基于认知无线电的应急通信网络的频谱接入方法与流程

本发明涉及应急通信网络及其频谱接入方法，更为具体地说涉及一种基于认知无线电的应急通信网络的频谱接入方法。

背景技术：

一旦发生自然灾害(如地震、洪水)或人为灾害(如恐怖袭击、重大事故)，现场紧急营救人员之间稳定可靠的高速数据以及无线多媒体通信(如语音、图像、直播视频流等)，对于有效展开和协调各种救援、恢复工作是至关重要的。具有互操作的常规通信系统往往由于其基础设施在重大灾害时遭到破坏，很容易陷入网络瘫痪或网络过载，无法满足应急场景下呈指数级增长的突发业务需求。而一些专用网络在紧急通信期间业务容易过载。

认知无线电具有对自身环境的感知能力、对环境变化的学习自适应能力、对频谱资源的挖掘能力和系统功能模块的可重构能力，在无线通信领域得到了广泛青睐。将认知无线电技术引入应急通信网络中构建认知应急通信网络，可使得应急通信网络容易满足紧急场景下应急通信系统的高度可重构性、业务突发性、传输可靠性、范围覆盖性等需求。但是，应急通信网络工作在复杂多变的环境，节点众多，紧急救援人员工作地理位置快速移动，使得应急通信网络的频谱接入呈现复杂多变的动态特征。如何构建基于无线电的应急通信网络，使得应急通信用户能够有效接入应急通信网络，可靠快速传输相关数据信息，是一个尚未解决的难题。

技术实现要素：

为解决上述难题，本发明提出一种基于认知无线电的应急通信网络的频谱接入方法，该方法技术方案如下：

一种基于认知无线电的应急通信网络的频谱接入方法，包括：

构建基于认知无线电的应急通信网络，将灾区空域内的所有认知应急用户作为网络节点，构成包含若干个信道、若干个授权用户和若干个认知应急用户的自组织认知无线电的应急通信网络；其中，授权用户数和认知应急用户数均不大于信道数；

对所有认知应急用户进行特急认知用户、紧急认知用户和普通认知用户的三个等级划分；

根据认知应急用户的等级分别进行网络频谱接入：

对于特急认知用户，如果网络中有空闲信道，则采用overlay方式接入信道噪声最小的空闲信道，接入的最大可传输速率为v1；如果网络中没有空闲信道，则采用underlay方式接入信道噪声最小的信道，并与授权用户共享信道，接入的最大可传输速率为v2；

对于紧急认知用户，如果网络中有空闲信道，则采用overlay方式接入信道噪声最小的空闲信道，接入的最大可传输速率为v3；如果网络中没有空闲信道，则采用underlay方式接入信道噪声最小的信道，并与授权用户共享信道，接入的最大可传输速率为v4，且紧急认知用户在第n个信道中的发射功率pun须满足约束pun≤in；

对于普通认知用户，如果网络中有空闲信道，则采用overlay方式接入信道噪声最小的空闲信道，接入的最大可传输速率为v5,；如果网络中没有空闲信道，则不能接入信道，保持等待直到有空闲信道出现，其中：

上式中，bn为若干个信道中第n个信道的带宽，n＝1，2，…..，n；n为网络中的信道数；σn²为第n个信道中的信道噪声功率；pen是特急认知用户在第n个信道中的发射功率；hn是第n个信道的增益；psn是授权用户在第n个信道中的发射功率；in是授权用户在第n个信道中可承受的干扰容限；pun是紧急认知用户在第n个信道中的发射功率；pon是普通认知用户在第n个信道中的发射功率。

优选地，所述认知应急用户包括营救工作人员和受灾人员的通信设备及其数据传输设备。

优选地，对灾区空域内的所有认知应急用户根据其所在灾区地域的受灾严重程度或所传输的数据业务性质进行特急认知用户、紧急认知用户和普通认知用户三个等级划分。

优选地，所述认知应急用户采用的频谱感知方法为频谱感知与频谱接入同时进行的连续频谱感知方法。

优选地，所述认知应急用户所接入的频谱是受灾空域中所有可用频谱。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果

(1)本发明方法以灾区空域内所有人员的通信设备及其数据传输设备作为认知应急用户，构成自组织认知无线网络，临时搭建应急通信网络方便迅速、简单可行，可靠性高，不受基础设施影响，确保灾区的数据信息传输；

