CN104507093B - 一种收集与利用空闲频谱资源的方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种收集与利用空闲频谱资源的方法属于无线网络、无线通信技术领域，涉及一种收集和利用空闲频谱资源的方法。该方法采用资源管理中心通过与各种节点的协作，动态更新可用频谱空闲状况地图，并更新各节点间的路由路径；频谱空闲状况地图由多个认知网络接入节点与认知网关节点通过协作交换彼此收集的空闲频谱资源的方式构建。方法采用的装置由第1‑第12认知网络接入节点，第一、第二认知网关节点和1个安装了网络管理软件的资源管理中心组成；该装置可由通用的认知无线电硬件设备组成，便于快速布置，拆卸方便，适用于应急应用。该方法可应用到频谱资源较为紧张的地区，提高频谱资源管理效率，为用户提供更多的频谱资源用于通信。

Description

一种收集与利用空闲频谱资源的方法

技术领域

本发明属于无线网络、无线通信技术领域，涉及一种收集和利用空闲频谱资源的方法。该方法可应用到频谱资源较为紧张的地区，提高频谱资源管理效率，为用户提供更多的频谱资源用于通信。

背景技术

随着移动互联网、无线通信、移动通信等技术的发展，各种无线通信网络已经遍布于每个角落。利用无线网络传输的数据量连年高速增长，同时，人们对无线数据传输速率的需求也不断提高。然而，总的可用频率资源是恒定的，不断增长的无线数据传输需求造成频率资源日益紧张。

现有的频率资源采用固定分配的形式，如：GSM通信上行频率固定为890MHz至915MHz，而下行频率固定在935MHz至960MHz。然而，各个频段的频率资源的利用效率及利用特性是有着巨大差异的。例如：移动通信频段的频率资源白天利用率较高，夜间利用率很低；TV频段的频率资源白天和深夜利用率较低。针对此，近年来研究人员提出认知无线网络的概念，以期达到动态利用频谱资源的目的。

认知无线网络的基本理念是让每一个无线通信终端均成为认知无线电设备，具有感知周围频谱资源空闲状态的能力，当找到空闲频率资源时，可通过重新配置其自身的硬件资源让无线通信终端在该空闲频率下进行通信，从而提高频率资源的利用效率。如，魏急波等“认知无线网络关键技术与研究现状”，通信学报，2011，第32卷，第11期，P147-P158页；芮国胜等“认知无线网络及其频谱管理技术”，海军航空工程学院学报，2009，第24卷，第2期，P181-P185页。认知无线网络虽然可以有效的收集和利用空闲频谱资源，提高频谱资源的利用效率，但是，体积、功耗等众多因素限制了普通无线通信终端成为认知无线电设备。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，发明一种收集和利用空闲频谱资源的方法。该方法借助由认知网络接入节点、认知网关节点、资源管理中心、网络管理软件组成的网络装置，利用高效的空闲频谱资源收集算法收集空闲频谱资源，利用路由路径规划算法计算节点间的路由路径，从而，可为不具备认知无线电能力的普通无线通信终端提供网络服务，使之可以借助收集到的空闲频谱资源进行通信，有效的提高了频谱利用效率。

本发明的技术方案一种收集与利用空闲频谱资源的方法,其特征是，资源管理中心通过与各节点的协作，动态更新可用频谱空闲状况地图，并更新节点间的路由路径；频谱空闲状况地图由多个认知网络接入节点与认知网关节点通过协作交换彼此收集的空闲频谱资源的方式构建；路由路径允许数据在多个频率信道下将数据发送给由多个下一跳节点组成的节点转发集合，有效地提高了数据传输的可靠性。

空闲频谱资源收集的具体步骤如下：

1)网络中的认知网络接入节点与认知网关节点每隔一个固定时间间隔T_s感知一次自身附近频谱资源利用情况。节点采用功率电平阈值法判断某一频率是否空闲，当某一频率的接收功率电平小于某一阈值时，则判定该频率空闲，否则，判定该频率繁忙。节点感知范围从最低频率F_L到最高频率F_H，步进频率F_s，感知结束时获得频谱空闲向量I_i来表示所有频谱的空闲状态。

2)各节点i均将自身感知的频谱空闲向量I_i发送给资源管理中心，资源管理中心上运行的网络管理软件采用融合处理算法获得整个网络覆盖范围内的频谱空闲状况地图I。据此，资源管理中心可以管理网络覆盖范围内的可用空闲频谱资源。

路由路径规划的具体步骤如下：

1)路由的代价函数综合考虑频谱的不确定性以及无线通信链路的不确定性，节点i发送数据到节点j的代价函数C_ij定义为：

C_ij＝q_ij×p_ij

其中，q_ij代表节点i与节点j附近某一频率的空闲概率，p_ij代表节点i到节点j无线通信链路的成功传输概率。

2)网络管理软件将目的节点的代价函数设为0，网络内其它节点的代价函数设为无穷大。之后，按照步骤1的定义计算每个节点的代价函数。进行计算时，允许每个节点在多个频率信道下将数据发送给由多个下一跳节点组成的节点转发集合。当新计算的代价函数数值小于旧的数值时，以新数值代替旧数值。通过多次迭代计算，网络内各节点的代价函数数值不再变化，此时，网络内任意一点到某一目的节点的路由路径计算完毕，此路由路径由多个频率下的多条无线通信链路组成。

