CN104080093B - 一种频谱感知及动态信道绑定方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种频谱感知及动态信道绑定方法、装置及系统，属于无线通讯技术领域。所述系统包括信息获取模块用于获取多个访问接入点AP的感知信息，并根据业务类型和数据流量将AP划分优先级；资源划分模块用于根据当前需要传输数据的AP的优先级依次划分信道资源；状态更新模块用于根据反馈的即将占用的信道信息更新认知网络的信道状态；信息反馈模块用于根据划分的信道资源选择一个或多个未被占用的信道进行通信，并将即将占用的信道信息反馈；数据发送模块用于根据即将占用的信道信息进行信道切换和绑定，将即将占用的信道信息整合在即将发送的数据帧中并发送。本发明降低了网络平均能耗和切换与传输时延，提高了数据传输的成功率和有效性。

Description

一种频谱感知及动态信道绑定方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及一种应用于超高速无线局域网系统的频谱探测感知及动态信道绑定方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

作为无线通信技术与计算机网络相结合的产物，无线局域网(Wireless LocalArea Network)能实现宽带无线环境下的IP接入，方便快捷的架构组网，灵活的位置接入以及良好的扩展。然而，随着无线局域网的迅速普及以及各种无线通信网络的涌现，可用的频谱资源日益紧张，尤其是免授权频段己经接近饱和。

目前，以IEEE802.11ac标准为代表的超高速无线局域网络打破了传统WLAN的20MHz带宽限制，通过采用信道绑定的高吞吐量模式，在高吞吐量模式下可以用80MHz 及160MHz的信道资源进行数据传输。但是受限于可用的频谱资源，现有的超高速无线局域网里无法实现在保证高吞吐量及一定的QoS前提下，进一步提高信道利用效率。

发明内容

本发明提供了一种频谱感知及动态信道绑定方法、装置及系统，以解决现有的超高速无线局域网里无法实现在保证高吞吐量及一定的QoS前提下，进一步提高信道利用效率的问题，为此本发明采用如下的技术方案：

一种应用于超高速无线局域网系统中的频谱感知及动态信道绑定方法，包括：

获取多个AP的感知信息，并根据业务类型和数据流量将所述AP划分优先级；

根据当前需要传输数据的AP的优先级依次划分信道资源；

根据反馈的即将占用的信道信息更新认知网络的信道状态。

一种应用于超高速无线局域网系统中的频谱感知及动态信道绑定装置，包括：

信息获取模块，用于获取多个AP的感知信息，并根据业务类型和数据流量将所述AP 划分优先级；

资源划分模块，用于根据当前需要传输数据的AP的优先级依次划分信道资源；

状态更新模块，用于根据反馈的即将占用的信道信息更新认知网络的信道状态。

一种应用于超高速无线局域网系统中的频谱感知及动态信道绑定方法，包括：

根据划分的信道资源选择一个或多个未被占用的信道进行通信，并将即将占用的信道信息反馈；

根据所述即将占用的信道信息进行信道切换和绑定，将所述即将占用的信道信息整合在即将发送的数据帧中并发送。

一种应用于超高速无线局域网系统中的频谱感知及动态信道绑定装置，包括：

信息反馈模块，用于根据划分的信道资源选择一个或多个未被占用的信道进行通信，并将即将占用的信道信息反馈；

数据发送模块，用于根据所述即将占用的信道信息进行信道切换和绑定，将所述即将占用的信道信息整合在即将发送的数据帧中并发送。

本发明提供的技术方案采用了该多用户认知的超高速无线局域网系统中的频谱感知及动态信道绑定方法，提高了协同频谱感知的精确性及对信道的公平利用与高效利用，对 AP进行优先级区分，提高了业务质量及业务区分的公平性；引入信道绑定技术，提高了频谱利用效率，同时能保证大数据量的传输速率；有数据传输要求的AP才获取信道信息，有效降低了网络平均能耗，而单个AP的MAC层调度和物理层的快速切换，降低了切换与传输时延，提高了数据传输的成功率和有效性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述的第一种频谱感知及动态信道绑定方法的流程示意图；