(2)本发明方法以灾区空域内所有可用频谱作为网络频谱资源，系统容量大，满足突发应急场景下数据通信业务急剧增长的需求；

(3)本发明方法对应急用户采用分类管理的方式进行频谱接入管理，网络不会瘫痪或过载，提高了应急通信网络的通信容量，确保了重大数据信息的及时、可靠传输；

(4)本发明方法中只在发生突发重大灾害时临时组建启用，不影响平时该空域中授权用户的频谱使用，不会出现频谱资源的浪费，频谱资源利用率高。

附图说明

图1为实施例中地震灾区受灾严重程度示意图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例一：

本实施例对图1所示某地区进行地震模拟，并以该地区作为受灾区域实施本发明的认知无线电的应急通信网络频谱接入。

模拟地震发生后，首先根据受灾严重程度不同进行区域划分，划分为以下三个区域：受灾最严重的灾难中心区域1(即震中区域，图中深色区域)、受灾程度相对严重的波及区域2(图中深灰色区域)和受灾程度相对较轻的外围区域3(图中浅色区域)。

接着构建基于认知无线电的应急通信网络，将地震灾区空域内包括营救工作人员和受灾人员的通信设备及其数据传输设备的认知应急用户作为网络节点，由此构成包含若干个信道、若干个授权用户和若干个认知应急用户的自组织认知无线电的应急通信网络。其中，通信设备包括手机、无线电话和无线ap等，数据传输设备包括计算机、传真机和交换机等。为保证网络通畅，并要求授权用户数和认知应急用户数均不大于信道数。

再进行认知应急用户的等级划分，本实施例根据认知应急用户所在灾区地域进行划分，分成特急认知用户、紧急认知用户和普通认知用户三个等级。灾难中心区域内所有认知应急用户为特急认知用户，波及区域内所有认知应急用户为紧急认知用户，外围区域内所有认知应急用户为普通认知用户；

最后根据认知应急用户的等级，分别进行网络频谱接入，一般认知应急用户采用的频谱感知方法为频谱感知与频谱接入同时进行的连续频谱感知方法或非连续的频谱感知方法，本实施例中采用连续频谱感知方法以减小认知应急用户接入等待时间。上述认知应急用户所接入的频谱是受灾空域中所有可用频谱。具体方法为：

(1)特急认知用户：如果网络中有空闲信道，特急认知用户采用overlay方式接入信道噪声最小的空闲信道，接入的最大可传输速率为其中bn为若干个信道中第n个信道的带宽，n＝1,2,…..，n，n为网络中的信道数，σn²为第n个信道中的信道噪声功率，pen是特急认知用户在第n个信道中的发射功率，hn是第n个信道的增益；如果网络中没有空闲信道，特急认知用户采用underlay方式接入信道噪声最小的信道，并与授权用户共享信道，接入的最大可传输速率为其中psn是授权用户在第n个信道中的发射功率；

(2)紧急认知用户：如果网络中有空闲信道，紧急认知用户采用overlay方式接入信道噪声最小的空闲信道，接入的最大可传输速率为其中pun是紧急认知用户在第n个信道中的发射功率；如果网络中没有空闲信道，紧急认知用户采用underlay方式接入信道噪声最小的信道，并与授权用户共享信道，接入的最大可传输速率为但此时紧急认知用户在第n个信道中的发射功率pun必须满足约束pun≤in，其中in是授权用户在第n个信道中可承受的干扰容限；

(3)普通认知用户：如果网络中有空闲信道，普通认知用户采用overlay方式接入信道噪声最小的空闲信道，接入的最大可传输速率为其中pon是普通认知用户在第n个信道中的发射功率；如果网络中没有空闲信道，普通认知用户不能接入信道，只能继续等待直到有空闲信道出现时再按上述方法接入信道。

实施例二：

本实施例与上述实施例不同之处在于：本实施例是根据认地震灾区知应急用户传输的数据业务性质进行分级：灾区指挥中心的营救工作人员的通信设备及其数据传输设备为特急认知用户，其他营救人员的通信设备及其数据传输设备为紧急认知用户，受灾人员的通信设备及其数据传输设备为普通认知用户。

本实施例的其它过程与实施例1相同，不再赘述。