專利名稱：分布式頻譜認知無線電網(wǎng)絡中的頻道管理方法
分布式頻譜認知無線電網(wǎng)絡中的頻道管理方法根據(jù)35USC§ 119(e)提出對于2007年12月6日提交的美國臨時專利申請 No. 60/992, 814的優(yōu)先權要求。本發(fā)明總體上涉及無線電網(wǎng)絡中的頻道管理，更特別地，涉及沒有來自中央控制 器的幫助的基于認知無線電的無線網(wǎng)絡中的頻道管理?？梢愿鶕?jù)IEEE 802. 22網(wǎng)絡標準的背景來理解本發(fā)明。IEEE 802. 22和相關外設 的簡要討論相信有助于理解本發(fā)明的貢獻。眾所周知，IEEE 802. 22是IEEE 802LAN/MAN標準委員會工作組，其旨在利用已分 配的TV頻譜中的空白空間(尚未使用的頻道)構造無線區(qū)域網(wǎng)絡(WRAN)。頻譜的使用將 以機會主義的方式進行管理以便不干擾可能正在傳輸?shù)娜魏蜹V頻道。無線區(qū)域網(wǎng)絡的IEEE 802. 22工作組正演變?yōu)镮EEE 802LAN/MAN標準委員會工 作組° 其正式禾爾為 Standard for Wireless Regional AreaNetworks (WRAN)-Specific requirements-Part 22 :Cognitive WirelessRAN Medium Access Control (MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications :Policies and procedures for operation in the TV Bands的項目集中在構造一種一致的國家固定點對多點WRAN，該WRAN將利用54與 862MHz之間的UHF/VHF TV頻帶。特定的TV頻道以及這些頻道的保護頻帶計劃用于在IEEE 802. 22中通信。由于IEEE 802. 22工作組成立于2004年，因此正在做出努力以就PHY/MAC層的特 定功能進行規(guī)范。然而，IEEE與FCC—起似乎正在追求用于可用頻譜發(fā)現(xiàn)的集中式方法。 特別地，每個接入點(AP)將裝備允許報告其位置的GPS接收器。該信息將回送給集中式服 務器(在美國，這些將由FCC進行管理)，所述服務器將以有關AP區(qū)域內(nèi)的可用免費TV頻 道和保護頻帶的信息進行響應。其他的提議將僅允許本地頻譜感測，其中AP將獨自確定哪 些頻道可用于通信。在WRAN拓撲結構中，也可以設想這兩種方法的組合。IEEE 802. 22標準規(guī)定網(wǎng)絡應當工作在點對多點的基礎上(P2MP)。系統(tǒng)將由基站 (BS)和客戶駐地設備(CPE，上面稱為接入點或AP)形成。CPE將通過上述頻率內(nèi)的無線鏈 接附接到BS。BS將控制附接到它的所有CPE的媒體訪問。WRAN基站的一個關鍵特征在于， 它們將能夠執(zhí)行分布式感測。這意味著CPE將感測頻譜并且將發(fā)送周期性報告給BS，向其 通知有關它們感測的內(nèi)容。在收集了信息之后，BS將評估在利用的頻道內(nèi)變化是否必要， 或者相反地，它是否應當在相同頻道內(nèi)保持發(fā)送和接收。換言之，在IEEE 802. 22中，BS充 當中央控制器并且負責頻道管理。PHY 層方法該層的目的是提供優(yōu)秀的、然而簡單的性能。PHY層必須能夠適于不同的條件并且 還需要是靈活的，以便從頻道跳變到頻道而沒有傳輸錯誤或者丟失客戶端(CPE)。該靈活性 也是能夠動態(tài)地調(diào)節(jié)帶寬、調(diào)制和編碼方案所需的。0FDMA將是用于上行和下行鏈路中的傳 輸?shù)恼{(diào)制方案。利用0FDMA，將有可能實現(xiàn)BS和CPE所需的這種快速的調(diào)適。通過使用僅 僅一個TV頻道(TV頻道具有6MHz的帶寬；在一些國家中，它們可用是7或8MHz)，那么在 30km距離處近似的最大比特率為19Mb/s。所實現(xiàn)的速度和距離不足以滿足所述標準的要
4求。特征頻道綁定解決了這個問題。頻道綁定存在于將超過一個頻道用于Tx/Rx。這允許 系統(tǒng)具有更大的帶寬，其將反映在更好的系統(tǒng)性能上。MAC 層方法該層將基于認知無線電技術。它需要同樣能夠通過感測頻譜而動態(tài)地適于環(huán)境的 變化。MAC層將包括兩個結構幀和超幀。超幀將由許多幀形成。超幀將具有SCH(超幀控 制頭部)和報頭。這些將在有可能進行傳輸并且不造成干擾的每個頻道內(nèi)由BS發(fā)送。當 CPE打開時，它將感測頻譜，發(fā)現(xiàn)哪些頻道可用并且將接收所有需要的信息以便附接到BS。 兩種不同類型的頻譜測量將由CPE完成頻帶內(nèi)和頻帶外。頻帶內(nèi)測量存在于感測正由BS 和CPE使用的實際頻道。頻帶外測量將存在于感測其余頻道。