CN101291522A - 一种实现认知无线电功能的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种实现认知无线电功能的系统，包括：物理层、MAC层以及二者之间的认知适配层，该认知适配层至少包括：频谱管理服务模块，物理层中进一步设置频谱探测模块。本发明实施例同时公开了一种实现认知无线电功能的方法，包括：在指定的时间范围内，利用指定的探测方法对指定的探测频段范围的频谱使用情况进行探测，保存探测结果；确定网络当前工作频段无法满足业务需求时，根据所述探测结果选择要切换到的工作频段，将所述网络切换到所选择的工作频段。利用本发明实施例公开的实现认知无线电功能的系统和方法可以实现WLAN的认知无线电功能。

Description

一种实现认知无线电功能的系统及方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术，特别涉及一种实现认知无线电功能的系统及方法。

背景技术

认知无线电技术可以动态感知周围环境，并根据环境的变化自适应的动态调整系统内部状态，从而在不干扰其它系统的前提下，有效利用空闲频谱，进而大大提高频谱利用率。

现有技术中，已分配给无线局域网(WLAN)的频段包括：5GHz的U-NII频段和2.4GHz的工业、科学和医用(ISM，Industrial Scientific Medical)频段，在这些频段上WLAN可能受到其它工作在该频段的设备，如雷达等，的干扰而造成频段冲突。为了解决这一问题，现有技术提出了动态频率选择(DFS)和传输功率控制(TPC)技术，使现有的WLAN在已分配给WLAN的频段上规避来自其它设备的干扰，解决频段冲突的问题。

但现有技术并不能实现WLAN的频段范围的扩展，解决由于众多WLAN同时存在而造成的频段紧张问题，即现有技术仍然无法实现WLAN的认知无线电功能，使WLAN能够动态感知周围环境，并根据环境的变化自适应地动态调整系统的内部状态，从而在不干扰其它系统的前提下，有效利用已分配给WLAN和非分配给WLAN的频段中的空闲频谱。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例一方面提供了一种实现认知无线电功能的系统，另一方面提供了一种实现认知无线电功能的方法，实现WLAN的认知无线电功能。

一种实现认知无线电功能的系统，包括：物理层和媒体接入控制MAC层，所述物理层包括：传输模块和频谱探测模块；所述MAC层与所述物理层之间设置有认知适配层，所述认知适配层至少包括：频谱管理服务模块，

所述频谱探测模块，用于在指定的时间范围，利用指定的探测方法对指定的探测频段范围的频谱使用情况进行探测，并将探测结果反馈给所述认知适配层；

所述频谱管理服务模块，用于接收并保存来自所述频谱探测模块以及所述系统所在网络中其它系统的探测结果；确定所述网络当前工作频段无法满足业务需求时，根据保存的探测结果选择要切换到的频段，指令所述网络中所有系统进行频段切换；或根据来自所述其它系统的频段切换指令进行频段切换；

所述传输模块与所述认知适配层相连，用于实现所述系统与其它系统的信息交互。

一种实现认知无线电功能的方法，包括：

在指定的时间范围内，利用指定的探测方法对指定的探测频段范围的频谱使用情况进行探测，保存探测结果；

确定网络当前工作频段无法满足业务需求时，根据所述探测结果选择要切换到的工作频段，将所述网络切换到所选择的工作频段。

由以上技术方案可见，本发明实施例通过在原有WLAN的媒体接入控制层(MAC)和物理层(PHY)之间增加认知适配层，在物理层增加频谱探测模块，实现了WLAN的认知无线电功能。在物理层中增加的频谱探测模块可以在指定的时间范围，利用指定的探测方法对指定的频段范围的频谱使用情况进行探测，并将探测结果反馈给认知适配层。认知适配层接收并保存来自频谱探测模块以及网络中其它系统的探测结果；在确定网络当前工作频段无法满足业务需求时，根据保存的探测结果选择要切换到的频段，指令网络中所有系统进行频段切换。因此本发明实施例提供的系统可以实现WLAN的认知无线电功能，即可以实现WLAN动态感知周围环境，并根据环境的变化自适应的动态调整系统的内部状态，从而在不干扰其它系统的前提下，有效利用已分配给WLAN和非分配给WLAN的频段中的空闲频谱。

附图说明

图1为本发明实施例实现认知无线电功能的系统实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例帧结构实施例的示意图；

图3为本发明实施例CSDU域的组成结构示意图；

图4为本发明实施例固定域的组成结构示意图；

图5为本发明实施例信息单元的格式；

图6为本发明实施例图1所示系统的较佳实施例的结构示意图；

图7为本发明实施例实现认知无线电功能的方法实施例的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和有益效果更加清楚明白，下面结合附图，对本发明实施例做进一步地详细说明。

本发明实施例中，在不改变原有标准的MAC协议基础上，为了实现WLAN的认知无线电功能，在物理层和MAC层之间插入认知适配层(Cognitive Radio Layer)，同时在物理层增加具有频谱探测功能的频谱探测模块，由频谱探测模块在指定的时间范围，利用指定的探测方法对指定的探测频段范围的频谱使用情况进行探测，并将探测结果反馈给认知适配层，从而使得认知适配层在确定网络当前工作频段无法满足业务需求时，根据保存的探测结果选择网络要切换到的频段。

图1为本发明实现认知无线电功能的系统实施例的结构示意图。该系统包括：物理层、媒体接入控制(MAC)层以及在MAC层与物理层之间设置的认知适配层。其中物理层包括：传输模块和频谱探测模块；认知适配层至少包括：频谱管理服务模块，

