上報(bào)的子信道 的頻譜占用狀況，做出數(shù)據(jù)融合，并結(jié)合長(zhǎng)期測(cè)量得到的主用戶活躍度，計(jì)算出各個(gè)子信道 的空閑概率。優(yōu)選地，步驟S204具體為認(rèn)知基站中的自適應(yīng)調(diào)制編碼單元根據(jù)認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)中各個(gè)認(rèn)知終端上報(bào)的子信 道的信道質(zhì)量，確定最佳的調(diào)制編碼方案，并結(jié)合之前得到的子信道空閑概率計(jì)算誤碼率 的期望值。優(yōu)選地，步驟S205具體包括S308，利用緩存隊(duì)列長(zhǎng)度值、子信道增益值、子信道空閑概率值構(gòu)造狀態(tài)矢量值， 為所有用戶終端分配子信道用于業(yè)務(wù)傳輸；S309，根據(jù)子信道分配情況進(jìn)行MAC PDU調(diào)度，由此更新緩存中各個(gè)用戶的隊(duì)列長(zhǎng) 度，并計(jì)算平均時(shí)延值和瞬時(shí)速率；S310，判斷是否滿足業(yè)務(wù)的時(shí)延和瞬時(shí)速率的QoS需求，即判斷是否時(shí)延 < 時(shí)延門 限值，且瞬時(shí)速率〉瞬時(shí)速率門限值；S311，如果時(shí)延和瞬時(shí)速率值都滿足需求，則結(jié)合前述計(jì)算的誤碼率的期望值，進(jìn)
7行功率分配，直至滿足業(yè)務(wù)平均誤包率的QoS需求。優(yōu)選地，步驟S308中所述為所有用戶終端分配子信道具體包括步驟S401，利用歸一化隊(duì)列長(zhǎng)度值、歸一化子信道增益值、子信道空閑概率值構(gòu)造狀態(tài) 矢量值，初始化[用戶-子信道]二維狀態(tài)矩陣，使每個(gè)狀態(tài)值針對(duì)不同用戶不同子信道；S402，構(gòu)造單源單宿的有向圖，其中源端S連接用戶集，宿端D連接子信道集；S403，根據(jù)業(yè)務(wù)請(qǐng)求類型將用戶集劃分為實(shí)時(shí)用戶集A和非實(shí)時(shí)用戶集B，分別由 源端S與其連接； S404,統(tǒng)計(jì)所有的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)MAC PDU包，將其總和設(shè)為P，判定P與子信道總數(shù)C的 關(guān)系，為優(yōu)先調(diào)度實(shí)時(shí)用戶做準(zhǔn)備；S405,如果實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)MAC PDU包總和P大于等于子信道總數(shù)C，則意味著會(huì)存在一 定的丟包，將有向邊SA的邊容量設(shè)為C，有向邊SB的邊容量設(shè)為0 ；S406，如果實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)MAC PDU包總和P小于子信道總數(shù)C，則先調(diào)度實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，將有 向邊SA的邊容量設(shè)為P，有向邊SB的邊容量設(shè)為C-P ；S407，為其他有向邊確定邊容量值和費(fèi)用值，其中用戶集與子信道集相連的各邊 的容量均為1，費(fèi)用均為最大狀態(tài)矢量值-狀態(tài)矢量值；S408，利用最小費(fèi)用最大流原則求解，最終得到的用戶集與子信道集之間的實(shí)際 流向即為子信道分配結(jié)果有流即分配子信道。優(yōu)選地，步驟S311中所述功率分配具體包括步驟S501，為滿足最終為每個(gè)分配到子信道的用戶都分配合適功率值的目標(biāo)，初始化 二維功率分配矩陣P (u，c) = Pmax，其中，u表示用戶編號(hào)，c表示子信道編號(hào)，Pfflax表示系統(tǒng) 每個(gè)子信道上所允許的最大功率值，是一個(gè)常數(shù)；S502，構(gòu)造拉格朗日乘子L，初始化功率遞減因子dP和優(yōu)化精度差dL ；S503，判斷某一子信道是否被分配給一個(gè)用戶；S504，如果S503判斷為否，則沒有必要為該子信道分配功率；S505，根據(jù)功率值計(jì)算拉格朗日乘數(shù)k，其中的功率值為初始分配的功率值或經(jīng)過 多次遞減后的值；S506，判斷拉格朗日乘數(shù)是否為正數(shù)，此處需要為正數(shù)才能滿足凸優(yōu)化條件，如果 