CN102158294A - 认知无线网络***及其认知流的传输方法 - Google Patents

Abstract

一种具有认知无线电功能的认知无线网络***及其认知流的传输方法，***的基站或无线接入点、终端都采用分层协议栈在其物理层，无线链路层和高层增设相应功能实体和分别构建集中式和分布式物理传输信道，并基于认知流的通用控制信道，将认知节点通过物理信道获取的数据和参数都统一表征为认知无线***中智能推理和决策的各个功能实体能够处理的信息，再通过各功能实体和信道的联合处理，实现认知信息的高效、完整、可靠的传输方案，为网络中各认知节点内部的智能决策和动态重构提供基础。本发明采用分层实现机制，可灵活地适应网络结构和无线环境的变化，且与现有的无线协议结构具有很高的兼容性，因此，具有很好的推广应用前景。

Description

认知无线网络***及其认知流的传输方法

技术领域

本发明涉及认知无线电技术，确切地说，涉及一种认知无线网络***及其传输认知流的方法，属于无线通信***网络层数据传输的技术领域。

背景技术

在认知无线网络中，获取网络中不同层次的相关信息是其认知功能的基本要求，也是执行智能决策和网络重构的前提。虽然认知无线网络中的节点都具有更高级、更智能的信息处理和网络重构能力，但是，发挥这些认知新技术的基础是获取信息和传输信息，因此，采用何种方式、以什么步骤来实现认知信息的有效传递是一个认知无线电网络中的基础问题。

认知信息是认知无线网络***(参见申请人的中国专利申请《一种实现异构网络融合的智能认知无线网络***》，其专利号为201110028811.9)中的各个本地模块或对等节点之间进行交互的各种信息(包括无线环境、具体业务的测量数据与交互的控制信息)，认知无线网络***也是认知回路(Cognitive Cycle)运行的主要载体。

通常网络是基于预定义的协议规范完成控制信息和业务数据的传输与对等交互，这种对具有相同类型特征信息的传输和处理过程，构成所谓“控制流”和“业务流”。同样地，在认知无线网络中，对认知信息的传输和处理过程也构成了其特有的“认知流”。“认知流”的传输有两类：一类是认知节点本地(Local)的认知信息处理***中各功能模块之间、模块与协议层接口之间的原语交互(Primitive)，这个过程取决于各个模块间的具体功能。另一类就是各个认知节点之间的认知流，也即含有认知信息的数据流在各个节点之间的传输和处理。如何实现认知流的传输是一个关键性的基础问题，本发明重点解决后一类传输。

有关认知信息的传输，学术界的重点是基于频谱检测技术，或者研究感知无线电(Cognitive Radio)网络中节点的媒体接入控制(Media Access Control)机制。虽然目前的认知无线网络***对于如何获取认知信息已经提出了比较宽泛和抽象的需求，但是，至今还没有针对可能的网络场景给出具体的认知信息传递和处理方法，也即支持认知流传输的具体方法至今尚未有人提出。

因此，现有技术存在下述缺点：目前提出的认知无线网络***对于认知流的传输与管理都缺乏具体有效的***化解决方案和实施方法，而且，现有的用于实现认知信息控制流或认知业务流的传输方法及其***，都不适合认知无线网络***中认知流的传输，也没有针对可能出现的网络组织类型(分布式或集中式)，给出合理的认知流的传输控制机制。自然地，这些问题就成为业内科技人员关注的焦点课题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种具有认知无线电功能的认知无线网络***及其认知流的传输方法，该方法是通过分层结构设计，为在复杂网络环境下各个认知节点之间认知流的传输提供高效、完整、可靠的实施方案，为网络中各认知节点内部的智能决策和动态重构提供基础。

为了达到上述发明目的，本发明提供了一种具有认知无线电(Cognitive Radio)功能的认知无线网络***，包括基站或无线接入点(Access Point)，以及用户终端(User Equipment)；其特征在于：所述基站或无线接入点、终端都具有认知无线电功能，且都分别采用分层协议栈在其物理层，无线链路层和高层增设功能实体和分别构建集中式和分布式的物理传输信道，并基于认知流的通用控制信道，将认知节点通过物理信道获取的数据和参数都统一表征为认知无线***中智能推理和决策的各个功能实体能够处理的信息，再通过各功能实体和信道的联合处理，实现认知信息的高效、可靠传输；其中，

高层，负责解析和处理业务数据或控制信息，以使其与现有分层协议结构相兼容，并采用分层分解对认知节点的交互操作实现有效与可靠的控制与优化；设有直接连接具有跨层重构和智能决策的各个认知功能单元的认知信息统一表征实体和传统控制/业务消息转换接口；其中，认知信息统一表征实体负责在语法层次对认知信息内容和结构采用包括网络本体语言OWL(Web Ontology Language)或语意规则语言SWRL(Semantic Web Rule Language)的通用结构化本体语言实现归一化描述；因该两种语义表述语言的语法格式基于扩展标记语言XML(eXtensible Markup Language)，故认知信息统一表征实体采用XML统一认知信息格式，能够在语法层面支持基于策略(Policy-based)或案例(Case-based)智能认知***的推理与学习；传统控制/业务消息转换接口负责将来自传统网络的未采用统一表征描述的认知信息转换为传统控制面/业务面消息；

无线链路层，用于管理不同类型信息的数据包：包括生成与解析数据包的包格式、基于无线资源和传输需求进行调度和控制执行物理层收发的各种传输参数；因承载的信息内容和传输质量的差异巨大，故无线链路层设有下述四种不同功能实体分别管理认知信息控制流和认知业务流的传输：认知流专用逻辑信道CFCH(Cognitive Flow Logic CHannel)、认知流传输专用管理实体CFME(Cognitive Flow Management Entity)、认知流专用传输信道CFTrCH(Cognitive Flow Traffic CHannel)和传统传输信道TrCH(Traffic CHannel)；且能够对传统链路管理实体通过扩展协议而增加逻辑信道类型标识，用于支持将认知信息以传统数据包形式承载于传统传输信道；

