TWI466554B - 感知無線電之多通道媒體接取控制方法 - Google Patents

感知無線電之多通道媒體接取控制方法 Download PDF

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Description

感知無線電之多通道媒體接取控制方法
本發明是有關於一種多通道媒體接取控制方法，特別是有關於一種感知無線電之多通道媒體接取控制方法。
1999年約瑟夫．米托拉(Joseph Mitola)在軟體無線電(Software Defined Radio，SDR)的基礎上，提出了認知無線電(Cognitive Radio，CR)的概念，認知無線電最基本的形式，是指包含軟體定義無線電的一種智慧無線通信技術，其中軟體定義無線電被應用於擴頻通信。認知無線電在不對其他用戶造成干擾的情況下，提高了射頻(RF)頻譜的利用率。
又，認知無線電(Cognitive Radio，CR)是指一種包含一個智慧型收發器的無線通信技術，智慧型收發器能智慧檢測出哪些波段未被佔用，以及哪些波段正在被使用，當檢測出某些波段未被佔用時，CR系統就可以暫時使用該波段進行通信。認知無線電的其他功能，包括收發器確定其地理位置的能力、對用戶進行確定和授權的能力、加密或者解密信號的能力、感應周邊正在運行的無線設備的能力以及調整輸出功率和調製特性的能力。
其中，發射機調製是由電腦生成或者定義的，而接收機則使用電腦收回情報信號。擴頻指的是這樣一種無線通信形式，被發送的信號的頻率是根據數學時域功能任意變動的。要想攔截信號，接收機必須使用這一功能調諧到非常準確的頻率。
再者，具有感知能力的智慧型收發器能夠在時域、頻域和空域的多維空間，對較寬的頻段不斷地進行頻譜偵聽，能夠偵測到這些頻段內主系統(Primary System)，從而能得知頻譜(Spectrum)的使用情況。即使是未獲得頻率使用許可的感知設備，只要在時域或空域發現某一特定頻段未被佔用，就可以使用該頻段進行通信。整個過程可以通過“偵聽-感知-自適應”的迴圈來表示。換言之，智慧型收發器可以感知到周圍的環境特徵，並自動調整發射和接收參數。
又，感知無線電技術要能夠即時偵聽較寬的頻譜，以發現“頻譜空洞”(即該頻段內主用戶未佔用的頻譜)。同時為了不對主用戶造成有害干擾，感知用戶在通信過程中，需能夠快速檢測到主用戶的再次出現，以便及時騰出帶寬給主用戶使用。
另，感知無線網路(Cognitive Radio Network，CRN)可將不同的通訊系統整合在一起，例如蜂巢式行動通訊網路(cellular network)、無線區域網路(WLAN)、個人區域網路(PAN)等等，藉由其互補的通訊特性，依照使用者的所在位置、移動狀況、傳輸速率需求與品質，提供隨時隨地的通訊服務，讓整體的通訊效率更高且無死角。
然而，在感知無線電中雖已有許多人致力於使通訊效率更高更好，但多通道媒體接取協定仍有許多瑕疵、問題以及挑戰，其問題在於，在現有的感知無線電中需要以專用控制通道(Dedicated Control Channel)，消除 或避開次級使用者(Secondary User)與主系統碰撞的機會，缺乏以全面性的考量所有避免碰撞或消除碰撞的機制及適當的選擇通道；而更嚴重的問題是，在感知無線電中整合不同的通訊系統的動態通道存取問題，若其感知無線電設備與主系統並非於同一通訊系統，多通道媒體控制存取協定(multichannel MAC protocol)需要解決的問題，並非只有在同一通訊系統內的感知無線電設備，甚至是需要考量到跨通訊系統間的存取競爭問題。
針對上述的問題，亦有若干研究者提出一些相關的解決方案或手段，但仍有許多技術瓶頸未能突破。此些多通道媒體控制存取協定大致可被分為下列幾種類別：
1.專用控制通道協議(Protocols with Dedicated Control Channels)：係在存在複數主系統的多重通道之中刻意保留一個控制通道用來交換控制訊息，違反了感知無線電的設計理念。
2.跳點模式協議(Protocols with Common Hopping)：所有感知無線電跟隨相同的跳點模式，在共同選定的單一通道交換控制訊息，無法提高通道使用效率。
