CN106878919B - 一种适用于车载短距离通信网络的无线认知信道管理方法 - Google Patents

一种适用于车载短距离通信网络的无线认知信道管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种适用于车载短距离通信网络的无线认知信道管理方法，利用车载短距离通信网络(V2X)中路侧节点感知和学习频谱利用特性，以认知信道池的方式广播给经过的车载节点，然后利用V2X中的心跳信息，在授权频段通过扩展心跳信息实现部分认知控制信道的功能，支持车载节点之间认知信道的管理。通过本发明的方法，既不影响V2X授权频段安全累应用对时延的要求，又能有效调度各个车载节点在认知信道的工作，从而为V2X扩展应用提供了需要的高带宽信道。

Description

一种适用于车载短距离通信网络的无线认知信道管理方法
技术领域
本发明涉及一种适用于车载短距离通信网络的无线认知信道管理方法，属于车载网技术领域。
背景技术
无线通信技术采用的静态频谱分配政策，将无线频谱划分为授权频段和非授权频段，造成了频谱资源在时间和空间上存在大量频谱空穴(spectrum holes)。
认知无线电(cognitive radio,CR)作为一种智能频谱共享技术，通过感知外部环境，利用人工智能学习外部环境特征的变化，动态接入闲置频谱，有效提高频谱利用率。认知无线电将用户分为主用户(primary user,PU)和次用户(secondary user,SU)，主用户拥有授权频谱授权，对信道有优先使用权，而次用户未获得频谱授权，对信道的使用权次于主用户。次用户在使用某信道前必须感知主用户是否占用该信道，并且在主用户占用所在信道通信时，必须退出该信道重新建立链接，以避免干扰主用户通信。认知无线电通过动态频谱管理机制，利用频谱空穴，实现主次用户共享频谱。
车载短距离通信(Vehicle to X：V2X)网络是通过无线通信、GPS/GIS、传感等短距离通信技术实现的车内(CAN-Controller Area Network)、车路(Vehicle-2-RSU)、车间(Vehicle-2-Vehicle)、车外(vehicle-2-Infrastructure)、人车(Vehicle-2-Person)之间的通信。
V2X具有固定授权的频段，但是带宽较窄，主要支持基本类业务，通过周期广播的包含车辆标识和地理位置的消息(简称心跳信息)提供安全类应用等基本业务，对时延要求非常高。V2X中的大量信息服务类扩展类业务，由于授权带宽的限制，影响其业务种类的拓展和业务内容的多样性。
认知无线电技术可以有效拓展V2X的工作频段，为扩展类业务提供高带宽的信道，由于V2X以信息服务为主的扩展类对时延要求不严格，非常适合在认知信道中传输。
但是，认知无线电需要通过较长时间的感知周围环境的频谱利用特性和学习，才能获得较好的效果。V2X中，由于车载节点处于不断运动中，很难有较长时间感受和学习某个区域的频谱利用特性，加上车载节点成本和体积的限制，也很难配置具有复杂频谱学习能力的软硬件单元。
另外，认知无线电中，需要大量的相互协同机制，包括握手机制、邻居发现、拓扑控制、路由建立和维护等，此外，在认知无线网络中，需要共享用户的频谱感知和使用结果来协调本地无线区域的认知用户的有序工作。
因此，将认知无线电技术应用于V2X中，面临极大的挑战。
发明内容
本发明提供了一种适用于车载短距离通信网络的无线认知信道管理方法，其主要方法是车载短距离通信网络(V2X)中路侧节点感知和学习频谱利用特性，以认知信道池的方式广播给经过的车载节点，然后利用V2X中的心跳信息，在授权频段通过扩展心跳信息实现部分认知控制信道的功能，支持车载节点之间认知信道的管理。
本发明包括三部分，路侧节点认知信道的检测和发布、车载节点信道协商和选择、认知信道组维护。路侧节点认知信道的检测和发布中，路侧节点感知本区域的频谱应用特性，组成认知信道池广播给经过的车载节点；车载节点信道协商和选择中，拓展各个车载节点周期性广播的包含唯一标识和地理位置的消息，增加认知信道占用描述，在授权频段进行协商，然后在认知频段进行握手和确认，从而进行通信；在认知信道组维护中，利用授权频段的心跳信息和认知信道更改协商方法，进行主用户规避、车辆状态和工作状态变化时认知信道的相应变化，以及路侧节点发布的认知信道池的更新。