物理层，负责频谱感知与检测的测量操作，以及物理收发参数的重配置与传输方案的实施；为适应动态、复杂的网络环境和与专用传输信道CFTrCH相匹配，设有认知专用物理数据信道C-DPDCH(CR-Dedicated Physical Data Channel)和认知专用物理控制信道C-DPCCH(CR-Dedicated Physical Control Channel)，前者是基于认知无线电/软件无线电技术的认知信息数据包的专用承载信道，具有很高的链路自适应能力；后者用于通信对端的接收处理与建立辅助物理链路，以及承载认知信息数据包的各种传输参数。

所述认知信息特点是繁杂、冗长，动态变化性强，包括来自异构网络的网络状态、网络资源和网络负载的各种信息，感知到的无线环境、网络环境、包括用户需求、环境特征、网络和用户的配置参数和性能的信息，以及来自认知节点内部包括传输层的网络拥塞信息、网络层的路由信息、链路层的调度信息、传输块格式、重传信息和队列长度、物理层的功率、干扰、码字和子载波的各层信息；采用统一、齐全、规范、科学的数学表征后，认知信息就形成能够量化、识别的离散环境情景参数的集合。

所述无线链路层中四个不同实体的功能是：

认知流专用逻辑信道CFCH是无线链路层与高层之间的逻辑信道，用于将无线链路层解析后的认知信息数据包快速、有效地直接通过该逻辑信道传递给高层的认知信息统一表征实体；

认知流传输专用管理实体CFME是控制认知节点间交互的过程的关键部件，以认知信息数据包为对象，具有两方面功能：负责处理和生成节点间的认知流控制消息，包括链路建立请求/响应，由空闲频带和传输时间组成的无线资源的请求/确认；以及基于本地认知节点间的交互，配置本地无线链路层和物理层对认知流的传输参数：在无线链路层根据认知信息数据包的传输质量要求，选择利用扩展协议方式通过传统传输/物理信道发送，或者通过专用认知信息数据包处理实体发送；根据频谱感知和无线环境测量结果，对物理层配置包括对带外公共频段或授权频带空洞选择的物理信道和收发方式；

认知流专用传输信道CFTrCH和传统传输信道TrCH，都用作无线链路层与物理层之间的传输信道，前者与物理层的认知专用物理信道相对应，是完全符合认知信息数据包传输特性需求的信道类型，并支持将来自传统物理信道中的认知信息传递到认知流传输专用管理实体；后者是符合现有协议规范、传送业务流或控制流数据包的通道，在兼容扩展模式下，也用于传输包含认知信息的传统数据包。

所述认知信息统一表征实体的工作过程是：发送认知信息时，先将符合OWL逻辑描述规则的包括参数和逻辑的认知信息发送到OWL/XML编码模块，由该编码模块按照XML格式将认知信息转换为OWL/XML消息后，通过比特信息映射模块将XML消息转换为认知信息比特，再经由认知流专用逻辑信道传递给链路层的数据包管理模块，生成待发送的认知信息数据包；接收认知信息数据包过程是上述逆向处理过程，由OWL/XML解析模块提取相应认知信息中的标记属性及参数值。

为了达到上述发明目的，本发明还提供了一种采用本发明认知无线网络***的认知流传输方法，其特征在于：先由认知节点基于频谱感知测量以及涉及当前位置的基站分布、主用户平均干扰强度的各种历史网络信息，得到当前的本地无线环境信息；位于链路层的认知流传输专用管理实体分析该本地无线环境信息和各节点传输需求，根据设定准则相应选择进入集中式或分布式的网络工作模式，并设置对应的各个功能实体与信道的配置参数，即认知流传输控制指令；除非因资源受限，无法成功接入集中式网络工作模式时，才转为分布式网络工作模式和执行相应的认知流传输控制指令；然后，各层功能实体与信道都分别按照设置参数执行其传输控制操作；一旦出现链路传输失败，则重新开始执行上述过程。

所述方法包括下列操作步骤：

(1)认知本地无线环境：认知终端的物理层通过频谱感知的测量，检测得到包括授权用户的临时频谱空洞、非授权频带的占用情况和预估的可占用时间的频谱可靠性的当前可用频带的各项信息，同时对接收信号进行处理后，将认知数据包传递到认知流传输专用管理实体，提取其中可能包含的认知广播信息；

(2)认知流传输控制单元对网络环境进行分析与决策：认知终端的认知流传输专用管理实体基于本地无线环境认知结果，分析当前网络是否存在对认知节点进行集中式辅助控制的认知基站；如果存在，则优先选择集中式网络工作模式，降低自主检测和决策的工作量，简化处理与节省功耗，藉由与基站的更多交互，实现网络环境的认知和传输策略的决策；如果不存在，则进入分布式网络工作模式，保持相对高质量的测量和自适应工作能力，以节点发现机制与周边节点实现交互和传输数据；

(3)认知流传输专用管理实体基于选定的网络工作模式配置认知流的传输参数：包括无线链路层处理认知信息数据包的方式，物理层承载物理信道的方式和传输信道类型；

(4)规范与定义认知流传输控制消息：各个认知节点的认知流传输专用管理实体之间通过交互的认知流传输控制消息完成认知流的传输控制。

当认知节点检测到两种网络工作形式都存在时，因集中式能提供下行广播信道用作额外的控制通道，故认知节点应基于可靠性分析优先选择集中式工作模式，以减少本地开销；只有接入失败时，才转为分布式工作模式；所述可靠性分析是认知节点基于已认知到的当前其他认知节点的分布情况、认知基站的承载能力，频谱可用资源，以及认知流的传输质量要求的各种信息，推断认知基站能够提供持续服务的可靠性，以避免状态的频繁切换；然后，认知流传输专用管理实体基于选定的网络模式，配置认知流传输经过的无线链路层的认知信息数据包处理方式、物理层的物理信道承载方式及传输信道类型的各种参数。