频谱探测模块，用于在指定的时间范围，利用指定的探测方法对指定的探测频段范围的频谱使用情况进行探测，并将探测结果反馈给认知适配层；

频谱管理服务模块，用于接收并保存来自频谱探测模块以及该系统所在网络中其它系统的探测结果；确定网络当前工作频段无法满足业务需求时，根据保存的探测结果选择要切换到的频段，指令网络中所有系统进行频段切换；或根据来自其它系统的频段切换指令进行频段切换；

传输模块与认知适配层相连，用于实现该系统与其它系统的信息交互。

这里的指定的探测时间范围、探测方法以及探测频段范围可以是预先设置在频谱探测模块中的，也可以由认知适配层向频谱探测模块发送频谱探测请求，在该请求中携带指定的探测时间范围、探测方法以及探测频段范围。

该系统的认知适配层进一步包括：状态广播模块，

状态广播模块，用于按照设定时间在指定频段广播网络的工作状态；从指定频段接收网络的工作状态广播。在WLAN中，这里的指定频段指现有技术中已分配给WLAN的频段。

该认知适配层还可以进一步包括：参数报告处理模块，

参数报告处理模块，用于向其它系统发送携带该系统工作能力参数的参数报告，接收来自其它系统的参数报告响应；接收来自其它系统的参数报告，确定是否允许其它系统接入网络，并向其它系统返回参数报告响应。

这里，状态广播模块和参数报告处理模块可以统称为接入控制服务模块，因为这两个模块都是与用户终端接入网络相关的模块。

该系统中的频谱管理服务模块具体包括：频谱测量处理模块和频段切换处理模块，

频谱测量处理模块，用于向频谱探测模块发送频谱探测请求，该请求中携带指定的探测时间范围、探测方法以及探测频段范围；接收并保存来自频谱探测模块以及其它系统的探测结果；

频段切换处理模块，用于在确定网络当前工作频段无法满足业务需求时，根据保存的探测结果选择要切换到的频段，指令网络中所有系统进行频段切换；或根据来自其它系统的频段切换指令进行频段切换。

该频谱管理服务模块进一步包括：静默请求模块，用于向其它系统发送静默请求，指定网络的当前工作频段的静默期；从来自其它系统的静默请求中获知网络当前工作频段的静默期。

该频谱管理服务模块还可以进一步包括：子载波分配模块，用于根据该系统保存的探测结果确定是否可以通过调整当前工作频段的子载波分配使其满足业务需求，如果是，则调整子载波分配，使当前工作频段满足业务需求，并在指定频段广播调整后的子载波分配情况。

该系统中认知适配层可以进一步包括：功率控制服务模块，用于对向其它系统发射的信号进行功率控制。

该功率控制服务模块具体包括：功率控制模块和传输参数设置模块，

功率控制模块，用于根据其它系统返回的接收功率和链路增益，对向其它系统发射信号的功率进行控制；接收来自其它系统的功率控制请求消息，根据其中携带的该功率控制请求消息所在帧的各子载波的发射功率计算该系统与其它系统之间的链路增益，将接收功率以及计算所得的链路增益携带在功率控制响应消息中发送给其它系统；

传输参数设置模块，用于对传输模块进行传输参数设置。

该系统的认知适配层还包括：封装和解封装模块，用于接收传输模块转发的来自其它系统的报文，将其中的与认知无线电功能相关的消息提取出来，按照消息类别的不同分别发送给状态广播模块、或参数报告处理模块、或功率控制服务模块、或频谱管理服务模块；接收来自所述状态广播模块和/或参数报告处理模块和/或功率控制服务模块和/或频谱管理服务模块的信息，将其封装在报文中发送给传输模块。

该系统可以设置在用户终端或接入点AP中。

本发明实施例提供的实现认知无线电功能的系统中，数据传输的方法与现有技术相同，只需要对原有的物理层的帧结构做一定修改，增加用于传输实现认知无线电功能必须的信息的字段(CSDU)。系统可以通过信令控制是否传送CSDU字段，例如通过在帧头的SIGNAL域中，用一比特来表示是否传送CSDU字段。

图2为本发明帧结构实施例的示意图，该帧结构的SIGNAL域中增加了CR_EN域，用于表示DATA中是否携带CSDU域；CSDU位于SERVICE域之后，PSDU之前。图2给出的只是一种可能的携带CSDU的帧结构，在实际应用中还可以采用其它帧结构，只要在其中携带有CSDU字段即可。

CSDU字段用于传输实现认知无线电功能必须的信息，这些信息可以包括：接入控制信息、频率管理信息和功率控制信息，以支持对应的接入控制服务模块、频率管理服务模块和功率控制服务模块的功能实现。其中，接入控制信息可以包括参数报告、参数报告响应以及状态广播；频率管理信息可以包括频谱测量请求、频谱测量响应、频段切换声明、静默请求以及子载波分配声明；功率控制信息可以包括功率控制请求和功率控制响应。

下面给出CSDU字段中传输的信息的详细说明。设定接入点AP’为独立基本服务组(IBSS)中当前信标(Beacon)周期内发送Beacon帧的端站(STA)，设定AP”为IBSS中上一Beacon周期内发送Beacon帧的STA。

接入控制信息包含的各种消息以及对应各种消息的消息类型、消息子类型、消息内容、消息传输方向以及消息功能，如下所述：

1)参数报告

消息类型：      接入控制管理

消息子类型：    参数报告

消息内容：      支持的工作频段、子载波发射功率范围以及帧结构

消息的传输方向：BSS中由STA到AP，IBSS中由STA到AP’

