专利名称：一种混合式认知网络频谱接入与退出方法
技术领域：
本发明涉及一种认知无线网络接入与退出的方法，特别涉及一种采用目前已有的常规无线通信技术就可实现的认知网络频谱接入与退出的方法。
背景技术：
所谓认知无线网络，就是认知无线电的网络化，其本质在于将认知无线电的关键技术，如环境感知、智能接入等，应用于无线通信网络的整体中去研究。认知无线网络能够利用环境认知来获取环境信息，通过对环境信息进行学习和处理做出智能决策，并以此进行网络重构实现对无线环境的动态适应。目前欧美等发达国家和地区已经开始进行认知无线网络的网络级行为的研究和协议的制定。但是国内的研究仍然主要处于频谱感知、频谱分配等分支学科研究阶段。认知网络的正常工作是一个系统工程，核心是认知用户的智能接入，这需要解决几个关键问题，包括频谱感知、信道配置和重配置、频谱共享、退出和重新接入机制。由于认知网络还没有可用的实例，以往的研究往往注重各个环节本身的具体方法，如能量检测还是循环谱检测，顺序配置还是随机配置还是最小干扰的优化配置，或是基于功率控制的频
谱共享等等。在本发明作出之前，关于认知网络用户接入的描述，一般有两种。一种是分布式检测禾口接入管理[Natasha Devroye, Patrick Mitran, and Vahid Tarokh, Limits on Communications in a Cognitive Radio Channel, IEEE Communications Magazine · June 2006: pp44_49]，主要针对若干点对点非授权用户，当他们需要通信时，自行感知频谱空洞，当检测到合适的空闲频率时，利用该频率进行通信，并且不断检测该频率，一旦检测到该频率被授权用户重新占用，需要立即退出。分布式接入方法，仅仅适用于少量认知用户参与通信的场合，当有多对认知用户同时进行频谱感知并欲接入网络时，极可能产生冲突，增加认知用户之间竞争和通信连接失败的几率。另一种是集中式检测和接入管理[Z. Ahmed et al. A Navigation Device with MAC Supporting Multiple Physical Networks for Extended Coverage and Operations, IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. 54, No. 3, AUGUST 2008:1103-1109]，对于大型的认知网络，一般通信量较大且相对固定，所以有的文献建议设立专门的节点来进行频谱检测，再以诸如卫星全球定位系统向用户通告频谱感知结果。 该技术方案中的客户机为认知无线网络用户即数据收发节点，基站为认知无线网络唯一的环境感知节点和网络控制节点。网络通信过程中，客户机通过控制信道向基站发送通信请求，基站通过自身或专用节点对覆盖区域的频谱感知，决定适合通信的最佳空闲频段并将通信许可反馈给客户机，客户机利用基站找到的空闲频段进行端到端的通信，在通信过程中，若该空闲频段被授权用户重新占用，也由基站负责检测并通知认知用户客户机。在集中式接入方法中，基站或专门设立的节点既要不断检测新的空闲频率以分配给提出请求的认知用户，又要不断检测已经分配了的频率，看是否有授权用户重新对该频率进行占用。由于这种重新占用会造成认知用户和授权用户的信号冲突，检测的将是冲突信号。因此，接入前和接入后检测的对象不完全一样，随着用户数增多，将占用基站较多资源，给其带来十分沉重的负担，也会明显降低系统可靠性和接入性能，例如，由于两种循环检测花费的较多时间，会增加认知用户干扰授权用户的几率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，针对中小型认知网络，提供一种简便、高效、可靠的适用于现有常规无线通信技术的认知网络频谱接入与退出方法。本发明所采用的技术方案是提供一种混合式认知网络频谱接入与退出的方法， 其无线通信为多带方式，包括授权网络和认知网络，在认知用户中包括一个专用节点，认知用户在接入时其方法为使用公共控制信道和专用节点进行集中频谱感知、信道分配和管理；在授权用户重新占用信道后，认知用户的退出方法为分布式；所述的接入与退出的方法包括如下步骤
第一步
①专用节点循环检测授权网络中全部授权用户所分配的工作频率，判断各工作频率是否被授权用户占用，将未被授权用户使用的空闲频率设置为可以分配频率，执行第二步；
