專利名稱：一種基于跳頻的跨層認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)用戶接入方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種特別用于將多個不同的用戶接入到認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的實現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
目前隨著無線通信服務(wù)的需求日益增長，無線頻譜資源日趨緊張，為提高頻譜利用率，一個嶄新的概念“頻譜空穴”(Spectrum Holes)被提出，即“一個頻譜空穴是分配給授權(quán)用戶的頻帶，但是，在某一指定時間和空間，在授權(quán)用戶不占用這一頻帶的情況下，此頻帶可以被其他用戶使用?！边@樣，頻譜資源的潛在利用率可以得到明顯提高。認(rèn)知無線電 (Cognitive Radio)技術(shù)被認(rèn)為是未來探測頻譜空穴特性、高效利用無線頻譜的主要手段。 認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)能通過主動地感知無線頻譜使用情況、認(rèn)知無線環(huán)境、自適應(yīng)地重配置網(wǎng)絡(luò)資源、工作模式與參數(shù)，進(jìn)而實現(xiàn)與周邊無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作的目標(biāo)。因此，具有認(rèn)知無線電能力、重配置能力的新一代智能認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)成為研究的重點(diǎn)。在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)(Cognitive Radio Network，CRN)中，有兩類用戶一類是被授權(quán)使用某頻段的用戶稱為授權(quán)用戶，或者主用戶(Primary User, PU)，它擁有頻譜的絕對使用權(quán)；另一類是沒有被授權(quán)使用頻譜的用戶稱為非授權(quán)用戶，或者認(rèn)知用戶、次用戶(kcondary User, SU)，它須以不影響主用戶的正常通信為前提，選擇空閑頻段進(jìn)行通信。認(rèn)知無線電技術(shù)通過感知在時間、頻率和空間上的空閑機(jī)會，以O(shè)SS(opportunistic spectrum sharing，機(jī)會頻譜共享)方式實現(xiàn)對頻譜的有效利用。機(jī)會頻譜共享是指次用戶能夠通過高敏感度的設(shè)備感知頻譜變化并自動監(jiān)測主用戶的行為。如果次用戶能夠掌握網(wǎng)絡(luò)內(nèi)主用戶的信道接入行為，它就可以靈活、動態(tài)地使用這些頻譜；更重要的是，采用機(jī)會頻譜共享方式，不需要改變原主用戶的協(xié)議，即不需要讓主用戶知道次用戶的存在，就可以在不干擾主用戶正常使用授權(quán)頻段的情況下，與主用戶共享頻譜，這使得認(rèn)知無線電技術(shù)更加容易應(yīng)用到實際系統(tǒng)中。認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中一旦有空閑的主用戶頻譜就可分配給次用戶接入網(wǎng)絡(luò)開始通信，但是如何感知到主用戶的空閑頻譜及如何把空閑頻譜信息傳遞給次用戶仍是一個難題。同時，由于無線環(huán)境隨時間和空間變化，網(wǎng)絡(luò)需要跟蹤變化，并通過操作頻段、調(diào)制方式、傳輸功率等的改變實現(xiàn)頻譜環(huán)境的自適應(yīng)，因此目前針對認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)用戶接入機(jī)制進(jìn)行的研究都是提出采用動態(tài)頻譜接入策略(DSA，Dynamic Spectrum Access)。但由于頻譜的動態(tài)變化性，主用戶可能隨時都會出現(xiàn)，而一旦主用戶出現(xiàn)，次用戶就要立即采取退避措施，如果次用戶頻繁地進(jìn)行退避，不僅會在短時間內(nèi)對主用戶造成干擾，而且會影響次用戶的QoS (服務(wù)質(zhì)量)從而降低整個網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量。另外，現(xiàn)有的研究提出的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)用戶接入技術(shù)主要基于MAC層的預(yù)約和沖突避免的自適應(yīng)方法，沒有充分考慮底層監(jiān)測信息的共享，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)開銷大且效率不高
