CN102404751A - 一种基于跳频的跨层认知无线电网络用户接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种应用于认知无线电网络的基于跳频的跨层用户接入方法，属于无线电网络应用领域；它把主用户网络中的认知用户按认知基站服务范围划分为多个簇，每一个簇由一个认知基站（簇首）和多个认知用户（簇节点）组成，认知基站与主用户基站保持连接并受其管理，而认知用户的通信都由认知基站进行控制与管理。通过在网络物理层上对主用户进行监测与频谱感知得到相应的空闲频谱信息，在此基础上利用跳频技术产生多个跳频图案，并控制认知用户在MAC层上按某个跳频图案在不同时刻使用不同频段进行多个空闲信道间的跳变通信，从而实现认知用户的动态接入；本发明具有网络开销小、频谱利用率高、干扰小、用户接入方式灵活高效的优良效果。

Description

一种基于跳频的跨层认知无线电网络用户接入方法

技术领域

本发明涉及无线网络通信技术领域，具体地说是一种特别用于将多个不同的用户接入到认知无线电网络中的实现方法。

背景技术

目前随着无线通信服务的需求日益增长，无线频谱资源日趋紧张，为提高频谱利用率，一个崭新的概念“频谱空穴”(Spectrum Holes)被提出，即“一个频谱空穴是分配给授权用户的频带，但是，在某一指定时间和空间，在授权用户不占用这一频带的情况下，此频带可以被其他用户使用。”这样，频谱资源的潜在利用率可以得到明显提高。认知无线电（Cognitive Radio）技术被认为是未来探测频谱空穴特性、高效利用无线频谱的主要手段。认知无线电网络能通过主动地感知无线频谱使用情况、认知无线环境、自适应地重配置网络资源、工作模式与参数，进而实现与周边无线网络协同工作的目标。因此，具有认知无线电能力、重配置能力的新一代智能认知无线电网络成为研究的重点。

在认知无线电网络（Cognitive Radio Network，CRN）中，有两类用户：一类是被授权使用某频段的用户称为授权用户，或者主用户（Primary User，PU)，它拥有频谱的绝对使用权；另一类是没有被授权使用频谱的用户称为非授权用户，或者认知用户、次用户(Secondary User，SU)，它须以不影响主用户的正常通信为前提，选择空闲频段进行通信。认知无线电技术通过感知在时间、频率和空间上的空闲机会，以OSS(opportunistic spectrum sharing，机会频谱共享）方式实现对频谱的有效利用。机会频谱共享是指次用户能够通过高敏感度的设备感知频谱变化并自动监测主用户的行为。如果次用户能够掌握网络内主用户的信道接入行为，它就可以灵活、动态地使用这些频谱；更重要的是，采用机会频谱共享方式，不需要改变原主用户的协议，即不需要让主用户知道次用户的存在，就可以在不干扰主用户正常使用授权频段的情况下，与主用户共享频谱，这使得认知无线电技术更加容易应用到实际系统中。

认知无线电网络中一旦有空闲的主用户频谱就可分配给次用户接入网络开始通信，但是如何感知到主用户的空闲频谱及如何把空闲频谱信息传递给次用户仍是一个难题。同时，由于无线环境随时间和空间变化，网络需要跟踪变化，并通过操作频段、调制方式、传输功率等的改变实现频谱环境的自适应，因此目前针对认知无线电网络用户接入机制进行的研究都是提出采用动态频谱接入策略（DSA，Dynamic Spectrum Access）。但由于频谱的动态变化性，主用户可能随时都会出现，而一旦主用户出现，次用户就要立即采取退避措施，如果次用户频繁地进行退避，不仅会在短时间内对主用户造成干扰，而且会影响次用户的QoS（服务质量）从而降低整个网络的通信质量。另外，现有的研究提出的认知无线电网络用户接入技术主要基于MAC层的预约和冲突避免的自适应方法，没有充分考虑底层监测信息的共享，导致网络开销大且效率不高。

发明内容

为克服现有的认知无线电网络用户接入技术的不足，本发明提供了一种分簇的认知无线电网络结构及其节点的跨层体系结构，并在此基础上提出了一种基于跳频的跨层认知无线电网络用户接入方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：认知无线电网络由主用户网络和认知用户（次用户）网络构成，整个网络按主用户基站的服务范围分为多个主用户网络，每个主用户网络由一个主用户基站和多个主用户、及多个认知基站（次用户基站）构成，基于跳频的跨层用户接入方法包括以下几个步骤：

