CN104540174B - 基于动态协作的QoS敏感的数据传输方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于动态协作的QoS敏感的数据传输方法及系统，包括步骤：步骤一：认知用户将协作请求发送给传输半径内的所有主用户；步骤二：主用户确定协作方案；步骤三：认知用户根据协作方案来选择主用户；步骤四：在时隙t中，主用户向认知中继广播自己的数据，同时认知用户利用主用户频带发送自己的认知数据；步骤五：在时隙1‑t中，主用户和认知中继都向主用户接收机发送主用户数据，同时认知用户利用主用户频带发送自己的认知数据；步骤六：根据满意度来决定下一时隙的带宽分配。本发明中，当认知用户的QoS无法保证时，与主用户以互选的方式进行协作，既保障了认知用户的QoS，又不影响主用户的传输质量。

Description

基于动态协作的QoS敏感的数据传输方法及系统

技术领域

本发明涉及一种认知无线电的协作传输方法，具体地，涉及一种基于动态协作的QoS(Quality of Service，服务质量)敏感的数据传输方法及系统。

背景技术

无线传感器网络在当前的频谱管理机制下，绝大部分的频谱资源都通过授权方式分配给了主用户(PU，Primary User)，由于授权频谱不能被认知用户(SU，Secondary User)所使用，因此导致认知用户的可用带宽资源无法保证。与未授权频谱资源日益稀缺的严峻形势不同，授权频谱在实际应用中缺存在大量的富余。根据美国联邦通信委员会(FCC，Federal Communication Committee)的调查报告表明：在纽约，30MHz-3GHz频段的实际利用率仅仅为13.1％，此外，我国的授权频谱利用率一般都在30％之下。

资源分配问题一直以来都是无线网络的研究特点，直接关系到网络整体性能。在复杂动态的认知无线电网络中，资源分配不均衡问题比传统的无线网络更加严重。由于网络中的主用户地理位置、通信需求的动态性，以及认知用户机会式频谱接入的特性，使得认知用户的可用频谱无法均衡的分配。为了更加合理的对带宽资源进行分配，频谱共享技术被提出并应用到无线网络中。但是频谱的切换又成为频谱分配技术发展过程中的又一大难题。因为频谱的过度切换既对主用户的QoS造成影响，同时也会影响认知用户的数据完整性。

如前所述，在频谱资源受限的情况下，协作通信技术可以在一定程度上提升数据传输的QoS。它可以有效的克服衰落，提高无线通信的传输可靠性、网络连通性和区域覆盖，节点通过认知寻找，挖掘网络中闲置的可用频谱资源，通过节点间协作则可以进一步提高资源的利用率。

在当前的技术背景下，为了保证主用户的QoS，通常都是主用户来选择认知用户进行协作，认知用户通过消耗自身的频谱资源和功率来提升主用户的QoS，但是此种方法忽略了认知用户的传输质量。大部分的认知用户自身也有QoS的传输要求，当QoS的下限也无法满足时，目前的主流解决方案就是寻找可用节点来进行协作传输，然而当认知节点的传输半径内无法找到可用信道时，现有的技术方案便束手无策。

发明内容

针对现有技术中的缺陷与不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于用户协作的数据传输方法，当认知用户的QoS无法保证时，与主用户以互选的方式进行协作，既保障了认知用户的QoS，又不影响主用户的传输质量，从而达到双赢的局面。

根据本发明提供的一种基于动态协作的QoS敏感的数据传输方法，包括如下步骤：

步骤1：认知用户将协作请求发送给传输半径内的所有主用户；

步骤2：主用户根据自身的带宽资源和位置参数来进行判断是否接受认知用户的协作请求，若确定接受协作请求，则将协作方案回传给认知用户；

步骤3：认知用户根据协作方案来选择主用户中继，从而保证自身的QoS；

步骤4：在时隙t中，主用户向认知中继广播自己的数据，t为分时参数；

步骤5：在时隙1-t中，主用户和认知中继都向主用户下一跳发送主用户数据，同时认知用户利用主用户频带发送自己的认知数据；

步骤6：计算主用户的满意度，根据满意度来决定下一时隙的带宽分配。

优选地，所述步骤1，具体为：

无法满足自身QoS需求的认知用户寻找功率覆盖范围内的可用带宽，若找到，则按照传统的协作中继方法进行传输数据，若没找到，则通过控制信道向传输半径内的主用户发送协作请求，同时也将认知用户i的可用带宽w_i作为信息发送给各个主用户和主用户接收站，以便主用户能够更精确地做出选择。

