CN102821478A

CN102821478A - 一种基于认知的宽带无线接入设备星状组网方法

Info

Publication number: CN102821478A
Application number: CN2012103216386A
Authority: CN
Inventors: 刘玉涛; 王荆宁; 杨喜光; 马恒
Original assignee: CETC 54 Research Institute
Current assignee: CETC 54 Research Institute
Priority date: 2012-09-04
Filing date: 2012-09-04
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2032-09-04
Also published as: CN102821478B

Abstract

本发明公开了一种基于认知的宽带无线接入设备星状组网方法，实现了初始接入阶段的频谱感知与策略选择，以及通信阶段迟入设备的接入与自适应策略调整。初始接入阶段为设备开机到通信建立的阶段，主要实现精确频谱感知功能；终端轮询接入功能，通过4kbps信令波形实现；信道估计功能，通过80kbps波形实现；频率和速率选择功能，通过信道选择与匹配以及信道估计确定全网相同的工作频率，通过节点与终端设备间的两两信道估计确定各链路的通信速率。通信阶段为通信建立到设备关机的阶段，每一个通信帧内均留有频谱感知时隙、接入时隙和信道认知时隙，自适应传输与调整功能以及新开机设备的迟入网功能均在这个阶段实现。

Description

一种基于认知的宽带无线接入设备星状组网方法

技术领域

本发明涉及认知无线电系统中频谱感知、信道认知以及自适应传输的星状组网方法，特别适用于复杂电磁环境与地理环境下宽带无线接入设备的星状组网，目的是实现设备开通后网络的迅速建立(确定全网通信频率及各链路的传输速率)以及环境变化时的自适应传输。

背景技术

无线通信飞速发展，其显著特点可以描述为无线电新业务的高速增长和用户需求的不断增加。如何提升频谱利用率以满足用户的带宽需求；如何使无线电智能化以致能够灵活的使用无线资源获取信息服务；如何有效地从环境中获取信息、进行学习以及做出决策并进行调整，所有这些都是无线通信技术面临的重大挑战。认知无线电技术由于能够充分、高效的利用有限的频谱资源，逐渐成为业界和各频谱管理机构的研究热点。基于认知无线电的宽带无线接入设备不仅能够完成认知无线电网络中的频谱感知与信道认知，而且能够根据环境的变化自适应调整传输策略。

认知无线电得以实现的一个重要前提是具有无线环境感知能力，以及监控有用模型、用户需求和后续变化的能力，因此，必须在可使用的工作频段范围内多维度进行频谱检测，从而发现可使用的频段。频谱感知过程不同于一般的通信接收机的信号接收过程，它不需要准确复原所收到的信号信息，只需检测某个频段在某一地理区域，某一时间段上是否有信号存在。所以它的信号处理过程应该要比普通的通信接收机简单，但从另一方面看，由于它不是针对具体的通信系统信号的感知，只是要求所检测授权频段的频谱占用信息，亦即频谱感知的通用性和适用性要强。

认知无线中信道特征参数的认知，将直接影响和决定它的传输能力和信道利用效率。基于认知无线电的宽带无线接入设备需要根据环境信息自适应的改变传输策略，而信道状态信息就是最重要的环境信息。系统需要根据估计出来的信道状态信息来确定合适的传输参数从而最大化系统吞吐量，并降低系统发射功率。

无线通信的环境是十分恶劣的，信号在传播过程中会遭受路径损耗、阴影衰落、多径衰落以及各种各样的干扰和高斯噪声影响。为了削弱衰落和干扰对链路性能所产生的影响，系统中采用了各种抗衰落措施。然而非自适应系统是根据信道状态的最糟情况来设计的，以保证在时变信道的各种状态下均能达到预定的性能，系统的这种设计原则导致信道容量无法得到充分利用。根据信道质量随时间的变化，对发射端的各项参数做出相应的调整，有利的信道条件便得到了适时的利用，从而使信道容量得到更加充分的利用，最终提高频谱效率。