消息功能：      通过参数报告，确定消息发送者的能力以决定是否

                允许该消息发送者接入到网络中

2)参数报告响应

消息类型：  接入控制管理

消息子类型：参数报告响应

消息内容：      参数报告的结果

消息的传输方向：BSS中由AP到STA，IBSS中由AP’到STA

消息功能：      根据参数报告消息发送者的能力，通过该消息通

                知发送者是否被允许接入网络及原因。当被允许

                接入网络时，同时告知当前网络的工作基本参数。

3)状态广播

消息类型：      接入控制管理

消息子类型：    状态广播

消息内容：      当前网络工作状况，工作的频段，使用的帧结构，最

                大发射功率

消息的传输方向：BSS中采用广播方式由AP到STA，IBSS中采用广播

                方式由AP”到STA

消息功能：      周期性广播当前网络的工作参数，用于具有认知无线

                电功能网络的发现。同时该消息具有通知与网络断开

                的认知无线电再次接入网络的参数。

频谱管理信息包含的各种消息以及对应各种消息的消息类型、消息子类型、消息内容、消息传输方向以及消息功能，如下所述：

1)频谱测量请求

消息类型：      频谱管理

消息子类型：    频谱探测请求

消息内容：      测量频段，测量的开始结束时间，测量周期，测量的

                频率分辨率

消息的传输方向：BSS中由AP到STA，IBSS中由AP’到STA

消息功能：      用于网络中用户终端向另一个用户终端发送频谱测量

                请求。

2)频谱测量响应

消息类型：      频谱管理

消息子类型：    频谱探测响应

消息内容：      频谱测量结果

消息的传输方向：BSS中由STA到AP，IBSS中由STA到STA，广播

                方式

消息功能：      用于将频谱测量结果反馈给发送测量请求的用户终端

                或广播到其他用户终端

3)频段切换声明

消息类型：      频谱管理

消息子类型：    频段切换声明

消息内容：      频段切换的模式，目标频段的参数，工作在目标频段

                使用的帧结构

消息的传输方向：BSS中由AP到STA，广播方式，IBSS中由AP’到

                STA，广播方式

消息功能：      用于在网络中广播频段切换信息，进行工作频段切换

                操作

4)静默请求

消息类型：      频谱管理

消息子类型：    静默请求

消息内容：      静默请求的开始和终止时间，静默周期

消息的传输方向：BSS中由AP到STA，广播方式，IBSS中由AP’到

                STA，广播方式

消息功能：      用于通知网络中所有用户终端保持静默，以便测量工

                作频段内频谱使用状况

5)子载波分配声明

消息类型：      频谱管理

消息子类型：    子载波分配声明

消息内容：      使用的子载波

消息的传输方向：BSS中由AP到STA，广播方式，IBSS中由AP’到

                STA，广播方式

消息功能：      用于在网络中广播或通知其它用户终端，发送该声明

                的用户终端在之后的通信中使用的子载波，以便其他

                用户终端对接收到的帧进行正确解调。

功率控制管理信息包含的各种消息以及对应各种消息的消息类型、消息子类型、消息内容、消息传输方向以及消息功能，如下所述：

1)功率控制请求

消息类型：      功率控制管理

消息子类型：    功率控制请求

消息内容：      各子载波的发射功率

消息的传输方向：BSS中由AP到STA，广播方式，或由STA到STA，

                AP，广播方式，IBSS中由STA到STA，广播方式

消息功能：      用于发起功率控制请求，发送请求的用户终端通知目

                的用户终端本次通信所使用的各子载波的发射功率。

2)功率控制响应

消息类型：      功率控制管理

消息子类型：    功率控制响应

消息内容：      测量状态，子载波接收功率，链路损耗

消息的传输方向：BSS中由AP到STA，或由STA到AP，或由STA

                到STA，IBSS中由STA到STA

消息功能：      通知发送功率控制请求的用户终端，接收该请求的用

                户终端接收到各子载波的功率，以及发送功率控制请

              求的用户终端到接收该请求的用户终端之间的传播

              损耗。

下面给出通过CSDU字段传输上述消息的一种传输方法。CSDU域由固定域和信息单元两个部分组成，如图3所示。CSDU域中由固定长度且强制要求填入的部分称为固定域，而长度可变且强制要求填入的部分和所有可选的部分被定义为信息单元。

固定域的长度为3个字节，该域包含协议版本，域长度，多重信息三个部分，其格式如图4所示。

其中，协议版本域为2比特固定长度，取值范围为0-3，用于存储当前认知适配层协议的版本号。本方案中值为0，其它所有值作为保留值。只有当协议修订版和旧版根本上不兼容时，协议版本号才被增加。当接收到版本号高于自己支持的版本号时，丢弃该帧并不做通知。

域长度域为12比特的固定长度，其取值范围为1-4095，用于指示CSDU占用的字节数。通过该值可以确定CSDU后面的PSDU在帧中的起始位置。

多重信息为4比特的固定长度。其取值范围为0-15，用于表明CSDU中包含的信息单元数目。CSDU中可以包含最多15个独立的信息单元。

信息单元组域由多个独立的信息单元组成。每个信息单元被定义为通用格式，包含4比特的服务类型、4比特的单元信息识别码、6个字节的源地址、6个字节的目的地址和可变长度的单元信息域。对于不同的消息，其所占用的单元信息的字节数是固定的。因此，这里不需要增加长度域对可变长度的单元信息的大小进行标示。信息单元的格式，如图5所示。