為負(fù)數(shù)，則需要減小功率值并回溯到S505 ；S507，如果得到的乘數(shù)為正數(shù)，需要進(jìn)一步判斷根據(jù)此時(shí)的功率值計(jì)算的誤包率 值是否滿足用戶業(yè)務(wù)的QoS需求，即是否低于最大容許的誤包率值；如果不滿足，則需要減 小功率值并回溯到S505 ；S508，如果已滿足誤包率需求，需要更進(jìn)一步判斷此時(shí)的拉格朗日乘子值是否已 經(jīng)逼近最大值Lm ；如果不是，則說明不是一個(gè)優(yōu)化值，則需要減小功率值并回溯到405 ；S509，在S506、S507或S508任意一步判別失敗后，均需要減小功率值；S510，為分配至子信道c的用戶u分配合適的功率值。(三)有益效果與現(xiàn)有的技術(shù)方案相比，本方案以滿足用戶不同QoS需求為基本前提，將不同類 型業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)納入考慮范圍之內(nèi)，并盡可能最大化系統(tǒng)有效吞吐量為目標(biāo)，更具有現(xiàn)實(shí) 意義，也更符合用戶的體驗(yàn)要求，為認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中用戶QoS保證提供了一種切實(shí)可行的解決方案。


圖1為本發(fā)明中系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明中認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中跨層資源分配的方法流程圖；圖3為本發(fā)明中更進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案的資源分配方法的詳細(xì)流程圖；圖4為本發(fā)明中優(yōu)選的子信道分配方法流程圖；圖5為本發(fā)明中優(yōu)選的功率分配方法流程圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、內(nèi)容、和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式 作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明適用于可實(shí)施集中式控制的網(wǎng)絡(luò)部署場(chǎng)景中，主要通過認(rèn)知基站與認(rèn)知用 戶終端的交互來實(shí)施滿足QoS需求的業(yè)務(wù)傳輸。具體地，本發(fā)明提供的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中跨 層資源分配系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)主要包括可重配置認(rèn)知基站以及可重配置認(rèn)知終端兩種 設(shè)備其中，可重配置認(rèn)知基站11包括認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)111、檢測(cè)數(shù)據(jù)融合單元112、自適應(yīng) 調(diào)制編碼單元113、業(yè)務(wù)參數(shù)計(jì)算分析單元114、無線資源分配決策單元115和基站參數(shù)重 配置管理單元116 認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)111 用于存儲(chǔ)本小區(qū)內(nèi)所有認(rèn)知終端上報(bào)的頻譜檢測(cè)結(jié)果和信道測(cè) 量結(jié)果，分別為檢測(cè)數(shù)據(jù)融合單元和自適應(yīng)調(diào)制編碼單元提供接口，并作為其分析計(jì)算的 數(shù)值依據(jù)。檢測(cè)數(shù)據(jù)融合單元112 根據(jù)認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)中各個(gè)認(rèn)知終端上報(bào)的子信道的頻譜占 用狀況，做出數(shù)據(jù)融合，并結(jié)合長(zhǎng)期測(cè)量得到的主用戶活躍度，計(jì)算出各個(gè)子信道的空閑概 率。為無線資源分配決策單元提供接口，并作為其決策依據(jù)之一。