CN110881221B - 一种无线自组网分布式频率选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线自组网分布式频率选择方法，在无线频谱环境复杂、干扰可能引起无线自组网传输性能下降或业务中断的情况下，通过频谱感知和频率选择进行工作频带选择，从而为无线自组网选择传输性能较好的工作频带，减少干扰对传输性能的影响，提高无线自组网的传输效率和网络吞吐量。

Description

一种无线自组网分布式频率选择方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种无线自组网分布式频率选择方法。

背景技术

无线自组网是一种与传统无线蜂窝网络完全不同的新型无线网络架构，网络中的节点之间都是对等的，每个节点都可以发送和接收信号，如图1所示。相比传统蜂窝网络，无线自组网具有组网灵活简便、网络可靠性高以及覆盖范围大等优点。随着OFDM-MIMO(正交频分多址和多输入多输出)技术的成熟应用和多媒体业务的快速发展，采用宽带技术的自组网应需而生。由于无线自组网没有一个统一的标准，网络节点之间的通信通常采用现有的无线通信协议。目前，主流的无线宽带自组网主要基于WiFi(无线保真)协议、4G LTE(长期演进)协议和5G相关技术进行定制设计的；

根据不同的网络设计，无线自组网包括有中心节点和无中心节点两种情况。在有中心节点的无线自组网中，中心节点负责整个网络的拓扑管理、频率选择、定时同步等，处于决策和管理地位，其他通信节点通过接收中心节点广播的一些系统消息进行配置。在无中心节点的无线自组网中，所有通信节点处于同等地位，分别自主决定所采用的配置和资源等。网络中所有通信节点然后经过大量的消息交互和博弈后，整个网络才趋于收敛。在实际的无线自组网中，为了网络快速能够收敛，通常不会完全取消中心节点的，一般会临时指定一个通信节点作为中心节点，当整个网络稳定之后，再取消中心节点；

与蜂窝网络不同，无线自组网作为一种非基础设施，通常在公共安全、应急救灾、垂直行业等领域，由于这些领域和行业通常没有专用的频谱资源而采用公共频谱资源，或者即使有专用频谱资源，过去也已经部署了大量的设备，所以频谱资源非常复杂，干扰非常普遍。因此，对于无线自组网，特别是采用宽带技术的无线自组网，干扰会造成传输性能急剧下降，从而造成业务中断。对于一些窄带信号干扰，采用宽带技术的无线自组网可以通过简单的干扰检测和消除方案进行干扰消除，造成的影响比较小。但对于一些宽带信号干扰，采用宽带技术的无线自组网可以通过资源调度的方法来进行避开，但造成了可用物理资源变少，影响一些高速率业务的传输。

发明内容

本发明针对无线频谱环境复杂情况下干扰可能引起无线自组网传输性能下降或业务中断的问题，提供一种无线自组网分布式频率选择方法，通过具有频谱感知功能的无线自组网通信节点进行频率选择，从而为无线自组网选择传输性能较好的工作频带，减少干扰对传输性能的影响，提高无线自组网的传输效率和网络吞吐量。

一种无线自组网分布式频率选择方法，包括如下步骤：

步骤一：无线自组网所有通信节点分别在预设的一段连续的无线频带内通过划窗方法和数字信号处理技术进行频谱情况感知，并得到频谱感知结果；

步骤二：无线自组网通信节点分别将各检测窗的频谱感知结果传输给中心节点或临时的决策节点；

步骤三：中心节点或临时的决策节点根据预设的选择策略对频谱感知结果进行频率选择，并得到频率选择结果，选择出来的频谱资源作为整个网络的工作频带；

步骤四：中心节点或临时的决策节点将频率选择结果通过广播方式传输给网络中的通信节点，所有通信节点之间的业务传输都在所选择的频谱资源上进行；

步骤五：在到达预设的时间后，网络中的通信节点重复上述步骤一至步骤四，重新选择工作频带。

较佳的，

无线自组网所有通信节点在进行频谱情况感知时所采用的划窗方法如下：

在频谱感知前，无线频带在预设的一段连续的无线频带内从低频端开始划分为若干个检测窗；

每个检测窗带宽与无线自组网的实际工作频带带宽相同且均为BHz，预设的连续的无线频带带宽为LHz，且L>B，相邻的两个检测窗的起始位置相差SHz，且S≤B，预设无线频带内包含的检测窗的数目M：M＝integer((L-B)/S)+1。

