CN109714807B

CN109714807B - 一种基于公共控制信道的认知无线网络接入方法

Info

Publication number: CN109714807B
Application number: CN201910042058.5A
Authority: CN
Inventors: 沈高青; 雷磊; 李志林; 毕研涛; 蔡圣所; 张莉涓; 赵楠; 袁代数; 包翔
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2019-01-16
Filing date: 2019-01-16
Publication date: 2021-03-23
Anticipated expiration: 2039-01-16
Also published as: CN109714807A

Abstract

本发明公开了一种基于公共控制信道的认知无线网络接入方法。该方法可分为信道竞争过程，信道预约过程和数据传输过程。信道竞争过程主要是认知用户在公共控制信道上采用分布式的方式竞争授权信道使用权，信道预约过程是认知用户收发节点对之间信息确认的环节，数据传输过程则是认知用户收发节点对调谐到授权信道进行数据传输的过程。该方法旨在通过改进后的二进制指数退避算法、四次握手机制和主用户优先级分类机制，减少认知用户因等待授权信道空闲而浪费了的信道带宽和认知用户与主用户间的冲突，在提高网络饱和吞吐量性能的同时尽可能的提高用户的服务质量保障。EXata网络仿真环境中的仿真结果证明了协议的有效性。

Description

一种基于公共控制信道的认知无线网络接入方法

技术领域

本发明属于认知无线网络领域，特别涉及基于公共控制信道的认知无线网络接入方法。

背景技术

随着现代无线通信技术的飞速发展和无线网络设备的广泛应用，人们对于频谱资源的需求越来越大。例如移动互联网技术的应用允许人们随时随地接入互联网，获取最新的信息资讯；物联网技术的应用令各种电子、电器设备可以全天候的实现网络互连，为人类的生活提供更加便捷智慧化的服务；无人机、无人驾驶汽车的飞速发展则让人们看到了智慧生活的曙光。所有这些技术的背后，都离不开频谱资源的保障。可以预见的是，未来可供人类利用的频谱资源将逐渐减少，频谱资源的短缺必将成为制约无线通信技术发展的重要瓶颈之一。

然而，根据美国联邦通信委员会的调查结果显示，人类对于频谱资源存在利用不均匀现象。一方面，未授权频谱资源，如免费用于工业、科学、医疗的2.4Ghz和5Ghz频段等，因大量无线设备的接入而早已变得拥挤不堪；另一方面，授权频谱资源在时间和空间上均存在不同程度的频谱资源闲置情况，即频谱空洞现象，调查结果显示授权频谱资源的综合利用率在15％-85％之间，频谱资源利用率很低。认知无线网络作为解决上述困境，合理分配频谱资源的有效方法，在本世纪初应运而生。无线通信环境中认知用户，通过频谱感知和智能学习的方式，感知周围的无线频谱环境，动态的改变收发器的发送频率，在不影响主用户正常通信的前提下，机会的使用授权频段中的空闲频谱资源，从而提高频谱资源利用率，缓解非授权频段的频谱资源压力。

数据链路层作为OSI网络模型中的倒数第二层，主要功能是数据帧的差错检测、纠正和流量控制，使有差错的物理链路变成无差错的数据链路。认知无线网络的特点是，在出现频谱空洞后，需要确定出获得接入机会的认知用户。用于在多个用户间确定出信道资源的下一个使用者的协议属于数据链路层的一个子层，称为媒质接入控制(Medium AccessControl，MAC)子层。在认知无线网络中，MAC协议扮演着一个非常重要的角色，它是认知用户间协调接入频谱空洞的基础，为认知用户接入频谱空洞订立了规约。同时认知无线网络MAC协议还规定了主用户与认知用户间的共存方式，保证了主用户在授权信道上的优先权。与传统的无线网络MAC协议不同的是，认知无线网络MAC协议不仅要考虑网络的吞吐量，数据包的平均接入时间，用户公平性等指标，还要重点考虑信道资源的综合利用率以及主用户和认知用户的服务质量保障。认知无线网络MAC协议性能的好坏，将会直接影响认知用户和主用户的用户体验。如何设计合理高效的认知无线网络MAC协议，成为了研究人员关注的重点。