自適應(yīng)調(diào)制編碼單元113 根據(jù)認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)中各個(gè)認(rèn)知終端上報(bào)的子信道的信道 質(zhì)量，確定最佳的調(diào)制編碼方案，并結(jié)合子信道空閑概率計(jì)算誤碼率的期望值。為無線資源 分配決策單元提供接口，并作為其決策依據(jù)之一。業(yè)務(wù)參數(shù)計(jì)算分析單元114 根據(jù)各個(gè)終端的業(yè)務(wù)類型、數(shù)據(jù)包的排隊(duì)狀況計(jì)算 分析業(yè)務(wù)平均時(shí)延和丟包率。為無線資源分配決策單元提供接口，并作為其決策依據(jù)之一。無線資源分配決策單元115:根據(jù)前述三個(gè)單元的數(shù)據(jù)接口，結(jié)合各個(gè)用戶的不 同QoS需求，依據(jù)改進(jìn)的最小費(fèi)用最大流算法以及基于拉格朗日優(yōu)化的搜索算法，實(shí)現(xiàn)優(yōu) 化目標(biāo)，即在滿足用戶QoS需求的前提下做出盡可能最大化系統(tǒng)有效吞吐量的無線資源分 配決策，包括子信道分配、數(shù)據(jù)包調(diào)度、功率分配等?；緟?shù)重配置單元116 根據(jù)無線資源分配決策結(jié)果執(zhí)行基站重配置與管理功 能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基站頻率和工作參數(shù)的重配置。同時(shí)，可重配置認(rèn)知終端12包括頻譜檢測(cè)單元121、信道測(cè)量單元122和終端參數(shù) 重配置管理單元123 頻譜檢測(cè)單元121 用于檢測(cè)該認(rèn)知終端所在處主用戶對(duì)頻譜占用狀況。
信道測(cè)量單元122 用于測(cè)量該認(rèn)知終端與認(rèn)知基站間在各個(gè)子信道上的信道質(zhì)量。終端參數(shù)重配置管理單元123，根據(jù)無線資源分配決策結(jié)果執(zhí)行終端重配置與管 理功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)終端頻率和工作參數(shù)的重配置。所述系統(tǒng)工作流程如圖2所示首先對(duì)外部環(huán)境進(jìn)行認(rèn)知該小區(qū)的所有認(rèn)知用戶終端通過環(huán)境認(rèn)知單元對(duì)其當(dāng) 前所處的外部無線環(huán)境，如子信道的頻譜占用狀況和子信道的信道質(zhì)量進(jìn)行認(rèn)知；然后認(rèn)知用戶終端將認(rèn)知信息上報(bào)到位于基站的認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)；之后位于認(rèn)知基站中的數(shù)據(jù)融合單元根據(jù)認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)中各個(gè)終端上報(bào)的子信道 的頻譜占用狀況做出基于概率的融合和判決，自適應(yīng)調(diào)制編碼(AMC)單元根據(jù)認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù) 中各個(gè)終端上報(bào)的子信道的信道質(zhì)量確定合適的調(diào)制方式與編碼方案；隨后位于認(rèn)知基站中的資源分配決策單元依據(jù)各個(gè)用戶的應(yīng)用層業(yè)務(wù)參數(shù)(包 括業(yè)務(wù)量大小、業(yè)務(wù)類型、時(shí)延需求、速率需求以及誤包率需求)并結(jié)合前述的物理層參數(shù) (包括基于概率的信道狀況判決值、調(diào)制階數(shù)、碼率)，在MAC層做出滿足優(yōu)化目標(biāo)的系統(tǒng)無 線資源分配決策(包括子信道分配和功率分配)；最后，資源分配決策單元將決策結(jié)果信息通過帶外認(rèn)知導(dǎo)頻信道發(fā)送到位于認(rèn)知 基站內(nèi)的基站參數(shù)重配置單元和位于認(rèn)知用戶終端內(nèi)的終端參數(shù)重配置單元，由各個(gè)參數(shù) 重配置單元分別引導(dǎo)并控制認(rèn)知基站和各個(gè)認(rèn)知終端執(zhí)行決策結(jié)果，進(jìn)行參數(shù)調(diào)整(包括 工作頻點(diǎn)、調(diào)制階數(shù)、碼率以及發(fā)送功率)，并實(shí)施滿足QoS需求的業(yè)務(wù)傳輸。