所述步骤(2)中，当检测到存在认知基站，且认知节点能读取专用广播信道的网络信息，获取到包括认知基站检测的较大范围内的动态频谱信息，活跃链路信息的不可本地直接认知的各种信息时，集中式网络工作模式下的认知节点与基站的交互流程是：

(21)认知节点基于认知基站的广播信息，再结合包括本地可用频段、估计的频段可占用时间与周围节点分布的各种本地认知信息，以及接入分布式模式的可行性估计，以优先考虑集中式为准则做出接入决策：认知节点向认知基站发送包括传输需求、本地无线环境和分布式接入机会的相应信息的接入请求；

(22)认知基站中的认知流专用控制实体采用集中式媒体接入控制MAC机制，对所有的接入请求划分优先级，做出接入控制决策并分配相应的资源后，广播该接入决策消息；所述MAC机制是以竞争式为基础或采用博弈论方法；

(23)如果允许接入，则认知节点中的认知流专用控制实体根据所分配的资源，重新配置链路层和物理层的各个功能实体和信道，建立传输链路；如果本次接入失败，则推迟集中式接入，或在满足相应条件时转为分布式接入模式；

当认知节点没有检测到认知基站的存在，或者不满足集中式接入条件，分布式网络工作模式下的认知节点与基站的交互流程是：

(2A)节点基于频谱感知执行本地无线环境认知操作，并在选定的可用频谱上发送接入请求，同时启动等待响应的计时；如果超过设定计时门限T_resend，则重发该接入请求；如果重发次数超过设定接入次数门限N_restart，则重新检测无线环境和选定新的频谱位置；

(2B)其他认知节点接收到接入请求后，根据其目的位置决定是否反馈响应；如果自身是目的节点，则生成接入响应，并根据本地认知信息填写其中包括资源可用情况与目的节点等待时效的相关信息，以支持源节点对传输链路可靠性的估计；

(2C)源节点如果在设定时间窗(N_restart×T_resend)内接收到接入响应，则在该消息设定时效范围内完成分析和生成接入确认，并在传输可靠性较高且与传输需求相应匹配时，发送该包含重配置信息的接入确认；否则，发送取消接入响应或推迟接入响应的接入确认；

(2D)目的节点如果接收到接入确认，则按照其中信息对认知流传输功能实体和信道进行重配置；如果未接收到接入确认，则本次操作失败。

所述步骤(3)中，无线链路层处理认知信息数据包及物理层承载比特流都设有下述两种方式：

兼容扩展方式是基于现有传统功能实体和信道，通过协议扩展来承载认知信息数据包：链路层扩展现有数据包处理协议，增加引导至认知流专用逻辑信道的标识；物理层使用传统传输信道和物理信道承载，将认知信息作为传统数据包进行处理；该方式的协议兼容性强，但传输性能受限于传统传输控制实体；

专用模块方式是在物理层分别增加认知专用的直接承载认知信息数据包的物理数据信道，以及用于对信息数据包传输链路实现辅助控制和维护，承载链路交互信息的物理控制信道；该两个认知专用物理信道映射到认知流专用传输信道，需要增设专用功能实体和信道，以便最大限度满足认知信息传输的需求。

所述认知流传输控制消息设有下述三种：

链路控制消息LinkCtrlMsg，用于确认和管理认知节点间的通信链路，包括：链路建立或删除请求、链路建立或删除响应、链路状态查询、链路配置更新请求或/响应、以及链路失败指示消息；

资源需求或协商消息ResNegMsg，用于节点协商或广播的涉及无线资源分配的请求或响应，包括：本地可用频谱状态消息、本地频谱资源需求消息、频谱预留请求或响应、本地主用户干扰强度与集中式分配方案的相关信息；

认知信息查询或反馈消息CogInfoInq/FedMsg，用于获取其他节点的认知信息和其他信息：决策历史查询或响应，包括推理学习模式、跨层自适应能力的各种认知能力的查询或反馈消息。

本发明技术创新的关键点是：在本发明网络***的分层协议控制架构中，设置各个功能模块，并由其实现与控制认知流的传输过程，基于该分层协议结构、实现认知流传输控制的兼容扩展方案和专用模块方案，以及针对认知流传输控制的分布式和集中式两种网络模式下的相关处理方法。

本发明的优点是：对认知无线网络***中认知信息的传输管理，给出一种具体、有效的***化实施方法；该方法充分考虑认知节点具有分布式和集中式两种网络布局模式，并给出了相应模式下的认知流传输的控制方法；采用分层实现机制，可灵活地适应网络结构和无线环境的变化，且与现有的无线协议结构具有很高的兼容性，因此，具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1是认知无线网络中分层对等通信示意图，

图2是本发明具有认知无线电功能的认知无线网络***结构组成图。

图3是本发明认知信息统一表征实体的内部构造及其工作过程示意图。

图4是本发明认知流传输控制的流程图。

图5是集中式模式下认知流传输控制的交互流程图。

图6是分布式模式下认知流传输控制的交互流程图。

图7是本发明实施例的网络***场景示意图。

图8是本发明实施例在集中式网络模式下采用兼容扩展方案的示意图。

图9是本发明实施例在分布式网络模式下采用专用模块方案的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明具有认知无线电功能(Cognitive Radio)的认知无线网络***广泛适用于具有认知无线电功能的当前无线网络***和未来无线网络***中具有认知无线电功能的无线接入点或基站，以及具有认知无线电功能的用户终端。本发明的各个网元都采用分层协议栈设计思想，支持集中式和分布式网络建立物理传输信道，并基于认知流通用控制信道，将认知节点通过物理信道获取的数据和参数统一表征为认知无线***中智能推理和决策等功能实体能处理的信息。

