專利名稱：一種基于頻域的認知無線電協(xié)同感知與頻譜競爭的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于頻域的協(xié)同檢測與頻譜競爭模式，用以解決認知無線電網絡中因控制信息傳輸而占用大量頻譜資源，從而降低頻譜利用率問題的通信方法。該方法可以將傳統(tǒng)串行進行的協(xié)同檢測與頻譜競爭并行分配到頻域內上，從而大大降低了這兩個控制過程占用頻譜的時間，提高了頻譜利用率，增大了網絡總吞吐量。
背景技術：
隨著無線通信技術的發(fā)展，無線用戶的數(shù)量急劇增加，無線頻譜資源變得越來越緊張，如何充分提高無線頻譜的利用率成為亟待解決的技術問題。尤其是隨著無線局域網(WLAN)技術、無線個人域網絡(WPAN)技術的發(fā)展，越來越多的人通過這些技術以無線的方 式接入互聯(lián)網。這些網絡技術大多使用非授權的頻段(UFB)工作。由于WLAN、WRAN無線通信業(yè)務的迅猛發(fā)展，這些網絡所工作的非授權頻段已經漸趨飽和。另一方面，一些通信業(yè)務(如電視廣播業(yè)務等)需要通信網絡提供一定的保護，使他們免受其他通信業(yè)務的干擾。為了提供良好的保護，頻率管理部門專門分配了特定的授權頻段(LFB)以供特定通信業(yè)務使用。與授權頻段相比，非授權頻段的頻譜資源要少很多，因為大部分的頻譜資源均被用來做授權頻段使用。然而，相當數(shù)量的授權頻譜資源的利用率卻非常低，比如數(shù)字電視頻段。因此，現(xiàn)在的頻譜使用率趨于兩極分化。某些部分的頻譜資源相對較少但其上承載的業(yè)務量很大，而另外一些已授權的頻譜資源利用率卻很低。基于目前的頻譜資源分配方法，我們可以說有相當一部分頻譜資源的利用率是很低的?；诂F(xiàn)今頻譜利用率低的問題,認知無線電(Cognitive Radio, CR)技術提出了一種新的解決思路。認知無線電的概念起源于1999年Joseph Mitola博士的奠基性工作。其核心思想就是使無線通信設備具有發(fā)現(xiàn)“頻譜空洞”并合理利用所發(fā)現(xiàn)的“空洞”的能力?！邦l譜空洞”是指在空域、時域和頻域中出現(xiàn)的可以被利用的頻譜資源。當然，這一定要建立在已授權頻段沒用或只有很少的通信業(yè)務在活動的情況下。認知無線電的核心思想就是使無線通信設備具有發(fā)現(xiàn)“頻譜空洞”并合理利用的能力。這種學習能力可以使認知無線電用戶與周圍環(huán)境交互信息，以感知和利用在該空間的可用頻譜，并限制和降低沖突的發(fā)生。雖然認知無線電技術能以更為靈活的方式來管理有限的頻譜資源，但要真正將其應用于實際通信系統(tǒng)還需解決包括頻譜檢測、自適應頻譜資源分配和無線頻譜管理等關鍵技術問題。具體來講，當非授權通信用戶通過“借用”的方式使用已授權的頻譜資源時，必須保證他的通信不會影響到其他已授權用戶的通信。要做到這一點，非授權用戶必須按照一定的規(guī)則來使用所發(fā)現(xiàn)的“頻譜空洞”
頻譜檢測最廣泛采用的方法是能量檢測，因為能量檢測技術簡單實用。然而，在無線信道中，無線信號會受到多徑衰落、陰影以及本地噪聲不確定性的影響，導致頻譜檢測性能的急劇下降。針對這個問題，D. Cabric等人提出了協(xié)同頻譜檢測算法。隨著參與協(xié)同檢測的認知用戶樹木的增大，頻譜檢測性能逐漸增強。這個方法很好地利用了無線傳輸空間多樣性的特點來提高頻譜檢測的性能。然而，協(xié)同檢測比單一檢測的過程要復雜很多。過多的認知用戶參與協(xié)同檢測會使整個認知無線電網絡的感知時間過長，從而降低感知的靈敏度，并且大大占用了頻譜的使用，造成了巨大的系統(tǒng)開銷。