CN107948984B - 一种适用于自组织网络的基于主被动感知结合的认知系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于自组织网络的基于主被动感知结合的认知系统，由认知引擎和通信模块组成，所述通信模块完成通信协议栈的实体功能，所述认知引擎包括频谱感知和动态频谱接入控制中心，所述频谱感知完成电磁环境信息的主被动感知，所述动态频谱接入控制中心包括调度器、时隙管理器、频率控制器、频率决策器和汇聚处理器。本发明应用于自组织网络，可以提高网络的抗毁性，通信的可靠性、自适应性和抗干扰性。本发明为自组织网络下认知传输技术的推广应用提供了工程实现的具体方法，为无线通信网络智能化方向的研究探索打下了一定的基础，对未来无人配置、自主化、智能化网络通信具有一定的参考价值。

Description

一种适用于自组织网络的基于主被动感知结合的认知系统

技术领域

本发明涉及一种适用于自组织网络的基于主被动感知结合的认知系统。

背景技术

认知无线电技术以软件无线电为基础，通过电磁环境实时感知、传输参数实时智能调整，实现有效躲避干扰，达到高可靠通信和高效频谱利用。认知无线电能够满足在瞬息万变复杂强对抗环境下进行有效通信要求，提升无线通信可靠性和传输效能。认知无线电为通信抗干扰问题的解决提供了有效措施，因此认知无线电技术一经提出就备受各方的青睐。

现有的认知技术大多是针对点对点通信展开研究，过分专注于点到点链路下各种感知方法、认知决策的技术研究，而对于在自组织网络下，如何开展认知技术的应用相对贫乏，特别是认知技术结合通信系统的工程实现研究更少。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种适用于自组织网络的基于主被动感知结合的认知系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种适用于自组织网络的基于主被动感知结合的认知系统，由认知引擎和通信模块组成，所述通信模块完成通信协议栈的实体功能，所述认知引擎包括频谱感知和动态频谱接入控制中心，所述频谱感知完成电磁环境信息的主被动感知，所述动态频谱接入控制中心包括调度器、时隙管理器、频率控制器、频率决策器和汇聚处理器，用于控制整个无线系统的运行，控制节点在各种状态下所使用的频率、时隙，通过感知到的环境信息最终完成通信模块通信参数的优化和决策。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：本发明针对无线自组织网络和认知无线电技术的特点，提出一种主动探测与被动感知结合、分布式感知和集中决策的认知系统，可以应用于自组织网络，可以提高网络的抗毁性，通信的可靠性、自适应性和抗干扰性。本发明为自组织网络下认知传输技术的推广应用提供了工程实现的具体方法，为无线通信网络智能化方向的研究探索打下了一定的基础，对未来无人配置、自主化、智能化网络通信具有一定的参考价值。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为分布式感知架构示意图；

图2为认知系统的组成示意图；

图3为信道资源划分示意图；

图4为系统定义用频从属关系示意图；

图5为认知系统调度机制原理示意图。

具体实施方式

一、认知架构

本发明采用分布式感知集中决策的认知架构，认知用户与其他用户共享信息，每个节点都能够掌握所有节点的感知信息，节点自己可融合判断频谱的可用性，不需要设置专用的融合中心。

本发明是按照自组织网络结构设计的，没有基站，没有专门的融合中心，采用分布式实现协作频谱感知探测，只是为了频谱决策和换频执行的一致需要选择一个逻辑上的中心节点来发起频率切换，如图1所示，图中所有认知节点1至4都进行感知并相互交互感知信息，认知节点3可以作为逻辑中心节点进行频率决策控制。

二、认知系统组成

如图2所示，认知系统由认知引擎和通信模块组成。通信模块完成通信协议栈的实体功能。认知引擎包括频谱感知和动态频谱接入控制中心，频谱感知完成电磁环境信息的主被动感知，被动感知进行本地电磁环境的感知监测，检测各频率的占用情况，主动感知主要根据协作探测报文的收发计算各链路信噪比。动态频谱接入控制中心控制整个无线系统的运行，控制节点在各种状态下所使用的频率、时隙，通过感知到的环境信息最终完成通信模块通信参数的优化和决策。