更進(jìn)一步地，在多用戶集中式認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)基于用戶QoS需求的無線資源分配機(jī)制 中，優(yōu)選地采用系統(tǒng)周期性地執(zhí)行無線資源分配流程的方案，在每一次無線資源分配流程 中，終端都首先進(jìn)行頻譜感知和信道測(cè)量。這樣，本發(fā)明所提供的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中跨層資源 分配方法優(yōu)選的詳細(xì)時(shí)序流程如圖3所示S301 在每一幀的開始，各個(gè)用戶的業(yè)務(wù)以MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元(Protocol Data Unit, PDU)的形式到達(dá)基站的MAC層，存儲(chǔ)在認(rèn)知基站為各個(gè)用戶分配的緩存中。各個(gè)緩 存的隊(duì)列長(zhǎng)度已知。S302:認(rèn)知基站進(jìn)行初始功率分配，使得工作在任一子信道上的用戶都具有相同 的功率值，即為最大允許的總功率/子信道總數(shù)。S303:認(rèn)知終端收到認(rèn)知基站指示后，利用頻譜檢測(cè)單元進(jìn)行頻譜檢測(cè)。S304:認(rèn)知終端收到認(rèn)知基站指示后，利用信道測(cè)量單元進(jìn)行信道測(cè)量。S305:終端將收集到的各個(gè)子信道的頻譜可用性信息以及各個(gè)子信道的信道質(zhì)量 信息上報(bào)到認(rèn)知基站中的認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)。S306:認(rèn)知基站中的檢測(cè)數(shù)據(jù)融合單元根據(jù)認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)中各個(gè)認(rèn)知終端上報(bào)的子 信道的頻譜占用狀況，做出數(shù)據(jù)融合，并結(jié)合長(zhǎng)期測(cè)量得到的主用戶活躍度，計(jì)算出各個(gè)子 信道的空閑概率。S307 認(rèn)知基站中的自適應(yīng)調(diào)制編碼單元根據(jù)認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)中各個(gè)認(rèn)知終端上報(bào)的 子信道的信道質(zhì)量，確定最佳的調(diào)制編碼方案，并結(jié)合之前得到的子信道空閑概率計(jì)算誤 碼率的期望值。S308:利用隊(duì)列長(zhǎng)度值、子信道增益值、子信道空閑概率值構(gòu)造狀態(tài)矢量值，運(yùn)用改進(jìn)的最小費(fèi)用最大流算法為所有用戶終端分配最合適的子信道用于業(yè)務(wù)傳輸。具體的算 法流程將在圖5以及后續(xù)部分中描述。S309 根據(jù)子信道分配情況進(jìn)行MAC PDU調(diào)度，由此更新緩存中各個(gè)用戶的隊(duì)列 長(zhǎng)度，并計(jì)算平均時(shí)延值和瞬時(shí)速率。S310 判斷是否滿足業(yè)務(wù)的時(shí)延和瞬時(shí)速率的QoS需求，即時(shí)延 < 時(shí)延門限值，瞬 時(shí)速率〉瞬時(shí)速率門限值。S311 如果時(shí)延和瞬時(shí)速率值都滿足需求，則結(jié)合前述計(jì)算的平均誤碼率值，運(yùn)用 基于拉格朗日優(yōu)化的搜索算法進(jìn)行功率分配，直至滿足業(yè)務(wù)平均誤包率的QoS需求。具體 的算法流程將在圖6以及后續(xù)部分中描述。此外，結(jié)合矢量構(gòu)造與圖論的思想，本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案中較為簡(jiǎn)單地解決了 子信道與MAC PDU包匹配的問題，由此帶來的改進(jìn)的子信道分配方法的具體流程如圖4所 示S401 利用歸一化隊(duì)列長(zhǎng)度值、歸一化子信道增益值、子信道空閑概率值構(gòu)造狀態(tài) 矢量值，初始化[用戶-子信道]二維狀態(tài)矩陣，即每個(gè)狀態(tài)值是針對(duì)不同用戶不同子信道 的。S402 構(gòu)造單源單宿的有向圖，其中源端連接用戶集，宿端連接子信道集。圖中所 有邊均為正向有向邊。S403:根據(jù)業(yè)務(wù)請(qǐng)求類型將用戶集劃分為實(shí)時(shí)用戶集和非實(shí)時(shí)用戶集，分別由兩 個(gè)節(jié)點(diǎn)A和B連接。