面向認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)QoS感知與配置方法.pdf

1、隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)越來越復(fù)雜，一些新興通信應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，致使網(wǎng)絡(luò)性能及端到端系統(tǒng)性能得不到保障。受限于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層次化結(jié)構(gòu)的限制，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)元素不能感知其它網(wǎng)絡(luò)元素的各種行為及環(huán)境狀態(tài)，更多地依靠人工干預(yù)，對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力明顯不足，難以滿足人們所希望得到的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)(Cognitive Networks，CN)正是在此需求背景下而產(chǎn)生，并成為網(wǎng)

2、絡(luò)工作者面臨的一個(gè)重要課題。所謂認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)就是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有感知環(huán)境變化和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的能力，根據(jù)整體目標(biāo)及端到端目標(biāo)，通過適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)機(jī)制，利用感知的環(huán)境信息和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)配置，智能地適應(yīng)環(huán)境變化并能指導(dǎo)未來的自主決策。目前，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)作為下一代網(wǎng)絡(luò)(NextGeneration Network，NGN)的核心內(nèi)容和發(fā)展趨勢，其研究正處于起步階段，而認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜程度遠(yuǎn)超過開發(fā)者在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期所預(yù)想的程度，幾乎所有國家

3、在部署下一代網(wǎng)絡(luò)實(shí)施要求時(shí)，都提出了要解決認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)端到端QoS問題。如何建立保障通信的框架結(jié)構(gòu)并提供高效的網(wǎng)絡(luò)QoS以保證認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)端到端性能成為認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的核心內(nèi)容和研究熱點(diǎn)。
　　 本文首先從系統(tǒng)框架這一宏觀角度出發(fā)，結(jié)合認(rèn)知理念，提出面向認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)QoS框架，為后續(xù)工作的開展打下基礎(chǔ)；然后從邊界網(wǎng)絡(luò)和主干網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)角度分別對認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)QoS數(shù)據(jù)的收集和分析進(jìn)行研究，為下一步的QoS動(dòng)態(tài)自配置提供數(shù)據(jù)支持；最后使用效用函數(shù)對Q

4、oS進(jìn)行表示和區(qū)分，對QoS動(dòng)態(tài)自配置進(jìn)行研究。本文從體系架構(gòu)到數(shù)據(jù)處理分析再到系統(tǒng)配置，構(gòu)建一條保障端到端QoS的途徑，以滿足用戶對認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)QoS的需求。主要研究內(nèi)容組織如下：
　　 首先，本文提出了具有跨層感知能力的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)QoS框架?？紤]到下一代網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)需求，結(jié)合認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)QoS設(shè)計(jì)理念，突破傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)，提出一種自適應(yīng)的QoS框架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)自下而上分為“系統(tǒng)層一服務(wù)層一用戶層”三個(gè)邏輯層次。通過在每個(gè)層次上部

5、署QoS管理單元來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)元素的互操作，建立層間QoS管理單元獨(dú)立通道來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的跨層感知，以實(shí)現(xiàn)一體化的QoS控制。形式化分析結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)QoS框架能夠體現(xiàn)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)跨層感知、自我管理和動(dòng)態(tài)感知等方面設(shè)計(jì)需求。
　　 其次，針對端到端的QoS保障要求，本文從邊界網(wǎng)絡(luò)和主干網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)方面對網(wǎng)絡(luò)QoS數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析。針對邊界網(wǎng)絡(luò)的QoS感知問題，提出了“兩階段”的數(shù)據(jù)處理方法即基于DS證據(jù)理論的QoS數(shù)據(jù)處理(Da

6、taPreprocess，DPP)和動(dòng)態(tài)權(quán)重提升(Dynamic AdaBoost，D-AdaBoost)相結(jié)合的QoS數(shù)據(jù)預(yù)處理方法，將感知到的邊界網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合預(yù)處理，DPP無法處理的數(shù)據(jù)將由D-AdaBoost提升方法對“難分”數(shù)據(jù)進(jìn)行二次分類，達(dá)到根據(jù)多層數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)感知網(wǎng)絡(luò)QoS狀態(tài)的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，“兩階段”的數(shù)據(jù)處理方法不僅能保證分類的精確度，去除不確定性噪聲數(shù)據(jù)帶來的不利影響，有效的避免DPP中的證據(jù)沖突，而且能提高Q

7、oS數(shù)據(jù)分類能力。針對主干網(wǎng)絡(luò)的QoS感知問題，提出了基于中值樹的IP流聚合方法。通過對主干網(wǎng)絡(luò)上的IP數(shù)據(jù)流特點(diǎn)進(jìn)行分析，從“聚”和“合”兩個(gè)角度對主干網(wǎng)絡(luò)IP流進(jìn)行分析，并綜合考慮主干網(wǎng)絡(luò)IP流的統(tǒng)計(jì)特征，給出了IP流特征動(dòng)態(tài)合并的方法。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此方法不僅能在離線情況下高時(shí)效地處理大規(guī)模樣本，而且在在線時(shí)也能通過統(tǒng)計(jì)特征的動(dòng)態(tài)合并準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地反映主干網(wǎng)絡(luò)IP流的特點(diǎn)，為主干網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)QoS保證提供參考。
　　 最后，本

8、文提出了基于效用函數(shù)的QoS動(dòng)態(tài)自配置方法。充分考慮了下一代網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知特性和認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的自我管理能力，提出一種面向認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的用戶QoS動(dòng)態(tài)自配置方法，使用效用函數(shù)對用戶QoS優(yōu)先級進(jìn)行表示和區(qū)分，并采用中斷策略對用戶QoS優(yōu)先級進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，解決網(wǎng)絡(luò)阻塞狀態(tài)下對用戶QoS支持不足的問題，使網(wǎng)絡(luò)用戶群體在當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)條件下獲得最優(yōu)的QoS。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以在一定程度上減輕瓶頸鏈路的擁塞狀態(tài)，降低數(shù)據(jù)包的丟失率，在發(fā)生鏈路堵塞的情況