CN103200578B - 一种基于认知无线局域网的可变带宽信道分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于认知无线局域网的可变带宽信道分配方法，其具体为：（1）次接入点定期同步向可变带宽分配服务器发送自己的负载需求；（2）可变带宽分配服务器在不影响主用户服务质量的前提下，通过最优化算法进行可变带宽的分配，并将分配的结果反馈回各次接入点；（3）次接入点通过修改的信标帧，将缓存给不同终端用户的负载做出正交带宽映射，然后广播给关联的所有终端用户；（4）需要接收数据的终端用户通过接收修改的信标帧中的工作频率和子带宽调整到对应的射频子信道并且回复确认帧；（5）次接入点在成功接收到终端用户的确认帧之后，通过多射频并发地向终端用户发送数据。

Description

一种基于认知无线局域网的可变带宽信道分配方法

技术领域

本发明涉及无线通信和认知无线电领域，特别涉及的是无线局域网信道的动态分配，具体是指在认知网络下，利用可变带宽信道分配方法，实现了工业、科学和医疗（ISM）频段以及广播电视（TVWS）频段信道带宽的动态分配。

背景技术

近年来，随着无线设备的大量普及和无线多媒体应用的迅速增加，使得无线频谱资源日趋紧张。传统的蜂窝3G/4G通信，由于在同一个小区接入用户较多，在信道带宽受限的情况下，用户传输速率降低，在面对带宽需求量高的业务时不能确保其服务质量，影响用户使用产品的满足度。而基于IEEE802.11系列的无线局域网技术，由于其具有高速率（低成本和易部署等特点，能有效的增加用户在“最后一公里”使用在线多媒体应用的服务，目前成为3G/4G蜂窝通信最佳的补充技术。

目前，运营商正在全国范围内的“热点”区域构建商用无线局域网，而构建商用无线局域网的关键是无线接入点（AP）的部署和信道的配置。但是由于频谱资源管理机构和各大运营商并没有很好地对无线AP的部署问题进行处理，出现了各大运营商经常在同一个热点分别部署自己的无线AP，这样就造成热点区域内高密度AP部署问题，造成了无线AP的重复覆盖建设，不仅引起了AP网络之间的同频干扰，而且使无线频带资源的利用率大大降低，使得日益紧张的无线资源更加匮乏。

目前，解决无线局域网中无线频带资源不足的方法主要有两种：

一种是在热点小区内由网络管理人员通过无线资源管理和分配技术对ISM信道进行统一规划分配，以避免同频信道干扰，提高频带资源利用率，但是该方法实现起来有非常多的不确定因素，无线AP分别归属不同的所有者，网络管理人员不可能和这些所有者进行协商，并且无线AP接入是动态的，所以该方案实现起来难度较大。

另外一种就是动态信道分配，打破了传统的固定信道分配方式。首先统计网络中的空白频谱，然后根据用户的带宽需求寻找合适的空白频段让用户接入，这样虽然能一定程度上提高无线频谱资源的利用率，但是这样难免会引起相邻信道之间的通信干扰。同时在用户根据带宽需要抢占空白频段时，大的空白频段难免会被分割成较小的频段，会产生所谓频谱碎片，这样不能保证无线频谱利用的最大化。

针对以上两种方法的不足，为了更好的利用无线频谱资源，本文提出了一种基于认知无线局域网的可变带宽信道分配方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于认知无线局域网的可变带宽信道分配方法，在不影响主用户通信质量的情况下，动态的调配主用户网络和认知网络的频谱资源，尽可能最大程度上满足认知用户的需求，这样不仅大大提高了无线频谱资源的利用率，同时利用正交的信道分配方法能避免用户之间的干扰，也能大大降低认知网络之间的同频干扰问题。

认知网络系统模型如图1所示，主用户网络工作在广播电视频段（TVWS）、次用户网络工作在工业、科学和医疗（ISM）频段。本发明仅考虑一个主用户网络中有多对次用户的认知网络情况，其中主用户网络包括一个主用户基站（PBS）和一个主用户接收节点（简称主用户PU），主用户网络工作在TVWS频段，处于饱和广播工作状态。次用户网络由次用户AP（SAP）和多个次用户节点（简称次用户SU）组成，次用户网络初始状态工作在ISM频段，每个次用户AP的发射功率都是一定的，同样处于饱和下行传输工作状态。当次用户网络频谱资源出现拥挤，且发现主用户频谱资源空闲时，在不影响现有主用户服务质量（QoS）的前提下，采用机会方式接入主用户的TVWS频段，达到提高系统频谱资源利用率的目的。所有的主用户和次用户网络都工作在多入多出（MIMO）状态下，并具有软件无线电功能。PBS和SAP具备多射频功能，且次用户网络工作在MIMO OFDM（正交频分复用）状态。