其中，服务识别码表示所传输的消息对应的服务类型，如表1所示，

表1

每一种消息被分配一个唯一的单元识别码。信息单元中包含的目的地址和源地址是按照IEEE std 802-1990定义的48比特的地址，继承了上层的MAC地址。单元信息域中可以填充的单元信息对应的单元识别码，如表2所示：

表2

由以上描述可见，本发明实施例提供的实现认知无线电功能的系统中，认知适配层位于MAC子层和物理层汇聚子层(PLCP)之间，尽量屏蔽物理层的实现细节，在保证原有IEEE802.11的MAC层协议不做更改的前提下，实现频率选择、功率控制、工作频段切换等多种功能。认知无线电功能相关的消息，即认知适配层的消息，通过CSDU字段传输，并在接收端的认知适配层进行接收和解码，认知无线电功能相关的消息不会传递到MAC层。因此，本发明实施例提供的系统可以实现WLAN的认知无线电功能，并且对于MAC层而言，任何底层的更改都是不可见的，相应的认知无线电活动和对工作频段的利用方法和程度也是不可见的，从而实现了上层设计的简化。

另外，本发明实施例提供的频谱探测模块可以探测已分配给WLAN的频段，也可以探测非分配给WLAN的频段，因此在频段切换时也可以切换到非分配给WLAN的频段，即本发明实施例提供的系统扩展了WLAN的工作频段，进而解决了由于众多WLAN同时存在而造成的频道紧张问题。

图6为图1所示系统的较佳实施例的结构示意图。该系统包括：物理层、MAC层以及在MAC层与物理层之间设置的认知适配层。图6所示系统可以应用到用户终端中，即用户终端由所述物理层、MAC层以及认知适配层组成。

其中物理层包括：传输模块和频谱探测模块。

频谱探测模块直接接收来自认知适配层的频谱探测请求，提供频谱测量功能。该频谱探测请求中包含探测目标频段的起止频率，起止时间，探测要求的分辨率和使用的方法等信息。同时探测结束后，探测结果将反馈给认知适配层。这里的探测结果随探测方法的不同而呈现不同的形式。

这里，频谱探测模块实现频谱感知的方法在现有技术中已提供了很多种，例如频谱估计方法，对于本领域技术人员而言属于公知技术，这里不再赘述。

频谱探测模块和认知适配层之间的交互包括：

1)认知适配层向频谱探测模块发送频谱探测请求，该请求要求频谱探测模块对如下参数中的一项或多项进行检测，包括：要探测的频率范围、探测时间、探测周期、探测方法以及探测分辨率等参数。

2)频谱探测模块将探测结果反馈给认知适配层，探测结果中可能携带的参数与对应的频谱探测请求中要求探测的参数一致，可以包括探测的频率、实际执行的探测时间、探测周期、探测采用的方法、探测结果等参数。

认知适配层包括：频谱管理服务模块、接入控制服务模块、功率控制服务模块、本地数据库以及封装解封装模块。

其中，接入控制服务模块在指定频段按照设定时间广播网络当前的工作状态，包括工作频段及其它参数。新用户终端接入网络或与网络暂时断开的用户终端重新接入到网络时，可以在指定频段获取网络当前的工作状态。该模块还可以用于在网络当前的工作频段向其它用户终端发送参数报告，该报告中携带该模块所在用户终端的工作能力参数，接收来自其它用户终端的参数报告响应；接收来自其它用户终端的参数报告，确定是否允许其它用户终端接入网络，并向其它用户终端返回参数报告响应。

接入控制服务模块实现接入控制服务的过程具体为：

在BSS网络中，用户终端在接入网络时，将该用户终端所能支持的工作频段和最大最小发射功率携带在关联请求中发送给AP。AP获悉所有用户终端的可以支持的工作频段和发射功率，计算确定当前网络可以工作的频段范围，确定是否允许发送关联请求的用户终端接入网络。

AP可以拒绝来自用户终端的关联请求。当请求关联的用户终端的工作参数不能满足要求时，AP将拒绝该用户终端的关联。由于是否接受关联还受到MAC层决策的影响，因此存在如下两种情况：

1)当认知适配层拒绝某一用户终端的关联时，认知适配层将丢弃所接收到的来自该用户终端的关联请求帧或重新关联帧，从而实现拒绝该用户终端关联的目的。

2)当认知适配层接受某一用户终端的关联时，认知适配层将向MAC层正常传递所接收到的来自该用户终端的关联请求帧或重新关联帧，并在AP的MAC层发送的关联响应中附带参数报告响应单元。此时该用户终端是否可以与网络关联由MAC层决定。

在IBSS网络中不需要关联，为了保证用户终端所能支持的工作频段和最大最小发射功率能够被其他用户终端获得，用户终端需要根据预设的策略周期性地广播参数报告单元，该单元中携带该用户终端所能支持地工作频段和最大最小发射功率。

频谱管理服务模块的主要功能为：周期性检测网络当前所在工作频段范围内的频谱使用情况，以避免对网络当前所在工作频段内原有授权用户正常通信的干扰。同时通过指定的探测方法，对网络中的用户终端可工作的其它工作频段的频谱使用情况进行探测，并根据业务的需求选择工作频段进行通信。