同時，自適應頻譜資源分配也是認知無線電網絡一個亟需解決的難題，尤其是分布式無線網絡之中。在獲得檢測結果之后，認知用戶需要通過相互之間的協(xié)調通信來確定頻譜的使用。這樣的協(xié)調通信需要消耗很大的頻譜資源，也是系統(tǒng)資源開銷的一部分。因此，怎樣減少協(xié)同感知以及頻譜分配的開銷是認知無線電網絡的一個關鍵問題。申請?zhí)枮?00910183817，申請日為2009年07月31日的國內發(fā)明專利申請公開了一種認知無線電中的異步協(xié)同頻譜感知方法。該方法規(guī)定各認知節(jié)點根據(jù)本地判決的可靠性，以異步傳輸?shù)姆绞较蛑行墓?jié)點發(fā)送本地判決結果，從而在在保證檢測性能的同時，在一定程度上減少了檢測時間，降低了對授權用戶的干擾時間，而且提高頻譜空穴的接入利用率一定程度上。然而，該方法并沒考慮頻譜競爭的過程，而且沒有利用無線信道的頻域特點進行傳輸，因此并不能更高效率的利用頻譜。本方法將協(xié)同感知和頻譜競爭兩個獨立的過程并行的分配到頻域進行，從而大大減少了控制信號的傳輸時間以及占用帶寬，有效提高了頻譜利用率。
申請?zhí)枮?01210038957，申請日為2012年2月13日的國內發(fā)明專利申請公開了一種基于最佳中繼的自適應協(xié)作頻譜感知方法。該方法利用次用戶s U及認知中繼S R對主用戶PU進行初始檢測。最后融合中心FC根據(jù)指示t a g執(zhí)行最終決策，完成協(xié)作頻譜感知。該方法因加入了認知中繼，可有效降低報告信道上的錯誤傳輸概率，提高感知性能，節(jié)約信令開銷。然而，該方法也沒有考慮頻譜競爭過程，因而信令開銷，即控制信號的傳輸，依舊不能夠有效減少，因為不能利用更多的時間和頻譜進行數(shù)據(jù)傳輸。本發(fā)明利用OFDM調制方式的頻域特性，將協(xié)同檢測和頻譜競爭兩個過程并行的執(zhí)行，從而大大減少了信令開銷，提高了頻譜利用率。申請?zhí)枮?01210069827，申請日為2012年3月16日的國內發(fā)明專利申請公開了一種認知無線電系統(tǒng)中的頻譜切換方法和設備。該方法由基站提出指定次用戶可以使用的頻譜資源。在頻譜切換過程中，次用戶在搜索到可用頻譜之后，利用專門的控制信道進行非競爭隨機接入過程，可以減小競爭失敗的概率及延遲，從而降低頻譜切換失敗概率，提高CR系統(tǒng)的用戶體驗。然而，該方法沒有考慮分布式認知無線電網絡，因此并不適用于缺少基站的分布式網絡中。該方法也沒有考慮協(xié)同檢測過程，因此并不能有效的降低控制信號的系統(tǒng)開銷。本方法同時降低了協(xié)同檢測與頻譜競爭的資源消耗，從而極大提高了頻譜利用率。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是，在分布式認知無線電網絡中，在保證頻譜檢測以及自適應頻譜分配性能的基礎上，盡可能的減少其所需要傳輸?shù)目刂菩畔ⅲ瑥亩鴾p少信令開銷，為數(shù)據(jù)信息傳輸爭取更多的時間，以提高頻譜利用率，增大網絡吞吐量。在分布式認知無線電網絡中，因為不存在融合節(jié)點或中心節(jié)點用來匯總并通知協(xié)同頻譜檢測的結果，以及分配已有的頻譜進行數(shù)據(jù)傳輸，以上過程需要次用戶獨立完成。這就需要次用戶之間進行大量通信，來交換其頻譜檢測結果。參與檢測的次用戶越多，所需要交換的控制信息量就越大。因此，協(xié)同檢測雖然可以提高檢測的精確度，在一定程度上也存在著折中。如果交換檢測結果需要花費大量時間，那么最終得到的檢測結果時效性將大大降低，從而降低了頻譜利用率。