一種收集與利用空閑頻譜資源的方法
【專利摘要】本發(fā)明一種收集與利用空閑頻譜資源的方法屬于無線網(wǎng)絡(luò)、無線通信【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種收集和利用空閑頻譜資源的方法。該方法采用資源管理中心通過與各種節(jié)點的協(xié)作，動態(tài)更新可用頻譜空閑狀況地圖，并更新各節(jié)點間的路由路徑；頻譜空閑狀況地圖由多個認知網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點與認知網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過協(xié)作交換彼此收集的空閑頻譜資源的方式構(gòu)建。方法采用的裝置由第1-第12認知網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點，第一、第二認知網(wǎng)關(guān)節(jié)點和1個安裝了網(wǎng)絡(luò)管理軟件的資源管理中心組成；該裝置可由通用的認知無線電硬件設(shè)備組成，便于快速布置，拆卸方便，適用于應(yīng)急應(yīng)用。該方法可應(yīng)用到頻譜資源較為緊張的地區(qū)，提高頻譜資源管理效率，為用戶提供更多的頻譜資源用于通信。
【專利說明】一種收集與利用空閑頻譜資源的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無線網(wǎng)絡(luò)、無線通信【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種收集和利用空閑頻譜資源的方法。該方法可應(yīng)用到頻譜資源較為緊張的地區(qū)，提高頻譜資源管理效率，為用戶提供更多的頻譜資源用于通信。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、無線通信、移動通信等技術(shù)的發(fā)展，各種無線通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)遍布于每個角落。利用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量連年高速增長，同時，人們對無線數(shù)據(jù)傳輸速率的需求也不斷提高。然而，總的可用頻率資源是恒定的，不斷增長的無線數(shù)據(jù)傳輸需求造成頻率資源日益緊張。
[0003]現(xiàn)有的頻率資源采用固定分配的形式，如:GSM通信上行頻率固定為890MHz至915MHz，而下行頻率固定在935MHz至960MHz。然而，各個頻段的頻率資源的利用效率及利用特性是有著巨大差異的。例如:移動通信頻段的頻率資源白天利用率較高，夜間利用率很低；TV頻段的頻率資源白天和深夜利用率較低。針對此，近年來研宄人員提出認知無線網(wǎng)絡(luò)的概念，以期達到動態(tài)利用頻譜資源的目的。
[0004]認知無線網(wǎng)絡(luò)的基本理念是讓每一個無線通信終端均成為認知無線電設(shè)備，具有感知周圍頻譜資源空閑狀態(tài)的能力，當(dāng)找到空閑頻率資源時，可通過重新配置其自身的硬件資源讓無線通信終端在該空閑頻率下進行通信，從而提高頻率資源的利用效率。如，魏急波等“認知無線網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)與研宄現(xiàn)狀”，通信學(xué)報，2011，第32卷，第11期，P147-P158頁；芮國勝等“認知無線網(wǎng)絡(luò)及其頻譜管理技術(shù)”，海軍航空工程學(xué)院學(xué)報，2009，第24卷，第2期，P181-P185頁。認知無線網(wǎng)絡(luò)雖然可以有效的收集和利用空閑頻譜資源，提高頻譜資源的利用效率，但是，體積、功耗等眾多因素限制了普通無線通信終端成為認知無線電設(shè)備。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，發(fā)明一種收集和利用空閑頻譜資源的方法。該方法借助由認知網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點、認知網(wǎng)關(guān)節(jié)點、資源管理中心、網(wǎng)絡(luò)管理軟件組成的網(wǎng)絡(luò)裝置，利用高效的空閑頻譜資源收集算法收集空閑頻譜資源，利用路由路徑規(guī)劃算法計算節(jié)點間的路由路徑，從而，可為不具備認知無線電能力的普通無線通信終端提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，使之可以借助收集到的空閑頻譜資源進行通信，有效的提高了頻譜利用效率。