CN102307356B - 基于分层控制信道机制的认知无线电网络建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于双层控制信道机制的认知无线电网络建立方法，技术方案是：首先，在认知用户之间利用低层控制信道实现认知用户之间的握手。然后，握手的认知用户之间利用交换自身频谱传感器收集的频谱空洞信息。一旦某一认知用户发现其与另一认知用户之间存在共同的频谱空洞频率段，且带宽满足预定的频带宽度要求时，这一对认知用户之间利用此共同频点建立高层控制信道。之后，这一对认知用户之间充分交换各自搜集的所有电磁环境信息，找出该对认知用户间所有共同频谱空洞。最后，利用新找到的共同频谱空洞建立数据信道。本发明有效地解决了认知无线电网络建立过程中的控制信道的存在性与有效性之间存在的矛盾。

Description

基于分层控制信道机制的认知无线电网络建立方法

技术领域

本发明属于无线通信信号处理领域，特别涉及认知无线电及其网络 

背景技术

认知无线电(Cognitive Radio，CR)是一种具有感知无线环境、智能决策无线电行为以及灵活的无线频谱接入能力的新型无线电设备。从1999年Joseph Mitola III提出认知无线电的概念至今，认知无线电受到了无线通信领域的学术界、工业界、商用和军用用户以及各国政府无线电管理部门的持续、广泛而密切的关注。当前，公认的认知无线电应具备以下特征：首先，它的收发机具有较传统无线设备更宽的可工作频率范围，以及可变的工作带宽，并根据具体应用需求确定当前的工作频率及工作带宽；其次，它装备有频谱传感器，能够在上述可工作频率范围内测量无线频谱、检测周边常规无线设备；之后，它能够对从频谱传感器以及其他途径得到的电磁环境信息进行分析，并根据操作者的需求进行决策，制订出它的后续无线电行为方案；最后，它拥有灵活的无线波形与通信协议，可以实施其所选择的无线电行为。 

认知无线电的这种特殊性能及行为方式使得由其构成的新型无线通信系统与传统无线通信系统之间产生了巨大的差异，前者可以实现后者不可能实现的无线通信效果。认知无线电网络(Cognitive Radio Network，CRN)就是这样一种典型的新型无线通信系统。认知无线电网络即由称作认知用户(SecondaryUser，SU)的认知无线电组成的无线通信网络，它可以在这样一种极端特殊条件下运行：首先，它不需要任何频谱使用授权，也就是说，建立以及使用认知无线电网络之前其操作者均不需要向有关无线电磁频谱管理部门申请工作频段；因此，它只能使用已经授权给其他无线通信系统但当前未被使用的频段，而这样的频段内可能充斥着称为授权用户(Primary User，PU)的常规无线通信设备，认知无线电网络的设计者与操作者必须保证认知用户的无线电行为不对授权用户造成有害影响；最后，认知用户需要感知、分析无线环境以找到称作频谱空洞(Spectrum Hole，SH)的空闲频段，并运用认知无线电灵活的决策和行为能力加以利用。 

由于认知无线电网络运行条件的特殊性，在其最初建立的阶段，如何定义认知用户的行为，是一个至今尚未得到公共认可解决方案的问题，称为“网络建立问题”。由于网络建立问题的核心是对控制信道的选择与利用问题，因此网络建立问题也称为“控制信道问题”。具体到某个认知用户，它面临的网络建立问题可以这样描述：首先，认知用户没有频谱使用授权；其次，尚未加入任何一个CRN的认知用户所拥有的电磁环境信息仅限于其自身频谱传感器获得的信息，而即使已经加入某个CRN中的认知用户，在它与CRN之外的其他认知用户初次建立连接时，它也不具备对方的电磁环境信息；另外，认知用户必须保证其行为不对授权用户的通信造成干扰；同时，它和邻近的认知用户之间需要一条控制信道以及一定的信息传递机制以相互发现；最后，它需要借助控制信道与相邻其他认知用户交换各自所搜集的电磁环境信息，从而发现共同的频谱空洞以建立数据信道，为CRN的操作者提供通信服务。对于该问题的解决方案，主要存在两方面的困难需要克服。 

