CN102104875A - 一种新型认知无线电多信道mac协议 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种认知无线电多信道MAC协议。本发明的基本思想是：利用认知无线电多信道环境频谱动态变化的特点，提高网络性能。频谱感知阶段，协议在同步时隙的方式下采用控制机按序感知频谱的方法，发现可用空闲频谱。同时，协议定义了信道可用度，优先选择可用度较高的空闲信道进行数据传输。本发明保证了在认知无线电网络中，认知用户冲突的减少，数据信道的可靠性，从而提高了认知无线电网络的吞吐量。

Description

一种新型认知无线电多信道MAC协议

技术领域

本发明涉及无线电传输技术领域，具体地说是涉及一种新型认知无线电多信道MAC协议。

背景技术

目前随着无线通信需求的不断增长，使得无线通信的频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。另一方面，已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置[1]。为了解决频谱资源匮乏的问题，人们提出了认知无线电技术。

到目前为止，对于认知无线电的MAC层的研究仍然处于初级阶段。IEEE 802.22工作组正在制定认知无线电MAC层的标准，这个标准是基于分配给TV广播服务频段的频谱再利用。802.22 MAC层是集中式的，它依赖于一个基站。现在也有一些针对分布式多信道认知无线电网络的MAC协议的研究。协议“Cognitive radio emergency networks－requirements and design”利用分布式信道分配，对IEEE 802.11CSMA/CA协议进行简单的扩展。它具有多个传输机，并且有一个专门的公共控制信道（Common Control Channel, CCC）用于控制信息的传输。这个协议利用了频谱池策略。协议使用了两个数据结构：当前使用列表(Current Usage List, CUL)，空闲信道列表(Free Channel List, FCL)。但是，没有具体给出帧结构。另外，协议缺少认知无线电网络中的频谱感知功能。协议“a cognitive MAC protocol for multi-channel wireless networks”在分布式多信道认知无线电网络中，提出了动态集合信道的概念。动态集合信道实现了对不同信道上节点的协调、主用户的检测和多信道的资源预留。每个频带由超帧组成。超帧由信标周期（Beaconing Period, BP）和数据周期（Data Transfer Period, DTP）组成。协议需要保证信标周期和静默期（Quiet Period, QP）不重叠。但是，在分布式网络中，采用完全时隙的接入方式很难实现。“A MAC protocol for opportunistic spectrum access in cognitive radio networks”在认知无线电网络多信道环境下提出以机会频谱接入方式的MAC协议。协议中，节点在选择好数据传输信道后，对所选信道进行感知。但是，在没有进行感知的情况下，先进行数据信道的选择，所选信道上主用户存在的概率较大，使得此协议产生过多的控制信息。“A full duplex multi-channel MAC protocol for multi-hop cognitive radio Networks”提出全双工多信道MAC协议，每个节点至少需要有两个无线电收发信机。一个用来发射，一个用来接收。节点选择未使用的频段作为HCh(Home Channel, HCh)，并且调整它的接收机到这个HCh上。为了实现通信，发射端的发射机要切换到接收端的HCh。节点在接收的同时，也可以发送，这样就降低了通信时延。但是，由于HCh是节点在传输数据之前就选择好的，并且保持直到信道不可用。两个节点之间如果没有数据传输，也要占有一个HCh这就会导致信道资源的浪费。“ Effects of location awareness on concurrent transmissions for cognitive ad hoc networks overlayi

发明内容

由上述认知无线电MAC的特点及相关研究可以看出，MAC协议的设计相当具有挑战性。其MAC层主要解决问题包括以下两点：

1.各个节点如何感知可用信道资源的变化。

2.当一个认知无线电节点有数据要传输给其它节点时，如何选择一条信道进行数据传输。

本发明的目的在于提供一种新的认知无线电多信道MAC协议，它采用控制机按序感知信道，并定义了信道可用度。进行数据信道选择时，根据信道可用度进行选择。即在存在空闲信道的前提下，认知节点可以优先选择可用度高的空闲信道进行数据传输。这样可以降低信道切换的频率，同时减小干扰的影响，尽可能使数据被顺利、正确的传输。

本发明一种新型认知无线电多信道MAC协议通过如下技术方案予以实现：

信道协商是认知无线电网络MAC协议的一个重要特点。它使认知节点通过协作的方式分配空闲信道，并且不对主用户的通信产生影响。在这个协议中，信息采集期和信道选择期用来进行信道协商。其具体实施方式为：

1）．信标标志着一个新的认知周期的开始，在信息采集期，控制机按升序改变频率，切换到各个信道侦听信道状态，骤如下：

步骤1：信息采集期被分成N个时隙，每个时隙对应一个信道。

步骤2：在某个时隙，信道控制机切换到相应的信道上进行侦听，同时对应信道上的认知节点声明这个信道的忙闲状态，这样控制机就与认知节点完成了信息交换。在第i（1≤i≤N）个信道时隙，在信道i上的认知节点向控制机报告它处于信道i上，同时说明信道i的忙闲状态。因为每个信道至少由一个认知节点进行感知，所有的认知节点就可以感知到所有信道的使用情况。

