CN104066094B - 一种基于两级轮询的无线认知网络频谱接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于两级轮询的无线认知网络频谱接入方法，本发明以两级轮询控制技术为核心，以提高频谱利用率，减小用户频谱接入时延为出发点，给出认知网络中用户接入授权频段后，授权用户优先的多用户信道共享策略。基于预约的轮询接入控制方式可有效避免碰撞，针对应急通信中时延敏感业务，在保障授权用户正常通信的前提下，仅对有业务需求的用户分配信道，从传输时延、网络吞吐量等方面，为认知用户和授权用户提供QoS保障。且采用基于预约的并行调度方法控制认知用户的信息发送，可避免冲突且提高信道利用率，此外，采用两级轮询接入控制方法能有效保证信道中授权用户优先级及认知用户间的公平性。

Description

一种基于两级轮询的无线认知网络频谱接入方法

技术领域

本发明涉及一种无线网络相关技术，尤其涉及一种基于两级轮询的无线认知网络频谱接入方法。

背景技术

物联网技术的发展加大了无线通信业务需求的快速增长，也使得有限的频谱资源更加稀缺。传统的授权网络中，授权用户只能在授权频带上工作，使用静态的信道接入方式来完成通信，频谱利用率较低；认知无线电网络中，认知用户本身没有频谱授权，而是在不干扰授权用户的前提下访问网络，即采用动态频谱接入(dynamic spectrum access,DSA)技术，有效提高了频谱的利用率。目前建立了在部分可观察马尔科夫过程(POMDP)框架下的非集中式OSA网络MAC层协议，但存在次用户间资源共享公平性无法保障的不足(IEEETransactions on Signal Processing,2009,57(2):783-797)，另一种方法是，要求次用户通过根据自身业务特性及距离因素选择最优接入信道的方法达到保证公平性和减小碰撞概率的目的(通信学报,2012,33(4):25-30)，专利号为：CN101754234A的技术方案提出了一种将马尔科夫链的接入预测统计模型方法和载波侦听多路访问接入协议相结合,提出一种基于马尔科夫链和载波侦听多路访问的机会频谱接入方法，专利号为CN102256261A的技术方案基于着色图理论建立了一种具有网络认知能力的动态频谱接入方法，专利号为CN101854640A的技术方案提出利用连续时间马尔科夫链捕捉记录***的状态转移,计算出最优接入信息指导认知用户进行频谱选择。上述文献中讨论了认知用户对接入频段的检测与选取方法，而在确定接入频段后采用的调度方法未进行讨论。当有多个认知用户存在于同一频段时，仅采用载波侦听的多路访问的方法，一方面不能有效避免冲突，由冲突引起的重发会降低信道利用率并增加时延，另一方面不能保障授权用户提供信道占用优先权和多认知用户间的信道占用公平性。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于两级轮询的无线认知网络频谱接入方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明基于两级轮询的无线认知网络频谱接入方法，包括以下步骤：

(1)定义帧格式：

用户与基站交换三类信息包：数据请求帧(RTS)、数据帧(DATA)和确认帧(ACK)，信息包中的Frame Control字段定义与IEEE802.15.4相同，其中使用b₀b₁b₂位标明信息包类型，b₀b₁b₂＝000表示数据请求帧；b₀b₁b₂＝001表示数据帧；b₀b₁b₂＝010表示确认帧，FCS字段为16bit的ITU-T CRC校验位；

(2)初始化：

在初始化阶段，基站需要根据用户反馈信息进行用户状态划分，并根据用户状态生产或更新轮询表，具体方法为：

方法一：基站通过与认知用户交换信息实现认知用户管理，包括认知用户加入和离开状态的更新，以及轮询表的生成和更新；

用户加入：新认知用户确定接入目标信道向基站发出加入授权信道申请，基站接收后为认知用户分配ID号，标注为活动状态，休眠状态的认知用户在有数据请求时被激活告知基站后，基站将其恢复为活动状态；

用户离开：认知用户离开存在三种情况可能：(a)无数据发送，进入休眠；(b)用户掉电或其他故障；(c)用户移动，离开网络；情况(a)中，认知用户向基站报告状态，基站在轮询表中将该用户状态更新为休眠；情况(b)、(c)中基站在请求信息发送后标记时间戳，超过macDataWaitDuration未收到数据，则判断请求对象离开；其中：

macDataWaitDuration＝aUnitBackoffPeriod+aTurnaroundTime+phySHRDuration+┌phySymbolsPerOctet┐；

