專利名稱：一種分級頻譜共享網(wǎng)絡(luò)的控制信道建立方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種分級頻譜共享網(wǎng)絡(luò)的控 制信道建立方法。
背景技術(shù)：
分級頻譜共享網(wǎng)絡(luò)基于認(rèn)知無線電提出了混合網(wǎng)絡(luò)，認(rèn)知無線電也被稱為 智能無線電，從廣義上來說是指無線終端具備足夠的智能或者認(rèn)知能力，通過 對周圍無線環(huán)境的歷史和當(dāng)前狀況進(jìn)行檢測、分析、學(xué)習(xí)、推理和規(guī)劃，利用 相應(yīng)結(jié)果調(diào)整自己的傳輸參數(shù)，使用最適合的無線資源(包括頻率、調(diào)制方式、 發(fā)射功率等)完成無線傳輸。如圖1，認(rèn)知無線電中各認(rèn)知用戶干擾溫度與干擾 溫度限之間的差距在空間、時(shí)間和頻率上具有差異性，因此不同位置用戶在不 同頻帶允許的發(fā)射功率不同，各用戶通信可達(dá)范圍具有空時(shí)差異性，傳統(tǒng)的中 心控制或純分布式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，己不適用于分級頻譜共享網(wǎng)絡(luò)中復(fù)雜多變的頻 譜環(huán)境，也不利于提高系統(tǒng)的頻譜利用率。為適應(yīng)頻譜多變的環(huán)境以提高頻譜 利用率和通信可靠性，采用如圖1所示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，整個網(wǎng)絡(luò)擁有多個服務(wù)小區(qū)，
每個小區(qū)由頻譜共享基站(spectrum sharing base station, SSBS)和若干個頻譜 共享用戶(spectrum sharing user, SSU)組成，頻譜共享用戶之間可根據(jù)一定的 準(zhǔn)則組成簇。
在分級頻譜共享網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)可用頻譜資源的來源，將不同網(wǎng)絡(luò)劃分優(yōu)先 級，如對于分級頻譜共享用戶需要擇機(jī)利用或借用其頻譜資源的網(wǎng)絡(luò)，定義為 高優(yōu)先級網(wǎng)絡(luò)，而對于分級頻譜共享用戶需與之以競爭方式獲取可用頻譜資源 的網(wǎng)絡(luò)，定義為同優(yōu)先級網(wǎng)絡(luò)。
分級共享網(wǎng)絡(luò)的可用頻譜資源包括擇機(jī)利用或借用的高優(yōu)先級網(wǎng)絡(luò)頻譜資源，與同優(yōu)先級網(wǎng)絡(luò)以競爭方式獲取的頻譜資源。可用頻譜資源可根據(jù)一定 準(zhǔn)則或門限分類，然后根據(jù)頻譜用戶自身需求，選擇其具體使用的頻譜類型。
在分級頻譜共享網(wǎng)絡(luò)中，利用頻譜資源的特性，即對同一時(shí)間處于不同位 置的用戶以及同一位置不同時(shí)間的用戶，其可用的頻譜資源會有所不同，把有 效頻譜集合分成兩類，每一類頻譜集合分別應(yīng)用于不同的應(yīng)用場景。第一類有 效頻譜(TYPE1):可用較大的發(fā)射功率，可用于基站和用戶之間的直接通信; 第二類有效頻譜(TYPE 2):可用較低的發(fā)射功率，用于用戶之間的直接通信。
在分級頻譜共享網(wǎng)絡(luò)中，分級頻譜共享用戶使用一條帶外的頻譜作為公共 控制信道用于行令的交互，但是由于帶外頻譜帶寬有限并且由于通信方式的多 樣性，大量不同信令的交互機(jī)制造成控制信道擁塞不堪，如何協(xié)調(diào)控制用戶在 接入時(shí)，有效利用頻譜資源不發(fā)生沖突是十分重要的問題，而認(rèn)知無線電系統(tǒng) 中除了帶外的控制信道外沒有固定可用的頻譜，所以需要設(shè)計(jì)一種新的信令交 互機(jī)制或者尋找新的控制信道以緩解公共控制信道的擁塞。在認(rèn)知無線電系統(tǒng) 中，選取控制信道時(shí)需要考慮以下問題-
