一种认知无线网络中的无线接入方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种认知无线网络中的无线接入方法和系统，其是在认知无线网络中，利用认知导频信道来辅助认知用户终端的无线接入，所述方法包括：接入方法，是认知用户终端接入授权系统的空闲频点的方法；频谱切换方法，是主用户出现或认知用户的服务质量下降到一定阈值时所触发的频谱切换方法。本发明主要考虑认知用户的通信过程，包括认知终端开机后的初始接入过程、网络环境信息获取方式、主用户出现时的退让与切换以及通信质量下降引起的频谱切换等，在通信过程中，利用认知导频信道来获取环境的频谱信息、辅助终端快速发现网络和频谱接入，避免了认知终端对大范围频谱的扫描与感知的操作，从而实现认知终端快速接入网络的过程。
【专利说明】一种认知无线网络中的无线接入方法和系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线网络，特别涉及一种认知无线网络中的无线接入方法和系统，尤其涉及一种认知无线网络中利用认知导频信道即认知导频信道辅助无线接入的方法和系统。
【背景技术】
[0002]近年来，认知无线网络得到了各界的关注。认知无线网络由授权系统和非授权系统组成，其中，授权系统是指由频谱管理机构授权使用某段频谱的通信系统，且授权系统的通信不受其他系统的干扰，在通常情况下，授权系统所占频段的利用率不是很高，往往存在空闲的频段；非授权系统是指运行在非授权频谱上或认知获取的频谱上的通信系统，在认知无线系统中，认知系统旨在再次利用授权系统中的空闲的频段。授权系统的用户称为主用户(primary user,PU),指归属于授权系统并运行在其授权频段的用户；在非授权系统的用户称为认知用户或次用户(secondary user/cognitive user, SU/CRU),指通过获取非授权频段内的空闲频谱并对这些空闲频谱进行频谱借用的用户。所谓空闲频谱，是指某频带被分配给主用户，但是在某些时域、频域或空域没有被主要户利用的频谱。所谓频谱借用，是指认知用户通过频谱感知和周围环境的信息获取，发现授权系统中的空闲频谱，在不对授权用户通信造成干扰的前提下，以借用的方式对空闲频谱进行见缝插针式的使用，当主用户出现时，认知用户及时退出频谱，从而提高频谱利用率。在接入频谱的过程中，主用户接入频谱的优先级比次用户的优先级高，需要通过各种技术保证次用户的通信不能对主用户造成干扰，如对次用户进行功率控制、改变次用户的调制方式、次用户进行频谱退让与切换等。在认知无线网络中，CRU对授权系统频段内的可用空闲频谱进行借用，前提是保证不对主用户的通信造成干扰。而授权系统中的主用户按照以前的方式进行通信，假设它并不知道有认知用户的存在，只要有需要就按照现有协议规定接入网络。
[0003]由于授权用户对频谱的使用情况是不确定的，时刻变化的，从而导致系统中的可用空闲频谱集合也在不断变化。认知用户在初始接入网络时，对网络环境十分陌生，而且终端内存储的上次使用的频点信息很可能处于忙状态，因此基于存储信息的小区选择意义不大，在很大概率上需要进行初始小区选择。在这种情况下，就需要终端对各个授权系统中的授权频段的使用情况进行感知，通过对各可用空闲频谱的评估，才能决定如何选择其工作频谱。但是这个频谱感知以及数据融合的过程需要很长时间而且耗能大，会减少便携终端使用时间，降低用户使用的满意度。
[0004]所以，本专利提出利用认知导频信道(Cognitive Pilot Channel, CPC)来辅助终端的初始无线接入。认知用户通过对认知导频信道消息的获取，得到认知无线网络的各种必要信息(如:接入网络信息、可用频谱信息、网络所能提供的业务信息、网络负载情况信息、网络策略信息等)，从而实现对网络环境的初始感知、网络发现和自主的网络接纳选择等操作，避免终端直接进行频谱感知和数据融合，降低接入的复杂度和终端耗能。
[0005]关于该认知无线网络中利用认知导频信道即认知导频信道辅助无线接入的方法和系统，存在如下技术:
[0006]专利文献I (专利号CN201010150099.5):感知导频信道支持的认知系统初始化方法、装置和系统，该专利提供一种认知导频支持的认知系统中终端与工作频点建立链接的方法。通过终端向认知导频AP发送频点初始化请求(即初始接入网络)，认知导频AP发送频点初始化响应消息包含认知导频专用资源描述信息。根据认知导频专用资源指示的上行接入信道，终端在该上行接入信道上发送终端的感知信息，基站通过广播向终端发送感知信息。由终端的感知信息和基站的感知信息的交集非空来决策终端的工作频点，并在决策的工作频点上建立链接。多个用户进行初始化请求时，给每个用户分配不同的认知导频专用资源以及不同的上行接入信道。
[0007]专利文献2 (专利号为CN201110075531.3):认知导频传输方法及基于认知导频的无线接入方法和系统，该专利提供一种认知导频的传输方法以及给出了一种认知导频辅助终端进行无线接入的方式。通过将认知导频分为主级认知导频和次级认知导频，根据无线接入类型的覆盖情况来考虑主级认知导频和次级认知导频的加载在无线接入类型的固定物理资源和可变物理资源的方式，将认知导频信息发送至终端，以实现用户网络和无线资源的优化。首先需要通过扫描确定主级认知导频的加载位置，根据无线接入类型的覆盖情况来决定如何加载认知导频信息。由主级认知导频辅助终端的初始接入，由次级认知导频辅助终端的持续性通信。
[0008]专利文献3 (专利号为CN201110405827.7): —种认知无线电系统中的频谱切换方法和设备，该专利提供一种认知系统频谱切换的方法。通过基站与用户约定一个用户传输频谱切换命令的认知无线电专用无线网络设备标识，在当前用户的工作频点上发现授权用户时，生成频谱切换命令，触发一系列频谱切换和频谱退让的操作过程。
[0009]专利文献4 (专利号为CN201210069827.9): —种认知无线电系统中的频谱切换方法和设备，该专利考虑基站通过频谱切换命令指令终端在频谱切换的目标频点的专用随机接入资源，从而实现终端在目标频点上的随机接入，减小切换失败率。
[0010]然而，在上述现有技术中，存在以下技术缺陷:
[0011]1、认知用户与认知网中授权系统的空闲频点的通信，应包括如开始的网络初始接入过程，网络环境信息获取方式，主用户出现时的退让及通信质量下降的频点切换等完整的通信过程，在专利文献I和专利文献2中，只能考虑了终端与网络的初始接入，在专利文献3和专利文献4中，只考虑了终端与网络的频谱切换，并没有对完整的认知用户的通信过程进行描述。
[0012]2、如专利文献I中所描述的，当多个用户进行初始化请求时，给每个用户分配不同的认知导频专用资源以及不同的上行接入信道，该方法不易保证认知用户的顺利接入网络，在接入过程中容易出现竞争。
[0013]3、如专利文献3中所描述的，“所述基站设备在当前工作频点上发现授权系统的用户出现后，生成频谱切换命令”只考虑了主用户出现时的频谱切换，并没有考虑到网络服务质量下降时也需要进行频谱切换，专利文献3只涉及频谱切换的方法，而没有对切换的网络类型进行考虑。
[0014]4、如专利文献4中所描述的，“基站通过频谱切换命令指定终端在频谱切换过程中所需要应用的目标工作频点上的专用随机接入资源”，由此来避免终端之间的接入竞争，但是并没有涉及完整频谱切换流程，也没有对切换的网络类型进行考虑。
【发明内容】
[0015]为了解决上述问题，本发明的目的在于公开一种认知无线网络中的无线接入方法和系统，在通信过程中，考虑认知用户的完整的通信过程，包括认知终端开机后的初始接入过程、网络环境信息获取方式、主用户出现时的退让与切换以及通信质量下降引起的频谱切换决策等，并利用认知导频信道来获取环境的频谱信息、辅助终端快速发现网络和频谱接入的方法，从而避免认知终端对大范围频谱的扫描与感知的操作，加快认知终端的快速接入网络的过程。
[0016]为了实现上述目的，本发明提出一种认知无线网络中的无线接入方法，用于在认知无线网络中的认知用户利用认知导频信道辅助终端接入授权系统的空闲频点，所述无线方法还包括:频谱切换步骤，用于主用户出现或认知用户的服务质量下降到一定阈值时从当前频点切换到其他空闲频点。
[0017]本发明的认知无线网络中的无线接入方法，包含以下接入步骤:
[0018]1、认知用户与所述认知导频信道进行同步，并使用自身携带的技术进行定位；
[0019]2、认知用户在所述认知导频信道的上行信道上，向认知基站发送认知导频请求消息，并携带自己的位置信息和用户识别码；
