（通信与信息系统专业论文）认知网络多维资源管理技术.pdf

摘要 (吣、(删206408 未来通信网络是一个泛在，异构的网络模式，同时又是一个智能化的通信系 统，能够随时感知外界的环境，动态地调整网络的配置，并在此基础上进行计划、 决策和行动，从而灵活的适应网络环境的变化。因而认知网络是未来通信网络实 现的一个重要方案，对认知网络概念的讨论也是近些年来的一个热点问题。 本文针对认知无线网络中的资源管理问题进行研究，针对认知网络资源的多 维特性进行讨论，探索多维资源的管理方法，并以资源数据库作为管理的实体进 行具体实现。文中首先提出了多维资源的概念，并以此作为切入点，将认知网络 中的资源划分为资源元素，并对这些资源元素进行数学表征，随后设计了关联运 算和匹配运算，用于将分离的资源元素整合并筛选，最终达到满足端到端的通信 目标。接着讨论了资源数据库接口以及帧格式的设计，最后在软件平台上对该资 源管理方法进行功能实现。 关键词：认知网络多维资源资源管理 a bs t r a c t f u t u r ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki ss u c hak i n do fn e t w o r km o d e l ，w h i c hi s u b i q u i t o u sa n dh e t e r o g e n e o u s ，w h i c hi sa l s o a i li n t e l l i g e n tc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， w h i c hc a nr e a d i l yp e r c e i v et h ee x t e r n a le n v i r o n m e n t ，a d j u s td y n a m i c a l l yt h en e t w o r k c o n f i g u r a t i o nt oa d a p tt ot h ec h a n g e si nn e t w o r ke n v i r o n m e n t sf l e x i b l y , a n do nt h i s b a s i s ，p l a n n i n g ，d e c i s i o nm a k i n ga n da c t i o n a n dt h u st h ep l a no fc o g n i t i v en e t w o r ki s a ni m p o r t a n tc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ks o l u t i o n , t h ed i s c u s s i o na b o u tt h ec o n c e p to f c o g n i t i v en e t w o r k si sa l s oa h o ti s s u ei nr e c e n ty e a r s i nt h i sp a p e r , t h ei s s u ea b o u tr e s o u r c em a n a g e m e n ta n dt h em u l t i d i m e n s i o n a l n a t u r eo fc o g n i t i v en e t w o r kr e s o u r c e si ss t u d i e da n dd i s c u s s e d ，w h i c he x p l o r e s m u l t i d i m e n s i o n a lr e s o u r c em a n a g e m e n tm e t h o da n dm a k e si m p l e m e n t a t i o nb a s eo n r e s o u r c ed a t a b a s ea sam a n a g e m e n t e n t i t y a tf i r s t ，埘m t h e c o n c e p t o f m u l t i - d i m e n s i o n a lr e s o u r c ea sae n t r yp o i n t ，t h ep a p e rd i v i d e st h ec o g n i t i v en e t w o r k r e s o u r c e si n t or e s o u r c ee l e m e n t sw h i c ha l er e p r e s e n t e db yt h em a t h e m a t i c a lw a y s e c o n d ，t om e e tt h ee n