三、信道资源划分

如图3所示，本发明将物理信道划分为网络运维信道、本地感知信道、协作探测信道和业务数据信道四种逻辑信道，网络运维信道主要用于网络组网功能协议的承载，本地感知信道用于节点被动感知，协作探测信道用于主动探测信令的承载，业务信道用于通信业务数据的承载。

网络运维、协作探测、业务信道需要在信道上进行数据的收发，需要占用特定时隙，而本地感知信道只需要被动接收数据不需要发送数据可以和其他信道进行复用，不需要占用特定时隙。

四、认知系统用频规划

本发明将系统用频进行分类定义，主要包括配置频率集、探测频率集(含工作频率和备用频率)、本地感知频率集等，其从属关系如图4所示。

配置频率集是指用户在使用时会根据总体规划给系统配置使用频率范围或允许的频率集。

本地感知频率集是指认知系统处在本地感知状态时所使用的感知频率集，利用感知器对感知频率集实现快速感知。

探测频率集(含工作频率和备用频率)是指认知引擎通过本地感知和历史用频等信息从配置频率集中选取的少量频率或者通过设备与网络发现中获取已存在网络探测频率集，主要用于协作探测信道。本发明拟定探测频率集规模Nf为8，当其中某个频率被干扰时，则放弃本频率并从配置频率集中选择新频率替换，以维持探测频率集规模不变。

工作频率(集)是探测频率集中的某一个(组)频率，特指在当前网络运维和业务数据时隙上工作的频率，主要用于网络运维和业务数据信道。当工作频率(集)被干扰时，则放弃当前工作频率(集)，并从备用频率中选择一个(组)好频率作为新的工作频率(集)。

备用频率集是指探测频率集中除工作频率之外所有其他频率，主要在协作探测信道工作，用于完成信道主动探测和认知协商，并随时替换被干扰工作频率。

网络发现频率是指通过设备发现状态的搜索，承载同类型设备的频率集。

五、动态频谱接入控制设计

动态频谱接入控制中心是认知引擎的核心模块，负责认知系统的运行控制，它包括调度器、时隙管理器、频率控制器、频率决策器和汇聚处理器五个子模块。其主要完成不同状态下设备感知/探测的时隙和频率控制、工作频率/速率等参数的选择、认知协调控制消息的封装/解析处理等功能。

(1)调度器

如图5所示，调度器的主要功能是根据认知系统的状态，结合时隙规划和系统运行状况，在设备发现、网络发现、自动产生频率、协作探测、快速频谱接入、本地频谱感知和通信等状态中切换，并完成每个状态下各功能模块的调度和控制，从而使系统高效运转。其中主要涉及的功能模块有时隙管理器、频谱感知器、频谱决策器、频率控制器、汇聚处理器以及通信模块等。

调度器根据设备所处的状态进行相应各功能模块的调度执行，以下为各状态下的调度执行过程。

1)设备发现状态

设备开机启动后，认知引擎获知设备处于设备发现状态，调度器根据设备发现状态需要完成的功能--在网络运维时隙上进行设备识别感知。调度频率决策器生成进行感知识别的频率集(默认一般为配置频率集)，调度时隙管理器从网络运维时隙中确定进行感知识别的时隙号，调度频率控制器从频率决策器生成的频率集中确定在具体时隙上的感知识别频率。调度器将时隙号、频率下发给频谱感知器进行同类设备的识别发现，依次在各时隙上完成感知频率集上所有频率的设备识别发现，并记录有同类设备的频率，最后形成网络发现频率集。如果设备识别结束后没有发现有同类设备则跳转到自动产生频率状态，否则设备状态跳转到网络发现状态。其他时隙可以用来进行本地感知，以获取各频率电磁环境信息的情况，为自动产生频率状态下工作频率、探测频率集的选择提供决策依据。

2)自动产生频率状态

在该状态下，调度器调度时隙管理器从所有时隙中确定时隙号，调度频率控制器从配置频率集中确定频率，将时隙号、频率下发给频谱感知器进行频谱环境信息的感知，依次完成配置频率集的感知，频率决策器根据感知的结果从中对比择优选择n(n＝8)个频率组成探测频率集，并在其中选择一个最佳的频率作为工作频率。自动产生频率状态结束跳转到网络运维状态，将工作频率发送给通信模块，由通信模块在工作频率上完成组网功能。