图2是本发明所述的第二种频谱感知及动态信道绑定方法的流程示意图；

图3是本发明所述的频谱感知及动态信道绑定方法的工作过程示意图；

图4是本发明提供的当所述频谱感知及动态信道绑定方法中存在主用户的1AP1STA传输系统应用场景示意图；

图5是本发明提供的系统频谱感知过程中的频谱占用情况示意图；

图6是本发明提供的系统感知切换过程示意图；

图7是本发明所述的应用于超高速无线局域网系统中的频谱感知及动态信道绑定系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的具体实施方式提供了一种频谱感知及动态信道绑定方法，如图1所示，包括：

步骤11，获取多个AP的感知信息，并根据业务类型和数据流量将所述AP划分优先级。

具体的，FC(Fusion Center，数据融合中心)初始化后，始终监听信道以获取AP(Access Point，访问接入点)的感知信息并及时更新全网信道状态，并根据AP的业务类型、数据量大小将AP划分优先级，优先级高的AP率先接入信道，同时可能使用两个或两个以上信道绑定来传输数据。

其中，FC对AP的感知信息可通过内置的频谱感知模块获得，其能量检测算法应具有自适应信道状态的阈值，检测到空气中的信号值与自适应的阈值进行对比来判定是否存在主用户及其占用信道信息。并且，FC采用基于最大似然比率的多节点数据融合方案实现多个AP节点对主用户使用信道的协同检测，可以有效避免多径衰落和隐藏终端的问题。对于 AP优先级，可划分为4类访问类别：“1-大数据量及时业务”，“2-普通及时业务”，“3-大数据量业务”，“4-普通业务”。

步骤12，根据当前需要传输数据的AP的优先级依次划分信道资源。

具体的，当认知网络中出现多个AP有数据需要传输时，FC通过与AP通信获得AP的信道状态，并根据当前需要传输数据的AP的优先级依次划分信道资源。具体的过程包括：AP通过与FC一次握手获得信道状态信息，其中AP首先发出信道请求占用信息，FC处理同一时间收到的信道请求信息，根据当前空前信道区分优先级后统一分配，并将分配信息依次下发给AP，没有分配到信息的AP将会收到拒绝接入信道的信息。

进一步地，FC对AP的4类优先级划分信道时，优先处理1、2类及时业务，对第1类业务，FC将可用信道的1/2划分给其使用；对第2类业务，普通及时业务所需速率并不高，FC 优先划分1个信道给其使用；处理完1、2类业务后，若还有信道剩余，FC再将剩余信道数量的1/2划分给第3类业务使用；最后若还有剩余，划分1个信道给第4类业务使用。

步骤13，根据反馈的即将占用的信道信息更新认知网络的信道状态。

具体地，FC根据AP反馈的自身即将占用的信道信息更新认知网络的信道占用数据库。

本发明的具体实施方式提供了一种频谱感知及动态信道绑定方法，如图2所示，包括：

步骤21，根据划分的信道资源选择一个或多个未被占用的信道进行通信，并将即将占用的信道信息反馈。

具体的，AP根据FC下发的信道占用信息，选择某一个或几个未被占用信道进行通信，同时将自身即将占用信道反馈给FC。

步骤22，根据所述即将占用的信道信息进行信道切换和绑定，将所述即将占用的信道信息整合在即将发送的数据帧中并发送。

具体的，AP的发送端根据即将占用的信道信息进行信道切换和绑定，同时物理层将信道信息传递给MAC层，由MAC层处理后整合在即将发送的数据帧中。当AP开始进行数据帧的传输后，在传输过程中始终保持对整个网络信道的监听；AP的接收端STA接收信息，MAC层从第一帧控制信息中提取出信道信息回传给物理层，物理层根据信道信息作出相应的信道切换以接收完整数据信息。

其中，AP能够对可使用的相邻信道及间隔信道进行绑定来传输数据，同时包含信道信息的控制信息与数据信息一起组成一帧；第一帧填入冗余数据信息单独作为提取信道信息使用，以确保AP与STA都切换绑定在对应信道后才进行稳定的数据传输；稳定数据传输过程中仍然监听并传送信道信息。而MAC层则需要对信道信息作出一定判断，排除抖动、传输出错的情况，同时回传给物理层的时延应尽量小，控制在一帧时间内；物理层随时根据MAC层传来的信道信息进行切换。

进一步地，当AP向STA发送数据完成、有更高优先级的AP加入网络或者有PU(Primary User，主用户)加入网络需要占用当前占用的信道时，AP跳出当前信道。当通信终端或被迫退出信道的AP需要传输数据时，则需要FC重新划分信道资源，但相比其他刚开始通信请求的AP有较高的优先权。

