协同认知无线网络跨层设计方法与流程

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种协同认知无线网络跨层设计方法。

背景技术：

认知无线电技术(Cognitive Radio，简称CR)是一种能够“伺机”地对空闲频谱进行认知检测，以将检测到的空闲频谱进行共享利用，进而解决频谱资源紧缺难题，从而真正实现提高频谱利用率的新兴通信技术。

认知无线电的认知过程为：首先，次用户(或称认知用户)采用频谱感知持续地监测周围环境中的已授权频段资源；然后，在保证主用户能够优先占用授权频段且主用户传输性能几乎不受影响的条件下，次用户自适应地调整收发设备，并将收发设备调整至空闲频段上通信；最后，当次用户检测到主用户信号出现时，次用户快速腾出当前使用的频段，以供该频段所属的主用户使用，避免主用户利用该频段通信时受到干扰。

认知无线网络便是基于认知无线电技术，并至少由主用户和次用户形成，以实现次用户伺机地利用主用户的空闲频段。然而，在由主用户和次用户所形成的认知无线网络中，一旦主用户没有占用其授权频段通信，此时的授权频段处于空闲状态。如何在次用户需要利用频段通信时，能够将授权给主用户的处于空闲的频段信息及时地通知给次用户，以满足次用户的通信要求，并且不影响主用户的正常通信成为认知无线网络面临的现实问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种在主用户不占用其授权频段通信时，能够将处于空闲状态的频段信息及时地通知给需要使用频段的次用户的协同认知无线网络跨层设计方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

协同认知无线网络跨层设计方法，用于协同认知无线网络中，其特征在于，协同认知无线网络由至少一个主用户网络、一个融合中心以及至少一个次用户网络构成，主用户网络内包括有主用户基站和多个主用户，主用户基站与各主用户通信连接，次用户网络中包括有次用户基站和多个次用户，次用户基站与各次用户通信连接；该协同认知无线网络跨层设计方法包括如下步骤1至步骤8：

步骤1，建立各主用户网络内主用户基站分别与各次用户网络中次用户基站之间的通信连接，以由主用户基站随时接收次用户经所处次用户网络内的次用户基站发送来的利用主用户网络中频段进行通信的接入服务要求；

步骤2，各主用户网络中的主用户基站以及各次用户网络中的次用户基站均分别对应的获取自身位置，建立融合中心与各主用户网络内的主用户基站、各次用户网络内的次用户基站之间的通信连接，以由融合中心获取各主用户基站与各次用户基站发送来的位置信息；

步骤3，融合中心根据各主用户基站以及各次用户基站发送来的位置信息，分别计算出各主用户基站与各次用户基站之间的直线距离值，并根据所得各主用户基站与各次用户基站间的距离值对主用户网络和次用户网络之间的配合接入情况进行分类管理：

针对一主用户基站，当次用户基站与该主用户基站之间具有最小距离值时，则选定该次用户基站与该主用户基站作为实现跨层接入的配对基站，并由该主用户基站负责对该次用户基站所处次用户网络中次用户的接入服务；否则，继续搜索与该主用户基站具有最小距离值的次用户基站作为与主用户基站实现跨层接入的配对基站，以由该主用户基站专门负责对该配对的次用户基站所处次用户网络中次用户的接入服务；

步骤4，在各次用户网络中，次用户基站预设M个联盟分区阈值，各次用户分别将获取的自身信噪比发送给所处同一个次用户网络中的次用户基站，由次用户基站对所处次用户网络内的次用户进行联盟分区并对各分区的联盟编号；M≥1；次用户基站对所处次用户网络内的次用户的联盟分区过程包括如下步骤4-1至步骤4-4：

步骤4-1，次用户基站根据所处次用户网络中各次用户发送来的信噪比，依次计算各次用户所受网络内其他次用户干扰的归一化干扰因子；其中，次用户CR_i的归一化干扰因子记为