[0020]3、认知基站在所述认知导频信道的下行信道上，向终端发送相应mesh的认知导频接入辅助消息；
[0021]4、认知用户对所述接入辅助消息中的可用空闲频点按照终端携带的无线接入类型优先列表进行评估，并完成公共陆地移动网络选择、小区选择操作；
[0022]5、认知用户驻留在某个小区后，保持周期性判断是否进行小区重选操作，保证驻留在服务质量最好的小区；
[0023]6、认知用户在驻留的频点上向认知基站发起随机接入过程，认知基站向认知用户发出随机接入响应，从而使认知用户与认知基站建立链接；
[0024]7、认知基站为认知用户分配上行资源；
[0025]8、认知基站为认知用户分配下行资源。
[0026]本发明的认知无线网络中的无线接入方法，还包含以下频谱切换步骤:
[0027]9、认知基站检测主用户活动情况与认知用户通信质量，判决是否需要频谱切换；
[0028]10、认知基站触发频谱切换，告知认知用户停止业务，认知用户等待切换决策；
[0029]11、认知基站根据认知用户携带的终端的无线接入类型选择目标切换频点；
[0030]12、认知基站将选择的目标切换频点告知终端，终端根据目标切换频点信息重新建立与基站的链接。
[0031]13、认知基站为认知用户分配上行资源和下行资源，继续完成切换前未完成的传输任务。
[0032]本发明的认知无线网络中的无线接入方法，所述终端配置有无线接入类型偏好优先级列表。
[0033]本发明的认知无线网络中的无线接入方法，将所述认知导频信道划分为两个专用的信道作为认知导频上行信道和认知导频下行信道。[0034]本发明的认知无线网络中的无线接入方法，通过认知用户终端和认知基站来协作完成对无线认知网中授权系统的频谱感知过程，由认知基站根据感知结果决定认知终端的可用空闲频点。
[0035]本发明的认知无线网络中的无线接入方法，所述认知导频消息中携带可用空闲频谱信息，并将认知导频消息分为认知导频接入辅助消息和认知导频切换辅助消息两种；所述认知导频接入辅助消息和所述认知导频切换辅助消息同步进行更新，且这两个集合没有清楚的界限，灵活可变，但所述认知导频切换辅助消息的集合不能为空。
[0036]本发明的认知无线网络中的无线接入方法，在步骤3中，认知基站将频谱信息按认知导频响应消息的格式进行组织，所述认知导频响应消息的格式为不同“meSh#ID:0perator#i, RAT#j, frequency#!^..”的组合,其中频点可以是只罗列可用的空闲频点，也可以是每个频点被主用户使用的状态，所述认知导频响应消息中还可以包含每个频点上的其他信息，且所述认知导频响应消息根据最新的频谱感知融合结果进行不断地更新。
[0037]本发明的认知无线网络中的无线接入方法，在步骤4中，如果在该无线接入类型下小区选择不成功，则按照无线接入类型优先级列表，选下一个无线接入类型，在下一个无线接入类型的可用空闲频点进行尝试。
[0038]本发明的认知无线网络中的无线接入方法，在步骤4中，如果选择的不是最高优先级的无线接入类型，那么在进行小区搜索前要先进行重配置。在认知导频信道上申请重配置资源，下载对应协议进行终端重配置。
[0039]本发明的认知无线网络中的无线接入方法，在步骤6的随机接入过程中，认知基站对每个认知用户约定一个随机接入校验码，并对所有用户约定相同的随机接入响应的内容，只有通过所述随机接入校验码进行解码得到正确的随机接入响应，用户与基站的链接建立才成功。
[0040]本发明的认知无线网络中的无线接入方法，在步骤6的随机接入过程中，对于多个用户同时进行随机接 入的情况，只有最早请求的那一个认知用户能够得解码成功，没有得到正确解码的其他认知用户则随机接入失败。
[0041]本发明的认知无线网络中的无线接入方法，在步骤11中，如果当前无线接入类型下的可用空闲频谱集合为空，则根据当前终端业务传输类型，选择其他的无线接入类型中的可用空闲频谱。
[0042]本发明的认知无线网络中的无线接入方法，在步骤12中，如果认知用户接入或切换到与终端现有配置不一样的无线接入类型上时，需要先对终端进行重配置。
[0043]本发明的技术效果:
[0044]本发明申请能更好的与现有的无线接入系统融合，进一步说，将该方案应用于现有无线通信技术，通过认知导频信道辅助无线接入的方法，通过对认知导频信道消息来获取频谱环境信息，避免认知终端直接进行频谱感知和数据融合，降低接入的复杂度和终端耗能。此外，采用认知终端重配置方案，支持多种接入技术，有效利用现有网络设施，提高频谱利用率。