1) 尋找一個控制信道使認(rèn)知用戶之間方便交換控制信息；
2) 當(dāng)原控制信道不再可用時(shí)，能否迅速高效地選取另一控制信道；
3) 保證數(shù)據(jù)信道的質(zhì)量使用戶間進(jìn)行可靠通信。
現(xiàn)已有研究者提出一種分布式協(xié)作的方法，用以解決動態(tài)頻譜環(huán)境下控制
信道分配的問題，內(nèi)容詳見JUN ZHAO， HAITAO ZHEN， AND GUANG-HUA YANG. Distributed Coordination in Dynamic Spectrum Allocation Networks. In Proc. of IEEE International Symposium on Dynamic Spectrum Access Networks (DySPAN)(2005)。在動態(tài)頻譜環(huán)境下，由于認(rèn)知用戶間頻譜的異構(gòu)性，很難建 立一條全局的控制信道用于行令的交互，于是提出在頻譜感知相似的鄰居用戶使用同一控制信道，形成一個群(group)，而不是所有用戶都共享同一控制信 道。在文章中，作者只是提出了此概念，并沒有提出怎樣建立此控制信道。本 專利從實(shí)現(xiàn)的角度出發(fā)，提出一種在分級頻譜共享網(wǎng)絡(luò)的控制信道建立方法，
此控制信道依托于分簇結(jié)構(gòu)的建立，并由MAC協(xié)議進(jìn)行有效管理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提供一種適用于分級頻譜共享網(wǎng)絡(luò)的本地控制信道 建立方法。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，使用了如下方案 一種分級頻譜共享網(wǎng)絡(luò)的控制 信道建立方法，所述分級頻譜共享網(wǎng)絡(luò)中高優(yōu)先級用戶數(shù)為N，分級頻譜共享
用戶數(shù)為H，射頻端可支持的頻帶F可平均分為M個信道，該方法包括以下步
驟
51. 分級頻譜共享用戶通過計(jì)算可感知的高優(yōu)先級用戶信道權(quán)值對M個 信道進(jìn)行排序；
52. 將接入同一信道的分級頻譜共享用戶建立為同一簇，并將此信道作 為本簇的本地控制信道；
53. 通過MAC協(xié)議設(shè)計(jì)對分簇后的分級頻譜共享用戶不同時(shí)隙的各種功 能進(jìn)行管理。
本發(fā)明的有益效果由于本發(fā)明首先根據(jù)對高優(yōu)先用戶信道權(quán)值進(jìn)行計(jì)算 并排序，獲得信道的優(yōu)先級，并根據(jù)此優(yōu)先級進(jìn)行信道接入而建立分簇結(jié)構(gòu)， 并將此信道作為本地控制信道，最后通過MAC協(xié)議設(shè)計(jì)對各種功能進(jìn)行管理。 通過以上過程在分級頻譜共享網(wǎng)絡(luò)中建立起了本地控制信道用于分級頻譜共 享用戶的信令交互，有效地解決了認(rèn)知無線電中沒有公共控制信道的難題。


圖1分級頻譜共享網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。
圖2本發(fā)明的本地控制信道建立流程圖
圖3高優(yōu)先級用戶信道占用模型
圖4第i個高優(yōu)先級用戶信道0N-0FF模型
圖5 MAC協(xié)議圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的基本思路是為了解決分級頻譜共享網(wǎng)絡(luò)中公共控制信道難以獲 得的問題，本發(fā)明建立本地控制信道用于代替公共控制信道，此本地控制信道 依托于分簇結(jié)構(gòu)的建立。其流程如圖2，首先根據(jù)對高優(yōu)先用戶信道權(quán)值進(jìn)行 計(jì)算并排序，獲得信道的優(yōu)先級，并根據(jù)此優(yōu)先級進(jìn)行信道接入而建立分簇結(jié)
構(gòu)，并將此信道作為本地控制信道，最后通過MAC協(xié)議設(shè)計(jì)對各種功能進(jìn)行管 理。 .