SNR_i表示次用户CR_i的自身信噪比，N表示次用户CR_i所处次用户网络中所有次用户的总数目；i＝1,2,…,N，N≥3；

步骤4-2，次用户基站计算各次用户在所有次用户网络中的归一化信赖指数；其中：次用户CR_i的归一化信赖指数记为

步骤4-3，次用户基站根据所得各次用户的归一化干扰因子以及归一化信赖指数，得到各次用户接入主用户网络的优先接入指数；其中，次用户CR_i接入主用户网络的优先接入指数记为ρ_i；为次用户CR_i的归一化信赖指数，为次用户CR_i的归一化干扰因子；

步骤4-4，次用户基站预设M个联盟分区阈值，设定M+1个联盟分区段分别为[-∞,λ₁)、[λ₁,λ₂)、…、[λ_M-1,λ_M)和[λ_M,∞)；其中，位于第一联盟内的次用户对应的优先接入指数处于[-∞,λ₁)区间段内，位于第二联盟内的次用户对应的优先接入指数处于[λ₁,λ₂)区间段内，依次类推，位于第M联盟内的次用户对应的优先接入指数处于[λ_M-1,λ_M)区间段内，位于第M+1联盟内的次用户对应的优先接入指数处于[λ_M,∞)区间段内，并对各联盟依次进行编号；

步骤5，在各主用户基站搜索得到其专门负责的次用户网络后，当次用户网络中的次用户需要使用频段进行通信时，次用户发送其所处的联盟编号给次用户基站，并由该次用户基站发送使用频段请求给对应配对的主用户基站，以由主用户基站来监测所处主用户网络内各主用户所使用授权频段的占用状态情况，并将监测到的空闲频谱信息发送给与该主用户基站配对的次用户基站：

主用户基站实时通过在物理层上对所处主用户网络中各主用户占用的授权频段情况进行监测以整合得到所处主用户网络中的空闲频谱以及识别各授权频段所对应主用户信号的调制方式，且由主用户基站实时更新其所监测到的空闲频谱，并在将主用户基站最近更新的空闲频谱上传至MAC层管理后，由该主用户基站将监测到的该最近更新的空闲频谱信息以及各主用户信号调制方式转发给与该主用户基站配对的次用户基站；

步骤6，在需要利用频段通信的次用户所处的次用户网络中，该次用户网络中的次用户基站在接收到主用户基站所发送来的空闲频谱和主用户信号调制方式后，该次用户基站将空闲频谱利用正交频分多址技术生成多个不连续的空闲频段且根据生成的空闲频段利用跳频技术产生多个跳频图案，并根据次用户所处的联盟编号，以由次用户基站将接收的所有主用户信号调制方式以及产生的跳频图案动态地分配给需要使用频段进行通信的次用户，然后由次用户根据接收的主用户信号调制方式，调整自身信号调制方式区别于主用户信号调制方式，并由次用户根据跳频图案在不同时刻占用不同的频段通信，以满足次用户接入到主用户网络中的要求，从而实现次用户无干扰地接入到主用户网络中，以满足该次用户利用主用户网络中的空闲频段进行通信；

步骤7，在步骤6中的所述次用户利用频段完成通信后，该次用户发送腾出频段的通知信息以及所处联盟编号给所处次用户网络中的次用户基站，以由次用户基站将次用户已腾出频段的反馈信息发送给对应的主用户基站；

步骤8，主用户基站在接收到次用户基站针对频段腾出的反馈信息后，如果主用户基站判断该频段所属的主用户未提出占用此频段的请求时，则主用户基站将该频段作为跨层接入的备用频段，以供后续需要频段通信的次用户接入使用；如果主用户基站判断该频段所属的主用户提出占用该频段的请求时，则主用户基站反馈该频段可恢复占用的信息给主用户，以实现主用户对该频段的正常使用。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

首先，本发明提供的协同认知无线网络跨层设计方法通过将认知无线网络分为主用户网络和次用户网络，从而将提供空闲频段的主用户以及需要空闲频段通信的次用户分开，准确地界定了需要跨层，以实现接入服务的次用户；

其次，在每个主用户网络中均设有主用户基站专门负责本网络内空闲频段的监测工作；在各次用户网络中均设有次用户基站专门负责与配对主用户基站通信，以实现本网络内需要通信的次用户成功地使用主用户网络中的空闲频段；