优选地，在所述步骤2中，当主用户同时满足以下三个条件时，才确定接受协作请求：

条件(1)：假设主用户i的QoS为Q_i，带宽资源为M_i，链路的信噪比为Z_i，则主用户i自身信道的数据最高传输率R_i为：R_i＝(1-β)M_i*log₂(1+Z_i)，其中，β表示分频参数，定义一个阈值常数γ，γ大于1；接受协作请求的主用户必须满足条件：γ；

条件(2)：当主用户i的接收站PR_i接收到认知用户的协作请求时，接收站PR_i向主用户i发送消息P_i；接受协作请求的主用户必须同时接收到认知用户的协作请求和消息P_i；

条件(3)：假设认知用户到主用户的距离为d，主用户到主用户下一跳的距离为l，接受协作请求的主用户必须满足条件d<l。

优选地，所述协作方案，具体为：

对于接受协作请求的主用户，根据自身资源限制来制定一套协作方案(t，β)，协作方案中包括t和β两个参数，其中t为分时参数，β为分频参数，t<1，β<1，具体说明如下：

将传输时间分为t和1-t两个部分，将主用户带宽分为β和1-β两部分；在时隙t中，主用户利用频带1-β部分来向认知用户传输数据；在时隙1-t中，主用户利用频带1-β部分向主用户接收机传输数据；在整个时隙1中，认知用户通过频带β来传输认知数据；

假设认知用户i的QoS为q_i，自身可用带宽为m_i，信噪比为z_i；

假设主用户i以认知用户j为中继进行协作传输；主用户i自身信道的数据最高传输速率R_i为R_i＝t(1-β)M_i*log₂(1+Z_i)，认知用户j的协作传输速率r_j为r_j＝(1-t)m_j*log₂(1+z_j)，因此最终的协作部分传输速率为两条链路的最小值，即主用户i通过认知用户j协作后的协作部分的数据传输速率R_i，j为R_i，j＝min{R_i，r_j}；当R_i＝r_j时，主用户的协作部分数据传输速率达到最优，即t_i(1-β_i)M_i*log₂(1+Z_i)＝(1-t_i)m_j*log₂(1+z_j)，求解β_i与t_i的关系得：

其中，t_i表示主用户i的分时参数，β_i表示主用户i的分频参数。

优选地，所述步骤3，具体为：

对于方案r_i，认知用户j利用主用户i频带的输速率r_j，i为r_j，i＝β_iM_i*log₂(1+Z_i)，当r_j，i-q_i>＝0时，称此r_i为可行协作方案；对于认知用户i的所有的可行协作方案组成的集合Si＝{r_i，a，r_i，b，r_i，c……}称为可行协作方案集，其中，r_i，a，r_a，b，r_a，c分别表示不同的可行协作方案；认知用户i在Si中选择最小的集合元素作为协作方案。

优选地，所述步骤4，具体为：

在时隙t中，主用户不再向主用户基站传输数据，而是向认知用户广播需要协作传输的主用户数据；在认知用户发送协作请求的时候，已经将自己的位置信息发送给功率覆盖范围内的主用户，其中，假设所有节点都是静态的；

假设主用户i向认知用户j发送数据；主用户通过位置信息计算出自己与认知用户的距离d_i，j，主用户与主用户基站的距离为l_i；主用户i初始的节点功率为P_i，则由于传输距离缩短(详见步骤2中条件(3))，所以主用户i改变节点功率为P′_i，

优选地，在步骤5中，主用户i的功率由P′_i增加到P_i。

优选地，所述步骤6，具体为：

假设所有节点都是理性和自私的，第一个完整时隙过后，主用户i对认知用户j的贡献度最初评价；令R′_i，j为主用户i通过认知用户j协作后的协作部分的实际传输速率，R_i，j为期望的协作部分的传输速率，主用户i对认知用户j的满意度在下一个完整时隙，主用户根据上一时隙的满意度来调整带宽分配，即将协作方案改成(t，λβ)，λ表示主用户的满意度，传输时隙不变，将带宽分配改为λβ和1-λβ，其中λβ部分用作传输认知数据，1-λβ部分用作协作主用户传输数据。

根据本发明提供的一种基于动态协作的QoS敏感的数据传输系统，所述基于动态协作的QoS敏感的数据传输系统用于执行上述的基于动态协作的QoS敏感的数据传输方法。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明提升了认知用户在认知无线电网络中的传统地位，在不影响主用户的传输质量的条件下，保障了认知用户数据传输的QoS需求。本发明主要针对用户层级协作的数据传输，当认知用户的现有带宽无法满足QoS需求且在其功率覆盖范围内无可用带宽资源时，就需要向周围的主用户发送协作请求，由于节点都是理性和自私的，主用户和认知用户都有自己的目标收益，因此经过双向选择，认知用户确定某一主用户作为协作节点，作为回报，主用户将自己的带宽与传输时间分一部分给认知用户，这样既保证了认知用户的QoS，又保证了主用户的通信质量，达到了理想的双赢局面。