3)网络发现状态

在该状态下，调度器调度时隙管理器从网络运维时隙中确定时隙号，调度频率控制器从网络发现频率集中确定频率，将时隙号和频率下发给通信模块，通信模块在指定的时隙和频率上进行网络状态信息的接收。如果发现有节点在发送网络协议数据单元(以下简称网络pdu)，则认为发现了网络，获取网络当前的探测频率集，并跳转到网络运维状态；如果依次在网络发现频率集上都未接收到网络状态信息，则认为没有发现网络，将跳转到设备发现状态。

4)网络运维状态

调度器将状态信息和工作频率下发给通信模块后，由通信模块完成网络组网功能的运行。在该状态下，网络运维时隙结束，协作探测时隙开始即跳转到协作探测状态，业务数据时隙开始即跳转到通信状态；如果节点退网则跳转到设备发现状态。

5)协作探测状态

该状态下，在本节点的协作探测发送时隙上，调度器调度时隙管理器从协作探测时隙中确定时隙号，调度频率控制器从探测频率集中确定频率，调度汇聚处理器构造封装认知探测协议数据单元(以下简称认知探测pdu)，将时隙号、频率以及认知探测pdu下发给通信模块，由通信模块在指定的协作探测时隙、指定的探测频率上进行认知探测pdu的发送；在本节点的非协作探测发送时隙上，调度器调度时隙管理器确定协作探测时隙号，调度频率控制器确定频率，将时隙号、频率下发给通信模块，由通信模块接收其他节点发送的认知探测pdu，通信模块通过接收认知pdu进行链路质量(信噪比)的计算，并将计算结果上报给频谱预处理器，将认知pdu送至汇聚处理器进行解析处理。

6)快速频谱接入状态

在协作探测状态下当有干扰被发现则跳转到快速频谱接入状态，调度器调度时隙管理器从协作探测时隙中确定时隙号，调度频率控制器从探测频率集中确定频率，调度汇聚处理器构造封装认知换频请求pdu，将时隙号、频率以及认知换频请求pdu下发给通信模块，由通信模块在指定的协作探测时隙、指定的探测频率上进行认知换频请求pdu的发送。当中心节点收到换频请求后，对其解析确定被干扰的频率，调度器调度时隙管理器从协作探测时隙中确定时隙号，调度频率控制器从探测频率集中确定频率，调度汇聚处理器构造封装认知换频应答pdu，将时隙号、频率以及认知换频应答pdu下发给通信模块，由通信模块在指定的协作探测时隙、指定的探测频率上进行认知换频应答pdu的发送。其他节点收到换频应答pdu后，汇聚处理器对换频应答pdu进行解析确定替换的频率和换频时间，并将频率下发给通信模块使用。

7)通信状态

在网络运维状态下当处于业务数据时隙上时则跳转到通信状态。在通信状态下，当有业务数据需要发送时，通信模块将业务发送请求发给认知引擎，调度器调度时隙管理器确定发送时隙号，调度频率控制器确定工作频率，将发送时隙号、工作频率和发送速率下发给通信模块，通信模块在指定的时隙和频率上进行业务数据的发送；调度器调度时隙管理器确定接收时隙号，调度频率控制器确定工作频率，将接收时隙号和工作频率下发给通信模块，通信模块在指定的时隙和频率上进行业务数据的接收。

8)本地感知状态

单信道情况下，本地感知和业务传输在业务数据时隙上复用，当没有业务发送时，可以在发送时隙上进行本地感知，调度器调度时隙管理器确定时隙号，调度频率控制器确定感知频率，将时隙号和感知频率下发给频谱感知器进行本地感知。

多信道情况下，感知信道和业务传输信道分开，设备开机后，感知信道一直处于感知状态，可以不停地感知各频率。

(2)时隙管理器

时隙管理器主要对时隙进行管理维护，实现通信与认知复用。认知系统主要包括网络运维、协作探测和业务数据等时隙。

在认知方面，各时隙的功能定义为：网络运维时隙在入网前通过频谱感知完成设备发现和通过通信模块完成网络发现功能；协作探测时隙完成信道质量主动探测以及探测结果信息、快速频谱接入控制等信息的协商和分发；业务数据时隙与本地感知共用，当空闲时进行本地频谱感知，此时为实现快速的频谱感知，可以适度缩短本地感知的时隙长度。

