CN101267578B - 一种蜂窝移动节点自组织Ad hoc网内节点的通信控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用认知无线电技术的蜂窝移动节点自组织Adhoc网内节点的通信控制方法，其特征在于包括如下步骤：i、在节点上安装第一收发机和第二收发机；ii、基站找出当前可用信道集，并将当前可用信道集广播给网内节点；iii、第二收发机扫描当前可用信道集，从中选择出一组候选家乡信道，然后随机选择一个信道作为当选家乡信道；iv、节点通过所述第一收发机在公共控制信道向邻居节点广播自己的当选家乡信道，并监听网络上的返回信号；v、发送节点将第二收发机调谐到接收节点的当选家乡信道上，然后以CSMA/CA的方式接入信道进行数据传输。应用本发明，可以有效的利用频谱资源，将数据传输分布到多个信道上，很好的减小了业务冲突。

Description

一种蜂窝移动节点自组织Ad hoc网内节点的通信控制方法 

技术领域

本发明涉及一种无线通信的方法，尤其涉及一种在多跳认知无线电Ad hoc网络内的非实时业务传输。 

背景技术

蜂窝网与Ad hoc网在覆盖面、移动性、数据率、网络管理、性价比等方面有很强的优势互补性，因而成为研究网络互通和融合的主要焦点，随着移动用户和业务量的急剧增加，频率的资源的利用已达到了极限。认知无线电是一种智能的无线通信技术，它通过动态的接入频谱为用户提供高容量的服务，能极大地改善现有的低效的频率利用率。通过使用认知无线电技术，使得非授权用户(次级用户)可以有效的利用授权用户(主用户)在一定时间和具体的位置没有使用的频谱(即频谱空洞)，而不影响主用户的频率使用。 

在蜂窝网中移动节点自组织成Ad hoc网络可以将蜂窝中的负载转移到Ad hoc网络中，Ad hoc网络中的通信不再利用蜂窝中的频率资源，因此可以利用认知无线电技术，感知一组周围环境中的频谱空洞作为可用信道集供Ad hoc网内通信。在多跳Ad hoc网络中，因为存在一组随时间变化的可用信道集，因此可以采用多信道的方式进行通信。采用多信道而不是单信道有以下好处：(1)减少用户间的干扰，(2)增大网络吞吐量，因为可以允许包在不同的信道上同时传输，(3)减少了主用户对次级用户的影响。 

在多跳Ad hoc网络中，已有很多关于多信道的研究。最早的多信道多跳网络要求节点具有N个收发机，每个收发机调谐到不同的信道上。当需要发送数据包时，在N个信道中找到一个空闲信道，然后在此空闲信道上传输。但是，在多跳认知无线电网络中，不像一般的多信道 多跳Ad hoc网络，其可用信道集是随时间和位置变化的，可用信道集的信道数也可能很大，因此不可能为每个节点装备有与信道数相当的收发机。此外，在认知无线电网络中如果没有公共控制信道，将很难实现时钟同步。后来有人提出了Slotted Seeded Channel Hopping(SSCH)，每个节点只需要一个收发机，但是这种方法不适合多跳网络，因为对每一跳通信都需要收发双方工作在同一信道上，将造成很大的时延。 

发明内容

有鉴于此，本发明的技术问题是提出一种在蜂窝Ad hoc混合网络下，利用认知无线电技术在多跳Ad hoc网络通信的方法，可以最大限度的利用网络带宽和频谱资源，有效地解决热点区域的拥塞问题。 

为解决上述技术问题，本发明提出一种利用认知无线电技术的蜂窝网移动节点自组织Ad hoc网内节点的通信方法，其特征在于在于包括如下步骤： 

i、在能够与蜂窝系统基站通信的Ad hoc网络节点上安装第一收发机和第二收发机；其中第一收发机CONTROLLER工作在公共控制信道上，公共控制信道是对所述Ad hoc网中所有节点都可用的信道，可以是工作在某个特定频段上的专有信道，所有节点都通过CSMA/CA的竞争方式接入公共控制信道；第二收发机TRANSMITTER具有无线认知能力，可以工作在所述可用信道集中的任何一个信道上。 

ii、启动节点设备，Ad hoc网内的节点以时分复用的方式接入上行信道，节点以周期T1将第二收发机的感知结果报告给基站，基站根据各个节点的感知结果以及整个蜂窝内信道的使用情况得到当前可用信道集，并将当前可用信道集广播给Ad hoc网络内的节点；可用信道集是时变的。 

