專利名稱：一種基于無速率碼的認知無線電通信鏈路的建立和維護方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域，具體涉及在認知無線電系統(tǒng)中，對認知用戶收發(fā)兩 端進行通信鏈路初始化建立和通信鏈路維護的方法。
背景技術(shù)：
頻譜共享無線通信是未來無線通信技術(shù)發(fā)展的必然趨勢和要求。它能夠使得多 個異構(gòu)、具有不同體制或分屬于不同運營商的通信系統(tǒng)可以動態(tài)和機會式地訪問同一共 享頻段，實現(xiàn)頻譜授權(quán)用戶和/或非授權(quán)用戶可靠、和諧地共存，從而有效解決可用無 線頻譜資源日益匱乏的迫切問題，同時顯著提高現(xiàn)有頻譜資源的利用效率。認知無線電 系統(tǒng)就是一種實現(xiàn)頻譜共享無線通信的技術(shù)手段。認知無線電系統(tǒng)是一種智能頻譜共享技術(shù)，它可以通過感知頻譜環(huán)境、智能學 習并實時調(diào)整其傳輸參數(shù)，實現(xiàn)頻譜的再利用，提高頻譜利用率。在認知無線電技術(shù) 中，事先得到頻譜授權(quán)的指定用戶系統(tǒng)(也稱主用戶，Primary User)具有高的優(yōu)先權(quán)接 入頻譜；而其它未得到授權(quán)的用戶系統(tǒng)(也稱次用戶，Secondary User)只能在對主用戶 不造成干擾的情況下機會式接入可用頻譜進行通信。這就要求次用戶自己或在其它用戶 (例如某些中繼轉(zhuǎn)發(fā)用戶)的幫助下具備一定的“認知能力”，即能夠?qū)崟r連續(xù)偵聽頻 譜，以發(fā)現(xiàn)可用的“頻譜空穴”(即主用戶未占用的頻譜)。具備認知能力的用戶(可 以是次用戶，也可以是某些中繼轉(zhuǎn)發(fā)用戶)稱為“認知用戶”。本質(zhì)上講，認知無線電 系統(tǒng)就是為了實現(xiàn)多無線電(Multi-Radio)電磁環(huán)境下干擾受限的環(huán)境中的自適應(yīng)通信。認知無線電的一個突出的特點是，其鏈路所使用的頻率和帶寬并不是預(yù)先確定 或固定不變的。由于沒有預(yù)先可用的頻率，因此其鏈路必須動態(tài)地建立。而且，由于 無線通信系統(tǒng)中存在多徑以及陰影衰落等因素的影響，加上認知用戶的檢測能力本身具 有一定的限制，認知用戶收發(fā)兩端通過頻譜感知所得到的信道狀態(tài)信息包括干擾狀態(tài)信 息并不完全相同，由此可能會檢測出不完全一致的可用頻率和帶寬，因而導(dǎo)致通信鏈路 的建立通常比較困難。圖1表示的是認知用戶的發(fā)送端和接收端對頻譜感知情況的示意 圖。假設(shè)系統(tǒng)共有5個頻譜資源，用數(shù)字分別對其進行標號。假設(shè)用戶發(fā)送端檢測到1 號和3號頻譜資源已被占用，可用頻譜資源為0號、2號和4號；而用戶接收端檢測到2 號和3號頻譜資源已被占用，可用頻譜資源為0號、1號和4號。因此，由于收發(fā)雙方信道狀態(tài)信 息不完全相關(guān)且互不確知，若要在認知用戶 的收發(fā)兩端之間建立并維護通信鏈路，收發(fā)兩端只有通過適當?shù)摹白V圖交換(Spectrum Exchange)"來得知對端而不僅僅是自身位置的干擾分布，才可完成建鏈過程并開始有效 的傳輸。若是采用直接感知或估計對端頻譜資源的方法，不僅過程復(fù)雜，還有可能引入 額外的動態(tài)干擾。因此，在發(fā)送端不知道信道準確的狀態(tài)信息情況下，要保證信息的可 靠有效傳輸，往往需要ARQ(自動重傳請求)。傳統(tǒng)方法認知用戶發(fā)送端一般采用固定 碼率的信道編碼對發(fā)送信息進行保護，但由于認知用戶所使用的頻譜資源隨時都可能被主用戶占用，因此認知用戶的傳輸信道是不被保護的，無法確定信道的丟包概率，即信 道的即時容量不是固定不變的。一旦頻譜遭到主用戶導(dǎo)致信道容量小于傳輸?shù)拇a率，接 收端就無法保證正確譯碼，從而導(dǎo)致通信失敗。此時，需要接收端發(fā)送反饋信息告知發(fā) 送端調(diào)整發(fā)射參數(shù)重新進行編碼傳輸。由于采用不同的編碼方式，因此接收端之前接收 到的編碼往往無法與調(diào)整后的編碼進行聯(lián)合譯碼從而導(dǎo)致了之前的編碼包幾乎無法被利 用而被丟棄，從而導(dǎo)致了信息的浪費。如若采用很低碼率的信道編碼來盡可能保證傳輸 的可靠性，則同樣會因為傳遞了過多的冗余信息而造成信道的浪費，而且即使采用一個 低碼率，也無法保證這個碼率在認知無線電系統(tǒng)中一定可以可靠傳輸。另外，還有人提 出設(shè)置一個公共控制信道用來傳遞認知用戶間頻譜感知情況以及反饋信息的方法，并假 設(shè)這個公共控制信道的頻譜是不受主用戶干擾的。這種方法雖然可以保證信號的可靠傳 輸，但它要求主用戶不能占用公共控制信道的頻譜，這本身違背了認知無線電系統(tǒng)中認 知用戶的活動不應(yīng)對主用戶造成影響的原則。