CN103002449B - 一种基于频域的认知无线电协同感知与频谱竞争的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于频域的协同检测与频谱竞争的认知无线电传输模式，用以解决认知无线电网络中因控制信息传输而占用大量频谱资源，从而降低频谱利用率问题的通信方法。本发明基于OFDM调制技术，从无线局域网物理层入手，利用OFDM调制技术在频域上具有的多载波特性，将协同检测以及频谱竞争两个独立而且互不相关的控制过程叠加在頻域上，从而使这两个过程可以在同一时间内并行进行，因而极大地减少了传输控制信息所占用的时间以及带宽。这种频域的并行控制大大减少了传统时域串行控制中信号交换传输所需的时间，从而增加了数据信号传输的时间，提高了频谱利用率，增大了网络吞吐量。

Description

一种基于频域的认知无线电协同感知与频谱竞争的方法

技术领域

本发明涉及一种基于频域的协同检测与频谱竞争模式，用以解决认知无线电网络中因控制信息传输而占用大量频谱资源，从而降低频谱利用率问题的通信方法。该方法可以将传统串行进行的协同检测与频谱竞争并行分配到频域内上，从而大大降低了这两个控制过程占用频谱的时间，提高了频谱利用率，增大了网络总吞吐量。

背景技术

随着无线通信技术的发展，无线用户的数量急剧增加，无线频谱资源变得越来越紧张，如何充分提高无线频谱的利用率成为亟待解决的技术问题。尤其是随着无线局域网(WLAN)技术、无线个人域网络(WPAN)技术的发展，越来越多的人通过这些技术以无线的方式接入互联网。这些网络技术大多使用非授权的频段(UFB)工作。由于WLAN、WRAN无线通信业务的迅猛发展，这些网络所工作的非授权频段已经渐趋饱和。另一方面，一些通信业务(如电视广播业务等)需要通信网络提供一定的保护，使他们免受其他通信业务的干扰。为了提供良好的保护，频率管理部门专门分配了特定的授权频段(LFB)以供特定通信业务使用。与授权频段相比，非授权频段的频谱资源要少很多，因为大部分的频谱资源均被用来做授权频段使用。然而，相当数量的授权频谱资源的利用率却非常低，比如数字电视频段。因此，现在的频谱使用率趋于两极分化。某些部分的频谱资源相对较少但其上承载的业务量很大，而另外一些已授权的频谱资源利用率却很低。基于目前的频谱资源分配方法，我们可以说有相当一部分频谱资源的利用率是很低的。

基于现今频谱利用率低的问题，认知无线电(Cognitive Radio, CR) 技术提出了一种新的解决思路。认知无线电的概念起源于1999年Joseph Mitola博士的奠基性工作。其核心思想就是使无线通信设备具有发现“频谱空洞”并合理利用所发现的“空洞”的能力。“频谱空洞”是指在空域、时域和频域中出现的可以被利用的频谱资源。 当然，这一定要建立在已授权频段没用或只有很少的通信业务在活动的情况下。认知无线电的核心思想就是使无线通信设备具有发现“频谱空洞”并合理利用的能力。这种学习能力可以使认知无线电用户与周围环境交互信息，以感知和利用在该空间的可用频谱，并限制和降低冲突的发生。虽然认知无线电技术能以更为灵活的方式来管理有限的频谱资源，但要真正将其应用于实际通信***还需解决包括频谱检测、自适应频谱资源分配和无线频谱管理等关键技术问题。具体来讲，当非授权通信用户通过“借用”的方式使用已授权的频谱资源时，必须保证他的通信不会影响到其他已授权用户的通信。要做到这一点，非授权用户必须按照一定的规则来使用所发现的“频谱空洞”