发明内容

本发明的目的是针对认知无线网络环境，提出一种基于公共控制信道的认知无线网络接入方法，从而有效提高网络整体性能。为了实现该目的，本发明所采用的步骤是：

步骤1：信道竞争过程，认知节点在发送数据包之前，需要先通过频谱感知建立可用授权信道列表，然后检测公共控制信道状态，当信道空闲至少持续一个分布式帧间间隔(Distributed Interframe Space，DIFS)的时长后，认知节点根据信道预约的重传次数以及退避计数器的挂起次数确定退避竞争窗口大小，并在退避竞争窗口内选择一个随机值作为退避计数器的初值，激活退避计数器，开启信道竞争过程。

步骤2：信道预约过程，竞争成功的认知节点先检测可用的授权信道数量，若存在可用的授权信道，则发送节点向接收节点发送RTS(Request to Send)帧预约信道使用权，接收节点成功收到RTS帧后，向发送节点回复CTS(Clear to Send)帧确认信道预约成功，若不存在可用的授权信道，则发送节点向接收节点发送PTS(Prepare to Send)帧，向网络中的其它节点征求授权信道的优先使用权，接收节点成功收到PTS帧后，向发送节点回复WTS(Wait to Send)帧，表明该收发节点获得了授权信道的优先使用权，该收发节点对持续监听授权信道状态直到出现可用的授权信道后，再次通过RTS-CTS交互确认数据传输过程的参数设置。

步骤3：数据传输过程，认知用户收发节点对将天线频率调谐到约定好的授权信道上，发送节点向接收节点发送DATA帧，如果接收节点成功收到DATA帧，则向发送节点回复一个ACK帧，表明传输成功，继续尝试发送下一个数据包，否则发送节点将回到公共控制信道继续重传该数据包。

本发明提出的基于公共控制信道的认知无线网络接入方法的性能已经在EXata网络仿真环境中得到了验证。仿真实验中假设网络中的所有认知节点均处于单跳范围内，并且认为认知节点的业务均为饱和状态，即节点总是有数据包需要发送。仿真时长设置为500s，数据包大小为1024字节，公共信道数据传输速率为2Mbps，物理层信噪比门限为10dB。附图7给出了在不同认知节点数量的条件下，本发明的仿真结果与现有的认知无线网络信道接入方法仿真结果的对比。由附图7所示的仿真结果可以看出，本发明提出的基于公共控制信道的认知无线网络接入方法相较于现有的认知无线网络接入方法可以获得较高的网络饱和吞吐量。

附图说明

图1是本发明提出的认知无线网络信道接入协议工作流程图；

图2是本发明在信道竞争过程的示意图；

图3是本发明在信道预约过程的示意图；

图4是本发明中的认知发送节点在信道预约过程的流程图；

图5是本发明中的认知接收节点在信道预约过程的流程图；

图6是本发明在数据传输过程的流程图；

图7是本发明的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

在后面的叙述中，本说明书将本发明提出的基于公共控制信道的认知无线网络接入方法简记为TPO-MAC(Traffic-Priority-Based Opportunistic MAC Protocol)。TPO-MAC首先设定了以下网络运行条件：

1、网络中存在n个认知用户和M个授权信道以及一个公共控制信道，每个授权信道对应若干个主用户，其中n个认知用户地位等同，不存在中心节点，M个授权信道互不重叠，且具有相同的带宽，公共控制信道是一个非授权信道，不被主用户所占用，主要用于认知用户控制帧的交互，认知用户和主用户共同组成了一个认知无线网络，并且所有认知用户在一个无线局域网内；