MAC層將在頻帶內(nèi)或頻帶外 測量中執(zhí)行兩種不同類型的感測快速感測和精細感測?？焖俑袦y將存在于以小于每頻道 Ims的速度感測。該感測由CPE和BS執(zhí)行，并且BS的感測將收集所有的信息并且將確定 是否存在要做的新事情。精細感測花費更多的時間(近似每頻道.25ms或者更多)并且其 基于先前的快速感測機制的結果而被利用。這些感測機制主要用來識別是否存在現(xiàn)任傳輸 (incumbent transmitting)，以及是否存在避免干擾它的需要。利用最近的用于允許電視頻帶的無許可使用的FCC的NPRM (提議規(guī)則制定通知)， 存在允許新實時應用的日益增長的興趣。FCC正在考慮兩種類別的設備固定/訪問和個 人/便攜式。固定/訪問類型的設備傾向于為高功率并且因而提供長的范圍，也需要集中 式網(wǎng)絡協(xié)議架構，例如IEEE 802. 22中推薦的架構。然而，個人/便攜式類型的設備更類似 于現(xiàn)有的范圍內(nèi)WiFi。與WiFi中不同的是，個人/便攜式設備將很可能用于家庭內(nèi)多媒體 內(nèi)容的分布，從而需要對等的架構。為了使用電視頻道(從傳播特性和提供附加的頻譜的觀點來看，這是吸引人的)， CR必須首先能夠可靠、魯棒和快速地檢測現(xiàn)任用戶的存在性。首先，現(xiàn)有的WiFi網(wǎng)絡不是 認知性的；第二，IEEE 802.22網(wǎng)絡是集中式的，其中所有的頻道管理功能都由中央控制器 進行處理。需要這些功能處于分布式協(xié)議架構中。頻譜捷變/認知無線電技術經(jīng)常需要用來機會式地利用可用頻道。頻譜捷變/認 知無線電網(wǎng)絡中的一個核心設計是頻道切換。設備可以多快地完成頻道切換并且恢復傳輸 在服務質(zhì)量(QoS)提供方面起著關鍵的作用。作為正常的過程，設備在頻道切換之后需要重做網(wǎng)絡進入和初始化，這包括但不 限于以下過程，頻道掃描和設備發(fā)現(xiàn)、網(wǎng)絡關聯(lián)和認證、設備能力否定、頻道預留、會話建 立。每個過程可能花費大量的時間。特別地，頻道掃描和設備發(fā)現(xiàn)花費高達數(shù)分鐘。在IEEE 802. 22中，預先選擇備用頻道的列表以便避免耗時的頻道掃描。然而，即使利用選擇的備用頻道，恢復傳輸?shù)目倳r間可能仍然是不可接受的，對于 像高質(zhì)量AV那樣的延遲敏感應用，尤其如此?？偟木W(wǎng)絡復位時間可能隨著作用于頻道切 換的網(wǎng)絡設備數(shù)量的增加而非線性增加。部分原因在于，一些過程需要使用基于競爭的方 法解決多用戶沖突。例如，在802. 22和WiMedia中，網(wǎng)絡進入信令是基于競爭的。例如，在 802. 22或WiMedia中，假設用于基于競爭的網(wǎng)絡進入的信令窗口是小的且信令窗口之間的 間隔為數(shù)十毫秒，那么用于超過十個用戶的網(wǎng)絡關聯(lián)可能花費數(shù)百毫秒到數(shù)秒。這是不希 望的，并且可以看作頻道掃描風暴問題。本發(fā)明旨在提供沒有中央控制器的基于認知無線電的無線網(wǎng)絡中的頻道管理的問題的解決方案(克服使用中央控制器的現(xiàn)有IEEE802. 22解決方案中的阻礙)。在一種形 式下，在IEEE 802. 22實現(xiàn)方式中，基站充當中央控制器并且負責頻道管理。本發(fā)明在消除 使用中央控制器方面包括步驟識別一組通信設備，其中多媒體流的源可能確定何時無線 網(wǎng)絡應當騰空頻道、去往哪個頻道(這里稱為備用頻道)以及何時主動地掃描備用頻道以 便確保沒有對現(xiàn)有(現(xiàn)任)用戶造成干擾。同時，確保CR無線網(wǎng)絡服務的應用不經(jīng)歷中斷 (即維持其QoS)。為此目的，有利的是，本發(fā)明的一種形式針對使用新MAC超幀結構和信標 方法的頻道管理。本文給出的是一種快速頻道切換方法，假設空備用頻道可用并且網(wǎng)絡設備同步。 本方法的第一特征在于，設備經(jīng)過協(xié)調(diào)以便從舊頻道切換并且經(jīng)過同步以便在新頻道中恢 復傳輸。本方法的第二元素在于，舊頻道中使用的相同設置/狀態(tài)/規(guī)則保留在新頻道中 以便避免耗時的重新建立過程。結果，可以顯著地減少頻道切換時間。本文描述的方法適 用于集中式網(wǎng)絡和分布式網(wǎng)絡。此后描述的是有利于快速頻道切換的方案，其基于空的備用頻道可用這一假設。 假設基于超幀的機制用于媒體訪問控制(或者頻譜訪問控制)。超幀具有固定長度(在時 域中)并且是周期性的。網(wǎng)絡中的所有設備以分布式或集中式方式與網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器同步。網(wǎng) 絡協(xié)調(diào)器可以是802. 22中的基站、Zigbee/802. 15. 