（通信与信息系统专业论文）认知无线网络中的跨层优化问题研究.pdf

i _ o _ - _ _ 。 独创性( 或创新性) 声明 删删i f f y 17 5 9 6 2 1 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期：越丝照：91 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期：竺q 堑：堕。q ! 日期：丝丝：堡圭：22 化问题研究 技术得到了前所未有的发 展。认知无线网络以其网络协同功能、对环境的感知能力、对环境变 化的学习能力及对环境变化的自适应性、通信质量的高可靠性、对网 络资源尤其是频谱资源的动态管理以及协议的可重构性等特性成为 了无线网络的发展方向。对于认知无线网络而言，跨层优化技术是其 实现端到端效能，提高无线网络资源的使用效率的重要手段。针对认 知无线网路中的跨层优化问题本文主要进行了以下几方面的工作： 首先，本文详细的分析了目前网络发展的趋势，重点阐述异构无 线网络的特点，以及它所带来的机遇和挑战。概述了认知无线网络相 关内容，通过分析，证明它是一项可以用于未来异构无线网络的先进 技术。通过进一步对跨层优化技术进行总结和分析，明确了其在认知 无线网络中的地位和作用。 之后，本文设计了认知无线网络的体系架构以支持在此框架下的 跨层优化技术。所设计的认知无线网络体系架构有效结合了集中式和 分布式网络的优点，设计了网元、本地和区域的三级网络架构。在体 系架构的设计基础之上，本文进一步对认知网络中的认知功能和认知 信息进行了逻辑抽象，提出了并列于传统数据平面和控制平面的认知 平面和在其上的认知信息流的概念。 再后，本文设计了一种基于跨层优化的多用户多业务q o s 保障 策略以及系统资源优化使用方法。建立了q o s 参数映射模型，根据 不同业务的不同q o s 需求以及用户反馈而来的信道质量信息，为各 个业务确定其在对应子信道上适合的链路参数。本文使用匈牙利算法 进行多用户最佳子载波匹配以利用多用户分集。以尽力而为亏损作为 代价使用动态规划的方法为各业务分配资源，使得在优先保业务q o s 的情况下，有效优化无线网络资源利用效率。并设计了相关仿真对所 设计策略进行了验证。 论文最后对全文进行了总结，并展望了今后的研究方向。 关键词：认知无线网络跨层优化架构设计q o s 保证 i n c l u d e sf o l l o w i n ga s p e c t s ： f i r s t l y , t h i st h e s i sa n a l y z e st h et e n d e n c yo fn e t w o r kd e v e l o p m e n t ， t h ec h a r a c t e ro fw i r e l s e en e t w o r ka n dt h ec h a l l e n g ea n dc h a n c ef r o mi t t h e nt h ec o g n i t i v ew i r e l e s sn e t w o r kt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e dt op r o v e t h a ti ti sa ne f f i c i e n tm e t h o di nt h eh e t e r o g e n e o u sw i e l e s sn e t w o r k i tc a n r e a l i z et h ei n t e r c o n n e c t i o no fn e t w o r k sa n do p t i m i z et h eu s a g eo f r e s o u r c ei nd i f f e r e n tn e t w o k s b ys u m m a r i z e i n ga n da n a l y z i n gt h es t a t e o ft h ea r to ft h ec r o s sl a y e ro p i t i m i z a t i o nt e c h n o l o g y , t h i st h e s i ss t a t et h e r o l ea n ds t a t u so fi ti nc o g n i t i v ew i r e l e s sn e t w o r k s e c o n d l y ，t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h ec o g n i t i v ew i r e l e s sn e t w o r ka n d i t sr e l a t e d t e c h n