在以上的认知网络环境下，系统的工作流程如图2所示，可以详细概述如下：SAP定期同步向可变带宽分配服务器发送自己的负载需求，服务器在不影响主用户QoS的前提下，通过最优化算法进行可变带宽的分配，并将分配的结果反馈回各SAP。SAPs通过修改的信标帧，将缓存给不同用户的负载做出正交带宽映射，然后广播给关联的所有用户。需要接收数据的用户在广播帧中解调出各自的工作频率和子带宽，然后调整到对应的射频子信道并回复确认帧。SAP在成功接收到SU的确认帧之后，通过多射频并发的向SU发送数据帧。

本方法主要包括两个部分：SAP内正交可变带宽的并发媒体介入控制（MAC）机制，以及SAP间可变带宽信道分配算法。

其中SAP内的可变信道带宽分配采用了正交的并发MAC机制，整个SAP网络的带宽由此小区内的终端用户正交分配。

（1）为SAP内的用户分配信道：假设主网络中有M个次用户网络，为每个次用户网络SAP_i分配的信道为C_i=[F_iL，F_iH]，则该认知网络的总带宽为B_i=F_iH-F_iL，如果网络SAP_i内有N个用户 $[S{U}_i^{\left(1\right)},S{U}_i^{\left(2\right)},\·\·\·,S{U}_i^{\left(j\right)}\·\·\·,{\mathrm{SU}}_i^{\left(N\right)}],$ 所有用户的负载信息按照先进先出原则按顺序存储在SAP_i内，假设SAP_i内第j个用户的业务量为为其分配的带宽为由于SAP_i的射频数为2，每次只能满足两个用户同时传输数据的要求，此时按照SAP_i缓存中用户的排序来选择所要服务的用户，假设该小区SAP_i一次服务的两个用户为和我们可知此次服务用户的业务量为：为了减少用户信道之间的干扰，网络SAP_i内和之间的信道频点必须遵循正交可变带宽分配的原则：每个用户信道的频带不能重叠，且SAP_i内用户的总带宽之和为B_i。为了保证网络SAP_i内各用户的接入公平性，则分配和的带宽应按业务量的比例分配为： $B_i^{\left(k\right)}=\frac{T_i^{\left(k\right)}}{T_i}\×B_i,$ $B_i^{(k+1)}=\frac{T_i^{(k+1)}}{T_i}\×B_i,$ 为其分配的信道中心频点为： $f_i^{\left(k\right)}=F_{\mathrm{iL}}+0.5B_i^{\left(k\right)},$ $f_i^{(k+1)}=F_{\mathrm{iL}}+B_i^{\left(k\right)}+0.5B_i^{(k+1)},$ 其中k∈{1，2，...，N-1}。

（2）修改信标帧，将信道的分配情况映射到修改的的信标帧中（如图3所示），次接入点通过修改的信标帧向小区内的用户广播信道分配情况。

（3）由于SAP小区的频带资源有限，为了保证终端用户的QoS，每个SAP节点一次仅能为两个用户（SUs）服务，SAP根据先来先服务的原则将待传的用户数据缓存在存储器中，SAP下行传输的VOC（可变正交信道）-MAC流程如图4，SAP根据缓存器中的顺序向用户发送广播帧，用户接收到广播帧后从中解析出信道和带宽信息，然后向SAP发送确认帧，待SAP接收到之后开始向用户发送数据，用户接收完数据后再次向SAP发送确认帧，SAP接收到之后便可释放信道，进而开始第二轮用户的数据传输。

而SAP间信道带宽的动态分配采用的是基于负载感知的可变带宽信道分配算法，假设在主用户网络覆盖下有M个认知网络[SAP₁，SAP₂，…，SAP_M]，具体算法描述如下：