d - t o - e n dc o m m u n i c a t i o ng o a l s ，t h ea s s o c i a t e do p e r a t i o n sa n d m a t c h i n go p e r a t i o n sa l ed e s i g n e d ，w h i c ha l eu s e dt oi n t e g r a t er e s o u r c e se l e m e n t sa n d f i l t e r a n dt h e nt h er e s o u r c ed a t a b a s ei n t e r f a c ea n df r a m ef o r m a td e s i g ni sd i s c u s s e d ， f i n a l l yt h ef u n c t i o nr e a l i z a t i o no f t h er e s o u r c em a n a g e m e n tm e t h o di sa c h i e v e di nt h e s o f t w a r ep l a t f o r m k e y w o r d s ：c o g n i t i v en e t w o r k m u l t i d i m e n s i o n a lr e s o u r c er e s o u r c em a n a g e m e n t 第一章绪论 第一章绪论 1 1 认知无线通信与网络的发展 自从1 9 9 9 年j o s e p hm i t o l ai i i 博士【l 】提出认知无线电技术1 2 j 以来，人们从各个 方向对认知技术进行了研究，其中包括了对认知无线电的定义、前景预测以及系 统结构的设计等各个方面。 所谓认知无线电是指，认知无线电在与周围环境交互的基础之上，改变其传 输参数( 来适应运行环境) 【3 j 。通过这个定义，可以得到认知无线电的两大主要 特征：认知能力和重新配置能力。认知能力能够使认知无线电与周围环境进行交 互，从而决定适合的通信参数来适应环境的无线频谱资源；重新配置具有能够不 改变任何硬件部分而调整传输参数的能力。总的来说，认知无线电是一种智能的 无线通信系统，它能够感知周围环境，实时地适应外界频谱环境，从而达到在任 何时刻、任何地点提供可靠的通信，高效地使用无线频谱资源。 据统计【4 】【5 】，全球多个国家都对认知技术进行了研究。瑞士、英国、美国等 都是认知无线电技术研究的发起者，而美国一直是认知技术研究的大国。从j o s e p h m i t o l a i i i 博士创造了“认知无线电”这个词以来，美国的m i t r ec o r p m c l e a n 就接 着在i e e e 上发表了一篇名为 c o g n i t i v er a d i of o rf l e x i b l em o b i l em u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o n s ) ) 的文章，随后美国一直处于研究的前列。欧洲国家如德国、法 国、荷兰等也是投入了大量时间和金钱对认知技术进行研究，中国对认知无线电 技术的研究开始也比较早，而且随着近几年的发展，有很多成熟的理论成果和创 新技术涌现。 2 0 0 5 年美国弗吉尼亚工学院的w t h o m a s 等人提出了一个全新的概念认 知网络( c o g n i t i v en e t w o r k ，c n ) 6 1 。认知网络的关键技术就是认知无线电。认知 网络c n 的提出和广泛的研究，必将导致网络技术进入一个新时代，同时也展示 了管理复杂网络的新方向1 7 】。 未来通信网络将是一个泛在，异构的网络模式【3 】，多接入方式并存，多节点 协同工作，支持不同程度的无缝移动特性，同时它又是一个智能化的通信系统， 能够随时感知外界环境，并根据当前的网络状况实现自配置和自适应。另外，它 还需要具备自我意识和自动学习能力，以满足日益增长的未来通信网络智能化要 求。 认知网络是未来通信网实现的一个重要方案，因而对认知网络概念的讨论是 近些年来的一个热点问题【9 】。认知网络其实是一种新型的自适应通信网络类型。 2 认知网络多维资源管理技术 在认知网络中，需要收集网络组件的状态信息，随后利用以前交互获得的先验信 息来对这些信息进行规划、判决和采取适当行为。认知网络还包括可以访问认知 网络的外部接口和可访问的软件自适应网络。这些接口和网络用于提供控制和反 馈。 认知网络可以这样定义【lo 】：认知网络有一个可以感知当前网络环境的认知过 程，它能够对当前网络环境进行观察，通过对网络环境的理解，动态地调整网络 的配置，并在此基础上进行计划、决策和行动，从而灵活的适应网络环境的变化。 同时，网络还应具有从变化中学习的能力，并能够对未来进行端到端为目的的决 策。 