②欲使用通信频率的认知用户向专用节点发出请求；
第二步
专用节点以固定的时隙间隔等待认知用户发来欲使用通信频率的请求，若未收到请求且等待时间到，则返回第一步①；若收到请求，执行第三步①；
第三步
①专用节点对认知用户的请求发出应答响应，将可以分配频率分配给认知用户，返回到第二步；若无频率可以分配，则向认知用户发出拒绝响应，返回到第二步；
②认知用户直接使用从专用节点处获得的频率与其他认知用户通信，并在通信间隙自行感知该频段的使用状态信息，若该认知用户认定当前频段不适合继续通信，则退出该频段，返回到第一步②；若能正常通信，则通信结束后退出该频段。与现有技术相比，本发明的特点在于通过采用集中接入分配、分布感知退出、点对点通信的方法，将接入和退出功能分离，使认知网络系统的认知工作效率和复杂度得到了兼顾，并且由于每个节点硬件资源相同，故专用节点可以任意选择或替换，系统整体可靠性也得到提高。
图1是本发明实施例提供的认知网络与授权网络整体结构示意图； 图2是本发明实施例提供的认知网络中专用节点工作流程示意图3是本发明实施例提供的认知网络中认知用户节点工作流程示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明的实施方案作进一步的具体阐述。本实施例的技术方案是提供一种适用于常规无线通信技术的认知网络频谱接入与退出的方法。本实施例提供的混合式接入与退出方法直接使用于工作频段为433MHz免许可频段的小型认知无线网络设计上，选用了可工作在433/868/915 MHz的nRF905射频发射模块作为认知用户通信模块，选用同样工作频段的ccllOO射频发射模块作为授权用户通信模块。为实现网络正常工作的控制需要，本实施例选用了具有超低功耗特点且具有较大内存的MSP430FM18型号单片机作为控制器。参见附图1，它是本实施例提供的认知网络与授权网络整体结构示意图；在本实施例中，无线通信为多带方式，分为授权网络和认知网络两子系统，授权网络共有 F个工作频率，记为Λ /2 -Ji…最大授权用户数力个，对应分配相应工作频率。授
权用户仅在需要的时候才使用Jl，但具有优先权。认知网络有1/+1个用户，其中选择一个
作为专用节点，认知用户当且仅当某个授权用尸不使用其对应的频率名时，才可以
使用。ili与F彼此独立。这里的所谓授权用户和认知用户都可以由常规的通信设备构成， 可统称节点。授权用户节点与认知用户节点的内部组成包括通信模块，嵌入式控制器MCU以及相应的键盘显示面板等输入输出设备。本实施例中，它们是异构的。图1中的接入感知箭头和退出感知箭头指向表示，本实施例提供的混合式接入方法在信道接入时使用了公共控
制信道和专用节点1_进行集中频谱感知、信道分配和管理，在授权用户重新占用信
道后的退出机制上使用了分布式决策，仅与每个正在使用信道的认知用户自身有关。参见附图2，它是本实施例提供的认知网络专用节点工作流程示意图；专用节点
负责接入时的频谱检测和频谱管理，当某个认知用户要发起通信时，需要通过公共控
制信道义胃向专用节点发起频率分配请求，专用节点在检测到的空闲频段中选择并分配合适的频率给该认知用户。其具体步骤是
①循环检测频率Λ Z2 ".Ji…Λ-是否被授权用户占用，每检测一次的时间为T^ii。如未完成、次，则返回①,如完成况次,进入下一步。②以固定的《 ^m <M )个离散的时隙间隔 ；等待认知用户发来欲使用通信频率
的请求。若未收到请求且等待时间到，返回①。若收到请求，进入下一步。③对认知用户的请求进行处理，发出应答响应，将未被授权用户使用的空闲频率按照一定的算法(本发明不涉及)分配给提出请求的认知用户。若没有频率可以分配，则发出拒绝响应。完成后返回②。从专用节点处获得频率使用权的认知用户就可以直接使用这些频率与其他认知用户通信。在通信过程中，若其中某个频点被授权用户重新占用，则该认知用户继续通信就会对授权用户形成干扰，为防止此类情况发生，该认知用户将在通信间隙自行感知这一频段的使用状态信息，一旦该认知用户认定当前频段不适合继续通信，则将退出该频段并向
专用节点发起新的频率分配请求，由负责重新寻找合适的通信频段。参见附图3，它是本实施例提供的认知用户节点工作流程示意图；认知用户的初始状态为等待向专用节点发接入请求，一旦收到可用频段为乂的应答，即以发送数据帧，发完一帧后自行检查授权用户有没有重新占用该频率，若没有占用，则发送下一帧，若已经占用，则记录通信断点，退出此次通信过程，返回初始请求状态，以获取新的频率继续通信。 其具体步骤是