时隙管理器根据调度器输入的设备状态信息，从网络运维、协作探测和业务数据时隙中确定使用的时隙类型和具体的时隙号，并将确定的时隙类型和时隙号输出给调度器。如在设备发现状态下，时隙管理器是在网络运维时隙中确定进行感知识别的时隙号；在自动产生频率状态下，时隙管理器是在所有时隙中确定进行频谱感知的时隙号；在网络发现状态下，时隙管理器是在网络运维时隙中确定进行网络状态信息接收的时隙号；在协作探测状态和快速频谱接入状态下，时隙管理器是在协作探测时隙中确定认知pdu的发送时隙号和接收时隙号；在通信状态下，时隙管理器是在业务数据时隙中确定业务数据的发送时隙号和接收时隙号，在单信道本地感知状态下，时隙管理器是从空闲的业务数据时隙中确定频谱感知的时隙号。

(3)频率控制器

主要负责认知系统设备发现、网络发现、自动产生频率、通信、本地感知及协作探测等过程中频率的控制和使用。其中设备发现阶段控制设备在配置频率上依次进行设备发现；网络发现阶段控制设备在网络发现频率集上依次进行网络发现；自动产生频率阶段控制设备在配置频率集上进行本地感知；协作探测和快速频谱接入阶段使用探测频率集；本地感知阶段控制设备在感知频率集上进行本地感知。

频率控制器根据调度器输入的设备状态信息，时隙类型和时隙号确定在具体时隙上使用的频率，并将确定的频率输出给调度器。在设备发现状态下，频率控制器从配置频率集中确定当前时隙上使用的用于设备发现的频率；在网络发现状态下，频率控制器从网络发现频率集中确定当前时隙上使用的用于网络发现的频率；在频率自动产生状态下，频率控制器从配置频率集中确定当前时隙上使用的用于频谱感知的频率；在协作探测和快速频谱接入状态下，频率控制器从探测频率集中确定当前时隙上使用的用于协作探测和快速频谱接入的频率；在本地感知状态下，频率控制器从感知频率集中确定当前时隙上使用的用于频谱感知的频率。在通信状态下，频率控制器确定用于业务传输的工作频率(集)。

(4)频率决策器

主要负责网络发现频率(集)、探测频率(集)、工作频率(集)、感知频率(集)等几类频率的决策选择。

在设备发现阶段需要从配置频率(集)中，根据设备发现情况，选取频率作为网络发现频率(集)；当未发现同类设备时，根据感知结果和历史用频信息，从配置频率集中选择生成探测频率(集)，并指定一个频率作为当前工作频率；在本地感知阶段，需要在配置频率(集)中选取频率生成感知频率(集)。

频率决策器根据调度器输入的设备状态信息、频谱信息数据库中保存的频谱感知结果和协作探测结果进行不同状态下频率(集)的决策选择，并将选择的频率(集)输出给调度器。如在设备发现状态下，频率决策器确定设备发现的频率集(一般是预先配置的频率集)；在网络发现状态下，频率决策器根据设备发现状态下产生的频谱信息数据库中保存的每个频率上同类设备存在/不存在的结果和信道可用性情况，对存在同类设备的频率按照可用性等级排序形成网络发现频率集；在频率自动产生状态下，频率决策器根据频谱信息数据库中保存的每个频率上信道可用等级排序从中选择8个频率作为探测频率集，可用等级最高的作为当前的工作频率；在协作探测状态下，当当前工作频率被干扰不可用时，频率决策器根据频谱信息数据库中保存的协作探测的链路可用性情况，从探测频率集中选择一个最好的频率作为新的工作频率，具体选择方法是优先考虑网络可达性最大化，在各节点都能连通的基础上根据平均可用性等级进行排序；在本地感知状态下，独立感知信道的情况下，感知频率集可以是配置频率集，尽可能全面地掌握所有频率的基本信息，非独立感知信道的情况下，可以从配置频率集中按频率高中低分成三档，在每一档中选择一部分组成感知频率集，这样可以提高频率选择的有效性。