4中的PAN協(xié)調(diào)器、藍牙/802. 15. 1中 的主設備、WiMedia中的信標設備或者流源。在分布式信標網(wǎng)絡中，存在多個信標設備(協(xié) 調(diào)器)，但是每個信標設備占用超幀開始處的一個專用信標時隙。網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器通常在超幀開 始時發(fā)送幀控制或信標以用于同步以及規(guī)定超幀結構。超幀結構規(guī)定超幀的開始和結束， 以及例如時間塊單元中的超幀其余部分的使用，例如，誰是特定時間塊的預留所有者。本方法的第一元素是協(xié)調(diào)切換。每個網(wǎng)絡設備應當在切換到新頻道之前了解新超 幀何時在該新頻道中恢復。為此，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器應當向其他設備發(fā)送協(xié)調(diào)切換消息(為了提 高可靠性，可能發(fā)送多次)，其包括新頻道中的恢復超幀目標時間(TRS)。新頻道中的恢復 傳輸時間的持續(xù)時間取決于應用和共存性要求(例如監(jiān)管要求)，但是通常應當足夠長以 便允許硬件要求意義上的頻道切換時間以及其他開銷。例如，在認知網(wǎng)絡中，可能要求在使 用新頻道之前進行頻帶感測。在頻道切換之后，當恢復超幀目標時間接近時，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器恢 復幀控制/信標的傳輸。本方法中的第二元素是頻道切換之后的頻道成像。頻道成像表示網(wǎng)絡中的每個設 備應當最大程度地保持與舊頻道中設置相同的PHY/MAC設置，從而避免/減少重新安置頻 道預留以及其他解析(比如地址解析)、協(xié)商(比如設備能力)和認證過程的時間。不是網(wǎng)絡中的每一個設備都可以接收協(xié)調(diào)切換消息。那些不接收協(xié)調(diào)切換消息但 是最終實現(xiàn)移動的設備應當在特定的長持續(xù)時間內(nèi)在新頻道執(zhí)行頻道掃描。該頻道掃描允 許那些丟失同步的設備發(fā)現(xiàn)其他網(wǎng)絡設備并且再次同步。在分布式信標網(wǎng)絡中，丟失同步 的信標設備可以在至少特定的持續(xù)時間內(nèi)掃描新頻道，所述持續(xù)時間可以根據(jù)舊頻道中的 信標順序來調(diào)節(jié)。本發(fā)明的一種形式在于分布式頻譜認知無線電無線網(wǎng)絡中的源輔助頻道管理方 法，所述網(wǎng)絡處理使用當前頻道的多媒體流數(shù)據(jù)源并且具有形成組的多個通信設備，該方 法包括步驟配置所述多媒體流源以便跟蹤數(shù)據(jù)的業(yè)務時間表；主動地掃描可以代替當前 頻道使用的備用頻道；識別網(wǎng)絡中的特定通信設備，其在來自通信設備組的任何一個設備檢測到現(xiàn)任者時應當騰空當前頻道并且根據(jù)所述業(yè)務時間表確定無線網(wǎng)絡應當何時騰空 當前頻道；以及確保沒有對現(xiàn)有用戶造成干擾并且維持了 QoS。本發(fā)明的第二種形式在于分布式頻譜認知無線電無線網(wǎng)絡中的源輔助頻道管理 方法，所述網(wǎng)絡處理使用當前頻道的多媒體流數(shù)據(jù)源并且具有形成組的多個通信設備，而 不使用可應用的IEEE標準中提及的單獨的控制器，該方法包括步驟配置所述多媒體流源 以便跟蹤數(shù)據(jù)的業(yè)務時間表；主動地掃描可以代替當前頻道使用的備用頻道；識別網(wǎng)絡中 的特定通信設備，其在來自通信設備組的任何一個設備檢測到現(xiàn)任者時應當騰空當前頻道 并且根據(jù)所述業(yè)務時間表確定無線網(wǎng)絡應當何時騰空當前頻道；以及確保沒有對現(xiàn)有用戶 造成干擾并且維持了 QoS。本發(fā)明的另一種形式在于分布式頻譜認知無線電無線網(wǎng)絡中的頻道管理方法，所 述網(wǎng)絡處理使用當前頻道的多媒體流數(shù)據(jù)源并且具有形成組的多個通信設備，而不使用可 應用的IEEE標準中提及的單獨的控制器，該方法包括步驟配置所述多媒體流源以便跟蹤 所述數(shù)據(jù)的業(yè)務時間表；主動地掃描可以代替當前頻道使用的備用頻道；識別網(wǎng)絡中的特 定通信設備，其在來自通信設備組的任何一個設備檢測到現(xiàn)任者時應當騰空當前頻道并且 根據(jù)所述業(yè)務時間表確定無線網(wǎng)絡應當何時騰空當前頻道；以及確保沒有對現(xiàn)有用戶造成 干擾并且維持了 QoS ；該方法使用信令窗口來交換網(wǎng)絡進入消息和頻道預留請求；該方法 包括在頻道切換之后使設備同步以便在選擇的備用頻道中恢復傳輸、為選擇的備用頻道保 留如所述當前頻道中使用的未變化的設置/狀態(tài)的步驟。有利的是，上面敘述的示例性方法可以通過使用靈活的MAC超幀結構來實現(xiàn)。本 方法的更多特征將在下面的段落中加以描述。根據(jù)以下通過實例給出的并且應當結合附圖來理解的優(yōu)選實施例的描述，可以獲 得對于本發(fā)明的更詳細的理解，在附圖中