o l o g ya n dr e s e a r c h w o r k n o v e lc o g n i t i v ew i r e l e s s n e t w o r ka r c h i t e c t u r ei sp r o p o s e dt om a k et h ec o g n i t i v ep r o c e s sg oi ng e a r a n de f f i c i e n t l y i nt h ep r o p o s e da r c h i t e c t u r e ，t h ep r o t o c o ls t a c kl e v e l ， c o g n i t i v ee l e m e n t sl e v e la n ds y s t e ml e v e lo fa r c h i t e c t u r ea n dr e l a t e d f u n c t i o n a l i t yi sd e s i g n e d w r ed e v e l o p e dt h ec o g n i t i v ep l a n ea n dc o g n i t i v e p h y s i c a l a n dl i n kl a y e rp a r a m e t e r sa l o n gw i t h a l l o c a t i n gt h eo f d m a r e s o u r c e s t h ea l l o c a t i o np r o b l e mi ss o l v e db yh u n g a r i a n a l g o r i t h ma n d d y n a m i cp r o g r a m m i n g n u m e r o u ss i m u l a t i o nr e s u l t sr e v e a lt h a t ，o nt h e b a s i so fq o sg u a r a n t e e ，t h ep r o p o s e dc r o s s 1 a y e ro p t i m i z a t i o ns c h e m e i m p r o v e st h es y s t e mt h r o u g h p u ta n dt h es p e c t r u me f f i c i e n c y i nt h ee n do ft h i st h e s i s ，as u m m a r i z a t i o ni sm a d ea n dt h ef u t u r e d i r e c t i o no ft h es t u d yi sa l s op o i n t e do u t k e yw o r d s ：c o g n i t i v ew i r e l e s sn e t w o r k ，c r o s s l a y e ro p t i m i z a t i o n ， a r c h i t e c t u r ed e s i g n ，q o sg u a r a n t e e 目录 第1 章引言1 第2 章认知无线网络概述3 2 1 移动通信的发展趋势与特点3 2 2 认知无线9 网络4 2 3 跨层优化与认知无线网络：6 2 4本文所做的t 作1 0 第3 章认知无线网络中支持跨层优化的架构设计1 3 3 1 概j 苤1 ： 3 1 1 认知循环1 3 3 1 2 典型的认知无线电系统架构设计1 4 3 1 3 体系架构设计目标1 9 3 2 一种集中加分布式的架构设计2 0 3 2 1 集中式加分布式的三级体系架构设计2 0 3 2 2认知平面与认知流2 3 3 3 结论和下一步研究方向2 5 第4 章认知无线网络中基于q o s 保证的跨层优化方案设计2 7 4 1 概：i 苤2 7 4 2 q o s 参数映射模型3 0 4 3优化方案3 2 4 3 1整体优化方案概述3 2 4 3 2链路参数自适应策略3 3 4 3 3 资源臼适应分配策略3 5 4 4 性能评估3 7 4 4 1仿真配置3 7 4 4 2仿真结果分析3 9 4 5结论和下一步研究方向4 3 第5 章总结和展望4 5 5 1论文总结。4 5 5 2 未来研究展望4 6 致谢4 7 硕士期间发表论文情况。4 9 北京邮电人学硕士论文 第一章引言 第1 章引言 2 0 世纪8 0 年代以来，全球范围内的移动无线通信技术得到了前所未有的发 展，目前这种发展的势头还在延续，甚至会更快。根据工业和信息化部的报告， 截止2 0 0 9 年1 1 月底，全国移动电话用户达到7 3 8 亿户，超过固定电话用户两 倍，中国已经成为全球最大的移动通信市场。