一方面是控制信道的存在性问题。网络建立方案需要充分保证确实存在至少一条控制信道，可供需要建立新的CRN或者扩展现有CRN的认知用户使用。通常有两种控制信道选择方法：第一种方法是机会性的(opportunistic)，即认知用户根据其频谱传感器报告的频谱空洞，随机选择一个频点(可能并非真正的频谱空洞)作为最初的控制信道。第二种方法是确定性的(determinate)，即引入一个为所有认知用户所共知的共用控制信道(Common Control Channel，CCC)。在机会性方法中，为使认知用户能够发现其他相邻认知用户，认知用户的收发机利用随机频点发射与接收握手信号。因此，认知用户的接收机工作带宽必须与其传感器的检测带宽一致，并且接收机中的握手波形检测算法需要具有极强的频率自适应能力，即在很宽的频段内准确滤除可能存在的其他信号，同时完整保留CCC信号，以保证CCC的正常使用。这对于接收机设计提出了极高的要求。而在确定性控制信道选择方法中，除非采用CRN专用的授权频点(通常不具有可能性)，否则为避免CCC干扰授权用户，CCC的信号发射功率必须受到严格限制，由此可能造成认 知用户数据信道信号使用频段与CCC使用频段的交叠。此时，CCC接收机要面对授权用户信号和认知用户数据信道信号的双重干扰，因此其必须具有在大动态范围信干噪比条件下工作的能力。 

另一方面，控制信道的有效性问题，即对于一个实用的认知无线网络建立方案来说，还需要保证控制信道的信道容量，或者说在控制信道中最终能够实现的数据传输速率。从上述存在性问题的分析中可以看出，在网络建立阶段，无论采取机会性的或者确定性的初始控制信道选择方法，如果面对较为复杂多变的电磁环境，由于授权用户不可预期的频谱使用行为而导致的同频段非授权信道的性能下降是不可忽视的，因此初始控制信道的容量十分有限，很难保证CRN中所有认知用户间同步更新电磁环境信息所需的数据带宽。此时，认知用户电磁行为的决策依据将主要依赖于其自身频谱传感器获得的信息，而这将使得CRN的行为与当前电磁环境间产生难以预期的偏差。换句话说，假如CRN中某认知用户从自身频谱传感器获得的信息不能很好的描述整个CRN所处的电磁环境，那么该认知用户的工作效能就将受到其所拥有的控制信道带宽的限制，而该认知用户的非正常运行最终将影响CRN的整体性能。因而，必须有一种方案使得控制信道带宽可以在较大程度上跟随CRN的用户数或覆盖范围一同扩张。 

综上所述，认知无线电网络建立方法的关键技术在于同时解决控制信道的存在性和有效性问题，但是这两个问题之间存在一定的矛盾。现有的认知无线电网络建立方法公开研究成果较少，而且均未对存在性问题和有效性问题同时加以解决。可以说，认知无线电网络的网络建立问题至今没有得到有效解决。 

发明内容

针对认知无线电网络发展与应用中的网络建立问题，本发明提供了一种基于双层控制信道机制的认知无线电网络建立方法，有效地解决了认知无线电网络建立过程中的控制信道的存在性与有效性之间存在的矛盾。 

本发明基本思路为：首先，在认知用户之间利用一种不干扰授权用户的功率谱密度受限波形建立低层控制信道(Lower Level Control Channel，LLCC)，从而实现认知用户之间的握手。然后，实现握手的认知用户之间，利用LLCC交换自身频谱传感器收集的频谱空洞信息。一旦某一认知用户发现其与另一认知用户之间存在共同的频谱空洞频率段，且带宽满足预定的频带宽度要求时，这一对认知用户之间利用此共同频点建立高层控制信道(Higher Level Control Channel，HLCC)。之后，这一对认知用户之间利用HLCC充分交换各自搜集的所有电磁环境信息(包括相邻授权用户、认知用户、频谱空洞信息)，找出该对认知用户间所有共同频谱空洞。最后，利用新找到的共同频谱空洞建立数据信道。在CRN各个节点间不断进行上述操作，不断建立并扩展数据信道，直至数据信道的数量及容量满足CRN数据传输需求，或频谱空洞资源用尽，至此CRN建立过程结束。 

本发明的技术方案是：一种基于双层控制信道机制的认知无线电网络建立方法，其特征在于包括下述步骤： 

设任意认知用户之间控制信道的控制信号s(t)时域表达式如下： 

$s\left(t\right)=\sqrt{\frac{2P_{\mathrm{mask}}}{N_F}}g\cos (2\mathrm{\π}{f}_{c}t+{\mathrm{\φ}}_c)g\underset{n=0}{\overset{G_{\mathrm{DS}}-1}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{n}p(t-n{T}_c)$