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为本发明基于用户协作的数据传输方法的流程图。

图2为假设认知用户到主用户的距离为d，主用户到主用户下一跳的距离为l，接受协作请求的主用户必须满足条件d<l的示意图。

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。

根据本发明提供的基于用户协作的数据传输方法，包括以下步骤：

步骤1：认知用户将协作请求发送给传输半径内的所有主用户；

步骤2：主用户根据自身的带宽资源和位置参数来进行判断是否协作，若确定协作，则将协作方案回传给认知用户；

步骤3：认知用户根据协作方案来选择主用户，从而保证自身的QoS；

步骤4：在时隙t中，主用户向认知中继广播自己的数据，同时认知用户利用主用户频带发送自己的认知数据；

步骤5：在时隙1-t中，主用户和认知中继都向主用户下一跳发送主用户数据，同时认知用户利用主用户频带发送自己的认知数据；

步骤6：计算主用户的满意度，根据满意度来决定下一时隙的带宽分配。

优选地，所述步骤1包括以下步骤：

步骤1.1：无法满足自身QoS的认知用户寻找可达范围内的可用信道；

步骤1.2：对于无法找到可用信道的认知用户，构建主动协作网络模型；

步骤1.3：将协作请求通过控制信道发送给功率覆盖范围内的所有主用户。

优选地，所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1：主用户根据自身的带宽资源与QoS要求来决定是否接受认知用户的协作请求；

步骤2.2：若决定参与协作，对传输时间进行分时，对传输带宽进行分频；

步骤2.3：将协作传输方案通过控制信道回传给认知请求用户。

优选地，所述步骤3包括以下步骤：

步骤3.1：认知用户根据主用户传输来的协作方案进行计算；

步骤3.2：将计算结果与自身QoS进行对比，选择最适合的协作主用户(最适合即带宽与传输时间刚好满足QoS需求，不会造成资源的浪费)。

优选地，所述步骤6包括以下步骤：

步骤6.1：主用户统计认知用户的贡献度，并与协作方案的参数做对比，从而得出满意度；

步骤6.2：主用户根据满意度来决定是否对认知用户进行惩罚；

步骤6.3：主用户将一定比例的带宽提供给认知用户传输认知数据。

更为具体地，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：认知用户将协作请求发送给传输半径内的所有主用户。

无法满足自身QoS需求的认知用户线寻找功率覆盖范围内的可用带宽，若找到，则按照一般的协作中继方法进行传输数据，若没找到，则通过控制信道向传输半径内的主用户发送协作请求，同时也将认知用户i的可用带宽w_i作为信息发送给各个主用户和主用户接收站，以便主用户可以更精确的做出选择。

步骤2：主用户根据自身的带宽资源和位置参数来进行判断是否协作，若确定协作，则将协作方案回传给认知用户。

当主用户同时满足以下三个条件时，才可以接受协作请求：

(1)假设主用户i的QoS为Q_i，带宽资源为M_i，链路的信噪比为Z_i，则主用户i的数据最高传输率为R_i＝(1-β)M_i*log₂(1+Z_i)，定义一个阈值常数γ(γ大于1)。接受协作请求的主用户必须满足条件：

(2)当主用户i的接收站PR_i接收到认知用户的协作申请时，PR_i向主用户i发送消息消息P_i。接受协作请求的主用户必须同时接收到认知用户的协作请求和消息P。

(3)假设认知用户到主用户的距离为d，主用户到主用户下一跳的距离为l，接受协作请求的主用户必须满足条件d<l。示意图如图2所示。

对于接受协作的主用户，根据自身资源限制来制定一套协作方案(t，β)，方案中包括t和β两个参数。其中t为分时参数，β为分频参数，具体说明如下：将传输时间分为t(t<1)和1-t两个部分，将主用户带宽分为β(β<1)，1-β两部分。在时隙t中，主用户利用频带1-β部分来向认知用户传输数据；在时隙1-t中，主用户利用频带1-β部分向主用户接收机传输数据；在整个时隙1中，认知用户通过频带β来传输认知数据。