S404:統(tǒng)計(jì)所有的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)MAC PDU包，將其總和設(shè)為P。判定P與子信道總數(shù)C 的關(guān)系。為優(yōu)先調(diào)度實(shí)時(shí)用戶做準(zhǔn)備。S405 如果實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)MAC PDU包總和P大于等于子信道總數(shù)C，則意味著會(huì)存在一 定的丟包，將有向邊SA的邊容量設(shè)為C，有向邊SB的邊容量設(shè)為O。S406 如果實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)MAC PDU包總和P小于子信道總數(shù)C，則先調(diào)度實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，將 有向邊SA的邊容量設(shè)為P，有向邊SB的邊容量設(shè)為C-P。S407 為其他有向邊確定邊容量值和費(fèi)用值。其中用戶集與子信道集相連的各邊 的容量均為1，費(fèi)用均為最大狀態(tài)矢量值-狀態(tài)矢量值(目的是為了轉(zhuǎn)化為最小費(fèi)用最大流 問題，否則是一個(gè)最大費(fèi)用最大流問題，不宜求解，最大狀態(tài)矢量值為所有狀態(tài)矢量值中最 大一個(gè))。S408:利用最小費(fèi)用最大流原則求解這個(gè)圖問題，最終得到的用戶集與子信道集 之間的實(shí)際流向即為子信道分配結(jié)果有流即分配子信道。其中，最小費(fèi)用最大流原則是圖論中常用的算法原則，具體為首先給出零流作為 初始流，這個(gè)流的費(fèi)用為零，當(dāng)然是最小費(fèi)用的。然后尋找一條源點(diǎn)至終點(diǎn)的增流鏈，但要 求這條增流鏈必須是所有增流鏈中費(fèi)用最小的一條。如果能找出增流鏈，則在增流鏈上增 流，得出新流。將這個(gè)流作為初始流看待，繼續(xù)尋找增流鏈增流。這樣迭代下去，直至找不 出增流鏈，這時(shí)的流即為最小費(fèi)用最大流。在完成子信道分配以后，本發(fā)明還進(jìn)一步地對(duì)功率分配進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)選地實(shí)施 方式中，給出了滿足業(yè)務(wù)平均誤包率要求的功率分配搜索方法，具體的流程如圖5所示S501 為滿足最終為每個(gè)分配到子信道的用戶都分配合適功率值的目標(biāo)，初始化二維功率分配矩陣P (u，c) = Pmax，其中，u表示用戶編號(hào)，c表示子信道編號(hào)，Pfflax表示該系 統(tǒng)每個(gè)子信道上所允許的最大功率值，是一個(gè)常數(shù)。S502 構(gòu)造拉格朗日乘子L，初始化功率遞減因子dP用于搜索最優(yōu)功率值，初始化 優(yōu)化精度差dL用于判別是否達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)。其中，拉格朗日乘子L是根據(jù)常規(guī)凸優(yōu)化求解規(guī)則構(gòu)造的首先定義目標(biāo)函數(shù)，
權(quán)利要求
1.一種認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中跨層資源分配系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括可重配置的認(rèn) 知基站(11)以及至少一個(gè)可重配置的認(rèn)知終端(12)；其中，所述認(rèn)知基站(11)包括認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)(111)，接收并存儲(chǔ)本小區(qū)內(nèi)所有認(rèn)知終端(12)上報(bào)的頻譜檢測(cè)結(jié)果和信 道測(cè)量結(jié)果，為檢測(cè)數(shù)據(jù)融合單元(11 和自適應(yīng)調(diào)制編碼單元(11 提供接口和用于分 