CN106375049B - 认知无线电网络通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种认知无线电网络通信方法，其特征在于，包括以下步骤：信道设定步骤，将通信网络设定为控制信道和复数个数据信道，使得认知用户空闲时处于控制信道中；信道感知步骤，待通信的两个认知用户根据预定感知规则分别感知各自预定的数据信道的状态信息，从而得到相对应的频谱信息；信道选择步骤，待通信的两个认知用户基于对应的频谱信息选择一个数据信道作为通信用信道；通信建立步骤，两个认知用户跳转至通信用信道并建立通信连接；信道判断步骤，两个认知用户在进行数据传输之前，通过对主用户进行感知从而判断通信用信道是否可用；以及数据传输步骤，在信道判断步骤判断出通信用信道为可用时，两个认知用户进行数据传输。

Description

认知无线电网络通信方法

技术领域

本发明涉及一种认知无线电网络通信方法。

背景技术

认知无线电(Cognitive Radio)作为一种智能的无线通信技术，通过动态频谱接入解决了自组织网络的频谱资源匮乏问题，提高了频谱利用率。在认知无线电网络中，每个节点都是认知用户，都具备认知能力和重置能力。

图4是现有技术中认知无线电网络的结构示意图。

如图4所示，在某一特定区域中存在多个网络：多个主用户网络和一个认知无线电网络。主用户网络分别拥有各自的授权频段，这些频段互不相交，主用户对自己的授权频段拥有专有权，因此，主用户的活动不能被认知用户干扰；并且，认知用户不能对主用户网络进行改造或添加功能，使其与认知无线电网络按照某种机制共存。这里，主用户使用授权频段的行为是随机的，当主用户使用该授权频段上的数据信道，则该数据信道称之为忙状态；如果没有主用户使用则称为空闲状态。

认知无线电网络中的认知用户拥有在这些授权频段通信的能力，但是没有自己的授权频段(可以使用非授权频段)，它们通过动态接入的方式选择授权频段进行通信，认知用户在使用授权频段时，不能影响主用户的使用，即在授权频段空闲状态下才能使用。也就是说，如果主用户在当前使用信道出现，认知用户只能退出该信道，再通过频谱感知在不同频段上找到一组可用的信道，然后两者交换信道信息确定一个可用信道，恢复连接。

这就要求认知无线电MAC(Media Access Control)机制能够及时发现主用户活动，快速进行频谱切换，合理分配资源，协调认知用户间的频谱共享。然而，由于主用户的存在，可用信道是随着时间和空间变化的，而且同一时间不同位置上的可用信道也是不同的，认知用户必须在数据传输前感知频谱环境，迅速适应环境的变化。

近年来，一些专用的MAC机制被提出，主要有随机接入、基于时间片接入和混合式接入三种。随机接入方式不需要时间同步，采用CSMA/CA(载波侦听多路访问/冲突避免)方式，使用RTS/CTS竞争信道使用权。时间片接入方式需要网络同步，把时间分为若干片段用于数据传输和控制信息交换。混合式接入使用部分时间片传输，控制信息传输通常使用同步时间片，而数据传输使用随机接入方式。

但是，上述接入方式存在三个问题：一、首先基于时间片的接入和混合式接入需要严格的时间同步使各用户在精确的时间片里使用信道，很难实现。二、认知无线电设备一般基于软件无线电的设计思想，假设认知无线电设备具有多个收发装置，可以同时接收、发送或是感知；或是假设设备在一个很宽的频段里具有全段的感知能力，但是在实际工作中，设备受到技术和成本限制，并不具备这样的功能。三、在设备上装备一个收发器，在同一时刻只能进行发送、接收、感知中的一种操作，虽然设备可以在一个较宽的频带上使用，但是在一时刻内，也只能感知一个很窄的频段，无法得到全频段信息，在传输过程中，最大带宽也是有限制的。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种实现让发送侧认知用户或接收侧认知用户在感知到主用户时能够快速进行可用信道选择、保证高效通信的认知无线电网络通信方法。