3.分段協議(Split Phase Protocols)：係在相同的專用通道內，分別在不同的時間內進行控制段(control phase)及資料段(data phase)處理，此種作法與前述保留單一個控制通道的作法具有相同的問題。
4.多重協調協議(Multiple Rendezvous Protocols) ：係類似於在多重通道中”獨立”出一個控制通道，以便於多重通道中進行多重傳輸，但此種作法僅適用於單一種無線電中。
綜上所述，如何突破上述的各種技術瓶頸，並能在不同的通訊系統的多重通道間，有效的避免碰狀或消除碰撞，用以進行動態資料傳輸，進而消除同一通訊系統內及跨通訊系統間的通道存取競爭，乃是目前多通訊系統的多重通道感知無線電技術亟待解決的問題。
有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之目的就是在提供一種感知無線電之多通道媒體接取控制方法，以解決多重通道間進行動態資料傳輸的各技術瓶頸。
根據本發明之一目的，提出一種感知無線電之多通道媒體接取控制方法，係應用在完全分散式隨機網路，其包括複數個主系統(Primary System)及複數個感知無線電裝置(Cognitive Radio Device)，且各主系統及感知無線電裝置係於複數個通道間進行傳輸控制及資料傳輸，此方法當任一主系統欲進行傳輸控制及資料傳輸時，其將優先佔用任一通道進行傳輸控制及資料傳輸，而各感知無線電裝置則經由感知過程，獲取已被任一主系統或任一感知無線電裝置所佔用的通道，及在通道內以消除/避免碰撞(Contention Avoidance/Resolution mechanism)機制，用以選擇閒置通道，使其資料經由閒置通道轉發到骨幹網路。
其中，感知過程係包括利用消除碰撞及避免碰撞演算法 ，藉以消除碰撞及避免碰撞，使得各感知無線電裝置能夠進行資料傳輸。
其中，感知過程更包括利用通道選擇演算法，經由分散選擇方式從多重通道中選出其中一個通道，進行資料傳輸。
承上所述，依本發明之感知無線電之多通道媒體接取控制方法，其可具有一或多個下述優點：
(1)感知無線電裝置藉由感知過程，使得感知無線電裝置可以動態地調整通道的使用機率，有效地內減低與主系統及其他感知無線電裝置產生碰撞之機率，提高整體通道使用效率。
(2)感知無線電裝置藉由感知過程，使得感知無線電裝置能妥適地使用的未被主系統佔用的閒置通道，避免感知無線電裝置干擾各通道上主系統。
(3)感知無線電裝置藉由感知過程，使得感知無線電裝置在通道內消除/避免碰撞，減緩各感知無線電裝置間彼此的通道競爭。
本發明係一種感知無線電之多通道媒體接取控制方法，係應用在一完全分散式隨意網路(fully-distributed ad-hoc network)。請參閱第1圖，其係為本發明應用於完全分散式隨機網路之示意圖。圖中，完全分散式隨機網路包括複數個主系統(Primary System)PS1、PS2…PSk及複數個感知無線電裝置(Cognitive Radio Device)CR1、CR2…CRk，且各主系統及感知無線電裝置係於複數個通道間進行傳輸控制及資料傳輸，當任一主系統欲進行傳輸控制及資料傳輸時，其將優先佔用任一通道進行傳輸控制及資料傳輸，而各感知無線電裝置則經由一感知過程，獲知已被任一主系統或其他感知無線電裝置所佔用的通道，及在通道內以一消除/避免碰撞(Contention Avoidance/Resolution mechanism)機制，另選擇閒置的通道，使其資料經由閒置通道被轉發到骨幹網路，藉以改善網路的傳輸效率。
在本發明之一實施例中，請參閱第2圖，係為本發明多通道媒體接取訊框架構示意圖。圖中，消除/避免碰撞機制更包括一通道選擇策略，感知無線電裝置依照通道選擇策略，係從感知無線電裝置所傳送的一封包(Packet)的訊框(Frame)開始期間選出預備傳輸之通道；通道選出後感知無線電裝置進行頻譜偵測，避免干擾主系統之傳輸；無線電裝置在碰撞消除/避免後進行封包傳輸。