$g\underset{k=0}{\overset{N_F-1}{\mathrm{\Σ}}}{d}_{(k+n{N}_F+G_{\mathrm{DS}}{N}_F)}\mathrm{gexp}\left[j2\mathrm{\π}\frac{k\·(t-n{T}_c)}{N_F}\right]$

其中，P_mask为IEEE 802.15标准中的功率谱密度掩模；N_F为正交频分复用调制的子载波数；f_c为载波频率；φ_c为载波初始相位；c_n为第n个直扩序列扩谱码且c_n∈{-1，1}；p(·)为码片脉冲成形波形，G_DS为直接序列扩谱增益，即每符号码片数；T_c为码片的时间长度， 

为第k+nN_F+G_DSN_F个数据符号。 

为论述清楚，设任意一个当前的认知用户节点为SU₀： 

第一步，SU₀与相邻认知用户握手。 

第(1)步，检测授权用户使用的频谱范围。 

SU₀创建与其对应的PU⁽⁰⁾列表，该列表中每条记录存储一个授权用户的参数信息，参数信息包括：授权用户中心频率、授权用户信号带宽。 

SU₀利用频谱传感器检测授权用户信号，并在PU⁽⁰⁾列表中记录检测到的授权用户的参数信息。 

第(2)步，测量并记录频谱空洞。 

SU₀利用频谱传感器，测量CRN工作频段的功率谱密度分布，并判定功率谱密度低于预设功率谱密度门限的频段为频谱空洞，功率谱密度门限选取规则为：取该频段常年平均噪声功率谱密度值和-41.3dBm/MHz中的较高者。 

SU₀创建与其对应的频谱空洞列表SH⁽⁰⁾，该列表中每条记录存储一个频谱空洞的参数信息，参数信息包括：频谱空洞编号、低端频率参数f′_SH、高端频率参数f″_SH、频谱空洞内噪声功率谱密度参数N_SH，f′_SH＜f″_SH。则频谱空洞所在频率段为[f′_SH，f″_SH]。 

第(3)步，SU0与相邻的认知用户握手。 

对控制信号s(t)进行参数配置得到控制信号s_L(t)：即令N_F＝1，1＜＜G_DS≤1/T_c。 

SU₀利用下述握手方式检测相邻的认知用户：SU₀利用控制信号s_L(t)发送自身名称，发送天线配置为单天线；SU₀接收相邻认知用户发送的控制信号s_L(t)，接收天线配置为多天线；同时，SU₀利用波达方向估计算法计算所有相邻认知用户的信号到达角。 

设SU₀的相邻认知用户依照与SU₀实现握手的先后顺序依次为SU₁至SU_u，u为自然数。将SU₀的相邻认知用户信息存储到SU⁽⁰⁾列表，该列表的每条记录存储一个相邻认知用户信息，包括以下字段：认知用户编号(即1至u)、SU名称(或序列号)、信号到达角。 

第二步，SU₀与相邻的认知用户交换频谱空洞信息。 

SU₀利用下述握手方式与相邻的认知用户交换频谱空洞信息：SU₀利用控制信号s_L(t)发送频谱空洞列表SH⁽⁰⁾，发送天线配置为单天线；SU₀接收相邻认知用户利用控制信号s_L(t)发送的其自身的频谱空洞列表，接收天线配置为多天线。 

设SU₀接收来自于相邻认知用户SU₁，SU₂...，SU_u(即SU₁至SU_u)的频谱空洞列表，并分别存储为SH⁽¹⁾，SH⁽²⁾，...，SH^(u)列表。 

第三步，建立高层控制信道。 

第(1)步，寻找共同频谱空洞。 

对于任何v∈{1，…，u}，将SH⁽⁰⁾列表与SH^(v)列表做对比，如果找到频率段[f′_ISH(v)，f″_ISH(v)]同时属于SH⁽⁰⁾列表与SH^(v)列表，则设置ISH_v为集合{f′_ISH(v)，f″_ISH(v)}；如果没有找到共同的频谱空洞，则设置ISH_v为空集。其中，需要满足以下条件：对于任何v∈{1，…，u}，f″_ISH(v)-f′_ISH(v)大于等于CRN工作频段的相干带宽B_c；对于任何v₁，v₂∈{1，…，u}，v₁≠v₂，[f′_ISH(v1)，f″_ISH(v₁)]与[f′_ISH(v₂)，f″_ISH(v₂)]不重叠。 