频谱管理服务模块实现频谱管理服务的过程具体为：

1)在设定的静默期内对网络当前工作频段进行测量

对工作频段的测量包括对当前工作频段的测量和对其它可工作频段的测量。频谱测量请求由BSS中的AP或IBSS中的发送Beacon帧的用户终端发起，通过表2中的频谱测量请求单元携带。对当前工作频段的频谱使用状况的测量，需要在设定的静默期内实行。在静默期终止之前，测量必须结束，从而避免由于用户终端的工作对测量结果的干扰。因此，在每次携带对当前工作频段的测量请求单元的Beacon帧中必须携带有相应的静默请求单元或者必须有相应的已经计划的周期性静默期与之对应。当一个静默期失效的时候，该静默期内的测量请求也同时失效。测量获得的探测结果，将在有限时间内通过在MAC层发出的帧中携带的测量响应单元广播到网络中。

在静默期，所有用户终端都停止使用当前工作频段，以对当前工作频段进行测量。认知适配层将通过置当前工作频段忙的方法来阻止MAC层继续发送帧。所有帧的发送需要在静默期开始之前完成。当静默期终止时，用户将恢复对当前工作频段的使用权，认知适配层将正常反馈当前工作频段的状态。

静默期由BSS网络中的AP或IBSS网络中上一次发送Beacon帧的用户终端计划，静默请求由BSS网络中的AP或IBSS网络中发送Beacon帧的用户通过Beacon帧发出。新的静默请求将取消或更改上一次的未执行的静默期或者取消一个周期性的静默期。任何时刻网络中仅可以存在一个静默期的计划，任何新来的静默请求都将覆盖上一次未执行的静默请求，从而令上一次静默请求失效。

2)其它频段的测量

BSS网络中的AP或IBSS网络中的发送Beacon帧的用户终端可以根据指定的策略令其他用户终端对指定的频段的频谱状况进行测量。该频谱测量请求通过在Beacon帧中携带的频谱测量请求单元实现，如表2所示的频谱测量单元。同一时刻网络总可以存在多个频谱测量请求，但对于一个用户终端而言，仅存在一个频谱测量计划。对任何用户终端，新的频谱测量计划将取代旧的测量计划。在网络中存在用户终端处于测量期时，不得发送静默请求和子载波分配请求。测量期指用户终端在使用频谱探测模块进行探测的期间，通常是对非当前工作频段的其它频段的探测。

用户终端在测量期开始之前，必须完成正在进行的帧的发送，之后认知适配层将阻止MAC层新的帧的发送。测量期开始时，对应用户终端将根据测量请求的参数对指定频段的频谱使用状况进行探测。测量期终止时，认知适配层停止对MAC层的阻止，测量得到的结果通过该用户终端来自MAC层的帧广播到网络中。

3)频段切换

BSS网络中，是否切换到一个新的工作频段是由且仅能由AP决定的。AP根据之前测量获得的其他工作频段的频谱使用状况和与之关联的所有用户终端的能力确定目的工作频段。

在IBSS网络中，任何发送Beacon帧的用户都可以决定是否需要切换到一个新的工作频段。工作频段的切换通过在Beacon帧中携带的切换声明单元实现。但是BSS网络中的非AP用户终端不能够发起工作频段切换声明。

在切换发生时刻之前，声明的发送者要在每次Beacon帧均发送该切换声明。

当网络中其它用户终端接收到切换声明单元后，可以获得目的工作频段的具体参数和使用的子载波，网络中接收到切换声明的用户终端必须根据所获得的信息切换到目的工作频段，除非它不具备工作在目的工作频段的能力。

BSS网络中的AP和/或IBSS网络中的STA在切换到非WLAN频段后，根据设定的策略，暂时返回到原有的切换前的WLAN频段进行网络工作状态广播，通知所有关联的STA，切换到非WLAN工作频段。用户终端接收到该状态广播消息后，可以根据该信息内容切换到对应的工作频段。

当网络工作在非WLAN频段时，可能会由于某些原因而通信中断，则失去网络连接的用户终端可以切换到原有的WLAN频段，等待来自AP的状态广播信息。当接收到来自AP的状态广播信息后，可以切换到AP所在的工作频段建立新的连接。在IBSS网络中，失去连接的用户终端切换到原有的WLAN频段等待当前网络的状态广播，在接收到网络当前的状态广播时，切换到当前网络所在的工作频段建立新的连接。

4)子载波分配

网络可能会对子载波进行重分配。对支持子载波重分配的网络，当网络刚刚切换到新的工作频段时，网络中所有用户终端均使用切换声明所规定的子载波组合。网络中的子载波分配结果由BSS中的AP或IBSS中发送Beacon帧的用户终端决定。这些节点通过对当前工作频段内无线环境的测量获得新的可用子载波组合。在使用新的可用子载波进行通信之前必须借助于子载波分配单元将子载波的分配结果广播到网络中。在新的子载波分配被使用之前，BSS中的AP需要在每次Beacon帧发送过程中携带该子载波分配单元，直到分配结果被使用，而IBSS中的发送Beacon帧的用户终端需要在每次Beacon帧对分配结果进行转发。同一时刻网络中仅有一个分配结果有效，在旧的分配结果被使用之前，新的分配结果将取代旧的分配结果。

功率控制模块的主要功能是对发射信号进行有效的功率控制，使用户终端的发射功率满足网络当前所在工作频段的发射功率策略要求，避免对所在工作频段内原有授权用户正常通信的干扰，同时通过功率控制服务可以为有效利用频谱资源提供必要的信息。

功率控制过程包括：最大发射功率选择和自适应调整发射功率。

1)最大发射功率选择

BSS网络中的AP或IBSS网络中的发送工作频段切换声明的用户必须在发送切换声明中包含目的工作频段的最大发射功率。这一发射功率必须为如下二者的最小值：

对应工作频段内国家所规定的最大发射功率或本地数据库或频谱管理中心等指定的对应工作频段内的最大发射功率。

网络中最大发射功率的获得主要通过两个方面，一是来自用户终端自身数据库的各频段的最大发射功率，二是在工作频段切换声明或状态广播声明中所规定的最大发射功率。最终工作频段内各频段可以使用的最大发射功率为二者的较小值。