2、主用户的业务优先级分为高和低两种，并且它们所占的比例分别为p_h和p_l；

3、网络中的所有认知用户配备有两对半双工的收发器，并且两对收发器可以同时工作，一对收发器用于公共控制信道，负责控制帧的交互，另一对收发器负责调频到各个授权信道，用于数据传输过程。

以上述条件为基础，本发明提出的TPO-MAC已经在无线网络仿真环境EXata中获得了实现，并通过EXata环境中的仿真结果证明了该方法的有效性。TPO-MAC的具体实施步骤为：

步骤1：信道竞争过程，网络中的所有认知节点在公共控制信道采用分布式的方式竞争授权信道使用权。

当认知用户需要发送一个新的数据包时，需要先通过频谱感知建立可用授权信道列表，然后检测公共控制信道状态，如果检测到公共控制信道空闲并且空闲时间持续至少一个DIFS的时长，则认知用户立马进入信道竞争过程。否则，如果公共控制信道被检测到忙，认知用户将持续监听公共控制信道状态，直到其空闲至少一个DIFS时长为止。此时，认知用户将开启信道竞争过程，在发起信道预约前等待一个随机时间，以最小化与其它认知用户发生冲突的可能性。

出于效率的考虑，TPO-MAC在采用离散的时间规模，所有认知用户的时间是时隙化的，将时隙表示为σ。并且认知用户只能在一个时隙的开始发起信道预约过程。σ的大小至少等于任何其它认知用户可以检测到来自该认知用户的信号传输所需的时间，它的大小取决于物理层限制。通常σ要包含天线的收发转换时间，传播时延，以及向MAC层报告信道状态的时间等。

二进制指数退避法(Binary Exponential Backoff，BEB)是一种典型的随机退避方法，经典的IEEE 802.11 DCF协议采用的就是二进制指数退避法，并在实际应用过程中取得了良好的效果。传统的BEB算法无法反映信道负载状况对退避窗口的影响，TPO-MAC采用了改进的BEB的算法来避免冲突。在每次进行信道预约前，认知用户都需要等待一个随机退避时间，这个时间是时隙长度σ的整数倍，其大小为[0，CW-1]之间的一个随机整数，CW表示竞争窗口。如果在认知用户退避阶段公共控制信道持续空闲一个σ时长，则退避计数器的值减1；如果在退避阶段侦听到了信道变忙，认知用户将退避计数器挂起，并等待公共控制信道持续空闲至少一个DIFS时长后重新激活退避计数器。当退避计数器的值为0时，认知用户即可发起信道预约过程。

CW的大小取决与信道预约的重传次数以及退避计数器的挂起次数。当认知用户第一次尝试信道预约时，将CW设置为它的最小值CW_min。假设认知用户当前的重传次数为i，最大重传次数为m，退避计数器的挂起次数为k。每次信道预约失败时，将上一次的竞争窗口取值用CW_old表示，则认知用户在重传时的新的竞争窗口的取值可以表示为

其中min()表示取最大值函数，CW_max表示竞争窗口的最大值，floor()表示向下取整函数。若信道预约成功，则认知用户在下一次信道竞争过程开始时的竞争窗口取值可以表示为

其中max()表示取最小值函数。

如附图2所示，认知节点A和B检测到信道持续空闲了一个DIFS时长后，分别选择了一个随机的退避时长进行退避。节点A选择的退避时长是8σ，节点B选择的退避值时长15σ。显然，节点A将先退避到0，然后发起了信道预约过程。由于节点A的传输，节点B检测到信道变忙，因此节点B将退避阶段暂时挂起，进入挂起阶段。等待节点A的信道预约过程结束，信道又持续空闲一个DIFS时长后，节点A重新选择了一个退避时长，而节点B则是在刚刚退避挂起的基础上继续退避。此过程的依据即为改进后的BEB算法。