（1）由各个SAP感知主用户网络中TVWS频段和ISM频段的空闲频谱宽度B_TVWS和B_ISM，感知自己的位置、主用户发射机的发射功率P_p、相邻SAP发射机的发射功率P_s和各自的负载情况L_i，并将其负载信息统计后反馈到可变带宽分配服务器。

（2）由可变带宽分配服务器统计各小区的负载信息，按照频谱利用率最大、SAP间干扰最小的原则，计算出各SAP_i占据的负载比例并且根据总的可用频谱带宽B（B=B_ISM+B_TVWS），计算出预分配给每个SAP的可变带宽B_i=Bφ_i。

附图说明

图1认知网络系统模型；

图2认知网络系统工作流程；

图3基于可变信道带宽分配的信标帧；

图4次接入点下行传输的可变正交信道-媒体接入控制流程图；

图5次接入点内可变带宽信道分配流程；

图6次接入点间可变带宽信道分配流程。

具体实施方式

（1）在SAP内采用的是正交信道的分配算法，下面结合实例对信道的分配过程进行详述：

①为SAP内的用户分配信道：假设主网络中有6个次用户网络，以SAP₁为例，SAP₁分配的信道频段为C₁=[300MHz-360MHz]，总带宽为B₁=60MHz，由于SAP₁节点的射频数为2，每次只能满足两个用户同时传输数据的要求，如果网络SAP₁内有8个终端用户 $[{\mathrm{SU}}_1^{\left(1\right)},{\mathrm{SU}}_1^{\left(2\right)},\·\·\·,{\mathrm{SU}}_1^{\left(j\right)}\·\·\·,{\mathrm{SU}}_1^{\left(8\right)}],$ 所有用户的负载信息按照先进先出原则按顺序存储在SAP₁内，此时按照SAP₁缓存中用户的排序来选择所要服务的和SAP₁内和的业务量分别为 我们可知此次SAP服务终端用户的业务量为：T₁=30MB。为了减少用户信道之间的干扰，网络SAP₁内和之间的信道频点采用正交可变带宽的原则进行分配：每个用户信道的频带不能重叠，且SAP₁内用户的总带宽之和为B₁。为了保证网络SAP₁内各用户的接入公平性，则和的带宽应根据业务量按比例分配，具体分别为： $B_1^{\left(2\right)}=\frac{1}{3}{B}_1=20\mathrm{MHz},$ $B_1^{\left(3\right)}=\frac{2}{3}{B}_1=40\mathrm{MHz}.$ 综合以上的频点和带宽的分配原则，和所分配信道的中心频点为：

下面结合附图5对SAP₁内信道可变带宽分配做进一步说明：

步骤501：在第一轮信道分配时，SAP₁负责统计本小区可用的空闲频道资源B₁。在之后的数据传输过程中，由SAP₁负责信道释放，以便下一轮数据的传输。

步骤502：利用正交信道分配算法，对该501统计的小区信道带宽B₁进行正交分配，确定分配给用户和的带宽和频点： $B_1^{\left(3\right)}=40\mathrm{MHz},$ $f_1^{\left(2\right)}=310\mathrm{MHz},$ $f_1^{\left(3\right)}=340\mathrm{MHz}.$

步骤503：将502分配的带宽和频点信息映射到修改的信标帧中。

步骤504：信标帧映射完成后，由SAP₁负责将该信标帧广播给SU。

步骤505：SU接收由SAP₁发送的信标帧。

步骤506：用户和从接收到的信标帧中解析信道信息，包括信道的中心频点和带宽，如果解析正确则执行507，否则跳转到504，让SAP₁重新发射信标帧。

步骤507：当用户和获得正确的信道信息后，向SAP₁发送响应帧，并调整信道到指定的频点上，为数据接收做好准备。

步骤508：待SAP₁接收到和发来的确认帧后，便知和已经可以接收数据，此时SAP₁便开始向和发送数据。

步骤509：和接收数据，并判断数据是否接收完整、是否出错，如果接收完整则跳转到510，如果数据接收有误，则跳转到508，使SAP₁重新发送数据。

步骤510：用户接收完数据后，向SAP₁发送确认帧，并释放信道，此时跳转到501，由SAP₁对队列中的后续用户和进行信道分配，进行下一轮的数据传输，直到SAP₁的8个用户全部服务完毕。