圖1為本發(fā)明上下文中的主設備協(xié)調(diào)網(wǎng)絡的圖示；圖2說明了用于本發(fā)明上下文中的主設備協(xié)調(diào)網(wǎng)絡的傳輸?shù)氖纠钥焖倩謴?；圖3為本發(fā)明上下文中的示例性分布式協(xié)調(diào)網(wǎng)絡的圖示；圖4說明了用于本發(fā)明上下文中的分布式協(xié)調(diào)網(wǎng)絡的傳輸?shù)氖纠钥焖倩謴?；?及圖5為本發(fā)明上下文中的示例性新MAC結構。下面，在通過實例說明本發(fā)明原理的附圖的上下文中提供了對于本發(fā)明的一個或 多個實施例的詳細描述。盡管結合這樣的實施例對本發(fā)明進行了描述，但是應當理解的是， 本發(fā)明并不限于任何實施例。相反地，本發(fā)明的范圍僅由所附權利要求書限定，并且本發(fā)明 包含許多可替換方案、修改和等效物。為了舉例的目的，在下面的描述中闡述了許多特定的 細節(jié)以便提供對于本發(fā)明的徹底理解。本發(fā)明可以在沒有這些特定細節(jié)的一些或全部的情況下依照權利要求來實施。為 了清楚起見，在與本發(fā)明有關的技術領域中已知的技術材料未加詳細描述，以避免使本發(fā)
明難以理解。新MAC超幀結構和信標方法在分布式無線協(xié)議架構中，多個設備可以工作于一定頻道上，共享資源。一方面， FCC的現(xiàn)有提議的規(guī)則要求，如果第一設備檢測到現(xiàn)任者的存在，那么第一設備必須在數(shù)秒內(nèi)騰出頻道。另一方面，由于需要在非常低的信噪比水平下檢測現(xiàn)任者，因而感測算法具有 高的檢測概率以及低(但是非零)的虛警率。一種容易且明顯的解決方案可能是，如果任 何一個設備檢測到現(xiàn)任者，那么所有設備就騰出頻道。然而，由于虛警的原因，這不是希望 的解決方案，因為無線網(wǎng)絡可能不必要地保持改變頻道。本方法定義了一組通信設備，并且 當來自該組的設備之一檢測到現(xiàn)任者時，只有該定義的組中的設備才騰出頻道。該通信設 備組為源和目的地配對，或者多播/廣播組。在通信設備組中，存在多媒體內(nèi)容的一個源。該源設備充當用于通信設備組的控 制器(根據(jù)情形)。它了解通信組中的所有設備的忙時間表(傳輸、接收和感測時間)。它 可以請求組內(nèi)的設備在不忙時訪問其他頻道，以便了解其他頻道內(nèi)正在發(fā)生的事情，并且 如果通信在當前頻道內(nèi)中斷的話，主動地選擇用于通信組的備用頻道。給定所述通信組并且給定主動確定備用頻道的源，那么當組中的設備之一檢測到 現(xiàn)任者時，它向包括源在內(nèi)的組中所有設備報告。它宣告它將在數(shù)超幀內(nèi)騰出頻道。然后， 源將流排進隊列以便不造成中斷，并且在頻道切換之后恢復。在我們的原型中，我們看到由 于頻道改變而引起的一個超幀的附加延遲抖動(大約為100ms數(shù)量級)，而沒有分組丟失。 頻道中的其他設備可以根據(jù)該組內(nèi)的設備是否檢測到現(xiàn)任者而就是否騰出做出獨立的決 策。有利的是，本方法使用新MAC超幀結構和信標方法來實現(xiàn)頻道管理。圖1舉例說明了由主設備協(xié)調(diào)的網(wǎng)絡。主設備在每個超幀開始時發(fā)送信標，并且 宣告每個時隙的頻道分配。網(wǎng)絡中的兩個流依照所述分配以交織的方式共享時隙。如圖2 中所示，例如在超幀m-1期間觀察到一種情形。主設備于是在超幀m的開始處在其信標內(nèi) 廣播協(xié)調(diào)切換消息。協(xié)調(diào)切換消息包括開始頻道切換的時間(在時間、+!~處)以及等于 、+T+At的恢復超幀時間。一旦頻道切換開始，那么將保持和緩沖源處的分組。一旦新頻 道中的新超幀恢復，那么遵循舊頻道中設置的相同規(guī)則恢復傳輸。由于啟用了協(xié)調(diào)，At可 以非常短。結果，QoS(例如分組丟失、延遲和吞吐量)不會由于頻道切換而受損。圖3舉例說明了分布式協(xié)調(diào)網(wǎng)絡。如圖4中所示，每個設備在信標時段期間在專 用的信標時隙內(nèi)發(fā)送信標。每個信標包括設備觀察的超幀規(guī)定。在數(shù)據(jù)傳輸時段期間，設 備遵循分布式預留規(guī)則以便發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。例如，在超幀m期間觀察到一種情形。觀察 到該情形的每個設備都應當在超幀m+1的開始處在其信標內(nèi)包含協(xié)調(diào)切換信息元素。協(xié)調(diào) 切換信息元素包括開始頻道切換的時間(在時間、+!