請參閱第3圖，係為本發明各主系統與感知無線電裝置在各通道傳輸資料的狀態示意圖。圖中，水平方向為時間軸，垂直方向為通道數，各方格表示一個訊框(Frame)，其中格狀線條的方格處即屬主系統的佔用通道，而空白方格即屬閒置通道，故，若僅以各通道的第二及三訊框而言，其中通道一的第二訊框、第三訊框，以及通道四的第二訊框已為主系統的佔用通道，因此，感知無線電裝置無法在通道一的第二訊框、第三訊框，以及通道四的第二訊框中傳輸資料。而各感知無線電裝置CR1、CR2 、CR3分別在通道二的第二及三訊框、通道三的第二訊框，以及通道四的第三訊框中，係感知到閒置通道，故可在各訊框時間內進行資料傳輸，以避免各感知無線電裝置與主系統碰撞，或各感知無線電裝置間彼此碰撞。
又，在本發明中，消除/避免碰撞機制至少包括下列兩個部份：(1)利用感知過程獲取主系統與感知無線電裝置彼此間通道佔用狀況，用以消除碰撞及避免碰撞；(2)利用感知過程獲取各感知無線電裝置彼此間通道佔用狀況，用以消除碰撞及避免碰撞。
承上所述，消除/避免碰撞機制進行上述操作的過程，係以一消除碰撞及避免碰撞演算法(Contention Avoid-ance/Resolution Algorithm)，藉以消除碰撞及避免碰撞，使得各感知無線電裝置能夠進行可靠的資料傳輸。
又，其中消除碰撞及避免碰撞演算法更進一步係利用頻譜感知過程，用以標記出主系統所佔用通道，或標記出未被主系統所佔用通道，用以解決主系統與感知無線電裝置的通道競爭問題。再更進一步利用頻譜感知過程標記出可被各感知無線電裝置使用的閒置通道，使得各感知無線電裝置間彼此的通道競爭問題得以減緩。而消除碰撞及避免碰撞演算法gk(n)，係可表示為如下所示：g k (n)=Prob(S k =1|n CRs attempt to transmit over channel k)
在上式中Sk係指各感知無線電裝置之可用的閒置通道，其中閒置通道係以k表示。又消除碰撞及避免碰撞演算法gk(n)可被區分成兩個部份，其一是閒置通道k的可獲取性，其係指此通道尚未被主系統佔用；其二是在各感知無線電裝置間解決碰撞問題；又在此傳輸架構下其實體層首先定義1 k (t)表示第k通道在時槽(slot)t時間內，將可供進行傳輸，並可以表示為下列方式：
再者，若在頻譜感知過程中以Pf表示頻譜感知失敗率以及以Pd表示頻譜感知偵測率，將更進一步定義將閒置通道k的可獲取性，表示為如下所示：
又若頻譜感知過程中頻譜感知失敗率為零，則頻譜感知偵測率即為1，則閒置通道k的可獲取性，將可化簡為如下所示：
據上所述，利用消除碰撞及避免碰撞演算法，將使得頻譜感知過程中，得以減緩各感知無線電裝置間彼此的通道競爭，達到消除碰撞及避免碰撞之目的。
再者，感知無線電裝置的通道選擇策略，係利用一通道 選擇演算法，經由分散選擇方式從各通道中選出其中一個通道，作為閒置通道並進行資料傳輸。感知無線電裝置的通道選擇演算法Γ，係可表示為如下所示：Γ={p 1,p 2,...,p k }
其中p 1，p 2，…p k 係表示通道1、2…k的被感知無線電裝置選中的機率，所有閒置通道k的總合機率Σ k p k =1。透過妥適之演算法之設計(如相等機率、比例機率、凸面最佳化Convex Optimization…等)取得Γ後，即能分散並減緩整體通道競爭情況，並能達到無需保留交換控制資訊的特定通道，進而解決習知技術需要保留至少一個通道進行控制交換資訊之問題。
綜上所述，請參閱第4圖所示，係本發明感知過程的處理流程圖。圖中，感知無線電裝置利用通道選擇演算法及消除碰撞及避免碰撞演算法的消除/避免碰撞機制，係可被歸納成如下列的處理步驟：
(S1)選擇通道期間：當感知無線電裝置欲傳送資料，其即於訊框(Frame)起始時，利用感知到的訊息運行一通道選擇演算法Γ，選擇其預備進行傳輸的閒置通道。
(S2)頻譜感知期間：執行頻譜感知過程用以判斷主系統當前的佔用通道，以及更新主系統的出現機率，舉例而言，當感知到主系統出現在任一通道中時，即標記為佔用通道，並更新各主系統使用中的佔用通道狀態，避免 感知無線電裝置使用佔用通道；
(S3)碰撞控制期間：感知無線電裝置選擇一碰撞退避值(backoff Value)，碰撞退避值係藉於0~Ncw之間，其中Ncw係為碰撞視窗大小(contention window size)，感知無線電裝置在每個閒置時槽(slot)期間內逐漸遞減碰撞視窗，並保持隨時偵聽(listening)所有通道；當判斷任一通道轉變為忙碌(busy)狀況，則碰撞退避值即減為0，並放棄於此通道中傳輸資料，否則，將此通道的設定為准予存取，使得此通道轉變為閒置通道；
