CN101610517A

CN101610517A - 认知网络资源管理系统及管理方法

Info

Publication number: CN101610517A
Application number: CNA2009100232652A
Authority: CN
Inventors: 盛敏; 徐超; 李建东; 李红艳; 刘国庆
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2009-07-10
Filing date: 2009-07-10
Publication date: 2009-12-23
Anticipated expiration: 2029-07-10
Also published as: CN101610517B

Abstract

本发明公开了一种对认知网络资源进行管理的系统及管理方法。它包含三层管理实体：NRM、RNRM及TRM，并利用GPRS网络实现管理实体间的信息交互。其资源管理步骤为：新加入终端侦听初始化阶段的GPRS广播信道，获取RAN配置信息；根据RAN配置信息，终端选择RAN注册；每隔一段时间检查处于休眠状态的终端的连通性；需要通信，终端进入运行中阶段；RNRM获得相关信息，得出RAN重构策略及RM策略；NRM利用RAN重构策略，控制网络重构；TRM获得所需的RM策略和历史信息，完成终端重构。本发明通过引入RNRM，实现了资源的分层分布式管理；利用GPRS网络技术，实现了管理实体间的信息交互；通过预测用户行为，实现了局部优化和整体优化的结合，可用于对认知网络资源的管理。

Description

认知网络资源管理系统及管理方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及对无线网络资源的管理系统，可用于对认知无线网络的管理。

背景技术

认知网络的定义是由维吉尼亚理工首先提出的，它是一种通信网络，能够感知现存的网络环境。通过对所处环境的理解，其可以动态调整网络的整体配置，智能地适应周围环境的变化。此外，该网络还具备从变化中学习并将所学用于未来决策的能力。由于在进行决策时，认知网络以端到端效能为目标，因此除无线频谱资源外，人们进行网络管理时还需要考虑空间、设备能力及用户行为等一系列资源的配置。在认知网络中，本发明希望能够利用对网络环境的感知结果，设计一种网络资源的管理系统，优化资源的配置，实现异构网络的融合，满足人们日益增长的通信需求

认知无线电系统是一种可以感知外界通信环境的智能通信系统，通过学习，其可以对自身的通信机理进行自适应地调整，从而完成对环境的适变。该技术在1999年8月的IEEE Personal Communications杂志上明确提出后，很长一段时间中，人们都将研究的重心集中在频谱侦听和授权用户检测、动态频谱分配、功率控制等无线资源的配置问题上，而对于认知网络资源管理的研究还处于初期阶段。

现有技术中，能够对异构网络中无线频谱资源进行管理的系统是由IEEE1900.4工作组提出的。参见IEEE 1900.4标准，该管理系统中主要包含了三个关键的管理实体，它们分别是网络重构管理器NRM、终端重构管理器TRM和无线使能器RE。其中网络重构管理器NRM负责管理RAN和终端，实现“网络-终端”频谱利用的分布最优化；而负责管理终端，分布式实现“网络-终端”频谱最优化利用的是终端重构管理器TRM；无线使能器RE则是一个逻辑实体，它负责承载网络重构管理器NRM和终端重构管理器TRM间所需交互的各种信息。每个复合无线网络CWN内存在一个网络重构管理器NRM，而每个终端内存在一个终端重构管理器TRM。首先，网络重构管理器NRM获取无线接入网RAN历史信息，同时终端重构管理器TRM得到终端历史信息。接着，网络重构管理器NRM和终端重构管理器TRM通过无线使能器RE进行历史信息的交互，最终，完成重构：一方面，网络重构管理器NRM结合所需信息进行网络重构决策的制定并得出无线资源选择RRS策略；而另一方面，终端重构管理器TRM通过无线使能器RE得到无线资源选择RRS策略，在策略的限制下，结合所需信息，完成终端重构。