较佳的，

无线自组网所有通信节点在进行频谱情况感知时采用的数字信号处理技术的具体步骤如下：

(1)每个通信节点作为一个接收端，连续接收T个时间单元内的时域数据；

(2)通信节点将每个时间单元内的时域数据进行多次FFT变换，得到多组带宽为LHz的频域数据，每组频域数据分别计算功率；

(3)对于任意时间单元，通信节点将多组频域数据功率对应叠加，每个频域数据功率之和除以组的数量，获得频域数据功率均值；

(4)对于任意时间单元所对应的频域数据，一个检测窗对应带宽为BHz的频带内的频域数据的功率均值，每个检测窗仅保留带宽为B_subHz的频域数据的功率均值，其中B_sub≤B；

(5)对于每个检测窗，T个带宽为B_subHz的频域数据的功率均值分别叠加，并除以时间单元数目T，最终得到M个为B_subHz的频域数据的功率均值，即频域噪声功率；

(6)根据预先设定的调制方式对应的接收信号功率水平和所述频域噪声功率分别计算该调制方式对应的信噪比，根据信噪比计算该调制方式对应的互信息量；

(7)根据互信息量和预设置的映射表，可以映射得到该调制方式对应的CQI(信道质量指示)，根据CQI和预设方式计算一个衡量频谱质量的分值。较佳的，步骤三中的中心节点或临时的决策节点在确定无线自组网采用的工作频带时采取如下方法：

中心节点或临时的决策节点分别将网络中所有通信节点的各检测窗频谱感知结果分别对应相加，获得分别对应不同检测窗的感知结果之和，选择感知结果之和最大值对应的检测窗内的频带作为工作频带。

较佳的，步骤三中的中心节点或临时的决策节点在确定无线自组网采用的工作频带时采取如下方法：

设定一个分值门限；

如果通信节点在一个检测窗上获得的分值不小于该门限，则该通信节点在该检测窗内的频带上采用上述调制方式的传输性能能够满足性能要求；

对于每个检测窗，其对应的分值数量等于通信节点的数量，分别计算分值不低于分值门限的通信节点比例，最终可以得到对应检测窗数量的比例值，选择最大比例值对应的检测窗内的频带作为工作频带。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明有效地利用了空闲的频谱资源，提高资源使用效率；

能够有效地避免干扰信号对无线自组网的影响，提升了无线自组网的传输性能和网络吞吐量；

相比干扰处理技术，该方案降低了无线自组网的技术复杂度，无线自组网具有更高的性价比。

附图说明

图1为无线自组网示意图；

图2为一段连续的频谱情况示意图；

图3为检测窗划分示意图I；

图4为本发明的通信节点采用能量检测方法进行频谱感知的流程图；

图5为本发明的通信节点的频率选择流程图；

图6为存在中心节点的无线自组网示意图；

图7为检测窗划分示意图II。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图1至图7所示，本发明实施例提供的一种无线自组网分布式频率选择方法，包括如下步骤：

步骤一：无线自组网所有通信节点分别在预设的一段连续的无线频带内通过划窗方法和数字信号处理技术进行频谱情况感知，并得到频谱感知结果；

步骤二：无线自组网通信节点分别将各检测窗的频谱感知结果传输给中心节点或临时的决策节点；

步骤三：中心节点或临时的决策节点根据预设的选择策略对频谱感知结果进行频率选择，并得到频率选择结果，选择出来的频谱资源作为整个网络的工作频带；

步骤四：中心节点或临时的决策节点将频率选择结果通过广播方式传输给网络中的通信节点，所有通信节点之间的业务传输都在所选择的频谱资源上进行；

中心节点或者临时的决策节点将频率选择结果在整个网络中进行广播，网络中所有通信节点通过直接传输或者多跳传输的方式获得频率选择结果；当网络中所有通信节点全部获得频率选择结果之后，该频率选择结果生效；在下一次新的频率选择结果生效之前，所有通信节点在该频率选择结果对应的工作频带上进行业务传输；