发明内容

本发明的目的在于实现复杂电磁环境和地理环境中基于认知的宽带无线接入设备星状网的快速建立、迟入网终端设备的接入，并根据环境的变化适时调整通信频率、传输速率等传输参数，最终实现基于认知的宽带无线接入设备的星状组网。本发明完全解决了星状组网中的频谱感知、信道匹配、信道认知以及自适应传输的实现问题，为基于认知的宽带无线接入设备的星状组网提供了一种实现途径。

本发明的目的是这样实现的：

基于认知的宽带无线接入设备星状组网方法，实现了初始接入阶段的频谱感知与策略选择，以及通信阶段迟入设备的接入与自适应策略调整，其特征在于包括步骤如下：

(1)设备开机，进入初始接入阶段，设定设备类型为节点设备或终端设备；

(2)如果是节点设备，则根据网络规模对所有可能接入的终端设备通过4kbps信令波形进行轮询，当第一个设备接入后留有一定的时间用以完成其他设备的接入，定时结束后向所有接入的设备发送开始感知信号，然后转入步骤(3)；如果是终端设备，则在信令波形上等待节点设备的轮询信息，用以完成自身的接入，接入完成后转入步骤(3)；

(3)当设备中的频谱感知单元接收到开始感知的信令后，即开始对工作频段进行频谱感知，感知完成后进行频谱分析，然后将频谱分析的结果通过4kbps信令波形发送至节点设备，随后由节点设备完成信道的选择与匹配，并将信道匹配结果发送至各终端设备；

(4)根据信道匹配结果，节点设备依次与各终端设备进行两两信道估计；

(5)根据信道估计结果，节点设备通过频率与速率选择策略得出全网通信频率以及各条链路的通信参数，并下发至各终端设备；同时，根据选择的通信频率以及最终的匹配结果计算得出备用信道；

(6)传输参数发送完毕后，节点设备开始对各终端设备通过80kbps管理波形进行轮询，从而完成终端设备的注册，轮训结束或注册完成后即可以转入通信阶段；

(7)开始通信；

(8)通信过程中，设备中的频谱感知单元接收到开始感知信号后即开始对工作频段频谱进行实时监测，感知完成后对频谱进行分析，终端设备将频谱分析结果轮流上报至节点设备，节点设备通过信道选择与匹配策略得到匹配结果，连同备用信道一起发送至各终端设备；

(9)频谱感知完成后即进入迟入网设备接入时隙，用以完成迟入网设备的接入；

(10)接入时隙结束后即进入信道估计时隙，用以完成节点设备和终端设备间的信道估计，进而通过自适应传输策略计算各链路的传输策略；

(11)节点设备将传输策略下发至各终端设备，同时终端设备接收传输策略，然后转入步骤(7)。

其中，步骤(3)中设备的频谱感知单元对工作频段的频谱感知包括以下步骤：

(3.1)在工作频段范围内依次切换频谱感知单元所接收信号的频率；

(3.2)频谱感知单元对所切换频率的时域信号进行采样；

(3.3)对时域采样结果分别加离散扁长球体序列窗；

(3.4)对加窗后的信号进行多窗谱估计，得到对应的功率谱密度结果，然后判断工作频段是否估计完毕，如果是则转入步骤(3.5)；反之，则切换接收信号频率并转至步骤(3.2)；

(3.5)工作频段感知结束后即可以根据多次采样的结果求得功率谱密度的均值和最大保持值，通过均值计算得到门限值，进而通过最大保持值与门限值的比较得到各信道是否可用；