第(2)步，配置高层控制信道。 

对控制信号s(t)进行参数配置得到高层控制信道的控制信号s_H(t)：设置N_F＝2^w，w为自然数，且N_F≥2(f_H-f_L)/B_c，其中f_L为所有f′_ISH(v)(v∈{1，…，u})中的最小值，f_H为所有 f″_ISH(v)中的最大值。G_DS＝1，c_n≡1或c_n≡-1。 

第(3)步，设置收/发波束方向。 

SU₀根据SU⁽⁰⁾列表中的信号到达角字段，并利用接收和发射波束成型算法，设置针对SU₁至SU_u的高层控制信道收/发波束方向。 

第(4)步，实现高层控制信道的控制链路。 

对于任何v∈{1，…，u}且ISH_v不为空集，SU₀利用控制信号s_L(t)以握手方式通知SU_v在ISH_v频段建立高层控制信道HLCC(v)。 

随后在HLCC(v)上利用点对点协议(Point-to-Point Protocol，PPP)实现控制链路。 

第四步，利用高层控制信道共享电磁环境信息。 

第(1)步，交换自身节点搜集的电磁环境信息。 

对于任何v∈{1，…，u}且HLCC(v)已建立，SU₀利用HLCC(v)向SU_v发送PU⁽⁰⁾列表、SU⁽⁰⁾列表以及SH⁽⁰⁾列表。 

同样对于任何v∈{1，…，u}且HLCC(v)已建立，SU₀利用HLCC(v)接收SU_v的授权用户列表PU^(v)和相邻认知用户列表SU^(v)，接收SU_v的频谱空洞列表并更新SH^(v)列表。 

第(2)步，转发相邻节点的电磁环境信息。 

对于任何v₁，v₂∈{1，…，u}，且HLCC(v₁)、HLCC(v₂)均已建立，SU₀将SUv₁的电磁环境信息通过HLCC(v₂)转发至SUv₂，SU₀将SUv₂的电磁环境信息通过HLCC(v₁)转发至SUv₁。最终，所有通过HLCC相连的SU之间实现完全的电磁环境信息共享。电磁环境信息包括认知用户节点的授权用户列表、相邻认知用户列表和频谱空洞列表。 

第五步，建立并维护数据信道频率使用计划。 

第①步，制订初步数据信道频率使用计划。 

对于任何v∈{1，…，u}且HLCC(v)已建立，SU₀建立DC^(0，v)列表，该列表的每一记录存储一个共同频率段信息，其字段包括：共同频率段编号、低端频率参数f′_SH-DC、高端频率参数f″_SH-DC(f′_SH-DC＜f″_SH-DC)。SU₀将SH⁽⁰⁾列表与SH^(v)列表做对比，找到除用于ISH_v以外的所有共同频率段，每一共同频率段对应于DC^(0，v)列表中的一条记录。 

对于任何v₁，v₂∈{1，…，u}，如果DC^(0，v1)列表和DC^(0，v2)列表中均存在至少一条记录，SU₀检查两列表中是否存在频率段重叠的现象。如果存在，将重叠频率段从共同频率段总长度较长的列表中删除。 

此时，所有共同频率段列表的总和称为SU₀的初步数据信道频率使用计划。 

第②步，确认数据信道频率使用计划。 

对于任何v∈{1，…，u}且DC^(0，v)列表中存在至少一条记录，SU₀利用HLCC(v)将DC^(0，v)列表发送给SU_v，待收到SU_v修改并确认的共同频率段列表后，更新DC^(0，v)。其中，SU_v修改共同频率段列表的方法同第③步第一段中SU₀更新DC^(0，v)列表的方法。 

所有共同频率段列表的总和称为SU₀的数据信道频率使用计划。 

最后，对于任何v∈{1，…，u}且DC^(0，v)列表中存在至少一条记录，SU₀的数据信道收发机将利 用DC^(0，v)列表信息与SU_v节点建立数据信道(数据信道的波形、调制方式及数据链路协议等根据CRN具体应用确定，不在本发明涉及范围内)。至此，SU₀完成了与SU_v之间的网络建立过程。 