本发明提供了一种认知无线电网络通信方法，使用在认知无线电网络中，认知无线电网络包含：复数个主用户、复数个认知用户以及通信网络，其特征在于，包括以下步骤：信道设定步骤，将通信网络设定为控制信道和复数个数据信道，使得认知用户空闲时处于控制信道中；信道感知步骤，待通信的两个认知用户通过控制信道根据预定感知规则分别感知各自预定的数据信道的状态信息，从而得到相对应的频谱信息；信道选择步骤，待通信的两个认知用户基于对应的频谱信息选择一个数据信道作为通信用信道；通信建立步骤，两个认知用户跳转至通信用信道并建立通信连接；信道判断步骤，两个认知用户在进行数据传输之前，通过对主用户进行感知从而判断通信用信道是否可用；以及数据传输步骤，在信道判断步骤判断出通信用信道为可用时，两个认知用户进行数据传输。

在本发明提供的认知无线电网络通信方法中，还可以具有这样的特征：其中，在待通信的两个认知用户中，其中一个认知用户作为发送侧认知用户，另一个认知用户作为接收侧认知用户，在信道选择步骤中，发送侧认知用户将自身的频谱信息发送至接收侧认知用户，接收侧认知用户基于接收到的频谱信息以及自身感知到的频谱信息从数据信道中一个作为通信用信道。

在本发明提供的认知无线电网络通信方法中，还可以具有这样的特征：其中，预定感知规则为：当发送侧认知用户或接收侧认知用户侦听控制信道时，若收到其它的认知用户发送的请求发送帧，则发送侧认知用户或接收侧认知用户对应的网络分配向量设置为短帧间间隔加上发送清除发送帧的时间；若收到其它的认知用户发送的清楚发送帧消息，则继续进行侦听。

在本发明提供的认知无线电网络通信方法中，还可以具有这样的特征：其中，发送侧认知用户与接收侧认知用户之间进行传输的是待发送数据帧，待发送数据帧中还包含与发送侧认知用户所预定的数据信道的数量相同的数据位，每个数据位根据预定表示规则用于一一对应表示发送侧认知用户的数据信道的状态信息。

在本发明提供的认知无线电网络通信方法中，还可以具有这样的特征：其中，预定表示规则为：数据位的值为0时，表示对应的数据信道的状态信息为信道空闲；数据位的值为1时，表示对应的数据信道的状态信息为信道忙。

在本发明提供的认知无线电网络通信方法中，还可以具有这样的特征：其中，控制信道采用的是非授权频段。

在本发明提供的认知无线电网络通信方法中，还可以具有这样的特征：其中，当信道判断步骤判断出通信用信道为不可用时，两个认知用户分别跳转至控制信道中并进一步进行信道感知。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的认知无线电网络通信方法，通过信道设定步骤将通信网络设定为控制信道和复数个数据信道，使得认知用户空闲时处于控制信道中，进一步，待通信的两个认知用户通过控制信道根据预定感知规则分别感知各自预定的数据信道的状态信息，从而得到相对应的频谱信息，然后，两个认知用户基于对应的频谱信息选择一个数据信道作为通信用信道，进一步，两个认知用户跳转至通信用信道并建立通信连接，其次，两个认知用户在进行数据传输之前，通过对主用户进行感知从而判断通信用信道是否可用，最后，在信道判断步骤判断出通信用信道为可用时，两个认知用户进行数据传输，所以，本发明的认知无线电网络通信方法实现了让两个认知用户在感知到主用户时能够快速断开连接，不会对主用户的通信活动产生任何干扰，并且通过两个认知用户分别对预定的数据信道进行感知并交换感知到的状态信息，从而使得两个认知用户快速切换到另一个通信用信道中重新通信，保证了通信的高效性。

附图说明

图1是本发明的实施例中认知无线电网络的结构示意图；

图2是本发明的实施例中认知无线电网络通信方法的动作流程图；以及

图3是本发明的实施例中预定感知规则图表；

图4是本发明的实施例中待发送数据帧的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的认知无线电网络通信方法作具体阐述。

在本实施例中，认知无线电网络通信方法应用在认知无线电网络中，用于保证认知无线电网络中所有的认知用户能够高效的利用归属于主用户的授权频段的网络资源进行数据通信，同时也不会对主用户的活动产生干扰。这里，授权频段网络和未授权频段网络组成一个大的通信网络。