假设认知用户i的QoS为q_i，自身可用带宽为m_i，信噪比为z_i。

假设主用户i以认知用户j为中继进行协作传输。主用户i自身信道的传输速率为R_i＝t(1-β)M_i*log₂(1+Z_i)，认知用户j的协作传输速率为r_j＝(1-t)m_j*log₂(1+z_j)，因此最终的协作部分传输速率为两条链路的最小值，即主用户i通过认知用户j协作后的协作部分的数据传输速率为R_i，j＝min{R_i，r_j}。当R_i＝r_j时，主用户的协作部分数据传输速率达到最优，即t_i(1-β_i)M_i*log₂(1+Z_i)＝(1-t_i)m_j*log₂(1+z_j)，求解β_i与t_i的关系得：

步骤3：认知用户根据协作方案来选择主用户中继，从而保证自身的QoS。

对于主用户发送来的协作方案，认知用户要按照一定规则进行筛选，最后选定的主用户协作方案既要满足认知用户的QoS，又不能对授权频带造成过多的浪费。

对于认知用户而言，最终收益由主用户分配的授权频带来决定决定。其中认知用户j利用主用户i频带的输速率为r_j，i＝β_iM_i*log₂(1+Z_i)，当r_j，i-q_i>＝0时，称此r_i为可行协作方案。对于认知用户i的所有的可行协作方案组成的集合Si＝{r_i，a，r_i，b，r_i，c……}称为可行协作方案集。认知用户i在Si中选择最小的集合元素作为协作方案。

步骤4：在时隙t中，主用户向认知中继广播自己的数据。

在时隙t中，主用户不再向主用户基站传输数据，而是向认知用户广播需要协作传输的主用户数据。在认知用户发送协作请求的时候，已经将自己的位置信息发送给功率覆盖范围内的主用户(在本发明中，假设所有节点都是静态的)。

假设主用户i向认知用户j发送数据。主用户通过位置信息计算出自己与认知用户的距离d_i，j，主用户与主用户基站的距离为l_i。主用户i初始的节点功率为P_i，则由于传输距离缩短(详见步骤2中条件3)，所以主用户i改变节点功率为

步骤5：在时隙1-t中，主用户和认知中继都向主用户下一跳发送主用户数据，同时认知用户利用主用户频带发送自己的认知数据。

在此阶段主用户i的功率由P′_i增加到P_i。

步骤6：计算主用户的满意度，根据满意度来决定下一时隙的带宽分配。

假设所有节点都是理性和自私的，因此主用户和认知用户都在设法将自己的收益最大化，本发明要最大限度的保证竞争的公平性。因此第一个完整时隙过后，主用户i对认知用户j的贡献度最初评价。令R′_i，j为主用户i通过认知用户j协作后的协作部分的实际传输速率，R_i，j为期望的协作部分的传输速率，主用户i对认知用户j的满意度λ_i，j 在下一个完整时隙，主用户根据上一时隙的满意度来调整带宽分配，即将协作方案改成(t，λβ)，传输时隙不变，将带宽分配改为λβ和1-λβ，其中λβ部分用作传输认知数据，1-λβ部分用作协作主用户传输数据。

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。

Claims (8)

1.一种基于动态协作的QoS敏感的数据传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：认知用户将协作请求发送给传输半径内的所有主用户；

步骤2：主用户根据自身的带宽资源和位置参数来进行判断是否接受认知用户的协作请求，若确定接受协作请求，则将协作方案回传给认知用户；

步骤3：认知用户根据协作方案来选择主用户中继，从而保证自身的QoS；

步骤4：在时隙t中，主用户向认知中继广播自己的数据，t为分时参数；

步骤5：在时隙1-t中，主用户和认知中继都向主用户下一跳发送主用户数据，同时认知用户利用主用户频带发送自己的认知数据；

步骤6：计算主用户的满意度，根据满意度来决定下一时隙的带宽分配；

在所述步骤2中，当主用户同时满足以下三个条件时，才确定接受协作请求：

条件(1)：假设主用户i的QoS为Q_i，带宽资源为M_i，链路的信噪比为Z_i，则主用户i自身信道的数据最高传输率R_i为：R_i＝(1-β)M_i*log₂(1+Z_i)，其中，β表示分频参数，定义一个阈值常数γ，γ大于1；接受协作请求的主用户必须满足条件：

条件(2)：当主用户i的接收站PR_i接收到认知用户的协作请求时，接收站PR_i向主用户i发送消息P_i；接受协作请求的主用户必须同时接收到认知用户的协作请求和消息P_i；