认知网络的认知功能发生在网络的节点和整个网络两个层面，认知网络根据 条件变化和发生的事件按照推理和先验知识进行自适应，具有思考、学习和记忆 能力是认知网络的特征。认知网络的调整行动包括根据端到端的通信任务，对网 络进行自管理、自优化、自监控、自修理、自保护、自适应和自治愈等。 1 2 认知网络的研究现状和挑战 认知网络与认知无线电之间的一个最明显的区别就是控制目标不同。认知网 络的目标是基于端到端网络性能的，端到端的目标立足于全网而不是单个网络元 素本身，要求数据流所经过的所有网络元素都采取相应的措施来保证流的可靠传 输。而认知无线电的目标仅局限于无线电用户。 与非认知网络相比，认知网络可以提供更好的端到端性能【l l j 。认知可以用于 改善资源管理、业务质量( q o s ) 、安全、接入控制或者其它网络目的。认知网络 仅受下层网络要素适应性和认知架构灵活性的限制。在该方式下，认知网络并不 仅限于无线网络，a dh o e 网络、基础无线网络、有线网络和异构网络都是认知网 络设计的对象。认知网络应该是具有前瞻性的，而不是被动的做出反应，也就是 说认知网络应该在问题发生前就能够对其进行前瞻的调整。认知网络的架构应该 是可扩展和灵活的，可以支持未来的发展和新网络要素。 目前商用无线通信的发展趋势是以用户为中心，以服务为导向，并且无线通 信的网络是一个动态而且复杂的网络，主要表现为在一个超3 g ( b 3 g ) 的网络或 者一个多种无线接入技术( r a t ) 并存的异构网络中，用户可以随时改变他们的 位置、需求等信息，运营商也可以改变他们的网络覆盖范围( 扩张或减少) ，终端 制造商不断地开发先进的无线终端，服务提供商也实时更新个性化的用户服务， 并且相关机构也正在研究新型的，可以用较低的成本提供更高带宽的r a t 技术， 并最终实现，例如近期出现的w l a n 、h s d p a 和w i m a x 技术【比j 。 随着网络技术和应用的飞速发展，对日益复杂的网络进行管理是当前通信网 第一章绪论 3 络面临的主要挑战之一。对认知网络的管理牵扯到很多因素，比如需求的类别， 资源的状态，政策法规等，除此之外，对认知网络的管理面临的挑战还表现为如 下两方面： ( 1 ) 认知通信网络是一个庞大而复杂的系统，从通信介质的角度，其中既包括 有线网络又包括无线网络；从参与元素的角度，其中既包含通信终端又包含通信 介质、通信设施等各种元素；从运营商的角度，其中的通信用户，接入链路等都 分属不同的网络从属，由此可见，必须找到一个合适的切入点，能够全面的分析 通信网络这个整体，从而为用户提供更好的服务。 ( 2 ) 认知网络的判决是基于它所获得的网络状态信息【1 3 】。认知网络为了能够基 于端到端目标进行判决，系统必须知道当前的网络状态和当前的网络目标。如果 认知网络已知整个网络的状态信息，那么网络的认知判决与无知时相比将更加准 确。但是对于大多数网络，尤其是像计算机这样复杂庞大的网络，认知网络不可 能获知全部的系统状态信息。 ： 综上所述，对认知网络的管理面临着巨大挑战，因而近些年对管理技术的讨、 论也是一个热点问题。 1 3 论文结构 本文针对认知无线网络中的资源管理问题进行研究，提出多维资源的建模与 表征方法和资源数据库的概念，探索实用的管理技术，最后利用软件平台进行对 整个资源管理方法的实现。 具体章节安排如下： ” 第一章，绪论，首先对经典认知无线电概念的提出和发展历程做简要的回顾， 接着引出认知网络的概念，综合分析了当前认知网络的发展现状，随后，结合当 前通信网络的发展趋势，讨论了认知网络在未来将要迎接的挑战。 第二章，多维资源建模，讨论了认知网络中资源的多维性，为了便于管理， 按照多维性将资源分为独立的资源元素，并且借鉴已有的资源建模方法，分析每 一种资源元素的特性，然后从数据结构和内容结构等多方面对资源元素进行严格 的数学表征。 第三章，资源管理方法，分离资源形成资源元素是为了简化分析，而通过关 联运算合并资源元素是为了整体服务。在本章中提出一种资源管理的方法，从数 学运算的角度，阐明了分离的资源关联合并的过程以及匹配运算的过程。首先给 出运算的数学定义，然后分析运算的工作流程以及运算规则，最后举例说明运算 的实际应用。 第四章，资源管理数据库设计，首先阐明了数据库设计的整体思想，然后对 4认知网络多维资源管理技术 数据库的功能做了详细的讨论，随后对数据库的接口包括资源信息接口、业务需 求接口和资源分配接口的设计内容( 如帧格式、业务类型、分配方案等) 进行细 致的描述，最后给出数据库接口的实际应用例子。 第五章，软件实现。从总体设计、场景设计、程序设计和界面风格四方面， 对前四章的理论内容进行简单、基本的功能实现，即认知网络多维资源管理数据 库系统的实现。 第六章，总结全文。 第二章多维资源建模 第二章多维资源建模 2 1 多维的概念 由1 2 节可知，认知通信网络的庞大性与复杂性使得对其进行有效管理变得 更加困难。 