移动通信技术发展迅速，新的无线 通信技术和标准层出不穷，通信产业由此而迎来了一个新的发展变革期。从目前 备受关注的3 g 技术到面向未来用户和应用需求的4 g 技术，其研发思路都体现 出以下两个大的趋势：是高速率，用于满足用户在无线应用方面不断膨胀的需 求；二是融合，使异构的无线网络间无线资源可以得到很好的利用，更好的保证 用户业务质量( q o s ，q u a l i t yo fs e r v i c e ) 。无线移动通信网络面临着更提高频谱 利用效率率和协同异构无线网络工作以满足各种业务需求带来更好的用户体验 的巨大挑战，于是人们希望通过网络技术的融合，寻找解决上述问题的途径，同 时通过网络技术的不同应用定位互补特性提升融合系统的业务能力和服务质量。 认知无线网络( c w n ，c o g n i t i v ew i r e l e s sn e t w o r k s ) 是在认知无线电技术基 础上形成的网络形态，是当今通信技术的前沿研究领域之一。认知无线网络具有 高度智能化的能力，能认知网络的环境信息从而分辨当前的网络状态，然后依据 这些状态进行相应的规划、决策和响应。这一切的目标都是为了实现端到端的效 能，以提高网络资源的使用效率。认知无线网络将对网络性能的观察( 或者代理 观察) 作为决策处理过程的输入，然后将可作用于网络中可调元素的一系列行为 作为输出。理想的情况是，一个认知无线网络应该具有前瞻性而不仅仅是反应式 的处理，它应该在问题出现之前就尝试矫正修整。另外，认知无线网络的体系架 构应该具有扩展性和灵活性，以支持未来的改善、网络元素和目标。 跨层优化是目前热门的研究课题，其研究出发点在于有线网络设计的具有严 格层级关系的体系架构已经不适用于具有动态信道特性的无线网络环境，并基于 协议栈具有扩展性和灵活性的基本假设，打破传统网络协议栈设计中层的规 则，使传统的层与层独立的模块之间可以交流合作，从而挖掘这种新的模式下的 性能增益，使其更加符合无线网络的需求。认知无线网络借鉴了这种思想，并对 其加以完善，使其成为了认知无线网络中实现端到端效能，提高网络资源的使用 效率的重要手段。 针对认知无线网络中的跨层优化问题，本文对认知网络的基本概念以及跨层 优化技术在认知网络中的作用以及地位作出了综述，分析了认知网络中跨层优化 技术需要的体系架构，并对已有的典型的认知无线电系统架构进行了归纳总结， 北京邮电大学硕士论文 第一章引言 在此基础之上，设计了一种认知无线网络中支持跨层优化的架构。针对目前只注 重单用户单业务q o s 保障的跨层优化的研究现状，提出了一套包括无线链路参 数自适应与物理层资源分配的联合跨层优化策略。从架构设计、具体跨层优化策 略两方面比较全面的研究了认知无线网络中的跨层优化问题，并对认知无线网络 中跨层优化技术的继续研究方向进行了展望。 本文选题源自于国家9 7 3 项目认知无线网络基础理论与关键技术研究 ( 2 0 0 9 c b 3 2 0 4 0 6 ) 。 2 北京邮电大学硕士论文 第二章认知无线网络概述 第2 章认知无线网络概述 本章从未来移动无线网络的发展趋势出发，分析出进行认知网络相关研究的 必要性，之后又具体阐述了认知无线网络和跨层优化技术的发展现状并依次总结 了其中的主要研究点。 2 1 移动通信的发展趋势与特点 近年来，无线通信技术飞速发展，给人与人之间的交流提供了更为方便快捷 的手段。与无线通信兴起之初相比，除了传统的话音业务以外，音频、视频、交 互式游戏和数据下载等业务类型所占比重正在逐渐加大；同时，由于各业务类型 所独有的性质和质量要求，需要网络为不同类型的业务提供不同性能的链路以保 证高质量的服务等级。因此，未来的网络如何发展从而可以为用户提供高效便捷 的无线接入并有效满足越来越高的业务需求成为了巨大挑战。未来的网络环境将 由多种无线接入技术共同组成，每个网络都有自身的特点，这些有不同特性的网 络组成了未来无线通信网络。尽管这些无线网络为用户提供了多种多样的通信方 式、各种各样的接入手段和无处不在的接入服务，但是，要实现真正意义的高效 组织和自适应，并且实现具有端到端服务质量保证的服务，还需要充分利用不同 网络间的互补特性，实现异构无线网络技术的有机融合。异构网络融合是未来网 络技术发展的必然趋势但是由于多个通信系统所采用的无线接入技术、管理架 构、业务支撑等方面的不同，这些都成为网络进一步融合的“瓶颈”。具体表现 在：物理层技术不同；使用的频谱资源不同；通信协议栈及管理控制机制不同； 业务需求特性不同。如果缺乏有效的协调措施，异构的无线网络就会形成孤岛般 相对独立的自治区域。这样会引发由重叠覆盖带来的系统间干扰、重复的投资建 设、单一的业务提供能力、稀缺的频谱资源等问题，使整个异构网络变得不可控 制且对资源的利用效率低下。无论从技术发展的角度来看，还是从网络运营商实 现用户体验和资源利用的双赢角度来看，都需要进行相关研究来实现异构技术的 协同工作与有效融合，完成异构资源的优势互补和协调管理。