~處)以及等于、+1+^〖的恢復超幀 時間。一旦頻道切換開始，那么將保持和緩沖源處的分組。一旦新頻道中的新超幀恢復，那 么遵循舊頻道中設置的相同規(guī)則恢復傳輸。類似于主設備協(xié)調(diào)網(wǎng)絡，At可以非常短并且 沒有因頻道切換而產(chǎn)生顯著的分組丟失或延遲。本發(fā)明上下文中的子網(wǎng)和設備類型的定義在本發(fā)明中，將子網(wǎng)定義為處于一個 實體(例如網(wǎng)絡管理員)的管理下并且共享公共MAC協(xié)議的設備集合(或組)。如果子網(wǎng) 中的媒體訪問由單個設備控制，那么將子網(wǎng)定義為集中式子網(wǎng)。另一方面，如果以分布式方 式協(xié)調(diào)子網(wǎng)中的媒體訪問，那么將子網(wǎng)定義為分布式子網(wǎng)。分布式子網(wǎng)中的設備稱為對等 設備；集中式子網(wǎng)中的子網(wǎng)協(xié)調(diào)器稱為主設備；并且集中式子網(wǎng)中不同于子網(wǎng)協(xié)調(diào)器的設 備稱為從設備。在任何給定時間，設備可以僅作為三種類型之一而工作，即設備可以為主設 備、從設備或者對等設備。此外，如果兩個子網(wǎng)共享相同的頻道并且來自第一子網(wǎng)的至少一
8個活動設備處于第二子網(wǎng)的傳輸范圍，那么這兩個子網(wǎng)稱為相鄰子網(wǎng)。圖4示出了用于分 布式協(xié)調(diào)網(wǎng)絡的傳輸?shù)目焖倩謴偷膱D示。靈活的MAC(Flex-MAC)超幀結構如圖5中所示，提出的MAC協(xié)議遵循循環(huán)超幀結構，其包括信標時段(BP)、數(shù)據(jù)/ 感測/休眠時段(DSSP)以及信令窗口(SW)。信令窗口和信標時段用于廣播/交換控制/ 管理信息并且它們的大小(以時隙為單位)是動態(tài)可調(diào)節(jié)的。共享相同頻道的連接的子網(wǎng)中的所有設備應當遵循相同的超幀結構。如果遵循不 同超幀結構且共享相同頻道的兩個子網(wǎng)變成鄰居，那么超幀合并是必要的。所有設備在信標時段和信令窗口期間應當保持喚醒以便捕獲可能與每個設備相 關的所有控制/管理信息。設備可以在數(shù)據(jù)/感測/休眠時段期間交換數(shù)據(jù)、監(jiān)控一個或 多個頻道(認知網(wǎng)絡中需要的)或者進入休眠模式。出于本發(fā)明的目的，如果設備在信標時段BP內(nèi)擁有信標時隙并且有規(guī)律地發(fā)送 信標，那么將設備作為信標設備對待。與WiMedia不同的是，不是每個設備都需要是信標設 備，這允許具有靈活性和可伸縮性。出于本發(fā)明的目的，設備是否應當變成信標設備將取決 于以下考慮因素a)對等設備應當是信標設備。b)主設備必須是信標設備。換言之，主設備必須在信標時段內(nèi)擁有一個專用的信 標時隙。在相同的網(wǎng)絡中可能存在多個主設備，每個主設備控制一組從設備。在這種情況 下，每個主設備應當在信標時段內(nèi)擁有一個信標時隙。c)從設備通常是非信標設備，其在信標時段內(nèi)并不擁有信標時隙。但是在某些方 案中，從設備可以是信標設備，例如以便允許共存并且降低隱藏終端問題。上面的考慮因素可以用來幫助建立跨相互連接的子網(wǎng)的信標主干。利用信標主干 以及信標時隙的專門用途，那些處于協(xié)調(diào)角色或者處于實時和密集傳輸?shù)脑O備可以容易地 保證可靠且及時地輸送控制信息(包括帶寬預留信息)，從而提高了 QoS支持和系統(tǒng)可靠 性。提出的MAC中一個顯著的部分是同步。為了同步設備，連接的子網(wǎng)中的所有設備 應當遵循相同的BPST (信標時段開始時間)和相同的超幀號。BP開始時間和超幀號由建立 信標時段的第一設備啟動，該第一設備可以是主設備或對等設備。如果兩個斷開的子網(wǎng)變 為連接的，那么BPST和超幀結構的合并是必要的。信標時段(BP)操作用于信標時段的頻道訪問方法是基于預留的，特別是基于TDMA的。將信標時段劃 分成多個相等的信標時隙，其從零編號并且逐個增大。超幀的開始時間等效于第一信標時 隙的開始時間。每個信標設備擁有一個信標時隙，在其自身的信標時隙內(nèi)發(fā)送信標并且偵 聽其他信標時隙。這類似于WiMedia。新信標設備優(yōu)選地應當選擇BP中最小的可用信標時隙作為其自身的信標時隙。 例如，如果設備正是啟動BP的第一設備，那么它應當選擇信標時隙零作為其自身的信標時 隙號。信標設備應當在其自身的信標時隙內(nèi)有規(guī)律地發(fā)送信標。除了 WiMedia標準中所定義的，例如信標時段占用IE (ΒΡ0ΙΕ，其包括BP長度)、 DRP可用性IE、PCA可用性IE、業(yè)務指示圖(TIM) IE、標識IE，如本文所描述的信標設備有利