解决一个复杂问题最常用也是最有效的方法就是化整为零，逐个击破。因为 一个事件的结果往往是由多方面的因素共同决定的，如果把每个因素称其为一维， 那么这个事件的结果就可以认为是由多维因素决定的。同样，在认知通信网络领 域，我们可以把用户或终端每次向网络提出需求，然后通过网络的运作为用户反 馈资源分配方案的过程称为一个事件，这个事件的结果就是最终生成的解决方案， 而影响解决方案的因素是多方面的，包括请求业务的终端的不同、接入点的接收 功率的不同、链路的可用带宽的不同等，这些因素都会影响方案的选择，甚至是 同一用户在不同时刻不同地点请求相同的业务，认知网络反馈的解决方案也不尽 相同。所以，认知网络是一个多维制约的网络，是多维资源有机组合的网络，对 网络的管理可以先具体化到对其中某一维资源的管理，然后再整合考虑，这样可 以降低管理的难度。 而要实现对多维资源的有效管理，首先要考查每种资源的特点，将可以描述 该资源的所有特征参数( 详见2 4 节中的名词定义) 都列举出来，再考查各种资源之 间存在着怎样的联系，把这些特征参数、联系都抽象为严格的数学描述，便于理 论研究、分析和运算，即多维资源的建模表征。这里需要说明的是，资源的多维 性从宏观意义的角度来看是指认知无线通信网络中资源种类的多样性，从微观意 义上的角度来看，资源的多维性还表现在对于某一种资源，可以从多个角度刻画 其性能，即特征参数的多样性，具体内容可参见2 4 2 节。 2 2 认知无线电领域的建模方法 在认知无线通信网络中，较高q o s 的服务质量需求以及噪声干扰的存在限制 了频谱资源的可用性，不同应用程序的优先级别限制了服务和q o s 保障，而硬件 的运算能力又限制了这些应用程序的执行【l 列。所以联合无线资源管理的主要任务 就是屏蔽这些限制，使其对无线用户来说是透明的。认知无线电中的联合资源管 理一般可分为两种方式：协作资源管理和综合资源管理。协作资源管理是指将不 同的资源类型作为一种独立的实体，实体之间通过交换各自的信息和决策，来达 6 认知网络多维资源管理技术 到为系统整体利益服务的目的。而综合资源管理是联合了所有资源信息和环境信 息，共同处理，以获得合适的决策，从而最大限度地提高系统的整体的利益。 文献【1 2 】将认知无线通信系统中的资源分为四种：频谱资源、运算资源、无 线电应用程序资源和用户应用程序资源，并且从适用性和实用性出发，对各类资 源进行建模分析。 ( 1 ) 频谱资源 频谱资源的管理在现代无线通信中是很重要的一部分，也是个热门话题，这 主要是因为无线用户数量的增加和日益上升的带宽需求u4 。此外，很多无线电频 段未被充分利用的事实也显示了在异构无线电环境中频谱资源管理的巨大潜力。 频谱资源可以描述如公式( 2 一1 ) ： r ：i ) 2 ( ， ， ，1 、 ， ， ) 、7 其中i z ( 正整数) ，指代信道标号。o w n e r 指代频谱的所有者，l e a s e r 指代 频谱的出租者。如果一个信道被授权许可，那么其所有者就是许可证的持有人， 否则雇主是公共的；一个目前没有被租赁的信道，其出租者就是所有者。 o c c u p a t i o n 指频谱占用的百分比，其度量与实际中的干扰阈值有关。 ( 2 ) 运算资源 认知无线电系统的特点之一就是可以自动重新配置无线电设备的参数，包括 设备的通用处理器，数字信号处理器d s p ，现场可编程逻辑器件f p g a 等，任何 处理器都是一种有限的运算资源，包括处理能力，处理器间的通信带宽，内存容 量和电源( 虽然在实际中基站的能源供应可能会考虑为无限的情况，但优化其功 耗仍然是一个重要的问题) ，所以运算资源的管理是必要的。 式( 2 2 ) 中，矩阵r ? j 表示在认知无线电平台j 上的可用运算资源，其中 i ( i ，j n 自然数) r p = ( c i ，c ；，c ) ) m o p s 】( 2 2 ) 上述式子的单位为m o p s ( m i l l i o no p e r a t i o n sp e rs e c o n d ) 每秒百万次操作。 式( 2 3 ) 中，矩阵r 譬j ) 表示认知无线电平台的带宽容量，单位为每秒百万位 m b p s ，其中璐指的是在认知无线电平箭上从本地数据存储器1 到本地数据存储器 2 的直接数据传输的带宽容量 r 甲= n 1 j ( j ) 霹l( ) 睇( j 群( ) 2 【m b p s 】( 2 3 ) 第二章多维资源建模 7 式( 2 4 ) 中，矩阵r ? 表示应用程序和数据的存储能力。 r 妒= ( m ? ，m i ，mk ，m 卜。) i m b ( 2 4 ) 其中从m i 到mk i ) 代表了处理器的本地和全局存储器的所有资源 运算资源中的能源部分被描述如式( 2 5 ) ： r 甲= p m w p s 】( 2 - 5 ) 在这里假设毫瓦每秒( m w p s ) 的总能量p j 是认知无线电平台j 上所有运算 资源所共享的。 