虽然从以上的分析 来看，异构网络环境会带来难以解决的困难，对技术研发构成挑战，但同样应该 看到，如果能合理解决好这其中的问题，将是又一次网络技术的巨大飞跃。 为了通过网络技术的融合，寻找解决上述问题的途径，同时通过网络技术的 不同应用定位互补特性提升融合系统的业务能力和服务质量，人们提出了很多不 同的技术。其中认知无线网络技术作为由认知无线电技术演进的网络版本，成为 3 北京邮电大学硕士论文 第二章认知无线网络概述 了研究的热门领域。认知无线网络以其网际和网间的网络协同功能、对环境的感 知能力、对环境变化的学习能力及对环境变化的自适应性、通信质量的高保证性、 对网络资源尤其是频谱资源的动态管理以及系统功能模块和协议的可重构性等 特性成为了未来无线网络的发展方向。下面就对这一技术进行具体总结和分析。 2 2 认知无线网络 在通过网络技术的融合，利用网络技术的不同应用定位互补特性，提升融合 系统的业务能力和服务质量的愿景驱动下，出现了认知无线网络这样有着崭新概 念与目标的网络技术。认知无线网络是一种具有认知过程的网络，它能分辨当前 网络状态，然后根据这些状态进行规划、决策和响应。网络能在这些自适应过程 中学习，可以将它们用于以后的决策，并且这一切的目标都是为了实现端到端的 性能。 这个定义在认知方面上与描述认知无线电的表述相似，都广泛地包含了许多 认知和学习的简易模型。而这个定义更关键的是在于网络的层面和端到端的部 分。要是没有网络和端到端的视角，这个系统也许就成为认知无线电或者说只是 网络中的一层，而不是一个完整的认知无线网络。在这里，端到端指的是网络所 有元素都参与了同一个数据流的传播。比如一个单播传输中，这可能包括如下的 元素：子网、路由器、交换机、虚链接、加密方式、媒介、接口和波形等。而端 到端的目标使得认知无线网络有一个全网范围的要求，使其与只在本地或者单元 素范围内自适应的方法区别开来。 认知无线网络应该将对网络性能的观察( 或者代理观察) 作为决策处理过程 入，然后将可作用于网络中可调元素的一系列行为作为输出。理想的情况是， 认知无线网络应该具有前瞻性而不仅仅是反应式的处理，它应该在问题出现 就尝试矫正修整。另外，认知无线网络的体系架构应该具有扩展性和灵活性， 持未来的改善、网络元素和目标。 可以这样讲，是关于认知无线电的研究促成了认知无线网络概念的建立。这 本质上的相同之处是认知过程，这是性能优化的核心。认知过程最本质的部 是可以根据过去的决策来学习，并由此对未来的行为产生影响。它以最终结 化为目标，并依靠观察并辅以节点的知识来作出决定。在认知无线电中，认 程被用于单个节点自身的性能优化，认知无线网络发展了这一革命性的理 它将认知过程推广到无线网络这个层面上来，使得操作者的能力最大化。 认知无线网络是一个新兴的研究领域。在过去，把认知加入到一个网络中的 只停留在了网络中某些单独的方面中，比如智能天线或者智能包。可是这一 着m i t o l a 在文献1 2 dj 中认知无线电概念的提出而改变了。他把智能植入无线 4 北京邮电大学硕士论文 第二章认知无线网络概述 电操作的想法吸引了研究团体的注意，并激发了他们的想象力。最后这个概念由 无线电走向了更广泛的网络层面。 近期关于认知无线网络的研究可以分为两类： 第一类的网络中大部分的认知决策仍然是由单个的无线电来完成，但是它们 会采用一些合作的手段。这一类的工作起步于m i t o l a 在认知无线电方面的研究， 他在他最初的一些论文里提到了认知无线电如何与系统级的认知无线网络相互 作用【2 - 2 1 。n e e l 2 - 3 】和h a y k i i i 【“】继续发展了这个思路。他们分别研究了认知无线电 网络的建模方法，都将网络看着一个大型的多用户博弈过程，并由此在收敛的情 况下作出决策。 另外一类采用跨多元素的集中的认知过程或者并行处理过程，这使得更加自 治化，行为空间更广泛，不止局限于媒体接入控制层( m a c ，m e d i u ma c c e s s c o n t r 0 1 ) 和物理层。根据c l a r k 等人对这种网络的描述【2 羽，它可以根据高层的 指示完成自我组织和重组织，并且自动发现和解决问题，或者对无法解决的问题 给出解释。在m f i h o n e n 的论文中1 2 - 6 1 ，他提出了使用网络知识表示语言( n k r l , n a r r a t i v ek n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nla n g u a g e ) 来表达和交流高层目标和策略的想 法。同时，他还提出了协作认知资源管理( c r m ，c o g n i t i v er c s o u c cm a n a g e m e n t ) 的体系架构。这类研究大多关注于提供解决各类难题的认知体系结构，而不拘泥 于具体的网络操作问题上。 