CN104639292A - 一种适用于认知无线网络中次级用户网络编码传输的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于认知无线网络中次级用户利用网络编码进行高效数据传输的方法。本发明提出基于多臂老虎机理论的信道可用空闲预测以及在此基础上的编码块大小调整方法。本方法的核心思想即为次级用户在每次探测到信道空闲时根据历史收益对当前信道可用空闲大小做出预测，然后根据估计的信道可用空闲大小、信道质量以及网络大小等来决策使用的编码块大小。通过此种方法，可以使次级用户充分利用有限的空闲频谱资源，大大提高在有限的信道空闲内成功传输的数据分组个数，从而改善次级用户吞吐率等性能。

Description

一种适用于认知无线网络中次级用户网络编码传输的方法

技术领域

本发明涉及一种适用于认知无线网络中次级用户网络编码传输的方法。该方法首先利用多臂老虎机理论对主用户信道当前可用空闲时间进行估计，随后根据估计的信道可用空闲时间调整其编码块大小等关键参数，从而可以充分利用主用户信道的空闲，进而改善次级用户的吞吐率性能。此方法能够根据信道的空闲大小情况进行自适应的动态调整，为网络编码关键参数的选择提供可靠依据。

背景技术

传统技术中，无线通信设备所使用的载频是预先分配的，但在实际运行中，这些无线频谱资源每隔一段时间就会处于空闲的状态，造成频谱的浪费。认知无线电技术将通信用户分为主用户和次级用户，次级用户可以利用处于空闲状态的主用户频段进行通信。当主用户出现时，抢占了主用户频段的次级用户必须及时地让出主用户频段，等待新的频谱空洞，在不产生干扰的前提下继续通信。在这种工作方式下，无线通信网络的频谱利用率大大提高，网络整体性能得到提升。认知无线网络是采用认知无线电技术的无线网络，能发现并利用空闲频谱，解决频谱资源紧张和利用率低等问题。虽然认知无线电技术的使用提升了认知无线网络的性能，但由于无线信道质量差等因素，次级用户的信息传输仍然会经常出错或丢失，其性能有待进一步提升。

网络编码是近年来通信理论领域所取得的重大进展之一，其核心思想是节点不再只是简单的存储和转发所收到的数据，还对数据进行编码和译码操作。因此，节点可以对来自不同链路的信息进行编码组合，既实现路由功能又实现编码功能，使网络性能达到理论的极限。研究表明，网络编码技术可以增大网络吞吐率、减小网络时延和提高可靠性。网络编码技术更易于利用无线通信的广播特性且能应用于分布式的无线网络应用，为无线通信的研究开辟了新思路。因此，作为无线网络的一种，认知无线网络与网络编码的结合具有巨大的潜力。

网络编码具有提升认知无线网络次级用户吞吐率等性能的潜力，但同时也带来挑战。首先，由于网络编码往往是基于批次的传输，即发送节点将要发送的数据拆分成多个批次，每个批次包含多个原始分组，编解码仅限于批次内的分组。根据随机线性网络编码的原理，接收节点必须在收到足够多的线性无关的编码分组后才能一次性解码出所有原始分组。另一方面，在认知无线网络中次级用户的传输优先级严格低于主用户，且在探测到信道空闲时次级用户并不能判断主用户何时回来，即主用户信道的当前可用空闲时间是不确定的。如果在主用户回来之前次级用户中的接收节点没有接收到足够多的线性无关的编码分组，则会导致不能解码出任何原始分组。这会给认知用户的吞吐率带来很大的伤害，可能导致使用网络编码带来的吞吐率增益还不如不使用网络编码。因此，将网络编码应用于认知用户的传输时，必须结合主用户信道可用空闲时间的不确定性进行充分合理的设计。

本发明提出一种适用于认知无线网络中次级用户网络编码传输的方法，该方法利用多臂老虎机理论对主用户信道当前可用空闲时间进行估计，并据此设计相应的网络编码参数调整策略。在此种方法下，次级用户能够结合主用户对信道占用的历史情况对信道当前可用空闲大小进行估计，动态调整其编码块大小，最大化空闲频谱的利用效率，从而提高次级用户的吞吐率性能。

【参考文献】

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发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种适用于认知无线网络中次级用户利用网络编码进行高效数据传输的方法。次级用户中源节点利用该方法对主用户信道的可用空闲大小进行估计，并根据以往空闲获得的历史收益及时调整自己的网络编码传输策略，以此尽可能减小主用户信道可用空闲不确定性带来的影响，进而提高次级用户的吞吐率性能。该方法可以应用在次级用户任意广播场景。