另一方面，當次用戶獲得檢測結果之后，多個數(shù)據(jù)信道，多塊頻譜的競爭在分布式網絡中亦需要消耗大量資源來進行。參與競爭的次用戶數(shù)量越多，潛在的沖突也就越多，因而需要協(xié)商的時間會隨之增加，頻譜利用率也會隨之大大降低。本發(fā)明旨在設計一種可以在頻域并行執(zhí)行協(xié)同頻域檢測以及頻譜競爭的方法，使得次用戶可以在分布式的網絡環(huán)境內，盡可能交換最少的控制信息而來完成頻譜檢測結果的交換，以及可用頻譜的傳輸競爭。當協(xié)同頻譜檢測以及頻譜競爭并行的分配到頻域內的時候，這兩個過程可以同時執(zhí)行，并且只消耗固定的時間，從而大大降低了信令開銷，增大頻譜利用率。本發(fā)明包含的模塊為分級載波結構、全雙工微兀報告信道、基于接收端的傳輸競爭以及基于次序匹配的頻譜分配算法。為了盡量減少控制信號傳輸所占用的時間，關鍵問題是將傳統(tǒng)協(xié)議中串行執(zhí)行的協(xié)同檢測和頻譜競爭過程并行分配到頻域中。這樣可以保證在固定時間內同時完成這兩個過程，而不會像傳統(tǒng)方式那樣，隨著參與檢測與競爭的此用戶數(shù)量增多，所需的控制信息傳輸時間隨之增大。并且，原始的控制信號，包括需要報告的檢測結果，以及頻域競爭所采用的信號都不便于直接采用到并行傳輸中去，因為原始控制信號需要傳輸?shù)男畔⑻^龐大。因此，這些控制信息需要進過特別設計，在不損失信息量的情況下壓縮和精簡，以便更加適合于并行傳輸。為了達到并行執(zhí)行協(xié)同檢測和頻譜競爭的目的，本發(fā)明利用正交頻分載波復用(Orthogonal Frequency Division Multiplex, OFDM)調制解調技術在頻域上具有多載波調制特性。多載波調制技術是一種并行體制，它將高速率的數(shù)據(jù)序列經串/并變換后分割成為若干路低速數(shù)據(jù)流，每一路低速數(shù)據(jù)采用一個獨立的載波調制，疊加在一起構成發(fā)送信號。借助這種多載波特性，本發(fā)明在頻域將控制信道分為微元報告信道和微元競爭信道。協(xié)同檢測以及頻譜競爭需要的多個數(shù)據(jù)可以分別調制到不同信道的子載波上面，然后并行傳輸?shù)饺タ諝猱斨小τ趨f(xié)同檢測而言，傳統(tǒng)的結果報告方式是由每一個檢測的次用戶在控制信道傳輸對于每一個數(shù)據(jù)信道的檢測結果。之后，各個次用戶根據(jù)一定的融合規(guī)則來獲得最總的 頻譜使用情況。不同于以往方式，本發(fā)明設計了一種微元報告信道，即將檢測結果壓縮為I比特的信息用來報告。具體來講，由控制信道的不同子載波來代表檢測的不同數(shù)據(jù)信道。相應的，當某個子載波上面?zhèn)魉偷男盘柺恰?I”時，代表這個子載波對應的信道是繁忙的，不能使用?！?”代表子載波對應的信道是空閑的，可以使用。通過這種方式，可以將匯報結果所需要的控制信息量減少到最低。由于不同的次用戶會有不同的檢測結果，每一個次用戶應該分配一個微元報告信道，來報告自己對于每個數(shù)據(jù)信道的檢測結果。在分布式網絡中，這種分配也需要由次用戶自己完成。本發(fā)明將這個分配問題闡述為一個無向圖的點染色問題。圖中每一個點代表每一個次用戶，而每一條邊代表微元報告信道的分配沖突關系。然后利用同步分布式算法對每一個點進行染色，最后得到的染色方案就是微軟報告信道的分配結果。傳統(tǒng)的無線收發(fā)器是半雙工的，因此，次用戶在發(fā)送自己的報告結果時，無法收到其他次用戶的各個信號。為了解決這個問題，本發(fā)明采用全雙工的無線收發(fā)器，以保證次用戶在發(fā)送自己的控制信號時，可以隨時監(jiān)聽到其他次用戶發(fā)送的控制信號。