方法二：根据用户状态生成或更新轮询表，基站负责调度轮询表的生产和更新；

轮询表产生规则：(a)仅将活动状态的用户列入轮询表，包括在轮询表尾部添加新加入的活动用户以及去除离开和休眠状态用户；(b)按照两级轮询顺序建立轮询表：连续两个认知用户之间都要轮询授权用户一次；例如，对于存在在N个认知用户SUi(i＝1,2,3,…,N)和一个授权用户PU的共享信道，轮询表顺序为：PU→SU₁→PU→SU₂→L→PU→SU_i→L→PU→SU_N；

(3)两级轮询并行调度：

当信道中存在多个用户时，基站根据轮询表顺序，对用户进行调度：

步骤1：广播轮询表；

步骤2：按轮询表顺序发送数据请求包；

步骤3：接收数据，根据数据发送者回复ACK确认帧，当数据来自认知用户，在ACK确认帧中捎带数据请求信息；当数据来自授权用户，ACK确认帧中数据请求字段置为无效，直至收到最后一个数据后，再在ACK确认帧中按轮询表顺序捎带认知用户的数据请求信息；若超时未收到数据，或数据包I_last字段为1，修改该用户状态为离开；按轮询表顺序向下一节点发送数据请求包；步骤4：检测到用户状态更新信息，返回步骤1；

(4)授权用户优先信道占用：

授权用户收到数据请求后对信道的占用方式为：只要缓冲区中有数据分组存在就一直占用信道进行传输，直至缓冲区完全为空再释放信道进入离开状态，具体控制算法是：

步骤A：数据到达，发送频谱接入申请，等待接入；

步骤B：接收基站轮询表，进入活动状态，侦听信道；

步骤C：若侦听到数据请求或ACK确认帧，则发送数据；

步骤D：按完全服务策略发送完所有数据后，进入休眠状态，当新数据到达则进行步骤A；

认知用户在收到数据请求时后对信道的占用方式为：发送一个数据分组后释放信道，等待下一次数据请求，保持活动状态直至完成缓冲区内数据传输，具体控制算法是：

步骤a：发送接入申请；

步骤b：接收轮询表，若超时仍未收到轮询表，返回步骤a；

步骤c：若侦听到数据请求，则发送1个数据包；若侦听到ACK确认帧，根据Dsn和SNEXT字段判断是否为请求对象，若是则发送1个数据包；

步骤d：若缓冲为空则休眠，此后若有新数据到达则进行步骤a；若缓冲区不为空则继续侦听。

本发明的有益效果在于：

本发明是一种基于两级轮询的无线认知网络频谱接入方法，与现有技术相比，本发明适用于每个授权信道中存在一个授权用户，且认知用户负荷较高，在同一频段上有多个认知用户共存的无线认知网。本发明以两级轮询控制技术为核心，以提高频谱利用率，减小用户频谱接入时延为出发点，给出认知网络中区分用户状态的两级轮询频谱接入控制方法。基于预约的轮询接入控制方式可有效避免碰撞，针对应急通信中时延敏感业务，在保障授权用户正常通信的前提下，仅对有业务需求的用户分配信道，从传输时延、网络吞吐量等方面，为认知用户和授权用户提供QoS保障。且采用基于预约的并行调度方法控制认知用户的信息发送，可避免冲突且提高信道利用率，此外，采用两级轮询接入控制方法能有效保证信道中授权用户优先级及认知用户间的公平性。

附图说明

图1是三类信息帧格式；

图2是Frame Control字段格式；

图3是认知用户接入流程图；

图4是授权用户接入流程图；

图5是基站调度流程图；

图6是区分用户状态的两级轮询频谱接入方法实施例。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本发明基于两级轮询的无线认知网络频谱接入方法，包括以下步骤：

(1)定义帧格式：

用户与基站交换三类信息包：数据请求帧(RTS)、数据帧(DATA)和确认帧(ACK)，(如图1所示)信息包中的Frame Control字段(如图2所示)定义与IEEE802.15.4相同，其中使用b₀b₁b₂位标明信息包类型，b₀b₁b₂＝000表示数据请求帧；b₀b₁b₂＝001表示数据帧；b₀b₁b₂＝010表示确认帧，FCS字段为16bit的ITU-T CRC校验位；

数据请求帧(RTS)：用于基站向数据采集节点请求数据，包括Frame Control、Src、Dest、Serv_type和FCS字段，其中Frame Control字段为控制字段，2字节；Src字段2字节，标明发送者地址；Dest字段2字节，标明接收者地址；Serv_type字段1字节标明数据接收方式，Serv_type＝00表示限定(k＝1)方式，Serv_type＝FF表示完全接收方式；FCS字段为16bit的ITU-TCRC校验位；