析計(jì)算的數(shù)值依據(jù)；檢測(cè)數(shù)據(jù)融合單元(112)，與認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)(111)相連接，用于根據(jù)所述認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù) (111)中各個(gè)認(rèn)知終端(12)上報(bào)的子信道的頻譜占用狀況，做出數(shù)據(jù)融合，并結(jié)合長(zhǎng)期測(cè) 量得到的主用戶活躍度，計(jì)算出各個(gè)子信道的空閑概率；為無線資源分配決策單元(115) 提供接口 ；自適應(yīng)調(diào)制編碼單元(113)，與認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)(111)相連接，用于根據(jù)認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)(111) 中各個(gè)認(rèn)知終端(1 上報(bào)的子信道的信道質(zhì)量，確定最佳的調(diào)制編碼方案，并結(jié)合子信道 空閑概率計(jì)算誤碼率的期望值；為無線資源分配決策單元(115)提供接口 ；業(yè)務(wù)參數(shù)計(jì)算分析單元(114)，根據(jù)各個(gè)認(rèn)知終端(1 的業(yè)務(wù)類型、數(shù)據(jù)包的排隊(duì)狀 況計(jì)算分析業(yè)務(wù)平均時(shí)延和丟包率；為無線資源分配決策單元(11 提供接口 ；無線資源分配決策單元(115)，與檢測(cè)數(shù)據(jù)融合單元(112)、自適應(yīng)調(diào)制編碼單元 (113)和業(yè)務(wù)參數(shù)計(jì)算分析單元(114)分別相連接，用于根據(jù)前述三個(gè)單元提供的接口，結(jié) 合各個(gè)用戶的不同QoS需求，在滿足用戶QoS需求的前提下進(jìn)行可最大化系統(tǒng)有效吞吐量 的無線資源分配決策；基站參數(shù)重配置單元(116)，與無線資源分配決策單元(115)相連接，用于根據(jù)無線資 源分配決策結(jié)果執(zhí)行基站重配置與管理功能；所述認(rèn)知終端(12)包括頻譜檢測(cè)單元(121)，用于檢測(cè)該認(rèn)知終端(12)的主用戶對(duì)頻譜占用狀況；信道測(cè)量單元(122)，用于測(cè)量該認(rèn)知終端(12)與認(rèn)知基站(11)間在各個(gè)子信道上的信道質(zhì)量；終端參數(shù)重配置管理單元(123)，根據(jù)無線資源分配決策結(jié)果執(zhí)行終端重配置與管理 功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中跨層資源分配系統(tǒng)，其特征在于，所述無線 資源分配決策具體包括子信道分配、數(shù)據(jù)包調(diào)度和功率分配。
3.一種利用權(quán)利要求1或2中所述認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中跨層資源分配系統(tǒng)進(jìn)行認(rèn)知無線網(wǎng) 絡(luò)中跨層資源分配的方法，其特征在于，所述方法包括步驟S201，小區(qū)的所有認(rèn)知用戶終端(12)通過環(huán)境認(rèn)知單元對(duì)其當(dāng)前所處的外部無線環(huán) 境進(jìn)行認(rèn)知；S202，認(rèn)知用戶終端(12)將認(rèn)知信息上報(bào)到位于認(rèn)知基站(11)中的認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù) (111)；S203，位于認(rèn)知基站(11)中的數(shù)據(jù)融合單元(112)根據(jù)認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)(111)中各個(gè)終端 (12)上報(bào)的認(rèn)知信息做出基于概率的融合和判決；S204,自適應(yīng)調(diào)制編碼單元(11 根據(jù)認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)(111)中各個(gè)終端(1 上報(bào)的認(rèn)知 信息確定調(diào)制方式與編碼方案；S205，位于認(rèn)知基站(11)中的資源分配決策單元(115)依據(jù)各個(gè)用戶的應(yīng)用層業(yè)務(wù)參 數(shù)和物理層參數(shù)，在MAC層做出滿足優(yōu)化目標(biāo)的系統(tǒng)無線資源分配決策；S206，資源分配決策單元(115)將決策結(jié)果信息發(fā)送到位于認(rèn)知基站(11)內(nèi)的基站參 數(shù)重配置單元(116)和位于認(rèn)知用戶終端(1 內(nèi)的終端參數(shù)重配置單元(123)；S207，由各個(gè)參數(shù)重配置單元分別引導(dǎo)并控制認(rèn)知基站和各個(gè)認(rèn)知終端執(zhí)行決策結(jié) 果，進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，并實(shí)施滿足QoS需求的業(yè)務(wù)傳輸。