上述管理系统存在着以下问题：

首先，该系统是针对认知无线电网络设计的，仅仅以无线频谱资源的最优化利用为目标，并未考虑对网络中其它资源的管理，也就是说其并没有将网络的端到端效能作为最终的管理目标。其次，虽然通过该系统，在复合无线网络CWN之间可以实现网络的分布式管理，但在每个复合无线网络CWN内部仍然是集中式管理，这对网络重构管理器NRM的功能提出了很高的要求。更重要的是，在该系统中，对于管理实体间信息交互的实现，1900.4标准仅提出了一个逻辑实体——无线使能器RE，并未给出任何可行的技术支持，这也限制了该管理系统的具体应用。

发明内容

本发明的目的在于针对上述无线网络资源管理系统中存在的问题，结合终端的不同工作阶段，提出一种认知网络资源管理系统及管理方法，以使用通用分组无线服务GPRS网络技术进行各管理实体间的信息交互，完成对认知网络资源的管理，实现全网资源的最优化利用。

为实现上述目的，本发明提供的认知网络资源管理系统，包括网络重构管理器NRM，终端重构管理器TRM，其中网络重构管理器NRM与终端重构管理器TRM之间设有RAN级网络重构管理器RNRM，用于分担网络重构管理器NRM的网络管理功能，完成对无线接入网RAN历史信息和终端历史信息的分布式处理。

所述的RAN级网络重构管理器RNRM通过通用分组无线服务GPRS网络分别与网络重构管理器NRM和其它RAN级网络重构管理器RNRM进行信息交互。

所述RAN级网络重构管理器RNRM通过终端所在网络的数据传输信道与终端重构管理器TRM进行信息交互。

所述的网络重构管理器NRM通过通用分组无线服务GPRS广播信道，将信息传输给终端重构管理器TRM。

为实现上述目的，本发明提供的认知网络资源管理方法，包括如下步骤：

(1)新加入的终端由终端重构管理器TRM通过侦听初始化阶段的通用分组无线服务GPRS广播信道，结合终端的地理位置，获取无线接入网RAN的配置信息；

(2)根据无线接入网RAN配置信息的内容，新加入终端利用相应的接纳控制算法，选择无线接入网RAN进行注册；

(3)注册后，处于休眠状态的终端每隔一段时间需要检测其与无线接入网RAN的连通性，对于连通并需要通信的终端，执行步骤(4)；

(4)终端重构管理器TRM停止侦听通用分组无线服务GPRS广播信道，终端进入运行中阶段，管理系统中网络重构管理器NRM、RAN级网络重构管理器RNRM及终端重构管理器TRM之间通过数据传输信道和通用分组无线服务GPRS网络信道进行信息交互，其中，进行信息交互的RAN级网络重构管理器RNRM的数量随对用户行为的预测而变化；

(5)RAN级网络重构管理器RNRM之间通过信息交互，获得相关信息后，根据运营商的资源管理规则，分析原有资源分配策略和相关信息，评估资源的利用效率，得出适用于本无线接入网RAN的重构策略和与其内部终端有关的资源管理RM策略；

(6)RAN级网络重构管理器RNRM通过通用分组无线服务GPRS网络技术，将无线接入网RAN重构策略传输给网络重构管理器NRM，由运营商控制，网络重构管理器NRM在无线接入网RAN侧，实现认知网络资源的重新配置；

(7)运行中终端通过其所在无线接入网RAN的数据传输信道或者广播信道，获得所需的资源管理RM策略信息和其它历史信息，终端重构管理器TRM根据获得的信息及用户的需求，完成终端重构。

本发明由于在网络重构管理器NRM间和终端重构管理器TRM间引入了RAN级网络重构管理器RNRM，在一个复合无线网络CWN内部，可以完成对无线接入网RAN历史信息和终端历史信息的分布式处理，有效降低对网络重构管理器NRM处理能力的要求，提高了管理系统的稳定性，实现对资源的分层分布式管理；同时由于本发明利用通用分组无线服务GPRS网络技术作为管理实体之间信息交互的承载网络，方便地实现了管理实体间的信息交互，保证了相关信息传输的可行性；此外由于本发明根据对用户行为的预测，确定需要进行信息交互的RAN级网络重构管理器RNRM的范围，能够综合考虑对网络资源的局部优化和整体优化，高效地实现资源的优化配置。