而且只采用一個特定頻率來傳遞，其通信 勢必要采用時分的方式來完成，效率也不會太高。 因此如何自適應(yīng)的選擇合適的碼率進行傳輸，以適應(yīng)不同的信道參數(shù)是認知無 線通信鏈路所面臨的一個關(guān)鍵難題。無速率碼(rateless code)的自適應(yīng)速率適配(Rate Adaption)能力為解決此問題提供了一種新思路，這正是本發(fā)明的主要動機。無速率碼與傳統(tǒng)固定碼率編碼方式最大的不同在于它在發(fā)送端不設(shè)定固定碼 率，發(fā)送端可以以某種方式源源不斷的產(chǎn)生編碼包并發(fā)送出去。接收端則可以根據(jù)接收 到的編碼包嘗試譯碼，且無需將所有編碼包都接收到。如果譯碼失敗，接收端可以再多 接收一些編碼包然后繼續(xù)嘗試譯碼。無論哪些包在傳遞過程中被干擾丟棄，接收端最終 只需要得到一定數(shù)量的包就可完成譯碼，且這個數(shù)量與要發(fā)送的數(shù)據(jù)包呈線性。接收端 將一直重復(fù)這個過程直到譯碼成功。這時接收端只需要發(fā)送一個非常簡單的反饋信號告 知發(fā)送端譯碼成功，然后發(fā)送端停止發(fā)送，這樣就完成了整個傳輸過程。利用無速率碼能夠極好地對付信道刪除的特性，當頻譜共享無線通信環(huán)境下收 發(fā)兩端并不完全確知對方的信道狀態(tài)而造成發(fā)送包丟失、或者由于頻譜感知不夠準確而 受主用戶信號干擾時，無速率碼總能夠在不同的時間或頻率上源源不斷地發(fā)送編碼包， 而只要接收端能在部分時間和頻率上接收到足夠多的編碼包，總能正確地恢復(fù)數(shù)據(jù)，從 而完成鏈路的建立。而且，利用無速率編碼技術(shù)可以充分利用多個頻譜資源之間的分集 增益，更重要的是可以充分利用無速率碼可以自適應(yīng)地逼近認知信道容量的特性從而得 到巨大的編碼增益，這是傳統(tǒng)的利用固定速率編碼的方法所無法取得的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在認知無線電系統(tǒng)中，無需利用公共控制信道的條件 下，在認知用戶收發(fā)兩端利用無速率碼可靠的、高效的建立和維護通信鏈路的方法。本發(fā)明的基于無速率碼的認知無線電通信鏈路的建立和維護方法，其特征在于 包括認知用戶發(fā)送端鏈路的建立方法和認知用戶發(fā)送端鏈路的維護方法以及認知用戶接 收端鏈路的建立方法和認知用戶接收端鏈路的維護方法，以下所述的類型一的反饋表示 接收端已經(jīng)成功接收數(shù)據(jù)，類型二的反饋表示接收端已檢測到主用戶需要占用正在利用 中的頻譜資源，類型三的反饋表示接收端認為該頻譜資源可用，類型四的反饋表示接收端確認與發(fā)送端共同檢測到 新的可用的頻譜資源；設(shè)整個認知系統(tǒng)中全部的頻譜資源有η個，分別用標號f= [f1; f2，……， fj來標記，在某一認知用戶接入的同時，沒有其他認知用戶在相同時隙接入，認知用戶發(fā)送端鏈路的建立方法包括以下步驟1)發(fā)送端對整個認知系統(tǒng)中的全部η個頻譜資源進行感知，得到哪些頻譜資源 是空閑可用的，設(shè)檢測到P個可用頻譜資源，將其記為f,=[入，人,……，人]，且0鄰邊；發(fā) 送端實時的檢測可用頻譜資源，當發(fā)現(xiàn)可用頻譜資源發(fā)生變化時，實時地更新ft;2)若可用頻譜資源ft為空集，即當前所有頻譜資源均被占用，則轉(zhuǎn)入步驟1)重 新感知；若可用頻譜資源〖不是空集，則轉(zhuǎn)入步驟3)；3)將認知用戶的用戶初始化系統(tǒng)信息Ins按照無速率碼的編碼方式對信息包進行 編碼并組幀；用^表示編碼幀，其中i為編碼幀的編號，i = 0，1，2，……；4)發(fā)送端將每一個編碼幀與感知到的當前可用頻譜資源ft中的可用頻譜資源做 對應(yīng)進行編碼幀的發(fā)射，每一個頻譜資源均看作是一個子信道；具體映射規(guī)則為若i modp = k,且k乒0，則編碼幀就用第人個子信道進行發(fā)送；Simodp = O,則編碼幀 就用第力,個子信道進行發(fā)送；5)發(fā)送端根據(jù)無速率碼的編碼規(guī)則源源不斷的產(chǎn)生編碼幀直到接收端告知它停 止發(fā)送，同時在當前可用頻譜資源ft上的應(yīng)答時隙中偵聽接收端的反饋信號，若偵聽到 類型一的反饋信號則轉(zhuǎn)入步驟6)；否則，繼續(xù)步驟5)的過程；6)發(fā)送端停止繼續(xù)產(chǎn)生編碼幀并立即停止發(fā)射，轉(zhuǎn)而在所有當前可用頻譜資源 ft上的應(yīng)答時隙中偵聽接收端的反饋信號，并將所有可以接收到類型三的反饋信號的頻譜 資源單獨紀錄下來，記為f。，f。中的所有頻譜資源就是認知用戶發(fā)送端和接收端所共同認 可的可用頻譜資源，從而完成了認知用戶發(fā)送端鏈路的建立；認知用戶發(fā)送端鏈路的維護方法包括以下步驟1)在通信鏈路建立后，發(fā)送端一邊利用f。