无线网络中基于适度服务的自适应协作转发方法及系统

技术领域

本发明涉及一种自适应协作转发方法，具体地，涉及一种无线网络中基于适度 服务的自适应协作转发方法。

背景技术

伴随着社会需求的日益增长，各种无线通信技术正快速发展并应用在社会生活 的各个领域，无线通信网络朝着高速化、宽带化、泛在化的方向发展，各种无线接 入技术纷纷涌现，使得未来网络的频谱资源更加紧缺。传统的频谱固定分配模式， 导致授权频段与非授权频段负载不均衡，造成频谱资源的极大浪费。3G系统的商用 普及以及4G研究的不断推进，无线接入的需求与日俱增，这导致无线频谱资源日 益拥挤，给日趋紧张的频谱资源雪上加霜。以认知无线电技术为核心的认知无线网 络能够通过对无线网络环境进行交互感知，智能规划、决策和调度，实现无线异构 网络的智能组网，有效地进行网络资源管理的智能优化，允许未授权的认知用户机 会式的动态接入到空闲的授权用户频段，从而提高频谱资源利用率。

然而，由于认知无线网络的固有动态异构特性，使得传统的认知无线电机会式 动态频谱接入方式(感知.接入)很具挑战性。认知用户在频谱接入的过程中，必须 连续的进行频谱的感知，一旦感知到频段被主用户占用，认知用户则须立即停止自 己当前的信息传输或者进行频谱的切换。这种方式下的频谱共享是极其被动的，认 知用户间的频谱接入受到主用户的较大约束，然而，主用户缺乏一定灵活性，维持 网络整体和平共处的责任完全寄托于认知用户，因此，在实现方面上更加复杂且难 以保证网络性能，频谱利用率仍然不高。

协作通信作为一种新兴的通信技术，在物理层和MAC层方面优化信号的传输， 应用于应用层，具有增加无线网络信道容量、降低发射功率、减少延时的巨大潜力， 且灵活多变、扩展性强，为认知无线网络的发展注入了新的活力。采用协作通信技 术，在不增加系统硬件资源的条件下，融合分集技术与中继传输技术的优势，对当 前网络中多种资源进行有效利用。可以实现多样高速的数据传输，显著缩短数据传 输时间，有效克服阴影效应及衰落，提高数据传送的可靠性，降低通信中断概率， 扩大网络覆盖范围，降低网络能耗，提高频谱资源利用率。

为了更加深入的提升认知无线电网络的性能，融合了协作通信技术和认知无线 电技术的协作认知无线网络应运而生。协作认知网络将协作频谱感知、协作中继传 输等技术应用于认知无线电网络中，充分发挥两种技术的优势，在提升频谱利用率 的同时，提高网络吞吐量、网络覆盖范围等通信性能，近年来引起了学术界的极大 关注。已有的对于认知无线网络中的协作机制的研究，主要集中认知用户之间进行 协作感知和协作传输上，通过彼此间的信息共享和频谱共享提高频谱资源的利用效 率，提升网络性能。然而，该方式下的频谱共享建立在频谱感知的基础上，依然十 分被动，只有当主用户空闲情况下，认知用户才能机会式的进行频谱的接入，可用 频谱的动态性给信道的选择和接入带来巨大的挑战，同时，在主用户在进行数据传 输时，无法充分利用认知用户的网络资源，这使得频谱资源并未得到最大限度的利 用，且认知用户的QoS服务要求难以保证。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种无线网络中基于 适度服务的自适应协作转发方法，本发明在满足用户的QoS要求的情况下，尽可能使 网络流量和利用率达到最大值。