数据帧DATA：授权用户和认知用户发往基站的数据，包括Frame Control、Src、Dest、Dsn、I_last、Data、FCS字段，其中Src、Dest、FCS字段定义与RTS中相同，Dsn字段1字节，标明当前数据序号，I_last字段1字节，标明当前数据包是否为缓冲区中最后一个数据，I_last＝FF表示是，I_last＝00表示缓冲区中还有剩余数据；DATA字段为数据信息，长度可变；

ACK确认帧：基站发送给授权用户和认知用户，用于确认数据接收及数据请求，Frame Control、Src、Dest、Dsn、SNext、FCS字段，其中Src、Dest、FCS字段定义与RTS中相同，Dsn字段2字节，标明申请收到的下一数据包序号，SNEXT字段2字节，标明为下一个请求对象地址；

(2)如图3至图5所示：初始化：

在初始化阶段，基站需要根据用户反馈信息进行用户状态划分，并根据用户状态生产或更新轮询表，具体方法为：

方法一：基站通过与认知用户交换信息实现认知用户管理，包括认知用户加入和离开状态的更新，以及轮询表的生成和更新；

用户加入：新认知用户确定接入目标信道向基站发出加入授权信道申请，基站接收后为认知用户分配ID号，标注为活动状态，休眠状态的认知用户在有数据请求时被激活告知基站后，基站将其恢复为活动状态；

用户离开：认知用户离开存在三种情况可能：(a)无数据发送，进入休眠；(b)用户掉电或其他故障；(c)用户移动，离开网络；情况(a)中，认知用户向基站报告状态，基站在轮询表中将该用户状态更新为休眠；情况(b)、(c)中基站在请求信息发送后标记时间戳，超过macDataWaitDuration未收到数据，则判断请求对象离开，

其中：

macDataWaitDuration＝aUnitBackoffPeriod+aTurnaroundTime+phySHRDuration+┌phySymbolsPerOctet┐

式中：aUnitBackoffPeriod：单位退避时间，参照IEEE802.15.4典型值为20；aTurnaroundTime：传送周期，发送者与接收完成一次往复交换的时间，参照IEEE802.15.4典型值为12；phySHRDuration：物理层信标中的SHR同步信标头长度，参照IEEE802.15.4典型值为3，7，10，40；┌phySymbolsPerOctet┐：为phySymbolsPerOctet上取整，phySymbolsPerOctet表示物理层中平局每字节的符号数，参照IEEE802.15.4典型值为0.4，1.6，2，8；

方法二：根据用户状态生成或更新轮询表，基站负责调度轮询表的生产和更新；

轮询表产生规则：(a)仅将活动状态的用户列入轮询表，包括在轮询表尾部添加新加入的活动用户以及去除离开和休眠状态用户；(b)按照两级轮询顺序建立轮询表：连续两个认知用户之间都要轮询授权用户一次；例如，对于存在在N个认知用户SUi(i＝1,2,3,…,N)和一个授权用户PU的共享信道，轮询表顺序为：PU→SU₁→PU→SU₂→L→PU→SU_i→L→PU→SU_N；

(3)两级轮询并行调度：

当信道中存在多个用户时，基站根据轮询表顺序，对用户进行调度：

步骤1：广播轮询表；

步骤2：按轮询表顺序发送数据请求包；

步骤3：接收数据，根据数据发送者回复ACK确认帧，当数据来自认知用户，在ACK确认帧中捎带数据请求信息；当数据来自授权用户，ACK确认帧中数据请求字段置为无效，直至收到最后一个数据后，再在ACK确认帧中按轮询表顺序捎带认知用户的数据请求信息；若超时未收到数据，或数据包I_last字段为1，修改该用户状态为离开；按轮询表顺序向下一节点发送数据请求包；步骤4：检测到用户状态更新信息，返回步骤1；