对于无线空口上的数据传输，现代无线网络的设计趋势是采用分层协议栈思想，主要在链路层和物理层实现传输控制，而在上层更多负责业务数据(控制或数据)的解析和处理。因为分层设计具有如下优势：既可以很好地兼容现有的分层协议；又能够采用分层分解而对认知节点交互过程中的各个阶段实现有效、可靠的控制与优化。因此本发明的认知流传输方法采用分层化的结构。

参见图1，本发明网络***的功能主要分布于三个层次：物理层，无线链路层和其他高层，并在各层的职能范围内分别设置相应的功能实体或信道，通过各个功能实体和信道的联合处理，可以实现认知信息的高效、可靠传输。

本发明***处理的认知信息包括：来自异构网络的网络状态、网络资源和网络负载的各种信息，感知到的无线环境、网络环境、包括用户需求、环境特征、网络和用户的配置参数与性能等信息，以及来自认知节点内部的各层信息(如传输层的网络拥塞信息，网络层的路由信息，链路层的调度信息、传输块格式、重传信息和队列长度，物理层的功率、干扰、码字、子载波等信息)。这些信息的特点是繁杂、冗长，动态变化性强，需要通过统一、完备、规范、科学的数学表征后，形成可量化、可识别的离散环境情景集合。

参见图2，分别描述本发明网络***各层次的主要功能模块及其工作方法。

高层，负责解析和处理认知流数据或控制信令，以使其兼容现有分层协议结构，并采用分层分解对认知节点的交互操作实现有效、可靠的控制与优化；设有认知信息统一表征实体，其直接连接具有跨层重构和智能决策的各个认知功能单元，以及传统控制/业务消息转换接口；其中，认知信息统一表征实体负责在语法层次对认知信息内容和结构采用通用的结构化本体(Ontology)语言实现归一化描述。例如，采用网络本体语言OWL(Web Ontology Language)或语意规则语言SWRL(Semantic Web Rule Language)等。因这些语义表述语言的语法格式基于扩展标记语言XML，故认知信息统一表征实体采用XML统一认知信息格式，能够在语法层面支持基于策略(Policy-based)或案例(Case-based)的智能认知知识的表征和推理机制。需要注意的是：该实体不负责认知信息的含义及逻辑的管理，只是完成信息的格式化表述或解析。

传统控制/业务消息转换接口负责将来自传统网络的未采用统一表征描述的认知信息转换为传统控制面/业务面消息。

参见图3，介绍该认知信息统一表征实体的内部结构及其工作过程：发送认知信息时，先由认知逻辑推理/学习单元将符合OWL逻辑描述规则的包括参数和逻辑的认知信息发送到OWL/XML编码模块，由该编码模块按照XML格式将认知信息转换为OWL/XML消息后，通过比特信息映射模块将XML消息转换为认知信息比特，再经由认知流专用逻辑信道传递给链路层的数据包管理模块，生成待发送的认知信息数据包。接收认知信息数据包的过程是上述逆向处理过程，需要由OWL/XML解析模块提取相应认知信息中的标记属性及参数值。

无线链路层用于管理不同类型信息的数据包：包括生成与解析数据包的包格式、基于无线资源和传输需求的调度管理，对物理层收发的各种传输参数执行控制功能；因通常承载的认知信息的内容和传输质量的差异非常巨大，故无线链路层需要增设下述不同的功能实体分别管理认知信息控制流和认知业务流的传输：

(A)认知流专用逻辑信道CFCH(Cognitive Flow Logic CHannel)：用作无线链路层与高层之间的逻辑信道，将设定的二者之间传送的经由无线链路层解析后的认知信息数据包快速、有效地直接通过该逻辑信道传递给高层的认知信息统一表征实体。

(B)认知流传输专用管理实体CFME(Cognitive Flow Management Entity)：作为控制认知节点间交互过程的最重要的关键部件，该实体以认知信息数据包为处理对象，具备两种功能：一种是负责处理和生成节点间的认知流控制消息，包括链路建立请求/响应，由空闲频带和传输时间等信息组成的无线资源的请求/确认。另一种是基于本地认知与节点间的交互，配置本地无线链路层和物理层对认知流的传输参数(例如：在无线链路层根据认知信息数据包的传输质量要求，选择利用扩展协议方式通过传统传输/物理信道发送，或者通过专用认知信息数据包处理实体发送)。同时，根据频谱感知和无线环境测量结果，对物理层配置包括对带外公共频段或授权频带空洞选择的物理信道和收发方式。

(C)基于协议扩展的传统链路管理实体：在某些情况下，认知信息的传输特性需求与传统数据或信令相类似，可以通过扩展协议，增加逻辑信道类型标识而将认知信息以传统数据包形式承载到传统传输信道上。例如认知节点间关于频谱动态情况的历史观测信息，有助于认知节点对本地频谱状态进行推理和预测，其传输特性是数据量大，但可靠性要求不高，类似于传统业务数据，因此可以采用业务流方式将其承载到传统传输信道上。

(D)认知流专用传输信道CFTrCH(Cognitive Flow Traffic CHannel)和传统传输信道TrCH(Traffic CHannel)：两者都用作无线链路层与物理层之间的传输信道，前者与物理层的认知专用物理信道相对应，是完全符合认知信息数据包传输特性需求的信道类型，并支持将来自传统物理信道中的认知信息传递到认知流传输专用管理实体。后者是符合现有协议规范、传送业务流或控制流数据包的通道，在兼容扩展模式下，也用于传输包含认知信息的传统数据包。