在实现方面，认知无线网络仍需面对诸多问题。考虑到认知无线网络所采用 的配置是同步的改变的，要以很高的可靠性来实现这点，其中的细节是很复杂的。 节点会在不同时间切换配置，这有可能会导致自适应后情况反而变得更糟。而且， 网络各种各样的拓扑结构意味着并不是所有节点都会同时收到配置发生变化的 通知。一个可能的方法就是要求节点相对某个共同的时间基准同步，并相对那个 时间基准发出配置改变的消息。然而，这给节点增加了复杂度，而且并不能保证 这些信息不会丢失，从而导致节点无从决策的后果。它还使网络不得不推迟它的 自适应，使得它相比导致配置变化时的情况更加滞后。而且需要考虑到在一个节 点更加自治的网络中，节点的决策和整个网络的决策之间存在冲突的可能性。一 个解决的手段是把所有控制权交给网络中心，但这是比较不明智的。这是因为认 知无线网络要实施可行的认知过程的话，那么它能够处理的信息是有限制的，否 则网络的决策就可能无法收敛或者因为收敛时间过长而不可行。在这种情况下， 许多详细的本地信息就会被丢弃掉。这些详细的信息可能被本地的节点用来增强 其性能，这可以是与认知无线网络优化整体性能并行不悖的。要实现这个目标， 单个的认知无线电必须知道什么允许它来改变的，什么是由认知无线网络来控制 的。一个可能的解决方法是让认知无线网络实时的为认知无线电建立和调整策 5 北京邮电大学硕士论文第二章认知无线网络概述 略，使得认知无线电可以在认知无线网络策略的限制下进一步的优化性能。 2 3 跨层优化与认知无线网络 无线通信与有线通信最重要的区别就是无线信道的动态性，主要是由信道传 播的开放性和信道参量变化的时变性引起信道的频率选择性衰落和时变衰落。而 有线网络的物理信道条件相对稳定，其协议栈的设计也是基于这种基本假设。无 线网络的协议栈设计方式是由有线网络发展而来，但其所在的物理信道环境与有 线网络已经有所不同，随着移动业务的丰富将有更多种类的业务可供用户选择， 其中不同业务有不同的时延，误包率和带宽等等需求。这些客观条件对传统有线 网络协议栈设计的合理性提出了很大的挑战，主要表现在以下方面： ( 1 ) 动态信道特性 在无线传输中噪声、阴影效应多径衰落以及与其他设备的干扰都会导致信道 状态的不可预知。并且用户的移动性将会带来信道特性的改变，给信道估计和预 测带来困难，从而无法以一种恒定的方式保证链路的高通信质量，只有灵活的根 据信道状态调整协议栈的相关参数才能有效适应信道的动态特性，而传统的协议 结构很难做到的这一点。 ( 2 ) 传统协议栈设计方式的低效性 无线通信环境具有快速变化的特性，而传统的协议结构是不灵活的，各层之 间只能通过一个严格的方式进行通信，无法灵活地适应无线移动环境的变化，从 而使得在设计协议栈时只能考虑其在通信条件最为恶劣的情况下进行工作，而不 及 时 它 多 共 而 的 征 联 各 的 北京邮电大学硕士论文 第二章认知无线网络概述 工作过程，使之与不断变化的无线通信环境相适应，从而使系统能够满足各种业 务的不同需求。因此，对于通信环境和业务需求不断变化的移动多媒体通信系统， 采用跨层设计方法可以极大提高系统性能。 跨层设计意味着协议栈内的每个层都能够与其他层进行信息交互，也能够相 互交互信息。假定参考层级架构是五层混合模型，进行信息交互的层一般包括： 应用层、传输层、网络层、链路层及物理层。根据文献【2 ，跨层设计有以下几 种基本的背离方式： 1 、在层与层问创造新的接口( 图3 1 ( a ) ( b ) ( c ) ) ； 2 、相邻层之间的融合成新的超层( 图3 1 ( d ) ) ； 3 、设计不带接口的耦合( 图3 1 ( e ) ) ； 4 、层之间垂直校准( 图3 - 1 ( f ) ) 。 新 ( a ) 向上的信息流动 超级层 ( d ) 相临层问的耦合 创造超级层 ( b ) 向下的信息流动 _ - - _ _ _ 。一 设计层 固定层 ( e ) 不创建新接口通过 设计层实现跨层 ( c ) 双向的信息流动 ： ( f ) 垂直刻度 图3 - 1 不同跨层设计方法( 矩形框表示协议中的每一层) 有些跨层设计需要在层之间创造出新的接口，在工作时，会利用这些新的接 口来共享层之间的信息。很明显，创造出新的接口在以往的严格独立的协议栈设 计中是不可想象的。根据接口中信息的流向，可以把这种跨层设计方法再细分为 三个类型。第一类为向上，即从底层流向高层；第二类为向下，即从高层流向底 层；第三类为前后，即高层和底层之间多次迭代。在工作时，两个执行不同功能 7 北京邮电大学硕士论文第_ 二章认知无线网络概述 的层能在一起协作。经常，这种情况是两个层之间进行迭代循环，层之间的信息 相互交流，如图3 2 ( c ) 所示，这两个互补性的新接口就是对原有架构的背离。另 一类跨层设计就是在两个或多个层之间设计耦合，如图3 - 2 ( e ) 所示，信息共享不 需要额外的接口。