本发明提供了一种适用于车载短距离通信(V2X)网络的无线认知信道管理方法，该方法采用路侧节点或者认知空闲信道池，广播给本区域的车载节点，利用V2X中的心跳信息，在授权频段扩展心跳信息实现部分认知控制信道的功能，支持车载节点之间认知信道的管理。
优选地，具体包括如下步骤S1、S2、S3：
S1、路侧节点认知信道的检测和发布，其包括
S11、路侧节点认知信道检测；
S12、认知信道池发布和维护；
S2、车载节点信道协商和选择，其包括
S21、邻居发现；
S22、信道接入协商；
S3、认知信道组维护，其包括
S31、主用户工作感知和规避；
S32、车辆和通信状态变化维护；
S33、路侧节点认知信道池的变化维护。
优选地，所述步骤S11中，利用了路侧节点位置固定，可以配置复杂无线认知硬件和软件的特点，生成本区域的认知空闲信道池，广播给经过的车载节点统一使用。
优选地，所述步骤S12中，路侧节点将生成的认知信道池广播并进行更新和维护，以适应本区域最新的频谱使用特性。
优选地，所述步骤S21中，拓展车载节点周期性广播的包含车辆唯一标识和地理位置的心跳信息，增加认知信道使用描述部分。
优选地，所述步骤S21中，邻居发现是通过拓展后的心跳信息来实现的。
优选地，所述步骤S22中，邻居接入协商通过拓展后的心跳信息获得覆盖范围内认知信道的应用情况，同信道池运算后，得到为使用认知信道的信息。
优选地，所述步骤S22中，车载节点首先在授权信道进行选择的认知信道的协商，然后在认知信道进行握手，从而建立通信链路。
优选地，所述步骤S22中，当覆盖范围内认知信道都占用或者不能满足某车载节点的业务需要时，发送认知信道请求，其他正在认知信道通信的节点各自协商，空出部分认知信道，然后通过扩展后的心跳信息告知，供发起请求的车载节点使用。
优选地，所述步骤S31中，车载节点感知到主用户工作后，在授权频段进行协商，规避主用户的信道，并重新协商新的认知信道组。
优选地，所述步骤S32中，车载节点通过扩展后的心跳信息感知周围车载节点的状态发生变化后，重新进行协商，建立新的认知信道组，以提高通信能力。
优选地，所述步骤S33中，车载节点接收到路侧节点发布的信道认知信道池后，重新进行协商，建立新的认知信道组，以提高通信能力。
本发明利用V2X网络中路侧节点地理位置固定，天线假设位置高，覆盖范围大，可以配备比较复杂设备的特点，将路侧节点长时间感知和学习周围频谱利用特点的结果，以信道池的方式广播给经过本区域的车载节点。另外，充分利用V2X中的心跳信息，在授权频段，通过扩展心跳信息的方法，实现部分控制信道的功能，这样，即不影响V2X授权频段安全累应用对时延的要求，又能有效调度各个车载节点在认知信道的工作，从而为V2X扩展应用提供了需要的高带宽信道。
附图说明
图1是根据本发明实施方式的工作流程图；
图2是根据本发明实施方式的认知信道的管理和学习软件的功能示意图；
图3是根据本发明实施方式的认知信道池包格式示意图；
图4是根据本发明实施方式的车载节点的心跳信息广播包格式示意图；
图5是根据本发明实施方式的车载节点A和车载节点B进行信道协商步骤示意图；
图6是根据本发明实施方式的另一个方面的车载节点A和车载节点B进行信道协商步骤示意图。
具体实施方式
根据本发明方法的实施例，将V2X中的业务分为基本业务和扩展业务，基本业务是指对时延要求严格的业务，例如安全类业务。这类业务消息内容短，但是要求周期性广播，时延要求严格。扩展类业务是指对时延要求不严格的业务，例如非实时性业务和信息发布和服务业务，这类业务信息量大，但是对时延要求不严格。本实施例利用V2X中路侧节点的授权频谱作为基本业务广播信道和认知控制信道，利用V2X中定期广播的包含车辆标示(VIN)和地理位置信息的消息(以下简称心跳信息)，进行认知信道的协商、分配和管理，将扩展类业务在认知信道中传输。