步骤五：在到达预设的时间后，网络中的通信节点重复上述步骤一至步骤四，重新选择工作频带；

由于频率情况不断发生变化，所以无线自组网需要周期性地进行频谱情况感知，并根据感知结果选择新的工作频带。当到达一个预设的周期时间后，网络中的通信节点重复步骤一至步骤四，重现选择一个新的工作频带。新工作频带可能与上一个工作频带相同，也可能不同。

根据步骤一所述，每个通信节点将获得M个频谱感知结果；对于有中心节点的无线自组网，网络中其他通信节点将M个频谱感知结果通过直接传输或多跳传输的方式发送给中心节点；对于无中心节点的无线自组网，可以通过预先指定方式，或者网络中所有通信节点进行选举等方式获得一个临时决策节点，网络中其他通信节点将M个频谱感知结果通过直接传输或多跳传输的方式发送给临时的决策节点，通信节点之间的传输方式取决于无线自组网采用的无线通信协议；

无线自组网所有通信节点在进行频谱情况感知时所采用的划窗方法如下：

在频谱感知前，无线频带在预设的一段连续的无线频带内从低频端开始划分为若干个检测窗；

如图3所示，每个检测窗带宽与无线自组网的实际工作频带带宽相同且均为BHz，预设的连续的无线频带带宽为LHz，且L>B，相邻的两个检测窗的起始位置相差SHz，且S≤B，预设无线频带内包含的检测窗的数目M：M＝integer((L-B)/S)+1，integer()表示取整数部分；

无线自组网所有通信节点在进行频谱情况感知时采用的数字信号处理技术的具体步骤如下：

(1)每个通信节点作为一个接收端，连续接收T个时间单元内的时域数据；

(2)通信节点将每个时间单元内的时域数据进行多次FFT变换，得到多组带宽为LHz的频域数据，每组频域数据分别计算功率；

(3)对于任意时间单元，通信节点将多组频域数据功率对应叠加，每个频域数据功率之和除以组的数量，获得频域数据功率均值；

(4)对于任意时间单元所对应的频域数据，一个检测窗对应带宽为BHz的频带内的频域数据的功率均值，每个检测窗仅保留带宽为B_subHz的频域数据的功率均值，其中B_sub≤B；

(5)对于每个检测窗，T个带宽为B_subHz的频域数据的功率均值分别叠加，并除以时间单元数目T，最终得到M个为B_subHz的频域数据的功率均值，即频域噪声功率；

(6)根据预先设定的某种调制方式对应的接收信号功率水平和所述频域噪声功率分别计算该调制方式对应的信噪比，根据信噪比计算该调制方式对应的互信息量；

(7)根据互信息量和预设置的映射表，可以映射得到该调制方式对应的CQI，根据CQI和预设方式计算一个衡量频谱质量的分值；

无线自组网的工作频带通常都是固定的，但频点通常可以变化，因此在一段很长的频带内，通过频率选择方法寻找一段固定的干扰程度较低的工作频带，能够减少干扰对无线自组网传输性能的影响。频率选择的前提是通过频谱感知等方法了解频谱情况，在现有技术中，频谱感知是认知用户通过各种信号检测和处理手段来获取无线网络中的频谱使用信息，现有技术主要包括能量检测、匹配滤波器检测、循环平稳检测等方法。

能量检测法是一种比较简单的信号检测方法，属于信号的非相干检测，直接对时域信号采用值求模，然后平方即可得到；或利用FFT变换到频域，然后对频域信号求模平方也可得到。它无需知道检测信号的任何先验知识，对信号类型也不做限制。能量检测方法简单易用，是目前最主要的检测主用户的手段。

匹配滤波器法只能应用于对授权用户信息比较了解的频谱环境中，当不能预先知晓主信号的信息时无法采用该检测方法。在该检测方法中，由于相关运算耗时较少且可达到较高的处理增益，因此只要信噪比达到一定的门限即可实现检测。

