認(rèn)知無(wú)線電的資源自主分配和協(xié)同驗(yàn)證的研究

秦 航 (長(zhǎng)江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院,湖北荊州434023)

吳中博 (襄樊學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院,湖北襄樊441053)

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信以及便攜式設(shè)備的迅速發(fā)展,以及無(wú)線業(yè)務(wù)需求急劇增長(zhǎng),使得原有無(wú)線頻譜的分配政策與使用方案越來(lái)越難滿足實(shí)際需求。為了解決上述矛盾,作為一個(gè)智能無(wú)線通信系統(tǒng),認(rèn)知無(wú)線電 (CR)[1]能夠感知外界環(huán)境,并使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中獲取各種參數(shù),通過(guò)實(shí)時(shí)改變某些參數(shù),使其內(nèi)部狀態(tài)適應(yīng)接收到的無(wú)線信號(hào)的統(tǒng)計(jì)性變化,以達(dá)到任何時(shí)間、任何地點(diǎn)高度可靠通信及對(duì)頻譜資源的有效利用[2]。

當(dāng)前,以認(rèn)知無(wú)線電為基礎(chǔ)的無(wú)線通信技術(shù)已經(jīng)被公認(rèn)為解決現(xiàn)在及未來(lái)頻譜資源矛盾的首選技術(shù),甚至被視為下一代無(wú)線未來(lái)的基礎(chǔ)。但是,由于無(wú)線媒介的共享特性,以及鄰近的設(shè)備將互相干擾,給無(wú)線通信系統(tǒng)帶來(lái)顯著的性能下降[3]。為了更有效地利用認(rèn)知技術(shù)來(lái)動(dòng)態(tài)接入頻譜,并大大提高頻譜利用率[4～5],筆者從認(rèn)知無(wú)線電的協(xié)作出發(fā),建立了一種頻譜管理的跨層式設(shè)計(jì)方法,并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)協(xié)作進(jìn)行管理。隨后針對(duì)蜂窩系統(tǒng)、城域網(wǎng)系統(tǒng)和短距離系統(tǒng)[6～7],實(shí)現(xiàn)了無(wú)線資源跨層管理的驗(yàn)證平臺(tái)來(lái)統(tǒng)一地管理與控制多平面資源。

1 認(rèn)知無(wú)線電的協(xié)同協(xié)作

認(rèn)知無(wú)線電的設(shè)計(jì)目標(biāo)在于提高頻譜共享效率。目前有一些頻譜共享的方法,包括特征權(quán)利制度、頻譜清潔室、簡(jiǎn)單頻譜禮儀的非授權(quán)頻段、公開(kāi)接入和認(rèn)知無(wú)線電。按照硬件復(fù)雜度和軟件的協(xié)作程度,給出了認(rèn)知無(wú)線電協(xié)作的協(xié)同協(xié)作方法。靈活的寬頻段無(wú)線電,發(fā)射機(jī)不需要任何鄰居節(jié)點(diǎn)的協(xié)議層協(xié)作,就可以通過(guò)掃描信道來(lái)自治地選擇頻段,并調(diào)制波形使得干擾最小。

在傳輸速率和功率的反應(yīng)式控制中[8],無(wú)線電節(jié)點(diǎn)和鄰居沒(méi)有任何協(xié)作。與TCP協(xié)議反應(yīng)式地調(diào)節(jié)源節(jié)點(diǎn)速率一樣,反應(yīng)式控制采用反應(yīng)式算法來(lái)均衡資源分配并控制速率和功率。隨著認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中軟件復(fù)雜性的增加,通過(guò)主動(dòng)式策略如無(wú)線電層次的頻譜禮儀協(xié)議來(lái)增加無(wú)線電節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作[9],并在分布式協(xié)作的共享頻段處采用互聯(lián)網(wǎng)的頻譜服務(wù)或通用頻譜協(xié)作信道。禮儀方法需要物理層的協(xié)作,但是不需要無(wú)線電的可編程波形。在該策略中,無(wú)線電節(jié)點(diǎn)在密集環(huán)境下識(shí)別出協(xié)作相互系數(shù),并在MAC層協(xié)作的鄰近節(jié)點(diǎn)和自適應(yīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議間設(shè)置一個(gè)控制物理層,并通過(guò)控制物理層的引導(dǎo)建立了一個(gè)自組織網(wǎng)絡(luò)。