步骤2：信道预约过程，竞争成功的认知用户收发节点对在公共控制信道上通过控制帧的交互确认数据传输过程的相关参数设置。

认知用户在信道竞争过程成功竞争到授权信道使用权后就会发起信道预约过程。首先，认知用户会通过频谱感知结果对授权信道状态进行判断。如果当前可用授权信道的数量大于0，如附图3所示，则发送节点向接收节点发送一个RTS帧。若接收节点成功收到了RTS帧，则会在一个最短帧间间隔(Short Interframe Space，SIFS)时长后，向发送节点回复一个CTS帧。发送节点在收到CTS帧后，即认为信道预约成功，并开始在授权信道发起数据传输过程。

如果信道竞争过程结束后，网络中的可用授权信道数量为0，则发送节点先向接收节点发送一个PTS帧，向网络中的其它节点征求授权信道的使用权。接收节点成功收到PTS帧之后，就会在一个SIFS时长后向发送节点回复一个WTS帧，以告知网络中的其它节点，该发送节点竞争成功，获得了授权信道的优先使用权。之后，网络中的所有节点将会持续监听授权信道的状态，一旦网络中出现一个授权信道空闲，并且空闲时间达到一个DIFS时长后，预约成功的收发节点对将重新发起RTS-CTS握手过程。预约结束后，收发节点对即在授权信道上发起数据传输过程，其它认知节点在检测到公共控制信道空闲一个DFIS时长后，重新开始信道竞争过程。

另外，在发送节点发送RTS帧或PTS帧都会开启一个定时器，如果在定时器超时之前还没有收到来自接收节点的CTS帧或WTS帧，发送节点则认为预约失败，把竞争窗口CW_old按照改进后的BEB算法变为CW_new，并在[0，CW_new-1]范围内重新选择一个退避值开启新一轮的信道竞争过程；当达到最大重传次数还没有成功预约时，则将当前需要发送的数据包丢弃，并将竞争窗口恢复为CW_min，尝试发起新的数据包。

另一方面，网络中的其它认知用户需要跟踪保持对网络信道状态的维护，了解信道状态是空闲还是忙，如果忙，将会持续多长时间。信道状态的维护不仅依靠频谱感知，还依靠节点间的信息交互。假设信道状态对网络中所有认知用户而言是等价的，每个用户维护一个网络分配矢量(Network Allocation Vector，NAV)，提供诸如当前哪些信道正在被使用，被哪些认知用户使用，将会使用多长时间等信息。认知用户如何更新NAV的具体步骤如下所述：

在RTS-CTS握手过程中，发送节点必须选择一个空闲的授权信道进行数据传输。为此，发送节点查看了自己的可用授权信道列表，并选择了授权信道i作为数据传输过程的信道。因此，RTS帧中需包含以下信息：①接收节点的地址；②数据传输过程的持续时间；③数据传输过程所使用的授权信道。接收节点收到RTS帧后，检查授权信道i是否在自己的授权信道列表之内。如果在，则向发送节点回复CTS帧，表明预约成功；如果不在，则接收节点不作任何回复。其它认知节点在收到RTS和CTS帧后，更新自己的NAV信息。

信道预约过程的详细流程图如附图4、5所示。

步骤3：数据传输过程，认知用户收发节点对将天线频率调谐到约定好的授权信道上开启数据传输过程。

在一次成功的RTS-CTS握手之后，发送节点和接收节点根据协商的结果，将数据传输的专用收发器调谐到授权信道i。发送节点在给接收节点发送完数据帧后，开启了一个等待ACK的定时器，如果在定时器超时之前收到了来自接收节点的ACK帧，则证明传输成功，收发节点对将重新开始尝试发送新的数据包。接收节点如果成功收到了发送节点的数据帧，并且检测到数据信道仍然是空闲状态，则在间隔一个SIFS时长后，接收节点向发送节点回复一个ACK帧，确认发送成功。如果在接收数据帧或者回复ACK的过程中，有主用户接入了授权信道，则会导致此次数据传输失败，发送节点将重新在公共控制信道开始信道竞争过程，尝试重发该数据包。由于主用户的存在而导致的数据传输失败并不是因为认知节点间的冲突而导致的，因此发送节点在重传该数据包时不需要增大退避窗口，而是在现有的退避窗口重新选择一个退避值开始新的信道竞争过程。