中的頻譜資源對自己需要發(fā)送的信息 按照無速率碼的編碼方式對信息包進行編碼并組幀，然后發(fā)射，一邊實時的對整個認知 系統(tǒng)中的全部頻譜資源進行感知，并在“應(yīng)答時隙”中等待接收端的反饋信號；若發(fā)現(xiàn) 主用戶開始活動需要占用正在進行數(shù)據(jù)傳遞的頻譜，則轉(zhuǎn)入步驟2)；若接收到認知用戶 的反饋信號，則轉(zhuǎn)入步驟3)；若感知到新的可用頻譜資源，則轉(zhuǎn)入步驟5)；2)將感知得到的主用戶需要占用的頻譜資源統(tǒng)統(tǒng)釋放不再繼續(xù)占用，并利用其 余可用頻譜資源繼續(xù)傳遞要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀；3)確認接收到認知用戶的反饋信號后，立即分辨反饋信號的類型是類型一還是 類型二，若是類型一，說明數(shù)據(jù)傳遞已完成，則發(fā)射端停止傳遞，若是類型二，則轉(zhuǎn)入 步驟4)；4)分辨類型二的反饋是通過哪些頻譜接收到的，并立即停止在這些頻譜上繼續(xù) 傳遞數(shù)據(jù)，只利用其余可用的頻譜資源，將其余可用的頻譜資源更新記為f。，轉(zhuǎn)入步驟 1)；5)發(fā)射端嘗試著在新感知到的頻譜資源上的“應(yīng)答時隙”中接收接收端的反 饋，若確認在這個頻譜上接收到接收端的反饋，則轉(zhuǎn)入步驟6)；若在接收到反饋信號前 發(fā)現(xiàn)這個頻譜又被主用戶占用，則停止在此頻譜上的活動，轉(zhuǎn)入步驟1);
6)確認接收端的反饋為反饋類型三，則在這些頻譜上發(fā)送確認信息，等待接收 端的進一步反饋；若得到接收端的類型四的反饋，則將此頻譜記入f。，轉(zhuǎn)入步驟1)，否 則不更新f。，轉(zhuǎn)入步驟1)；認知用戶接收端鏈路的建立方法包括以下步驟1)接收端對整個認知系統(tǒng)中的全部η個頻譜資源進行感知，得到哪些頻譜資源是空閑可用的，設(shè)檢測到q個可用頻譜資源，將其記為(=[入,力2，……,Λ,]，且0匆邊；接 收端實時的檢測可用頻譜資源，當發(fā)現(xiàn)可用頻譜資源發(fā)生變化時，實時地更新 ；;2)接收端嘗試著在 ；中的所有頻譜上進行信息接收，無需知道發(fā)送端的頻譜感 知結(jié)果ft，此時，只要^與^的交集不為空，則接收端肯定總可以在其交集頻譜資源上接 收到發(fā)射端的編碼信息；3)當接收到的編碼幀數(shù)量達到發(fā)送端的用戶標示信息的編碼幀的數(shù)量時，開始 進行譯碼，并利用循環(huán)冗余校驗(CRC)判斷是否譯碼正確，如果正確，轉(zhuǎn)入步驟6)；否 則轉(zhuǎn)入步驟4)；4)繼續(xù)接收若干個編碼包；5)重新嘗試譯碼，若譯碼成功，轉(zhuǎn)入步驟6)；否則轉(zhuǎn)入步驟4)；6)譯碼結(jié)束，接收端將所有可接收編碼幀的頻譜資源記為f。，f。為發(fā)送端與接收 端所共同感知到的可用頻譜資源的集合，并在f。中頻譜資源的應(yīng)答時隙上發(fā)送類型一的 反饋信號；7)若接收端在接下來連續(xù)3個時隙中都沒有收到發(fā)送端的編碼幀，則在f。中所 有的頻譜資源的應(yīng)答時隙上發(fā)送兩遍類型一的反饋信號，用來通知發(fā)送端；8)接收端根據(jù)成功譯碼得到的發(fā)送端初始化系統(tǒng)信息ms，得知發(fā)送端的要求， 從而完成了認知用戶接收端鏈路的建立；認知用戶接收端鏈路的維護方法包括以下步驟1)在通信鏈路建立后，接收端一邊利用f。中的頻譜資源接收發(fā)射端傳遞的數(shù)據(jù) 幀，一邊實時的對整個認知系統(tǒng)中的全部頻譜資源進行感知，若在此期間譯碼成功，恢 復(fù)出發(fā)射端要發(fā)送的全部信息數(shù)據(jù)，則轉(zhuǎn)入步驟2)；若感知發(fā)現(xiàn)主用戶開始活動需要占 用正在進行數(shù)據(jù)傳遞的頻譜，則轉(zhuǎn)入步驟3)；若感知到新的可用頻譜資源，則轉(zhuǎn)入步驟 4)；2)接收端在“應(yīng)答時隙”中的所有f。標記的頻譜資源上發(fā)送類型一的反饋，告 知發(fā)射端立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)，從而完成整個數(shù)據(jù)的傳輸；3)將感知得到的主用戶需要占用的頻譜資源標記為fz，并在這些頻譜上的“應(yīng) 答時隙中”發(fā)送類型二的反饋，并將fz中標記的頻譜資源在f。中移出，轉(zhuǎn)入步驟1);4)在感知到新的可用頻譜資源的“應(yīng)答時隙”中向發(fā)射端發(fā)送若干次類型三的 反饋，并在這些頻譜上嘗試接收發(fā)射端的確認信號，若接收到發(fā)射端的確認信號，則再 發(fā)送類型四的反饋做進一步確認，并將這些新的可用頻譜資源并入f。