根据本发明方法的实施例，无线认知信道管理方法由3个部分组成，路侧节点认知信道的检测和发布、车载节点信道协商和选择、认知信道组维护。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。
第一部分、路侧节点认知信道的检测和发布
1、路侧节点认知信道检测
路侧节点位置固定，设置有专用的频谱检测硬件装置和判断处理软件，其中硬件包括：宽带射频前端模块、频谱感知模块、认知信道组处理和系统控制模块。
认知信道的管理和学习软件的功能如图2，包括以下部分：
1.1、频谱扫描：扫描可用频段，检测频谱空洞；
1.2、频谱分析：通过分析可用频段的时间分布特性、占用带宽、噪声电平等信号特征对可用频段的特性进行分析；
1.3、频谱判决：经过系统设定的算法，得到对应于特定空间、时间和频段的估计值，与设定好的门限值作比较，当满足门限要求时便可认定为可用信道；
1.4、信道池输出：路侧节点将经过频谱判决的可用信道，按照系统设定的优先选择算法，例如时间分布特性、占用带宽、噪声电平等，对各个信道进行等级编号和排序，创建OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing正交频分复用技术)信道池，信道池采用XML语言(eXtensible Markup Language可扩展标记语言)进行描述。
1.5、信道池维护：重复1.1到1.4，对信道池进行更新和维护。
2、认知信道池发布和维护
1.6、路侧节点信道池构建
将信道认知获得的信道组编号组成认知信道池，认知信道池包格式如图3所示，其中；
Type：包类型，标识是路侧节点的认知(CR)信道信道池广播包；
ID：广播编码，表示广播包的编码，以区别同一个路侧节点的不同广播包。路侧节点周期性广播信道组包，如果两次广播之间信道池没有变化，则保持相同的ID，如果有更新，则ID加1，达到最大值后归零；
VIN：发送路侧节点唯一标识，区别不同路侧节点发布的信道池；
GP：路侧节点的地理位置；
Ch-XML：采用XML的信道池整体描述和各个子信道的描述，其中包括信道池的整体信道数，各个子信道的频段、带宽、时间稳定性、信噪比等系统设定的特性描述参数。
1.7、路侧节点信道池的广播和车载节点的接收
车载节点经过路侧节点覆盖范围内，接收路侧节点周期性广播的信道池包，保持到本地，形成本地认知信道池缓存。
如果接收到同一个路侧节点标识VIN的新ID认知信道池包，则更新本地的认知信道池。
第二部分、车载节点信道协商和选择
车载节点的信道协商选择实现车载节点之间通信前的邻居发现、信道接入协商。
在无线认知系统中，用户通过控制信道向邻近用户发送控制信息来表明其存在性，并以此维持链接和网络的连通性。此外，用户间通过控制信道分享彼此的频谱感知信息。建立专门的控制信道需要占用V2X授权频段较大的资源，本实施例通过拓展心跳信息，实现控制信道的部分功能，具体实现如下：
2.1、邻居发现
车载节点在授权信道周期性广播包括车载节点唯一标识、地理位置的消息包(以下简称心跳信息)，拓展心跳信息的结构，增加该车载节点已经使用的认知信道的描述，如图4所示，包括：
Type：包类型，标识是车载节点的心跳信息广播包；
VIN：车载节点的唯一标识，区别不同车载节点；
GP：车载节点该时刻的地理位置，取自车载节点的GPS或者北斗设备；
Ch-XML：采用XML描述的本车载节点认知信道的使用情况，通知覆盖范围内(一般是半径150米)的其他车载节点本节点正在使用的认知信道描述。
车载节点通过接收周围节点的上述拓展后的心跳信息，获得周围车载节点包括车辆唯一标识、同本车载节点的距离、使用的认知信道的情况等信息，从而实现邻居发现功能，通过汇总覆盖范围内认知信道的使用情况，同本地缓存的路侧节点广播的信道池，计算出剩余的空闲认知信道。
2.2、信道接入协商
假设车载节点A向覆盖范围内的车载节点B发起通信，需要进行信道发起协商。
节点A和B节协商各自的设备能力，根据通信服务的种类和需要，在共同覆盖范围内协商使用的认知信道组合。