在传统的认知无线网络中，主用户的数据传输是不用考虑授权信道状态的，也即主用户可以随时随地发起数据传输。然而当认知用户正在使用授权信道时，主用户如果发起了数据传输就会与认知用户发生冲突，从而导致主用户和认知用户的数据传输均失败，浪费了信道带宽。而在TPO-MAC中，如附图7所示，主用户在发起数据传输之前，需要先根据业务的优先级来决定是否需要侦听信道状态。如果业务优先级为高，则不用侦听信道状态，直接发起数据传输；如果业务优先级为低，则需要先侦听信道状态，如果侦听到信道空闲，则主用户直接发起数据传输，否则需要等待信道持续空闲一个忙碌帧间间隔(BusyInterframe Space，BIFS)后，再发起数据传输过程，其中BIFS的时长比DIFS略小。

数据传输过程的详细流程图如附图6所示。

本发明申请书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种基于公共控制信道的认知无线网络接入方法，所采用的步骤是：

步骤1：信道竞争过程，认知节点在发送数据包之前，需要先通过频谱感知建立可用授权信道列表，然后检测公共控制信道状态，当信道空闲至少持续一个DIFS(DistributedInterframe Space)的时长后，认知节点根据信道预约的重传次数以及退避计数器的挂起次数确定退避竞争窗口大小，并在退避竞争窗口内选择一个随机值作为退避计数器的初值，激活退避计数器，开启信道竞争过程；

步骤2：信道预约过程，竞争成功的认知节点先检测可用的授权信道数量，若存在可用的授权信道，则发送节点向接收节点发送RTS(Request to Send)帧预约信道使用权，接收节点成功收到RTS帧后，向发送节点回复CTS(Clear to Send)帧确认信道预约成功，若不存在可用的授权信道，则发送节点向接收节点发送PTS(Prepare to Send)帧，向网络中的其它节点征求授权信道的优先使用权，接收节点成功收到PTS帧后，向发送节点回复WTS(Waitto Send)帧，表明收发节点对获得了授权信道的优先使用权，该收发节点对持续监听授权信道状态直到出现可用的授权信道后，再次通过RTS-CTS握手完成授权信道预约过程；

2.根据权利要求1所述的一种基于公共控制信道的认知无线网络接入方法，其特征在于认知节点依据信道预约的重传次数以及退避计数器的挂起次数确定退避竞争窗口大小的具体方法为：

当认知用户需要发送一个新的数据包时，需要先通过频谱感知建立可用授权信道列表，然后检测公共控制信道状态，如果检测到公共控制信道空闲并且空闲时间持续至少一个DIFS的时长，则认知用户立马进入信道竞争过程，否则，如果公共控制信道被检测到忙，认知用户将持续监听公共控制信道状态，直到其空闲至少一个DIFS时长为止，此时，认知用户将开启信道竞争过程，在发起信道预约前等待一个随机退避时间，以最小化与其它认知用户发生冲突的可能性；

认知用户等待的随机退避时间是时隙长度σ的整数倍，其大小为[0，CW-1]之间的一个随机整数，CW表示竞争窗口；如果在认知用户退避阶段公共控制信道持续空闲一个σ时长，则退避计数器的值减1，如果在退避阶段侦听到了信道变忙，认知用户将退避计数器挂起，并等待公共控制信道持续空闲至少一个DIFS时长后重新激活退避计数器，当退避计数器的值为0时，认知用户即可发起信道预约过程；