【专利附图】
【附图说明】
[0045]图1为本发明认知用户与认知网络的授权系统中的空闲频点接入流程图。[0046]图2为本发明认知用户与认知网络的授权系统中的空闲频点的频谱切换流程。【具体实施方式】
[0047]在本发明中，主要对认知用户的通信过程进行考虑，包括认知终端开机后的初始接入过程、网络环境信息获取方式、主用户出现时的退让与切换以及通信质量下降引起的频谱切换，尽量保证次用户通信的连续性。
[0048]下面对本发明涉及的认知无线网络中的无线接入方法进行详细描述:
[0049]假设认知用户都是可以进行重配置的，并且需要按照所选无线接入类型进行重配置之后才能使用该无线接入类型系统的频谱。此外，要求终端自身携带GPS、支持认知导频并能理解认知导频消息。每个终端都会自身携带无线接入类型偏好优先级列表，并按照最高优先级的无线接入类型进行配置好。
[0050]从感知过程耗时耗能的特点来看，考虑频谱感知过程由认知终端和认知基站协作完成，由认知基站对感知结果进行融合，并将融合得到的频谱信息按认知导频消息的格式进行组织。认知导频响应消息的格式为不同{mesh#ID:运营商operator#i,无线接入类型RAT# j,频点frequency#k...}的组合,其中频点可以是只罗列可用的空闲频点，也可以是每个频点被主用户使用的状态，另外，认知导频响应消息中还可以包含每个频点上的其他信息，如可用带宽、负载情况、功率水平等。认知导频消息是根据最新的频谱感知融合结果进行不断地更新的。
[0051]认知导频信道分为上行专用请求信道和下行认知导频消息传输信道。认知系统协调一个公共频点和特定的带宽作为认知导频信道设计，划分两个专用的信道作为认知导频上行信道和认知导频下行信道。
[0052]考虑将认知导频消息中的可用空闲频谱分为两部分，认知导频接入辅助消息，认知导频切换辅助消息。(相当于在可用空闲频谱集合中，预留一部分可用频谱作切换用。)认知导频接入辅助消息和认知导频切换辅助消息是同步进行更新的，而且这两个集合没有清楚的界限，灵活可变，但是认知导频切换辅助消息集合不能为空，用以保证正在通信的认知用户有备用退让频谱，减小通信中断率。
[0053]在通信过程中，主用户对频谱的使用(接入、切换)、次用户的切换以及次用户的初始接入三者间的优先级别为:主用户对频谱的使用(接入、切换)> 次用户的切换 > 次用户的初始接入。
[0054]假设某认知无线网络中包括多个无线接入类型技术:无线接入类型1、无线接入类型2、无线接入类型3、无线接入类型4...(如GSM、LTE、WIF1、WIMAX...)。
[0055]以下，对发明涉及的认知无线网络中的无线接入方法的认知用户与认知网络的授权系统中的空闲频点的接入方法进行说明，其接入流程图如图1所示。
[0056]步骤1:认知用户与认知导频信道进行同步，并使用自身携带的技术(如GPSJMF限于GPS)进行定位，表示成(经度，纬度)。
[0057]步骤2:认知用户在认知导频信道上行信道上向认知基站发送认知导频消息请求，并携带自己的位置信息和用户识别码(可以是注册过的用户ID，或用户随机生成的请求码等)，格式示例如表I所示，但不限于以下格式。
[0058]表I认知导频请求消息格式
【权利要求】
1.一种认知无线网络中的无线接入方法，用于在认知无线网络中的认知用户利用认知导频信道辅助终端接入授权系统的空闲频点，其特征在于，所述无线方法还包括:频谱切换步骤，用于主用户出现或认知用户的服务质量下降到一定阈值时从当前频点切换到其他空闲频点。
2.如权利要求1所述的认知无线网络中的无线接入方法，其特征在于，所述接入授权系统的空闲频点具体包括以下步骤: 步骤1、认知用户与所述认知导频信道同步，并使用自身携带的技术进行定位； 步骤2、认知用户在所述认知导频信道的上行信道上，向认知基站发送认知导频请求消息，并携带自己的位置信息和用户识别码； 步骤3、认知基站在所述认知导频信道的下行信道上，向终端发送相应mesh的认知导频接入辅助消息； 步骤4、认知 用户对所述接入辅助消息中的可用空闲频点按照终端携带的无线接入类型优先列表进行评估，并完成公共陆地移动网络选择、小区选择操作； 步骤5、认知用户驻留某个小区后，保持周期性判断是否进行小区重选操作，保证驻留在服务质量最好的小区； 步骤6、认知用户在驻留的频点上向认知基站发起随机接入过程,认知基站向认知用户发出随机接入响应，从而使认知用户与认知基站建立链接； 步骤7、认知基站为认知用户分配上行资源； 步骤8、认知基站为认知用户分配下行资源。