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
一種分級頻譜共享網(wǎng)絡(luò)的控制信道建立方法，所述分級頻譜共享網(wǎng)絡(luò)中高 優(yōu)先級用戶數(shù)為N，分級頻譜共享用戶數(shù)為H，射頻端可支持的頻帶'F可平均 分為M個信道，其特征在于，包括以下步驟
Sl.分級頻譜共享用戶通過計(jì)算可感知的高優(yōu)先級用戶信道權(quán)值對M個 信道進(jìn)行排序；
認(rèn)知無線電對于頻譜的感知，是一個掃描頻譜尋找"空穴"的過程，即認(rèn) 知用戶掃描當(dāng)前的頻譜，尋找空穴以接入網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)對高優(yōu)先級用戶的統(tǒng)計(jì)觀 察，高優(yōu)先級用戶頻譜狀態(tài)的變化利用近似服從ON-0FF過程，ON-OFF模型是 Mandelbrot等人在更新過程的基礎(chǔ)上提出的，也被稱為交替更新過程。如圖3 所示，這里對頻段利用0N-0FF模型來描述，并且假設(shè)各頻段之間是獨(dú)立的，用(W,，， ^U表示處于開狀態(tài)(ON-State)的隨機(jī)變量序列，用{, ，"^1}表示處 于關(guān)狀態(tài)(OFF-State)的隨機(jī)變量序列。這里假設(shè){^, "^1}及{, , "^1}分別 都是獨(dú)立同分布的。用JV,表示任意的一個持續(xù)處于開狀態(tài)的時(shí)間，《表示任意 的一個持續(xù)處于關(guān)狀態(tài)(0FF-State)的時(shí)間，對任意的t、 s， iv,與《可以不 獨(dú)立，但為了分析簡便這里假設(shè)兩者之間是獨(dú)立的，因此{(lán)^,"21}和{《，"21} 也是獨(dú)立同分布的，并且分別服從參數(shù)為義,和//,(這里的義和^為人為定義的 高優(yōu)先級用戶的系統(tǒng)參數(shù)，它們與第i個高優(yōu)先級用戶頻段對應(yīng))的指數(shù)分布。 設(shè)f/,表示第i個高優(yōu)先級用戶頻段空閑的概率(也就是處于關(guān)狀態(tài)(0FF-State)
的概率，從認(rèn)知系統(tǒng)的角度也稱為利用率)，則由交替更新過程的結(jié)論可以得 到式(l):
",=丄 式(l) 義,+//,
顯然，丄表示在每一個關(guān)狀態(tài)(0FF-State)中持續(xù)時(shí)間長度的均值，一 般地會認(rèn)為丄的值越大則會導(dǎo)致關(guān)狀態(tài)(0FF-State)到開狀態(tài)(0N-State).
之間的轉(zhuǎn)換越慢。
在利用0N-0FF模型對高優(yōu)先級用戶信道利用情況進(jìn)行建模時(shí)，分級頻譜 共享用戶需要關(guān)注兩個方面利用率C/,及標(biāo)志高優(yōu)先級用戶從關(guān)狀態(tài) (0FF-State)到開狀態(tài)(0N-State)轉(zhuǎn)換頻度的//;。顯然f/,越大越好，這表
示認(rèn)知系統(tǒng)能夠越多地利用該頻譜資源，同時(shí)1越大，則從關(guān)狀態(tài)(0FF-State)
到開狀態(tài)(0N-State)之間轉(zhuǎn)換的頻繁程度越小，可以避免認(rèn)知系統(tǒng)對該頻譜 的頻繁操作。
從以上分析，可以得出可用頻譜特性與三個參數(shù)相關(guān)，開狀態(tài)(ON-State)指數(shù)分布的參數(shù)A，關(guān)狀態(tài)(OFF-State)指數(shù)分布的參數(shù)"以及頻譜的利用 率U。這里我們選取其中的U以及U作為路由選取的判斷依據(jù)，主要的原因有 兩個方面，首先應(yīng)該選取可利用率高的頻譜資源，這樣的頻譜才會有更多的機(jī) 會被使用；其次，從圖4中可以清楚地看到y(tǒng)的變化將會影響開狀態(tài)(ON-State) 和關(guān)狀態(tài)(OFF-State)之間的轉(zhuǎn)換頻繁程度，這也是我們需要注意的，相同 的利用率會有不同的轉(zhuǎn)換情況。顯然具有較大利用率和較小"的頻段是較優(yōu) 的，但明顯地，這兩個參數(shù)不一定會同時(shí)達(dá)到最優(yōu)的，因此在這兩個參數(shù)不能 同時(shí)達(dá)到最優(yōu)的時(shí)候，兩者之間需要一個折衷。