(S4)資料傳輸期間：感知無線電裝置的資料傳輸時間，係開始於獲取閒置通道之後，且終止於閒置通道的訊框終點(如第2圖所示)，在此資料傳輸期間，係包括下列步驟：
(S401)通道的被設定為准予存取，此通道轉變為閒置通道，感知無線電裝置於傳送一傳輸確認信號，即可傳輸資料；
(S402)當感知無線電裝置於閒置通道內完成傳輸資料後，再傳送一個完成確認信號； 在上述步驟中，各感知無線電裝置於閒置通道的傳輸資料期間內，保持沉默直到閒置通道的訊框終點(end of frame)為止。
為說明各感知無線電裝置未使用前述的感知過程，係以馬爾可夫鏈(Markov chain)及穩定狀態近似法進行模擬，其模擬參數K(通道數量)=10,20,30；Γ(通道選擇策 略)={1/K}，η(多通道訊框的操作效率)=0.95，NCW(碰撞退避值)=5，qr(轉播率)=0.2，qk(主系統啟閉伯努利過程的參數)=0.05，請參閱第5~7圖所示，其中第5圖係可觀察出通道數量越少，其通道的流量會降低，且其嘗試傳輸率將會隨之提高。從第6圖係可觀察出不同嘗試傳輸率係出現於不同的通道數量，又從第7圖的不同的qk觀之，其嘗試傳輸率並不穩定。
又若將各感知無線電裝置使用前述的感知過程，係以馬爾可夫鏈(Markov chain)及穩定狀態近似法進行模擬，則可從第8~9圖觀察到，主系統與各感知無線電裝置將有效地減緩通道競爭，又由第10及11圖觀之，當通道數量增加時，通道流量會隨之增加。
綜上所述，各感知無線電裝置經由感知過程，即能動態選擇閒置的通道，並經由閒置的通道被轉發到骨幹網路，藉以改善網路的通道的使用效率。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
PS1、PS2…PSk‧‧‧主系統
CR1、CR2…CRk‧‧‧感知無線電裝置
第1圖係為本發明應用於完全分散式隨機網路之示意圖；第2圖係為本發明多通道媒體接取訊框架構示意圖；第3圖係為本發明各主系統與感知無線電裝置在各通道傳輸資料的狀態示意圖；第4圖係本發明感知過程的處理流程圖； 第5圖係各感知無線電裝置未使用前述的感知過程之一模擬示意圖；第6圖係各感知無線電裝置未使用前述的感知過程的另一模擬示意圖；第7圖係各感知無線電裝置未使用前述的感知過程的再一模擬示意圖；第8圖係各感知無線電裝置使用感知過程之一模擬示意圖；第9圖係各感知無線電裝置使用感知過程之另一模擬示意圖；第10圖係各感知無線電裝置使用感知過程之再一模擬示意圖；以及第11圖係各感知無線電裝置使用感知過程的又另一模擬示意圖。
PS1、PS2…PSk‧‧‧主系統
CR1、CR2…CRk‧‧‧感知無線電裝置

Claims (13)

  1. 一種感知無線電之多通道媒體接取控制方法，適用於完全分散式隨機網路，該完全分散式隨機網路包括複數個主系統及複數個感知無線電裝置，該感知無線電之多通道媒體接取控制方法，包括：各該主系統及各該感知無線電裝置係於複數個通道間進行傳輸控制及資料傳輸；當任一該主系統欲進行傳輸控制及資料傳輸時，其將優先佔用任一該通道進行傳輸控制及資料傳輸；以及各該感知無線電裝置則經由一感知過程，獲知已被任一該主系統或任一該感知無線電裝置所佔用的通道，及在該通道內以一消除/避免碰撞機制，另選擇各該通道中未被佔用的至少一個通道，作為一閒置通道並進行資料傳輸；其中該消除/避免碰撞機制至少包括以一頻譜感知過程獲取該主系統與該感知無線電裝置彼此間各該通道的佔用狀況，及利用該頻譜感知過程獲取各該感知無線電裝置彼此間的各該通道佔用狀況。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之感知無線電之多通道媒體接取控制方法，其中該消除/避免碰撞機制更包括一通道選擇策略，該感知無線電裝置利用該通道選擇策略，從該感知無線電裝置所傳送的一封包的一訊框開始期間選出該閒置通道；該閒置通道被選出後該感知無線電進行頻譜偵測，避 免干擾該主系統之傳輸；以及使得該主系統在碰撞消除/避免後，該感知無線電裝置進行封包傳輸。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之感知無線電之多通道媒體接取控制方法，其中該感知無線電裝置係在該閒置通道的該訊框期間內完成資料傳輸。