下面通过具体的实施例对本具体实施方式提供的频谱感知及动态信道绑定方法进行详细说明。

图3所示的是本具体实施方式提供的频谱感知及动态信道绑定方法的工作过程。图4所示的是当所述频谱感知及动态信道绑定方法中存在主用户的1AP1STA传输系统应用场景。场景中包含一个主用户即授权用户；一个含有频谱感知模块，具有认知功能的AP；一个作为数据接收端的STA。假设应用实例：超高速WLAN系统中，认知网络初始化已经完成，网络中的主用户、AP及STA已经进入正常工作状态。其具体实施方式分以下三个基本过程：

1)无线传输场景分析：包括无线传输环境中干扰温度估计和空闲频段的探测。

2)AP端物理层完成频谱感知和信道动态绑定，根据感知信息调整自身的频段，并将感知信息上传到MAC层，达到共同认知的目的。

3)AP端将感知信息通过无线链路传输至STA端，STA端根据感知信息调整自身的频段，完成信道切换实现系统功能。

图5所示为所述系统频谱感知过程中的频谱占用情况。跳频信号频谱总带宽为100MHz，中心频率在5.8GHz。假设100MHz带宽分为5个子信道，每个子信道带宽约为 20MHz，每个子信道之间要保持一定的空隙。当主用户随机占用任一信道时，AP端的频谱感知模块能探测到主用户占用的信道，然后避让此信道而选取其余4个未被占用的信道合成的系统带宽进行正常的数据传输，STA端在接收到AP端发送信道发生变化的消息时，也选择与AP对应的4个信道，进而进行通信。

下面将对具体实施方式描述如下：

[1]开机即进行能量检测，具有认知功能的WLAN可以通过接入点对频谱进行不间断扫描。

[2]初始时的频谱方案标记为默认状态。如没有检测到主用户，则保持默认的频谱方案。

[3]如检测到信道被占用，则根据占用情况切换频谱，同时更新频谱方案。

[4]在工作状态下，持续进行能量检测，发现主用户切入，则调整本机的频段；否则保持频谱方案不变。

当发现主用户时，系统感知切换过程如图6所示，步骤如下：

步骤61，AP端频谱感知模块进行频谱感知工作。若AP在信道Chn检测到主用户的信号能量大于检测门限，则令信道Chn的本地感知结果状态为1，否则为0，n∈{1,2,…,M},即本地需要检测的信道个数为M。对所有信道进行检测以后，得到Mbit的信道状态信息来表征当前各信道的占用情况。

步骤62，将频谱感知信息传送到AP端的发送机，物理层接收到该感知信息后立即进行频谱切换和信道绑定工作，此工作不受任何外界因素的影响，除非频谱再次进行切换。

步骤63，信道绑定过程中，动态选择未被主用户占用的信道，合成较宽的频带进行数据传输。

步骤64，物理层进行频谱切换的同时，将频谱感知信息上传给MAC-PHY。

步骤65，MAC-PHY将频谱感知信息放入下一帧的上行时隙的控制信息的空闲位置中回传给MAC层。

步骤66，MAC层提取出频谱感知信息，将感知结果装入MAC层下行控制信息的空闲位置，在下一帧的时候与数据帧一起传递到物理层。

步骤67，数据帧经由无线链路到达STA端的接收机，上传给MAC层。

步骤68，STA端MAC层从当帧的控制信息中提取出感知信息，将感知信息放入上行时隙控制信息的空闲位置，向下回传给MAC-PHY接口。

步骤69，MAC-PHY接口从控制信息中提取出频谱感知的切换指令，存入一个控制信息寄存器，向下传递。

步骤610，感知信息切换指令经由LDPC模块、MIMO处理模块回传给STA端的多天线板，信道估计模块按照频谱感知切换指令进行同步拆帧处理，完成频谱切换及STA端的信道绑定过程。