（2）SAP间的信道分配采用的是基于负载感知的可变带宽的分配方法，假设在主用户网络覆盖下有6个认知网络[SAP₁，SAP₂，…，SAP₆]，总的带宽为B=300MHz下面结合图6和具体实例，对SAP间的信道分配进行详细的阐述：

步骤601：由各个SAP感知主用户网络中TVWS频段和ISM频段的空闲频谱宽度B_TVWS=220MHz和B_ISM=80MHz，感知自己的位置、主用户发射机的发射功率P_p、相邻SAP发射机的发射功率P_s和各自的负载情况[L₁，L₂，…，L₆]。

步骤602：SAP通过601步的感知，统计出当前网络下可用的空闲频谱，同时统计出各自负载的大小[L₁，L₂，…，L₆]=[10MB，30MB，50MB，20MB，50MB，40MB]，并统计出相邻SAP节点的发射功率。

步骤603：将SAP统计到的信息传输到可变带宽分配服务器，由其根据602步的统计信息，结合频谱利用率最大、SAP间干扰最小的原则，计算出各SAP占据的负载比例 $[{\mathrm{\φ}}_1,{\mathrm{\φ}}_2,\·\·\·,{\mathrm{\φ}}_6]=[\frac{1}{20},\frac{3}{20},\frac{1}{4},\frac{1}{10},\frac{1}{4},\frac{1}{5}],$ 并且根据总频谱带宽B=300MHz（B=B_ISM+B_TVWS），计算出预分配给每个SAP的可变带宽[B₁，B₂，…，B₆]=[15MHz，45MHz，75MHz，30MHz，75MHz，60MHz]。

步骤604：SAP接收到由可变带宽服务器发送的信道分配信息之后，调整其节点存储的可用频带资源信息，以便为所在小区内的用户SU分配合适的信道，完成信道调整后，跳转到601，重新感知认知网络中的频谱利用情况，以便实时更新调整SAP间的信道分配。

在此说明书中，本发明已参照特定的实施实例做了描述。但是，很显然仍可以做出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (4)

1.一种基于认知无线局域网的可变带宽信道分配方法，其特征在于，

此方法包括了次接入点内正交可变带宽的并发媒体接入控制机制，以及次接入点间可变带宽信道分配方法；

次接入点内的可变信道带宽分配采用了正交的并发媒体接入控制机制，整个认知网络的带宽由此小区内的用户正交分配；首先，将信道的分配情况映射到修改的信标帧中，向次接入点小区内的用户广播信道分配情况；其次，由于次接入点小区的频带资源有限，为了保证用户的服务质量，每个次接入点一次仅能为两个终端用户服务，小区内的所有终端用户根据先来先服务的原则进行排队式通信；

次接入点间信道带宽的动态分配采用基于负载感知的可变带宽信道分配算法；首先，各认知网络接入点统计本小区内的通信负载情况，并将其负载信息反馈到可变带宽分配服务器；然后由可变带宽分配服务器统计各小区的负载信息，并计算出不同的次用户网络之间的负载比例，最后由可变带宽分配服务器根据此用户网络之间的负载比例为其分配相应的带宽。

2.根据权利要求1所述的基于认知无线局域网的可变带宽信道分配方法，其特征在于，

包括：为了能够使次接入点准确地为其终端用户分配正交的信道，需要修改信标帧的帧实体中的独立基本服务集单元，将信道带宽的分配情况映射到相应的帧结构中，从而使次接入点能够准确地向其用户广播信道分配信息，其中修改后信标帧的独立基本服务集单元的格式为：单元识别码（1字节），长度（1字节），用户k标识码（0.5字节），用户k中心频点（1字节），用户k带宽（1字节），用户k+1标识码（0.5字节），用户k+1中心频点（1字节），用户k+1带宽（1字节）。

3.根据权利要求1所述的基于认知无线局域网的可变带宽信道分配方法，其特征在于，

包括：每个次接入点都需具有负载感知功能，能够感知本小区内终端用户的负载情况，并将感知到的负载信息发送给可变带宽信道分配服务器。

4.根据权利要求3所述的基于认知无线局域网的可变带宽信道分配方法，其特征在于，

包括：可变带宽分配服务器需要统计出主用户频段和认知用户频段的空白频谱资源的利用情况，同时为了尽可能的减少认知用户对主用户的干扰，映射的基本原则是首先映射工业、科学和医疗（ISM）频段资源，然后映射广播电视（TVWS）频段资源。