根据本发明提供的一种无线网络中基于适度服务的自适应协作转发方法，包括以下 步骤：

步骤1：对网络内部无线电用户和空闲频带进行初始化；

步骤2：对已知路由路径、QoS要求、已知节点周围网络空闲的相关参数进行获取；

步骤3：对是否触发协作模式进行确定；

步骤4：若触发协作模式，做出一系列的策略集。

优选地，所述步骤3包括以下步骤：

步骤3.1：检查已知路由路径是否全部满足QoS要求，并将不满足QoS要求的路径 P_ij放入待解决集合P，其中，P_ij表示节点i与节点j之间的路径；

步骤3.2：检查待解决集合P中每一项P_ij周围网络是否空闲，若为空闲则将P_ij赋 值为true，否则赋值为false；

步骤3.3：若待解决集合P中每一项P_ij都为true，则做出决策：触发协作模式； 否则，不触发。

优选地，在所述步骤3.1中，需要检查已知路由路径是否满足QoS要求并计算相关 数据，具体为：

步骤3.1.1：比较集合D中所有元素的传输时延之和与QoS要求中的时延要求，更 新QoS要求中的带宽要求，其中，集合D存放有已知路由路径P_ij；

步骤3.1.2：遍历集合D中的每个元素P_ij，比较P_ij的传输带宽和QoS要求中的带 宽要求，然后将不满足QoS的路径P_ij放入待解决集合P；

步骤3.1.3：最后根据QoS要求与资源限制，按照顺序对集合P中每个元素P_ij计算 ΔS_ij，其中，ΔS_ij表示为满足QoS要求而需要增加的带宽大小。

优选地，所述步骤3.1.1，具体为：

若集合D中所有元素的传输时延之和大于QoS要求中的时延要求，则表示QoS要求 中时延不满足，用Δt表示集合D中所有元素的传输时延之和大于QoS要求中的时延要求 的差值，Δt同时代表为满足QoS要求而需要减少的时延大小；根据Δt，通过Δt与ΔS之间 的转换公式计算ΔS，ΔS表示为满足QoS要求而需要增加的总带宽大小；按照顺序遍历集 合D中的元素，计算ΔS加上最小的传输带宽，并与当前QoS要求中的带宽要求作比较， 将较大者更新为QoS要求中的带宽要求；

其中，Δt与ΔS之间的转换公式如下：

$t_1=\frac{C}{S_1}+T_0+T$

$t_2=\frac{C}{S_2}+T_0+T$

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Delta t}=t_1-t_2\\ =\frac{C}{S_1}-\frac{C}{S_2}\\ =\frac{C}{S_1}-\frac{C}{S_1+\mathrm{\Delta S}}\end{array}\right)$

$\mathrm{\Delta S}=\frac{S_1}{1-\frac{\mathrm{\Delta t}}{C}}$

其中，S₁为协作前的路径带宽,S₂为协作后的路径的带宽，C为数据块长度， t₁为协作前的传输时延，t₂为协作后的传输时延，为协作前的发送时延,为协作后的 发送时延，T₀为传播时延，T为处理时延。

优选地，所述步骤4包括如下步骤：

步骤4.1：对集合P中的元素按照带宽从小到大进行排序；

步骤4.2：根据宽带提升值，对集合P中每个元素P_ij确定协作路径。

优选地，在所述步骤4.2中，将QoS要求不满足的情况转换成带宽提升值，具体为：

若QoS要求中带宽不满足，带宽提升值直接为QoS要求中的带宽要求减去P_ij的当 前带宽；

若QoS要求中时延不满足，时延提升值为P_ij的当前时延减去QoS要求中的时延要 求，根据时延提升值，通过时延带宽转换计算带宽提升值。

优选地，所述步骤4.2，包括如下步骤：

步骤4.2.1：遍历P_ij周围网络节点，寻找节点N₁使得节点i与节点N₁的通信带宽 大于等于ΔS，同时节点j与节点N₁的通信带宽大于等于ΔS；

步骤4.2.2：找到符合条件的节点N₁时，停止遍历；

步骤4.2.3：将路径P_iN1和P_jN1加入原路由路径集合，其中，P_iN1表示从节点i到N₁之间的路径，P_jN1表示从节点N₁到节点j之间的路径。

根据本发明提供的一种无线网络中基于适度服务的自适应协作转发系统，所述无线 网络中基于适度服务的自适应协作转发系统使用上述的无线网络中基于适度服务的自 适应协作转发方法。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明在满足用户的QoS要求的情况下，尽可能使网络流量和利用率达到最大值。 本发明主要针对认知无线电网络中的传输QoS要求不满足且周围网络空闲时，借助临近 节点的协作传输，尽可能满足用户的QoS要求。这种无线网络中基于适度服务的自适应 协作转发方法能有效的提升网络利用率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明无线网络中基于适度服务的自适应协作转发方法的流程图。

图2为根据QoS要求与资源限制，按照顺序对P中每个元素P_ij计算ΔS_ij。

图3为根据ΔS_ij，按照顺序对P中每个元素P_ij确定协作路径的原理示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人 员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于 本发明的保护范围。

如图1所示，本发明无线网络中基于适度服务的自适应协作转发方法包括以下步骤：

步骤1：对网络内部无线电用户和空闲频带进行初始化；

步骤2：对已知路由路径、QoS要求、周围网络空闲的相关参数进行获取；

步骤3：对是否触发协作模式进行确定；

步骤4：若触发协作模式，做出一系列的策略集；

步骤5，验证此策略集是网络容量最大化的近似值。

其中，所述步骤3包括以下步骤：

步骤3.1：检查已知路由路径是否全部满足QoS要求；

步骤3.2：检查待解决集合P中每一项P_ij周围网络是否空闲，若为空闲则将P_ij赋 值为true，否则赋值为false；

步骤3.3：若P中每一项都为true，则做出决策：触发协作模式；否则，不触发。

优选地，所述步骤3.1中需要检查已知路由路径是否满足QoS要求并计算相关数据， 首先比较D中所有元素的传输时延之和与QoS要求中的时延要求，若前者大于后者则表 示QoS要求中时延不满足，用Δt表示两者的差值，同时代表为满足QoS要求而需要减少 的时延大小。根据Δt，可以通过公式计算ΔS，ΔS表示为满足QoS要求而需要增加的总 带宽大小。按照顺序遍历D中的元素，计算ΔS加上最小的传输带宽，并与当前QoS要 求中的带宽要求作比较，将较大的那个更新为QoS要求中的带宽要求。然后遍历D中的 每个元素P_ij，比较P_ij的传输带宽和QoS要求中的带宽要求，然后将不满足QoS的路径 P_ij放入待解决集合P；最后根据QoS要求与资源限制，按照顺序对P中每个元素P_ij计 算ΔS_ij；