iii、节点将第一收发机调谐到公共控制信道的频谱上；节点的第二收发机以周期T2扫描当前可用信道集，从中选择出一组候选家乡信道，然后随机选择一个信道作为当选家乡信道，并将第二收发机的频谱调谐 到当选家乡信道上； 

iv、更新家乡信道后或者在家乡信道没有更新的以参数T3为周期的时段内，节点通过所述第一收发机在公共控制信道向邻居节点广播自己的当选家乡信道，并监听网络上的返回信号；若，1)检测到主用户占用该当选家乡信道；或，2)至少一个邻居节点不同意该节点使用该当选家乡信道，并且有其他的可用信道可选；或，3)该当选家乡信道具有很高的冲突率；则，节点从候选家乡信道中的其它家乡信道重新选择当选家乡信道；若，其它候选家乡信道均不符合上述条件，则，节点重新扫描可用信道集来选择新的候选家乡信道，随机选择一个信道作为当选家乡信道，并将第二收发机的频谱调谐到当选家乡信道上，然后重复本步骤的过程； 

v、当节点向其邻居节点发送数据包时，发送节点将第二收发机调谐到接收节点的当选家乡信道上，然后以CSMA/CA的方式接入信道进行数据传输； 

本发明在蜂窝移动节点Ad hoc网络内节点上安装具有认知无线电能力的设备，利用认知无线电技术，它通过动态的接入频谱为用户提供高容量的服务，能极大地改善现有的低效的频率利用率；同时，本发明在认知无线电网络中设置了公共控制信道，实现了网络通信时钟同步。通过Ad hoc网络内节点使用认知无线电技术，使得非授权用户(次级用户)可以有效的利用授权用户(主用户)在一定时间和具体的位置没有使用的频谱(即频谱空洞)，而不影响主用户的频率使用，因此，最大限度的利用网络带宽和频谱资源，有效地解决热点区域的拥塞问题。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。 

图1为Adhoc网络节点与基站通信获取可用信道集的状态图。 

图2为三种状态字的结构图。其中，图2(a)为Ch_info字段格式，图2(b)为ngbr_info字段格式，图2(c)为CR_INFO字段格式。 

图3为在HCH通告中相邻节点的三种握手消息格式。其中，图3 (a)为ANNOUNCE和REQUEST消息格式，图3(b)为STATUS消息格式。 

图4为在HCH通告中相邻节点握手消息交互图。 

具体实施方式

在能够与蜂窝系统基站通信的Ad hoc网络节点上安装第一收发机和第二收发机；其中第一收发机(CONTROLLER)工作在公共控制信道上，公共控制信道是对所述Ad hoc网中所有节点都可用的信道，可以是工作在某个特定频段上的专有信道，所有节点都通过CSMA/CA的竞争方式接入公共控制信道；第二收发机(TRANSMITTER)具有无线认知能力，可以工作在所述可用信道集中的任何一个信道上。 

Ad hoc网内的N个用户将以时分复用的方式接入上行信道，由于Ad hoc网络中的节点具有无线感知能力，可以感知周围环境的频谱空洞，如图1所示，节点以周期T将感知结果，即一组状态字Ch_info列表报告给基站，Ch_info如图2的(a)所示，包括感知到的信道ch和感知时刻Time。又如图1所示，基站收集了各个用户的感知信息后，通过一定的处理，将得到一组可用信道集，通过下行广播信道(downstream)将可用信道集的信息广播给Ad hoc用户组。 

节点将CONTROLLER调谐到公共控制信道上。节点以周期T2用TRANSMITTER来扫描可用信道集中的信道，扫描时间为t，假设可用信道集中有n个信道，那么TRANSMITTER将在每个信道上停留t/n的周期，在每个停留周期上，节点监听信道的使用情况，若检测到主要用户，则将该信道标记为used-by-primary-user，若检测到其它信号，则将信道标记为busy。当初始周期到时，节点根据信道检测情况，从可用信道集中排除标记为used-by-primary-user和busy的信道，得到一组候选HCH。节点从这一组候选HCH中，随机的选取一个信道作为HCH。 