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，針對(duì)數(shù)據(jù)的每一幀周期性地執(zhí)行無線資 源分配流程，在步驟S201之前還包括步驟S301，在每一幀的開始，各個(gè)用戶的業(yè)務(wù)以MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU的形式到達(dá)基站的 MAC層，存儲(chǔ)在認(rèn)知基站為各個(gè)用戶分配的緩存中；S302，認(rèn)知基站進(jìn)行初始功率分配，使得工作在任一子信道上的用戶都具有相同的功 率值。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，其特征在于，步驟S201中，所述認(rèn)知用戶終端(12) 利用頻譜檢測(cè)單元(121)進(jìn)行頻譜檢測(cè)，收集到的各個(gè)子信道的頻譜占用狀況；利用信道 測(cè)量單元(12 進(jìn)行信道測(cè)量，收集各個(gè)子信道的信道質(zhì)量；步驟S202中，所述認(rèn)知用戶終端將收集到的各個(gè)子信道的頻譜占用狀況信息以及各 個(gè)子信道的信道質(zhì)量信息上報(bào)到認(rèn)知基站中的認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，步驟S203具體為認(rèn)知基站中的檢測(cè)數(shù)據(jù)融合單元(112)根據(jù)認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)(111)中各個(gè)認(rèn)知終端上報(bào)的 子信道的頻譜占用狀況，做出數(shù)據(jù)融合，并結(jié)合長(zhǎng)期測(cè)量得到的主用戶活躍度，計(jì)算出各個(gè) 子信道的空閑概率。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟S204具體為認(rèn)知基站中的自適應(yīng)調(diào)制編碼單元(11 根據(jù)認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)(111)中各個(gè)認(rèn)知終端上報(bào) 的子信道的信道質(zhì)量，確定最佳的調(diào)制編碼方案，并結(jié)合之前得到的子信道空閑概率計(jì)算 誤碼率的期望值。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，步驟S205具體包括S308，利用緩存隊(duì)列長(zhǎng)度值、子信道增益值、子信道空閑概率值構(gòu)造狀態(tài)矢量值，為所 有用戶終端分配子信道用于業(yè)務(wù)傳輸；S309，根據(jù)子信道分配情況進(jìn)行MAC PDU調(diào)度，由此更新緩存中各個(gè)用戶的隊(duì)列長(zhǎng)度， 并計(jì)算平均時(shí)延值和瞬時(shí)速率；S310，判斷是否滿足業(yè)務(wù)的時(shí)延和瞬時(shí)速率的QoS需求，即判斷是否時(shí)延 < 時(shí)延門限 值，且瞬時(shí)速率 > 瞬時(shí)速率門限值；S311，如果時(shí)延和瞬時(shí)速率值都滿足需求，則結(jié)合前述計(jì)算的誤碼率的期望值，進(jìn)行功 率分配，直至滿足業(yè)務(wù)平均誤包率的QoS需求。