再次，次用户基站在接收到配对主用户基站发送来的空闲频谱后，由次用户基站来负责将空闲频谱分成多个不用的空闲频段，以满足次用户基站所处网络中的次用户通信需要，可以很好地适应次用户网络中的次用户通信需要，保证了主用户基站对主用户网络中空闲频谱的监测效率；

最后，次用户在腾出频段后，处于同一网络中的次用户基站发送腾出频段信息给配对的主用户基站后，主用户基站可以根据主用户的需要情况，以选择是否将该腾出频段作为跨层接入的备用频段，以供需要频段通信的次用户接入使用，从而在由次用户需要频段通信时，可以第一时间将该备用频段经次用户基站提供给次用户，保证了次用户及时、快速的进行通信。

附图说明

图1为本发明实施例中协同认知无线网络的示意图；

图2为本发明实施例中协同认知无线网络跨层设计方法的流程示意图；

图3为本发明实施例中跳频图案的示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本实施例中的协同认知无线网络跨层设计方法，用于协同认知无线网络中，协同认知无线网络由至少一个主用户网络、一个融合中心以及至少一个次用户网络构成，主用户网络内包括有主用户基站和多个主用户，主用户基站与各主用户通信连接，次用户网络中包括有次用户基站和多个次用户，次用户基站与各次用户通信连接；其中，本实施例中的协同认知网络结构参见图1中所示，设定在协同认知无线网络中，主用户网络的个数标记为X，主用户网络标记为PUN_x，主用户网络PUN_x内的主用户个数标记为I，主用户网络PUN_x内的主用户标记为PU_x,i，主用户网络PUN_x内的主用户基站标记为PUBS_x；融合中心标记为FC；次用户网络的个数标记为Y，次用户网络标记为CRN_y，次用户网络CRN_y内的次用户个数为J，次用户网络CRN_y内的次用户标记为CR_y,j，次用户网络CRN_y内的次用户基站标记为CRBS_y；X≥1，1≤x≤X，Y≥1，1≤y≤Y，1≤j≤J；设定主用户网络PUN₁中的主用户个数为I₁，主用户网络PUN₂中的主用户个数为I₂，…，主用户网络PUN_X中的主用户个数为I_X；次用户网络CRN₁中的次用户个数为J₁，次用户网络CRN₂中的次用户个数为J₂，…，次用户网络CRN_Y中的次用户个数为J_Y；参见图2所示，该协同认知无线网络跨层设计方法包括如下步骤：

步骤1，建立各主用户网络内主用户基站分别与各次用户网络中次用户基站之间的通信连接，以由主用户基站随时接收次用户经所处次用户网络内的次用户基站发送来的利用主用户网络中频段进行通信的接入服务要求；

例如，在图1所示的协同认知无线网络中，主用户网络PUN₁的主用户基站PUBS₁分别与次用户基站CRBS₁、次用户基站CRBS₂、…、次用户基站CRBS_y-1以及次用户基站CRBS_y建立通信连接；主用户基站PUBS₂分别与次用户基站CRBS₁、次用户基站CRBS₂、…、次用户基站CRBS_Y-1以及次用户基站CRBS_Y建立通信连接；以此类推，主用户基站PUBS₃至主用户基站PUBS₁均分别对应地与次用户基站CRBS₁、次用户基站CRBS₂、…、次用户基站CRBS_y-1以及次用户基站CRBS_y建立通信连接；

其中，主用户基站PUBS₁至主用户基站CRBS_y随时准备接收次用户经次用户基站发送来的接入服务要求；

步骤2，各主用户网络中的主用户基站以及各次用户网络中的次用户基站均分别对应的获取自身位置，建立融合中心与各主用户网络内的主用户基站、各次用户网络内的次用户基站之间的通信连接，以由融合中心获取各主用户基站与各次用户基站发送来的位置信息；

主用户网络PUN_x中，主用户基站PUBS_x获取的自身位置为1≤x≤X；次用户网络CRN_y中，次用户基站CRBS_y获取的自身位置为1≤y≤Y；

步骤3，融合中心根据各主用户基站以及各次用户基站发送来的位置信息，分别计算出各主用户基站与各次用户基站之间的直线距离值，并根据所得各主用户基站与各次用户基站间的距离值对主用户网络和次用户网络之间的配合接入情况进行分类管理：