然而，不设计新的接口在架构上的代价是，如果一个层不对另 北京邮电大学硕士论文第二章认知无线网络概述 时延需求的业务提出了一种跨层的调度策略，在考虑排队论的同时还运用信息论 的手段对系统进行动态建模。跨层优化设计在发射功率受限的条件下以增加系统 吞吐量为目标，依据不同的信道状态信息，信源统计信息和时延需求对用户进行 动态调度。实现了满足功率约束条件下优化系统吞吐量的目标，达到了资源优化 利用的目标。文酬2 d 3 l 提出了一个联合物理层的自适应调制编码( a m c ，a u t o m a t i c m o d u l a t i o na n dc o d i n g ) - 与数据链路层的混合自动重传( t t a r o ，h y b r i da u t o m a t i c r e t r a n s m i s s i o nr e q u e s o 的跨层优化策略以优化在衰落信道中的频谱利用效率， m 讯q 提供了一个有效调节底层a m c 性能的手段，仿真结果显示提供的跨层优 化策略在保证q o s 的同时最大化了系统的频谱效率，有效的提升了使用a m c 系 统的频谱效率。 保证q o s 需求 文献【2 1 4 l 讨论了通过无线互联网实时传送视频数据时端到端的服务质量保 证问题，结合应用层、传输层和链路层各层的情况使用了跨层的解决方法；文献 1 2 q 5 l 进行通过无线网络为无线媒体应用提供最小吞吐量保证的研究，提出了一种 无线资源分配策略；文献【2 - 1 6 】提出了一种基于两级反馈的自适应q o s 保证方法， 将应用层的最小速率和最大误帧率映射到传输层的最大端到端延迟的计算中。当 信道状况发生变化时，应用层根据传输层共享的信息调节发送速率或帧错误率以 改善端到端帧延迟，从而保证流媒体应用对实时性的要求；文献1 2 d7 j 针对有线网 络与无线网络中不同类型的分组丢失，采用不同的向前纠错差错控制技术。在传 输层使用r s 编码以提供分组间的保护，在链路层提供分组内的不平等的差错保 护以提高视频传输的质量。文献【m8 】在分析视频帧类型和依赖关系的基础上，提 出了一种帧解码模型提出了一种在视频源数据和f e c 冗余数据之间分配网络频 带资源的优化算法，该模型和算法可以有效地适应网络状态的变化，使无线终端 获得最大的可播放帧率。文献1 2 。1 9 】针对单用户场景下的视频摘要传输进行了讨 论，提出了一种联合物理层、m a c 层和应用层的跨层优化方法，根据实时信道 状态信息( c s i ，c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ) 动态配置无线链路工作参数和信源编码 方式以提高传输质量和效率。 通过对已有的跨层优化的研究成果的分析，不难发现，绝大多数的研究还是 局限在某两层或某几层的联合优化研究，其目标大多为某一或某几个无线链路或 网络参数的优化。但是需要指出的是，这样的研究方法是有其局限性的，如文献 2 - 2 0 i 所述，不恰当的跨层优化设计由于不能够从整体出发并综合考虑从而容易相 互冲突造成意大利面条式的设计。而认知网络在这方面由于其目标的统一性和设 计的整体性将很难出现这样的问题，但究其根本，跨层设计在原理上与认知无线 网络是一致的，即获取更多的信息作为无线网络优化的输入以获得更加合理、有 9 认知无线网络已经成为相关领域的技术热点，许多科研工作者都将研究转向 了这一方面。但虽然认知无线网络方向上已经有很多研究成果，但涉及认知无线 网络中的体架构的相关设计很少，虽然已经有不少的项目针对认知无线电这样的 热门技术进行了系统架构设计，但就像在上文中指出的一样，认知无线电技术仅 仅是认知无线网络技术的雏形，其功能也仅限于灵活的共享频谱，其体系架构设 计更是很少考虑到认知无线网络的种种特性与需求，所以认知无线网络的体系架 构可研究的空间更大，需要在借鉴认知无线电系统体系架构设计的同时做出进一 步完善。另外，认知无线网络的起源之一是跨层优化技术，但在认知无线网络中 的进行跨层优化的研究还不是很多，特别是以认知无线网络的端到端效能，以及 全局优化为目标的研究更是如此，相关成果也很少。 基于现有研究所存在的问题，主要解决思路是设计一套认知无线网络上的体 系架构来支持跨层优化技术，并在此基础之上研究跨层优化技术以满足认知无线 网络的目标。在第三章中，主要设计了一种集中式加分布式的认知无线网络体系 架构，有效利用了集中式网络架构清晰和分布式网络计算复杂度低的优点，设计 了网元、本地和区域的三级网络架构，用于实现认知无线网络端到端效能，提高 网络资源的使用效率的目标。在设计的体系架构中，无线网元在协议设计方面均 考虑了认知网络对于全局优化和对于认知信息的获取交互以及利用的需求，添加 了相应的模块设计，使得认知信息在认知无线网络中能够高效自由的组织和传 递。