(4)授权用户优先信道占用：

授权用户收到数据请求后对信道的占用方式为：只要缓冲区中有数据分组存在就一直占用信道进行传输，直至缓冲区完全为空再释放信道进入离开状态，具体控制算法是：

步骤A：数据到达，发送频谱接入申请，等待接入；

步骤B：接收基站轮询表，进入活动状态，侦听信道；

步骤C：若侦听到数据请求或ACK确认帧，则发送数据；

步骤D：按完全服务策略发送完所有数据后，进入休眠状态，当新数据到达则进行步骤A；

认知用户在收到数据请求时后对信道的占用方式为：发送一个数据分组后释放信道，等待下一次数据请求，保持活动状态直至完成缓冲区内数据传输，具体控制算法是：

步骤a：发送接入申请；

步骤b：接收轮询表，若超时仍未收到轮询表，返回步骤a；

步骤c：若侦听到数据请求，则发送1个数据包；若侦听到ACK确认帧，根据Dsn和SNEXT字段判断是否为请求对象，若是则发送1个数据包；

步骤d：若缓冲为空则休眠，此后若有新数据到达则进行步骤a；若缓冲区不为空则继续侦听。

具体如下表所示：

实施例：

如图6所示：本实施例中的认知网络具有1个基站BS、1个授权用户PU和两个认知用户SU1和SU2，认知用户接入授权信道后，按照区分用户的两级轮询频谱接入方法与授权用户共享信道使用权。认知用户和授权用户共享相同频段信道其具体步骤如下：

1、SU1有数据发送需求，申请加入授权信道，进入活动状态；

2、基站根据用户状态创建并广播轮询表：PU→SU₁→PU；

3、SU1接收轮询表；

4、t1时刻：基站首先向授权发送数据请求包，RTS中Dest字段为PU地址；

5、授权用户PU正确接收后开始向基站发送数据，在最后一个数据包中I_last字段置为FF，其余数据包I_last字段置为00。完成发送后进入休眠状态直至下一个数据到达后被唤醒。

6、t2时刻：基站收到I_last字段置为FF的数据包后，将向授权用户发送的ACK确认帧中Dsn字段置为00，SNext字段置为SU1地址，捎带表示向认知用户SU1请求数据。

7、t3时刻：SU1侦听到ACK确认帧后确认自己为下一请求节点，向S发送数据；此时为最后一个数据包中I_last字段置为FF。

8、t4时刻：授权用户PU被唤醒向基站提交申请，恢复活动状态；

9、t5时刻：基站接收数据，判断数据来源于认知用户，收到一个数据包后即在回复的ACK确认帧中SNext字段置为PU地址，捎带表示向授权用户PU请求数据；检测I_last字段置为FF，将SU1修改为休眠状态。

10、授权用户PU通过侦听其中Dest字段为普通节点地址，从而判断自己为下一数据请求对象，开始发送数据；

11、t6时刻：认知用户SU2由于数据到达被唤醒，向基站发送申请后恢复活动状态；

12、基站接收来自授权用户PU数据，检测到I_last字段为FF，将PU修改为休眠状态；

13、基站更新轮询表：SU₂；

14、ACK确认帧中捎带对认知用户SU2的数据请求信息；

15、t7时刻：SU2侦听到数据请求，发送数据；

16、无用户状态改变，基站按照轮询表顺序继续向SU请求数据；

17、t8时刻：PU因数据被唤醒，向基站发出接入申请；

18、用户状态改变，基站更新轮询表：PU→SU₂→PU；

19、t9ACK确认帧中按照轮询表捎带PU的数据请求信息；

20、t10PU侦听到数据请求信息，开始数据发送。

以上显示和描述了本发明专利的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种基于两级轮询的无线认知网络频谱接入方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)定义帧格式：

用户与基站交换三类信息包：数据请求帧(RTS)、数据帧(DATA)和确认帧(ACK)，信息包中的Frame Control字段定义与IEEE802.15.4相同，其中使用b₀b₁b₂位标明信息包类型，b₀b₁b₂＝000表示数据请求帧；b₀b₁b₂＝001表示数据帧；b₀b₁b₂＝010表示确认帧，FCS字段为16bit的ITU-T CRC校验位；

数据请求帧：用于基站向数据采集节点请求数据，包括Frame Control、Src、Dest、Serv_type和FCS字段，其中Frame Control字段为控制字段，2字节；Src字段2字节，标明发送者地址；Dest字段2字节，标明接收者地址；Serv_type字段1字节标明数据接收方式，Serv_type＝00表示限定(k＝1)方式，Serv_type＝FF表示完全接收方式；FCS字段为16bit的ITU-T CRC校验位；

数据帧：授权用户和认知用户发往基站的数据，包括Frame Control、Src、Dest、Dsn、I_last、Data、FCS字段，其中Src、Dest、FCS字段定义与RTS中相同，Dsn字段1字节，标明当前数据序号，I_last字段1字节，标明当前数据包是否为缓冲区中最后一个数据，I_last＝FF表示是，I_last＝00表示缓冲区中还有剩余数据；DATA字段为数据信息，长度可变；