，轉(zhuǎn)入步驟1)；若 沒有接收到，則轉(zhuǎn)入步驟1)。本發(fā)明中，認知用戶發(fā)送端鏈路的建立方法中的按照無速率碼的編碼方式對信 息包進行編碼并組幀，其步驟如下1)根據(jù)初始化系統(tǒng)信息，設(shè)要傳遞的信息叫的長度為Li，將ml分割成「Zl/A:ll個小數(shù)據(jù)包，每個小數(shù)據(jù)包長度為kl，若Ll無法整除kl，則最后一個小數(shù)據(jù)包不足kl 長的部分用“O”來填充；2)對每個kl長的小數(shù)據(jù)包利用循環(huán)冗余校驗碼進行循環(huán)冗余校驗，每個小數(shù)據(jù) 包長度根據(jù)采用的循環(huán)冗余校驗碼的長度rl相應(yīng)的增加到kl+rl比特； 3)將「Z1/H]個長度為kl+rl比特的小數(shù)據(jù)包送入無速率碼的編碼器進行編碼， 按照編碼包的產(chǎn)生順序?qū)⑦@些編碼包記為C = [C(l，C1, c2,…]，每一個編碼包的下標表 示此編碼包在整個編碼序列當中所處的位置，利用g個比特來表示編碼包的下標；4)將每一個編碼包的下標送入一個1/4碼率的線性分組碼編碼器進行編碼，產(chǎn) 生長度為gX4比特的數(shù)據(jù)作為位置標示，并將位置標示放在每個編碼包之后；5)在每一個編碼包之前再加上長度為64X4的前導(dǎo)序列用來實現(xiàn)位同步和信道 估計，并在每一個編碼包之后再加上64比特的間隔，作為“應(yīng)答時隙”；6)在前導(dǎo)序列之后、數(shù)據(jù)編碼包之前還要加入長度為64X4比特的初始化報頭 序列，報頭序列內(nèi)容包括發(fā)射機以及目標接收機的用戶識別號，用于用戶識別和輔助實 現(xiàn)位同步，完成編碼及組幀。本發(fā)明中，認知用戶發(fā)送端鏈路的維護方法中的按照無速率碼的編碼方式對信 息包進行編碼并組幀，其步驟如下1)設(shè)要傳遞的信息為m，長度為L2，將m分割成「12/62]個小數(shù)據(jù)包，每個小 數(shù)據(jù)包長度為k2，若L2無法整除k2，則最后一個小數(shù)據(jù)包不足k2長的部分用“0”來 填充；2)對每個k2長的小數(shù)據(jù)包利用循環(huán)冗余校驗碼進行循環(huán)冗余校驗，每個小數(shù)據(jù) 包長度根據(jù)采用的循環(huán)冗余校驗碼的長度r2相應(yīng)的增加到k2+r2比特；3)將「Z2/A2"]個長度為k2+r2比特的小數(shù)據(jù)包送入無速率碼的編碼器進行編碼， 按照編碼包的產(chǎn)生順序?qū)⑦@些編碼包記為C = [C(l，C1, c2,…]，每一個編碼包的下標表 示此編碼包在整個編碼序列當中所處的位置，利用g個比特來表示編碼包的下標；4)將每一個編碼包的下標送入一個1/4碼率的線性分組碼進行編碼，產(chǎn)生長度 為gX4比特的數(shù)據(jù)作為位置標示，并將位置標示放在每個編碼包之后；5)在每一個編碼包之前再加上長度為64X4的前導(dǎo)序列用來實現(xiàn)位同步和信道 估計，并在每一個編碼包之后再加上64比特的間隔，作為“應(yīng)答時隙”，完成編碼及組 幀。本發(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明的基本技術(shù)思想是利用無速率碼可以自適應(yīng)的對付鏈路刪除和數(shù)據(jù)包丟 失的特性進行通信鏈路的建立和維護，并充分利用無速率碼所需的反饋應(yīng)答時隙，從而 不需要主從用戶之間存在額外的公共控制信道進行“譜圖交換”。


圖1是認知用戶的發(fā)送端和接收端對頻譜感知情況的示意圖；圖2是認知用戶的發(fā)送端在建立通信鏈路時的工作方法流程圖；圖3是鏈路建立過程中的一個編碼幀的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是認知用戶的發(fā)送端在維護通信鏈路時的工作方法流程圖5是鏈路維護過程中的一個編碼幀的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是認知用戶的接收端在建立通信鏈路時的工作方法流程圖；圖7是認知用戶的接收端在維護通信鏈路時的工作方法流程具體實施例方式以下結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明。本發(fā)明的基于無速率碼的認知無線電通信鏈路的建立和維護方法，包括認知用 戶發(fā)送端鏈路的建立方法和認知用戶發(fā)送端鏈路的維護方法以及認知用戶接收端鏈路的 建立方法和認知用戶接收端鏈路的維護方法，以下所述的類型的反饋表示接收端已經(jīng)成 功接收數(shù)據(jù)，類型二的反饋表示接收端已檢測到主用戶需要占用正在利用中的頻譜資 源，類型三的反饋表示接收端認為該頻譜資源可用，類型四的反饋表示接收端確認與發(fā) 送端共同檢測到新的可用的頻譜資源；設(shè)整個認知系統(tǒng)中全部的頻譜資源有256個，所有256個頻譜按照其頻率由低 到高進行由小到大的標號，分別記為