在分析实际问题时，如果其中某种资源可以认为是无限时，则不需要对其进 行过多的管理，可以简单的忽略相应的矩阵。 ( 3 ) 无线电和用户应用程序资源 应用程序资源涵盖两个方面，二者的区别主要在于作用。无线电应用程序资 源定义了通过无线链路的数据如何收发，即决定了无线电通信的传输模式( 工作 在o s i 的1 3 层) ，而用户应用程序定义了本地用户的一些服务( 工作在o s i 的 第7 层) 。尽管二者的功能存在差别，但是可以用相同的数学模型表示。 式( 2 6 ) a f t ，r p 表示了应用程序j 的m ( j ) 功能的处理需求： r p = ( ci ，c i ，c k i ) ) m o p s ( 2 - 6 ) 式( 2 7 ) 中，r o 表示了无线电平台应用程序的带宽需求，其中配表示在处 理从某个应用的功能l 到功能2 时，至少需要的带宽。 r p = 酣碰( ) 磁吐( ，) 磁( ) l硝( - ，犯磁( 埘( ，) 【m b p s 】( 2 7 ) 应用资源的内存需求可以描述如式( 2 8 ) 中，： r ? = ( m i ，m i ，m m ( i j ) ，m 卜1 ) 【m b 】( 2 8 ) 其中m l 到m 代表了各自程序的功能和数据存储的需求，m 卜，代表了应用 资源的总体内存需求。 应用资源的能源需求可以描述如式( 2 9 ) ： r p = p m w e s 】( 2 - 9 ) 应用资源对于服务质量的需求可以描述如式( 2 一1 0 ) ： r 甲- - ( q l ，q ，q ! ) ( 2 - 1 0 ) 8 认知网络多维资源管理技术 其中q ：r + ，表示应用j 完成服务k 所需的q o s 2 3 资源分类 借鉴2 2 节资源建模方法中的资源分类理念，可以将认知无线通信网络中的 资源也按照功能划分为不同的种类，每一类称为一种资源元素。如图2 1 ，刻画了 认知通信网络的基本构成，可以看出，图2 1 的基本构成元素包括终端资源、频 谱资源、接入资源、链路资源和节点资源等。 ， 白， 第二章多维资源建模 9 2 4 资源元素表征 以往对认知系统资源的研究，大多从如何获取与分析资源信息以及如何进行 资源分配等技术与角度考虑【1 5 d 7 】，并未涉及资源的具体管理内容设计。因此，针 对现有研究的不足，对认知网络的资源进行研究，提出面向管理的资源内容结构 有重要的实际意义和理论价值，也能够为实际认知系统的资源管理提供执行依据。 2 4 1 表征方式 按照2 3 节中的理论，认知通信网络的资源可以分解为不同的资源元素，本 小节将讨论如何对这些资源元素进行严格的数学描述【l 引。为了方便后续章节中的 叙述，首先需要引入三个特有名词的定义，即： 属性参数：表示认知通信系统中对资源的固有本质、设置或者属性能力 的描述，如管理与考察的具体范围、分辨率等的设置与属性。 状态参数：表示认知无线通信系统中资源的具体变化状态，为实际环境 下资源使用状况的实时性具体度量，即资源的己被使用情况具 体值，也反映资源可以被伺机使用的能力。 特征参数：将属性参数和状态参数统称为资源的特征参数。 从面向管理的目标出发【1 8 】，设定属性参数和状态参数作为资源描述和记录的 分类，结合各种资源的特性，从区间属性、分辨率属性和具体状态值等内容分别 建立管理结构，形成具体的资源管理内容，该方法的具体实现方式描述如下： 1 由之前的描述可知，认知无线电系统中的各种资源元素都可以用多种特征 参数进行描述，例如频谱资源具有时间t i m e 、空间位置l o c a t i o n 、频率f r e q u e n c y 、 功率p o w e r 等多维度特性，这是管理资源的最基本的特性内容。 2 设定属性参数和状态参数作为资源描述和记录内容的基本分类。 3 用区间属性和分辨率属性具体描述属性参数。 区间属性：表示认知无线通信系统的资源在有取值区间的属性如时 间、空间位置上的取值范围或量程设定。 分辨率属性：表示认知无线通信系统的资源在特征参数取值上的精 密程度或细粒度。 4 用属性参数的具体监测值或者计算值，表示资源的具体状态参数。 此表征方案可以表示资源的多维度特性，并加以管理，而且从特征参数和状 态参数两个方面分类，区分资源的固有特性和动态变化特性，使资源更加具体， 条例更清晰。更重要的是设计并提出资源的数据结构和管理结构，使得资源成为 可进行具体管理的内容，可以支持认知无线电通信系统的资源分析、管理与分配。 