根据认知无线电网络的动态频谱接入的特点，本实施例中的认知无线电网络的MAC机制应提供两点间在不同信道上传输数据的能力：(1)感知信道可以探测主用户的到来，当主用户出现可以跳转到下一个可用的信道上。(2)有效保证认知用户共享信道但不干扰主用户。对于一般无线网络中的MAC协议，认知用户没有固定的数据信道，需要感知主用户并且具有在信道间快速跳转与通信节点相互协调的能力。

图1是本发明的实施例中认知无线电网络的结构示意图。

如图1所示，认知无线电网络100中包含图中未显示的复数个主用户和四个认知用户(认知用户1、认知用户2、认知用户3以及认知用户4)。每个认知用户可以看作一个通信节点，相邻的两个通信节点可直接进行数据通信；这样，不相邻的两个通信节点之间可以通过中间的通信节点进行转发，以多跳的方式到达目的通信节点。在相邻的两个认知用户中，一个认知用户作为发送侧认知用户、另一个认知用户作为接收侧认知用户。该认知无线电网络100基于认知无线电网络通信方法进行通信，以下以认知用户3向认知用户4发送数据为例具体阐述通信过程，这里，认知用户3作为发送侧认知用户，认知用户4作为接收侧认知用户。

图2是本发明的实施例中认知无线电网络通信方法的动作流程图。

如图2所示，本实施例中的认知无线电网络通信方法的通信过程具体包括以下步骤：

步骤S1(信道设定步骤)，将通信网络设定为控制信道和复数个数据信道，并且，设定认知用户在空闲时处于控制信道中。

在本步骤中，为了确保设备上MAC机制的硬件条件限制和理论上MAC协议的有效性上取得平衡，因此选择采用CSMA/CA机制，原因是该机制不需要严格的时间同步，并且在自组织网络中有较好的性能。设计中考虑到动态频谱接入问题，因此，该MAC机制使用两个信道：控制信道和数据信道。控制信道用于收发控制信息，所用频段为非授权频段，如ISM频段，当不存在主用户时，各认知用户平等竞争数据信道的使用权。数据信道用于传输数据帧和ACK帧，所用频段为授权频道，受到主用户活动的影响，认知用户动态接入，感知到主用户则进行频谱切换。

然后进入步骤S2。

步骤S2(信道感知步骤)，处于控制信道中的待通信的两个相邻的认知用户(即、发送侧认知用户和接收侧认知用户)，根据预定感知规则分别感知各自预定的数据信道的状态信息，从而得到各自对应的频谱信息。即，每个认知用户感知到的频谱信息包含各自预定的所有的数据信道的状态信息。

然后进入步骤S3。

步骤S3(信道选择步骤)，待通信的两个认知用户(即、发送侧认知用户和接收侧认知用户)基于各自对应的频谱信息选择一个数据信道作为通信用信道。

在该步骤中，发送侧认知用户和接收侧认知用户在控制信道中分别感知到相应的频谱信息后，发送侧认知用户将自身感知到的频谱信息发送至接收侧认知用户，接收侧认知用户再基于接收到的频谱信息以及自身感知到的频谱信息从复数个数据信道中选择一个作为通信用信道。

然后进入步骤S4。

步骤S4(通信建立步骤)，两个认知用户(发送侧认知用户与接收侧认知用户)都跳转至通信用信道中，并且建立通信连接。

在本步骤中，发送侧认知用户侦听信道，发现信道空闲，则向接收侧认知用户发送RTS(request to send)帧，接收侧认知用户在收到该帧后，向发送侧认知用户回复CTS(clear to send)帧，然后跳转到两点约定好的数据信道，而接收侧认知用户接收到相应CTS帧后，确定两用户已经握手(即、建立通信连接)，也跳转到数据信道。

然后进入步骤S5。

步骤S5(信道判断步骤)，两个认知用户(发送侧认知用户与接收侧认知用户)在进行数据传输(即、发送待发送数据帧)之前，通过对主用户进行感知从而判断该通信用信道当前是否可用；当判断为可用时(即、在通信用信道中未感知到主用户)，进入步骤S6；当判断为不可用时(即、在通信用信道中感知到主用户)，进入步骤S2。