第③步调整数据信道频率使用计划。 

对于任何v∈{1，…，u}且HLCC(v)已建立，如果SU₀通过HLCC(v)收到SU_v发送来的请求确认的共同频率段列表。首先，SU₀将其存储为DC^(0，v)′，将DC^(0，v)′列表与DC^(0，v)列表之中共同的频率段存储于新DC^(0，v)列表中。随后，SU₀按照第五步第①步的第二段中的方法确认所有共同频率段列表间不存在重叠频率段。最后，SU₀利用HLCC(v)将DC^(0，v)列表发还SU_v以确认。 

SU₀的数据信道收发机更新其数据信道频率使用计划。 

本发明的效益特点如下： 

一方面，本发明中的低层控制信道使用的控制信号s_L(t)是一种超宽带、功率谱密度受限信号。有关研究已经证明，使用这种信号的认知用户收发机可以在极端恶劣的电磁环境中工作，且不对授权用户的通信造成不良影响。因而，本认知无线电网络建立方法中的控制信道存在性问题得到了解决。 

另一方面，本发明中的高层控制信道深入利用了局域的、机会性的频谱空洞资源，具有较高的信息传输速率，可以实现认知用户之间充分的电磁环境信息共享，使认知无线电网络各节点的频谱信息得到同步更新。因而，本认知无线电网络建立方法中的控制信道有效性问题也得到了解决。 

综上所述，本发明提供了一种有效的认知无线电网络建立方法，提高了认知无线电网络在网络建立阶段的可用性。 

附图说明

图1是基于双层控制信道机制的认知无线电网络建立方法流程图。 

图2是双层控制信道建立后的频率使用示意图； 

图3是本发明可以采用的收/发天线阵列几何结构。(a)为最佳4元阵，(b)为最佳5元阵，(c)为最佳7元阵。 

具体实施方式

图1是基于双层控制信道机制的认知无线电网络建立方法流程图。整个流程分为五个大的步骤。 

第一步，SU₀与相邻认知用户握手。 

第(1)步检测授权用户使用的频谱范围。 

第(2)步测量并记录频谱空洞。 

第(3)步SU₀与相邻的认知用户握手。 

第二步，SU₀与相邻的认知用户交换频谱空洞信息。 

第三步，建立高层控制信道。 

第(1)步寻找共同频谱空洞。 

第(2)步配置高层控制信道。 

第(3)步设置收/发波束方向。 

第(4)步实现高层控制信道的控制链路。 

第四步，利用高层控制信道共享电磁环境信息。 

第(1)步交换自身节点搜集的电磁环境信息。 

第(2)步转发相邻节点的电磁环境信息。 

第五步，建立并维护数据信道频率使用计划。 

第①步制订初步数据信道频率使用计划。 

第②步确认数据信道频率使用计划。 

第③步调整数据信道频率使用计划。 

图2是双层控制信道建立后的频率使用示意图。 

图中，5个实线小圆圈表示组成一个认知无线电网络的5个认知用户节点，分别命名为SU₀、SU₁、SU₂、SU₃、SU₄。虚线大圆圈表示SU₀节点发射的低层的控制信号s_L(t)的覆盖范围。B_LLCC是低层控制信号使用的频带。双向箭头表示认知用户节点之间的高层控制信道。{B₁，B₂，B₃，B₄}是高层控制信道使用的频带。其中，B_LLCC＞＞B_x(x∈{1，2，3，4})。由于HLCC利用信号到达角信息进行收发波束成型，具有指向性，因此B₂既被用于SU₀与SU₂之间的高层控制信道，同时也被用于SU₃与SU₄之间的高层控制信道。 

图3是本发明可以采用的收/发天线阵列几何结构。(a)为最佳4元阵，(b)为最佳5元阵，(c)为最佳7元阵。如图所示，图中的实心小圆圈表示一个天线，(a)中为第0号天线至第3号天线，(b)中为第0号天线至第4号天线，(c)为第0号天线至第6号天线。低层控制信道(即控制信号为s_L(t))的接收机、高层控制信道(即控制信号为s_H(t))的接收机和发射机都使用多天线，其天线阵列几何结构可以在上述3种结构中选择一种。低层控制信道的发射机使用单天线，即使用上述天线阵列中的第0号天线。为了便于实现，上述所有收发机设备共用同一套天线系统。 

Claims (1)