针对一主用户基站，当次用户基站与该主用户基站之间具有最小距离值时，则选定该次用户基站与该主用户基站作为实现跨层接入的配对基站，并由该主用户基站负责对该次用户基站所处次用户网络中次用户的接入服务；否则，继续搜索与该主用户基站具有最小距离值的次用户基站作为与主用户基站实现跨层接入的配对基站，以由该主用户基站专门负责对该配对的次用户基站所处次用户网络中次用户的接入服务；

融合中心FC根据各主用户基站PUBS_x的自身位置以及各次用户基站CRBS_y的自身位置得到主用户基站PUBS_x与次用户基站CRBS_y之间的直线距离值为d(PUBS_x,CRBS_y)：

其中，1≤x≤X，1≤y≤Y；

例如，在主用户网络PUN₁中，针对主用户基站PUBS₁，各次用户基站与该主用户基站PUBS_x的直线距离值分别为d(PUBS₁,CRBS₁)、d(PUBS₁,CRBS₂)、…、d(PUBS₁,CRBS_Y)；如果d(PUBS₁,CRBS₂)为这Y个直线距离值中的最小值，则将次用户基站CRBS₂与主用户基站PUBS₁作为实现跨层接入的配对基站，主用户基站PUBS₁专门负责对该配对的次用户基站CRBS₂所处次用户网络CRN₂中次用户的接入服务；当然，如果d(PUBS₁,CRBS_Y)为这Y个直线距离值中的最小值，则将次用户基站CRBS_Y与主用户基站PUBS₁作为实现跨层接入的配对基站，主用户基站PUBS₁专门负责对该配对的次用户基站CRBS_Y所处次用户网络CRN_Y中次用户的接入服务；

同理地，在其他主用户网络中，依次获取到与对应主用户基站配对的次用户基站，此处不再赘述配对基站的获取过程；

步骤4，在各次用户网络中，次用户基站预设M个联盟分区阈值，各次用户分别将获取的自身信噪比发送给所处同一个次用户网络中的次用户基站，由次用户基站对所处次用户网络内的次用户进行联盟分区并对各分区的联盟编号；M≥1；次用户基站对所处次用户网络内的次用户的联盟分区过程包括如下步骤4-1至步骤4-4：

步骤4-1，次用户基站根据所处次用户网络中各次用户发送来的信噪比，依次计算各次用户所受网络内其他次用户干扰的归一化干扰因子；其中，次用户CR_i的归一化干扰因子记为

SNR_i表示次用户CR_i的自身信噪比，N表示次用户CR_i所处次用户网络中所有次用户的总数目；i＝1,2,…,N，N≥3；另外，根据各次用户的信噪比情况，计算得到所处次用户网络中得到周围次用户对次用户的归一化干扰指数，以通过归一化干扰指数真实反映周围次用户对其的综合干扰情况；

步骤4-2，次用户基站计算各次用户在所有次用户网络中的归一化信赖指数；其中：次用户CR_i的归一化信赖指数记为

步骤4-3，次用户基站根据所得各次用户的归一化干扰因子以及归一化信赖指数，得到各次用户接入主用户网络的优先接入指数；其中，次用户CR_i接入主用户网络的优先接入指数记为ρ_i；为次用户CR_i的归一化信赖指数，为次用户CR_i的归一化干扰因子；次用户的优先接入指数表示了在有频段可供利用时，次用户享受该可用频段的先后顺序情况；其中，次用户基站优先安排优先接入指数高的次用户利用可用频段接入到网络中；

步骤4-4，次用户基站预设M个联盟分区阈值，设定M+1个联盟分区段分别为[-∞,λ₁)、[λ₁,λ₂)、…、[λ_M-1,λ_M)和[λ_M,∞)；其中，位于第一联盟内的次用户对应的优先接入指数处于[-∞,λ₁)区间段内，位于第二联盟内的次用户对应的优先接入指数处于[λ₁,λ₂)区间段内，依次类推，位于第M联盟内的次用户对应的优先接入指数处于[λ_M-1,λ_M)区间段内，位于第M+1联盟内的次用户对应的优先接入指数处于[λ_M,∞)区间段内，并对各联盟依次进行编号；