2 頻譜管理的跨層式設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示,在通用認(rèn)知無(wú)線電體系結(jié)構(gòu)中,通信系統(tǒng)是簡(jiǎn)化了的開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián) (OSI)堆棧。認(rèn)知無(wú)線電適變的跨層設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的關(guān)鍵設(shè)計(jì)原則如下:①單個(gè)認(rèn)知設(shè)備的自主適變跨層設(shè)計(jì)。由于各層次內(nèi)部的控制機(jī)制在層次之間具有潛在的相互影響,所以需要針對(duì)不同層的應(yīng)用控制機(jī)制,來(lái)聯(lián)合考慮跨層的控制機(jī)制,達(dá)到最終優(yōu)化整體系統(tǒng)的端到端效能的目的[10]。②認(rèn)知設(shè)備組之間的網(wǎng)絡(luò)協(xié)作。單個(gè)認(rèn)知設(shè)備內(nèi)部的自主適變跨層設(shè)計(jì)還不足夠,由于當(dāng)某個(gè)設(shè)備執(zhí)行某一功能時(shí),不同設(shè)備會(huì)相互作用并產(chǎn)生影響,所以設(shè)備組之間需要協(xié)作分析狀況,并相互協(xié)同來(lái)決定最佳的網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議[11]。

圖1 自主適變的跨層設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)作

在系統(tǒng)平臺(tái)中,認(rèn)知無(wú)線電的智能核心在認(rèn)知引擎,用來(lái)執(zhí)行在通信系統(tǒng)重構(gòu)中必須的模擬、學(xué)習(xí)、最優(yōu)化過(guò)程。認(rèn)知引擎觀察OSI協(xié)議棧的行為,并根據(jù)當(dāng)前環(huán)境提出優(yōu)化問(wèn)題。認(rèn)知引擎從用戶域、無(wú)線電域、政策域以及無(wú)線電自身獲取信息。用戶域傳輸與用戶應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)需求相關(guān)的信息,來(lái)指導(dǎo)認(rèn)知引擎的優(yōu)化。無(wú)線電域的信息包含射頻 (RF)和能影響系統(tǒng)性能的環(huán)境數(shù)據(jù)。政策引擎確定無(wú)線電硬件是否能夠支持優(yōu)化,以及監(jiān)管機(jī)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)控制是否允許優(yōu)化等,它從政策域接收政策相關(guān)的信息,該信息幫助認(rèn)知無(wú)線電決定可行的解決方法,并阻止任何違反本地規(guī)范的解決方法。

2.2 頻譜管理框架

針對(duì)不同的QoS需求和主用戶網(wǎng)的共存帶來(lái)的挑戰(zhàn),認(rèn)知無(wú)線電需要具備下面的一些新的頻譜管理功能:①干擾避免。認(rèn)知無(wú)線電應(yīng)該避免和主用戶網(wǎng)的干擾。②QoS需求。為了選擇一個(gè)合適的頻段,根據(jù)動(dòng)態(tài)和異構(gòu)頻譜環(huán)境,認(rèn)知無(wú)線電應(yīng)該具備通信的QoS保證。③無(wú)縫通信。認(rèn)知無(wú)線電應(yīng)該給主用戶提供無(wú)縫通信。

針對(duì)這些挑戰(zhàn),下面給出認(rèn)知無(wú)線電中頻譜管理的不同功能。這些頻譜管理過(guò)程由下面4個(gè)主要步驟組成:①頻譜感知。認(rèn)知無(wú)線電用戶僅能分配未使用的頻譜。因此,認(rèn)知用戶應(yīng)該監(jiān)控可用頻段,然后捕獲信息并識(shí)別頻譜空洞。②頻譜決策。根據(jù)頻譜的可用性,認(rèn)知用戶能分配信道。該分配不僅依賴于頻譜可用性,并且由內(nèi)部 (也可以是外部)政策決定。③頻譜共享。因?yàn)槎鄠€(gè)認(rèn)知用戶試圖接入頻譜,應(yīng)該對(duì)認(rèn)知無(wú)線電接入進(jìn)行調(diào)整來(lái)防止多用戶在頻譜的重疊部分發(fā)生沖突。④頻譜移動(dòng)性。認(rèn)知用戶被視作頻譜的訪問(wèn)者。如果主用戶需要特定的頻譜,該通信在頻譜空閑部分必須是連續(xù)的。

3 系統(tǒng)驗(yàn)證平臺(tái)