在第四章中，设计了一种多用户多业务q o s 保障策略以及系统资源优化使 用方法，包括：认知网络基站根据不同用户的q o s 业务等级不同，根据用户反 馈而来的信道质量信息，为各个业务确定其在对应子信道上适合的链路参数，并 充分考虑物理信道资源在多用户场景下的分集特性，结合不同业务的q o s 需求 为其分配合适的信道资源，以充分利用业务分集和多用户分集。使得在保证时业 1 0 北京邮电大学硕士论文 第二章认知无线网络概述 务q o s 的情况下，使得系统的无线资源得到充分利用。 参考文献 【2 - 1 】 j m i t o l a “c o g n i t i v er a d i o ：m a k i n gs o f t w a r er a d i o sm o r ep e r s o n a l ”，i e e e p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n s ，1 9 9 9 ，v o l u m e6 ，i s s u e4 ，p a g e ( s ) ：1 3 1 8 【2 - 2 】 j m i t o l a “c o g n i t i v er a d i o ：a ni n t e g r a t e da g e n ta r c h i t e c t u r ef o rs o f t w a r e d e f i n e dr a d i o ”p h dt h e s i s ，r o y a li n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y ( x t h 0 ，2 0 0 0 【2 - 3 】 n e e l ，j o ；r e e d ，j h ；g i l l e s ，r p “c o n v e r g e n c e o fc o g n i t i v er a d i o n e t - w o r k s ”p r o c e e d i n g o fi e e ew c n c 2 0 0 4 ，v o l u m e ：4 ，p a g e ( s ) ： 2 2 5 0 - 2 2 5 5 【2 4 】h a y k i ns “c o g n i t i v er a d i o ：b r a i n - e m p o w e r e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ” i e e ej o u r n a lo ns e l e c t e da r e a si nc o m m u n i c a t i o n ，2 0 0 5 ，v o l u m e2 3 ，i s s u e 22 0 1 - 2 2 0 【2 - 5 】d a v i dd c l a r k , c r a i gp a r t r i d g e o ，j c h r i s t o p h e rr a m m i n g ，e ta 1 a k n o w l e d g ep l a n ef o rt h ei n t e m e t ”p r o c o fs i g c o m m 0 3 ，2 0 0 3 ：p a g e ( s ) ： 3 1 0 【2 - 6 】 m i i h 6 n e np ，r i i h i j i i r v ij ，p e t r o v ame ta 1 “h o p - b y - h o pt o w a r df u t u r em o b i l e b r o a d b a n di p ”i e e ec o m m u n i c a t i o n sm a g a z i n e ，2 0 0 4 ，v o l u m e4 2 ，i s s u e3 ， p a g e ( s ) ：1 3 8 1 4 6 【2 7 】s r i v a s t a v a , v ；m o t a n i ，m “c r o s s - l a y e rd e s i g n ：as u r v e ya n dt h er o a d a h e a d ”c o m m u n i c a t i o n sm a g a z i n e ，i e e ev o l u m e4 3 ，i s s u e1 2 ，d e c 2 0 0 5 p a g e ( s ) ：1 1 2 - 1 1 9 一 【2 - 8 】l u i sa l o n s o ，r a m o na g u s t i ，“a u t o m a t i cr a t ea d a p t a t i o na n de n e r g y s a v i n g m e c h a n i s m sb a s e do nc r o s s - l a y e ri n f o r m a t i o nf o