發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)用戶接入技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種分簇的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其節(jié)點(diǎn)的跨層體系結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上提出了一種基于跳頻的跨層認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)用戶接入方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)由主用戶網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知用戶(次用戶)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，整個網(wǎng)絡(luò)按主用戶基站的服務(wù)范圍分為多個主用戶網(wǎng)絡(luò)，每個主用戶網(wǎng)絡(luò)由一個主用戶基站和多個主用戶、及多個認(rèn)知基站(次用戶基站)構(gòu)成，基于跳頻的跨層用戶接入方法包括以下幾個步驟
步驟一、網(wǎng)絡(luò)初始化及認(rèn)知簇的形成。在此階段，主用戶網(wǎng)絡(luò)已建立，并允許多個認(rèn)知用戶(次用戶)進(jìn)入到主用戶網(wǎng)絡(luò)內(nèi)利用主用戶的空閑頻段進(jìn)行通信，通過對主用戶網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的認(rèn)知用戶進(jìn)行分簇形成多個認(rèn)知簇，并給出網(wǎng)絡(luò)內(nèi)唯一的簇號與簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)編號，在認(rèn)知簇內(nèi)由認(rèn)知基站對該簇進(jìn)行管理，并與主用戶基站維持連接，所有主用戶和認(rèn)知基站的通信都通過主用戶基站進(jìn)行控制與轉(zhuǎn)發(fā)，同時主用戶基站與認(rèn)知基站保持連接；網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的認(rèn)知用戶按認(rèn)知基站的服務(wù)范圍進(jìn)行劃分，分為多個簇，每一個簇中由一個簇首和多個簇節(jié)點(diǎn)組成，每一個認(rèn)知基站都與一個主用戶基站保持連接并由該主用戶基站進(jìn)行控制管理， 簇內(nèi)所有認(rèn)知用戶的通信都由認(rèn)知基站進(jìn)行控制與管理；
步驟二、網(wǎng)絡(luò)頻譜感知與信道資源管理。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)開始運(yùn)行后，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的主用戶基站對所有主用戶的通信進(jìn)行管理控制，首先通過在物理層上對主用戶進(jìn)行監(jiān)測與感知從而得到空閑的頻譜信息，并通過正交頻分多址(OFDMA)技術(shù)將不連續(xù)的多個空閑頻譜進(jìn)行整合并劃分為多個可用的空閑信道，然后將可用信道資源信息上傳到MAC層，由MAC層對其進(jìn)行管理，最后主用戶基站將可用信道資源信息傳遞給各認(rèn)知基站，且不斷地對可用信道資源信息進(jìn)行更新維護(hù)；
步驟三、認(rèn)知用戶的接入控制與通信。當(dāng)認(rèn)知基站收到主用戶基站傳來的空閑信道信息后，根據(jù)空閑的頻段信息利用跳頻技術(shù)產(chǎn)生多個跳頻圖案，并將這些跳頻圖案動態(tài)地分配給需要進(jìn)行通信的認(rèn)知用戶，認(rèn)知用戶按跳頻圖案在不同的時刻使用不同頻段進(jìn)行跳變通信從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的接入。本發(fā)明的有益效果是