每一个用户终端的发射功率不得超过上述获得的最大发射功率，即使该用户终端使用该发射功率无法满足对应工作频段内的通信要求。

2)自适应调整发射功率

用户终端可以使用任何策略或方法动态地调整向另一个用户终端发送帧时所使用的发射功率，如利用二者之间的链路增益和背景噪声等信息。

一个用户终端可以向目的用户终端发送功率控制请求消息，请求目的用户终端返回功率控制响应消息，该功率控制请求消息中携带该消息所在帧对应的各子载波的发射功率的值。

用户终端发送功率控制请求消息的帧对应的各子载波的发射功率必须按照功率控制请求消息中所设置的发射功率进行设置。当目的用户终端接收到功率控制请求消息后，需要通过获得的功率请求消息中的对应帧各子载波的发射功率计算自身和发送功率控制请求消息的用户终端之间的链路增益，然后将包含接收功率和计算所得的链路增益的功率控制响应消息反馈给发送功率控制请求消息的用户终端。

发送功率控制请求消息的用户终端接收到来自目的用户终端的功率控制响应消息后，根据该响应消息中携带的接收功率和链路增益对发射功率进行调整。

在静默期对工作频段的测量过程中，网络中的用户终端可以大致估计出用户终端在网络当前工作频段的噪声功率，用户终端可以根据该噪声功率对发射功率进行控制。

本实施例中的认知适配层还包括：封装解封装模块，该模块接收来自接入控制服务模块，功率控制服务模块和频谱管理服务模块的消息，如表2中所示的各种消息，包括参数报告、状态广播、功率控制请求消息、功率控制响应消息、频谱测量请求消息、频段切换声明等，将接收到的消息生成CSDU字段，封装在接收到的来自MAC层的报文中发送给物理层的传输模块；接收到来自传输模块的包含CSDU的报文，将CSDU中的消息提取出来，根据消息的不同类别递给对应模块，如频谱管理服务模块、接入控制服务模块以及功率控制模块中的一个或多个；将去除CSDU后的报文发送给MAC层。

本发明实施例中还包括本地数据库，用于保存接入控制服务模块、功率控制服务模块以及频谱管理服务模块接收到的信息，比如：接入控制服务模块接收到的来自其它用户终端的参数报告中携带其它用户终端的工作能力参数、频谱管理服务模块接收到的来自频谱探测模块的探测结果以及来其它用户终端的探测结果等。这样，接入控制服务模块、功率控制服务模块以及频谱管理服务模块可以共享该系统获取的信息。

当然，设置本地数据库只是一种较佳的实现方式，在实际应用中，也可以不设置统一的本地数据库，而是在接入控制服务模块、功率控制服务模块以及频谱管理服务模块中分别设置存储模块，保存接收到的信息，同时各个模块之间互相连接，用于从相应模块中获取所需的信息。

本发明实施例同时公开了一种实现认知无线电功能的方法，图7为该方法的流程示意图。该方法至少包括如下步骤：

在指定的时间范围内，利用指定的探测方法对指定的探测频段范围的频谱使用情况进行探测，保存探测结果；

确定网络当前工作频段无法满足业务需求时，根据保存的探测结果选择要切换到的工作频段，将网络切换到所选择的工作频段。

其中，对指定的探测频段范围的频谱使用情况进行探测，保存探测结果的步骤具体包括：网络中的每一个用户终端在指定的时间范围内，利用指定的探测方法对指定的频段范围的频谱使用情况进行探测，保存自身测得的探测结果以及接收到的其它用户终端测得的探测结果；

确定网络当前工作频段无法满足业务需求时，根据保存的探测结果选择要切换到的工作频段，将网络切换到所选择的工作频段的步骤具体包括：发起频段切换的用户终端确定当前工作频段无法满足业务需求时，根据自身保存的探测结果选择要切换到的工作频段，指令所述网络中所有用户终端进行频段切换，按照指定时间在指定频段中广播所述网络的工作状态，包括所述网络所在的工作频段。

这里发起频段切换的用户终端在BSS网络中为接入点AP，在IBSS网络中为上一次发送Beacon帧的用户终端。

网络中的用户终端进行频段切换后，该方法进一步包括：

用户终端完成频段切换后，向目的用户终端发送功率控制请求；

目的用户终端接收到所述功率控制请求后，向用户终端返回携带自身接收功率的响应消息；

用户终端根据接收到的响应消息调整发射信号的功率，直到满足业务需求进行稳定通信为止。

当有新的用户终端要接入所述网络时，该方法进一步包括：

新的用户终端通过获取指定频段上的状态广播获知网络当前的工作频段等参数，并在获知的网络当前的工作频段向网络中具有接入控制能力的用户终端发送参数报告，该报告中携带新的用户终端的工作能力参数；