频谱检测最广泛采用的方法是能量检测，因为能量检测技术简单实用。然而，在无线信道中，无线信号会受到多径衰落、阴影以及本地噪声不确定性的影响，导致频谱检测性能的急剧下降。针对这个问题，D.Cabric 等人提出了协同频谱检测算法。随着参与协同检测的认知用户树木的增大，频谱检测性能逐渐增强。这个方法很好地利用了无线传输空间多样性的特点来提高频谱检测的性能。然而，协同检测比单一检测的过程要复杂很多。过多的认知用户参与协同检测会使整个认知无线电网络的感知时间过长，从而降低感知的灵敏度，并且大大占用了频谱的使用，造成了巨大的***开销。同时，自适应频谱资源分配也是认知无线电网络一个亟需解决的难题，尤其是分布式无线网络之中。在获得检测结果之后，认知用户需要通过相互之间的协调通信来确定频谱的使用。这样的协调通信需要消耗很大的频谱资源，也是***资源开销的一部分。因此，怎样减少协同感知以及频谱分配的开销是认知无线电网络的一个关键问题。

申请号为200910183817，申请日为2009年07月31日的国内发明专利申请公开了一种认知无线电中的异步协同频谱感知方法。该方法规定各认知节点根据本地判决的可靠性，以异步传输的方式向中心节点发送本地判决结果，从而在在保证检测性能的同时，在一定程度上减少了检测时间，降低了对授权用户的干扰时间，而且提高频谱空穴的接入利用率一定程度上。然而，该方法并没考虑频谱竞争的过程，而且没有利用无线信道的频域特点进行传输，因此并不能更高效率的利用频谱。本方法将协同感知和频谱竞争两个独立的过程并行的分配到频域进行，从而大大减少了控制信号的传输时间以及占用带宽，有效提高了频谱利用率。

申请号为201210038957，申请日为2012年2月13日的国内发明专利申请公开了一种基于最佳中继的自适应协作频谱感知方法。该方法利用次用户ＳＵ及认知中继ＳＲ对主用户ＰＵ进行初始检测。最后融合中心ＦＣ根据指示ｔａｇ执行最终决策，完成协作频谱感知。该方法因加入了认知中继，可有效降低报告信道上的错误传输概率，提高感知性能，节约信令开销。然而，该方法也没有考虑频谱竞争过程，因而信令开销，即控制信号的传输，依旧不能够有效减少，因为不能利用更多的时间和频谱进行数据传输。本发明利用OFDM调制方式的频域特性，将协同检测和频谱竞争两个过程并行的执行，从而大大减少了信令开销，提高了频谱利用率。

申请号为201210069827，申请日为2012年3月16日的国内发明专利申请公开了一种认知无线电***中的频谱切换方法和设备。该方法由基站提出指定次用户可以使用的频谱资源。在频谱切换过程中，次用户在搜索到可用频谱之后，利用专门的控制信道进行非竞争随机接入过程，可以减小竞争失败的概率及延迟，从而降低频谱切换失败概率，提高ＣＲ***的用户体验。然而，该方法没有考虑分布式认知无线电网络，因此并不适用于缺少基站的分布式网络中。该方法也没有考虑协同检测过程，因此并不能有效的降低控制信号的***开销。本方法同时降低了协同检测与频谱竞争的资源消耗，从而极大提高了频谱利用率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，在分布式认知无线电网络中，在保证频谱检测以及自适应频谱分配性能的基础上，尽可能的减少其所需要传输的控制信息，从而减少信令开销，为数据信息传输争取更多的时间，以提高频谱利用率，增大网络吞吐量。

在分布式认知无线电网络中，因为不存在融合节点或中心节点用来汇总并通知协同频谱检测的结果，以及分配已有的频谱进行数据传输，以上过程需要次用户独立完成。这就需要次用户之间进行大量通信，来交换其频谱检测结果。参与检测的次用户越多，所需要交换的控制信息量就越大。因此，协同检测虽然可以提高检测的精确度，在一定程度上也存在着折中。如果交换检测结果需要花费大量时间，那么最终得到的检测结果时效性将大大降低，从而降低了频谱利用率。另一方面，当次用户获得检测结果之后，多个数据信道，多块频谱的竞争在分布式网络中亦需要消耗大量资源来进行。参与竞争的次用户数量越多，潜在的冲突也就越多，因而需要协商的时间会随之增加，频谱利用率也会随之大大降低。