(5)汇聚处理器

主要完成节点间认知协作信息对等层协议的处理，具体负责协议分组的封装、解析。认知pdu主要用于交互节点间探测到的各链路信噪比信息，通过pdu的收发最终掌握全网下各节点间链路质量情况。

在协作探测状态下，调度器将设备状态信息、收发状态信息和pdu数据地址输入汇聚处理器，发送状态下，汇聚处理器根据本节点探测到的链路质量情况和接收到其他节点发送的链路质量情况进行认知pdu包括探测结果和探测结果转发的封装，认知pdu封装完毕后调度器将时隙号、频率和pdu数据下发给通信模块进行发送；接收状态下，调度器将接收时隙号、频率下发给通信模块进行数据接收，通信模块接收完毕将认知pdu送给调度器，调度器调度汇聚处理器对pdu进行解析处理；在快速频谱接入状态下，调度器将设备状态信息、收发状态信息和pdu数据地址输入汇聚处理器，其处理方式和协作探测状态下一样，只是认知pdu增加了换频请求和换频应答的封装和解析处理。

Claims (9)

1.一种适用于自组织网络的基于主被动感知结合的认知系统，其特征在于：由认知引擎和通信模块组成，所述通信模块完成通信协议栈的实体功能，所述认知引擎包括频谱感知器和动态频谱接入控制中心，所述频谱感知器完成电磁环境信息的主被动感知，所述动态频谱接入控制中心包括调度器、时隙管理器、频率控制器、频率决策器和汇聚处理器，用于控制整个无线系统的运行，控制节点在各种状态下所使用的频率、时隙，通过感知到的环境信息最终完成通信模块通信参数的优化和决策；所述调度器根据认知系统的状态，结合时隙规划和系统运行状况，在设备发现、网络发现、自动产生频率、网络运维、协作探测、快速频谱接入、本地感知和通信状态中切换，并完成每个状态下各功能模块的调度和控制，从而使系统高效运转；所述时隙管理器主要对网络运维、协作探测和业务数据时隙进行管理维护，实现通信与认知复用；所述频率控制器负责认知系统设备发现、网络发现、自动产生频率、通信、本地感知及协作探测过程中频率的控制和使用；所述频率决策器负责网络发现频率、探测频率、工作频率、感知频率的决策选择；所述汇聚处理器完成节点间认知协作信息对等层协议的处理，负责协议分组的封装、解析。

2.根据权利要求1所述的一种适用于自组织网络的基于主被动感知结合的认知系统，其特征在于：所述调度器在设备发现状态下对各功能模块的调度和控制过程如下：调度器调度频率决策器生成进行感知识别的频率集，调度时隙管理器从网络运维时隙中确定进行感知识别的时隙号，调度频率控制器从频率决策器生成的频率集中确定在具体时隙上的感知识别频率；然后调度器将时隙号、频率下发给频谱感知器进行同类设备的识别发现，依次在各时隙上完成感知频率集上所有频率的设备识别发现，并记录有同类设备的频率，最后形成网络发现频率集；如果设备识别结束后没有发现有同类设备则跳转到自动产生频率状态，否则跳转到网络发现状态。

3.根据权利要求2所述的一种适用于自组织网络的基于主被动感知结合的认知系统，其特征在于：所述调度器在自动产生频率状态下对各功能模块的调度和控制过程如下：调度器调度时隙管理器从所有时隙中确定时隙号，调度频率控制器从配置频率集中确定频率，将时隙号、频率下发给频谱感知器进行频谱环境信息的感知，并依次完成配置频率集的感知，频率决策器根据感知结果组成探测频率集，并确定工作频率；自动产生频率状态结束则跳转到网络运维状态，将工作频率发送给通信模块，由通信模块在工作频率上完成组网功能。

