[发明专利]中心多跳认知蜂窝网络中的信息主动缓存的频谱管理方法

摘要

中心多跳认知蜂窝网络中的信息主动缓存的频谱管理方法，该方法包括建立系统模型，即以信息为中心的多跳认知蜂窝网络模型；建立具有隐藏及动态变化参数的马尔可夫决策过程系统；进行频谱管理最优化。本发明针对解决网络通信量的爆发问题以及用户的焦点从传输文件到获得感兴趣的内容的转变，通过以信息为中心的多跳认知蜂窝网络架构以及动态频谱管理方法，提高了缓存内容的平均命中概率，降低了用户要求的平均跳数，并在考虑了未知的/变化的网络参数以及路由器中的队列状态的情况下将带宽分配给最合适的无线链路，同时通过主动缓存方法将用户未来可能要求的内容推送到离这些用户较近的路由器中，提高了整体性能。

主权项

1.中心多跳认知蜂窝网络中的信息主动缓存的频谱管理方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤1，建立系统模型，即以信息为中心的多跳认知蜂窝网络模型；步骤1.1：建立网络模型；多跳认知蜂窝网络中的认知无线电路由器的总数为E，每个用户属于一个或者多个联盟其中表示所有联盟的集合，表示的大小是Y；由于每个用户设备通过一个路由器接入网络，将每个联盟y中通过路由器e接入的用户的数量表示为u(y,e)；整个时间线被分割为等长度的时隙，每个时隙表示为其中k是一个非负的整数，是第k个时隙的开始；用t_k表示第k个时隙的决策时间点，在内，所有的路由器执行频谱检测，并将检测结果以及它们传输队列中的第一个数据包的状态报告给二级服务供应商；在t_k时刻，二级服务供应商作出频谱分配决定并通知路由器；在内，如果分配到一个子频带，一个路由器就用分配到的子频带传输它的第一个数据包；β^*(k)表示在t_k时刻采集到的可以使用的频谱带宽的总数，u(y,e,k)表示了在联盟y中通过路由器e接入的用户的数量；步骤1.2：建立服务模型；在以信息为中心的多跳认知蜂窝网络中，设定控制、定期、缓存三种类型的通信量，控制信息用于网络管理，缓存数据包携带着从一个网络内缓存转移到另一个网络内缓存的数据，定期数据包负责其他的数据，包含用户的要求、用户数据传输；用表示所有路由器的集合，分别表示了在t_k时刻第一个数据包是控制数据包、定期数据包、缓存数据包的路由器的集合；用表示在t_k时刻传输队列为空队列的路由器的集合，因为控制信息实时要求，控制信息具有最高的优先权；缓存数据包是延时容忍的，因为路由器间的缓存数据的转移对于用户要求来说不是即时响应，对于用户可能的未来兴趣的一种网络主动行为；因此，将缓存数据包的优先权设置得低于定期数据包；每个缓存数据包f包含了属于联盟y的用户的感兴趣的信息，其中是用户都对数据包f感兴趣的联盟的集合；为简单起见，设定固定的缓存数据包的大小；用f_e,e′表示在路由器e的传输队列并且将要传输到目的路由器e′的第一个缓存数据包，f′_e′表示在e′缓存器中具有最低的命中概率的数据；使用一个以信息为中心的路由选择协议为每个缓存数据包f选择一条路线，并且递送这个缓存数据包需要的跳步数用h(f)表示；步骤1.3：建立频谱采集模型；考虑正交频分复用作为物理层的技术，令d_LIC和d_CR(k)分别表示在t_k时刻可用的基础带宽和采集到的带宽；频谱带宽的分配原则用于将基础带宽分配给链路进行传输具有较高优先权的数据包，即将基础带宽先分配给控制数据包，然后分配给定期数据包，将采集到的带宽先用于传输定期数据包，如果还有可使用的带宽再分配给缓存数据包；若用于缓存数据包的可用的采集到的带宽的到达和离开服从泊松过程，μ和v分别作为泊松过程的参数；这样在t_k时刻用于缓存数据包的带宽的数量表示为β(k)，可以将带宽的数量建模为一个马尔可夫过程；由于初级用户和以信息为中心的多跳认知蜂窝网络中的用户的通信量，可用的频谱带宽数量β(k)的分布可能会变化；用μ₁和v₁表示当初级用户繁忙时的频谱带宽到达和离开的速率，用μ₂和v₂表示当初级用户不繁忙或者空闲时的频谱带宽到达和离开的速率，通常情况下，μ₁＜μ₂，v₁＞ν₂；步骤1.4：建立网络缓存模型；步骤2，建立具有隐藏及动态变化参数的马尔可夫决策过程系统；将频谱管理建模成一个具有隐藏及动态变化参数的马尔可夫决策过程，考虑到了问题中出现的不可观测到的参数问题，并且马尔可夫决策过程是指决策者周期地或连续地观察具有马尔可夫性的随机动态系统，能够序贯地作出决策；步骤2.1：构建系统状态；将以信息为中心的多跳认知蜂窝网络作为一个整体目标进行最优化；在每个决策时间点t_k，系统状态s(k)包含E+1个子状态——所有路由器的离散期望值α(e,k)以及可用的频谱带宽数量β(k)，其中期望击中概率的增长定义为期望值这种增长是在时段内通过转移路由器e中传送队列的第一个数据包f_e,e′获得的；其中是除了以外的所有联盟的集合，δ(f_e,e′)是目标缓存指标，定义为K(e)是空队列指标，定义为这个期望值考虑了网络中传送f_e,e′的驿站，如果其成功地到达了目的地e′，那么总的收益为表明通过将f′_e′替换为f_e,e′获得的期望击中概率的增长；对于建模一个马尔可夫决策过程，要用离散的收益α(e,k)代替连续的其中，1≤m≤M‑2；∈_m，1≤m≤M‑1是的门限值；是α(e,k)的现实值；当时，m′表示在t_k+1时刻m的值；并且，令代表在t_k时刻β(k)的现实值；因此系统的状态可以表示成元组元组的大小为(M+1)^E×N；用表示状态空间，其中和分别是α(e,k)和β(k)的状态空间；步骤2.2：建立动作和策略；在每个时刻t_k，第二级服务供应商根据当前的系统状态s(k)计算动作决策，并且向认知无线电路由器广播决策；用a(k)表示在t_k作出的决策，是所有可用动作的集合；a(k)将可用的频谱带宽分配给路由器，因此将a(k)写成[a_e(k)]，来表明每个路由器e的频谱分配动作，因此所有可用的动作的数量为在每个时刻t_k，只有β(k)个带宽可以被分配，因此只有个动作是实际可用的，即在所有的决策时刻点t_k执行动作a(k)，0＜k＜K，对于系统形成一个政策L，其中是所有可用政策的集合；步骤2.3：计算状态转移概率；步骤2.4：提出目标和收益；最优化问题的目标是最大化总的系统收益，写为