物理层负责频谱感知与检测的测量操作，以及物理收发参数的重配置与传输方案的实施。为了适应动态、复杂的网络环境，并与专用传输信道CFTrCH相匹配，设有认知专用物理数据信道C-DPDCH(CR-Dedicated Physical Data Channel)和认知专用物理控制信道C-DPCCH(CR-Dedicated Physical ControlChannel)，前者是基于认知无线电/软件无线电技术的认知信息数据包的专用物理承载信道，具有很高的链路自适应能力；后者用于通信对端的接收处理与建立辅助物理链路，以及承载认知信息数据包的各种传输控制参数。例如，用于对端的接收处理，辅助物理链路的建立，例如包大小，重传参数等。

下面介绍本发明网络***基于其分层结构实现的认知流的传输过程：先由认知节点基于测量(如频谱感知等)和历史信息(与当前位置相关的网络历史信息，如基站分布，主用户平均干扰强度等)，得到当前的本地无线环境信息。位于链路层的认知流传输专用管理实体分析各个节点提交的无线环境信息及其传输需求，依据设定准则相应选择进入分布式网络模式或集中式网络模式，并设置各个功能实体与信道的配置参数，即认知流传输控制指令。而且，除非因资源受限，无法成功接入集中式网络工作模式时，才转为分布式网络工作模式和执行相应的认知流传输控制指令。然后，各层功能实体与信道都按照设置参数执行其传输控制过程；一旦出现链路传输失败等情况，则重新开始上述过程。

参见图4，具体说明本发明方法的下列各个操作步骤：

步骤1，认知本地无线环境：认知终端的物理层通过频谱感知的测量，检测得到包括授权用户的临时频谱空洞、非授权频带的占用情况和预估的可占用时间的频谱可靠性的当前可用频带的各项信息，同时对接收信号进行处理后，将认知数据包传递到认知流传输专用管理实体，提取其中可能包含的认知广播信息。

认知流传输控制单元综合考虑当前时刻的传输需求和本地/公共传输资源，选择合理的配置方案。例如在有多个数据流正在传输中，且其中对认知信息实时性需求不高时，可以采用兼容扩展方案，减少工作中的物理信道类型，节省处理开销。

步骤2，认知流传输控制单元对网络环境进行分析与决策：认知终端的认知流传输专用管理实体基于本地无线环境认知结果，分析和判断当前网络是否存在对认知节点进行集中式辅助控制的认知基站、或者认知节点检测到两种网络工作形式同时存在时，则因集中式能够提供下行广播信道用作额外的控制通道，基于可靠性分析优先选择集中式网络工作模式，降低自主检测与决策和本地开销的工作量，简化处理与节省功耗，藉由与基站的更多交互，实现网络环境的认知和传输策略的决策；只有接入失败或不存在集中式基站时，才进入分布式网络工作模式，保持相对高质量的测量和自适应工作能力，以节点发现机制与周边节点实现交互和传输数据。本发明的可靠性分析是认知节点基于已认知到的当前其他认知节点的分布情况、认知基站的承载能力，频谱可用资源，以及认知流的传输质量要求的各种信息，推断认知基站能够提供持续服务的可靠性，以避免状态的频繁切换；然后，认知流传输专用管理实体基于选定的网络模式，配置认知流传输经过的无线链路层的认知信息数据包处理方式、物理层的物理信道承载方式及传输信道类型的各种参数。

该步骤中的集中式网络工作模式是认知节点检测到存在认知基站，且能读取专用广播信道的网络信息，获取到包括认知基站检测的较大范围内的动态频谱信息，活跃链路信息的不可本地直接认知的各种信息等等。集中式模式下的认知节点与基站的交互流程是(参见图5所示)：

(21)认知节点基于认知基站的广播信息，再结合包括本地的各种本地认知信息(例如本地可用频段、估计的频段可占用时间与周围节点分布等)，以及接入分布式模式的可行性估计，以优先考虑集中式为准则做出接入决策：认知节点向认知基站发送包括传输需求、本地无线环境和分布式接入机会的相应信息的接入请求；

(22)认知基站中的认知流专用控制实体采用集中式媒体接入控制MAC机制，对所有的接入请求划分优先级，做出接入控制决策并分配相应的资源后，广播该接入决策消息。所述MAC机制通常是以竞争式为基础或采用博弈论方法。

(23)如果允许接入，则认知节点中的认知流专用控制实体根据所分配的资源，重新配置链路层和物理层的各个功能实体和信道，建立传输链路；如果本次接入失败，则推迟集中式接入，或在满足相应条件时转为分布式接入模式。

该步骤中的分布式网络模式是在认知节点没有检测到认知基站的存在，或者不满足集中式接入条件时执行的，它的认知节点与基站或其他认知节点的交互流程是(参见图6所示)：

(2A)节点基于频谱感知执行本地无线环境的认知操作，并在选定的可用频谱上发送接入请求，同时启动等待响应的计时；如果超过设定计时门限T_resend，则重发该接入请求；如果重发次数超过设定接入次数门限N_restart，则重新检测无线环境和选定新的频谱位置。

(2B)其他认知节点接收到接入请求后，根据其目的位置决定是否反馈响应；如果自身是目的节点，则生成接入响应，并根据本地认知信息填写其中包括资源可用情况与目的节点等待时效的相关信息，以支持源节点对传输链路可靠性的估计。

(2C)源节点如果在设定时间窗(N_restart×T_resend)内接收到接入响应，则在该消息设定时效范围内完成分析和生成接入确认，并在传输可靠性较高且与传输需求相应匹配时，发送该包含重配置信息的接入确认；否则，发送取消接入响应或推迟接入响应的接入确认。