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案一種收集與利用空閑頻譜資源的方法，其特征是，資源管理中心通過與各節(jié)點的協(xié)作，動態(tài)更新可用頻譜空閑狀況地圖，并更新節(jié)點間的路由路徑；頻譜空閑狀況地圖由多個認知網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點與認知網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過協(xié)作交換彼此收集的空閑頻譜資源的方式構(gòu)建；路由路徑允許數(shù)據(jù)在多個頻率信道下將數(shù)據(jù)發(fā)送給由多個下一跳節(jié)點組成的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)集合，有效地提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br> [0007]空閑頻譜資源收集的具體步驟如下:
[0008]I)網(wǎng)絡(luò)中的認知網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點與認知網(wǎng)關(guān)節(jié)點每隔一個固定時間間隔Ts感知一次自身附近頻譜資源利用情況。節(jié)點采用功率電平閾值法判斷某一頻率是否空閑，當(dāng)某一頻率的接收功率電平小于某一閾值時，則判定該頻率空閑，否則，判定該頻率繁忙。節(jié)點感知范圍從最低頻率^到最高頻率F H,步進頻率Fs，感知結(jié)束時獲得頻譜空閑向量Ii來表示所有頻譜的空閑狀態(tài)。
[0009]2)各節(jié)點i均將自身感知的頻譜空閑向量Ii發(fā)送給資源管理中心，資源管理中心上運行的網(wǎng)絡(luò)管理軟件采用融合處理算法獲得整個網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的頻譜空閑狀況地圖1o據(jù)此，資源管理中心可以管理網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的可用空閑頻譜資源。
[0010]路由路徑規(guī)劃的具體步驟如下:
[0011]I)路由的代價函數(shù)綜合考慮頻譜的不確定性以及無線通信鏈路的不確定性，節(jié)點I發(fā)送數(shù)據(jù)到節(jié)點j的代價函數(shù)Cu定義為:
[0012]Cij= q ijXPij
[0013]其中，qu代表節(jié)點i與節(jié)點j附近某一頻率的空閑概率，P ^代表節(jié)點i到節(jié)點j無線通信鏈路的成功傳輸概率。
[0014]2)網(wǎng)絡(luò)管理軟件將目的節(jié)點的代價函數(shù)設(shè)為0，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其它節(jié)點的代價函數(shù)設(shè)為無窮大。之后，按照步驟I的定義計算每個節(jié)點的代價函數(shù)。進行計算時，允許每個節(jié)點在多個頻率信道下將數(shù)據(jù)發(fā)送給由多個下一跳節(jié)點組成的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)集合。當(dāng)新計算的代價函數(shù)數(shù)值小于舊的數(shù)值時，以新數(shù)值代替舊數(shù)值。通過多次迭代計算，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點的代價函數(shù)數(shù)值不再變化，此時，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任意一點到某一目的節(jié)點的路由路徑計算完畢，此路由路徑由多個頻率下的多條無線通信鏈路組成。
[0015]不具備認知無線電功能的普通無線通信終端利用該方法的裝置進行通信的具體步驟如下:
[0016]I)普通無線通信終端通過特有的頻率與認知網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點通信，告知其傳輸數(shù)據(jù)的目的節(jié)點。
[0017]2)認知網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點通過查詢資源管理中心獲得到目的節(jié)點的路由路徑。
[0018]3)普通無線通信終端通過特有的頻率將待傳輸數(shù)據(jù)發(fā)送給認知網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點。認知網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點利用收集的空閑頻譜資源，按照規(guī)劃好的路由路徑將數(shù)據(jù)發(fā)送到目的節(jié)點。