這樣，發(fā)送和接收過程就可以并行進行，保證了系統(tǒng)的并行性。對于多信道競爭而言，每個次用戶也需要一個微元競爭信道進行傳輸申請。微元競爭信道的分配方式具有和微元報告信道一樣的分配方式。在系統(tǒng)建立初期，每個次用戶利用無向圖點染色的方式，來分配自己的微元報告信道和微元競爭信道。每個發(fā)送端次用戶將自己接收端次用戶的MAC地址用哈希函數(shù)映射成一個n比特的信息，然后利用自己的微元競爭信道進行發(fā)送，以此表示要與該次用戶進行數(shù)據(jù)傳輸。在下一個時隙，收聽到傳輸請求的次用戶通過在自己的微元競爭信道發(fā)送隨機數(shù)進行競爭，以此達到二次握手和競爭的目的。最后，本發(fā)明采用一種基于次序匹配的頻譜分配算法來分配多信道的傳輸。次用戶將可用的信道根據(jù)其中心頻點由小至大排序，同時多個次用戶根據(jù)競爭所選擇的隨機數(shù)由小至大排序。根據(jù)排序的結果，次用戶在相匹配的信道進行傳輸。這種分配算法可以節(jié)省競爭時間，減少多輪競爭帶來的開銷，有效提高頻譜利用率。 本發(fā)明基于OFDM頻域的多載波特性，將協(xié)同檢測與頻譜競爭模式并行傳輸，用以解決認知無線電網絡中因控制信息傳輸而占用大量頻譜資源，從而降低頻譜利用率的問題，能達到的有益效果如下
在不影響協(xié)同檢測性能的情況下，可以大大降低分布式網絡中檢測結果報告以及融合時需要消耗的頻譜資源，提高了檢測結果的靈敏度以及時效性，提高了頻譜利用率。；
可以極大減少分布式網絡中自適應分配時，次用戶競爭所消耗的頻譜資源，有效的在頻域進行信道分配和競爭，降低了競爭沖突以及多信道輪詢所消耗的時間；
有效將協(xié)同檢測和頻譜分配并行分布在頻域內，降低了串行執(zhí)行時所需要消耗的頻譜資源，節(jié)省了控制信號的傳輸時間，增大信道利用率。


下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。圖1為分布式認知無線電網絡頻譜檢測示意圖。圖2為傳統(tǒng)與理想的分布式無線網絡協(xié)作檢測與頻譜競爭對比。圖3為分級結構示意圖。圖4為多/[目道競爭不意圖。其中圖3中所示黑色實線為多信道競爭頻段，黑色虛線為協(xié)同檢測頻段。
具體實施例方式如圖1所示，當分布式認知無線電采用協(xié)同頻譜檢測時，每個次用戶都要先進行獨立的頻譜感知。之后再利用匯報信道進行結果交換和融合。匯報信道一般是預先規(guī)定好的特定信道，為所有次用戶使用。當結果融合之后，次用戶再根據(jù)自己的傳輸需求進行頻譜，在可用的數(shù)據(jù)信道上進行傳輸。如圖2所示，傳統(tǒng)的分布式認知無線電網絡將協(xié)同檢測和頻譜競爭在時域上串行執(zhí)行。次用戶首先進行獨立的頻譜檢測，在獲得檢測結果之后，次用戶利用預先分配的時隙交換檢測結果，并在其他時隙進行整理融合。當多輪交換之后，次用戶根據(jù)自己的傳輸需求對可用的頻譜進行競爭。如果競爭出現(xiàn)沖突，次用戶需要退避一段時間，再繼續(xù)競爭。如果競爭成功，次用戶可以在相應的信道進行傳輸。由此可見，在數(shù)據(jù)傳輸之前，控制信息的交換占用了大量的系統(tǒng)開銷。而利用OFDM調制的多載波特性，本發(fā)明將協(xié)同感知的結果報告與頻譜競爭并行分配到控制信道的頻域中，用固定的時間進行交換競爭，因此大大減少了控制信號的傳輸時間，提高了頻譜利用率。如圖3所示，所有的控制信息都在多功能時段內完成，該時段包括兩個時隙?？刂菩诺涝陬l域劃分成兩個部分，多信道競爭頻段BM和協(xié)同檢測頻段BC。每個頻段分別包含相應的微元信道，比如微元競爭信道和微元報告信道。