例如，针对次用户网络CRN_y，该次用户网络CRN_y内的次用户数目为J，次用户基站CRBS_y预设5个联盟分区阈值为λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、λ₅；λ₁＝0.1、λ₂＝0.2、λ₃＝0.4、λ₄＝0.5和λ₅＝0.7；

第一联盟C₁内的次用户的优先接入指数处于(-∞,0.1]的区间段内，第二联盟C₂内的次用户的优先接入指数处于(0.1,0.2]的区间段内，第三联盟C₃内的次用户的优先接入指数处于(0.2,0.4]的区间段内，第四联盟C₄内的次用户的优先接入指数处于(0.4,0.5]的区间段内，第五联盟C₅内的次用户的优先接入指数处于(0.5,0.7]的区间段内，第六联盟C₆内的次用户的优先接入指数处于(0.7,∞)的区间段内；

由此，在次用户网络CRN_y内的次用户CR_y,1优先接入指数处于(0.2,0.4]的区间段内时，则标记次用户CR₁的联盟编号为C₃；同样地，可以得到其他次用户所处的联盟编号；

步骤5，在各主用户基站搜索得到其专门负责的次用户网络后，当次用户网络中的次用户需要使用频段进行通信时，次用户发送其所处的联盟编号给次用户基站，并由该次用户基站发送使用频段请求给对应配对的主用户基站，以由主用户基站来监测所处主用户网络内各主用户所使用授权频段的占用状态情况，并将监测到的空闲频谱信息发送给与该主用户基站配对的次用户基站：

主用户基站实时通过在物理层上对所处主用户网络中各主用户占用的授权频段情况进行监测以整合得到所处主用户网络中的空闲频谱以及识别各授权频段所对应主用户信号的调制方式，且由主用户基站实时更新其所监测到的空闲频谱，并在将主用户基站最近更新的空闲频谱上传至MAC层管理后，由该主用户基站将监测到的该最近更新的空闲频谱信息以及各主用户信号调制方式转发给与该主用户基站配对的次用户基站；

例如，在主用户基站PUBS₁搜索得到其专门负责的次用户网络CRN_Y后，当该次用户网络CRN_Y中的次用户CR_Y,j需要使用频段进行通信时，次用户CR_Y,j发送其所处的联盟编号给次用户基站CRBS_Y，并由该次用户基站CRBS_Y发送使用频段请求给对应配对的主用户基站PUBS₁，由主用户基站PUBS₁来监测所处主用户网络PUN₁内各主用户所使用授权频段的占用状态情况：

主用户基站PUBS₁实时通过在物理层上对所处主用户网络PUN₁中各主用户占用的授权频段情况进行监测以整合得到所处主用户网络PUN₁中的空闲频谱以及识别各授权频段所对应主用户信号的调制方式，且由主用户基站PUBS₁实时更新其所监测到的空闲频谱，并在将主用户基站PUBS₁最近更新的空闲频谱上传至MAC层管理后，由该主用户基站PUBS₁将监测到的该最近更新的空闲频谱信息以及各主用户信号调制方式转发给与该主用户基站PUBS₁配对的次用户基站CRBS_Y；其中，假设主用户基站PUBS₁转发给次用户基站CRBS_Y的频段为主用户PU_1,2授权使用；此处主用户基站PUBS₁整合得到的空闲频谱至少包括一个可用的空闲频段；

步骤6，在需要利用频段通信的次用户所处的次用户网络中，该次用户网络中的次用户基站在接收到主用户基站所发送来的空闲频谱和主用户信号调制方式后，该次用户基站将空闲频谱利用正交频分多址技术生成多个不连续的空闲频段且根据生成的空闲频段利用跳频技术产生多个跳频图案，并根据次用户所处的联盟编号，以由次用户基站将接收的所有主用户信号调制方式以及产生的跳频图案动态地分配给需要使用频段进行通信的次用户，然后由次用户根据接收的主用户信号调制方式，调整自身信号调制方式区别于主用户信号调制方式，从而使得次用户不会与主用户网络中的信号之间产生干扰，并由次用户根据跳频图案在不同时刻占用不同的频段通信，以满足次用户接入到主用户网络中的要求，从而实现次用户无干扰地接入到主用户网络中，以满足该次用户利用主用户网络中的空闲频段进行通信；