。認知無線電系統(tǒng)中的每個用 戶都分配一個b比特長度的專有的用戶號作為用戶身份的標示，例如若b= 16，則理論上 最多可以支持65536個用戶。在通信鏈路尚未建立起之前，認知用戶的收發(fā)兩端對對方 的頻譜感知情況以及要采用的信道編碼、調(diào)制映射方式等必要的信息均一無所知，必須 在通信鏈路建立的過程中將這些必要的信息傳遞給對方。將這些信息稱為“初始化系統(tǒng) 信息”，記為ms。在某一認知用戶接入的同時，沒有其他認知用戶在相同時隙接入。認知用戶發(fā)送端鏈路的建立方法(參見圖2)，包括以下步驟1)發(fā)送端對整個認知系統(tǒng)中的全部256個頻譜資源實時的進行感知，得到發(fā)送 端對整個頻譜資源的認知結(jié)果，即哪些頻譜資源在當前時間下是空閑可用的。假設(shè)認知 發(fā)送端通過檢測得到P個可用的頻譜資源，并將這些可用的頻譜資源標號進行記錄，記 為(=[人，人,……，人]，0鄰《256;發(fā)送端實時的對全部的256個頻譜資源進行感知，當發(fā) 現(xiàn)可用頻譜資源發(fā)生變化時，則實時地更新ft;2)若可用頻譜資源ft為空集，即當前所有頻譜資源均被占用，則轉(zhuǎn)入步驟1)重 新感知；若可用頻譜資源〖不是空集，則轉(zhuǎn)入步驟3)；3)將初始化系統(tǒng)信息ms按照無速率碼的編碼方式對信息包進行編碼并組幀，所 組成的幀結(jié)構(gòu)如圖3所示(具體步驟在下面介紹)；用&表示編碼幀，其中i為編碼幀的 編號，i = 0，1，2， ……；4)發(fā)送端將每一個編碼幀與 感知得到的當前可用頻譜資源ft中的可用頻譜資源 作對應(yīng)進行編碼幀的發(fā)射，每一個頻譜資源均看作是一個子信道；具體映射規(guī)則為若i modp = k,且k乒0，則編碼包就用第人個子信道進行發(fā)送；Simodp = O,則編碼包 就用第Λ個子信道進行發(fā)送；5)發(fā)送端根據(jù)某種無速率碼(例如Raptor Code)的編碼規(guī)則源源不斷的產(chǎn)生編 碼幀進行發(fā)射，同時在當前可用頻譜資源ft上的應(yīng)答時隙中偵聽接收端的反饋信號，若 偵聽到類型一的反饋信號則轉(zhuǎn)入步驟6)；否則，繼續(xù)步驟5)的過程；6)發(fā)送端停止繼續(xù)產(chǎn)生編碼幀并立即停止發(fā)射，轉(zhuǎn)而在所有當前可用頻譜資源 ft上的應(yīng)答時隙中偵聽接收端的反饋信號，并將所有可以接收到類型三的反饋信號的頻譜資源單獨紀錄下來，記為f。，f。中的所有頻譜資源就是認知用戶發(fā)送端和接收端所共同認 可的可用頻譜資源，從而完成了認知用戶發(fā)送端鏈路的建立；上述的將初始化系統(tǒng)信息ms按照無速率碼的編碼方式對信息包進行編碼并組 幀，設(shè)要傳遞的信息ms的長度為Li，按如下步驟對信息ms進行處理1)將ms分割為若干個小的數(shù)據(jù)包，每個包長度為kl比特，若Ll無法整除kl， 則最后一個小數(shù)據(jù)包不足kl長的部分用“0”來填充，這樣就分割出「Zl/H"|個長度為kl 的小數(shù)據(jù)包；2)對每個kl長的小數(shù)據(jù)包都進行循環(huán)冗余校驗，用于譯碼器判斷譯碼是否成 功，此例中循環(huán)冗余校驗碼采用CRC16，這樣每個小數(shù)據(jù)包長度為kl+16比特；3)將這「Z1/H]個長度為kl+16比特的小數(shù)據(jù)包送入某種無速率碼(例如Raptor Code)的編碼器進行編碼，源源不斷的產(chǎn)生長度同為kl+16比特的編碼包C，按照編碼包 的產(chǎn)生順序?qū)⑦@些編碼包記為C = [C(1，C1, c2,…]，每一個編碼包的下標表示此編碼包 在整個編碼序列當中所處的位置，利用16個比特來表示編碼包的下標，則可以支持216長 的編碼包；4)將每一個表示編碼包下標的16比特信息送入一個1/4碼率的線性分組碼編碼 器進行編碼保護，即利用64個比特來表示編碼包的位置信息，并將這64比特的編碼包位 置信息放在每個編碼包之后； 5)在每一個編碼包之前再加上長度為64X4的前導(dǎo)序列用來實現(xiàn)位同步和信道 估計，并在每一個編碼包之后再加上64比特的間隔保護，間隔保護同時還可作為“應(yīng)答 時隙”；6)在前導(dǎo)序列之后、數(shù)據(jù)編碼包之前還要加入長度為64X4比特的初始化報頭 序列，其內(nèi)容包括發(fā)射機以及目標接收機的用戶識別號，用于用戶識別和輔助實現(xiàn)位同 步，所組成的幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。認知用戶發(fā)送端鏈路的維護方法(參見圖4)，包括以下步驟1)在通信鏈路建立后，發(fā)送端一邊利用f。