当节点选择了HCH或者改变HCH后，都需要立即通过公共控制信道向邻居节点广播HCH的情况；在以参数t1为周期的时段内，当节点 的HCH没有发生改变时，由于节点的邻居节点有可能发生变化，因此也需要周期性向邻居节点通告本节点的HCH占用状态，即通过公共控制信道向邻居节点广播HCH的情况。在HCH通告中的，相邻节点的握手过程如图4所示，其中包括三种消息：ANNOUNCE，REQUEST，STATUS，如图3所示。其中ANNOUNCE和REQUEST具有相同的消息格式，除了带有MAC层消息的基本信息外，还带有CR_INFO这一字段，CR_INFO如图2的(c)所示，带有发送节点的HCH，重传次数和DISAGREE标识位，DISAGREE标识位只在REQUEST消息中使用，即当接收节点不同意发送节点使用该HCH时，将DISAGREE标识位置1。STATUS消息中包括CR_INFO和list of ngbr_info字段，list ofngbr_info字段包括邻居节点的数目以及ngbr_info列表，ngbr_info状态字如图2的(b)所示，包括有邻居节点的地址和HCH信息。如图4所示，节点I在公共控制信道中广播ANNOUNCE信息，此时节点I选择的HCH为1，节点I的邻居节点J收到ANNOUNCE信息后，将邻居节点使用信道1的情况，如果节点J的HCH为1或者节点J的邻居节点中有使用HCH的，节点J将CR_INFO的DISAGREE标识位置为1，否则置为0，然后将TRANSMITTER调谐到节点I的HCH上，即通过信道1向I发送注册信息REQUEST。节点I收到REQUEST消息后，如果DISAGREE为1，则节点I进行HCH重选；如果DISAGREE为0，节点I在节点J的HCH信道m上发送STATUS信息。 

在以下场合需要进行HCH重选： 

1)检测到主用户返回该HCH信道； 

2)至少一个邻居节点不同意该节点使用该HCH，并且有其他的可用信道可选； 

3)该HCH具有很高的冲突率。 

当需要进行HCH重选时，节点首先从上次扫描得到的候选HCH和当前可用信道集的交集中随机选择另外一个信道作为HCH，再进行HCH通告，直到找到合适的信道，若节点不能找到合适的信道作为HCH，那么节点将重新设定一定周期，扫描可用信道集获得新的候选 HCH。 

在没有数据发送时，节点的CONTROLLER调谐到公共控制信道上，节点的TRANSMITTER调谐到HCH上，当有数据要发送时，发送节点将TRANSMITTER调谐到接收节点的HCH上，采用CSMA/CA的方式接入该信道进行数据发送。此方法可以将数据业务分布到很多同时传送的信道上，可能会有一定的延时，因此特别适合数据业务的传输。 

Claims (1)

1.一种蜂窝移动节点自组织Ad hoc网内节点的通信控制方法，其特征在于包括如下步骤：

i、在能够与蜂窝系统基站通信的Ad hoc网络节点上安装第一收发机和第二收发机，其中第二收发机具有认知无线电能力，可以感知周围环境的频谱空洞；

ii、启动节点设备，Adhoc网内的节点以时分复用的方式接入上行信道，节点以周期T1将第二收发机的感知结果报告给基站，基站根据各个节点的感知结果以及整个蜂窝内信道的使用情况得到当前可用信道集，并将当前可用信道集广播给Ad hoc网络内的节点；

iii、节点将第一收发机调谐到公共控制信道的频谱上；节点的第二收发机以周期T2扫描当前可用信道集，从中选择出一组候选家乡信道，然后随机选择一个信道作为当选家乡信道，并将第二收发机的频谱调谐到当选家乡信道上；

iv、更新家乡信道后或者在家乡信道没有更新的以参数T3为周期的时段内，节点通过所述第一收发机在公共控制信道向邻居节点广播自己的当选家乡信道，并监听网络上的返回信号；若，1)检测到主用户占用该当选家乡信道；或，2)至少一个邻居节点不同意该节点使用该当选家乡信道，并且有其他的可用信道可选；或，3)该当选家乡信道具有很高的冲突率；则，节点从候选家乡信道中的其它家乡信道重新选择当选家乡信道；若，其它候选家乡信道均不符合上述条件，则，节点重新扫描可用信道集来选择新的候选家乡信道，随机选择一个信道作为当选家乡信道，并将第二收发机的频谱调谐到当选家乡信道上，然后重复本步骤的过程；

v、当节点向其邻居节点发送数据包时，发送节点将第二收发机调谐到接收节点的当选家乡信道上，然后以CSMA/CA的方式接入信道进行数据传输。 

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