1.一种基于双层控制信道机制的认知无线电网络建立方法，其特征在于包括下述步骤： 

设任意认知用户之间控制信道的控制信号s(t)时域表达式如下： 

其中，P_mask为IEEE802.15标准中的功率谱密度掩模；N_F为正交频分复用调制的子载波数；f_c为载波频率；φ_c为载波初始相位；c_n为第n个直扩序列扩谱码且c_n∈{-1,1}；p(·)为码片脉冲成形波形，G_DS为直接序列扩谱增益，即每符号码片数；T_c为码片的时间长度，

为第k+nN_F+G_DSN_F个数据符号； 

设当前的认知用户节点为SU₀： 

第一步，SU₀与相邻认知用户握手； 

第(1)步，检测授权用户使用的频谱范围； 

SU₀创建与其对应的PU⁽⁰⁾列表，该列表中每条记录存储一个授权用户的参数信息，参数信息包括：授权用户中心频率、授权用户信号带宽； 

SU₀利用频谱传感器检测授权用户信号，并在PU⁽⁰⁾列表中记录检测到的授权用户的参数信息； 

第(2)步，测量并记录频谱空洞； 

SU₀利用频谱传感器，测量CRN工作频段的功率谱密度分布，并判定功率谱密度低于预设功率谱密度门限的频段为频谱空洞，功率谱密度门限选取规则为：取该频段常年平均噪声功率谱密度值和-41.3dBm/MHz中的较高者； 

SU₀创建与其对应的频谱空洞列表SH⁽⁰⁾，该列表中每条记录存储一个频谱空洞的参数信息，参数信息包括：频谱空洞编号、低端频率参数f′_SH、高端频率参数f′′_SH、频谱空洞内噪声功率谱密度参数N_SH，f′_SH＜f′′_SH；则频谱空洞所在频率段为［f′_SH，f′′_SH］； 

第(3)步，SU₀与相邻的认知用户握手； 

对控制信号s(t)进行参数配置得到控制信号s_L(t)：即令N_F＝1，1＜＜G_DS≤1/T_c； 

SU₀利用下述握手方式检测相邻的认知用户：SU₀利用控制信号s_L(t)发送自身名称，发送天线配置为单天线；SU₀接收相邻认知用户发送的控制信号s_L(t)，接收天线配置为多天线；同时，SU₀利用波达方向估计算法计算所有相邻认知用户的信号到达角； 

设SU₀的相邻认知用户依照与SU₀实现握手的先后顺序依次为SU₁至SU_u，u为自然数；将SU₀的相邻认知用户信息存储到SU⁽⁰⁾列表，该列表的每条记录存储一个相邻认知用户信息，包括以下字段：认知用户编号，即1至u；SU名称或序列号；信号到达角； 

第二步，SU₀与相邻的认知用户交换频谱空洞信息； 

SU₀利用下述握手方式与相邻的认知用户交换频谱空洞信息：SU₀利用控制信号s_L(t)发送频谱空洞列表SH⁽⁰⁾，发送天线配置为单天线；SU₀接收相邻认知用户利用控制信号s_L(t)发送的其自身的频谱空洞列表，接收天线配置为多天线； 

设SU₀接收来自于相邻认知用户SU₁,SU₂,…,SU_u的频谱空洞列表，并分别存储为SH⁽¹⁾,SH⁽²⁾,...,SH^(u)列表； 

第三步，建立高层控制信道； 

第(1)步，寻找共同频谱空洞； 

对于任何v∈{1,…,u}，将SH⁽⁰⁾列表与SH^(v)列表做对比，如果找到频率段[f′_ISH(v),f′′_ISH(v)]同时属于SH⁽⁰⁾列表与SH^(v)列表，则设置ISH_v为集合{f′_ISH(v),f′′_ISH(v)}；如果没有找到共同的频谱空洞，则设置ISH_v为空集；其中，需要满足以下条件：对于任何v∈{1,…,u}，f′′_ISH(v)-f′_ISH(v)大于等于CRN工作频段的相干带宽B_c；对于任何v₁,v₂∈{1,…,u}，v₁≠v₂，[f′_ISH(v₁),f′′_ISH(v₁)]与[f′_ISH(v₂),f′′_ISH(v₂)]不重叠； 