中的頻譜資源對自己需要發(fā)送的信息 按照無速率碼的編碼方式對信息包進行編碼并組幀，所組成的幀結(jié)構(gòu)如圖5所示(具體步 驟在下面介紹)，然后發(fā)射，一邊實時的對整個認知系統(tǒng)中的全部頻譜資源進行感知，并 在“應(yīng)答時隙”中等待接收端的反饋信號；若發(fā)現(xiàn)主用戶開始活動需要占用正在進行數(shù) 據(jù)傳遞的頻譜，則轉(zhuǎn)入步驟2)；若接收到認知用戶的反饋信號，則轉(zhuǎn)入步驟3)；若感知 到新的可用頻譜資源，則轉(zhuǎn)入步驟5)；2)將感知得到的主用戶需要占用的頻譜資源通通釋放不再繼續(xù)占用，并利用其 余可用頻譜資源繼續(xù)傳遞要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀；3)確認接收到認知用戶的反饋信號后，立即分辨反饋信號的類型是類型一還是 類型二，若是類型一，說明數(shù)據(jù)傳遞已完成，則發(fā)射端停止傳遞，若是類型二，則轉(zhuǎn)入 步驟4)；4)根據(jù)接收到信號的頻率，分辨類型二的反饋是通過哪些頻譜接收到的，并立 即停止在這些頻譜上繼續(xù)傳遞數(shù)據(jù)，只利用其余可用的頻譜資源，將其余可用的頻譜資 源更新記為f。，轉(zhuǎn)入步驟1)；5)發(fā)射端嘗試著在新感知到的頻譜資源上的“應(yīng)答時隙”中接收接收端的反饋，若確認在這個頻譜上接收到接收端的反饋，則轉(zhuǎn)入步驟6)；若在接收到反饋信號前 發(fā)現(xiàn)這個頻譜又被主用戶占用，則停止在此頻譜上的活動，轉(zhuǎn)入步驟1); 6)確認接收端的反饋為反饋類型三，即表示接收端同樣認為此頻譜資源是可用 的，則在這些頻譜上發(fā)送某個固定的確認信息，例如發(fā)送由16個“1110”組成的長度為 64位的二進制數(shù)據(jù)，等待接收端的進一步反饋；若得到接收端的類型四的反饋，則進一 步確認完成，將此頻譜記入f。，轉(zhuǎn)入步驟1)，否則不更新f。，轉(zhuǎn)入步驟1)。上述的按照無速率碼的編碼方式對信息包進行編碼并組幀，設(shè)要傳遞的信息m 的長度為L2，按如下步驟對信息m進行處理1)將m分割為若干個小的數(shù)據(jù)包，每個包長度為k2比特，若L2無法整除k2， 則最后一個小數(shù)據(jù)包不足k2長的部分用“0”來填充，這樣就分割出「12/62"!個長度為 k2的小數(shù)據(jù)包；2)對每個k2長的小數(shù)據(jù)包都進行循環(huán)冗余校驗，用于譯碼器判斷譯碼是否成 功，此例中循環(huán)冗余校驗碼仍采用CRC16，這樣每個小數(shù)據(jù)包長度為k2+16比特；3)將這「Z2/A2]個長度為k2+16比特的小數(shù)據(jù)包送入某種無速率碼(例如Raptor Code)的編碼器進行編碼，源源不斷的產(chǎn)生長度同為k2+16比特的編碼包C，按照編碼包 的產(chǎn)生順序?qū)⑦@些編碼包記為C = [C(1，C1, c2,…]，每一個編碼包的下標表示此編碼包 在整個編碼序列當中所處的位置，利用16個比特來表示編碼包的下標，則可以支持216長 的編碼包；4)將每一個表示編碼包下標的16比特信息送入一個1/4碼率的線性分組碼編碼 器進行編碼保護，即利用64個比特來表示編碼包的位置信息，并將這64比特的編碼包位 置信息放在每個編碼包之后；5)在每一個編碼包之前再加上長度為64X4的前導(dǎo)序列用來實現(xiàn)位同步和信道 估計，并在每一個編碼包之后再加上64比特的間隔保護，間隔保護同時還可作為“應(yīng)答 時隙”。所組成的幀結(jié)構(gòu)如圖5所示。認知用戶接收端鏈路的建立方法(參見圖6)，包括以下步驟1)接收端對整個認知系統(tǒng)中的全部256個頻譜資源實時的進行感知，得到接收 端對整個頻譜資源的認知結(jié)果，即哪些頻譜資源是空閑可用的。設(shè)檢測到q個可用頻譜 資源，將其記為(=[人，·/；，·…”,Λ]，且0匆《256 ；2)接收端嘗試著在 ；中的所有頻譜上進行信息接收，無需知道發(fā)送端的頻譜感 知結(jié)果ft，此時，只要^與^的交集不為空，則接收端肯定總可以在其交集頻譜資源上接 收到發(fā)射端的編碼信息；3)當接收到的編碼幀數(shù)量達到發(fā)送端的用戶標示信息的編碼幀的數(shù)量時，開始 進行譯碼，此例中利用CRC16判斷是否譯碼正確，如果正確，轉(zhuǎn)入步驟6)；否則轉(zhuǎn)入步 驟4)；4)繼續(xù)接收若干個編碼幀，例如繼續(xù)接收2幀；5)重新嘗試譯碼，若譯碼成功，轉(zhuǎn)入步驟6)；否則轉(zhuǎn)入步驟4)；6)譯碼結(jié)束，接收端將所有可接收編碼幀的頻譜資源記為f。，f。即發(fā)送端與接收 端所共同感知到的可用頻譜資源的集合，并在f。中頻譜資源的應(yīng)答時隙上發(fā)送類型一的反饋信號；7)若接收端在接下來連續(xù)3個時隙中都沒有收到發(fā)送端的編碼幀，則在f。