具有接入控制能力的用户终端根据接收到的参数报告确定是否允许新的用户终端接入网络。

网络中的每一个用户终端对指定的频段范围的频谱使用情况进行探测的步骤包括：

网络中发起频谱探测的用户终端向网络中的每一个用户终端发送频谱探测请求，该请求中携带指定的探测时间、探测方法以及探测频段；

用户终端接收到频谱探测请求后，根据频谱探测请求携带的探测时间、探测方法以及探测频段进行频谱探测。

如果频谱探测请求中携带的探测频段为网络当前的工作频段，则发起频谱探测的用户终端进一步在频谱探测请求中携带指定的静默期；

用户终端在指定的静默期对网络当前的工作频段进行探测。

当然，用户终端也可以根据预先的设定对指定频段进行频谱探测，并非一定要在接收到频谱探测请求候再执行频谱探测。

发起频段切换的用户终端根据自身保存的探测结果选择要切换到的工作频段前，进一步可以包括：

发起频段切换的用户终端根据自身保存的探测结果确定是否可以通过调整当前工作频段的子载波分配使得当前工作频段满足业务需求，如果是，则调整子载波分配，使当前工作频段满足业务需求，并在指定频段中广播调整后的子载波分配情况，该流程结束；否则，根据自身保存的探测结果选择要切换到的工作频段。

当网络中的用户终端在稳定通信过程中，发生网络拓扑和/或无线环境的变化时，该方法进一步包括：

网络中的用户终端根据目的用户终端反馈的接收功率和链路增益对当前工作频段内的发射信号的功率进行调整，如果调整后的工作频段仍然无法满足业务需求，则网络中的发起频段切换的用户终端根据自身保存的探测结果选择要切换到的频段，指令网络中所有用户终端切换到所选择的频段，网络中无法实现频段切换的用户终端切换回指定频段，从指定频段获取网络的状态广播，向该状态广播中指定的工作频段切换。这里指定频段指现有技术中已分配给WLAN的频段。

本发明实施例提供的实现认知无线电功能的系统和方法，通过在MAC层和PHY层之间加入认知适配层，在物理层增加频谱探测模块，实现了WLAN的认知无线电功能，扩展了WLAN的工作频段范围。因此，应用本发明实施例提供的系统和方法，WLAN用户可以具有更广阔的工作频率范围和工作频段适应性，能够在一定的地理范围容忍更高的WLAN密度。在WLAN实现认知无线电功能，使WLAN可以利用非分配给WLAN的频段进行通信，因此可以有效提高无线频谱资源的利用率，降低或避免WLAN工作频段内各个用户之间的干扰。

另外，在物理层和MAC层之间加入的认知适配层并不破坏原有协议的架构，对于MAC层而言，认知适配层是透明的，具有良好的兼容性。

本发明实施例提供的实现认知无线电功能的系统和方法，不仅可以应用到WLAN中，也可以用于实现其它对帧长没有特定约束的单跳网络的认知无线电功能。这里所述的对帧长没有特定约束的网络可以理解为：在这种网络支持的协议中，帧长可以改变，因此可以在原有的协议帧中填充新的内容，如实现认知无线电功能所需的信息。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (20)

1、一种实现认知无线电功能的系统，该系统包括：物理层和媒体接入控制MAC层，其特征在于，所述MAC层与所述物理层之间设置有认知适配层，所述物理层包括：传输模块和频谱探测模块，所述认知适配层至少包括：频谱管理服务模块，

所述频谱探测模块，用于在指定的时间范围，利用指定的探测方法对指定的探测频段范围的频谱使用情况进行探测，并将探测结果反馈给所述认知适配层；

所述频谱管理服务模块，用于接收并保存来自所述频谱探测模块以及所述系统所在网络中其它系统的探测结果；确定所述网络当前工作频段无法满足业务需求时，根据保存的探测结果选择要切换到的频段，指令所述网络中所有系统进行频段切换；或根据来自所述其它系统的频段切换指令进行频段切换；

所述传输模块与所述认知适配层相连，用于实现所述系统与其它系统的信息交互。

2、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述认知适配层进一步包括：状态广播模块，

所述状态广播模块，用于按照设定时间在所述指定频段广播所述网络的工作状态；从所述指定频段接收所述网络的工作状态广播。

3、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述认知适配层进一步包括：参数报告处理模块，

所述参数报告处理模块，用于向所述其它系统发送携带所述系统工作能力参数的参数报告，接收来自所述其它系统的参数报告响应；接收来自所述其它系统的参数报告，确定是否允许所述其它系统接入网络，并向所述其它系统返回参数报告响应。

4、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述频谱管理服务模块具体包括：频谱测量处理模块和频段切换处理模块，

所述频谱测量处理模块，用于向所述频谱探测模块发送频谱探测请求，该请求中携带指定的探测时间范围、探测方法以及探测频段范围；接收并保存来自所述频谱探测模块以及所述其它系统的探测结果；

所述频段切换处理模块，用于在确定所述网络当前工作频段无法满足业务需求时，根据保存的探测结果选择要切换到的频段，指令所述网络中所有系统进行频段切换；或根据来自所述其它系统的频段切换指令进行频段切换。

5、如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述频谱管理服务模块进一步包括：静默请求模块，用于向所述其它系统发送静默请求，指定所述网络的当前工作频段的静默期；从来自所述其它系统的静默请求中获知所述网络当前工作频段的静默期。

6、如权利要求4或5所述的系统，其特征在于，所述频谱管理服务模块进一步包括：子载波分配模块，用于根据所述系统保存的探测结果确定是否可以通过调整所述当前工作频段的子载波分配使其满足业务需求，如果是，则调整子载波分配，使所述当前工作频段满足业务需求，并在所述指定频段广播调整后的子载波分配情况。

7、如权利要求1至5任一项所述的系统，其特征在于，所述认知适配层进一步包括：功率控制服务模块，用于对向所述其它系统发射的信号进行功率控制。

8、如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述功率控制服务模块具体包括：功率控制模块和传输参数设置模块，