步骤一、网络初始化及认知簇的形成。在此阶段，主用户网络已建立，并允许多个认知用户（次用户）进入到主用户网络内利用主用户的空闲频段进行通信，通过对主用户网络内的认知用户进行分簇形成多个认知簇，并给出网络内唯一的簇号与簇内节点编号，在认知簇内由认知基站对该簇进行管理，并与主用户基站维持连接，所有主用户和认知基站的通信都通过主用户基站进行控制与转发，同时主用户基站与认知基站保持连接；网络内的认知用户按认知基站的服务范围进行划分，分为多个簇，每一个簇中由一个簇首和多个簇节点组成，每一个认知基站都与一个主用户基站保持连接并由该主用户基站进行控制管理，簇内所有认知用户的通信都由认知基站进行控制与管理；

步骤二、网络频谱感知与信道资源管理。当网络开始运行后，网络内的主用户基站对所有主用户的通信进行管理控制，首先通过在物理层上对主用户进行监测与感知从而得到空闲的频谱信息，并通过正交频分多址（OFDMA）技术将不连续的多个空闲频谱进行整合并划分为多个可用的空闲信道，然后将可用信道资源信息上传到MAC层，由MAC层对其进行管理，最后主用户基站将可用信道资源信息传递给各认知基站，且不断地对可用信道资源信息进行更新维护；

步骤三、认知用户的接入控制与通信。当认知基站收到主用户基站传来的空闲信道信息后，根据空闲的频段信息利用跳频技术产生多个跳频图案，并将这些跳频图案动态地分配给需要进行通信的认知用户，认知用户按跳频图案在不同的时刻使用不同频段进行跳变通信从而实现网络的接入。

本发明的有益效果是：

本方法中主用户基站通过对主用户进行监测与感知得到空闲频谱，能很好地检测到频谱使用情况，充分地利用频谱；然后主用户基站将检测到空闲的频谱信息发给认知基站，由认知基站依此产生跳频图案，并通过跨层信息的共享，认知用户在空闲的频段上快速跳变通信以此实现网络的动态接入，而不需要频繁地在主用户频段上退避，且通过不断地快速跳变能避免对主用户产生干扰；因此，本方法具有网络开销小、频谱利用率高、干扰小、用户接入方式灵活高效的优良效果。

附图说明

图1 是本发明认知无线电网络分簇结构图；

图2 是本发明认知无线电网络节点的跨层体系结构图；

图3 是本发明认知用户的跳频图案；

图4 是本发明认知用户的请求帧格式；

图5 是本发明认知基站的确认帧格式；

图中：PUN为主用户网络，CRN为认知簇（次用户网络），PUBS为主用户基站，CRBS为认知基站（认知簇首），PU为主用户，SU为次用户（认知用户），Chi, i=1,2,3,…,h为可用信道也就是主用户空闲的频段，每个频段的持续时间为T ，CRN_j-SU_x j=1,2,...r 图中r=3，x=1,2,3…y，y=k, n, m 为节点地址信息，由簇号与节点编号构成；帧连接类型包括：节点连接请求帧（Req）、基站连接请求帧（BS-Req）、节点响应帧（CR-Ack）、基站响应帧（BS-Ack）、数据帧（Data）、连接释放帧（Rel）。

 

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的基于跳频的跨层认知无线电网络用户接入方法作进一步的详述。其具体的实现方法步骤如下：

步骤一、网络初始化及认知簇的形成；网络初始化是指在已建立的主用户网络中通过分簇形成次用户网络。如图1所示，一个主用户网络中包含了一个主用户基站PUBS和i个主用户PU，在网络初始化阶段有多个认知用户加入，包括认知基站（CRBS）和多个认知用户(SU)。首先，认知基站CRBS通过对周围环境的认知推理得到最近的主用户基站PUBS信息并向其发出连接请求，主用户基站对其进行编号并给出响应，响应信息中包含了簇号和簇首认知基站号（CRN_j和CRBS_j j=1,2,...r, 图中r=3），同时使用一个固定的公共控制信道与认知基站CRBS_j进行通信；其次，认知基站CRBS_j将广播一个簇消息，该消息包括簇号CRN_j与簇首编号信息CRBS_j，当认知用户节点收到簇信息后将选择一个最近的簇首作为自己的认知基站，并向其发出连接请求，认知基站接受请求并对该认知节点进行编号(CRN_j-SU_x，j=1,2,...r，x=1,2,3…y，y=k, n, m)，同时发出包含节点编号的确认信息；最后，认知基站（簇首）收集到所有认知用户（簇内节点）信息后建立其簇成员列表，并将簇成员信息(簇内节点数)传递给主用户基站同时开始监听其簇成员用户的消息。