業(yè)務(wù)/控制/認(rèn)知的多平面跨層設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題是,如何確定在協(xié)議棧各層間需要傳遞的信息,所選擇的信息不能太復(fù)雜,因?yàn)檫@會(huì)產(chǎn)生很大時(shí)延或大量計(jì)算;但也不能太簡(jiǎn)單,否則各層無(wú)法獲得足夠的信息。另外,跨層設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮另一個(gè)問(wèn)題是,協(xié)議棧各層獲得其他層的信息后,如何對(duì)各層的工作過(guò)程進(jìn)行控制。因此,在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)時(shí),就需要引入建?；蚍抡孢^(guò)程,來(lái)輔助設(shè)計(jì)工作的進(jìn)行。

在適變的無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)總體設(shè)計(jì)思想下,根據(jù)無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論、無(wú)線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)自主傳輸、控制與優(yōu)化的原理和方法,建設(shè)認(rèn)知無(wú)線電仿真平臺(tái),驗(yàn)證并評(píng)估相關(guān)理論與關(guān)鍵技術(shù)。并針對(duì)無(wú)線頻譜資源的管理、調(diào)度、協(xié)同共享機(jī)理等機(jī)制,為普適計(jì)算環(huán)境的建設(shè)和應(yīng)用提供基礎(chǔ)理論和技術(shù)支撐。

演示平臺(tái)的設(shè)計(jì)以理論分析為依據(jù),通過(guò)建模、仿真、分析,首先設(shè)計(jì)驗(yàn)證平臺(tái),再針對(duì)平臺(tái)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行再分析和反饋,指導(dǎo)理論研究,重新修正建模與仿真方法,最終完善設(shè)計(jì),從而達(dá)到有效評(píng)估的目標(biāo)[12]。結(jié)合無(wú)線環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化、無(wú)縫接入要求、終端設(shè)備功耗和計(jì)算能力展開(kāi)針對(duì)性研究并用平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)的驗(yàn)證。

圖2 動(dòng)態(tài)資源管理平臺(tái)的評(píng)價(jià)和驗(yàn)證

資源動(dòng)態(tài)管理和分配實(shí)現(xiàn)如圖2所示。資源動(dòng)態(tài)管理由物理網(wǎng)絡(luò)管理器、輸出管理器和動(dòng)態(tài)資源管理引擎組成。物理網(wǎng)絡(luò)管理器主要包括通信模式,以及對(duì)蜂窩系統(tǒng)、城域網(wǎng)系統(tǒng)和短距離系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)描述。輸出管理器主要包括新網(wǎng)絡(luò)配置和網(wǎng)絡(luò)觀察儀。在動(dòng)態(tài)資源管理引擎中,業(yè)務(wù)計(jì)劃依據(jù)端到端效能目標(biāo)、頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)以及約束條件限制,而無(wú)線電系統(tǒng)則依據(jù)認(rèn)知無(wú)線電模型和電波傳輸模型。其中,消息事件為整個(gè)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分。頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)為本地頻譜使用的歷史紀(jì)錄,為頻譜感知提供參考。

仿真演示平臺(tái)不僅將驗(yàn)證演示新型認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的功能,還將演示現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)與基于多平面的認(rèn)知無(wú)線電的融合關(guān)系和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)向智能化網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的方案。物理網(wǎng)絡(luò)管理器中網(wǎng)絡(luò)包括現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò) (GSM/GPRS、CDMA2000)、城域網(wǎng)絡(luò) (WiMAX)、短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò) (WLAN802.11/b/g/n)以及未來(lái)的具有認(rèn)知功能的網(wǎng)絡(luò)等。終端包括現(xiàn)有的各種網(wǎng)絡(luò)制式的終端和基于軟件無(wú)線電和認(rèn)知無(wú)線電的可重構(gòu)終端?，F(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)可作為虛擬認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的接入部分,通過(guò)智能映射機(jī)制,分配統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí),進(jìn)行統(tǒng)一地管理與控制,就可以穿越該網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)不同類型的其他網(wǎng)絡(luò),具有較強(qiáng)的適變性。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)認(rèn)知無(wú)線電的協(xié)同協(xié)作機(jī)制,建立了頻譜管理的跨層次設(shè)計(jì)的基本結(jié)構(gòu)和框架。針對(duì)跨層設(shè)計(jì)機(jī)制所存在的問(wèn)題,重點(diǎn)描述了頻譜管理功能和管理步驟,并闡述了系統(tǒng)仿真和驗(yàn)證的基本工作原理。隨后討論了智能映射機(jī)制,并在資源的管理、調(diào)度、協(xié)同共享的環(huán)境下得到應(yīng)用。

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