在協(xié)同檢測頻段，每個數(shù)據(jù)信道被分配相等數(shù)目的載波，即微元報告信道。每個微元報告信道可供所有的次用戶進行檢測結果報告，具體來講，每個微元報告信道內都會有一個載波都分配給一個次用戶，專門供該次用戶發(fā)送其檢測結果。若某次用戶在其微元報告信道的相應載波發(fā)送一個“1”，則表示該次用戶檢測到該信道非空閑，若發(fā)送一個“0”，則表示其檢測結果為該信道是 空閑的。在多功能時隙時，每個次用戶在發(fā)送自己的檢測結果時，利用全雙工收發(fā)器同時接收其他次用戶的檢測結果，最后將所有結果融合，得到可用的頻譜資源。對于多信道競爭頻段而言，每個發(fā)送端次用戶先將其接收端的MAC地址哈希成一個值，如圖4所示，次用戶BM1、BM2、BM3和BM4的哈希值分別為3、1、2和4。次用戶BM2和BM4有數(shù)據(jù)要發(fā)送，其接收端分別為BMl和BM3。因此，在多功能時段時隙I的時候，BM2和BM4分別在其微元競爭信道發(fā)送3和2，表示BMl和BM3是其接收端。在下一個時隙，BMl和BM3隨機挑選一個數(shù)值作為其競爭號碼,分別為12和7,并在其微兀競爭信道上發(fā)送12和7。這樣就完成了二次握手以及競爭。最后，次用戶利用基于次序的信道分配算法，將可用的數(shù)據(jù)信道和競爭號碼排序，可得出次用戶BM4和BM3在數(shù)據(jù)信道I傳輸，而次用戶BM2和BMl在數(shù)據(jù)信道2傳輸。通過這種頻域疊加的方式，協(xié)同感知和頻譜競爭只占用固定的時間進行傳輸，即兩個時隙時間。因此極大降低了控制信號的系統(tǒng)開銷，提高了頻域利用率。
權利要求
1.一種基于頻域的認知無線電協(xié)同感知與頻譜競爭的方法，其特征是基于無線網絡節(jié)點全雙工模式，通過分級載波結構、全雙工微元報告信道、基于接收端的傳輸競爭以及基于次序匹配的頻譜分配算法四個模塊，首先利用正交頻分多路復用(Orthogonalfrequency-division multiplexing, OFDM)的多載波調制特性,在頻域將控制信道分為微元報告信道和微元競爭信道，將協(xié)同檢測以及頻譜競爭需要的多個數(shù)據(jù)可以分別調制到不同信道的子載波上面，將傳統(tǒng)串行進行的協(xié)同檢測與頻譜競爭分配到頻域內上并行進行；每一個次用戶應該分配一個微元報告信道，來報告自己對于每個數(shù)據(jù)信道的檢測結果，微元報告信道將檢測結果進行壓縮；每個次用戶也需要一個微元競爭信道進行傳輸申請，每個次用戶利用無向圖點染色的方式，來分配自己的微元報告信道和微元競爭信道；并采用一種基于次序匹配的頻譜分配算法來分配競爭結果，從而大大降了這兩個控制過程占用頻譜的時間，提高了頻譜利用率，增大了網絡總吞吐量，解決認知無線電網絡中因控制信息傳輸而占用大量頻譜資源的問題。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于頻域的認知無線電協(xié)同感知與頻譜競爭的方法，其特征是基于正交頻分多路復用(Orthogonal frequency-di vis ion multiplexing, OFDM)平臺，但也可相應地擴展到其他多載波傳輸平臺。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于頻域的認知無線電協(xié)同感知與頻譜競爭的方法，其特征是利用無線網絡全雙工模式，令用戶可以在發(fā)送檢測結果以及頻譜競爭時，同時獲得其他用戶的控制信息。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于頻域的認知無線電協(xié)同感知與頻譜競爭的方法，其特征是利用OFDM多載波的特性，將控制信道的載波分級，將高速率的數(shù)據(jù)序列經串/并變換后分割成為若干路低速數(shù)據(jù)流，每一路低速數(shù)據(jù)采用一個獨立的載波調制，疊加在一起構成發(fā)送信號，從而并行的執(zhí)行協(xié)同檢測以及頻譜競爭。