所述功率控制模块，用于根据所述其它系统返回的接收功率和链路增益，对向所述其它系统发射信号的功率进行控制；接收来自所述其它系统的功率控制请求消息，根据其中携带的该功率控制请求消息所在帧的各子载波的发射功率计算所述系统与所述其它系统之间的链路增益，将接收功率以及计算所得的链路增益携带在功率控制响应消息中发送给所述其它系统；

所述传输参数设置模块，用于对所述传输模块进行传输参数设置。

9、如权利要求1至5任一项所述的系统，其特征在于，所述认知适配层还包括：封装和解封装模块，用于接收所述传输模块转发的来自所述其它系统的报文，将其中的与认知无线电功能相关的消息提取出来，按照消息类别的不同分别发送给所述状态广播模块、或参数报告处理模块、或功率控制服务模块、或频谱管理服务模块；接收来自所述状态广播模块、和/或参数报告处理模块、和/或功率控制服务模块、和/或频谱管理服务模块的信息，将其封装在报文中发送给所述传输模块。

10、如权利要求1至5任一项所述的系统，其特征在于，所述系统设置在用户终端或接入点AP中。

11、一种实现认知无线电功能的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

在指定的时间范围内，利用指定的探测方法对指定的探测频段范围的频谱使用情况进行探测，保存探测结果；

确定网络当前工作频段无法满足业务需求时，根据所述探测结果选择要切换到的工作频段，将所述网络切换到所选择的工作频段。

12、如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述对指定的探测频段范围的频谱使用情况进行探测，保存探测结果的步骤具体为：网络中的每一个用户终端在指定的时间范围内，利用指定的探测方法对指定的探测频段范围的频谱使用情况进行探测，保存自身测得的探测结果以及接收到的其它用户终端测得的探测结果；

所述确定网络当前工作频段无法满足业务需求时，根据所述探测结果选择要切换到的工作频段，将所述网络切换到所选择的工作频段的步骤具体包括：发起频段切换的用户终端确定当前工作频段无法满足业务需求时，根据自身保存的探测结果选择要切换到的工作频段，指令所述网络中所有用户终端进行频段切换。

13、如权利要求11所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括如下步骤：按照设定时间在指定频段中广播所述网络的工作状态，包括所述网络所在的工作频段。

14、如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述网络切换到所选择的工作频段后，该方法进一步包括：

所述用户终端向目的用户终端发送功率控制请求消息，其中携带该功率控制请求消息所在帧对应的各子载波的发射功率的值；

所述目的用户终端接收到所述功率控制请求消息后，根据其中携带的所述功率控制请求消息所在帧对应的各子载波的发射功率计算自身和所述用户终端之间的链路增益，将包含接收功率和计算所得的链路增益的功率控制响应消息反馈给所述用户终端；

所述用户终端根据所述功率控制响应消息携带的接收功率和链路增益调整发射信号的功率，直到满足业务需求进行稳定通信为止。

15、如权利要求12或14所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：

当有新的用户终端要接入所述网络时，所述新的用户终端在所述指定频段获取所述网络当前的工作频段，在该工作频段向所述网络中具有接入控制能力的用户终端发送参数报告，该报告中携带所述新的用户终端的工作能力参数；

所述具有接入控制能力的用户终端根据所述参数报告确定是否允许所述新的用户终端接入所述网络，并向所述新的用户终端返回参数报告响应。

16、如权利要求12或14所述的方法，其特征在于，所述网络中的每一个用户终端对指定的探测频段范围的频谱使用情况进行探测的步骤包括：

所述网络中发起频谱探测的用户终端向所述网络中的其它用户终端发送频谱探测请求，该请求中携带指定的探测时间、探测方法以及探测频段范围；

所述用户终端接收到所述频谱探测请求后，根据所述频谱探测请求携带的探测时间和探测方法对指定的探测频段范围进行频谱探测。

17、如权利要求16所述的方法，其特征在于，如果所述频谱探测请求中携带的探测频段为所述网络当前的工作频段，则所述发起频谱探测的用户终端进一步向所述网络中的其它用户终端发送静默请求，该请求中携带所述网络当前工作频段的静默期；

所述网络中的其它用户终端在所述静默期内对所述网络当前工作频段进行探测。

18、如权利要求12或14所述的方法，其特征在于，所述发起频段切换的用户终端根据自身保存的探测结果选择要切换到的工作频段前，进一步包括：

所述发起频段切换的用户终端根据自身保存的探测结果确定是否可以通过调整当前工作频段的子载波分配使得当前工作频段满足业务需求，如果是，则调整子载波分配，使当前工作频段满足业务需求，并在所述指定频段中广播调整后的子载波分配情况，该流程结束；否则，根据自身保存的探测结果选择要切换到的工作频段。

19、如权利要求14所述的方法，其特征在于，当所述网络中的用户终端在稳定通信过程中，发生网络拓扑和/或无线环境的变化时，该方法进一步包括：

所述网络中的用户终端根据所述目的用户终端反馈的接收功率和链路增益对当前工作频段内的发射信号的功率进行调整，如果调整后的工作频段仍然无法满足业务需求，则所述网络中的发起频段切换的用户终端根据自身保存的探测结果选择要切换到的频段，指令所述网络中所有用户终端切换到所选择的频段，所述网络中无法实现频段切换的用户终端切换回所述指定频段，从所述指定频段获取所述网络的状态广播，向该状态广播中指定的工作频段切换。

20、如权利要求12或19所述的方法，其特征在于，所述指定频段为已分配给无线局域网WLAN的频段。

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