与步骤5中相对应地，假定次用户CR_Y,j所处联盟编号为C₅，在需要利用频段通信的次用户CR_Y,j所处的次用户网络CRN_Y中，该次用户网络CRN_Y中的次用户基站CRBS_Y在接收到主用户基站PUBS₁所发送来的空闲频谱后，该次用户基站CRBS_Y根据空闲频谱利用跳频技术产生跳频图案，并根据次用户CR_Y,j所处的联盟编号C₅，以将产生的跳频图案动态地分配给需要使用频段进行通信的次用户CR_Y,j，然后由该次用户CR_Y,j根据接收的跳频图案在不同时刻占用不同的频段通信，以满足次用户CR_Y,j接入到主用户网络PUN₁中的要求，从而实现次用户CR_Y,j接入到主用户网络PUN₁中，以满足该次用户CR_Y,j利用主用户网络PUN₁中的空闲频段进行通信；其中，在主用户基站将其所处网络中的空闲频谱信息发送给配对的次用户基站后，由次用户基站负责将空闲频谱生成多个不连续的空闲频段，可用充分满足次用户网络中存在多个次用户利用频段通信的实际需要；如果由主用户基站来负责将空闲频段生成多个不连续的空闲频段，这样会在一定程度上削弱主用户基站对所处主用户网络中频段占用情况的监测效率，并且因主用户基站不能第一时间获知需要利用频段通信的次用户数目，从而也会导致主用户基站生成的空闲频段个数与实际需要的次用户数目不相匹配；

本实施例中，采用次用户基站根据次用户的实际需要来专门负责将空闲频谱生成所需数目的空闲频段，可以很好地适应次用户网络中的次用户通信需要，保证了主用户基站对主用户网络中空闲频谱的监测效率；次用户基站CRBS_Y根据空闲频段利用跳频技术产生的跳频图案参见图3中所示；在图3所示的跳频图案中，次用户基站将配对的主用户基站发送来的空闲频谱分成了h个不连续的频段，以供需要通信的次用户使用；

步骤7，在步骤6中的所述次用户利用频段完成通信后，该次用户发送腾出频段的通知信息以及所处联盟编号给所处次用户网络中的次用户基站，以由次用户基站将次用户已腾出频段的反馈信息发送给对应的主用户基站；

当次用户CR_Y,j利用频段完成通信后，次用户CR_Y,j发送腾出频段的通知信息以及所处联盟编号C₅给所处次用户网络CRN_Y中的次用户基站CRBS_Y，以由次用户基站CRBS_Y将次用户已腾出频段的反馈信息发送给对应的主用户基站PUBS₁；

步骤8，主用户基站在接收到次用户基站针对频段腾出的反馈信息后，如果主用户基站判断该频段所属的主用户未提出占用此频段的请求时，则主用户基站将该频段作为跨层接入的备用频段，以供需要频段通信的次用户接入使用；如果主用户基站判断该频段所属的主用户提出占用该频段的请求时，则主用户基站反馈该频段可恢复占用的信息给主用户，以实现主用户对该频段的正常使用。

对应地，主用户基站PUBS₁在接收到次用户基站CRBS_Y针对频段腾出的反馈信息后，如果主用户基站PUBS₁判断该频段所属的主用户PU_1,2未提出占用此频段的请求时，则主用户基站PUBS₁将该频段作为跨层接入的备用频段，以供需要频段通信的次用户接入使用；如果主用户基站PUBS₁判断该频段所属的主用户PU_1,2提出占用该频段的请求时，则主用户基站PUBS₁反馈该频段可恢复占用的信息给主用户PU_1,2，以实现主用户PU_1,2对该频段的正常使用。