步骤S6(数据传输步骤)，发送侧认知用户将待发送数据帧发送至接收侧认知用户，然后进入步骤S7。

步骤S7，接收侧认知用户接收发送来的待发送数据帧并发送ACK帧至发送侧认知用户，然后进入步骤S8。

步骤S8，两个认知用户(发送侧认知用户和接收侧认知用户)都跳转至控制信道，然后进入结束状态。

在本实施例中，该机制相邻节点只竞争控制信道，因此，NAV(network allocationvector，网络分配向量)设置较单信道不同。具体地，预定感知规则为：当发送侧认知用户或接收侧认知用户侦听控制信道时，若收到其它的认知用户发送的请求发送帧RTS(requestto send)，则发送侧认知用户或接收侧认知用户对应的网络分配向量NAV设置为短帧间间隔SIFS(short interframe spacing)加上发送清除发送帧CTS的时间；若收到其它的认知用户发送的清楚发送帧消息CTS，则继续进行侦听控制信道，无须等待。这里认为有足够的数据信道，因此在数据信道只感知主用户活动判断数据信道是否空闲，不存在认知用户竞争数据信道的问题。

由上可知，上述通信过程中，发送侧认知用户将待发送数据分为一帧一帧进行发送。然而，因为频谱感知时间代价很大，所以，在本实施例的认知无线电网络中，每个认知用户进行频谱感知的调度是没有集中控制和同步的，而是让认知用户采用按需感知方式的，即、当认知用户需要收发数据或与邻居认知用户交换可用数据信道时才触发频谱感知操作。此时，待通信的待发送数据帧中携带了该发送侧认知用户对应的数据信道的频谱信息。

具体地，待发送数据帧中包含了与发送侧认知用户所预定的数据信道的数量相同的数据位，每个数据位根据预定表示规则用于一一对应表示发送侧认知用户的数据信道的状态信息。

图4是本发明的实施例中待发送数据帧的结构示意图。

如图4所示，待发送数据帧中包含了四个数据位，该四个数据位基于预定表示规则分别用来表示发送侧认知用户的预定的四个数据通道的状态信息。在本实施例中，预定表示规则为：数据位的值为0时，表示对应的数据信道的状态信息为信道空闲；数据位的值为1时，表示对应的数据信道的状态信息为信道忙。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的认知无线电网络通信方法，通过信道设定步骤将通信网络设定为控制信道和复数个数据信道，使得认知用户空闲时处于控制信道中，进一步，待通信的两个认知用户通过控制信道根据预定感知规则分别感知各自预定的数据信道的状态信息，从而得到相对应的频谱信息，然后，两个认知用户基于对应的频谱信息选择一个数据信道作为通信用信道，进一步，两个认知用户跳转至通信用信道并建立通信连接，其次，两个认知用户在进行数据传输之前，通过对主用户进行感知从而判断通信用信道是否可用，最后，在信道判断步骤判断出通信用信道为可用时，两个认知用户进行数据传输，所以，本实施例的认知无线电网络通信方法实现了让两个认知用户在感知到主用户时能够快速断开连接，不会对主用户的通信活动产生任何干扰，并且通过两个认知用户分别对预定的数据信道进行感知并交换感知到的状态信息，从而使得两个认知用户快速切换到另一个通信用信道中重新通信，保证了通信的高效性。

在本实施例中，每个用户的信道感知的调度是没有集中控制和同步的，而是采用非周期或是按需方式的。当认知用户需要传输数据，或是与邻居交换可用信道信息时才触发信道感知，并且，发送侧认知用户和接收侧认知用户之间传输数据时采用信道内感知，即只感知当前使用的数据信道的主用户活动，不感知其它数据信道，这样能够尽量减少信道感知时间，简化用户对频谱信息的维护，加大传输时间比率，提高传输效率。这样，即便每个认知用户感知能力有限，对全频段的感知需要较长的时间，采用协作机制，让相邻用户间通报信道感知信息，提高了认知用户对频谱环境信息的感知能力。