[0019]一種收集和利用空閑頻譜資源的方法，其特征在于:該方法采用的裝置由第1-第12認知網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點J1-J12，第一、第二認知網(wǎng)關(guān)節(jié)點Gl、G2和I個安裝了網(wǎng)絡(luò)管理軟件的資源管理中心Xl組成；第1-第12認知網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點J1-J12均勻布置在裝置覆蓋范圍內(nèi)，第一、第二認知網(wǎng)關(guān)節(jié)點G1、G2布置在裝置的四周，安裝了網(wǎng)絡(luò)管理軟件的資源管理中心Xl處于裝置的中心；該裝置對外提供與普通無線通信終端的傳統(tǒng)無線通信接口，同時，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)利用收集到的空閑頻譜資源進行數(shù)據(jù)傳輸；第1-第12認知網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點J1-J12作為網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備提供普通用戶接入該裝置的無線接口，第一、第二認知網(wǎng)關(guān)節(jié)點G1、G2作為該網(wǎng)絡(luò)到主干網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點提供了裝置到主干網(wǎng)的接入，安裝了網(wǎng)絡(luò)管理軟件的資源管理中心Xl實現(xiàn)對整個裝置路由路徑的規(guī)劃以及空閑頻譜資源的收集管理。
[0020]本發(fā)明的有益效果在于使不具備認知無線電硬件資源的無線通信終端可以利用收集到的空閑頻譜資源進行無線通信，有效的提高了頻譜利用效率；該方法的裝置可由通用的認知無線電硬件設(shè)備組成，便于快速布置，拆卸方便，適用于應(yīng)急應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，圖中:J1_J12為第1-第12認知網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點；G1、G2為第一、第二認知網(wǎng)關(guān)節(jié)點，Xl為安裝了網(wǎng)絡(luò)管理軟件的資源管理中心。
[0022]圖2為網(wǎng)絡(luò)管理軟件更新頻譜資源及路由路徑的流程圖。

【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合技術(shù)方案和附圖具體詳細闡述本發(fā)明的實施，一種收集和利用空閑頻譜資源的方法，該方法采用的裝置由第1-第12個認知網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點J1-J12、第一、第二兩個認知網(wǎng)關(guān)節(jié)點G1、G2以及I個安裝了網(wǎng)絡(luò)管理軟件的資源管理中心Xl組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。第1-第12認知網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點J1-J12均勻布置在裝置覆蓋范圍內(nèi)，第一、第二認知網(wǎng)關(guān)節(jié)點G1、G2布置在裝置的四周，安裝了網(wǎng)絡(luò)管理軟件的資源管理中心Xl處于裝置的中心。
[0024]認知網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點是一種具有多個射頻前端硬件的認知無線電設(shè)備，每個射頻前端硬件均可在多個頻率下工作，可動態(tài)感知附近的頻譜空閑狀態(tài)。與其它無線設(shè)備既可以通過分配的特有頻率信道通信，也可以通過收集感知的空閑頻率信道通信。它作為接入節(jié)點為普通無線通信終端提供了接入接口。
[0025]認知網(wǎng)關(guān)節(jié)點具有認知網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點的所有功能，可與普通無線終端以及認知網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點進行無線通信；此外，它可通過光纖與主干網(wǎng)連接。它作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點提供了該方法的裝置與主干網(wǎng)的通信接口。
[0026]資源管理中心負責(zé)協(xié)調(diào)整個網(wǎng)絡(luò)的運行，其上運行網(wǎng)絡(luò)管理軟件，計算網(wǎng)絡(luò)的路由路徑，動態(tài)統(tǒng)計空閑頻譜資源。
[0027]實施例采用圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，第1-第12個認知網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點J1-J12以及第一、第二兩個認知網(wǎng)關(guān)節(jié)點G1、G2均由海曼無限科技公司生產(chǎn)的USRP認知無線電節(jié)點N210組成，可感知的通信頻率范圍2GHz至2.6GHz，具有與主干網(wǎng)通信的IGHz帶寬有線網(wǎng)卡接口 ；安裝了網(wǎng)絡(luò)管理軟件的資源管理中心Xl由一個海曼無限科技公司生產(chǎn)的USRP認知無線電節(jié)點N210連接一臺PC機組成，PC機主頻3.0GHz,內(nèi)存8GBytes，PC機上運行網(wǎng)絡(luò)管理軟件；網(wǎng)絡(luò)管理軟件采用C語言編寫。