综上所述，本发明实现了对认知网络资源的分层分布式管理，有效降低了对网络重构管理器NRM功能的要求，保证了相关资源信息在各管理实体间的交互，使人们对认知网络资源的管理成为可能。

附图说明

图1是本发明的认知网络资源管理系统图；

图2是本发明的重构管理流程图；

图3是本发明在运行中阶段，管理实体间信息交互的时序图；

图4是本发明采用的通用分组无线服务GPRS帧系统示意图；

图5是本发明采用的通用分组无线服务GPRS无线块的形成示意图；

图6是本发明对覆盖区域进行Mesh划分的示意图。

具体实施方式

参照图1，本发明的管理系统包含三层管理实体，第一层是核心网级的网络重构管理器NRM，第二层是接入网级的RAN级网络重构管理器RNRM，第三层是终端级的终端重构管理器TRM。每个复合无线网络CWN中包含了一个网络重构管理器NRM，每个无线接入网RAN中包含了一个RAN级网络重构管理器RNRM，每个终端中包含一个终端重构管理器TRM。其中RAN级网络重构管理器RNRM对终端历史信息和网络历史信息进行收集和处理，得到适用于本无线接入网RAN的重构策略和适用于不同终端的资源管理RM策略；网络重构管理器NRM利用无线接入网RAN重构策略进行网络侧的重构；终端重构管理器TRM根据资源管理RM策略，对终端的重构进行管理。由于本发明通过RAN级网络重构管理器RNRM实现对网络重构管理器NRM功能的分担，因而能够在一个复合无线网络CWN内部实现对认知网路资源的分层分布式管理，可以有效降低对网络重构管理器NRM处理能力的要求，提高管理系统的稳定性。

为了使系统运行起来，不仅要有管理实体，还需要使信息能够在各管理实体间进行交互，本发明通过引入通用分组无线服务GPRS技术，实现了该信息交互过程。网络重构管理器NRM通过通用分组无线服务GPRS广播信道将信息传输给终端重构管理器TRM，RAN级网络重构管理器RNRM能够通过通用分组无线服务GPRS网络分别与网络重构管理器NRM和其它RAN级网络重构管理器RNRM进行信息交互，RAN级网络重构管理器RNRM与终端重构管理器TRM间的信息交互则是通过终端所在网络的数据传输信道完成的。

参照图2，本发明对认知网络资源的管理包括如下步骤：

步骤1，新加入的终端处于初始化工作阶段，通过侦听通用分组无线服务GPRS广播信道，获得相关无线接入网RAN配置信息。

通用分组无线服务GPRS网络对信息进行承载所使用的帧结构如图4所示，其中GPRS头携带的是路由信息和校验信息，图5为通用分组无线服务GPRS无线块的形成过程，它表明了所承载数据信息的分组数据单元PDU是如何打包并最终发送的。本步骤的具体实现如下：

(1a)每个无线接入网RAN中都存在一个管理中心MC，例如2G、3G蜂窝网中的基站BS及无线局域网WLAN中的接入点AP，管理中心MC能够对本网的无线接入网RAN历史信息进行感知。管理中心MC通过内部的信息交互，将感知到的网络配置信息传输给RAN级网络重构管理器RNRM，RAN级网络重构管理器RNRM利用表1所示的信息格式，通过通用分组无线服务GPRS网络将信息传输给网络重构管理器NRM。

表1RAN级网络重构管理器RNRM所传输无线接入网RAN配置信息

从表1可见，本发明为无线接入网RAN配置信息分配了10字节资源，信息中主要包含了计费、简单的无线接入网RAN调制类型及无线接入网RAN性能等信息，预留项用于信息的扩展；

(1b)网络重构管理器NRM对各无线接入网RAN的配置信息进行收集并整合，当存在多个相互重叠的复合无线网络CWN时，网络重构管理器NRM间需要通过通用分组无线服务GPRS网络交互彼此获得的RAN配置信息，最终，由网络重构管理器NRM通过通用分组无线服务GPRS广播信道广播无线接入网RAN配置信息；