循环平稳检测方法是根据信号冗余的突出特征进行检测，具有抗噪声性能好，不受噪声功率不确定性因素影响的优点，比能量检测有更好的鲁棒性。

本发明所采用的数字信号处理技术即为上述所提到的能量检测法；

步骤三中的中心节点或临时的决策节点在确定无线自组网采用的工作频带时采取如下方法：

中心节点或临时的决策节点分别将网络中所有通信节点的各检测窗频谱感知结果分别对应相加，获得分别对应不同检测窗的感知结果之和，选择感知结果之和最大值对应的检测窗内的频带作为工作频带；

在采用上述办法时，会出现以下问题：

某些通信节点在一个检测窗内的评估分值非常高，大部分通信节点在该检测窗的分值并不高，但总分值非常高，从而该检测窗内的频带被选为工作频带；

上述问题会影响无线自组网的传输性能，为了进一步提高传输性能，进一步的，采取如下方法：

设定一个分值门限；

如果通信节点在一个检测窗上获得的分值不小于该门限，则该通信节点在该检测窗内的频带上采用上述调制方式的传输性能能够满足性能要求；

对于每个检测窗，其对应的分值数量等于通信节点的数量，分别计算分值不低于分值门限的通信节点比例，最终可以得到对应检测窗数量的比例值，选择最大比例值对应的检测窗内的频带作为工作频带。

假设一个包含8个节点的无线自组网，其中节点1为中心节点。存在一个无线频段，包括5个频点，带宽为L＝50MHz。按照上述发明方案，对于每个通信节点，按照划窗的方法将整个频段划分为M＝5个检测窗，每个检测窗长度为B＝10MHz，如图7所示，这时候两个窗的重叠部分S＝0Hz。

假设每个通信节点连续接收100ms的时域数据，每1ms包含15360个时域数据。对于10MHz的工作频带，包括600个带宽为15kHz的子载波，需要进行1024点FFT变换；因此，每1ms的时域数据需要进行15360/1024＝15次FFT变换，100ms时域数据共需要进行1500次FFT变换。对于每次FFT变换，得到了带宽为50MHz的频域数据，按照检测窗数目，可以划分为5组；对于每个检测窗对应的频域数据，分别计算600个子载波频域数据的功率，因此一次FFT变换可以得到5*600个频域数据功率。

对于每1ms对应的15*5*600个频域数据功率，15组频域数据功率对应叠加得到5*600个频域数据功率之和，即15组数据的第一个频域数据功率分别叠加，依次类推，到最后一个频域数据功率分别叠加。得到的一组频域数据功率之和除以15，获得5*600个频域数据功率均值。假设通信节点采用两天线进行接收，则每根接收天线分别获得一组频域数据功率均值，然后将两根天线对应的频域数据功率均值进行叠加，并除以接收天线数目，获得5*600频域数据功率均值。对于每个检测窗，包含600个频域数据功率均值，保留部分频域数据功率均值，例如保留6个子载波共90kHz的频域数据功率均值，因此得到5个90kHz的频域数据功率均值。对于100ms，100个5*90kHz的频域数据功率均值分别叠加，然后除以100，获得5*90kHz的频域功率谱，这个频域功率谱视为检测窗的平均噪声功率NoisePower。

以QPSK调制方式为例，假设接收信号功率为SignalP，分别计算每个90kHz子载波对应的信噪比为SignalP/NoisePower，根据信噪比计算接收信号功率为SignalP时的互信息量MI，对于QPSK调制，计算公式如下：

其中，γ为单位子载波的信噪比；a₁,b₁,c₁,a₂,b₂,c₂和d₂均为常数。

进一步地，根据互信息量MI计算CQI，继续将CQI映射成分值Score，其中计算CQI方法与现有技术相同，对于QPSK调制，映射成分值Score的公式为Score＝4+CQI*2。最终50MHz频带共获得5个Score值，所有通信节点将自己的5个Score值分别发送给中心节点，其中通信节点3和通信节点7采用两跳方式将结果发送给中心节点1，其他通信节点直接将结果发送给中心节点1。

对于每个检测窗，中心节点将该检测窗对应的8个Score值进行叠加，共得到5个Score和值。中心节点选取最大Score和值对应的检测窗内的工作频带作为整个网络的工作频带。或者地，设置一个Score值门限，对于每个检测窗，分别计算Score值超过门限的通信节点数目，选取通信节点数目最大值对应的检测窗内的工作频带作为整个网络的工作频带。