第(2)步，配置高层控制信道； 

对控制信号s(t)进行参数配置得到高层控制信道的控制信号s_H(t)：设置N_F＝2^w，w为自然数，且N_F≥2(f_H-f_L)/B_c，其中f_L为所有f′_ISH(v)中的最小值，f_H为所有f′′_ISH(v)中的最大值，v∈{1,…,u}；G_DS＝1，c_n≡1或c_n≡-1； 

第(3)步，设置收/发波束方向； 

SU₀根据SU⁽⁰⁾列表中的信号到达角字段，并利用接收和发射波束成型算法，设置针对SU₁至SU_u的高层控制信道收/发波束方向； 

第(4)步，实现高层控制信道的控制链路； 

对于任何v∈{1,…,u}且ISH_v不为空集，SU₀利用控制信号s_L(t)以握手方式通知SU_v在ISH_v频段建立高层控制信道HLCC(v)； 

随后在HLCC(v)上利用点对点协议（Point-to-Point Protocol,PPP）实现控制链路； 

第四步，利用高层控制信道共享电磁环境信息； 

第(1)步，交换自身节点搜集的电磁环境信息； 

对于任何v∈{1,…,u}且HLCC(v)已建立，SU₀利用HLCC(v)向SU_v发送PU⁽⁰⁾列表、SU⁽⁰⁾列表以及SH⁽⁰⁾列表； 

同样对于任何v∈{1,…,u}且HLCC(v)已建立，SU₀利用HLCC(v)接收SU_v的授权用户列表PU^(v)和相邻认知用户列表SU^(v)，接收SU_v的频谱空洞列表并更新SH^(v)列表； 

第(2)步，转发相邻节点的电磁环境信息； 

对于任何v₁,v₂∈{1,…,u}，且HLCC(v₁)、HLCC(v₂)均已建立，SU₀将SU_v1的电磁环境信息通过HLCC(v₂)转发至SU_v2，SU₀将SU_v2的电磁环境信息通过HLCC(v₁)转发至SU_v1；最终，所有通过HLCC(v)相连的SU之间实现完全的电磁环境信息共享；电磁环境信息包括认知用户节点的授权用户列表、相邻认知用户列表和频谱空洞列表； 

第五步，建立并维护数据信道频率使用计划； 

第①步，制订初步数据信道频率使用计划； 

对于任何v∈{1,…,u}且HLCC(v)已建立，SU₀建立DC^(0,v)列表，该列表的每一记录存储一个共同频率段信息，其字段包括：共同频率段编号、低端频率参数f′_SH-DC、高端频率参数f′′_SH-DC，其中f′_SH-DC＜f′′_SH-DC；SU₀将SH⁽⁰⁾列表与SH^(v)列表做对比，找到除用于ISH_v以外的所有共同频率 段，每一共同频率段对应于DC^(0,v)列表中的一条记录； 

对于任何v₁,v₂∈{1,…,u}，如果

列表和

列表中均存在至少一条记录，SU₀检查两列表中是否存在频率段重叠的现象；如果存在，将重叠频率段从共同频率段总长度较长的列表中删除； 

此时，所有共同频率段列表的总和称为SU₀的初步数据信道频率使用计划； 

第②步，确认数据信道频率使用计划； 

对于任何v∈{1,…,u}且DC^(0,v)列表中存在至少一条记录，SU₀利用HLCC(v)将DC^(0,v)列表发送给SU_v，待收到SU_v修改并确认的共同频率段列表后，更新DC^(0,v)；其中，SU_v修改共同频率段列表的方法同第③步第一段中SU₀更新DC^(0,v)列表的方法； 

所有共同频率段列表的总和称为SU₀的数据信道频率使用计划； 

最后，对于任何v∈{1,…,u}且DC^(0,v)列表中存在至少一条记录，SU₀的数据信道收发机将利用DC^(0,v)列表信息与SU_v节点建立数据信道； 

第③步调整数据信道频率使用计划； 

对于任何v∈{1,…,u}且HLCC(v)已建立，如果SU₀通过HLCC(v)收到SU_v发送来的请求确认的共同频率段列表；首先，SU₀将其存储为DC^(0,v)′，将DC^(0,v)′列表与DC^(0,v)列表之中共同的频率段存储于新DC^(0,v)列表中；随后，SU₀按照第五步第①步的第二段中的方法确认所有共同频率段列表间不存在重叠频率段；最后，SU₀利用HLCC(v)将DC^(0,v)列表发还SU_v以确认； 

SU₀的数据信道收发机更新其数据信道频率使用计划。 

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