(1c)如图6，假定本发明能够用全球定位系统GPS技术，根据具体的地理位置信息，合理地将一个覆盖区域划分为多个小区域，并为每个小区域设立相应的ID。各新加入的终端无法通过网络进行通信，其需要周期性的侦听通用分组无线服务GPRS广播信道并根据自己的区域ID，获取相应的网络配置信息。

步骤2，结合无线接入网RAN配置信息和其他所需信息，终端重构管理器TRM按照接入原则和接纳控制算法，对无线接入网RAN进行选择，完成终端在无线接入网RAN中的注册。

步骤3，终端检测是否依然与无线接入网RAN存在连接。

终端在无线接入网RAN中注册后，一段时间内如果处于休眠状态，需要重新侦听所隶属的无线接入网RAN，检测是否仍然与该网络存在连接。若由于某种原因，例如运营商关闭了网络，终端失去了和原无线接入网RAN的连接，则需要重新进入步骤1，否则，当处于连接状态的终端需要进行通信时，进入步骤4。

上述步骤1～3完成对用户终端的初始化，以下参照图3，对终端运行中阶段，认知网络资源管理过程进行描述：

步骤4，RAN级网络重构管理器RNRM获得相关的历史信息，得出无线接入网RAN重构策略和资源管理RM策略。

(4a)终端获取自身的历史信息，终端重构管理器TRM通过无线接入网RAN为其分配的数据传输信道，将信息传输给RAN级网络重构管理器RNRM；

(4b)通过管理中心MC内部的感知功能，RAN级网络重构管理器RNRM得到本无线接入网RAN的历史信息，且需要对获得的网内终端信息及无线接入网RAN配置信息进行处理，处理后的信息将通过通用分组无线服务GPRS网络在RAN级网络重构管理器RNRM间进行交互，根据对用户行为的预测，决定需要交互信息的RAN级网络重构管理器RNRM的范围：当用户移动速率超过一定的门限值时，会考虑到跨复合无线网络CWN重构，需要交互信息的RAN级网络重构管理器RNRM范围会比较大。此时传输的无线接入网RAN配置信息，较初始化阶段更为复杂，除无线接入网RAN性能外，还包含一些管理中心MC信息信息。

管理中心MC相关信息如表2所示。

表2 管理中心MC相关信息

本发明为该信息分配的资源为45字节，包含了管理中心MC的空间、传输能力及计算能力等资源的利用情况，其中管理中心MC支持的测量信息列表一项是在网络初始化时得到的，此时不需要传输；

(4C)RAN级网络重构管理器RNRM获得所需的无线接入网RAN历史信息和终端历史信息，分析原有资源分配策略及相关信息，评估资源的利用情况，最终得出适用于本无线接入网RAN的重构策略和适用于本网内不同终端的资源管理RM策略，除策略内容外，资源管理RM策略信息中还包含了信息适用项和时限项。

步骤5，通过通用分组无线服务GPRS网络，RAN级网络重构管理器RNRM将本无线接入网RAN的重构策略及相关的历史信息告知运营商，网络重构管理器NRM根据运营商的资源分配规则，结合所需的无线接入网RAN重构策略和相关资源信息，在网络侧，对认知网络资源进行重新配置。

步骤6，终端重构管理器TRM获得所需的资源管理RM策略信息和各种历史信息，控制终端重构。

(6a)RAN级网络重构管理器RNRM对相关的无线接入网RAN历史信息和与其他终端有关的终端历史信息进行处理，发送给终端重构管理器TRM。

本发明中，终端可以侦听其所在无线接入网RAN的广播信道，但为了保证通信的实时性，不能对一次信息的广播持续太长时间，即不能广播太多轮，因此当传输的信息量较大时，本发明通过压缩算法，对信息进行高效压缩，有效地保证通信的实时性；除了广播方式，终端对信息的获取也可以是由事件触发的，例如当网络不能满足用户的QoS需求或网络负荷较轻但设备利用率却不高等情况出现时，终端重构管理器TRM会向RAN级网络重构管理器RNRM发送请求信息，希望通过数据传输信道，获得所需信息，完成终端的重构；