rp a c k e t - s w i t c h e dd a t a n e t w o r k s ”，i e e er a d i oc o m m u n i c a t i o n sm a r c h2 0 0 4v o l u m e ：4 2 ，i s s u e ：3 p a g e ：s 1 5 一s 2 0 【2 - 9 】 z a r a k o v i t i s ，c ，o i a n gn i ，s k o r d o u l i s ，d ，“c r o s s - l a y e rd e s i g n f o r s i n g l e - c e l lo f d m as y s t e m sw i t hh e t e r o g e n e o u sq o sa n dp a r t i a lc s i t ， w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa n dn e t w o r k i n gc o n f e r e n c e ，2 0 0 9 w c n c2 0 0 9 i e e e 5 - 8a p r i l2 0 0 9p a g e ( s ) ：l 一6 【2 - 1 0 】p i e t r z y k ，s ，j a n s s e n ，g j m ，“r a d i or e s o u r c ea l l o c a t i o nf o rc e l l u l a rn e t w o r k s b a s e do no f d m aw i t hq o sg u a r a n t e e s ”，g l o b a lt e l e c o m m u n i c a t i o n s c o n f e r e n c e ，2 0 0 4 g l o b e c o m 0 4 i e e e ，v o l u m e4 ， 2 9n o v 3d e c 2 0 0 4p a g e ( s ) ：2 6 9 4 - 2 6 9 9v 0 1 4 1 1 北京邮电 【2 1 1 】 【2 - 1 2 】 【2 - 1 3 】 【2 1 4 】 【2 - 1 5 】 【2 - 1 6 】 【2 - 1 7 】 【2 1 8 】梅峥李锦涛“一种自适应的视频流化前向纠错算法”，软件学报 2 0 0 4 ，1 5 ( 9 ) ：1 4 0 5 1 4 1 2 【2 - 1 9 】d a l e iw u ，s o n gc i ，h a o h o n gw a n g , “c r o s s l a y e ro p t i m i z a t i o nf o rv i d e o s u m m a r yt r a n s m i s s i o n o v e rw i r e l e s s n e t w o r k s ”，s e l e c t e da r e a si n c o m m u n i c a t i o n s ，i e e e j o u r n a lo nv o l u m e2 5 ，i s s u e 4 ，m a y 2 0 0 7 p a g e ( s ) ：8 4 1 - 8 5 0 【2 - 2 0 】k a w a d i a , v ，k u m a r , e r ac a u t i o n a r yp e r s p e c t i v eo nc r o s s - l a y e rd e s i g n ” w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，i e e ev o l u m e1 2 ，i s s u e1 ，f e b 2 0 0 5p a g e ( s ) ：3 1 1 北京邮电大学硕上论文第三章认知无线网络中支持跨层优化的架构设计 第3 章认知无线网络中支持跨层优化的架构设计 第二章主要对认知无线网络进行了概述，其中有很多的研究方向需要进行探 索和解决。其中一个比较重要的课题是如何设计一个合理的体系架构用于实现认 知无线网络端到端效能，提高网络资源的使用效率的目标，这一部分主要需要考 虑两个问题：如何使认知循环有效的在认知网络中各个网元中得到支持；如何设 计以能有效实现认知无线网络全局优化的愿景。本文将总结相关的研究成果。从 中可以看到该方向目前的研究现状，进而根据其中的不足推出本文所进行研究的 意义所在。 3 1 概述 在认知无线网络中，实现其认知特性的过程被称为认知循环，认知无线网络 需要从协议栈、认知网元和认知网络等各个层面实现认知循环的过程，以分辨当 前的协议栈、网元、网络状态，然后依据这些状态进行相应的规划、决策和响应。 所以在认知无线网络的架构设计中如何使得认知循环的每一