4.根据权利要求2所述的一种适用于自组织网络的基于主被动感知结合的认知系统，其特征在于：所述调度器在网络发现状态下对各功能模块的调度和控制过程如下：调度器调度时隙管理器从网络运维时隙中确定时隙号，调度频率控制器从网络发现频率集中确定频率，将时隙号和频率下发给通信模块，通信模块在指定的时隙和频率上进行网络状态信息的接收：如果发现网络，则获取网络当前的探测频率集，并跳转到网络运维状态；如果未发现网络，则跳转到设备发现状态。

5.根据权利要求2所述的一种适用于自组织网络的基于主被动感知结合的认知系统，其特征在于：所述调度器在网络运维状态下对各功能模块的调度和控制过程如下：调度器将状态信息和工作频率下发给通信模块后，由通信模块完成网络组网功能的运行；当网络运维时隙结束、协作探测时隙开始时即跳转到协作探测状态，当网络运维时隙结束、业务数据时隙开始时即跳转到通信状态；如果节点退网则跳转到设备发现状态。

6.根据权利要求2所述的一种适用于自组织网络的基于主被动感知结合的认知系统，其特征在于：所述调度器在协作探测状态下对各功能模块的调度和控制过程如下：在本节点的协作探测发送时隙上，调度器调度时隙管理器从协作探测时隙中确定时隙号，调度频率控制器从探测频率集中确定频率，调度汇聚处理器构造封装认知探测协议数据单元PDU，将时隙号、频率以及认知探测PDU下发给通信模块，由通信模块在指定的协作探测时隙、指定的探测频率上进行认知探测PDU的发送；在本节点的非协作探测发送时隙上，调度器调度时隙管理器确定协作探测时隙号，调度频率控制器确定频率，将时隙号、频率下发给通信模块，由通信模块接收其他节点发送的认知探测PDU，通信模块进行链路质量计算，并将计算结果上报给频谱预处理器，将认知探测PDU送至汇聚处理器进行解析处理；当有干扰被发现则跳转到快速频谱接入状态。

7.根据权利要求2所述的一种适用于自组织网络的基于主被动感知结合的认知系统，其特征在于：所述调度器在快速频谱接入状态下对各功能模块的调度和控制过程如下：调度器调度时隙管理器从协作探测时隙中确定时隙号，调度频率控制器从探测频率集中确定频率，调度汇聚处理器构造封装认知换频请求PDU，将时隙号、频率以及认知换频请求PDU下发给通信模块，由通信模块在指定的协作探测时隙、指定的探测频率上进行认知换频请求PDU的发送；当中心节点收到换频请求PDU后，对其解析确定被干扰的频率，调度器调度时隙管理器从协作探测时隙中确定时隙号，调度频率控制器从探测频率集中确定频率，调度汇聚处理器构造封装认知换频应答PDU，将时隙号、频率以及认知换频应答PDU下发给通信模块，由通信模块在指定的协作探测时隙、指定的探测频率上进行认知换频应答PDU的发送；其他节点收到换频应答PDU后，汇聚处理器对换频应答PDU进行解析确定替换的频率和换频时间，并将频率下发给通信模块使用。

8.根据权利要求2所述的一种适用于自组织网络的基于主被动感知结合的认知系统，其特征在于：所述调度器在通信状态下对各功能模块的调度和控制过程如下：当有业务数据需要发送时，通信模块将业务发送请求发给认知引擎，调度器调度时隙管理器确定发送时隙号，调度频率控制器确定工作频率，将发送时隙号、工作频率和发送速率下发给通信模块，通信模块在指定的时隙和频率上进行业务数据的发送；当有业务数据需要接收时，调度器调度时隙管理器确定接收时隙号，调度频率控制器确定工作频率，将接收时隙号和工作频率下发给通信模块，通信模块在指定的时隙和频率上进行业务数据的接收。

9.根据权利要求2所述的一种适用于自组织网络的基于主被动感知结合的认知系统，其特征在于：所述调度器在本地感知状态下对各功能模块的调度和控制过程如下：在单信道情况下，本地感知和业务传输在业务数据时隙上复用，当没有业务发送时，在发送时隙上进行本地感知，调度器调度时隙管理器确定时隙号，调度频率控制器确定感知频率，将时隙号和感知频率下发给频谱感知器进行本地感知；在多信道情况下，感知信道和业务传输信道分开，设备开机后，感知信道一直处于感知状态，不停地感知各频率。

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