2 4 2 表征内容 按照2 3 节中资源分类的描述，将整个认知网络的资源大致分为终端资源、 1 0 认知网络多维资源管理技术 频谱资源、接入资源、链路资源和节点资源，现分别对每种资源按照2 4 1 节中描 述的表征方式进行具体表征，内容如下： ( 1 ) 终端资源 针对管理要求，设计终端资源的数据结构如下，终端资源数据结构记为 肛 属性参数 ) 根据形成的数据结构，建立具体终端资源管理内容如表2 1 ： 表2 1 终端资源管理内容 资源标识： 终端数量 l属性参数( a t t r i b u t e si n f o r m a t i o n ) i d 类型模式移动性 适用频段范围发射功率范围接收功率范围满足通信质量的s n r 时间( t i m e ) ：位置( l o c a t i o n ) ： 其他属性( o t h e ra t t r i b u t e ) ：】 状态信息( s t a t ei n f o r m a t i o n ) 每个时间对应位置对应发射功率状态 内容 ( e a c ht i m e ) ：( l o c a t i o n ) ：( p o w e r s t a t e i n f o r m a t i o n ) ( c o n t a i n s ) t i = t s t a r t + i 伊 ：其它状态信息( o t h e rs t a t ei n f o r m a t i o n ) ：】 2 第二章多维资源建模 在心中，i 、j 、k 为正整数，由t 。雠表示终端资源管理的时间范围的起点， t 为度量时间的分辨率；s o r i g i n 为终端资源管理的空间位置起点，as 为空间分辨率； 发射功率p k 是终端电量和时间的函数。 ( 2 ) 频谱资源 传统的认知无线电技术本质上是对频谱这种稀缺资源的高效管理和利用方 法。频谱资源作为认知系统所管理的对象，需要在系统中的具体操作过程中一一 实现。因此一个良好的面向管理的频谱资源内容结构设计，对于认知无线通信系 统的实现和深入研究而言，都是至关重要的针对管理要求f 1 9 】。设计频谱资源的数 据结构如下，以r f 作为频谱资源数据结构的标记。 r 尸 属性参数 区间 时间t ( ，) ； 位置s s p a c er a n g e ； 频率f ( 五o w ，f h i g h ) ； 功率p c ( p l o w ，p h i g h ) ； 分辨率 at ；as ；af ap ； 状态( 以设定分辨率遍历整个区间记录) t i = t s t a r t + i a t ； = 懿wq f s k = s o f i g i n + ka s ： p i j ，k = p ( t = t i ；f = - f j ；s 2 s k ) ； ) 其中，i 、j 、k 为正整数，t i 、f i 、s k 为在管理区间中的任意取值，p i j j 。是t i 、毛、 s k 的函数，表示在某个时间、某个位置、某个频率上的功率状态。 由、t s 姊限定管理频谱资源管理的时间范围，at 为度量时间的分辨率； s p a c er a n g e 为频谱资源管理的空间位置范围，as 为空间分辨率；f l o w 、f h i g h 为管 理的频率范围，f 为频率分辨率；p l o w 、p l i 蛐为频谱资源管理的功率谱默读范围， a p 为功率分辨率。 根据形成的数据结构，建立具体频谱资源管理内容结构为表2 2 。 1 2 认知网络多维资源管理技术 表2 2 频谱资源管理内容 名称( n a m e ) ： 属性参数( a t t r i b u t e si n f o r m a t i o n ) 时i 盲q ( t i m e ) ： 范围 功率( p o w e r ) ： 其它范 ( o t h e rr a n g e ) 时间( t i m e ) ： ( r e s o l u t功率( p o w e r ) ： 其它分辨率( o t h e rr e s o l u t i o n ) 其他属性( o t h e r a t t r i b u t e ) ：包括网络从属、政策设定等其它的固有属性 和设置。】 状态信息( s t a t ei n f o r m a t i o n ) 每个时间每个位置 每个频率对应时间、位置、频 ( e a c h t i m e )( e a c h l o c a t i o n ) ( e a c h率的功率状态 内容 f r e q u e n c y ) ：( p o w e rs t a t e i n f o r m a t i o n ) ： t 尸t s t a n “ s k 2 s o r i # n + k as 侈 【其它状态信息( o t h e rs t a t ei n f o r m a t i o n ) ：可以包括其它的可以反映频谱 资源使用状态的信息。】 ( 3 ) 接入资源 针对管理要求，设计接入资源的数据结构如下，以如作为接入资源数据结构 的标记。 在r 咀的表达式中，i 、j 、k 为正整数，由t 。乜n 表示终端资源管理的时间范围 的起点，a t 为度量时间的分辨率；通道占用c k 是随时间变化的函数，属于信道 质量的一部分。 