(3.6)将所有信道按照是否可用以及可用信道的均值大小进行排序，排序结束后将所有设备的排序结果发送至节点设备；

(3.7)节点设备首先进行终端设备间的信道选择与匹配，然后将匹配结果与节点设备的频谱分析结果进行二次匹配，进而得到最终的信道选择与匹配结果。

其中，步骤(9)中迟入网设备的接入包括以下步骤：

(9.1)判断设备是否节点设备，如果是节点设备则转入步骤(9.2)，反之则转入步骤(9.5)；

(9.2)根据网络规模，轮询发送下行管理帧，判断是否都有回应，如果有终端设备没有回应，则转入步骤(9.3)，否则转入步骤(9.4)；

(9.3)对于没有应答的终端设备，轮询发送下行接入帧，如果未收到上行接入帧，则说明终端设备关机或信令波形被干扰，在一定时间内不在轮询该终端；如果收到上行接入帧，则记录应答结果，作为自适应传输策略的依据；

(9.4)节点设备接入时隙工作结束；

(9.5)在信令波形接收信息，如果接收到下行接入帧则发送相应的上行接入帧，否则一直等待接收下行接入帧；

(9.6)发送上行接入帧后则开始等待接收下行管理帧，如果收到，则回复上行管理帧，否则则认为该频点不能完成注册；

(9.7)终端设备接入时隙工作结束。

其中，步骤(10)中的自适应传输策略是在信道认知时隙完成的，具体包括以下步骤：

(10.1)进入信道认知时隙，节点设备轮流与各终端设备在所有信道上进行信道估计，每一个通信帧完成一条链路的估计；

(10.2)判断当前信噪比是否低于传输速率下降门限，如果是，则将该链路速率调低一档；如果不是，继续判断当前信噪比是否高于传输速率上升门限；如果当前信噪比高于传输速率上升门限，则调高一档速率；反之，则速率不变；

(10.3)根据当前链路的信噪比估计值，结合之前各链路的信噪比估计结果，判断是否需要切换频点，如果需要，则通过节点管理帧下发通信频率；反之，则工作频率不变。

本发明与现有技术相比有如下有益效果：

(1)针对现有宽带无线接入设备在复杂地理环境和电磁环境中开通困难，传输效率低下等问题，本发明加入了频谱感知和信道认知功能，通过对整个通信频段频谱进行扫描，获得背景噪声和干扰较低的通信频点；还可以根据不同的信道状态确定不同的传输速率；进而实现了开通过程完全自主，通过信令交互自主选择频点和速率，完成网络的构建。

(2)针对现有设备的传输策略适应性差的特点，基于认知无线电的星状组网策略包含了周期性频谱监测和信道认知的能力，从而可以根据信道的变化动态的调整传输参数。

(3)针对新入网设备接入的问题，基于认知无线电的星状组网策略在通信阶段的每一帧均留有接入时隙，可以完成后续开机的自主接入，全过程无需人工操作。

附图说明：

图1是本发明初始接入阶段的处理流程图。

图2是本发明通信阶段的处理流程图。

图3是终端接入流程图。

图4是本地频谱感知流程图。

图5是频谱感知滤波器组原理图。

图6是信道状态估计流程图。

图7是迟入网节点设备工作流程图。

图8是迟入网终端设备工作流程图。

图9是速率自适应流程图。

具体实施方式：

下面，结合附图对本发明作进一步说明。

基于认知无线电的星状组网策略，通过频谱感知获得无线频谱的环境噪声基底信息，通过信道选择与匹配策略得到全网匹配的相对“干净”的信道，通过信道认知获得信道的状态信息从而确定通信频率与备用信道，通过自适应传输策略实时的调整传输参数，通过迟入网技术完成未入网设备的接入，其特征在于包括步骤如下：

(1)设备开机，进入初始接入阶段，如附图1所示，设定设备类型为节点设备或终端设备；

(2)如果是节点设备，则根据网络规模对所有可能接入的终端设备通过4kbps信令波形进行轮询，当第一个设备接入后留有一定的时间用以完成其他设备的接入，定时结束后向所有接入的设备发送开始感知信号，然后转入步骤(3)；如果是终端设备，则在信令波形上等待节点设备的轮询信息，用以完成自身的接入，接入完成后转入步骤(3)，如附图3所示；