中所 有的頻譜資源的應(yīng)答時隙上發(fā)送兩遍類型一的反饋信號，用來通知發(fā)送端；8)接收端根據(jù)成功譯碼得到的發(fā)送端初始化系統(tǒng)信息ms，得知發(fā)送端的要求， 從而完成了認知用戶接收端鏈路的建立；認知用戶接收端鏈路的維護方法(參見圖7)，包括以下步驟1)在通信鏈路建立后，接收端一邊利用f。中的頻譜資源接收發(fā)射端傳遞的數(shù)據(jù) 幀，一邊實時的對整個認知系統(tǒng)中的全部頻譜資源進行感知，若在此期間譯碼成功，成 功恢復(fù)出發(fā)射端要發(fā)送的全部信息數(shù)據(jù)，則轉(zhuǎn)入步驟2)；若感知發(fā)現(xiàn)主用戶開始活動需 要占用正在進行數(shù)據(jù)傳遞的頻譜，則轉(zhuǎn)入步驟3)；若感知到新的可用頻譜資源，則轉(zhuǎn)入 步驟4)；2)接收端在“應(yīng)答時隙”中的所有f。標記的頻譜資源上發(fā)送類型一的反饋，告 知發(fā)射端立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)，從而完成整個數(shù)據(jù)的傳輸；3)將感知得到的主用戶需要占用的頻譜資源標記為fz，并在這些頻譜上的“應(yīng) 答時隙”中發(fā)送類型二的反饋，并將fz中標記的頻譜資源在f。中移出，轉(zhuǎn)入步驟1); 4)在感知到新的可用頻譜資源的“應(yīng)答時隙”中向發(fā)射端發(fā)送若干次類型三的 反饋，并在這些頻譜上嘗試接收發(fā)射端的確認信號，若接收到發(fā)射端的確認信號，則再 發(fā)送類型四的反饋做進一步確認，并將這些新的可用頻譜資源并入f。，轉(zhuǎn)入步驟1)；若 沒有接收到，則轉(zhuǎn)入步驟1)。整個過程中共用到了四種反饋，分別稱為類型一、類型二、類型三和類型四， 所以理論上可以用兩比特數(shù)據(jù)來區(qū)分表示這四種反饋，例如“01”表示類型一，“10” 表示類型二，“11”表示類型三，“00”表示類型四。但考慮到在無線信道傳輸中可 能對數(shù)據(jù)造成干擾，所以這里用6比特數(shù)據(jù)來表示一種反饋類型“010101”表示類型 一，“101010”表示類型二，“111111”表示類型三，“000000”表示類型四，并將這 些數(shù)據(jù)加上一個六分之一碼率的信道編碼進行保護。最后，在經(jīng)過編碼保護的數(shù)據(jù)前加 上一個12比特長的“反饋幀頭標示”序列，共同組成一個長度為48比特的反饋數(shù)據(jù)幀。
權(quán)利要求
1. 一種基于無速率碼的認知無線電通信鏈路的建立和維護方法，其特征在于包括認 知用戶發(fā)送端鏈路的維護方法以及認知用戶接收端鏈路的維護方法，以下所述的類型一 的反饋表示接收端已經(jīng)成功接收數(shù)據(jù)，類型二的反饋表示接收端已檢測到主用戶需要占 用正在利用中的頻譜資源，類型三的反饋表示接收端認為該頻譜資源可用，類型四的反 饋表示接收端確認與發(fā)送端共同檢測到新的可用的頻譜資源；設(shè)整個認知系統(tǒng)中全部的頻譜資源有η個，分別用標號f=[f1; f2，……，fn]來 標記，在某一認知用戶接入的同時，沒有其他認知用戶在相同時隙接入，認知用戶發(fā)送端鏈路的維護方法包括以下步驟1)在通信鏈路建立后，發(fā)送端一邊利用f。中的頻譜資源對自己需要發(fā)送的信息按照 無速率碼的編碼方式對信息包進行編碼并組幀，然后發(fā)射，一邊實時的對整個認知系統(tǒng) 中的全部頻譜資源進行感知，并在“應(yīng)答時隙”中等待接收端的反饋信號；若發(fā)現(xiàn)主 用戶開始活動需要占用正在進行數(shù)據(jù)傳遞的頻譜，則轉(zhuǎn)入認知用戶發(fā)送端鏈路維護方法 的步驟2)；若接收到認知用戶的反饋信號，則轉(zhuǎn)入認知用戶發(fā)送端鏈路維護方法的步驟 3)；若感知到新的可用頻譜資源，則轉(zhuǎn)入認知用戶發(fā)送端鏈路維護方法的步驟5)；2)將感知得到的主用戶需要占用的頻譜資源統(tǒng)統(tǒng)釋放不再繼續(xù)占用，并利用其余可 用頻譜資源繼續(xù)傳遞要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀；3)確認接收到認知用戶的反饋信號后，立即分辨反饋信號的類型是類型一還是類型 二，若是類型一，說明數(shù)據(jù)傳遞已完成，則發(fā)射端停止傳遞，若是類型二，則轉(zhuǎn)入認知 用戶發(fā)送端鏈路維護方法的步驟4)；4)分辨類型二的反饋是通過哪些頻譜接收到的，并立即停止在這些頻譜上繼續(xù)傳遞 數(shù)據(jù)，只利用其余可用的頻譜資源，將其余可用的頻譜資源更新記為f。