条件(3)：假设认知用户到主用户的距离为d，主用户到主用户下一跳的距离为l，接受协作请求的主用户必须满足条件d＜l；

所述步骤6包括如下步骤：

步骤6.1：主用户统计认知用户的贡献度，并与协作方案的参数做对比，从而得出满意度；

步骤6.2：主用户根据满意度来决定是否对认知用户进行惩罚；

步骤6.3：主用户将一定比例的带宽提供给认知用户传输认知数据。

2.根据权利要求1所述的基于动态协作的QoS敏感的数据传输方法，其特征在于，所述步骤1，具体为：

无法满足自身QoS需求的认知用户寻找功率覆盖范围内的可用带宽，若找到，则进行传输数据，若没找到，则通过控制信道向传输半径内的主用户发送协作请求，同时也将认知用户i的可用带宽w_i作为信息发送给各个主用户和主用户接收站，以便主用户做出选择。

3.根据权利要求1所述的基于动态协作的QoS敏感的数据传输方法，其特征在于，所述协作方案，具体为：

对于接受协作请求的主用户，根据自身资源限制来制定一套协作方案(t，β)，协作方案中包括t和β两个参数，其中t为分时参数，β为分频参数，t＜1，β＜1，具体说明如下：

将传输时间分为t和1-t两个部分，将主用户带宽分为β和1-β两部分；在时隙t中，主用户利用频带1-β部分来向认知用户传输数据；在时隙1-t中，主用户利用频带1-β部分向主用户接收机传输数据；在整个时隙1中，认知用户通过频带β来传输认知数据；

假设认知用户i的QoS为q_i，自身可用带宽为m_i，信噪比为z_i；

假设主用户i以认知用户j为中继进行协作传输；主用户i自身信道的数据最高传输速率R_i为R_i＝t(1-β)M_i*log₂(1+Z_i)，认知用户j的协作传输速率r_i为r_j＝(1-t)m_j*log₂(1+z_j)，因此最终的协作部分传输速率为两条链路的最小值，即主用户i通过认知用户j协作后的协作部分的数据传输速率R_i，j为R_i，i＝min{R_i，r_j}；当R_i＝r_i时，主用户的协作部分数据传输速率达到最优，即t_i(1-β_i)M_i*log₂(1+Z_i)＝(1-t_i)m_j*log₂(1+z_j)，求解β_i与t_i的关系得：

<mrow> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> <msub> <mi>m</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>M</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>*</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <msub> <mi>log</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>z</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>Z</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，t_i表示主用户i的分时参数，β_i表示主用户i的分频参数。

4.根据权利要求1所述的基于动态协作的QoS敏感的数据传输方法，其特征在于，所述步骤3，具体为：

对于方案r_i，认知用户j利用主用户i频带的输速率r_j，i为r_j，i＝β_iM_i*log₂(1+Z_i)，当r_i，j-q_i≥0时，称此r_i为可行协作方案；对于认知用户i的所有的可行协作方案组成的集合Si＝{r_i，a，r_i，b，r_i，c……}称为可行协作方案集，其中，r_i，a，r_i，b，r_i，c分别表示不同的可行协作方案；认知用户i在Si中选择最小的集合元素作为协作方案。

5.根据权利要求1所述的基于动态协作的QoS敏感的数据传输方法，其特征在于，所述步骤4，具体为：

在时隙t中，主用户不再向主用户基站传输数据，而是向认知用户广播需要协作传输的主用户数据；在认知用户发送协作请求的时候，已经将自己的位置信息发送给功率覆盖范围内的主用户，其中，假设所有节点都是静态的；

假设主用户i向认知用户j发送数据；主用户通过位置信息计算出自己与认知用户的距离d_i，j，主用户与主用户基站的距离为l_i；主用户i初始的节点功率为P_i，则由于传输距离缩短，所以主用户i改变节点功率为P′_i，

6.根据权利要求5所述的基于动态协作的QoS敏感的数据传输方法，其特征在于，在步骤5中，主用户i的功率由P′_i增加到P_i。

7.根据权利要求1所述的基于动态协作的QoS敏感的数据传输方法，其特征在于，所述步骤6，具体为：

假设所有节点都是理性和自私的，第一个完整时隙过后，主用户i对认知用户j的贡献度最初评价；令R′_i，j为主用户i通过认知用户j协作后的协作部分的实际传输速率，R_i，j为期望的协作部分的传输速率，主用户i对认知用户j的满意度在下一个完整时隙，主用户根据上一时隙的满意度来调整带宽分配，即将协作方案改成(t，λβ)，λ表示主用户的满意度，传输时隙不变，将带宽分配改为λβ和1-λβ，其中λβ部分用作传输认知数据，1-λβ部分用作协作主用户传输数据。

8.一种基于动态协作的QoS敏感的数据传输系统，其特征在于，所述基于动态协作的QoS敏感的数据传输系统用于执行权利要求1至7中任一项所述的基于动态协作的QoS敏感的数据传输方法。