(2D)目的节点如果接收到接入确认，则按照其中信息对认知流传输功能实体和信道进行重配置；如果未接收到接入确认，则本次操作失败。

步骤3，认知流传输专用管理实体基于选定的网络工作模式配置认知流的传输参数：包括下述两种无线链路层处理认知信息数据包的方式、物理层承载物理信道的方式和传输信道类型：

兼容扩展方式：它是基于现有传统功能实体和信道，通过协议扩展来承载认知信息数据包。具体是在链路层扩展现有数据包处理协议，增加引导至“认知流专用逻辑信道”的标识；物理层则是使用传统传输信道和物理信道承载，将认知信息作为传统数据包进行处理；该方式的协议兼容性强，但传输性能受限于传统传输控制实体。

专用模块方式：它是在物理层分别增加认知专用的数据物理信道和控制物理信道，前者是直接承载认知信息数据包的物理数据信道，后者用于辅助实现认知信息数据包传输链路的控制和维护，承载链路交互信息。该两个认知专用物理信道需要映射到认知流专用传输信道，即为增设的专用功能实体和信道，以便最大限度满足认知信息传输的需求。

步骤4，规范与定义认知流传输控制消息：各个认知节点的认知流传输专用管理实体之间通过交互的认知流传输控制消息完成认知流的传输控制。

上述步骤2中，认知流传输控制单元应综合考虑当前时刻的传输需求和本地/公共的传输资源，选择合理的配置方案。例如在有多个数据流正在传输中，且其中对认知信息实时性需求不高时，可以采用兼容扩展方案，以减少工作中的物理信道类型，节省处理开销。

本发明各节点的认知流传输专用管理实体之间，通过消息交互完成对认知流传输的控制，因此需要对认知流传输控制消息进行规范。本发明定义了三种认知流传输控制消息，分别说明如下：

链路控制消息LinkCtrlMsg，主要用于确认和管理认知节点间的通信链路，包括：链路建立或删除请求、链路建立或删除响应、链路状态查询、链路配置更新请求或/响应、以及链路失败指示消息。

资源需求或协商消息ResNegMsg，主要用于节点协商或广播的涉及无线资源分配的请求或响应，包括：本地可用频谱状态消息、本地频谱资源需求消息、频谱预留请求或响应、本地主用户干扰强度与集中式分配方案等等相关信息。

认知信息查询或反馈消息CogInfoInq/FedMsg，主要用于获取其他节点的认知信息和其他信息：决策历史查询或响应，包括推理学习模式、跨层自适应能力的各种认知能力的查询或反馈消息等。

本发明已经进行了多次实施试验，下面简要描述一个实施例的试验情况。

参见图7，介绍实施例的认知无线网络的应用场景，左侧三个认知节点构成认知流传输的分布式网络模式，右侧的认知基站和认知节点则构成认知流传输的集中式网络交互模式。

参见图8，介绍在具备认知基站的集中式网络模式下采用兼容扩展方案的本发明网络***及其所采用的控制认知流传输方法的一个典型过程。图中，左侧是认知基站内部的各个分层认知流传输管理模块，右侧是某个认知节点K的内部模块示意图。在该场景下认知节点(如图7中的节点4)检测到存在认知基站，且满足上述的接入准则。

因认知基站存在，并在专用广播信道周期发送广播消息，认知节点就可以基于该消息在指定的可用频谱上发起接入请求。假定认知流传输需求(数据量、时延等)与常规控制流或数据流的传输过程没有很大差异，为减小管理开销，认知流传输专用管理实体选择“兼容扩展方案”，即在链路层基于协议扩展将认知信息数据包包含在已有传输块中，通过传统传输信道传递给物理层，再经过常规物理信道的处理发送到空口。认知基站也通过常规物理信道方式接收，进行相应的逆操作，解析出认知信息数据包后，在认知流传输专用管理实体的控制下，通过认知流专用逻辑信道发送到上层统一表述模块。从而完成认知流传输的控制和处理过程，随后由智能认知功能架构中的各具体模块提取所需信息。

再参见图9，介绍在分布式网络模式下本发明网络***及其控制认知流传输的一个典型过程：图中左侧是认知节点A的分层认知流传输管理模块，右侧是认知节点B的内部模块示意图。该场景说明不存在认知基站，或者认知基站存在但不能满足上述的接入准则，或者认知节点接入失败，最终都转为分布式网络模式(如图7中的节点1与2)。

分布式场景下，节点间需要更多的动态交互，且初始消息的处理时延可靠性要求较高，数据量较小；但是链路建立成功后，由于节点需要更多的本地分析和决策，因此认知信息数据包的传输要求也要高于常规数据流。因此这里假定认知流专用管理实体基于上述考虑选择“专用模块方案”，由该实体直接负责链路层的数据包处理，并通过专用传输信道向物理层专用认知物理数据信道发送传输块，同时配置认知专用物理控制信道。在通信对端采用类似的逆操作获取认知信息数据包。该数据包或包含上层所需认知信息，须经认知流专用逻辑信道传递给上层；或者是在链路层专用管理实体间的交互控制消息，如前所述，包括链路控制消息，资源管理消息，认知信息查询/反馈消息。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种具有认知无线电功能的认知无线网络***，包括基站或无线接入点，以及用户终端；其特征在于：所述基站或无线接入点、终端都具有认知无线电功能，且都分别采用分层协议栈在其物理层，无线链路层和高层增设功能实体和分别构建集中式和分布式的物理传输信道，并基于认知流的通用控制信道，将认知节点通过物理信道获取的数据和参数都统一表征为认知无线***中智能推理和决策的各个功能实体能够处理的信息，再通过各功能实体和信道的联合处理，实现认知信息的高效、可靠传输；其中，