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，步驟S308中所述為所有用戶終端分配子 信道具體包括步驟S401，利用歸一化隊(duì)列長(zhǎng)度值、歸一化子信道增益值、子信道空閑概率值構(gòu)造狀態(tài)矢量 值，初始化[用戶-子信道]二維狀態(tài)矩陣，使每個(gè)狀態(tài)值針對(duì)不同用戶不同子信道； S402，構(gòu)造單源單宿的有向圖，其中源端S連接用戶集，宿端D連接子信道集；S403，根據(jù)業(yè)務(wù)請(qǐng)求類型將用戶集劃分為實(shí)時(shí)用戶集A和非實(shí)時(shí)用戶集B，分別由源端 S與其連接；-5404,統(tǒng)計(jì)所有的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)MACPDU包，將其總和設(shè)為P，判定P與子信道總數(shù)C的關(guān)系；-5405,如果P大于等于C，則意味著會(huì)存在一定的丟包，將有向邊SA的邊容量設(shè)為C，有 向邊SB的邊容量設(shè)為0 ；-5406,如果P小于C，則先調(diào)度實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，將有向邊SA的邊容量設(shè)為P，有向邊SB的邊 容量設(shè)為C-P ；-S407，為其他有向邊確定邊容量值和費(fèi)用值，其中用戶集與子信道集相連的各邊的容 量均為1，費(fèi)用均為最大狀態(tài)矢量值-狀態(tài)矢量值；S408，利用最小費(fèi)用最大流原則求解，最終得到的用戶集與子信道集之間的實(shí)際流向 即為子信道分配結(jié)果有流即分配子信道。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，步驟S311中所述功率分配具體包括步驟S501，初始化二維功率分配矩陣P (u，c) = Pmax，其中，u表示用戶編號(hào)，c表示子信道編 號(hào)，Pfflax表示系統(tǒng)每個(gè)子信道上所允許的最大功率值，為一個(gè)常數(shù)；S502，構(gòu)造拉格朗日乘子L，初始化功率遞減因子dP和優(yōu)化精度差dL ； S503，判斷某一子信道是否被分配給一個(gè)用戶； S504，如果S503判斷為否，則沒有必要為該子信道分配功率； S505，根據(jù)功率值計(jì)算拉格朗日乘數(shù)k，其中的功率值為初始分配的功率值或經(jīng)過多次 遞減后的值；S506，判斷k是否為正數(shù)，如果為負(fù)數(shù)，則功率值減小dP并回溯到S505 ； S507，如果得到的乘數(shù)k為正數(shù)，進(jìn)一步判斷根據(jù)此時(shí)的功率值計(jì)算的誤包率值是否 滿足用戶業(yè)務(wù)的QoS需求，即是否低于最大容許的誤包率值；如果不滿足，則功率值減小dP 并回溯到S505 ；S508，如果已滿足誤包率需求，則更進(jìn)一步判斷此時(shí)的拉格朗日乘子L值是否已經(jīng)逼 近最大值Lm ；如果不是，說明不是一個(gè)優(yōu)化值，則功率值減小dP并回溯到S505 ；S509，在S506、S507或S508任意一步判別失敗后，均需要在原功率值上減小功率值dP；S510,為分配至子信道c的用戶u分配合適的功率值。
全文摘要
本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，提出一種認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中跨層資源分配系統(tǒng)及方法，該方案收集各個(gè)用戶終端上報(bào)的頻譜檢測(cè)結(jié)果和信道測(cè)量結(jié)果，結(jié)合各個(gè)用戶的業(yè)務(wù)量及業(yè)務(wù)QoS參數(shù)，依據(jù)改進(jìn)的最小費(fèi)用最大流算法以及基于拉格朗日優(yōu)化的搜索算法，對(duì)子信道分配、調(diào)制編碼方案確定、數(shù)據(jù)包調(diào)度、功率分配等做出綜合決策。可以滿足多用戶不同類型業(yè)務(wù)的QoS需求，并保持較高系統(tǒng)有效吞吐量，為認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)提供一種有效QoS保證的資源分配機(jī)制。
文檔編號(hào)H04W16/14GK102098684SQ201110069868
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2011年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月22日
發(fā)明者馮志勇, 張奇勛, 張平, 王瑩, 許穎, 陳翼翼, 陳鑫 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)