分为两种情况：
1)如果空闲认知信道能支持需要的业务，协商步骤如图5所示。首先在授权频段，节点A根据自己的设备能力和通信业务理性，在信道组中选择空闲的信道，然后将呼叫请求发送给节点B，其中包括节点A选定的信道组合S，节点B收到呼叫请求后，根据自己的设备能力，确定信道组合然后发送呼叫应答，其中包括S′。然后双方在认知频段，通过数据发送请求和数据同意发送的握手信号，建立认知信道的通信链路，双方在认知信道组合S′中通信。
2)如果认知信道没有空闲，或者空闲的认知信道不能支持节点要发起的业务，则节点A在授权频段的心跳信息中发送认知信道申请请求，格式采用图4的格式，其中
Type：包类型，标识是认知信道申请请求；
VIN：车载节点的唯一标识，区别不同车载节点；
GP：车载节点该时刻的地理位置，取自车载节点的GPS或者北斗设备；
Ch-XML：采用XML描述的业务需要的需要其他节点让出的信道的总带宽、支持本节点能力的频段等信息。
周围节点接收到信道申请请求后，例如节点C和节点D，首先根据业务，协商让出部分信道，过程如图6所示，
1)在授权频段，节点C首先根据收到的心跳信息中的认知信道请求，在使用的认知信道中划分出部分满足A节点要求的信道S放到信道更改请求中发给D节点，
2)D节点接到后，选择S中的全部信道或者部分信道反馈给C节点，
3)在认知频段，C节点在改变后的信道组中进行发送数据的请求
4)D节点在改变后的信道组中接收到数据发送请求后，发送允许发送，C节点和D节点在新的信道组中进行通信
5)在授权频段，C节点和D节点更新各自的心跳信息的认知信道占用描述部分，A节点通过C节点和D节点的心跳信息，知道发起的信道申请请求成功，
6)A节点和B节点按照图5的步骤完成信道接入协商。
第三部分、认知信道组维护
由于通信过程中，主用户随时使用认知信道中的信道，以及车辆的快速移动使得周围车辆使用认知信道的情况处于变化中，需要动态对车载节点使用的认知信道组进行维护，分为3种情况，第一种情况是主用户工作，使用了车载节点正在使用的部分信道，第二种情况是周围车辆变化或通信状态变化带来的认知信道的变化，第三种是路侧节点发布认知信道池的变化。
3.1、主用户工作感知和规避
当主用户工作在其授权信道，车载节点检测到对应信道的信噪比下降，则双方按照图6的步骤，协商规避的信道，重新建立通信信道，然后在心跳信息中的Ch-XML段描述中去掉正在使用的对用频段的描述。
3.2、车辆和通信状态变化维护
当占用部分认知信道的车辆驶离车载节点A和B的覆盖范围，或者部分节点通信完毕释放占用的认知信道，车载节点A和B在心跳信息中认知信道占用描述中计算出空闲的认知信道，双方按照图6的步骤，协商增加使用的信道，重新建立通信信道，然后在心跳信息中的Ch-XML段描述中增加正在使用的对用频段的描述。
3.3、路侧节点认知信道池的变化维护
当车载节点经过不同的路侧节点的区域时，认知信道池发生变化后，通信双方的车载节点A和车载节点B首先采用图6让出信道的协商方式，删除掉信道池中没有的信道，然后采用图5的步骤重新建立新的信道组。
本发明提供了一种适用于车载短距离通信网络的无线认知信道管理方法，其主要方法是车载短距离通信网络(V2X)中路侧节点感知和学习的频谱利用特性，以信道池的方式广播给经过本区域的车载节点，利用V2X中的心跳信息，在授权频段通过扩展心跳信息的方法，实现部分控制信道的功能，实现车载节点之间认知信道的管理。
以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适用于车载短距离通信(V2X)网络的无线认知信道管理方法，该方法采用路侧节点或者认知空闲信道池，广播给本区域的车载节点，利用V2X中的心跳信息，在授权频段扩展心跳信息实现部分认知控制信道的功能，支持车载节点之间认知信道的管理，其特征在于，具体包括如下步骤S1、S2、S3：
S1、路侧节点认知信道的检测和发布，其包括
S11、路侧节点认知信道检测；
S12、认知信道池发布和维护；