[0028]資源管理中心Xl上運行的網(wǎng)絡(luò)管理軟件每隔2秒鐘更新一次頻譜資源以及路由路徑。由N210構(gòu)成的第1-第12個認知網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點J1-J12以及第一、第二兩個認知網(wǎng)關(guān)節(jié)點G1、G2從2GHz至2.6GHz每隔IMHz檢測一下該頻點的頻譜空閑狀況，獲得頻譜空閑向量Ii。資源管理中心Xl融合處理各節(jié)點測量的頻譜空閑向量，獲得整個網(wǎng)絡(luò)的頻譜空閑狀況地圖1，并根據(jù)路由路徑規(guī)劃算法更新所有的路由路徑。
[0029]例如，該裝置覆蓋范圍內(nèi)有一個工作在2.45GHz的WiFi手機想與另一個工作在900MHz的GSM手機進行數(shù)據(jù)通信，WiFi手機通過WiFi頻段與第1-第12個認知網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點J1-J12中的某一個節(jié)點進行無線通信，GSM手機通過GSM頻段與第1-第12個認知網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點J1-J12中的另一個節(jié)點進行無線通信，通過查詢網(wǎng)絡(luò)頻譜空閑狀況地圖以及路由路徑，上述兩個節(jié)點通過收集到的2GHz至2.6GHz范圍內(nèi)目前空閑的任何頻譜資源進行數(shù)據(jù)多跳無線通信。由此，除了第一跳與最后一跳使用了 WiFi與GSM頻率資源，通信中其它地方使用的頻譜資源均是該裝置收集到的空閑頻譜資源，從而，有效地提高了頻譜資源利用效率。實驗表明，利用收集的頻譜進行通信時數(shù)據(jù)速率可達450Kbyte/s，數(shù)據(jù)包正確送達率可達97%。
[0030]本發(fā)明一種收集與利用空閑頻譜資源的方法可為普通的不具備認知無線電設(shè)備功能的無線通信終端提供服務(wù)，可收集附近的空閑頻譜資源，在與無線通信終端采用終端的通信頻率進行數(shù)據(jù)接入之后，利用收集到的空閑頻譜資源進行數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，使普通無線通信終端在不具備認知無線電設(shè)備功能的條件下可以利用空閑頻譜資源，為通信系統(tǒng)提供了更多的頻譜資源，有效的提高了頻譜利用效率，從而提高了通信質(zhì)量。與現(xiàn)有的認知無線網(wǎng)絡(luò)相比，本發(fā)明的方法不需要無線通信終端具備認知無線電的功能，可為普通無線終端提供收集到的空閑頻率資源，有效地降低了認知無線網(wǎng)絡(luò)對用戶終端的要求，提高了收集到的空閑頻率資源的利用效率，滿足了各種新興無線應(yīng)用對頻率資源日益升高的要求。
【權(quán)利要求】
1.一種收集與利用空閑頻譜資源的方法，其特征是，該方法采用資源管理中心通過與各種節(jié)點的協(xié)作，動態(tài)更新可用頻譜空閑狀況地圖，并更新各節(jié)點間的路由路徑；頻譜空閑狀況地圖由多個認知網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點與認知網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過協(xié)作交換彼此收集的空閑頻譜資源的方式構(gòu)建；路由路徑允許數(shù)據(jù)在多個頻率信道下將數(shù)據(jù)發(fā)送給由多個下一跳節(jié)點組成的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)集合，空閑頻譜資源收集的具體步驟如下: 1)網(wǎng)絡(luò)中的認知網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點與認知網(wǎng)關(guān)節(jié)點每隔一個固定時間間隔Ts感知一次自身附近頻譜資源利用情況；節(jié)點采用功率電平閾值法判斷某一頻率是否空閑，當(dāng)某一頻率的接收功率電平小于某一閾值時，則判定該頻率空閑，否則，判定該頻率繁忙；節(jié)點感知范圍從最低頻率^到最高頻率F H,步進頻率Fs，感知結(jié)束時獲得頻譜空閑向量Ii來表示所有頻譜的空閑狀態(tài)； 2)各節(jié)點i均將自身感知的頻譜空閑向量Ii發(fā)送給資源管理中心，資源管理中心上運行的網(wǎng)絡(luò)管理軟件采用融合處理算法獲得整個網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的頻譜空閑狀況地圖1 ;據(jù)此，資源管理中心可以管理網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的可用空閑頻譜資源； 路由路徑規(guī)劃的具體步驟如下: 1)路由的代價函數(shù)綜合考慮頻譜的不確定性以及無線通信鏈路的不確定性，節(jié)點i發(fā)送數(shù)據(jù)到節(jié)點j的代價函數(shù)Cu定義為:
Cij= Q IjxPij 其中，Qij代表節(jié)點i與節(jié)點j附近某一頻率的空閑概率，P u代表節(jié)點i到節(jié)點j無線通信鏈路的成功傳輸概率； 2)網(wǎng)絡(luò)管理軟件將目的節(jié)點的代價函數(shù)設(shè)為O，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其它節(jié)點的代價函數(shù)設(shè)為無窮大；之后，按照步驟I的定義計算每個節(jié)點的代價函數(shù)；進行計算時，允許每個節(jié)點在多個頻率信道下將數(shù)據(jù)發(fā)送給由多個下一跳節(jié)點組成的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)集合；當(dāng)新計算的代價函數(shù)數(shù)值小于舊的數(shù)值時，以新數(shù)值代替舊數(shù)值；通過多次迭代計算，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點的代價函數(shù)數(shù)值不再變化，此時，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任意一點到某一目的節(jié)點的路由路徑計算完畢，此路由路徑由多個頻率下的多條無線通信鏈路組成； 不具備認知無線電功能的普通無線通信終端利用該方法的裝置進行通信的具體步驟如下: 1)普通無線通信終端通過特有的頻率與認知網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點通信，告知其傳輸數(shù)據(jù)的目的節(jié)點； 2)認知網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點通過查詢資源管理中心獲得到目的節(jié)點的路由路徑； 3)普通無線通信終端通過特有的頻率將待傳輸數(shù)據(jù)發(fā)送給認知網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點；認知網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點利用收集的空閑頻譜資源，按照規(guī)劃好的路由路徑將數(shù)據(jù)發(fā)送到目的節(jié)點。
2.依據(jù)權(quán)利要求1所述的一種收集和利用空閑頻譜資源的方法，其特征在于:該方法采用的裝置由第1-第12認知網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點(J1-J12)，第一、第二認知網(wǎng)關(guān)節(jié)點(G1、G2)和I個安裝了網(wǎng)絡(luò)管理軟件的資源管理中心(Xl)組成；第1-第12認知網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點(J1-J12)均勻布置在裝置覆蓋范圍內(nèi)，第一、第二認知網(wǎng)關(guān)節(jié)點(G1、G2)布置在裝置的四周，安裝了網(wǎng)絡(luò)管理軟件的資源管理中心(Xl)處于裝置的中心；該裝置對外提供與普通無線通信終端的傳統(tǒng)無線通信接口，同時，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)利用收集到的空閑頻譜資源進行數(shù)據(jù)傳輸；第1-第12認知網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點(J1-J12)作為網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備提供普通用戶接入該裝置的無線接口，第一、第二認知網(wǎng)關(guān)節(jié)點(G1、G2)作為該網(wǎng)絡(luò)到主干網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點提供了裝置到主干網(wǎng)的接入，安裝了網(wǎng)絡(luò)管理軟件的資源管理中心(Xl)實現(xiàn)對整個裝置路由路徑的規(guī)劃以及空閑頻譜資源的收集管理。
【文檔編號】H04W16/14GK104507093SQ201410799528
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月19日
【發(fā)明者】王潔, 高慶華, 海龍, 張瀟, 王洪玉, 李思偉, 張煥沖, 平健舟 申請人:大連理工大學(xué)