(6b)RAN级网络重构管理器RNRM通过无线接入网RAN广播信道向终端重构管理器TRM广播资源管理RM策略信息，此时终端要根据策略信息中适用区域一项，选择与自己相关的资源管理RM策略信息；同样，资源管理RM策略信息的发送也可以是由事件触发的，此时，信息中策略适用区域一项是缺省的。

(6c)终端重构管理器TRM对资源管理RM策略、无线接入网RAN历史信息以及与其他终端有关的历史信息进行分析，评估此时网络内资源的利用效率，结合用户喜好，得到终端的重构决定；随后，终端内部相应的终端重构控制功能模块将根据该重构决定，完成对终端的重构，为保证通信的实时性，终端完成重构的时间会由资源管理RM策略信息中的时限一项限定。

术语说明：

GPRS：General Packet Radio Service，通用分组无线服务。

PDU：Packet Data Unite，分组数据单元。

NRM：Network Reconfiguration Manager，网络重构管理器。

TRM：Terminal Reconfiguration Manager，终端重构管理器。

RE：Radio Enabler，无线使能器。

CWN：Composite Wireless Network，复合无线网络。

RAN：Radio Access Network，无线接入网络。

RNRM：RAN Network Reconfiguration Manager，无线接入网的网络重构管理器。

GPRS：General Packet Radio Service，通用分组无线服务。

MC：Manage Center，管理中心。

GPS：Global Positioning System，全球定位系统。

BS：Base Station，基站。

WLAN：Wireless LAN，无线局域网。

AP：Access Point，接入点。

RM：Resource Management，资源管理。

Claims

1、一种认知无线网络资源管理系统，包含网络重构管理器NRM，终端重构管理器TRM，其特征在于网络重构管理器NRM与终端重构管理器TRM之间设有RAN级网络重构管理器RNRM，用于分担网络重构管理器NRM的网络管理功能，完成对无线接入网RAN历史信息和终端历史信息的分布式处理。

2、根据权利要求1所述的认知无线网络资源管理系统，其特征在于RAN级网络重构管理器RNRM通过通用分组无线服务GPRS网络分别与网络重构管理器NRM和其它RAN级网络重构管理器RNRM进行信息交互。

3、根据权利要求1所述的认知无线网络资源管理系统，其特征在于RAN级网络重构管理器RNRM通过终端所在网络的数据传输信道与终端重构管理器TRM进行信息交互。

4、根据权利要求1所述的认知无线网络资源管理系统，其特征在于网络重构管理器NRM通过通用分组无线服务GPRS广播信道，将信息传输给终端重构管理器TRM。

5、一种认知网络资源管理方法，包括如下步骤：

6、根据权利要求5所述的认知网络资源管理的实现过程，其中步骤(1)所述的终端获取网络配置信息，按照如下步骤进行：

(6a)RAN级网络重构管理器RNRM对自己的无线接入网RAN配置信息进行格式化处理，处理后的信息通过GPRS网络传输给网络重构管理器NRM；

(6b)网络重构管理器NRM对接收到的信息进行整合、压缩处理，当多个混合无线网络CWN相互重叠时，各网络重构管理器NRM间通过通用分组无线服务GPRS网络进行无线接入网RAN配置信息的交互，并通过通用分组无线服务GPRS广播信道向终端广播信息；

(6c)新加入的用户侦听通用分组无线服务GPRS广播信道，根据自己的地理位置信息，获取所需的无线接入网RAN配置信息。

7、根据权利要求5所述的认知网络资源管理的实现过程，其中步骤(4)所述的RAN级网络重构管理器RNRM的数量随对用户行为的预测而变化，是当用户移动速率的预测超过不同的门限值时，选择不同范围的RAN级网络重构管理器RNRM进行信息交互。