不具备认知无线电功能的普通无线通信终端利用该方法的装置进行通信的具体步骤如下：

1)普通无线通信终端通过特有的频率与认知网络接入节点通信，告知其传输数据的目的节点。

2)认知网络接入节点通过查询资源管理中心获得到目的节点的路由路径。

3)普通无线通信终端通过特有的频率将待传输数据发送给认知网络接入节点。认知网络接入节点利用收集的空闲频谱资源，按照规划好的路由路径将数据发送到目的节点。

一种收集和利用空闲频谱资源的方法，其特征在于：该方法采用的装置由第1-第12认知网络接入节点J1-J12，第一、第二认知网关节点G1、G2和1个安装了网络管理软件的资源管理中心X1组成；第1-第12认知网络接入节点J1-J12均匀布置在装置覆盖范围内，第一、第二认知网关节点G1、G2布置在装置的四周，安装了网络管理软件的资源管理中心X1处于装置的中心；该装置对外提供与普通无线通信终端的传统无线通信接口，同时，在网络内利用收集到的空闲频谱资源进行数据传输；第1-第12认知网络接入节点J1-J12作为网络接入设备提供普通用户接入该装置的无线接口，第一、第二认知网关节点G1、G2作为该网络到主干网的网关节点提供了装置到主干网的接入，安装了网络管理软件的资源管理中心X1实现对整个装置路由路径的规划以及空闲频谱资源的收集管理。

本发明的有益效果在于使不具备认知无线电硬件资源的无线通信终端可以利用收集到的空闲频谱资源进行无线通信，有效的提高了频谱利用效率；该方法的装置可由通用的认知无线电硬件设备组成，便于快速布置，拆卸方便，适用于应急应用。

附图说明

图1为本发明的系统结构框图，图中：J1-J12为第1-第12认知网络接入节点；G1、G2为第一、第二认知网关节点，X1为安装了网络管理软件的资源管理中心。

图2为网络管理软件更新频谱资源及路由路径的流程图。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图具体详细阐述本发明的实施，一种收集和利用空闲频谱资源的方法，该方法采用的装置由第1-第12个认知网络接入节点J1-J12、第一、第二两个认知网关节点G1、G2以及1个安装了网络管理软件的资源管理中心X1组成，系统组成框图如图1所示。第1-第12认知网络接入节点J1-J12均匀布置在装置覆盖范围内，第一、第二认知网关节点G1、G2布置在装置的四周，安装了网络管理软件的资源管理中心X1处于装置的中心。

认知网络接入节点是一种具有多个射频前端硬件的认知无线电设备，每个射频前端硬件均可在多个频率下工作，可动态感知附近的频谱空闲状态。与其它无线设备既可以通过分配的特有频率信道通信，也可以通过收集感知的空闲频率信道通信。它作为接入节点为普通无线通信终端提供了接入接口。

认知网关节点具有认知网络接入节点的所有功能，可与普通无线终端以及认知网络接入节点进行无线通信；此外，它可通过光纤与主干网连接。它作为网关节点提供了该方法的装置与主干网的通信接口。

资源管理中心负责协调整个网络的运行，其上运行网络管理软件，计算网络的路由路径，动态统计空闲频谱资源。

实施例采用图1所示的系统结构框图，第1-第12个认知网络接入节点J1-J12以及第一、第二两个认知网关节点G1、G2均由海曼无限科技公司生产的USRP认知无线电节点N210组成，可感知的通信频率范围2GHz至2.6GHz，具有与主干网通信的1GHz带宽有线网卡接口；安装了网络管理软件的资源管理中心X1由一个海曼无限科技公司生产的USRP认知无线电节点N210连接一台PC机组成，PC机主频3.0GHz，内存8GBytes，PC机上运行网络管理软件；网络管理软件采用C语言编写。

资源管理中心X1上运行的网络管理软件每隔2秒钟更新一次频谱资源以及路由路径。由N210构成的第1-第12个认知网络接入节点J1-J12以及第一、第二两个认知网关节点G1、G2从2GHz至2.6GHz每隔1MHz检测一下该频点的频谱空闲状况，获得频谱空闲向量I_i。资源管理中心X1融合处理各节点测量的频谱空闲向量，获得整个网络的频谱空闲状况地图I，并根据路由路径规划算法更新所有的路由路径。