本方法中主用戶基站通過對主用戶進(jìn)行監(jiān)測與感知得到空閑頻譜，能很好地檢測到頻譜使用情況，充分地利用頻譜；然后主用戶基站將檢測到空閑的頻譜信息發(fā)給認(rèn)知基站，由認(rèn)知基站依此產(chǎn)生跳頻圖案，并通過跨層信息的共享，認(rèn)知用戶在空閑的頻段上快速跳變通信以此實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)接入，而不需要頻繁地在主用戶頻段上退避，且通過不斷地快速跳變能避免對主用戶產(chǎn)生干擾；因此，本方法具有網(wǎng)絡(luò)開銷小、頻譜利用率高、干擾小、用戶接入方式靈活高效的優(yōu)良效果。


圖1是本發(fā)明認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)分簇結(jié)構(gòu)圖2是本發(fā)明認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的跨層體系結(jié)構(gòu)圖； 圖3是本發(fā)明認(rèn)知用戶的跳頻圖案； 圖4是本發(fā)明認(rèn)知用戶的請求幀格式； 圖5是本發(fā)明認(rèn)知基站的確認(rèn)幀格式；圖中PUN為主用戶網(wǎng)絡(luò)，CRN為認(rèn)知簇(次用戶網(wǎng)絡(luò))，PUBS為主用戶基站，CRBS為認(rèn)知基站(認(rèn)知簇首)，PU為主用戶，SU為次用戶(認(rèn)知用戶)，Chi, i=l，2，3，...，h為可用信道也就是主用戶空閑的頻段，每個頻段的持續(xù)時間為T , CRNj-SUx j=l,2,...r圖中r=3，x=l，2，3…y，y=k，η, m為節(jié)點(diǎn)地址信息，由簇號與節(jié)點(diǎn)編號構(gòu)成；幀連接類型包括節(jié)點(diǎn)連接請求幀(Req)、基站連接請求幀(BS-Req)、節(jié)點(diǎn)響應(yīng)幀(CR-Ack),基站響應(yīng)幀 (BS-Ack )、數(shù)據(jù)幀(Data )、連接釋放幀(Re 1)。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的基于跳頻的跨層認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)用戶接入方法作進(jìn)一步的詳述。其具體的實現(xiàn)方法步驟如下
步驟一、網(wǎng)絡(luò)初始化及認(rèn)知簇的形成；網(wǎng)絡(luò)初始化是指在已建立的主用戶網(wǎng)絡(luò)中通過分簇形成次用戶網(wǎng)絡(luò)。如圖1所示，一個主用戶網(wǎng)絡(luò)中包含了一個主用戶基站PUBS和i個主用戶PU，在網(wǎng)絡(luò)初始化階段有多個認(rèn)知用戶加入，包括認(rèn)知基站(CRBS)和多個認(rèn)知用戶 (SU)。首先，認(rèn)知基站CRBS通過對周圍環(huán)境的認(rèn)知推理得到最近的主用戶基站PUBS信息并向其發(fā)出連接請求，主用戶基站對其進(jìn)行編號并給出響應(yīng)，響應(yīng)信息中包含了簇號和簇首認(rèn)知基站號(CR 和CRBh J=I, 2,... r,圖中r=3)，同時使用一個固定的公共控制信道與認(rèn)知基站CRBh進(jìn)行通信；其次，認(rèn)知基站CRBh將廣播一個簇消息，該消息包括簇號CRNj 與簇首編號信息CRB。，當(dāng)認(rèn)知用戶節(jié)點(diǎn)收到簇信息后將選擇一個最近的簇首作為自己的認(rèn)知基站，并向其發(fā)出連接請求，認(rèn)知基站接受請求并對該認(rèn)知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(CR -SUX， j=l, 2，· · · r,x=l, 2，3…y，y=k，η, m)，同時發(fā)出包含節(jié)點(diǎn)編號的確認(rèn)信息；最后，認(rèn)知基站 (簇首)收集到所有認(rèn)知用戶(簇內(nèi)節(jié)點(diǎn))信息后建立其簇成員列表，并將簇成員信息(簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù))傳遞給主用戶基站同時開始監(jiān)聽其簇成員用戶的消息。