技术方案：编码块大小是网络编码传输中的一个关键参数，一般而言，网络编码带来的吞吐率增益与编码块的大小呈正相关，而编码块的时延也与编码块的大小呈正相关。在认知无线网络中，由于主用户对信道占用的不确定性和高优先级，对于次级用户来说，信道每次的可用空闲时间是有限且不确定的，即在探测到信道空闲的时候并不能确定其空闲状态会持续多久。因此，在次级用户的数据传输中应用网络编码，必须解决以下两个关键问题：一是如何对信道当前可用空闲大小进行较准确估计；二是如何根据估计的信道可用空闲大小来调整编码块大小。

为解决上述问题，本发明提出基于多臂老虎机理论的信道可用空闲预测以及在此基础上的编码块大小调整方法。本方法的核心思想即为次级用户在每次探测到信道空闲时根据历史收益对当前信道可用空闲大小做出预测，然后根据估计的信道可用空闲大小、信道质量以及网络大小等来决策使用的编码块大小。

该方法采用了基于多臂老虎机理论的信道可用空闲预测以及基于估计的信道可用空闲时间的编码块大小动态调整方法，具体如下：

1)、基于多臂老虎机理论的信道可用空闲预测：在首次探测到信道空闲时，次级用户从{1,2，...，I_max}中随机选择一个空闲时间大小I，其中I_max为可能的最大信道空闲时间，然后从{1,2，...，I}中选择一个期望增益最大的值k作为此次传输的编码批次大小，空闲结束记录此次空闲时段次级用户成功交付的数据分组数；从第二次探测到信道空闲开始，以概率1-γ从{1,2，...，I_max}中选择之前成功交付数据分组数最多的空闲大小，以概率γ选择其它的空闲大小，其中T为系统的运行时间；

2)、基于估计的信道可用空闲时间的编码块大小动态调整：编码块大小的选择与信道可用空闲大小、信道质量以及次级用户目的节点个数等因素有关；其中，次级用户目的节点个数N已知，信道质量ε可以通过信道探测得到，而信道可用空闲时间大小I可由1)得到；根据随机线性网络编码的原理，编码块的大小k不能超过信道可用空闲时间I，因此，编码块的大小存在有限的整数取值范围，即k∈{1,2,...,I_max}，依次计算1,2，...，I_max对应得到的期望增益，选择期望增益最大对应的取值作为编码块的大小进行数据传输即可。

有益效果：本发明提出一种适用于认知无线网络中次级用户网络编码传输的方法。通过对信道可用空闲大小的预测，次级用户可以及时根据估计的信道可用空闲情况来动态调整其编码传输策略，从而减少信道可用空闲不确定性带来的影响，充分利用有限的网络资源，进一步提高空闲频谱的利用率，该方法可广泛适用于次级用户利用网络编码进行广播数据传输的场景。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1：面向次级用户的网络编码数据传输整体流程。

具体实施方式

如图1，根据数据传输的流程，次级用户首先对信道进行探测，如果信道空闲，则依次执行以下两步：先对信道当前可用空闲大小进行预测，然后调整编码块大小，传输数据直到主用户重新占用信道。其中第一步可以通过基于多臂老虎机理论的信道可用空闲预测模块完成，第二步可以通过基于估计的信道可用空闲的编码块大小调整模块完成。下面分别从基于多臂老虎机理论的信道可用空闲预测和基于估计的信道可用空闲的编码块大小调整等两个方面来介绍适用于认知无线网络中次级用户网络编码传输的方法：

1)、基于多臂老虎机理论的信道可用空闲预测：在首次探测到信道空闲时，次级用户随机选择一个空闲时间大小，然后选择一个最优的编码块大小(选择方法见2)进行数据传输。假设次级用户中目的节点到源节点的反馈是理想的，因此可以知道在此次空闲时段结束时次级用户成功交付的数据分组数。在后面再次探测到信道空闲时，以一定概率继续选择之前成功交付数据分组数最多的空闲大小，以剩下的概率随机选择其他的空闲大小。从信道第二次空闲开始，每次对信道空闲大小的预测都会参考以往空闲大小所获得的收益。

2)、基于估计的信道可用空闲的编码块大小调整：编码块大小的选择与信道可用空闲大小、信道质量以及次级用户中目的节点个数等因素有关。其中，次级用户目的节点个数已知，信道质量可以通过信道探测得到，而信道可用空闲大小可由1的方法估计得到。根据随机线性网络编码的原理，编码块的大小不能超过信道可用空闲时间，因此，编码块的大小存在有限的取值范围。依次计算编码块大小每个可能的取值对应得到的期望增益，选择最大期望增益对应的取值作为编码块的大小进行数据传输即可。