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之感知無線電之多通道媒體接取控制方法，其中該消除/避免碰撞機制，係以一消除碰撞及避免碰撞演算法，消除/避免該主系統及該感知無線電裝置之間的資料傳輸碰撞，且該消除碰撞及避免碰撞演算法如下所示：g k (n)=Prob(S k =1|n CRs attempt to transmit over channel k)；其中，參數g k (n)為該消除碰撞及避免碰撞演算法，參數S k 為各感知無線電裝置之可用的閒置通道，參數k為該閒置通道，參數n為該等感知無線電裝置的數量。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之感知無線電之多通道媒體接取控制方法，其中該消除碰撞及避免碰撞演算法進一步利用該頻譜感知過程，用以標記出該主系統的佔用通道，或標記出未被該主系統所佔用通道。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之感知無線電之多通道媒體接取控制方法，其中該消除碰撞及避免碰撞演算法更進一步根據該頻譜感知過程，標記出可被該感知 無線電裝置使用的該閒置通道。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之感知無線電之多通道媒體接取控制方法，其中該感知無線電裝置的該通道選擇策略，係利用一通道選擇演算法，經由一分散選擇法從各該通道中選出其中一個通道，作為該閒置通道，以供進行資料傳輸，且該通道選擇演算法如下所示：Γ={p 1，p 2，...，p k }其中，參數Γ為該通道選擇演算法，參數p 1，p 2，...，p k 分別為通道1、2、...、k被該感知無線電裝置選中的機率。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之感知無線電之多通道媒體接取控制方法，其中該該消除/避免碰撞機制係包括一選擇通道期間、一頻譜感知期間、一碰撞期間及一資料傳輸期間。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之感知無線電之多通道媒體接取控制方法，其中該選擇通道期間，係當各該感知無線電裝置欲傳送資料，即於該訊框(Frame)起始時，使用該通道選擇演算法，選擇其預備進行傳輸的該閒置通道。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之感知無線電之多通道媒體接取控制方法，其中該頻譜感知期間係執行該頻譜感知用以判斷該主系統當前的該佔用通道，以及更 新該主系統的出現機率。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之感知無線電之多通道媒體接取控制方法，其中該碰撞期間係該感知無線電裝置選擇一碰撞退避值，該碰撞退避值係介於0~Ncw之間，Ncw為自然數，且該碰撞退避值係為一碰撞視窗大小，該感知無線電裝置在每一時槽(slot)期間內逐漸遞減碰撞視窗，並保持隨時偵聽各該通道；當判斷該任一通道轉變為忙碌狀態時，則該碰撞退避值即減為0，並放棄於該忙碌狀態的通道中傳輸資料；以及當判斷該任一通道未被設定為忙碌狀態時，則設定為該閒置通道。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之感知無線電之多通道媒體接取控制方法，其中該資料傳輸期間，各該感知無線電裝置的資料傳輸時間，係開始於獲取該閒置通道之後，且終止於該閒置通道的訊框終點。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之感知無線電之多通道媒體接取控制方法，其中該資料傳輸期間更包括：當該任一通道轉變為該閒置通道時，該感知無線電裝置於傳送一傳輸確認信號，即可傳輸資料；當各該感知無線電裝置於各該閒置通道內完成傳輸資料後，再傳送一個完成確認信號；以及當各該感知無線電裝置於該閒置通道的傳輸資料期 間外，係保持沉默直到各該閒置通道的訊框終點為止。
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