步骤二、网络频谱感知与信道资源管理；认知无线电网络采用了跨层的感知推理及信息共享技术，其网络节点跨层体系结构如图2所示。当网络完成初始化后就进入到网络运行阶段，在此阶段，首先，因为主用户网络中所有主用户的通信都要通过主用户基站的转发与控制，所以主用户基站在网络物理层上利用环境感知推理模块对主用户进行监测与感知可得到其状态信息（忙或闲），并根据其状态信息可得到空闲的主用户频谱列表；其次，主用户基站对空闲频谱进行处理，在物理层上采用OFDMA技术将不连续的多个主用户空闲频谱进行整合并划分为多个子信道，得到可用信道资源信息，如信道列表{CH1,CH2,CH3,…..CH_h}并上传到MAC层，由MAC层的信道资源管理模块对其进行管理，并通过自适应信道分配模块进行跳频图案的选择，将其提供给用户进行接入时使用；最后主用户基站将信道列表传递给各认知基站，同时不断地对主用户进行监测，当主用户状态变化时就对信道列表进行更新，并将更新后的信道列表传递给各认知基站。

步骤三、认知用户的接入控制与通信；认知基站收到主用户基站传来的可用信道列表后，利用跳频技术从可用信道中产生相应的多个跳频图案，如图3所示。在网络运行过程中，网络认知用户的接入过程为：当某个簇内的认知用户节点需要进行通信时，先在公共控制信道上向簇首认知基站发出呼叫连接请求，该请求中包含了节点的编号地址信息，请求信息帧如图4所示；当认知基站收到该信息后给出响应确认消息，该确认消息中包含了分配给该用户的跳频图案，确认帧格式如图5所示；当认知用户接收到确认信息后，双方建立连接实现通信，认知用户利用分配的跳频图案去控制本地频率合成器使其输出频率在可用信道里按跳频图案进行随机跳跃地变化，在不同的时刻使用不同的频段传输数据，认知基站同步地按相同的跳频图案进行跳变通信以实现数据接收，当数据传输完毕后释放连接，认知基站收回该跳频图案并将其用于下一个需要通信的认知用户；如果是认知基站转发信息到某个认知用户节点，则由认知基站发出通信连接请求，该请求中包含了认知基站的编号地址信息和跳频图案，格式与其确认帧格式相同，认知用户接收到后给出确认信息，双方建立连接，并使用跳频图案开始进行通信，当数据传输完毕后释放连接，认知基站收回该跳频图案，等待新的呼叫请求。

本发明是通过具体实施过程进行说明的，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明专利进行各种变换及等同代替，因此，本发明专利不局限于所公开的具体实施过程，而应当包括落入本发明专利权利要求范围内的全部实施方案。

Claims (1)

1.一种应用于认知无线电网络的基于跳频的跨层用户接入方法，其特征是：认知无线电网络由主用户网络和认知用户（次用户）网络构成，整个网络按主用户基站的服务范围分为多个主用户网络，每个主用户网络由一个主用户基站和多个主用户、及多个认知基站（次用户基站）构成，基于跳频的跨层用户接入方法包括以下几个步骤：

步骤一、网络初始化及认知簇的形成；在此阶段，主用户网络已建立，并允许多个认知用户（次用户）进入到主用户网络内利用主用户的空闲频段进行通信，通过对主用户网络内的认知用户进行分簇形成多个认知簇，并给出网络内唯一的簇号与簇内节点编号，在认知簇内由认知基站对该簇进行管理，并与主用户基站维持连接，所有主用户和认知基站的通信都通过主用户基站进行控制与转发，同时主用户基站与认知基站保持连接；网络内的认知用户按认知基站的服务范围进行划分，分为多个簇，每一个簇中由一个簇首和多个簇节点组成，每一个认知基站都与一个主用户基站保持连接并由该主用户基站进行控制管理，簇内所有认知用户的通信都由认知基站进行控制与管理；

步骤二、网络频谱感知与信道资源管理；当网络开始运行后，网络内的主用户基站对所有主用户的通信进行管理控制，首先通过在物理层上对主用户进行监测与感知从而得到空闲的频谱信息，并通过正交频分多址（OFDMA）技术将不连续的多个空闲频谱进行整合并划分为多个可用的空闲信道，然后将可用信道资源信息上传到MAC层，由MAC层对其进行管理，最后主用户基站将可用信道资源信息传递给各认知基站，且不断地对可用信道资源信息进行更新维护；

步骤三、认知用户的接入控制与通信；当认知基站收到主用户基站传来的空闲信道信息后，根据空闲的频段信息利用跳频技术产生多个跳频图案，并将这些跳频图案动态地分配给需要进行通信的认知用户，认知用户按跳频图案在不同的时刻使用不同频段进行跳变通信从而实现网络的接入。

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