根據(jù)前面的分析，分級頻譜共享用戶通過連續(xù)的采樣，可以獲得近似逼近 值O和p，估計(jì)出參數(shù)根據(jù)公式(2)計(jì)算出相應(yīng)的信道權(quán)值
式中，g,(0表示第i個信道的信道權(quán)值，t為分級頻譜共享用戶對第i個信 道的當(dāng)前感知時(shí)刻，S,(/)"0,lj為信道i在時(shí)刻t是否可用的狀態(tài)參數(shù)，"為
人為定義的一個小于l的權(quán)重因子，A和/z為人為定義的高優(yōu)先級用戶的系統(tǒng)參數(shù)。
S2.將接入同一信道的分級頻譜共享用戶建立為同一簇，并將此信道作 為本簇的本地控制信道；
在網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)進(jìn)行分簇過程，分級頻譜共享用戶根據(jù)計(jì)算得到的高優(yōu) 先級用戶信道權(quán)值按照從高到低的順序接入信道，在接入過程中分級頻譜共享 用戶在加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)會遇到三種情況
1)在0(O值選擇的信道上沒有接收到幀；
那么此分級頻譜共享用戶宣布為簇頭，此信道為本地控制信道，并在下一 幀中發(fā)送信標(biāo)。
g(/) = S,(o*2) 在g(0值選擇的信道上接收到幀，并帶有信標(biāo)；
那么分級頻譜共享用戶在簇間信令傳輸時(shí)隙請求加入此簇，簇頭接受請求
后，在鄰居廣播時(shí)隙(NBP)時(shí)隙中分配最小時(shí)隙給此分級頻譜共享用戶。如 果在NBP中沒有時(shí)隙可以分配或者簇頭反對加入，則此用戶選擇次g(/)作為本 地控制信道，再進(jìn)行分簇過程。如果簇頭允許加入此用戶，則此用戶從下一幀 開始，依次根據(jù)0(/)列表，在信道上發(fā)送鄰居信息。
3) 接收到幀，但沒有帶有信標(biāo)，而是帶有鄰居信息。
收到此信息時(shí)，意味著此分級頻譜共享用戶有個鄰居的簇，并且兩跳于鄰 居簇頭。分級頻譜共享用戶記錄鄰居信息，并且在在簇間信令傳輸時(shí)隙交換鄰 居簇信息，并且判定此信道是否為二類頻譜。如果此用戶還沒有分簇，將選擇 下一本地控制信道進(jìn)行分簇過程。如果此用戶已經(jīng)分簇，則從下一幀開始，依 次根據(jù)Q(O列表，在信道上發(fā)送鄰居信息。
分級頻譜共享用戶通過接入網(wǎng)絡(luò)，建立起分簇結(jié)構(gòu)，同時(shí)也建立起本地控 制信道。
S3.通過MAC協(xié)議設(shè)計(jì)對分簇后的分級頻譜共享用戶不同時(shí)隙的各種功 能進(jìn)行管理，如圖5所示，其具體實(shí)現(xiàn)過程包含如下步驟
531. 信標(biāo)，分級頻譜共享用戶簇頭發(fā)送信標(biāo)信息，用于資源分配； 如果此分級頻譜共享用戶已經(jīng)建立了簇并成為簇頭，則周期性的發(fā)送信標(biāo)
信息，此信息包括時(shí)間同步信息，簇內(nèi)的控制和資源分配信息。
532. 頻譜感知，分級頻譜共享用戶進(jìn)行頻譜感知；
533. 發(fā)送感知信息到基站，分級頻譜共享用戶將感知的頻譜信息傳送給認(rèn) 知基站；
534. 簇內(nèi)信令傳輸，簇內(nèi)用戶交換控制信息。535. 認(rèn)知基站廣播感知結(jié)果，認(rèn)知基站將收集到的感知信息作出判決后， 將可用頻譜信息廣播給分級頻譜共享用戶，在分級頻譜共享網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)對頻 譜分類的定義，此頻譜信息為第一類有效頻譜(TYPE 1):可用較大的發(fā)射功 率，可用于基站和用戶之間的直接通信。
536. 鄰居廣播，分級頻譜共享用戶之間進(jìn)行鄰居廣播。
此鄰居廣播時(shí)隙劃分為固定的小時(shí)隙，在簇內(nèi)每個簇內(nèi)成員占用一個小時(shí)
隙，用于廣播自己的身份(ID)和鄰居信息，鄰居信息包括鄰居的ID和鄰居 的頻譜信息，頻譜信息為除了第一類頻譜外剩余待檢查的并且沒有超過高優(yōu)先 級用戶干擾限制的頻譜列表。如果在此時(shí)隙內(nèi)，鄰居用戶接收到此廣播信息， 將回送一個信息，并根據(jù)前面對第二類頻譜的定義，標(biāo)示此信道為第二類頻譜。
537. 數(shù)據(jù)傳輸，分級頻譜共享用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸-，