高层，负责解析和处理业务数据或控制信息，以使其与现有分层协议结构相兼容，并采用分层分解对认知节点的交互操作实现有效与可靠的控制与优化；设有直接连接具有跨层重构和智能决策的各个认知功能单元的认知信息统一表征实体和传统控制/业务消息转换接口；其中，认知信息统一表征实体负责在语法层次对认知信息内容和结构采用包括网络本体语言OWL或语意规则语言SWRL的通用结构化本体语言实现归一化描述；因该两种语义表述语言的语法格式基于扩展标记语言XML，故认知信息统一表征实体采用XML统一认知信息格式，能够在语法层面支持基于策略或案例智能认知***的推理与学习；传统控制/业务消息转换接口负责将来自传统网络的未采用统一表征描述的认知信息转换为传统控制面/业务面消息；

无线链路层，用于管理不同类型信息的数据包：包括生成与解析数据包的包格式、基于无线资源和传输需求进行调度和控制执行物理层收发的各种传输参数；因承载的信息内容和传输质量的差异巨大，故无线链路层设有下述四种不同功能实体分别管理认知信息控制流和认知业务流的传输：认知流专用逻辑信道CFCH、认知流传输专用管理实体CFME、认知流专用传输信道CFTrCH和传统传输信道TrCH；且能够对传统链路管理实体通过扩展协议而增加逻辑信道类型标识，用于支持将认知信息以传统数据包形式承载于传统传输信道；

物理层，负责频谱感知与检测的测量操作，以及物理收发参数的重配置与传输方案的实施；为适应动态、复杂的网络环境和与专用传输信道CFTrCH相匹配，设有认知专用物理数据信道C-DPDCH和认知专用物理控制信道C-DPCCH，前者是基于认知无线电/软件无线电技术的认知信息数据包的专用承载信道，具有很高的链路自适应能力；后者用于通信对端的接收处理与建立辅助物理链路，以及承载认知信息数据包的各种传输参数。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于：所述认知信息特点是繁杂、冗长，动态变化性强，包括来自异构网络的网络状态、网络资源和网络负载的各种信息，感知到的无线环境、网络环境、包括用户需求、环境特征、网络和用户的配置参数和性能的信息，以及来自认知节点内部包括传输层的网络拥塞信息、网络层的路由信息、链路层的调度信息、传输块格式、重传信息和队列长度、物理层的功率、干扰、码字和子载波的各层信息；采用统一、齐全、规范、科学的数学表征后，认知信息就形成能够量化、识别的离散环境情景参数的集合。

3.根据权利要求1所述的***，其特征在于：所述无线链路层中四个不同实体的功能是：

认知流专用逻辑信道CFCH是无线链路层与高层之间的逻辑信道，用于将无线链路层解析后的认知信息数据包快速、有效地直接通过该逻辑信道传递给高层的认知信息统一表征实体；

认知流传输专用管理实体CFME是控制认知节点间交互的过程的关键部件，以认知信息数据包为对象，具有两方面功能：负责处理和生成节点间的认知流控制消息，包括链路建立请求/响应，由空闲频带和传输时间组成的无线资源的请求/确认；以及基于本地认知节点间的交互，配置本地无线链路层和物理层对认知流的传输参数：在无线链路层根据认知信息数据包的传输质量要求，选择利用扩展协议方式通过传统传输/物理信道发送，或者通过专用认知信息数据包处理实体发送；根据频谱感知和无线环境测量结果，对物理层配置包括对带外公共频段或授权频带空洞选择的物理信道和收发方式；

认知流专用传输信道CFTrCH和传统传输信道TrCH，都用作无线链路层与物理层之间的传输信道，前者与物理层的认知专用物理信道相对应，是完全符合认知信息数据包传输特性需求的信道类型，并支持将来自传统物理信道中的认知信息传递到认知流传输专用管理实体；后者是符合现有协议规范、传送业务流或控制流数据包的通道，在兼容扩展模式下，也用于传输包含认知信息的传统数据包。

4.根据权利要求1所述的***，其特征在于：所述认知信息统一表征实体的工作过程是：发送认知信息时，先将符合OWL逻辑描述规则的包括参数和逻辑的认知信息发送到OWL/XML编码模块，由该编码模块按照XML格式将认知信息转换为OWL/XML消息后，通过比特信息映射模块将XML消息转换为认知信息比特，再经由认知流专用逻辑信道传递给链路层的数据包管理模块，生成待发送的认知信息数据包；接收认知信息数据包过程是上述逆向处理过程，由OWL/XML解析模块提取相应认知信息中的标记属性及参数值。

5.一种采用权利要求1所述的认知无线网络***的认知流传输方法，其特征在于：先由认知节点基于频谱感知测量以及涉及当前位置的基站分布、主用户平均干扰强度的各种历史网络信息，得到当前的本地无线环境信息；位于链路层的认知流传输专用管理实体分析该本地无线环境信息和各节点传输需求，根据设定准则相应选择进入集中式或分布式的网络工作模式，并设置对应的各个功能实体与信道的配置参数，即认知流传输控制指令；除非因资源受限，无法成功接入集中式网络工作模式时，才转为分布式网络工作模式和执行相应的认知流传输控制指令；然后，各层功能实体与信道都分别按照设置参数执行其传输控制操作；一旦出现链路传输失败，则重新开始执行上述过程。

6.根据权利要求5所述的认知流传输方法，其特征在于：所述方法包括下列操作步骤：

(1)认知本地无线环境：认知终端的物理层通过频谱感知的测量，检测得到包括授权用户的临时频谱空洞、非授权频带的占用情况和预估的可占用时间的频谱可靠性的当前可用频带的各项信息，同时对接收信号进行处理后，将认知数据包传递到认知流传输专用管理实体，提取其中可能包含的认知广播信息；