①初始状态为等待，一旦有通信需求，即向专用节点发出接入网络的请求，等待专用节点的响应。若未得到应答或收到拒绝应答，则返回①，若收到确认应答，进入下一步。②以分配到的频率乂发送数据帧。若数据发送完成，返回①，否则发完1帧，进入
下一步。③检测工作频率名是否被授权用户重新占用。若未被占用，返回②，否则进入下一步。④退出通信过程并记录通信断点。直接返回①，请求新的频率Z，以便从断点开始继续通信过程。若频谱感知采用能量检测方法，以轮询方式依次检测J1 I2…Si…Λτ是否占用， 又设无论采用何种用户接入方法，当硬件设备相同时，针对一个工作频率的感知时间是一样的，都包括从通信模块设为名接收状态到控制器读取CD (载波检测)有效状态字的时
间，用同步时隙T^tf表示。在使用集中式接入方式时，另设定公共控制信道，专用节点
，并假定控制信道是理想的。且不考虑控制器的处理时间。针对本发明所述的混合式
接入方法，得到认知用户的接入时间和退出时间，并类比分析分布式方法和集中式方法各自的特点进行比较，其结果如下
1、本发明混合式技术方案的接入与退出时间 (1)接入时间
混合式接入与专用节点工作状态转换有关。考虑最坏情况，当一个认知用户发起接入请求时，专用节点刚刚进入循环检测频率的感知阶段，需要经过F次感知后才能对请求作出响应，因此，接入时间为
7^ =现厕 + mTw +2Tr(1)
其中肌一表示循环感知N次频率所需时间，< 表示等待接收认知用户发来的请求
接入的消息所需时间，Ttr为认知用户与专用节点之间的平均传播延迟时间，由于信道分配
方案处理时间与决策算法有关，这里不作考虑。(2)退出时间
认知用户在』上每完成一次通信过程(可以是发送一帧)，就转为感知状态，自行检测是否有授权用户重新占用』，若无，则继续使用，若有，则退出。所以仅需要一个时隙。Tmi = Tsaix +Tfimm(2)
其中仏■表明考虑最坏情况，认知用户刚开始一帧数据的发送，授权用户就出现了， 这时要等到一帧通信结束，才可检测并退出。
2、分布式接入与退出时间 (1)接入时间
当有
权利要求
1. 一种混合式认知网络频谱接入与退出的方法，其无线通信为多带方式，包括授权网络和认知网络，特征在于在认知用户(Ji+1)中包括一个专用节点()，认知用户在接入时其方法为使用公共控制信道(/■)和专用节点()进行集中频谱感知、信道分配和管理；在授权用户重新占用信道后，认知用户的退出方法为分布式；所述的接入与退出的方法包括如下步骤第一步①专用节点)循环检测授权网络中全部授权用户()所分配的工作频率(ΛΛ…Jl···/,)，判断各工作频率是否被授权用户占用，将未被授权用户使用的空闲频率设置为可以分配频率，执行第二步；②欲使用通信频率的认知用户向专用节点)发出请求；第二步专用节点(Ai^)以固定的时隙间隔(7;)等待认知用户发来欲使用通信频率的请求，若未收到请求且等待时间到，则返回第一步①；若收到请求，执行第三步①；第三步①专用节点对认知用户的请求发出应答响应，将可以分配频率分配给认知用户，返回到第二步；若无频率可以分配，则向认知用户发出拒绝响应，返回到第二步；②认知用户直接使用从专用节点处获得的频率与其他认知用户通信，并在通信间隙自行感知该频段的使用状态信息，若该认知用户认定当前频段不适合继续通信，则退出该频段，返回到第一步②；若能正常通信，则通信结束后退出该频段。
全文摘要
本发明公开了采用目前已有的常规无线通信技术就可实现的一种混合式认知网络频谱接入与退出方法。无线通信为多带方式，包括授权网络和认知网络，在认知用户中包括一个专用节点，认知用户在接入时其方法为使用公共控制信道和专用节点进行集中频谱感知、信道分配和管理；在授权用户重新占用信道后，认知用户的退出方法为分布式。本发明采用集中接入分配、分布感知退出、点对点通信的方法，将接入和退出功能分离，使认知网络系统的认知工作效率和复杂度得到了兼顾，并且由于每个节点硬件资源相同，故专用节点可以任意选择或替换，系统整体可靠性也得到提高。
文档编号H04W16/14GK102202317SQ201110124448
公开日2011年9月28日 申请日期2011年5月14日 优先权日2011年5月14日
发明者史迩冬, 汪一鸣, 王尚, 赵雄鹰, 高杨 申请人:苏州大学