一种适用于车载短距离通信网络的协作频谱检测方法与流程

本发明涉及一种适用于车载短距离通信网络的协作频谱检测方法，属于车载网技术领域。

背景技术：

认知无线电(cognitive radio,CR)通过感知外部环境，动态接入闲置频谱，通过动态频谱管理机制，利用频谱空穴，实现主次用户共享频谱。

车载短距离通信(Vehicle to X：V2X)网络是通过无线通信、GPS/GIS、传感等短距离通信技术实现的车内(CAN-Controller Area Network)、车路(Vehicle-2-RSU)、车间(Vehicle-2-Vehicle)、车外(vehicle-2-Infrastructure)、人车(Vehicle-2-Person)之间的通信。

V2X具有固定授权的频段，但是带宽较窄。V2X中的大量信息服务类扩展类业务，由于授权带宽的限制，影响其业务种类的拓展和业务内容的多样性。

认知无线电技术可以有效拓展V2X的工作频段，为扩展类业务提供高带宽的信道，由于V2X以信息服务为主的扩展类对时延要求不严格，非常适合在认知信道中传输。

V2X中的认知系统是一种动态利用频谱通信系统，CR用户只能利用授权用户未使用的频谱资源，为确保不对授权用户产生干扰，CR设备必须能够快速发现授权用户的出现，并在工作过程中实时监测授权用户的活动状态。这就要求终端具有CR频谱检测能力，而且这种检测能力必须快速而精确。但是车载节点由于成本和体积的限制，不能配备多个收发信机，这样车载节点在工作在认知状态时，同时实现检测功能比较困难，这就限制了认知技术在车载节点的使用。

另外，频谱检测需要在一个宽频段范围内进行多维度检测，从而发现尽可能多的频谱机会，并保证对授权用户不产生有害干扰，这个需要在一个固定的地点，进行较长时间的频谱检测，由于车载节点处于快速移动中，也很难实现较宽频段内的多维检测。

技术实现要素：

本发明提供了一种适用于车载短距离通信网络的协作频谱检测方法，包括四个部分。第一部分是路侧节点认知频谱数据参数广播，路侧节点获得可用的频点、带宽和时间，将结果广播，经过的车载节点接收到保存到本地；第二部分是车载节点协作频谱检测，车载节点占用认知信道后，在授权信道通知覆盖范围内的其他车载节点，其他车载节点利用收发信机空闲时间检测干扰温度；第三部分是频谱协作检测结果合并，协作检测节点将结果在授权信道返回，使用认知信道的节点将结果采用“或”汇总；第四部分是车载节点功率控制或者频率跳转，使用认知信道的节点根据汇总后的结果，如果超过门限，则进行功率或者频道调整，以规避主用户。重复上述过程，可以实现路侧节点、多个车载节点的联合频谱检测。

本发明提供了一种适用于车载短距离通信网络的协作频谱检测方法，其特征在于，该方法包括：

路侧节点获得可用的频点、带宽和时间，将结果广播，经过的车载节点接收到保存到本地；某车载节点占用认知信道后，在授权信道通知覆盖范围内的其他车载节点，其他车载节点利用收发信机空闲时间检测干扰温度；协作检测节点将结果在授权信道返回，使用认知信道的节点将结果采用“或”汇总，然后根据汇总后的结果判断，如果超过门限，则进行功率或者频道调整，以规避主用户；

重复上述过程，实现路侧节点、多个车载节点的联合频谱检测。

优选地，包括步骤S1、S2、S3、S4：

S1、路侧节点认知频谱数据参数广播，其包括

S11、路侧节点物理层认知频率检测；

S12、路侧节点频谱数据参数生成和广播；

S2、车载节点协作频谱检测，其包括

S21、认知信道占用广播；

S22、联合检测车载节点频谱检测；

S3、频谱协作检测结果合并，其包括

S31、协作检测结果接收和存储；

S32、协作检测结果合并；

S4、车载节点功率控制或者频率跳转，其包括

S41、认知车载节点规避；

S42、认知信道占用消息更新。

优选地，所述步骤S11和S12中，车载节点利用其位置固定，设备配置复杂的特点，进行认知信道的检测后，将结果广播给经过的路侧节点，从而实现路侧节点和车载节点的联合认知信道检测。

优选地，所述步骤S21中，车载节点使用认知信道后，将占用消息在授权信道广播给覆盖单位内的其他节点，请求其他节点利用其收信机的空闲时间进行检测。

优选地，所述步骤S22中，车载节点接收到认知信道占用广播消息后，如果其收信机有空闲，则通过获取干扰温度计算对主用户的干扰程度，并将结果在授权信道返回。

优选地，所述步骤S31中，使用认知信道的车载节点在授权信道收到所有协助节点返回的检测结果后保存到本地。

优选地，所述步骤S32中，使用认知信道的车载节点采用“或”的方法合并协作检测节点返回的结果。

优选地，所述步骤S41中，使用认知信道的车载节点根据汇总后的结果判断是否干扰主用户，如果干扰，采用调整功率或者更改信道的方式进行规避。

优选地，所述步骤S42中，使用认知信道的车载节点根据汇总后的采取规避措施后，将新的信道占用消息广播。

本发明利用V2X网络中路侧节点位置固定，设备复杂度不受限制的优势，对一个宽频段范围进行检测，以克服车载节点不能在一个固定位置较长时间进行宽频带检测的缺陷。为克服工作在认知状态的车载节点收发信机无法同时进行认知检测的问题，采用周围其他车载节点协助的方式进行检测，利用V2X的授权信道传递检测结果，而且由于多个节点协作检测，不仅提高检测精度，而且加快检测速度，从而克服了V2X网路中认知检测面临的若干问题。