9地使用信標以廣告其自身的超幀號、設備類型(表1中所示)、子網(wǎng)ID(其可以是例如由子 網(wǎng)所有者配置的名稱串)、SW長度。通過信標中表示的上述信息，網(wǎng)絡中的每個設備知道該 超幀結構和頻道預留狀態(tài)。表3中說明了信標的一個示例性格式。表1設備類型編碼的說明 表2子網(wǎng)ID格式的說明 表3信標幀有效載荷格式的說明 信標時段長度可在最小BP長度(BPmin，例如一個信標時隙)與最大BP長度(BPmax) 之間調(diào)節(jié)。當建立信標時段時，BP長度缺省具有最小長度。當新信標設備請求加入BP時， 可以延長信標時段。當信標設備離開網(wǎng)絡時，可以減小信標時段并且可以將信標時隙移到 較低編號的時隙。這里不進一步詳細論述延長或收縮BP以及移動信標時隙的過程。但是BP延長的 一般要求是確保每個信標設備了解BP調(diào)節(jié)請求并且確認這樣的調(diào)節(jié)請求。例如，每個信標 設備應當在其信標內(nèi)確認/更新/廣告這樣的BP調(diào)節(jié)。如前所述的網(wǎng)絡進入是網(wǎng)絡協(xié)議設計中的基本部分。當前的網(wǎng)絡進入方案通常支 持分布式模式或集中式模式，但是不支持靈活的操作。因此，必須設計新的網(wǎng)絡進入方案以 便利用Flex-MAC的靈活性?？梢怨ぷ饔诩惺侥Ｊ交蚍植际侥Ｊ降撵`活無線系統(tǒng)的網(wǎng)絡進入過程在下文中 進行討論。主要的部分列出如下1)設備發(fā)現(xiàn)提供用來輔助設備發(fā)現(xiàn)的有效機制。2) BP建立/加入過程。3)主-從關聯(lián)允許了靈活性，因為不需要網(wǎng)絡進入序列順序。如果從設備在主 設備之后進入網(wǎng)絡，那么可以由從設備啟動關聯(lián)。如果主設備在從設備之后進入網(wǎng)絡，那么 可以通過主設備的邀請來完成關聯(lián)以便避免競爭開銷。圖5中說明了一種示例性靈活MAC結構，其包括信標時段、DSSP (數(shù)據(jù)/感測/休 眠時段)部分以及信令窗口 SW。為了陳述方便起見，如果其他設備屬于相同的組并且共享 相同的組或網(wǎng)絡標識符(例如子網(wǎng)ID)，那么在功能上相對于其他設備將特定設備作為家 庭設備對待。前面討論了設備類型(包括對等設備、主設備和從設備)。從設備在主設備的 上下文中定義。如果沒有主設備，那么缺省地將設備作為對等設備對待。如果對等設備找 到家庭主設備，那么該對等設備可以變成從設備。在下面的部分中，作為實例詳細描述了每個網(wǎng)絡進入部分。網(wǎng)絡進入過程概述主設備或對等設備應當在加入網(wǎng)絡之后有規(guī)律地進行信標發(fā)送。為了輔助設備發(fā) 現(xiàn)，信標除廣告其它信息外還廣告子網(wǎng)ID、設備名稱和設備類型。對于主設備而言，信標還 可以包括從設備列表。當新設備上電時，它執(zhí)行以下網(wǎng)絡進入過程1)掃描信標以執(zhí)行設備發(fā)現(xiàn)。2)如果在特定觀察時段之后沒有接收到信標，那么設備應當如下面的段落中所述
建立BP。3)如果找到家庭設備并且該家庭設備為主設備，那么新設備應當向家庭主設備注冊自己并且變成從設備。4)在其他情況下，新設備可以加入現(xiàn)有的信標時段。而且，如果新設備為主設備并 且它在網(wǎng)絡中找到其他家庭設備，那么它可以如下面所限定的進一步請求其他家庭設備變 成從設備。BP建立過程如果沒有找到信標設備，那么新設備應當建立BP。建立新BP的示例性過程如下。 新設備選擇BP開始時間、將信標時隙零作為自身的信標時隙，然后有規(guī)律地發(fā)送信標。除 其他參數(shù)之外，第一信標通告初始超幀號、BP長度和SW長度。該設備還應當宣告其設備類 型。例如，如果該新設備為主設備，那么它應當將設備類型設置為主設備；否則，該新設備將 設備類型設置為對等設備。BP加入過程如果搜索主設備的新設備在信標設備中沒有找到任何家庭主設備，那么它可以加 入BP。加入現(xiàn)有BP的過程描述如下。新設備在發(fā)送請求加入BP的消息之前應當掃描至少 一個超幀。在掃描期間收集的諸如BP占用和頻道預留之類的信息可以幫助該新設備判斷 是否加入BP。這在其中需要動態(tài)頻率選擇的多頻道環(huán)境中是非常有用的。如果新設備決定加入BP，那么它應當在信令窗口內(nèi)廣播請求加入BP的BP_J0IN_ REQ消息(參見圖1)。BP_J0IN_REQ指示新設備打算使用的信標時隙。由于SW期間的傳 輸是基于競爭的，因而BP_J0IN_REQ可能與其他消息沖突。為了提高可靠性，新設備也可以 選擇信標設備作為接觸點以告知收悉(acknowledge)BP_J0IN_REQ。接觸點設備在成功接 收BP_J0IN_REQ之后并且如果沒有檢測到?jīng)_突，應當立即告知收悉，即SIFS (短幀間空間)。 如果在發(fā)送BP_J0IN_REQ之后在SIFS間隔過后沒有接收到ACK，那么新設備可以在隨機的 退避過程之后重新發(fā)送BP_J0IN_REQ。