步驟二、網(wǎng)絡(luò)頻譜感知與信道資源管理；認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)采用了跨層的感知推理及信息共享技術(shù)，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)跨層體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)完成初始化后就進(jìn)入到網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行階段，在此階段，首先，因為主用戶網(wǎng)絡(luò)中所有主用戶的通信都要通過主用戶基站的轉(zhuǎn)發(fā)與控制，所以主用戶基站在網(wǎng)絡(luò)物理層上利用環(huán)境感知推理模塊對主用戶進(jìn)行監(jiān)測與感知可得到其狀態(tài)信息(忙或閑)，并根據(jù)其狀態(tài)信息可得到空閑的主用戶頻譜列表；其次，主用戶基站對空閑頻譜進(jìn)行處理，在物理層上采用OFDMA技術(shù)將不連續(xù)的多個主用戶空閑頻譜進(jìn)行整合并劃分為多個子信道，得到可用信道資源信息，如信道列表 {CHI, CH2, CH3,…..CHj并上傳到MAC層，由MAC層的信道資源管理模塊對其進(jìn)行管理，并通過自適應(yīng)信道分配模塊進(jìn)行跳頻圖案的選擇，將其提供給用戶進(jìn)行接入時使用；最后主用戶基站將信道列表傳遞給各認(rèn)知基站，同時不斷地對主用戶進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)主用戶狀態(tài)變化時就對信道列表進(jìn)行更新，并將更新后的信道列表傳遞給各認(rèn)知基站。步驟三、認(rèn)知用戶的接入控制與通信；認(rèn)知基站收到主用戶基站傳來的可用信道列表后，利用跳頻技術(shù)從可用信道中產(chǎn)生相應(yīng)的多個跳頻圖案，如圖3所示。在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中，網(wǎng)絡(luò)認(rèn)知用戶的接入過程為當(dāng)某個簇內(nèi)的認(rèn)知用戶節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行通信時，先在公共控制信道上向簇首認(rèn)知基站發(fā)出呼叫連接請求，該請求中包含了節(jié)點(diǎn)的編號地址信息， 請求信息幀如圖4所示；當(dāng)認(rèn)知基站收到該信息后給出響應(yīng)確認(rèn)消息，該確認(rèn)消息中包含了分配給該用戶的跳頻圖案，確認(rèn)幀格式如圖5所示；當(dāng)認(rèn)知用戶接收到確認(rèn)信息后，雙方建立連接實現(xiàn)通信，認(rèn)知用戶利用分配的跳頻圖案去控制本地頻率合成器使其輸出頻率在可用信道里按跳頻圖案進(jìn)行隨機(jī)跳躍地變化，在不同的時刻使用不同的頻段傳輸數(shù)據(jù)，認(rèn)知基站同步地按相同的跳頻圖案進(jìn)行跳變通信以實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完畢后釋放連接，認(rèn)知基站收回該跳頻圖案并將其用于下一個需要通信的認(rèn)知用戶；如果是認(rèn)知基站轉(zhuǎn)發(fā)信息到某個認(rèn)知用戶節(jié)點(diǎn)，則由認(rèn)知基站發(fā)出通信連接請求，該請求中包含了認(rèn)知基站的編號地址信息和跳頻圖案，格式與其確認(rèn)幀格式相同，認(rèn)知用戶接收到后給出確認(rèn)信息， 雙方建立連接，并使用跳頻圖案開始進(jìn)行通信，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完畢后釋放連接，認(rèn)知基站收回該跳頻圖案，等待新的呼叫請求。 本發(fā)明是通過具體實施過程進(jìn)行說明的，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，還可以對本發(fā)明專利進(jìn)行各種變換及等同代替，因此，本發(fā)明專利不局限于所公開的具體實施過程，而應(yīng)當(dāng)包括落入本發(fā)明專利權(quán)利要求范圍內(nèi)的全部實施方案。
權(quán)利要求