本发明旨在设计一种可以在频域并行执行协同频域检测以及频谱竞争的方法，使得次用户可以在分布式的网络环境内，尽可能交换最少的控制信息而来完成频谱检测结果的交换，以及可用频谱的传输竞争。当协同频谱检测以及频谱竞争并行的分配到频域内的时候，这两个过程可以同时执行，并且只消耗固定的时间，从而大大降低了信令开销，增大频谱利用率。

本发明包含的模块为：分级载波结构、全双工微元报告信道、基于接收端的传输竞争以及基于次序匹配的频谱分配算法。

为了尽量减少控制信号传输所占用的时间，关键问题是将传统协议中串行执行的协同检测和频谱竞争过程并行分配到频域中。这样可以保证在固定时间内同时完成这两个过程，而不会像传统方式那样，随着参与检测与竞争的此用户数量增多，所需的控制信息传输时间随之增大。并且，原始的控制信号，包括需要报告的检测结果，以及频域竞争所采用的信号都不便于直接采用到并行传输中去，因为原始控制信号需要传输的信息太过庞大。因此，这些控制信息需要进过特别设计，在不损失信息量的情况下压缩和精简，以便更加适合于并行传输。

为了达到并行执行协同检测和频谱竞争的目的，本发明利用正交频分载波复用(Orthogonal Frequency Division Multiplex, OFDM) 调制解调技术在频域上具有多载波调制特性。多载波调制技术是一种并行体制，它将高速率的数据序列经串/并变换后分割成为若干路低速数据流，每一路低速数据采用一个独立的载波调制，叠加在一起构成发送信号。借助这种多载波特性，本发明在频域将控制信道分为微元报告信道和微元竞争信道。协同检测以及频谱竞争需要的多个数据可以分别调制到不同信道的子载波上面，然后并行传输到去空气当中。

对于协同检测而言，传统的结果报告方式是由每一个检测的次用户在控制信道传输对于每一个数据信道的检测结果。之后，各个次用户根据一定的融合规则来获得最总的频谱使用情况。不同于以往方式，本发明设计了一种微元报告信道，即将检测结果压缩为1比特的信息用来报告。具体来讲，由控制信道的不同子载波来代表检测的不同数据信道。相应的，当某个子载波上面传送的信号是“1”时，代表这个子载波对应的信道是繁忙的，不能使用。“0”代表子载波对应的信道是空闲的，可以使用。通过这种方式，可以将汇报结果所需要的控制信息量减少到最低。

由于不同的次用户会有不同的检测结果，每一个次用户应该分配一个微元报告信道，来报告自己对于每个数据信道的检测结果。在分布式网络中，这种分配也需要由次用户自己完成。本发明将这个分配问题阐述为一个无向图的点染色问题。图中每一个点代表每一个次用户，而每一条边代表微元报告信道的分配冲突关系。然后利用同步分布式算法对每一个点进行染色，最后得到的染色方案就是微软报告信道的分配结果。

传统的无线收发器是半双工的，因此，次用户在发送自己的报告结果时，无法收到其他次用户的各个信号。为了解决这个问题，本发明采用全双工的无线收发器，以保证次用户在发送自己的控制信号时，可以随时监听到其他次用户发送的控制信号。这样，发送和接收过程就可以并行进行，保证了***的并行性。

对于多信道竞争而言，每个次用户也需要一个微元竞争信道进行传输申请。微元竞争信道的分配方式具有和微元报告信道一样的分配方式。在***建立初期，每个次用户利用无向图点染色的方式，来分配自己的微元报告信道和微元竞争信道。每个发送端次用户将自己接收端次用户的MAC地址用哈希函数映射成一个n比特的信息，然后利用自己的微元竞争信道进行发送，以此表示要与该次用户进行数据传输。在下一个时隙，收听到传输请求的次用户通过在自己的微元竞争信道发送随机数进行竞争，以此达到二次握手和竞争的目的。

最后，本发明采用一种基于次序匹配的频谱分配算法来分配多信道的传输。次用户将可用的信道根据其中心频点由小至大排序，同时多个次用户根据竞争所选择的随机数由小至大排序。根据排序的结果，次用户在相匹配的信道进行传输。这种分配算法可以节省竞争时间，减少多轮竞争带来的开销，有效提高频谱利用率。