538. 簇間信令傳輸，此時(shí)，簇間用戶交換控制信息。 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會意識到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理
解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí) 施例。凡是根據(jù)上述描述做出各種可能的等同替換或改變，均被認(rèn)為屬于本發(fā) 明的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種分級頻譜共享網(wǎng)絡(luò)的控制信道建立方法，所述分級頻譜共享網(wǎng)絡(luò)中高優(yōu)先級用戶數(shù)為N，分級頻譜共享用戶數(shù)為H，射頻端可支持的頻帶F可平均分為M個子信道，其特征在于，包括以下步驟S1.分級頻譜共享用戶通過計(jì)算可感知的高優(yōu)先級用戶信道權(quán)值對M個信道進(jìn)行排序；S2.將接入同一信道的分級頻譜共享用戶建立為同一簇，并將此信道作為本簇的本地控制信道；S3.通過MAC協(xié)議設(shè)計(jì)對分簇后的分級頻譜共享用戶不同時(shí)隙的各種功能進(jìn)行管理。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分級頻譜共享網(wǎng)絡(luò)的控制信道建立方法， 其特征在于，步驟S1中計(jì)算信道權(quán)值的具體公式為義， "、1式中，2(,)表示第i個信道的信道權(quán)值，t為分級頻譜共享用戶對第i個信道的當(dāng)前感知時(shí)刻，S,W^O，0為信道/在時(shí)刻f是否可用的狀態(tài)參數(shù)，"為人 為定義的一個小于1的權(quán)重因子，義和//為人為定義的高優(yōu)先級用戶的系統(tǒng)參 數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種分級頻譜共享網(wǎng)絡(luò)的控制信道建立方法， 其特征在于，步驟S2中，分級頻譜共享用戶根據(jù)計(jì)算得到的高優(yōu)先級用戶信 道權(quán)值按照從高到低的順序接入信道。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分級頻譜共享網(wǎng)絡(luò)的控制信道建立方法， 其特征在于，步驟S3中，其具體實(shí)現(xiàn)過程包含如下步驟S31.分級頻譜共享用戶簇頭發(fā)送信標(biāo)信息，用于資源分配；,532. 分級頻譜共享用戶進(jìn)行頻譜感知；,533. 分級頻譜共享用戶將感知的頻譜信息傳送給認(rèn)知基站;,534. 簇內(nèi)用戶交換控制信息；,535. 認(rèn)知基站廣播感知結(jié)果；,536. 分級頻譜共享用戶之間進(jìn)行鄰居廣播；,537. 分級頻譜共享用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；,538. 簇間用戶交換控制信息。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種分級頻譜共享網(wǎng)絡(luò)的控制信道建立方法。所述分級頻譜共享網(wǎng)絡(luò)中高優(yōu)先級用戶數(shù)為N，分級頻譜共享用戶數(shù)為H，射頻端可支持的頻帶F可平均分為M個子信道，其特征在于，包括以下步驟S1.分級頻譜共享用戶通過計(jì)算可感知的高優(yōu)先級用戶信道權(quán)值對M個信道進(jìn)行排序；S2.將接入同一信道的分級頻譜共享用戶建立為同一簇，并將此信道作為本簇的本地控制信道；S3.通過MAC協(xié)議設(shè)計(jì)對分簇后的分級頻譜共享用戶不同時(shí)隙的各種功能進(jìn)行管理。本發(fā)明的有益效果通過以上過程在分級頻譜共享網(wǎng)絡(luò)中建立起了本地控制信道用于分級頻譜共享用戶的信令交互，有效地解決了認(rèn)知無線電中沒有公共控制信道的難題。
文檔編號H04W72/00GK101594617SQ20091005966
公開日2009年12月2日 申請日期2009年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日
發(fā)明者唐萬斌, 軍 王, 磊 龔 申請人:電子科技大學(xué)