在本实施例中，信道信息采用数据帧夹带的方式传输，无须发送专用帧。当两用户传输数据时，发送侧认知用户将自己感知的信道信息通过数据的传输发送到接收侧认知用户。信道信息段的设计和MAC机制对于信道信息的要求有关。本实施例设计成位图形式，即每一位代表一个数据信道，“0”表示空闲，“1”表示忙，这样的好处是简单的信息使该段的长度较小。根据需求可以设计更加丰富的信息表示。每个认知用户维护一张信道信息表，表明各数据信道的状况。本实施例中信道信息表具有两个项，一项为当前信道状况表，表示最近一次感知的数据信道的情况。另一项为信道统计信息表，通过一段时间的感知信息，统计每一个数据信道上空闲和繁忙的概率，感知信息来自于用户自身感知和相邻用户发送的信道信息。

在本实施例中，因为每个认知用户只有一个收发器，一次只能感知一个数据信道，因此，这里采用部分信道感知，从信道信息表中选择当前信道状况为空闲的并且在信道统计信息表中空闲概率较大的数据信道进行感知。当寻找一组空闲的可用信道，并把这些信息发送给对方节点(通过控制信道)。对方节点根据自己的信道信息表，从这些可用信道中选择当前空闲且空闲概率最大的数据信道作为新的共同可用信道，然后把该信息回复(通过控制信道)对方，这样新的数据信道通过协商被确定，两点数据传输恢复。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种认知无线电网络通信方法，使用在认知无线电网络中，所述认知无线电网络包含：复数个主用户、复数个认知用户以及通信网络，其特征在于，包括以下步骤：

信道设定步骤，将所述通信网络设定为控制信道和复数个数据信道，使得所述认知用户空闲时处于所述控制信道中；

信道感知步骤，所述认知用户根据预定感知规则分别感知各自预定的数据信道的状态信息，从而得到相对应的信道信息；

信道选择步骤，待通信的发送侧认知用户把信道感知步骤中得到的空闲数据信道信息通过控制信道发送给接收侧认知用户，接收侧认知用户获得发送侧认知用户发来的空闲数据信道信息后，根据自身在信道感知步骤中得到的空闲数据信道信息，确定一个共同的空闲信道作为通信用信道，并把所述信道的信息发送给发送侧认知用户；

通信建立步骤，两个所述认知用户跳转至所述通信用信道并建立通信连接；

信道判断步骤，两个所述认知用户在进行数据传输之前，通过对所述通信用信道进行感知从而判断所述通信用信道是否可用；以及

数据传输步骤，在所述信道判断步骤判断出所述通信用信道为可用时，两个所述认知用户进行数据传输，

其中，所述预定感知规则为：当所述发送侧认知用户或所述接收侧认知用户侦听所述控制信道时，若收到其它的所述认知用户发送的请求发送帧，则所述发送侧认知用户或所述接收侧认知用户对应的网络分配向量设置为短帧间间隔加上发送清除发送帧的时间；若收到其它的所述认知用户发送的清除发送帧消息，则继续进行侦听。

2.根据权利要求1所述的认知无线电网络通信方法，其特征在于：

其中，在待通信的两个所述认知用户中，其中一个所述认知用户作为发送侧认知用户，另一个所述认知用户作为接收侧认知用户，

在所述信道选择步骤中，所述发送侧认知用户将自身的所述空闲数据信道信息发送至所述接收侧认知用户，所述接收侧认知用户基于接收到的所述空闲数据信道信息以及自身感知到的所述空闲数据信道信息从所述数据信道中选择一个作为所述通信用信道，并把所述数据信道信息发送给发送侧认知用户。

3.根据权利要求2所述的认知无线电网络通信方法，其特征在于：

其中，所述发送侧认知用户与所述接收侧认知用户之间进行传输的是待发送数据帧，

所述待发送数据帧中还包含与所述发送侧认知用户所预定的所述数据信道的数量相同的数据位，

每个所述数据位根据预定表示规则用于一一对应表示所述发送侧认知用户的所述数据信道的所述状态信息。

4.根据权利要求3所述的认知无线电网络通信方法，其特征在于：

其中，所述预定表示规则为：

所述数据位的值为0时，表示对应的所述数据信道的所述状态信息为信道空闲；

所述数据位的值为1时，表示对应的所述数据信道的所述状态信息为信道忙。

5.根据权利要求1所述的认知无线电网络通信方法，其特征在于：

其中，当所述信道判断步骤判断出所述通信用信道为不可用时，两个所述认知用户分别跳转至所述控制信道中并进一步进行信道感知。