根据形成的数据结构，建立具体接入资源的管理内容结构如表2 3 ： 第二章多维资源建模 i 皆 每个接入点 属性参数 i d ；类型；模式；覆盖范围；网络从属；接收灵敏度； 适用频段范围；发射功率范围；接收功率范围； 信道质量( 提供的处理能力，包括信道数和噪声影响) 记录时间区间；时间分辨率；位置 状态 时间t i = t s + i a t ； 通道占用ck = c ( t i ) ； 表2 3 接入资源管理内容 名称( n a m e ) ： 接入点数量 l属性参数( a t t r i b u t e si n f o r m a t i o n ) i d类型模式覆盖范围 网络从属接收灵敏度信道质量( 包括信道数和噪声影响) 适用频段范围发射功率范围接收功率范围 位置( l o c a t i o n ) 时间( t i m e ) ： 其他属性( o t h e ra t t r i b u t e ) ：】 状态信息( s t a t ei n f o r m a t i o n ) 每个时间通道占用状态 内容( e a c ht i m e ) ：( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ) ： ( c o n t a i n s ) ) ) 根据形成数据结构，建立具体链路资源管理内容结构为表2 4 ： 表2 4 链路资源管理内容 链路名称( n a m e ) ： 链路数量 1属性参数( a t t r i b u t e si n f o r m a t i o n ) i d链路端点 链路总带宽 占用模式网络从属能否分割 ：其他属性( o t h e ra t t r i b u t e ) - 】 状态信，宙, ( s t a t e ：n f o r m a t i o n ) 每个时隙链路占用状态 内容( e a c hs l o t ) ：( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ) ： ( c o n t a i n s ) 其它状态信息( o t h e rs t a t ei n f o r m a t i o n ) ：。】 2 第二章多维资源建模 1 5 ( 5 ) 节点资源 针对管理要求，设计节点资源的数据结构如下，以艮甜c 作为节点资源数据结 构的标记。 心o d c = 区间 te ( t o t ，t 0 ) ；s s p a c e ( 通信区域) ； 分辨率 t ； 节点 属性参数 节点i d ；节点吞吐量； 转发速率；转发路径；时延； 网络从属； 状态( 时间t 遍历) t = t o i a t ； 节点吞吐量变化； ) 根据形成数据结构，建立具体节点资源管理内容结构为表2 5 ： 表2 5 节点资源管理内容 节点名称( n a m e ) ： 节点数量 1属性参数( a t t r i b u t e si n f o r m a t i o n ) i d 网络从属吞吐量 时延转发速率转发路径 其他属性( o t h e ra t t r i b u t e ) ：】 状态信息( s t a t ei n f o r m a t i o n ) 内容 每个时隙节点的吞吐量 t it s t a n + i 伊 ( c o n t a i n s ) ：其它状态信息( o t h e rs t a t ei n f o r m a t i o n ) ：。】 2 1 6 认知网络多维资源管理技术 第三章资源管理方法 1 7 第三章资源管理方法 在本文第二章中已经讨论过，从认知无线网络资源多维性的角度出发，将其 划分为不同的资源元素，通过对每种资源元素进行建模表征从而便于深入的分析。 但是在实际的通信需求中，为了达到网络端到端的通信目的，分离资源只是 第一步，因为真实的认知通信网络是这些分离的资源元素的有机组合，任何一种 或几种资源元素都不能完全代替整个认知网络，同样，认知网络缺少了其中任何 一种资源元素也不能正常的运行，他们之间存在着相互联系和相互制约，这种关 系将独立的资源元素有机的整合起来，只有这样才能共同达到整体满足资源配比 的需要和业务要求。分离资源形成资源元素是为了简化分析，而通过合并资源元 素是为了整体服务。 基于第二章的理论基础，对于某个特定的通信目标或是通信需求，可以先进 行资源分解表征，再对每个具体的资源元素进行考查，然后结合通信需求和资源 元素的特征参数，通过某种关联运算( 本章3 2 节详细讨论) 整合各种资源，以便得 到可用的解决方案的集合，最后再进行与通信需求的匹配筛选运算( 本章3 3 节详 细讨论) ，为用户输出最合适的资源分配方案。这就是本章要讨论的资源管理方法。 3 1 资源管理方法设计 如果把资源管理算法看成一个黑盒子，认知通信网络可以简单描述为以下形 式，如图3 1 输出 图3 1 认知网络示意图 这里的输入即通信目标( 或通信需求) ，输出即资源分配的结果( 通信解决方 案) 。只要给出合理的输入，通过资源管理算法后，会输出对应的结果。其中对于 资源管理算法而言，主要包含3 个环节： ( 1 ) 资源分解表征 ( 2 ) 资源关联运算 ( 3 ) 目标匹配和筛选 具体的算法流程如图3 2 所示。