例如，该装置覆盖范围内有一个工作在2.45GHz的WiFi手机想与另一个工作在900MHz的GSM手机进行数据通信，WiFi手机通过WiFi频段与第1-第12个认知网络接入节点J1-J12中的某一个节点进行无线通信，GSM手机通过GSM频段与第1-第12个认知网络接入节点J1-J12中的另一个节点进行无线通信，通过查询网络频谱空闲状况地图以及路由路径，上述两个节点通过收集到的2GHz至2.6GHz范围内目前空闲的任何频谱资源进行数据多跳无线通信。由此，除了第一跳与最后一跳使用了WiFi与GSM频率资源，通信中其它地方使用的频谱资源均是该装置收集到的空闲频谱资源，从而，有效地提高了频谱资源利用效率。实验表明，利用收集的频谱进行通信时数据速率可达450Kbyte/s，数据包正确送达率可达97％。

本发明一种收集与利用空闲频谱资源的方法可为普通的不具备认知无线电设备功能的无线通信终端提供服务，可收集附近的空闲频谱资源，在与无线通信终端采用终端的通信频率进行数据接入之后，利用收集到的空闲频谱资源进行数据的网络传输，使普通无线通信终端在不具备认知无线电设备功能的条件下可以利用空闲频谱资源，为通信系统提供了更多的频谱资源，有效的提高了频谱利用效率，从而提高了通信质量。与现有的认知无线网络相比，本发明的方法不需要无线通信终端具备认知无线电的功能，可为普通无线终端提供收集到的空闲频率资源，有效地降低了认知无线网络对用户终端的要求，提高了收集到的空闲频率资源的利用效率，满足了各种新兴无线应用对频率资源日益升高的要求。

Claims (2)

1.一种收集与利用空闲频谱资源的方法,其特征是，该方法采用资源管理中心通过与各种节点的协作，动态更新可用频谱空闲状况地图，并更新各节点间的路由路径；可用频谱空闲状况地图由多个认知网络接入节点与认知网关节点通过协作交换彼此收集的空闲频谱资源的方式构建；路由路径允许在多个频率信道下将数据发送给由多个下一跳节点组成的节点转发集合，空闲频谱资源收集的具体步骤如下：

1)网络中的认知网络接入节点与认知网关节点每隔一个固定时间间隔T_s感知一次自身附近频谱资源利用情况；节点采用功率电平阈值法判断某一频率是否空闲，当某一频率的接收功率电平小于某一阈值时，则判定该频率空闲，否则，判定该频率繁忙；节点感知范围从最低频率F_L到最高频率F_H，步进频率F_s，感知结束时获得频谱空闲向量I_i来表示所有频谱的空闲状态；

2)各节点i均将自身感知的频谱空闲向量I_i发送给资源管理中心，资源管理中心上运行的网络管理软件采用融合处理算法获得整个网络覆盖范围内的可用频谱空闲状况地图I；据此，资源管理中心可以管理网络覆盖范围内的可用空闲频谱资源；

路由路径规划的具体步骤如下：

1)路由的代价函数综合考虑频谱的不确定性以及无线通信链路的不确定性，节点i发送数据到节点j的代价函数C_ij定义为：

C_ij＝q_；j×p_ij

其中，q_ij代表节点i与节点j附近某一频率的空闲概率，p_ij代表节点i到节点j无线通信链路的成功传输概率；

2)网络管理软件将目的节点的代价函数设为0，网络内其它节点的代价函数设为无穷大；之后，按照步骤1)的定义计算每个节点的代价函数；进行计算时，允许每个节点在多个频率信道下将数据发送给由多个下一跳节点组成的节点转发集合；当新计算的代价函数数值小于旧的数值时，以新数值代替旧数值；通过多次迭代计算，网络内各节点的代价函数数值不再变化，此时，网络内任意一点到某一目的节点的路由路径计算完毕，此路由路径由多个频率下的多条无线通信链路组成；

不具备认知无线电功能的普通无线通信终端利用该方法采用的装置进行通信的具体步骤如下：

1)普通无线通信终端通过特有的频率与认知网络接入节点通信，告知其传输数据的目的节点；

2)认知网络接入节点通过查询资源管理中心获得到目的节点的路由路径；

3)普通无线通信终端通过特有的频率将待传输数据发送给认知网络接入节点；认知网络接入节点利用收集的空闲频谱资源，按照规划好的路由路径将数据发送到目的节点。

2.依据权利要求1所述的一种收集与利用空闲频谱资源的方法，其特征在于：该方法采用的装置由第1-第12认知网络接入节点(J1-J12)，第一、第二认知网关节点(G1、G2)和1个安装了网络管理软件的资源管理中心(X1)组成；第1-第12认知网络接入节点(J1-J12)均匀布置在装置覆盖范围内，第一、第二认知网关节点(G1、G2)布置在装置的四周，安装了网络管理软件的资源管理中心(X1)处于装置的中心；该装置对外提供与普通无线通信终端的传统无线通信接口，同时，在网络内利用收集到的空闲频谱资源进行数据传输；第1-第12认知网络接入节点(J1-J12)作为网络接入设备提供普通用户接入该装置的无线接口，第一、第二认知网关节点(G1、G2)作为该网络到主干网的网关节点提供了装置到主干网的接入，安装了网络管理软件的资源管理中心(X1)实现对整个装置路由路径的规划以及空闲频谱资源的收集管理。