步骤3：控制机侦听到所有的信道状态后，形成可用信道列表帧。当认知节点切换了所在的信道时，它需要及时通知控制机。

步骤4：可用信道列表帧。可用信道列表帧ACL(available channel list, ACL)。ACL帧的RA域表示接收机地址(Receiver Address, RA)。TA域表示发射机地址(Transmitter Address, TA)。ACL域包含的信息有：没有主用户存在的信道和时间标识。

2）．在信道选择期，要通信的两个节点进行数据传输信道的选取。这里要用到可用信道列表帧和信道选择帧如图2。

步骤1：如果发射节点A要给接收节点B发送信息，它先通过控制信道给节点B发送可用信道列表帧。可用信道列表帧中列出了当前所有的可用信道。

步骤2：节点B收到节点A发送的可用信道列表后，从中选取一个信道作为数据传输信道，并在信道选择帧中说明，再通过控制信道把信道选择帧发回给节点A。信道选择帧CS(channel select, CS)的RA域表示接收机地址(Receiver Address, RA)，CS域包含的信息有：所选择的信道和选择此信道的节点地址。

步骤3：如果节点B不能选择这个信道作为数据传输信道，它就不发回信道选择帧。

3）．认知用户检测到主用户出现时，要立刻退出信道，所以主用户的出现对认知用户的通信会产生一定的影响。另一方面，选择同一信道的认知用户之间，在传输数据时会出现竞争，从而产生碰撞，导致发送尝试失败。所以同一信道上的认知用户数也会对认知用户的通信产生影响。因此，接收方在进行信道选择时，要选择可用度比较高的信道，以减少主用户频繁出现和认知用户之间产生碰撞而使认知用户传输失败的情况。

步骤1：主用户占用信道时，信道处于忙状态。主用户不使用信道时，信道处于空闲状态如图3。认知用户在信道空闲时，可以使用此信道进行通信。信道空闲和忙的时间是独立同分布的。这个随机过程可以看作是连续马尔可夫链。对于一个信道                                                

，信道处于空闲的时间服从参数为

的指数分布：

。

同样，主用户占用这个信道，信到处于忙的时间服从参数为

的指数分布。这里，把信道空闲用0来表示，信道忙用1来表示。由马尔可夫转移概率公式可得，空闲信道列表中的信道在时刻仍然处于空闲状态的概率为：。

步骤2：如果此时有

个认知用户都选择在信道j上进行传输，由于数据传输过程采用的是IEEE 802.11 DCF，认知用户的发送概率

为：

。

其中，为碰撞概率：

，其中，

为最大退避阶数，

为退避窗口最小值，为信道

上认知用户的个数。

步骤3：信道的可用度

：

。即在时间t空闲信道列表中的信道可用度与信道空闲概率和认知用户发送概率成正比。认知节点会优先选择信道可用度高的信道。在这个式子中，考虑了主用户的出现和认知用户之间发生碰撞对认知用户传输数据的影响。认知用户选择可用度高的信道传输数据，可以降低主用户出现导致传输中断和认知用户碰撞导致传输失败的概率。

附图说明

图1是本发明一种新型认知无线电多信道MAC协议控制机的认知周期结构示意图；

图2是本发明一种新型认知无线电多信道MAC协议可用信道列表帧ACL格式示意图；

图3是本发明一种新型认知无线电多信道MAC协议信道选择帧CS格式示意图；

图4是本发明一种新型认知无线电多信道MAC协议ACL域格式示意图；

图5是本发明一种新型认知无线电多信道MAC协议CS域格式示意图；

图6是本发明一种新型认知无线电多信道MAC协议信道状态转移结构示意图；

图7是本发明一种新型认知无线电多信道MAC协议信道协商和数据传输过程示意图。

具体实施方式

具体实施如下：本方法提出了一种新的认知无线电多信道MAC协议，它采用控制机按序感知信道，并定义了信道可用度。其目标是降低信道切换的频率，同时减小干扰的影响，从而提高网络的吞吐量。其主要分为信道信息采集期和信道选择期两个阶段如图4。

设发射机A和接收机B间要进行数据传输，C是B的邻居节点，Ctrl是控制机。“发射机”是发送MAC数据帧的主机，而“接收机”是接收MAC数据帧的主机，“控制机”是负责感知信道的忙闲状态。则A与B将按照下述步骤进行处理：

步骤1：控制机的信息采集期被分成N个时隙，每个时隙对应一个信道。

步骤2：在第i（1≤i≤N）个信道时隙，在信道i上的认知节点向控制机报告它处于信道i上，同时说明信道i的忙闲状态。因为每个信道至少由一个认知节点进行感知，所有的认知节点就可以感知到所有信道的使用情况。