接收BP_J0IN_REQ的信標設備應當通過更新其信標內(nèi)的BPI0E來在后面的BP中 確認這樣的請求。更新的BPI0E指示新設備變成請求的信標時隙的所有者。然而，如果信 標設備觀察到預期的信標時隙已經(jīng)被其他設備占用，那么該信標設備可以通過指示所有者 不同于做出請求的新設備來隱含地拒絕這樣的請求。如果存在開放的信標時隙，那么信標 設備可以為該新設備建議新的信標時隙。在建立至少一個確認/建議并且沒有反對之后，新的信標設備可以在后面的BP中 在由信標設備確認的信標時隙內(nèi)開始發(fā)送信標。否則，新設備可以之后在信令窗口(圖5) 內(nèi)嘗試。從設備啟動主-從關聯(lián)如果新設備在網(wǎng)絡進入期間找到家庭主設備，那么該新設備應當啟動主-從關 聯(lián)。新設備應當在信令窗口內(nèi)發(fā)送REG_REQ(關聯(lián)請求消息)給家庭主設備。該主設備在 接收到REG_REQ之后立即告知收悉，即在SIFS內(nèi)告知收悉。在處理所述請求之后，主設備 使用REG_CFM消息確認該請求。REG_CFM可以在信令窗口內(nèi)使用顯式消息來發(fā)送，或者在信 標內(nèi)使用隱含信息元素來發(fā)送。依照REG_REQ內(nèi)指示的主設備的命令，任何必要的認證過 程可以在關聯(lián)確認之后進行。已經(jīng)與主設備關聯(lián)的從設備通常不是信標設備，因此不需要 如下所述的BP加入過程。然而，為了輔助共存，從設備可以由主設備提升為信標設備。主設備邀請主_從關聯(lián)
主設備可以在其他一些家庭設備之后加入網(wǎng)絡，所述家庭設備在主設備加入時作 為對等設備出現(xiàn)。假設這些家庭設備在主設備出現(xiàn)之后變成從設備。因此，主設備應當逐個 邀請這些家庭設備執(zhí)行關聯(lián)。關聯(lián)邀請消息REG_IND(注冊指示)可以包含在信標內(nèi)。依 照REG_IND內(nèi)指示的主設備的命令，從設備與主設備之間的任何必要的認證過程可以遵循 REG_IND。在變成從設備之后，過去為信標設備的家庭設備通常變成非信標設備以便節(jié)省信 標開銷。然后，將在完成該轉變之后釋放信標時隙。然而，為了使得能夠共存，家庭設備在 轉變?yōu)閺脑O備之后仍然可以保持信標發(fā)送。應當指出本發(fā)明一個實施例的下列特征(代表通信設備組做出預留的)源確定 帶外頻道掃描、備用頻道以及頻道騰空，因為它知道業(yè)務時間表。本發(fā)明實現(xiàn)的至少一個獨特的進步是擴展到分布式架構的基本認知功能的形式。所提出的頻道管理方法預期提議為UCoMS標準的基本部分。在本發(fā)明實施例的前面的詳細描述中，出于簡化本公開的目的，將各種特征一起 分組到單個示例性實施例中。本公開的該方法不應當解釋為反映了以下目的本發(fā)明所述 的實施例需要比每項權利要求中明白記載的特征更多的特征。相反地，如下面的權利要求 書所反映的，本發(fā)明的主題存在于少于單個公開的實施例的所有特征之中。因此，下面的權 利要求書特此合并到本發(fā)明實施例的詳細描述中，每個權利要求獨自作為單獨的實施例。 應當理解的是，上面的描述預期是說明性的，而不是限制性的。其意在涵蓋可以包含在所附 權利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有可替換方案、修改和等效物。本領域技術 人員在研究了上面的描述時應當清楚許多其他的實施例。本發(fā)明的范圍因此參照所附權利 要求書連同這樣的權利要求書有權涵蓋的等效物的完整范圍一起來確定。在所附權利要求 書中，措詞“包含”和“在其中”在存在的地方分別用作對應的措詞“包括”和“其中”的普通 英語等效物。而且，措詞“第一”、“第二”和“第三”等等(如果使用的話)僅僅是標記，并 且并不預期對關聯(lián)的對象施加了數(shù)字要求。
權利要求
一種分布式頻譜認知無線電無線網(wǎng)絡中的源輔助頻道管理方法，所述網(wǎng)絡處理使用當前頻道的多媒體流數(shù)據(jù)源并且具有形成組的多個通信設備，該方法包括步驟配置所述多媒體流源來跟蹤所述數(shù)據(jù)的業(yè)務時間表；主動地掃描可以代替當前頻道使用的備用頻道；識別網(wǎng)絡中的特定通信設備(1，2，3)，其在來自通信設備組的任何一個設備檢測到現(xiàn)任者時應當騰空當前頻道并且根據(jù)所述業(yè)務時間表確定無線網(wǎng)絡應當何時騰空當前頻道；以及確保沒有對現(xiàn)有用戶造成干擾并且維持了QoS。
2.如權利要求1的源輔助頻道管理方法，其中所述多個通信設備為源設備和目的地設 備的配對。
3.如權利要求1的源輔助頻道管理方法，其中所述多個通信設備(1，2，3)為多播廣播 設備組。