3.如权利要求1所述的认知无线网络中的无线接入方法，其特征在于，所述频谱切换步骤具体包括以下步骤: 步骤9、认知基站检测主用户活动情况与认知用户通信质量，判决是否需要频谱切换； 步骤10、认知基站触发频谱切换，告知认知用户停止业务，认知用户等待切换决策； 步骤11、认知基站根据认知用户携带的终端的无线接入类型选择目标切换频点； 步骤12、认知基站将选择的目标切换频点告知终端,终端在目标切换频点上重新建立与基站的链接。 步骤13、认知基站为认知用户分配上行资源和下行资源，继续完成切换前未完成的传输任务。
4.如权利要求1、2或3所述的认知无线网络中的无线接入方法，其特征在于，所述终端配置有无线接入类型偏好优先级列表。
5.如权利要求1或2所述的认知无线网络中的无线接入方法，其特征在于，将所述认知导频信道划分为两个专用的信道作为认知导频上行信道和认知导频下行信道。
6.如权利要求1、2或3所述的认知无线网络中的无线接入方法，其特征在于，通过认知用户携带的终端和认知基站来协作完成对无线认知网中授权系统的空闲频点的频谱感知过程，由认知基站根据感知结果决定终端的工作频点。
7.如权利要求1或2所述的认知无线网络中的无线接入方法，其特征在于，所述认知导频消息中存在可用空闲频谱，并将认知导频消息中的可用空闲频谱分为认知导频接入辅助消息和认知导频切换辅助消息；所述认知导频接入辅助消息和所述认知导频切换辅助消息同步进行更新，且这两个集合没有清楚的界限，灵活可变，但所述认知导频切换辅助消息的集合不能为空。
8.如权利要求1或2所述的认知无线网络中的无线接入方法，其特征在于，在步骤3中，认知基站将频谱信息按认知导频响应消息的格式进行组织，所述认知导频响应消息的格式为不同“mesh#ID:Operator#i, RAT#j, frequency#k…”的组合，其中频点为只罗列可用的空闲频点，或为每个频点被主用户使用的状态，所述认知导频响应消息中还可以包含每个频点上的其他信息，且所述认知导频响应消息根据最新的频谱感知融合结果进行不断地更新。
9.如权利要求1或2所述的认知无线网络中的无线接入方法，其特征在于，在步骤4中，如果在该无线接入类型下小区选择不成功，则按照无线接入类型优先级列表，选下一个无线接入类型，在下一个无线接入类型的可用空闲频点进行尝试。
10.如权利要求1或2所述的认知无线网络中的无线接入方法，其特征在于，在步骤4中，如果选择的不是最高优先级的无线接入类型，那么在进行小区搜索前要先进行重配置，在认知导频信道上申请重配置资源，下载对应协议进行终端重配置。
11.如权利要求1或2所述的认知无线网络中的无线接入方法，其特征在于，在步骤6的随机接入过程中，认知基站对每个认知用户约定一个随机接入校验码，并对所有用户约定相同的随机接入响应的内容，只有通过所述随机接入校验码进行解码得到正确的随机接入响应，用户与基站的链接建立才成功。
12.如权利要求1或6所述的认知无线网络中的无线接入方法，其特征在于，在步骤6的随机接入过程中，对于多个用户同时进行随机接入的情况，只有最早请求的那一个认知用户能够得解码成功，没有得到正确解码的其他认知用户则随机接入失败。
13.如权利要求1或3所述的认知无线网络中的无线接入方法，其特征在于，在步骤11中，如果当前无线接入类型下的可用空闲频谱集合为空，则根据当前终端业务传输类型，选择其他的无线接入类型中的可用空闲频谱。
14.如权利要求1或3所述的 认知无线网络中的无线接入方法，其特征在于，在步骤12中，如果认知用户接入或切换到与终端现有配置不一样的无线接入类型上时，需要先对终端进行重配置。
【文档编号】H04W36/06GK103428708SQ201310344221
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2013年8月8日 优先权日:2013年8月8日
【发明者】周一青, 刘玲, 田霖, 石晶林 申请人:中国科学院计算技术研究所