CW的大小取决与信道预约的重传次数以及退避计数器的挂起次数，当认知用户第一次尝试信道预约时，将CW设置为它的最小值CW_min，假设认知用户当前的重传次数为i，最大重传次数为m，退避计数器的挂起次数为k，每次信道预约失败时，将上一次的竞争窗口取值用CW_old表示，则认知用户在重传时的新的竞争窗口的取值可以表示为

其中min()表示取最大值函数，CW_max表示竞争窗口的最大值，floor()表示向下取整函数，若信道预约成功，则认知用户在下一次信道竞争过程开始时的竞争窗口取值可以表示为

其中max()表示取最小值函数。

3.根据权利要求1所述的一种基于公共控制信道的认知无线网络接入方法，其特征在于认知节点在公共控制信道通过控制帧交互完成授权信道预约的具体方法为：

认知用户在信道竞争过程成功竞争到授权信道使用权后就会发起信道预约过程，首先，认知用户会通过频谱感知结果对授权信道状态进行判断，如果当前可用授权信道的数量大于0，则发送节点向接收节点发送一个RTS帧，若接收节点成功收到了RTS帧，则会在一个SIFS时长后，向发送节点回复一个CTS帧，发送节点在收到CTS帧后，即认为信道预约成功，并开始在授权信道发起数据传输过程；

如果竞争过程结束后，网络中的可用授权信道数量为0，则发送节点先向接收节点发送一个PTS帧，向网络中的其它节点征求授权信道的使用权，接收节点成功收到PTS帧之后，就会在一个SIFS(Short Interframe Space)时长后向发送节点回复一个WTS帧，以告知网络中的其它节点，该发送节点竞争成功，获得了授权信道的优先使用权，之后，网络中的所有节点将会持续监听授权信道的状态，一旦网络中出现一个授权信道空闲，并且空闲时间达到一个DIFS时长后，预约成功的收发节点对将重新发起RTS-CTS握手过程，预约结束后，收发节点对即在授权信道上发起数据传输过程，其它认知节点在检测到公共控制信道空闲一个DFIS时长后，重新开始信道竞争过程；

在发送节点发送RTS帧或PTS帧后会开启一个定时器，如果在定时器超时之前还没有收到来自接收节点的CTS帧或WTS帧，发送节点则认为预约失败，把竞争窗口CW_old按照改进后的二进制指数退避算法变为CW_new，并在[0，CW_new-1]范围内重新选择一个退避值开启新一轮的信道竞争过程，当达到最大重传次数还没有成功预约时，则将当前需要发送的数据包丢弃，并将竞争窗口恢复为CW_min，尝试发起新的数据包。

4.根据权利要求1所述的一种基于公共控制信道的认知无线网络接入方法，其特征在于认知节点在授权信道发起数据传输过程的具体方法为：

主用户在数据传输过程需要根据自身业务的优先级动态调整接入策略，认知用户在一次成功的RTS-CTS握手之后，发送节点和接收节点根据协商的结果，将数据传输的专用收发器调谐到授权信道i，发送节点在给接收节点发送完数据帧后，开启了一个等待ACK的定时器，如果在定时器超时之前收到了来自接收节点的ACK帧，则证明传输成功，收发节点对将重新开始尝试发送新的数据包，如果在接收数据帧或者回复ACK的过程中，有主用户接入了授权信道，则会导致此次数据传输失败，发送节点将重新在公共控制信道开始信道竞争过程，维持竞争窗口值CW不变，尝试重发该数据包。

5.根据权利要求4所述的一种基于公共控制信道的认知无线网络接入方法，其特征在于主用户根据自身业务优先级动态调整接入策略的具体方法为：

主用户在发起数据传输之前，需要先根据业务的优先级来决定是否需要侦听信道状态，如果业务优先级为高，则不用侦听信道状态，直接发起数据传输，如果业务优先级为低，则需要先侦听信道状态，如果侦听到信道空闲，则主用户直接发起数据传输，否则需要等待信道持续空闲一个BIFS(Busy Interframe Space)时长后，再发起数据传输过程，其中BIFS的时长比DIFS略小。