4.如權利要求1的源輔助頻道管理方法，其中在所述多個通信設備內(nèi)，多媒體內(nèi)容的 一個源設備被配置成充當用于所述多個通信設備的所有其余設備的控制器。
5.如權利要求4的源輔助頻道管理方法，其中所述一個源設備進一步被配置成了解所 述多個通信設備中的所有設備的傳輸、接收和感測時間。
6.如權利要求5的源輔助頻道管理方法，其中所述一個源設備附加地被配置成請求所 述設備組中的設備在不忙時訪問其他頻道以便知道任何頻道活動并且主動地選擇用于設 備組的備用頻道。
7.如權利要求4的源輔助頻道管理方法，其中當所述組中的設備之一檢測到現(xiàn)任設備 時，該方法包括向組中包含源設備的所有設備報告。
8.如權利要求7的源輔助頻道管理方法，包括所述設備之一在數(shù)個超幀內(nèi)騰出頻道的步驟。
9.如權利要求7的源輔助頻道管理方法，包括源設備將所述多媒體流排進隊列以便不 造成中斷的步驟。
10.如權利要求8的源輔助頻道管理方法，包括其中頻道中的其他設備可以獨立做出 是否騰出的決定的步驟。
11.一種分布式頻譜認知無線電無線網(wǎng)絡中的源輔助頻道管理方法，所述網(wǎng)絡處理使 用當前頻道的多媒體流數(shù)據(jù)源并且具有形成組的多個通信設備(1，2，3)，而不使用在可應 用的IEEE標準中提及的單獨的控制器，該方法包括步驟配置所述多媒體流源來跟蹤所述數(shù)據(jù)的業(yè)務時間表； 主動地掃描可以代替當前頻道使用的備用頻道；識別網(wǎng)絡中的特定通信設備，其在來自通信設備組的任何一個設備檢測到現(xiàn)任者時應 當騰空當前頻道并且根據(jù)所述業(yè)務時間表確定無線網(wǎng)絡應當何時騰空當前頻道；以及 確保沒有對現(xiàn)有用戶造成干擾并且維持了 QoS。
12.如權利要求11的源輔助頻道管理方法，其中所述多個通信設備為源設備和目的地 設備的配對。
13.如權利要求11的源輔助頻道管理方法，其中所述多個通信設備(1，2，3)為多播廣播設備組。
14.如權利要求11的源輔助頻道管理方法，其中在所述多個通信設備內(nèi)，多媒體內(nèi)容 的一個源設備被配置成充當用于所述多個通信設備的所有其余設備的控制器。
15.如權利要求14的源輔助頻道管理方法，其中所述一個源設備進一步被配置成了解 所述多個通信設備中的所有設備的傳輸、接收和感測時間。
16.如權利要求15的源輔助頻道管理方法，其中所述一個源設備附加地被配置成請求 所述設備組中的設備在不忙時訪問其他頻道以便知道任何頻道活動并且主動地選擇用于 設備組的備用頻道。
17.如權利要求14的源輔助頻道管理方法，其中當所述組中的設備之一檢測到現(xiàn)任設 備時，該方法包括向組中包含源設備的所有設備報告。
18.如權利要求17的源輔助頻道管理方法，包括所述設備之一在數(shù)個超幀內(nèi)騰出頻道 的步驟。
19.如權利要求17的源輔助頻道管理方法，包括源設備將所述多媒體流排進隊列以便 不造成中斷的步驟。
20.—種分布式頻譜認知無線電無線網(wǎng)絡中的頻道管理方法，所述網(wǎng)絡處理使用當 前頻道的多媒體流數(shù)據(jù)源并且具有形成組的多個通信設備(1，2，3)，而不使用在可應用的 IEEE標準中提及的單獨的控制器，該方法包括步驟配置所述多媒體流源來跟蹤所述數(shù)據(jù)的業(yè)務時間表；主動地掃描可以代替當前頻道使用的備用頻道；識別網(wǎng)絡中的特定通信設備，其在來自通信設備組的任何一個設備檢測到現(xiàn)任者時應 當騰空當前頻道并且根據(jù)所述業(yè)務時間表確定無線網(wǎng)絡應當何時騰空當前頻道；確保沒有 對現(xiàn)有用戶造成干擾并且維持了 QoS，該方法使用信令窗口來交換網(wǎng)絡進入消息和頻道預留請求；該方法包括在頻道切換之 后使設備同步以便在選擇的備用頻道中恢復傳輸、為選擇的備用頻道保留如所述當前頻道 中使用的未變化的設置/狀態(tài)的步驟。
全文摘要
一種處理多媒體流數(shù)據(jù)源的分布式頻譜認知無線電無線網(wǎng)絡中的源輔助頻道管理方法，處理形成組的多個通信設備(1，2，3)，并且在沒有在可應用的IEEE標準中提及的單獨的控制器的情況下管理頻道。源代表設備組做出預留，知道業(yè)務時間表并且確定帶外頻道掃描、備用頻道以及頻道騰空。該方法使用靈活的MAC超幀結構并且主動地掃描可以代替當前頻道使用的備用頻道、識別組中的設備，所述設備在來自通信設備(1，2，3)組的任何一個設備檢測到現(xiàn)任者時應當騰出當前頻道并且根據(jù)所述業(yè)務時間表確定無線網(wǎng)絡應當何時騰空當前頻道。該方法確保沒有對現(xiàn)有用戶造成干擾并且維持了QoS。
文檔編號H04W28/18GK101889461SQ200880119433
公開日2010年11月17日 申請日期2008年12月5日 優(yōu)先權日2007年12月6日
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