中心节点1将选取的工作频带结果发送给网络中所有通信节点，当通信节点2～8全部接收到工作频带结果之后，整个网络中的传输都基于该工作频带。由于频率情况不断发生变化，所以无线自组网需要周期性地进行频谱情况感知，并根据感知结果选择新的工作频带。当到达一个预设的周期时间后，网络中的通信节点重复步骤一～步骤四，重现选择一个新的工作频带。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种无线自组网分布式频率选择方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：无线自组网所有通信节点分别在预设的一段连续的无线频带内通过划窗方法和数字信号处理技术进行频谱情况感知，并得到频谱感知结果；

步骤二：无线自组网通信节点分别将各检测窗的频谱感知结果传输给中心节点或临时的决策节点；

步骤三：中心节点或临时的决策节点根据预设的选择策略对频谱感知结果进行频率选择，并得到频率选择结果，选择出来的频谱资源作为整个网络的工作频带；

步骤四：中心节点或临时的决策节点将频率选择结果通过广播方式传输给网络中的通信节点，所有通信节点之间的业务传输都在所选择的频谱资源上进行；

步骤五：在到达预设的时间后，网络中的通信节点重复上述步骤一至步骤四，重新选择工作频带；

无线自组网所有通信节点在进行频谱情况感知时所采用的划窗方法如下：

在频谱感知前，无线频带在预设的一段连续的无线频带内从低频端开始划分为若干个检测窗；

每个检测窗带宽与无线自组网的实际工作频带带宽相同且均为BHz，预设的连续的无线频带带宽为LHz，且L>B，相邻的两个检测窗的起始位置相差SHz，且S≤B，预设无线频带内包含的检测窗的数目M：M＝integer((L-B)/S)+1；

无线自组网所有通信节点在进行频谱情况感知时采用的数字信号处理技术的具体步骤如下：

(1)每个通信节点作为一个接收端，连续接收T个时间单元内的时域数据；

(2)通信节点将每个时间单元内的时域数据进行多次FFT变换，得到多组带宽为LHz的频域数据，每组频域数据分别计算功率；

(3)对于任意时间单元，通信节点将多组频域数据功率对应叠加，每个频域数据功率之和除以组的数量，获得频域数据功率均值；

(4)对于任意时间单元所对应的频域数据，一个检测窗对应带宽为BHz的频带内的频域数据的功率均值，每个检测窗仅保留带宽为B_subHz的频域数据的功率均值，其中B_sub≤B；

(5)对于每个检测窗，T个带宽为B_subHz的频域数据的功率均值分别叠加，并除以时间单元数目T，最终得到M个为B_subHz的频域数据的功率均值，即频域噪声功率；

(6)根据预先设定的调制方式对应的接收信号功率水平和所述频域噪声功率分别计算该调制方式对应的信噪比，根据信噪比计算该调制方式对应的互信息量；

(7)根据互信息量和预设置的映射表，可以映射得到该调制方式对应的CQI，根据CQI和预设方式计算一个衡量频谱质量的分值。

2.如权利要求1所述的一种无线自组网分布式频率选择方法，其特征在于，步骤三中的中心节点或临时的决策节点在确定无线自组网采用的工作频带时采取如下方法：

中心节点或临时的决策节点分别将网络中所有通信节点的各检测窗频谱感知结果分别对应相加，获得分别对应不同检测窗的感知结果之和，选择感知结果之和最大值对应的检测窗内的频带作为工作频带。

3.如权利要求1所述的一种无线自组网分布式频率选择方法，其特征在于，步骤三中的中心节点或临时的决策节点在确定无线自组网采用的工作频带时采取如下方法：

设定一个分值门限；

如果通信节点在一个检测窗上获得的分值不小于该门限，则该通信节点在该检测窗内的频带上采用上述调制方式的传输性能能够满足性能要求；

对于每个检测窗，其对应的分值数量等于通信节点的数量，分别计算分值不低于分值门限的通信节点比例，最终可以得到对应检测窗数量的比例值，选择最大比例值对应的检测窗内的频带作为工作频带。

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