本发明基于OFDM频域的多载波特性，将协同检测与频谱竞争模式并行传输，用以解决认知无线电网络中因控制信息传输而占用大量频谱资源，从而降低频谱利用率的问题，能达到的有益效果如下：

在不影响协同检测性能的情况下，可以大大降低分布式网络中检测结果报告以及融合时需要消耗的频谱资源，提高了检测结果的灵敏度以及时效性，提高了频谱利用率。；

可以极大减少分布式网络中自适应分配时，次用户竞争所消耗的频谱资源，有效的在频域进行信道分配和竞争，降低了竞争冲突以及多信道轮询所消耗的时间；

有效将协同检测和频谱分配并行分布在频域内，降低了串行执行时所需要消耗的频谱资源，节省了控制信号的传输时间，增大信道利用率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为分布式认知无线电网络频谱检测示意图。

图2为传统与理想的分布式无线网络协作检测与频谱竞争对比。

图3为分级结构示意图。

图4为多信道竞争示意图。

其中图3中所示黑色实线为多信道竞争频段，黑色虚线为协同检测频段。

具体实施方式

如图1所示，当分布式认知无线电采用协同频谱检测时，每个次用户都要先进行独立的频谱感知。之后再利用汇报信道进行结果交换和融合。汇报信道一般是预先规定好的特定信道，为所有次用户使用。当结果融合之后，次用户再根据自己的传输需求进行频谱，在可用的数据信道上进行传输。

如图2所示，传统的分布式认知无线电网络将协同检测和频谱竞争在时域上串行执行。次用户首先进行独立的频谱检测，在获得检测结果之后，次用户利用预先分配的时隙交换检测结果，并在其他时隙进行整理融合。当多轮交换之后，次用户根据自己的传输需求对可用的频谱进行竞争。如果竞争出现冲突，次用户需要退避一段时间，再继续竞争。如果竞争成功，次用户可以在相应的信道进行传输。由此可见，在数据传输之前，控制信息的交换占用了大量的***开销。而利用OFDM调制的多载波特性，本发明将协同感知的结果报告与频谱竞争并行分配到控制信道的频域中，用固定的时间进行交换竞争，因此大大减少了控制信号的传输时间，提高了频谱利用率。

如图3所示，所有的控制信息都在多功能时段内完成，该时段包括两个时隙。控制信道在频域划分成两个部分，多信道竞争频段BM和协同检测频段BC。每个频段分别包含相应的微元信道，比如微元竞争信道和微元报告信道。在协同检测频段，每个数据信道被分配相等数目的载波，即微元报告信道。每个微元报告信道可供所有的次用户进行检测结果报告，具体来讲，每个微元报告信道内都会有一个载波都分配给一个次用户，专门供该次用户发送其检测结果。若某次用户在其微元报告信道的相应载波发送一个“1”，则表示该次用户检测到该信道非空闲，若发送一个“0”，则表示其检测结果为该信道是空闲的。在多功能时隙时，每个次用户在发送自己的检测结果时，利用全双工收发器同时接收其他次用户的检测结果，最后将所有结果融合，得到可用的频谱资源。

对于多信道竞争频段而言，每个发送端次用户先将其接收端的MAC地址哈希成一个值，如图4所示，次用户BM1、BM2、BM3和BM4的哈希值分别为3、1、2和4。次用户BM2和BM4有数据要发送，其接收端分别为BM1和BM3。因此，在多功能时段时隙1的时候，BM2和BM4分别在其微元竞争信道发送3和2，表示BM1和BM3是其接收端。在下一个时隙，BM1和BM3随机挑选一个数值作为其竞争号码，分别为12和7，并在其微元竞争信道上发送12和7。这样就完成了二次握手以及竞争。最后，次用户利用基于次序的信道分配算法，将可用的数据信道和竞争号码排序，可得出次用户BM4和BM3在数据信道1传输，而次用户BM2和BM1在数据信道2传输。通过这种频域叠加的方式，协同感知和频谱竞争只占用固定的时间进行传输，即两个时隙时间。因此极大降低了控制信号的***开销，提高了频域利用率。