5.根據(jù)權利要求4所述的基于頻域的認知無線電協(xié)同感知與頻譜競爭的方法，其特征是由控制信道的不同子載波來代表檢測的不同數(shù)據(jù)信道，相應的，當某個子載波上面?zhèn)魉偷男盘柺恰癐”時，代表這個子載波對應的信道是繁忙的，不能使用；“0”代表子載波對應的信道是空閑的，可以使用，微元報告信道通過這種方式，可以將匯報結果所需要的控制信息量減少到最低。
6.根據(jù)權利要求5所述的基于頻域的認知無線電協(xié)同感知與頻譜競爭的方法，其特征是協(xié)同檢測利用全雙工的微元報告信道進行結果融合，有效地將融合時間控制在兩個時隙之內，避免了傳統(tǒng)結果融合的大量時間消耗。
7.根據(jù)權利要求1所述的基于頻域的認知無線電協(xié)同感知與頻譜競爭的方法，其特征是發(fā)送端在頻譜競爭時段利用哈希函數(shù)表示接收端，即每個發(fā)送端次用戶將自己接收端次用戶的MAC地址用哈希函數(shù)映射成一個η比特的信息，然后利用自己的微元競爭信道進行發(fā)送，以此表示要與該次用戶進行數(shù)據(jù)傳輸，從而減少了競爭信令需要的資源消耗，有效地將頻譜競爭控制在兩個時隙之內。
8.根據(jù)權利要求1所述的基于頻域的認知無線電協(xié)同感知與頻譜競爭的方法，其特征是收聽到傳輸請求的次用戶通過在自己的微元競爭信道發(fā)送隨機數(shù)進行競爭，在頻譜競爭時段，由接收端產生隨機數(shù)來進行頻譜競爭，既完成了二次握手，又有效地進行了頻譜競爭。
9.根據(jù)權利要求1所述的基于頻域的認知無線電協(xié)同感知與頻譜競爭的方法，其特征是競爭結果利用基于次序匹配的頻譜分配算法進行分配，同時多個次用戶根據(jù)競爭所選擇的隨機數(shù)由小至大排序，用戶根據(jù)測量結果對可用頻譜進行排序，并根據(jù)競爭結果確定傳輸次序，由此免去了多輪協(xié)商需要消耗的系統(tǒng)開銷，極大提高了頻譜利用率，增加了整體網絡吞吐量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于頻域的協(xié)同檢測與頻譜競爭的認知無線電傳輸模式，用以解決認知無線電網絡中因控制信息傳輸而占用大量頻譜資源，從而降低頻譜利用率問題的通信方法。本發(fā)明基于OFDM調制技術，從無線局域網物理層入手，利用OFDM調制技術在頻域上具有的多載波特性，將協(xié)同檢測以及頻譜競爭兩個獨立而且互不相關的控制過程疊加在頻域上，從而使這兩個過程可以在同一時間內并行進行，因而極大地減少了傳輸控制信息所占用的時間以及帶寬。這種頻域的并行控制大大減少了傳統(tǒng)時域串行控制中信號交換傳輸所需的時間，從而增加了數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)臅r間，提高了頻譜利用率，增大了網絡吞吐量。
文檔編號H04W16/10GK103002449SQ201210497788
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月29日 優(yōu)先權日2012年11月29日
發(fā)明者王璐, 陳瑞良, 伍楷舜, 倪明選 申請人:廣州市香港科大霍英東研究院