所述步骤4包括以下步骤：

步骤4.1：对P中的元素按照带宽从小到大进行排序；

步骤4.2：根据宽带提升值，对P中每个元素P_ij确定协作路径。

优选地，所述步骤4.2中搜索P_ij周围网络节点，寻找节点N₁使得节点i与节点N₁的通信带宽大于等于ΔS，同时节点j与节点N₁的通信带宽大于等于ΔS；当找到符合条 件的节点时，停止遍历；将路径P_iN1和P_jN1加入原路由路径集合D。

以下结合具体的实施例对本发明的技术方案作进一步信息描述，整个发明实现过程 如下：

步骤1：对网络内部无线电用户和空闲频带进行初始化

假设带宽分配方法是已知的，根据相应的带宽分配方法对网络内部无线电用户和空 闲频带进行分配。

步骤2：对路由路径、QoS要求、周围网络空闲的相关参数进行获取

假设路由路径是已知的，存放在集合D中，每一段表示为P_ij，i和j表示两个不同 的节点。对于D中的每个元素P_ij，需要获取其传输时延、传输带宽。还要对整条路径的 QoS要求进行获取，这里只需要时延要求和带宽要求。最后对周围网络空闲的相关参数 进行获取，需要根据已知的公式判断此局部网络是否空闲。

步骤3：对是否触发协作模式进行确定；

步骤3.1：检查已知路由路径是否满足QoS要求并计算相关数据。

步骤3.1.1：比较D中所有元素的传输时延之和与QoS要求中的时延要求。

若前者大于后者则表示QoS要求中时延不满足，用Δt表示两者的差值，同时代表为 满足QoS要求而需要减少的时延大小。根据Δt，可以通过公式计算ΔS，ΔS表示为满足 QoS要求而需要增加的总带宽大小。按照顺序遍历D中的元素，计算ΔS加上最小的传输 带宽，并与当前QoS要求中的带宽要求作比较，将较大的那个更新为QoS要求中的带宽 要求。

其中，Δt与ΔS之间的转换公式如下：

$t_1=\frac{C}{S_1}+T_0+T$

$t_2=\frac{C}{S_2}+T_0+T$

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Delta t}=t_1-t_2\\ =\frac{C}{S_1}-\frac{C}{S_2}\\ =\frac{C}{S_1}-\frac{C}{S_1+\mathrm{\Delta S}}\end{array}\right)$

$\mathrm{\Delta S}=\frac{S_1}{1-\frac{\mathrm{\Delta t}}{C}}$

其中，S₁为协作前的路径带宽,S₂为协作后的路径的带宽，C为数据块长度， t₁为协作前的传输时延，t₂为协作后的传输时延，为协作前的发送时延,为协作后的 发送时延，T₀为传播时延，T为处理时延。

步骤3.1.2：遍历D中的每个元素P_ij，比较P_ij的传输带宽和QoS要求中的带宽要 求，然后将不满足QoS的路径P_ij放入待解决集合P；

步骤3.1.3：根据QoS要求与资源限制，按照顺序对P中每个元素P_ij计算ΔS_ij；

将QoS要求不满足的情况转换成ΔS_ij，其中ΔS_ij是为满足QoS要求而需要增加的带宽 大小。若QoS要求中带宽不满足，ΔS_ij直接为QoS要求中的带宽要求减去P_ij的当前带宽。 结果如图2所示。

步骤3.2：检查周围网络是否空闲

对待解决集合P中每一项P_ij的周围网络空闲的相关参数进行计算，判断是否空闲。 若为空闲，则将P_ij赋值为true，否则赋值为false；

步骤3.3：对是否触发协作模式做出决策

若P中每一项都为true，则做出决策：触发协作模式；否则，不触发。

步骤4：若触发协作模式，做出一系列的策略集

步骤4.1：对P中的元素按照带宽从小到大进行排序

步骤4.2：根据ΔS_ij，按照顺序对P中每个元素P_ij确定协作路径。

步骤4.2.1：搜索P_ij周围网络节点，寻找节点N₁使得节点i与节点N₁的通信带宽 大于等于ΔS，同时节点j与节点N₁的通信带宽大于等于ΔS；

步骤4.2.2：当找到符合条件的节点时，停止遍历；

步骤4.2.3：将路径P_iN1和P_jN1加入原路由路径集合D。结果如图3所示：

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上 述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改， 这并不影响本发明的实质内容。