图中的关联运算和匹配运算将在后续章节中 着重讨论。 1 8 认知网络多维资源管理技术 匕= o 感知信息 ( 包括终端匕= = 冷 资源、频 谱资源、 习 接入资源土 韵 匕= 哥 可用资源组 时间，设定固定，达到统一的关联合并。 位置，与功率、覆盖范围等内容相关，关联时需要合并考虑。 频率，由频谱状态和接入频率相与关联合并。 功率，与位置、覆盖、灵敏度等相关。 频谱资源和接入资源的关联过程实质是关联两者的频率范围以及关联接入点 的位置和频谱资源的功率的过程。对于每个空间位置，到达每个接入点需要考虑 信号功率、接入点接收功率范围、接入点本地噪声状态、s n r 等的相互制约 对于每个空间位置，接收每个接入点信号需要考虑接入点发射功率范围、空 间损耗等的相互制约， 第二步：对于频谱资源和接入资源中其他没有相互关系的，不同或特殊存在 部分可以简单进行合并 c o n j u n c t i o n ( r s p e c t m m ，r a c c c s s ) 认知网络多维资源管理技术 肛 属性 区间 t ( t s 觚，t 鲫) ； s s p a c er a n g e ； f ( 毛o w ，l i l i g l l ) ； p ( p l o w ，p h i g h ) ； 分辨率 at ；as ；af p ； ) 状态 ( 以设定分辨率遍历整个区间记 录) t i _ t s t 缸“a t ； f i = f t o w 勺af s k 2 s o r i 2 i n + kas ； p i j ，k = p ( t = t i ；f 瑙；s _ s k ) 即 每个接入点 f 属性 名称；类型；模式； 适用频段范围； 发射功率范围； 接收功率范围； 满足通信质量的s n r ； 通道( 提供的处理能力) 记录时间区间； 时间分辨率； 记录位置区间； 位置分辨率； 状态 时间t i = t s 觚+ i a t ； 位置s f s o r i g i n q a s = s ( t i ) ； 通道占用ck = c ( t i ) ； ) r a & f = ， 第三章资源管理方法 2 1 第三步：将第一步和第二步得到的结果再与终端资源进行关联运算 c o n j u n c t i o n ( r t e r m i n a l ，f 匕f ) 耻 状态 时间t i = t s t a r t + i a t ； 位置s j = s o r i g i n + j 铲s ( t i ) ； ， i k f & t 属性 状态 i 址严 属性 t ( t s 锄，t s 卸) ； f e r e 呕问& 如适用频段范围； 频谱 s s p a c er a n g e ；p p l o w ， p h i g h ) ； 每个接入点 名称；类型：模式；通道； 分辨率 at ；s ；af ap ；) 状态 t i = + i a t ；s k 2 s o f t g i n + k s ； f ；= 6 0 wq f p i j ，k _ p ( f t i ；f = f j ；s - - s k ) ； 针对每个接入点 通道占用ck - c ( t j ) ； 发射功率限f l ；j j p o w e r l i m i tt ； 接收功率限锘o p o w e r l i m i tr ；) ) t ( t s 锄，鲕) ； f r f 呕间& r a 适用频段范围& 适用频段范围； 频谱 s s p a c er a n g e ；p ( p l o w ，l 阢i g h ) ； 每个终端个体 名称；类型； 每个接入点 名称；类型；通道； 分辨率 at ；as ；af ap ； t i = t s t a n + i t ；s k = s o r i 咖+ k as ； f ；= f i o w 勺af p i j ，k = p ( t = t i ；确；s 2 s k ) ； 针对每个终端和每个接入点对 通道占用ck = c ( t i ) ； 凡模式& 凡模式； 终端发射功率 发射功率范围& r a & f p o w e d i m i t r ； 终端接收功率 接收功率范围& r a & f p o w e r l i m i t _ _ t ； ) 认知网络多维资源管理技术 对于每个终端和接入点形成的接入对，需要考虑终端发射功率范围和接入点 接收限制的相互制约以及终端接收功率范围和接入点发射功率范围的相互制约， 其他的内容没有相互关系，可以简单进行合并。 至此，已经得到可用资源的集合。为方便下文的使用，此处为可用资源的集 合赋以真实值。为方便起见，设定网络中只有两个接入点a e l ( 模式i 的接入点， 工作频段在2 2 5 51 2 m h z ，可接入通道有1 通道等) 和a p 2 ( 模式i i 的接入点，工 作频段在3 6 0 - - 4 6 0 m h