确认帧：基站发送给授权用户和认知用户，用于确认数据接收及数据请求，FrameControl、Src、Dest、Dsn、SNext、FCS字段，其中Src、Dest、FCS字段定义与RTS中相同，Dsn字段2字节，标明申请收到的下一数据包序号，SNEXT字段2字节，标明为下一个请求对象地址；

(2)初始化：

在初始化阶段，基站需要根据用户反馈信息进行用户状态划分，并根据用户状态生产或更新轮询表，具体方法为：

方法一：基站通过与认知用户交换信息实现认知用户管理，包括认知用户加入和离开状态的更新，以及轮询表的生成和更新；

用户加入：新认知用户确定接入目标信道向基站发出加入授权信道申请，基站接收后为认知用户分配ID号，标注为活动状态，休眠状态的认知用户在有数据请求时被激活告知基站后，基站将其恢复为活动状态；

用户离开：认知用户离开存在三种情况可能：(a)无数据发送，进入休眠；(b)用户掉电或其他故障；(c)用户移动，离开网络；情况(a)中，认知用户向基站报告状态，基站在轮询表中将该用户状态更新为休眠；情况(b)、(c)中基站在请求信息发送后标记时间戳，超过macDataWaitDuration未收到数据，则判断请求对象离开；其中：

macDataWaitDuration＝aUnitBackoffPeriod+aTurnaroundTime+phySHRDuration+┌phySymbolsPerOctet┐

式中：aUnitBackoffPeriod：单位退避时间，参照IEEE802.15.4典型值为20；aTurnaroundTime：传送周期，发送者与接收完成一次往复交换的时间，参照IEEE802.15.4典型值为12；phySHRDuration：物理层信标中的SHR同步信标头长度，参照IEEE802.15.4典型值为3，7，10，40；┌phySymbolsPerOctet┐：为phySymbolsPerOctet上取整，phySymbolsPerOctet表示物理层中平局每字节的符号数，参照IEEE802.15.4典型值为0.4，1.6，2，8；

方法二：根据用户状态生成或更新轮询表，基站负责调度轮询表的生产和更新；

轮询表产生规则：(a)仅将活动状态的用户列入轮询表，包括在轮询表尾部添加新加入的活动用户以及去除离开和休眠状态用户；(b)按照两级轮询顺序建立轮询表：连续两个认知用户之间都要轮询授权用户一次；例如，对于存在在N个认知用户SUi和一个授权用户PU的共享信道，轮询表顺序为：PU→SU₁→PU→SU₂→L→PU→SU_i→L→PU→SU_N；

(3)两级轮询并行调度：

当信道中存在多个用户时，基站根据轮询表顺序，对用户进行调度：

步骤1：广播轮询表；

步骤2：按轮询表顺序发送数据请求包；

步骤3：接收数据，根据数据发送者回复ACK确认帧，当数据来自认知用户，在ACK确认帧中捎带数据请求信息；当数据来自授权用户，ACK确认帧中数据请求字段置为无效，直至收到最后一个数据后，再在ACK确认帧中按轮询表顺序捎带认知用户的数据请求信息；若超时未收到数据，或数据包I_last字段为1，修改该用户状态为离开；按轮询表顺序向下一节点发送数据请求包；步骤4：检测到用户状态更新信息，返回步骤1；

(4)授权用户优先信道占用：

授权用户收到数据请求后对信道的占用方式为：只要缓冲区中有数据分组存在就一直占用信道进行传输，直至缓冲区完全为空再释放信道进入离开状态，具体控制算法是：

步骤A：数据到达，发送频谱接入申请，等待接入；

步骤B：接收基站轮询表，进入活动状态，侦听信道；

步骤C：若侦听到数据请求或ACK确认帧，则发送数据；

步骤D：按完全服务策略发送完所有数据后，进入休眠状态，当新数据到达则进行步骤A；

认知用户在收到数据请求时后对信道的占用方式为：发送一个数据分组后释放信道，等待下一次数据请求，保持活动状态直至完成缓冲区内数据传输，具体控制算法是：

步骤a：发送接入申请；

步骤b：接收轮询表，若超时仍未收到轮询表，返回步骤a；

步骤c：若侦听到数据请求，则发送1个数据包；若侦听到ACK确认帧，根据Dsn和SNEXT字段判断是否为请求对象，若是则发送1个数据包；

步骤d：若缓冲为空则休眠，此后若有新数据到达则进行步骤a；若缓冲区不为空则继续侦听。