(2)认知流传输控制单元对网络环境进行分析与决策：认知终端的认知流传输专用管理实体基于本地无线环境认知结果，分析当前网络是否存在对认知节点进行集中式辅助控制的认知基站；如果存在，则优先选择集中式网络工作模式，降低自主检测和决策的工作量，简化处理与节省功耗，藉由与基站的更多交互，实现网络环境的认知和传输策略的决策；如果不存在，则进入分布式网络工作模式，保持相对高质量的测量和自适应工作能力，以节点发现机制与周边节点实现交互和传输数据；

(3)认知流传输专用管理实体基于选定的网络工作模式配置认知流的传输参数：包括无线链路层处理认知信息数据包的方式，物理层承载物理信道的方式和传输信道类型；

(4)规范与定义认知流传输控制消息：各个认知节点的认知流传输专用管理实体之间通过交互的认知流传输控制消息完成认知流的传输控制。

7.根据权利要求6所述的认知流传输方法，其特征在于：当认知节点检测到两种网络工作形式都存在时，因集中式能够提供下行广播信道用作额外的控制通道，故认知节点应基于可靠性分析优先选择集中式工作模式，以减少本地开销；只有接入失败时，才转为分布式工作模式；所述可靠性分析是认知节点基于已认知到的当前其他认知节点的分布情况、认知基站的承载能力，频谱可用资源，以及认知流的传输质量要求的各种信息，推断认知基站能够提供持续服务的可靠性，以避免状态的频繁切换；然后，认知流传输专用管理实体基于选定的网络模式，配置认知流传输经过的无线链路层的认知信息数据包处理方式、物理层的物理信道承载方式及传输信道类型的各种参数。

8.根据权利要求6所述的认知流传输方法，其特征在于：所述步骤(2)中，

当检测到存在认知基站，且认知节点能读取专用广播信道的网络信息，获取到包括认知基站检测的较大范围内的动态频谱信息，活跃链路信息的不可本地直接认知的各种信息时，集中式网络工作模式下的认知节点与基站的交互流程是：

(21)认知节点基于认知基站的广播信息，再结合包括本地可用频段、估计的频段可占用时间与周围节点分布的各种本地认知信息，以及接入分布式模式的可行性估计，以优先考虑集中式为准则做出接入决策：认知节点向认知基站发送包括传输需求、本地无线环境和分布式接入机会的相应信息的接入请求；

(22)认知基站中的认知流专用控制实体采用集中式媒体接入控制MAC机制，对所有的接入请求划分优先级，做出接入控制决策并分配相应的资源后，广播该接入决策消息；所述MAC机制是以竞争式为基础或采用博弈论方法；

(23)如果允许接入，则认知节点中的认知流专用控制实体根据所分配的资源，重新配置链路层和物理层的各个功能实体和信道，建立传输链路；如果本次接入失败，则推迟集中式接入，或在满足相应条件时转为分布式接入模式；

当认知节点没有检测到认知基站的存在，或者不满足集中式接入条件，分布式网络工作模式下的认知节点与基站的交互流程是：

(2A)节点基于频谱感知执行本地无线环境认知操作，并在选定的可用频谱上发送接入请求，同时启动等待响应的计时；如果超过设定计时门限T_resend，则重发该接入请求；如果重发次数超过设定接入次数门限N_restart，则重新检测无线环境和选定新的频谱位置；

(2B)其他认知节点接收到接入请求后，根据其目的位置决定是否反馈响应；如果自身是目的节点，则生成接入响应，并根据本地认知信息填写其中包括资源可用情况与目的节点等待时效的相关信息，以支持源节点对传输链路可靠性的估计；

(2C)源节点如果在设定时间窗(N_restart×T_resend)内接收到接入响应，则在该消息设定时效范围内完成分析和生成接入确认，并在传输可靠性较高且与传输需求相应匹配时，发送该包含重配置信息的接入确认；否则，发送取消接入响应或推迟接入响应的接入确认；

(2D)目的节点如果接收到接入确认，则按照其中信息对认知流传输功能实体和信道进行重配置；如果未接收到接入确认，则本次操作失败。

9.根据权利要求6所述的认知流传输方法，其特征在于：所述步骤(3)中，无线链路层处理认知信息数据包及物理层承载比特流都设有下述两种方式：

兼容扩展方式是基于现有传统功能实体和信道，通过协议扩展来承载认知信息数据包：链路层扩展现有数据包处理协议，增加引导至认知流专用逻辑信道的标识；物理层使用传统传输信道和物理信道承载，将认知信息作为传统数据包进行处理；该方式的协议兼容性强，但传输性能受限于传统传输控制实体；

专用模块方式是在物理层分别增加认知专用的直接承载认知信息数据包的物理数据信道，以及用于对信息数据包传输链路实现辅助控制和维护，承载链路交互信息的物理控制信道；该两个认知专用物理信道映射到认知流专用传输信道，需要增设专用功能实体和信道，以便最大限度满足认知信息传输的需求。

10.根据权利要求6所述的认知流传输方法，其特征在于：所述认知流传输控制消息设有下述三种：

链路控制消息LinkCtrlMsg，用于确认和管理认知节点间的通信链路，包括：链路建立或删除请求、链路建立或删除响应、链路状态查询、链路配置更新请求或/响应、以及链路失败指示消息；

资源需求或协商消息ResNegMsg，用于节点协商或广播的涉及无线资源分配的请求或响应，包括：本地可用频谱状态消息、本地频谱资源需求消息、频谱预留请求或响应、本地主用户干扰强度与集中式分配方案的相关信息；

认知信息查询或反馈消息CogInfoInq/FedMsg，用于获取其他节点的认知信息和其他信息：决策历史查询或响应，包括推理学习模式、跨层自适应能力的各种认知能力的查询或反馈消息。

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