Claims (9)

1.一种基于频域的认知无线电协同感知与频谱竞争的方法，其特征是 ：基于无线网络节点全双工模式，通过分级载波结构、全双工微元报告信道、基于接收端的传输竞争以及基于次序匹配的频谱分配算法四个模块，首先利用正交频分多路复用（Orthogonal frequency-division multiplexing, OFDM）的多载波调制特性，在频域将控制信道分为微元报告信道和微元竞争信道，将协同检测以及频谱竞争需要的多个数据分别调制到不同信道的子载波上面，将传统串行进行的协同检测与频谱竞争分配到频域内上并行进行；每一个次用户应该分配一个微元报告信道，来报告自己对于每个数据信道的检测结果，微元报告信道将检测结果进行压缩 ；每个次用户也需要一个微元竞争信道进行传输申请，每个次用户利用无向图点染色的方式，来分配自己的微元报告信道和微元竞争信道 ；并采用基于次序匹配的频谱分配算法，将频谱按照其中心频点由小至大排序,同时多个次用户根据竞争所选择的随机数由小至大排序，根据排序的结果,次用户在相匹配的信道进行传输，从而大大降了这两个控制过程占用频谱的时间，提高了频谱利用率，增大了网络总吞吐量 , 解决认知无线电网络中因控制信息传输而占用大量频谱资源的问题。

2.根据权利要求1所述的基于频域的认知无线电协同感知与频谱竞争的方法，其特征是 ：基于正交频分多路复用（Orthogonal frequency-division multiplexing, OFDM）平台。

3.根据权利要求1所述的基于频域的认知无线电协同感知与频谱竞争的方法，其特征是 ：利用无线网络全双工模式，令用户在发送检测结果以及频谱竞争时，同时获得其他用户的控制信息。

4.根据权利要求1所述的基于频域的认知无线电协同感知与频谱竞争的方法，其特征是 ：利用OFDM多载波的特性，将控制信道的载波分级，将高速率的数据序列经串/并变换后分割成为若干路低速数据流，每一路低速数据采用一个独立的载波调制，叠加在一起构成发送信号，从而并行的执行协同检测以及频谱竞争。

5.根据权利要求4所述的基于频域的认知无线电协同感知与频谱竞争的方法，其特征是 ：由控制信道的不同子载波来代表检测的不同数据信道，相应的，当某个子载波上面传送的信号是“1”时，代表这个子载波对应的信道是繁忙的，不能使用；“0”代表子载波对应的信道是空闲的，可以使用，微元报告信道通过这种方式，将汇报结果所需要的控制信息量减少到最低。

6.根据权利要求5所述的基于频域的认知无线电协同感知与频谱竞争的方法，其特征是 ：协同检测利用全双工的微元报告信道进行结果融合，有效地将融合时间控制在两个时隙之内，避免了传统结果融合的大量时间消耗。

7.根据权利要求1所述的基于频域的认知无线电协同感知与频谱竞争的方法，其特征是 ：发送端在频谱竞争时段利用哈希函数表示接收端，即每个发送端次用户将自己接收端次用户的 MAC 地址用哈希函数映射成一个 n 比特的信息，然后利用自己的微元竞争信道进行发送，以此表示要与该次用户进行数据传输，从而减少了竞争信令需要的资源消耗，有效地将频谱竞争控制在两个时隙之内。

8.根据权利要求1所述的基于频域的认知无线电协同感知与频谱竞争的方法，其特征是：收听到传输请求的次用户通过在自己的微元竞争信道发送随机数进行竞争，在频谱竞争时段，由接收端产生随机数来进行频谱竞争，既完成了二次握手，又有效地进行了频谱竞争。

9.根据权利要求1所述的基于频域的认知无线电协同感知与频谱竞争的方法，其特征是 ：竞争结果利用基于次序匹配的频谱分配算法进行分配，同时多个次用户根据竞争所选择的随机数由小至大排序，用户根据测量结果对可用频谱进行排序，并根据竞争结果确定传输次序，由此免去了多轮协商需要消耗的***开销，极大提高了频谱利用率，增加了整体网络吞吐量。