附图说明

图1是根据本发明实施例的工作流程图；

图2是根据本发明实施例的城市道路场景示意图；

图3是根据本发明实施例的采用接收端频谱检测的策略对可利用的频谱进行检测的示意图；

图4是根据本发明实施例的路侧节点频谱数据广播包格式示意图；

图5是根据本发明实施例的车载节点频谱占用广播消息包格式示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种适用于车载短距离通信网络的协作频谱检测方法，流程如图1所示，包括四个部分：路侧节点认知频谱数据参数广播、车载节点协作频谱检测、频谱协作检测结果合并、车载节点功率控制或者频率跳转。

为更加清楚对本实施例进行说明，选择一种典型的城市道路场景，如图2所示，路侧节点(Road Side UnitRSU)安装在道路交叉路口，位置固定，设备相对复杂，供电不受限制，由于天线部署位置较高，可以覆盖较大的范围。每个车辆安装有车载节点(On Board Unit OBU)，车辆移动较快，某区域内车辆相对位置一定时间内保持稳定，个别车辆相对位置变化较大。以下结合采用的典型场景，对本发明作进一步详细的描述。

第一部分、路侧节点认知频谱数据参数广播

1.1、路侧节点物理层认知频率检测

路侧节点采用接收端频谱检测的策略对可利用的频谱进行检测，方法如图3所示，路侧节点部署的频谱检测设备，可以在物理层实现快速精确的频谱检测，输出时间和空间范围内的空闲频谱。频谱分析对频谱检测得到的信息进行处理，分析授权用户的使用频点和时间，从而获得可用的频点、可用带宽和时间，将分析结果保存到频谱数据库。同时，频谱分析的结果送频谱估计学习，以降低下次检测的周期，提高检测效率；

1.2、路侧节点频谱数据参数生成和广播

路侧节点根据频谱数据库的数据，生成频谱数据参数，格式如图4所示，其中：

Type：包类型，标识是路侧节点频谱数据广播；

VIN：路侧节点的唯一标识，区别不同路侧节点；

GP：路侧节点的地理位置，取自路侧节点的GPS或者北斗设备；

FXML：采用XML描述的路侧节点频谱广播数据，包括信道频率，带宽和工作时间。

1.3、车载节点频谱数据接收和本地缓存

车载节点行驶到路侧节点覆盖范围内，接收到路侧节点广播的频谱数据，保存到车载节点本地，形成本地频谱缓存(Local spectrum cache LSC)。

第二部分、车载节点协作频谱检测

2.1、认知信道占用广播

设车载节点A使用认知信道组信道C＝{ch₁,ch₂,...,ch_n}进行通信，则在授权信道中发送认知信道占用通知消息，格式如图5所示，其中：

Type：包类型，标识是车载节点频谱占用广播消息；

VIN：车载节点的唯一标识，区别不同车载节点；

FXML：采用XML描述的车载节点频谱占用广播数据，包括信道频率、信道编号、带宽、工作模式和占用标识。

2.2、联合检测车载节点频谱检测

在车载节点A覆盖范围内，设有车载节点J，其他收发信机有空闲时间点，J节点接收到车载节点A广播的认知频道占用消息后，利用其空闲时间对这些信道进行检测，检测采用干扰温度模型，通过信干燥比SINR：

其中，N是同一个覆盖范围内使用同样认知信道的节点总数，P_A为节点A的发送功率，G_A为其信道增益，σ²为噪声。为保证不干扰主用户，其接收的总干扰功率应满足式2：

其中，g_ik是认知工作节点A到检测节点J的信道增益，B是玻尔兹曼常数，T_k是干扰温度门限，由系统设定，是授权用户接收端所能容许的最大干扰决定。

2.3、协作检测结果广播

车载节点A覆盖单位内的每个协作检测节点按照系统设定的周期，在授权信道将检测结果按照图5的格式进行广播，其中：

Type：包类型，标识是车载节点协作频谱检测结果；

VIN：车载节点的唯一标识，区别不同车载节点；

FXML：采用XML描述的车载节点频谱协助检测结果，包括信道编号，干扰温度。

第三部分、频谱协作检测结果合并

3.1、协作检测结果接收和存储

设车载节点A周围有M个协作车载节点，车载节点A周期性接收到M个协作检测结果，保存到本地R＝{R₁,R₂,...,R_M}，其中，R_i取值0或1；

3.2、协作检测结果合并

车载节点A采用“或”逻辑将结果进行合并，如(式3)所示

其中，R是合并后的结果，为0或者1，0表示没有干扰，1表示有干扰。

采用“或”逻辑运算，其检测结果概率如(式4)所示

其中，P_d,i是单个车载节点检测结果概率，从(式4)可见，(式3)合并多车载节点协作结构后，可以有效提高总的检测结果概率，达到了预期的目的。

第四部分、车载节点功率控制或者频率跳转

4.1、认知车载节点规避

使用认知信道的车载节点A，通过(式3)获得合并后的结果R＝1时，调整传输功率来避免对授权用户产生干扰，如果降低频率无法正常工作时，则需要跳转到其他信道来规避对授权用户的干扰；

4.2、认知信道占用消息更新

车载节点A根据步骤4.1的调整结果，产生新的认知信道占用消息，在授权信道进行广播，然后协作检测节点重新进行检测，然后把结果再次发送给节点A，直到合并后的结果R＝0；

按照系统设置的周期，重复第一到第四部分的各个步骤，直到车载节点A释放认知信道。

以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。