，轉(zhuǎn)入認知用戶發(fā) 送端鏈路維護方法的步驟1)；5)發(fā)射端嘗試著在新感知到的頻譜資源上的“應(yīng)答時隙”中接收接收端的反饋， 若確認在這個頻譜上接收到接收端的反饋，則轉(zhuǎn)入認知用戶發(fā)送端鏈路維護方法的步驟 6)；若在接收到反饋信號前發(fā)現(xiàn)這個頻譜又被主用戶占用，則停止在此頻譜上的活動， 轉(zhuǎn)入認知用戶發(fā)送端鏈路維護方法的步驟1)；6)確認接收端的反饋為反饋類型三，則在這些頻譜上發(fā)送確認信息，等待接收端的 進一步反饋；若得到接收端的類型四的反饋，則將此頻譜記入f。，轉(zhuǎn)入認知用戶發(fā)送端 鏈路維護方法的步驟1)，否則不更新f。，轉(zhuǎn)入認知用戶發(fā)送端鏈路維護方法的步驟1)；認知用戶接收端鏈路的維護方法包括以下步驟1)在通信鏈路建立后，接收端一邊利用f。中的頻譜資源接收發(fā)射端傳遞的數(shù)據(jù)幀， 一邊實時的對整個認知系統(tǒng)中的全部頻譜資源進行感知，若在此期間譯碼成功，恢復(fù)出 發(fā)射端要發(fā)送的全部信息數(shù)據(jù)，則轉(zhuǎn)入認知用戶接收端鏈路維護方法的步驟2)；若感知 發(fā)現(xiàn)主用戶開始活動需要占用正在進行數(shù)據(jù)傳遞的頻譜，則轉(zhuǎn)入認知用戶接收端鏈路維 護方法的步驟3)；若感知到新的可用頻譜資源，則轉(zhuǎn)入認知用戶接收端鏈路維護方法的 步驟4)；2)接收端在“應(yīng)答時隙”中的所有f。標記的頻譜資源上發(fā)送類型一的反饋，告知發(fā) 射端立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)，從而完成整個數(shù)據(jù)的傳輸；3)將感知得到的主用戶需要占用的頻譜資源標記為fz，并在這些頻譜上的“應(yīng)答時隙中”發(fā)送類型二的反饋，并將fz中標記的頻譜資源在f。中移出，轉(zhuǎn)入認知用戶接收端 鏈路維護方法的步驟1)；4)在感知到新的可用頻譜資源的“應(yīng)答時隙”中向發(fā)射端發(fā)送若干次類型三的反 饋，并在這些頻譜上嘗試接收發(fā)射端的確認信號，若接收到發(fā)射端的確認信號，則再發(fā) 送類型四的反饋做進一步確認，并將這些新的可用頻譜資源并入f。，轉(zhuǎn)入認知用戶接收 端鏈路維護方法的步驟1)；若沒有接收到，則轉(zhuǎn)入認知用戶接收端鏈路維護方法的步驟 1)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無速率碼的認知無線電通信鏈路的建立和維護方法，其 特征在于認知用戶發(fā)送端鏈路的維護方法中的按照無速率碼的編碼方式對信息包進行編 碼并組幀，其步驟如下1)設(shè)要傳遞的信息為m，長度為L2，將m分割成「12/A21個小數(shù)據(jù)包，每個小數(shù)據(jù) 包長度為k2，若L2無法整除k2，則最后一個小數(shù)據(jù)包不足k2長的部分用“0”來填充；2)對每個k2長的小數(shù)據(jù)包利用循環(huán)冗余校驗碼進行循環(huán)冗余校驗，每個小數(shù)據(jù)包長 度根據(jù)采用的循環(huán)冗余校驗碼的長度r2相應(yīng)的增加到k2+r2比特；3)將「Ζ2/Α:2"|個長度為k2+r2比特的小數(shù)據(jù)包送入無速率碼的編碼器進行編碼，按照 編碼包的產(chǎn)生順序?qū)⑦@些編碼包記為C = [C(1，C1, C2,…]，每一個編碼包的下標表示此 編碼包在整個編碼序列當中所處的位置，利用g個比特來表示編碼包的下標；4)將每一個編碼包的下標送入一個1/4碼率的線性分組碼進行編碼，產(chǎn)生長度為 gX4比特的數(shù)據(jù)作為位置標示，并將位置標示放在每個編碼包之后；5)在每一個編碼包之前再加上長度為64X4的前導(dǎo)序列用來實現(xiàn)位同步和信道估 計，并在每一個編碼包之后再加上64比特的間隔，作為“應(yīng)答時隙”，完成編碼及組 幀。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于無速率碼的認知無線電通信鏈路的建立和維護方法，其包括認知用戶發(fā)送端鏈路的建立方法和認知用戶發(fā)送端鏈路的維護方法以及認知用戶接收端鏈路的建立方法和認知用戶接收端鏈路的維護方法。本發(fā)明利用無速率碼可以自適應(yīng)的對付鏈路刪除和數(shù)據(jù)包丟失的特性，進行通信鏈路的建立和維護，并充分利用無速率碼所需的反饋應(yīng)答時隙，應(yīng)用該方法不需要主從用戶之間存在額外的公共控制信道進行“譜圖交換”。
文檔編號H04W24/04GK102026247SQ20101056697
公開日2011年4月20日 申請日期2008年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月25日
發(fā)明者吳可鏑, 張朝陽, 楊勝天, 黃慧 申請人:浙江大學