1. 一種應(yīng)用于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的基于跳頻的跨層用戶接入方法，其特征是認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)由主用戶網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知用戶(次用戶)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，整個網(wǎng)絡(luò)按主用戶基站的服務(wù)范圍分為多個主用戶網(wǎng)絡(luò)，每個主用戶網(wǎng)絡(luò)由一個主用戶基站和多個主用戶、及多個認(rèn)知基站(次用戶基站)構(gòu)成，基于跳頻的跨層用戶接入方法包括以下幾個步驟步驟一、網(wǎng)絡(luò)初始化及認(rèn)知簇的形成；在此階段，主用戶網(wǎng)絡(luò)已建立，并允許多個認(rèn)知用戶(次用戶)進(jìn)入到主用戶網(wǎng)絡(luò)內(nèi)利用主用戶的空閑頻段進(jìn)行通信，通過對主用戶網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的認(rèn)知用戶進(jìn)行分簇形成多個認(rèn)知簇，并給出網(wǎng)絡(luò)內(nèi)唯一的簇號與簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)編號，在認(rèn)知簇內(nèi)由認(rèn)知基站對該簇進(jìn)行管理，并與主用戶基站維持連接，所有主用戶和認(rèn)知基站的通信都通過主用戶基站進(jìn)行控制與轉(zhuǎn)發(fā)，同時主用戶基站與認(rèn)知基站保持連接；網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的認(rèn)知用戶按認(rèn)知基站的服務(wù)范圍進(jìn)行劃分，分為多個簇，每一個簇中由一個簇首和多個簇節(jié)點(diǎn)組成，每一個認(rèn)知基站都與一個主用戶基站保持連接并由該主用戶基站進(jìn)行控制管理， 簇內(nèi)所有認(rèn)知用戶的通信都由認(rèn)知基站進(jìn)行控制與管理；步驟二、網(wǎng)絡(luò)頻譜感知與信道資源管理；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)開始運(yùn)行后，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的主用戶基站對所有主用戶的通信進(jìn)行管理控制，首先通過在物理層上對主用戶進(jìn)行監(jiān)測與感知從而得到空閑的頻譜信息，并通過正交頻分多址(OFDMA)技術(shù)將不連續(xù)的多個空閑頻譜進(jìn)行整合并劃分為多個可用的空閑信道，然后將可用信道資源信息上傳到MAC層，由MAC層對其進(jìn)行管理，最后主用戶基站將可用信道資源信息傳遞給各認(rèn)知基站，且不斷地對可用信道資源信息進(jìn)行更新維護(hù)；步驟三、認(rèn)知用戶的接入控制與通信；當(dāng)認(rèn)知基站收到主用戶基站傳來的空閑信道信息后，根據(jù)空閑的頻段信息利用跳頻技術(shù)產(chǎn)生多個跳頻圖案，并將這些跳頻圖案動態(tài)地分配給需要進(jìn)行通信的認(rèn)知用戶，認(rèn)知用戶按跳頻圖案在不同的時刻使用不同頻段進(jìn)行跳變通信從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的接入。
全文摘要
本發(fā)明是一種應(yīng)用于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的基于跳頻的跨層用戶接入方法，屬于無線電網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域；它把主用戶網(wǎng)絡(luò)中的認(rèn)知用戶按認(rèn)知基站服務(wù)范圍劃分為多個簇，每一個簇由一個認(rèn)知基站(簇首)和多個認(rèn)知用戶(簇節(jié)點(diǎn))組成，認(rèn)知基站與主用戶基站保持連接并受其管理，而認(rèn)知用戶的通信都由認(rèn)知基站進(jìn)行控制與管理。通過在網(wǎng)絡(luò)物理層上對主用戶進(jìn)行監(jiān)測與頻譜感知得到相應(yīng)的空閑頻譜信息，在此基礎(chǔ)上利用跳頻技術(shù)產(chǎn)生多個跳頻圖案，并控制認(rèn)知用戶在MAC層上按某個跳頻圖案在不同時刻使用不同頻段進(jìn)行多個空閑信道間的跳變通信，從而實現(xiàn)認(rèn)知用戶的動態(tài)接入；本發(fā)明具有網(wǎng)絡(luò)開銷小、頻譜利用率高、干擾小、用戶接入方式靈活高效的優(yōu)良效果。
文檔編號H04B1/7143GK102404751SQ20111039812
公開日2012年4月4日 申請日期2011年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月5日
發(fā)明者向鳳紅, 彭藝, 楊秀梅 申請人:昆明理工大學(xué)