(3)当设备中的频谱感知单元接收到开始感知的信令后，即开始对工作频段(225-512MHz)进行频谱感知(如附图4所示)，遍历12个谐波滤波器组(相邻两个滤波器组10MHz重合)、36个本振频率(带宽10MHz，2MHz重合)，如附图5所示。

感知完成后，节点设备接收各终端设备的感知结果(排序后的140条信道，波道间隔2MHz)后，首先进行终端设备间的信道匹配，然后将信道选择结果与节点设备排序后的信道进行匹配，进而选出5条基底噪声最小的信道；将匹配的信道进行信道认知后选择1条信道进行通信，同时根据通信信道选择3条备用信道(备用信道间，备用信道与通信信道间中心频率相差5MHz以上)。

频谱分析结束后将分析的结果通过4kbps信令波形发送至节点设备，随后由节点设备完成信道的选择与匹配，并将信道匹配结果发送至各终端。

(4)根据信道选择与匹配的结果，节点设备发送信道估计信令(80kbps波形)，轮询已经接入的终端(5个频点分别进行信道估计)，为了保证终端可以收到信息，可以在备用信息中对站号进行强纠错编码，如附图6所示。节点估计完毕后根据本地估计和对端的估计结果选择出一个最佳频点，并通知所有的用户。

(5)根据信道估计结果，节点设备将得到一个如下表格：

其中，信噪比为本地信道估计结果和终端上传结果中较低者，传输速率根据信噪比门限确定，如下表所示(需要根据测试结果修正)：

速率	80k	640k	2560k	10240k
					门限	9dB	18dB	23dB	29dB

根据以上表格可以得到各频点的可通用户数、总速率和总信噪比，如下表所示：

频率	F1	F2	F3	F4	F5
						可通用户数	XX	XX	XX	XX	XX
总速率	XX	XX	XX	XX	XX
						总信噪比	XX	XX	XX	XX	XX

按照以下原则进行频率选择：

a)可通用户数最多；

b)总速率最大。

采用加权的方式进行计算，每个频点的加权和计算如下：

W_{i} = w_{user} * \frac{user}{{user}_{\max}} + w_{rate} * \frac{{rate}_{i}}{{rate}_{\max}} + w_{SNR} * \frac{{SNR}_{i}}{{SNR}_{\max}}

其中，user₁为本频点可通用户数，user_max为所有频点中最大可通的用户数，w_user为用户数所占的权重；rate₁为本频点可通的总速率，rate_max为所有频点中最大的可通总速率，w_rate为可通总速率所占的权重；SNR₁为本频点可通用户的总信噪比，SNR_max为所有频点中最大的通用户的总信噪比，w_SNR为通用户的总信噪比所占的权重。

可通用户数站的比重最大，然后是速率，最后是信噪比。目前可以设置的权重为

w_{user} = \frac{44}{64},

w_{rate} = \frac{16}{64},

w_{SNR} = \frac{4}{64} .

最终选取加权和最大的频点作为通信频点；同时，根据选择的通信频率以及最终的匹配结果计算得出备用信道。

(6)传输参数发送完毕后，节点设备开始对各终端设备通过80kbps管理波形进行轮询，从而完成终端设备的注册，轮训结束或注册完成后即可以转入通信阶段。

(7)开始通信，如附图2所示。

(9)频谱感知完成后即进入迟入网设备接入时隙，用以完成迟入网设备的接入。迟入网是指当网内其他设备已处于通信状态时，一部或者多部设备由于某种原因未能入网，需要采取一定措施进入通信网工作的一种入网方式。本方案中采用周期同步和被动牵引入网相结合的方式，在帧结构中设计有接入时隙，该突发速率选择4kbps信令波形。

节点设备利用接入波形引导用户终端工作到正常通信频率上，然后通过上、下行管理突发，用户终端实现注册入网功能。本设计中，有两个前提条件，第一接入波形工作频率没有干扰，能够成功传输；第二通信站点数是预知的，保证节点设备能够轮询到所有站点。用户终端迟入网过程分为两步：确定通信频率和注册。具体流程如下所示：