步骤3：控制机侦听到所有的信道状态后，形成可用信道列表帧。当认知节点切换了所在的信道时，它需要及时通知控制机。

步骤4：发射节点A先通过控制信道给节点B发送可用信道列表帧。可用信道列表帧中列出了当前所有的可用信道。

步骤5：节点B收到节点A发送的可用信道列表后，计算每个信道的可用度

，并从中选取一个信道可用度高的信道作为数据传输信道，并在信道选择帧中说明，再通过控制信道把信道选择帧发回给节点A。

步骤6：如果节点B没有选择数据传输信道，它就不发回信道选择帧。

消息一般需要多次转发才能从源节点发送至目的节点，下面以图5为例，描述本路由方法的消息发送过程。

图4中DIFS(DCF inter-frame space) 为DCF帧间间隔。

Claims (1)

1.一种新型认知无线电多信道MAC协议，其特征是：在这个协议中，信息采集期和信道选择期用来进行信道协商；信标标志着一个新的认知周期的开始，在信息采集期，控制机按升序改变频率，切换到各个信道侦听信道状态；

1）所述的信息采集包括如下步骤：

步骤1：信息采集期被分成N个时隙，每个时隙对应一个信道；

步骤2：在某个时隙，信道控制机切换到相应的信道上进行侦听，同时对应信道上的认知节点声明这个信道的忙闲状态，这样控制机就与认知节点完成了信息交换；在第i（1≤i≤N）个信道时隙，在信道i上的认知节点向控制机报告它处于信道i上，同时说明信道i的忙闲状态；因为每个信道至少由一个认知节点进行感知，所有的认知节点就可以感知到所有信道的使用情况；

步骤3：控制机侦听到所有的信道状态后，形成可用信道列表帧；当认知节点切换了所在的信道时，它需要及时通知控制机；

步骤4：可用信道列表帧；可用信道列表帧ACL(available channel list, ACL)；ACL帧的RA域表示接收机地址(Receiver Address, RA)；TA域表示发射机地址(Transmitter Address, TA)；ACL域包含的信息有：没有主用户存在的信道和时间标识；

2）．在信道选择期，要通信的两个节点进行数据传输信道的选取；

步骤1：如果发射节点A要给接收节点B发送信息，它先通过控制信道给节点B发送可用信道列表帧；可用信道列表帧中列出了当前所有的可用信道；

步骤2：节点B收到节点A发送的可用信道列表后，从中选取一个信道作为数据传输信道，并在信道选择帧中说明，再通过控制信道把信道选择帧发回给节点A；信道选择帧CS(channel select, CS)的RA域表示接收机地址(Receiver Address, RA)，CS域包含的信息有：所选择的信道和选择此信道的节点地址；

步骤3：如果节点B不能选择这个信道作为数据传输信道，它就不发回信道选择帧；

3）．认知用户检测到主用户出现时，要立刻退出信道，所以主用户的出现对认知用户的通信会产生一定的影响；另一方面，选择同一信道的认知用户之间，在传输数据时会出现竞争，从而产生碰撞，导致发送尝试失败；所以同一信道上的认知用户数也会对认知用户的通信产生影响；因此，接收方在进行信道选择时，要选择可用度比较高的信道，以减少主用户频繁出现和认知用户之间产生碰撞而使认知用户传输失败的情况；

步骤1：主用户占用信道时，信道处于忙状态；主用户不使用信道时，信道处于空闲状态；认知用户在信道空闲时，可以使用此信道进行通信；信道空闲和忙的时间是独立同分布的；这个随机过程可以看作是连续马尔可夫链；对于一个信道                                                ，信道处于空闲的时间服从参数为

的指数分布：；同样，主用户占用这个信道，信到处于忙的时间服从参数为

的指数分布；这里，把信道空闲用0来表示，信道忙用1来表示；由马尔可夫转移概率公式可得，空闲信道列表中的信道在时刻

仍然处于空闲状态的概率

为：

；

步骤2：如果此时有

个认知用户都选择在信道j上进行传输，由于数据传输过程采用的是IEEE 802.11 DCF，认知用户的发送概率

为：

；其中，

为碰撞概率：

，其中，

为最大退避阶数，

为退避窗口最小值，

为信道

上认知用户的个数；

步骤3：信道的可用度

：

；即在时间t空闲信道列表中的信道可用度与信道空闲概率和认知用户发送概率成正比；认知节点会优先选择信道可用度高的信道；在这个式子中，考虑了主用户的出现和认知用户之间发生碰撞对认知用户传输数据的影响；认知用户选择可用度高的信道传输数据，可以降低主用户出现导致传输中断和认知用户碰撞导致传输失败的概率。

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