S2、车载节点信道协商和选择，其包括
S21、邻居发现；
S22、信道接入协商；
S3、认知信道组维护，其包括
S31、主用户工作感知和规避；
S32、车辆和通信状态变化维护；
S33、路侧节点认知信道池的变化维护，其中
所述步骤S21中，
车载节点在授权信道周期性广播包括车载节点唯一标识、地理位置的消息包，作为心跳信息，拓展心跳信息的结构，增加该车载节点已经使用的认知信道的描述，心跳信息广播包格式包括：
Type：包类型，标识是车载节点的心跳信息广播包；
VIN：车载节点的唯一标识，区别不同车载节点；
GP：车载节点该时刻的地理位置，取自车载节点的GPS或者北斗设备；
Ch-XML：采用XML描述的本车载节点认知信道的使用情况，通知覆盖范围内的其他车载节点本节点正在使用的认知信道描述；
车载节点通过接收周围节点的上述拓展后的心跳信息，获得周围车载节点包括车辆唯一标识、同本车载节点的距离、使用的认知信道的情况等信息，从而实现邻居发现功能，通过汇总覆盖范围内认知信道的使用情况，同本地缓存的路侧节点广播的信道池，计算出剩余的空闲认知信道；
所述步骤S22中，
假设车载节点A向覆盖范围内的车载节点B发起通信，需要进行信道发起协商；
节点A和B节协商各自的设备能力，根据通信服务的种类和需要，在共同覆盖范围内协商使用的认知信道组合；
其中，如果空闲认知信道能支持需要的业务，协商步骤包括：首先在授权频段，节点A根据自己的设备能力和通信业务理性，在信道组中选择空闲的信道，然后将呼叫请求发送给节点B，其中包括节点A选定的信道组合S，节点B收到呼叫请求后，根据自己的设备能力，确定信道组合然后发送呼叫应答，其中包括S′；然后双方在认知频段，通过数据发送请求和数据同意发送的握手信号，建立认知信道的通信链路，双方在认知信道组合S′中通信；如果认知信道没有空闲，或者空闲的认知信道不能支持节点要发起的业务，则节点A在授权频段的心跳信息中发送认知信道申请请求，格式采用步骤S21中的心跳信息广播包格式；
周围节点中的节点C和节点D接收到信道申请请求后，首先根据业务，协商让出部分信道，包括：在授权频段，节点C首先根据收到的心跳信息中的认知信道请求，在使用的认知信道中划分出部分满足A节点要求的信道S放到信道更改请求中发给D节点；D节点接到后，选择S中的全部信道或者部分信道反馈给C节点；在认知频段，C节点在改变后的信道组中进行发送数据的请求；D节点在改变后的信道组中接收到数据发送请求后，发送允许发送，C节点和D节点在新的信道组中进行通信；在授权频段，C节点和D节点更新各自的心跳信息的认知信道占用描述部分，A节点通过C节点和D节点的心跳信息，知道发起的信道申请请求成功，A节点和B节点按照上述协商步骤完成信道接入协商。
2.根据权利要求1所述的一种适用于车载短距离通信网络的无线认知信道管理方法，其特征在于，所述步骤S11中，利用了路侧节点位置固定，可以配置复杂无线认知硬件和软件的特点，生成本区域的认知空闲信道池，广播给经过的车载节点统一使用。
3.根据权利要求1所述的一种适用于车载短距离通信网络的无线认知信道管理方法，其特征在于，所述步骤S12中，路侧节点将生成的认知信道池广播并进行更新和维护，以适应本区域最新的频谱使用特性。
4.根据权利要求1所述的一种适用于车载短距离通信网络的无线认知信道管理方法，其特征在于，所述步骤S31中，车载节点感知到主用户工作后，在授权频段进行协商，规避主用户的信道，并重新协商新的认知信道组。
5.根据权利要求1所述的一种适用于车载短距离通信网络的无线认知信道管理方法，其特征在于，所述步骤S32中，车载节点通过扩展后的心跳信息感知周围车载节点的状态发生变化后，重新进行协商，建立新的认知信道组，以提高通信能力。
6.根据权利要求1所述的一种适用于车载短距离通信网络的无线认知信道管理方法，其特征在于，所述步骤S33中，车载节点接收到路侧节点发布的信道认知信道池后，重新进行协商，建立新的认知信道组，以提高通信能力。
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