在本方法中，核心是次级用户中源节点利用多臂老虎机理论对信道可用空闲大小进行决策，而后根据估计的信道可用空闲大小调整编码块的大小。本发明的具体实施方式具体为：

基于多臂老虎机理论的信道可用空闲预测：

每次对信道可用空闲大小的一次估计看成是一种策略选择，假设信道可用空闲时间已离散化，其取值可能为1,2,...,I_max，即每次的信道可用空闲大小i可能为上述值中的一个。系统总共运行T轮，w_i(t)代表策略i在第t轮对应的权重，p_i(t)表示策略i在第t轮被选中的概率。i_t表示在第t轮选择的策略，表示策略i_t在第t轮所获得的收益，对应成功传输的数据分组个数。β、η和γ为输入参数，其中β>0，0<η，γ<1/2。

1)初始化参数：令t＝1以及w_i(0)＝1，对于i＝1,2,...,I_max；

2)计算概率分布：若t＜T，则令对于i＝1,2,...,I_max；

3)选择信道可用空闲大小：根据p_i(t)选择在第t轮估计的信道可用空闲大小i_t，并执行相应的编码传输，此次信道空闲结束后计算相应的增益

4)更新策略权重：对于j＝1,2,...,I_max，令对于j＝1,2,...,I_max，再令令t＝t+1，若t等于T+1，结束；否则返回至2)。

基于估计的信道可用空闲大小的编码块大小调整：

在第t轮估计的信道可用空闲时间为i_t，次级用户目的节点个数为N，信道丢包率为ε，第t轮使用的编码块大小为k_t(k_t∈{0,1,...,i_t})。P(k_t,i_t)表示编码块k_t在i_t时间内成功解码的概率，表示选择编码块大小k_t在i_t内获得的期望收益，对应成功传输的数据分组个数。

1)初始化参数：对i_t，N以及ε进行赋值，其中i_t根据上述预测算法得到，N根据系统输入得到，ε根据信道估计得到；

2)计算各策略对应收益的数学期望：对于k_t＝0,1,...,i_t，令其中 $P(k_t,i_t)={\left(\underset{\mathrm{\&tau;}=k_t}{\overset{i_t}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\begin{array}{c}\mathrm{\&tau;}-1\\ k_t-1\end{array}\right){\mathrm{\&epsiv;}}^{\mathrm{\&tau;}-k_t}{(1-\mathrm{\&epsiv;})}^{k_t}\right)}^N.$

3)选择最优的编码块大小：选择期望收益最大对应的k_t ^*作为要传输的编码块大小，即 ${k_t}^{*}=\underset{k_t\&Element;\{\mathrm{0,1},...,i_t\}}{\arg \max }{R}_{i_t}\left(k_t\right).$

Claims (1)

1.一种适用于认知无线网络中次级用户网络编码传输的方法，其特征在于该方法采用了基于多臂老虎机理论的信道可用空闲预测以及基于估计的信道可用空闲时间的编码块大小动态调整方法，具体如下：

1)、基于多臂老虎机理论的信道可用空闲预测：在首次探测到信道空闲时，次级用户从{1,2，...，I_max}中随机选择一个空闲时间大小I，其中I_max为可能的最大信道空闲时间，然后从{1,2，...，I}中选择一个能使期望增益最大的值k作为此次传输的编码批次大小，空闲结束记录此次空闲时段次级用户成功交付的数据分组数；从第二次探测到信道空闲开始，以概率1-γ从{1,2，...，I_max}中选择之前成功交付数据分组数最多的空闲大小，以概率γ选择其它的空闲大小，其中T为系统的运行时间；

2)、基于估计的信道可用空闲时间的编码块大小动态调整：编码块大小的选择与信道可用空闲大小、信道质量以及次级用户目的节点个数等因素有关；其中，次级用户目的节点个数N已知，信道质量ε可以通过信道探测得到，而信道可用空闲时间大小I可由1)得到；根据随机线性网络编码的原理，编码块的大小k不能超过信道可用空闲时间I，因此，编码块的大小存在有限的整数取值范围，即k∈{1,2,...,I_max}，依次计算1,2，...，I_max对应得到的期望增益，选择期望增益最大对应的取值作为编码块的大小进行数据传输即可。