(9.2)根据网络规模，轮询发送下行管理帧，判断是否都有回应，如果有中断没有回应，则转入步骤(9.3)，否则转入步骤(9.4)；

(9.3)对于没有应答的终端，轮询发送下行接入帧，如果未收到上行接入帧，则说明终端设备关机(或信令波形被干扰)，在一定时间内不在轮询该终端；如果收到上行接入帧，则记录应答结果，作为自适应传输策略的依据；

(9.4)节点设备接入时隙工作结束(如附图7所示)。

(9.6)发送上行接入帧后则开始等待接收下行管理帧，如果收到则回复上行管理帧，否则则认为该频点不能完成注册；

(9.7)终端设备接入时隙工作结束(如附图8所示)。

(10)接入时隙结束后即进入信道估计时隙，用以完成节点设备和终端设备间的信道估计，进而通过自适应传输策略计算各链路的传输策略。

在通信过程中会实时进行信道估计(信噪比估计)，并且每1s进行一次速率变化，在节点的管理帧下发各终端的速率。通信阶段速率自适应采用逐级变化的策略，每一个速率设置一个上升门限和下降门限，门限设置如下(以80k速率的门限为基准)，如下表所示。

当前速率	80k	640k	2560k	10240k
					下降门限	18dB	23dB	29dB
上升门限	20dB	25dB	31dB

经过频谱感知之后，共有5个备选频点(3个频点为初始接入阶段选择的，2个频点为通信阶段监测的)。每两个复帧可以完成一个终端的5个频点的信道估计，完成所有终端的信道估计之后触发一次频率切换。

频率选择的方式与初始接入阶段一致，只是增加一个当前频点，并且当前频点设置一个大于1的权重，从而保证当前频点优先使用。

除了周期性的触发频率切换之外，还有其它事件可以触发频率切换，包括以下几点：

a)迟入网阶段有终端开机但不能接入；

b)当前频点速率降低到一定门限以下或者有终端失步。

自适应传输策略的流程主要包括以下步骤(如附图9所示)：

(10.1)进入信道认知时隙，节点设备轮流与各终端设备在所有信道(通信信道、匹配信道与备用信道)上进行信道估计，每一个通信帧完成一条链路的估计；

(10.2)判断当前信噪比是否低于传输速率下降门限，如果是，则将该链路速率调低一档；如果不是，继续判断当前信噪比是否高于传输速率上升门限，是则调高一档速率，反之则速率不变；

(10.3)根据当前链路的信噪比估计值，结合之前各链路的信噪比估计结果，判断是否需要切换频点，如果需要则通过节点管理帧下发(广播)通信频率，反之则工作频率不变。

Claims

1.一种基于认知的宽带无线接入设备星状组网方法，实现了初始接入阶段的频谱感知与策略选择，以及通信阶段迟入设备的接入与自适应策略调整，其特征在于包括步骤如下：

(7)开始通信；

2.根据权利要求1所述的一种基于认知的宽带无线接入设备星状组网方法，其特征在于：步骤(3)中设备的频谱感知单元对工作频段的频谱感知包括以下步骤：

(3.2)频谱感知单元对所切换频率的时域信号进行采样；

(3.3)对时域采样结果分别加离散扁长球体序列窗；

3.根据权利要求1所述的基于认知无线电的星状组网策略，其特征在于：步骤(9)中迟入网设备的接入包括以下步骤：

(9.4)节点设备接入时隙工作结束；

(9.6)发送上行接入帧后则开始等待接收下行管理帧，如果收到，则回复上行管理帧，否则，则认为该频点不能完成注册；

(9.7)终端设备接入时隙工作结束。

4.根据权利要求1所述的基于认知无线电的星状组网策略，其特征在于：步骤(10)中的自适应传输策略是在信道认知时隙完成的，具体包括以下步骤：