步骤611，至此经过低于两帧的时延，系统AP端、STA端工作在统一的频段上，进入正常、稳定工作状态，进行高速数据流的传输。

步骤612，当主用户切换到别的频段上时，AP端的频谱感知模块将重新进行频谱感知工作，重复步骤61。

在具体实施方式中，具有认知功能的WLAN可以通过接入点对频谱的不间断扫描，从而识别出可能的干扰信号，并结合对其他信道通信环境和质量的认知，动态绑定选择最佳的通信信道，提高频谱利用率，保证WLAN系统在复杂多变的外界条件下维持服务质量，高效、稳定的工作。

本发明的具体实施方式还提供了一种应用于超高速无线局域网系统中的频谱感知及动态信道绑定装置，如图7所示，包括：

信息获取模块71，用于获取多个访问接入点AP的感知信息，并根据业务类型和数据流量将所述AP划分优先级；

资源划分模块72，用于根据当前需要传输数据的AP的优先级依次划分信道资源；

状态更新模块73，用于根据反馈的即将占用的信道信息更新认知网络的信道状态。

具体地，在信息获取模块中，所述感知信息通过基于最大似然比率的多节点数据融合方案对主用户使用信道的协同检测获得。

本发明的具体实施方式还提供了一种应用于超高速无线局域网系统中的频谱感知及动态信道绑定装置，如图7所示，包括：

信息反馈模块74，用于根据划分的信道资源选择一个或多个未被占用的信道进行通信，并将即将占用的信道信息反馈；

数据发送模块75，用于根据所述即将占用的信道信息进行信道切换和绑定，将所述即将占用的信道信息整合在即将发送的数据帧中并发送。

优选的，所述装置还可以包括：

信道跳出模块76，用于当发送数据完成、有更高优先级的访问接入点AP加入网络或者有主用户PU加入网络需要占用当前占用的信道时，跳出当前信道。

上述应用于超高速无线局域网系统中的频谱感知及动态信道绑定装置中包含的各模块的处理功能的具体实现方式在之前的方法实施例中已经描述，在此不再重复描述。

本具体实施方式还提供了一种应用于超高速无线局域网系统中的频谱感知及动态信道绑定系统，如图7所示，所述系统包括如上所述的应用于超高速无线局域网系统中的频谱感知及动态信道绑定装置中的信息获取模块、资源划分模块和状态更新模块，以及包括如上所述的应用于超高速无线局域网系统中的频谱感知及动态信道绑定装置中的信息反馈模块、数据发送模块和信道跳出模块。上述各模块的处理功能的具体实现方式在之前的方法实施例中已经描述，在此不再重复描述。

值得注意的是，在上述装置和系统的具体实施中，所包括的各个模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述各方法实施例中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，相应的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种应用于超高速无线局域网系统中的频谱感知及动态信道绑定方法，其特征在于，包括：

获取多个访问接入点AP的感知信息，并根据业务类型和数据流量将所述AP划分优先级；

根据当前需要传输数据的AP的优先级依次划分信道资源；

根据划分的信道资源选择一个或多个未被占用的信道进行通信，并将即将占用的信道信息反馈；

根据所述即将占用的信道信息进行信道切换和绑定，将所述即将占用的信道信息整合在即将发送的数据帧中并发送；

根据反馈的即将占用的信道信息更新认知网络的信道状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述感知信息通过基于最大似然比率的多节点数据融合方案对主用户使用信道的协同检测获得。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

当发送数据完成、有更高优先级的访问接入点AP加入网络或者有主用户PU加入网络需要占用当前占用的信道时，跳出当前信道。

4.一种应用于超高速无线局域网系统中的频谱感知及动态信道绑定装置，其特征在于，包括：

信息获取模块，用于获取多个访问接入点AP的感知信息，并根据业务类型和数据流量将所述AP划分优先级；

资源划分模块，用于根据当前需要传输数据的AP的优先级依次划分信道资源；

信息反馈模块，用于根据划分的信道资源选择一个或多个未被占用的信道进行通信，并将即将占用的信道信息反馈；

数据发送模块，用于根据所述即将占用的信道信息进行信道切换和绑定，将所述即将占用的信道信息整合在即将发送的数据帧中并发送；

状态更新模块，用于根据反馈的即将占用的信道信息更新认知网络的信道状态。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，在信息获取模块中，所述感知信息通过基于最大似然比率的多节点数据融合方案对主用户使用信道的协同检测获得。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

信道跳出模块，用于当发送数据完成、有更高优先级的访问接入点AP加入网络或者有主用户PU加入网络需要占用当前占用的信道时，跳出当前信道。