认知无线电网络中控制信道建立方法与流程
本发明属于无线电网络技术领域，具体涉及一种认知无线电网络中认知无线电网络中控制信道建立方法。
背景技术：
认知无线电概念的提出是为了解决无线电频谱资源稀缺问题。目前，无线电频谱是以固定方式分配的，分为授权频谱和非授权频谱。由于对非授权频谱的使用不需要相应机构的授权，因此得到了广泛的商业应用。随着近些年智能设备的快速发展，商业领域无线电设备及应用的迅速增多，非授权频段上的通信变的异常拥挤。为了解决这一问题，认知无线电技术设想让非授权用户在不干扰授权频段上授权用户正常通信的情况下，动态的使用授权频谱。
由于认知无线电技术的动态频谱使用特性，不同于传统的无线电网络技术，在认知无线电网络中，非授权用户之间在进行数据传输之前需要首先同时接入到相同的信道上进行控制信息的交换，这一过程即为控制信道建立过程。由于认知无线电网络的异构性(即不同的非授权用户具有不同的特性，包括感知能力，可利用授权频道集等等)，异步性等特征，控制信道的建立面临着巨大的挑战。
认知无线电网络中的控制信道建立方法主要分为集中式方法与分布式方法。在集中式方法中，需要使用基础设备建立控制信道。基础设备加大了网络花费并且面临着单点失败等问题。因此，相较于集中式方法，分布式方法由于其不需要基础设备花费，拥有着很大的优势。分布式方法又可以分为专用控制信道方法和信道跳跃方法。专用控制信道方法需要预设专用的信道，由于认知无线电网络中可利用频谱的动态特性，专用控制信道可能会干扰授权用户正常的通信。信道跳跃方法不需要专用控制信道，非授权用户通过预设的信道跳跃序列进行频段接入。若非授权用户在同一时间接入相同的信道，那么他们可以尝试建立他们之间的控制信道。
大多数基于信道跳跃的控制信道建立方法都含蓄地假设在控制信道建立过程中，只要非授权用户同时接入同一信道，就可以成功地建立控制信道并且进行数据传输。然而，在真实的认知无线电网络中，当多个非授权用户同时接入在一个相同的信道上时，多个授权用户将会竞争同一个信道，可能导致部分非授权用户之间的控制信道建立失败。
目前，针对认知无线电网络中信道建立方法中存在的多非授权用户竞争问题的相关研究文献如下：
1.xingyaliu等人在2014年的《ieeeglobecom》上发表的文章“aslot-asynchronousmacprotocoldesignforblindrendezvousincognitiveradionetworks”中考虑了控制信道建立过程中握手失败的问题并且提出了一种能够提升握手性能的控制信道建立方法。然而，这一方法假设每个非授权用户只存在一个竞争非授权用户或是隐藏终端非授权用户。当有多于两个非授权用户争夺同一授权频段时，此方法不再适用。此外，这一方法在一个时隙内只进行两次控制信道建立尝试，剩余时间都用于监听。如果在监听期间，信道一直是空闲的，则浪费了信道资源。
2.xinyaliu等人在2014年的《ieeeinfocom》上发表的文章“apracticalself-adaptiverendezvousprotocolincognitiveradioadhocnetworks”中考虑了信道冲突，非授权用户之间的竞争以及目标用户不可用等问题，并在此基础上提出了一个融合的控制信道建立方法。重点考虑了认知无线电网络中非授权用户可能不在一个公共的控制信道上的特性，并针对这一特性特出了专有的解决方案。然而，当一个非授权用户既是发送者又是接收者的时候，根据此控制信道建立方法，非授权用户将作为发送者尝试发送数据。因此，当其潜在的发送者发送rts数据包后，收不到任何回复数据包，会被默认为此非授权用户与其潜在的发送者不在同一信道上，从而终止重传rts数据包。此外，在此控制信道方法中，在两个非授权用户之间的控制信道建立后将直接利用控制信道进行数据传输。当各个信道中分布的非授权用户不均匀时，会导致部分非授权用户之间的控制信道建立面临很大的延迟。
3.quanliu等人在2015年的《ieeetransctionsonvehiculartechnology》上发表的文章“accessdelayofcognitiveradionetworksbasedonasynchronouschannel-hoppingrendezvousandcsma/camac”中考虑了在控制信道建立过程中多个非授权用户之间的竞争问题。结合认知无线电网络的特性，在传统无线电网络数据链路层协议的基础上进行了改进，加入了两种冻结退避计数器的情况，即当有授权用户逗留在此频段上以及当此时隙中剩余的时间无法完成数据包传输时。而且，此方法同时考虑了多个非授权用户之间的冲突问题。然而，在此信道建立方法中，当一对非授权用户在某一授权频段上成功地建立控制信道之后，同样直接利用控制信道进行数据传输，这将导致其他想要在此信道上建立控制信道的非授权用户经历长时间的延迟。而且，时隙的剩余时间必须足够用于控制信息及数据传输的时间，才可以进行控制信道建立尝试，降低了尝试控制信道建立的机会。除此之外，此信道建立方法含蓄地认为当信道空闲时，任一非授权用户都可以接入。然而由于非授权用户可接入信道的范围不同，非授权用户可能不能够接入任一频段。此外，此方法同样面临着非授权用户分布不均的问题。
在总结这些研究的基础上，可以看出当前认知无线电网络中信道建立方法中主要存在以下问题：
1.不完全适用于真实的认知无线电网络。部分控制信道建立方法虽然考虑了非授权用户与其目的非授权用户不在同一频段的情况，并提出了具体的解决方案。然而，当多于两个非授权用户共同竞争同一频段以及当非授权用户既是发送者又是接收者的时候，控制信道建立方法将不再适用。
2.非授权用户分布不均匀问题。已有考虑到在控制信道建立过程中非授权用户之间的竞争问题的控制信道建立方法都没有考虑非授权用户的均匀分布问题。在认知无线电网络中，非授权用户之间的时钟是异步的。每个非授权用户开始其控制信道建立过程的时间的不确定性导致接入的信道的不确定性。因此，会导致非授权用户分布不均的情况存在，这一情况会导致非授权用户对部分频段的竞争过于激励，与此同时另一部分频段可能并没有被充分的利用。
3.控制信道与数据传输信道为同一频段的问题。大部分方法认为非授权用户在控制信道建立之后直接使用控制信道进行数据传输。由于数据传输所需的时间比控制信息所需的时间长，因此当多个非授权用户接入到同一信道时，会导致长时间的延迟，甚至导致接入同一频段的非授权用户控制信息交换失败。此外，这一方法只有在剩余时间足够控制信息以及数据信息传输的情况下才能够尝试控制信道建立，降低了每个时隙内可尝试控制信道建立的机会。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明提出一种认知无线电网络中控制信道建立方法，考虑了控制信道建立过程中，多个非授权用户对同一频段的竞争问题，在此方法中，控制信道与数据传输信道可以是不同的信道，在控制信道建立后，非授权用户之间通过控制信息的传输以及信道的密度来选择数据传输信道，解决了现有控制信道建立方法中非授权用户分布不均匀以及控制信道与数据传输信道为同一信道的问题；此外，此方法中的非授权用户采用实时监听模式，避免了由于非授权用户既是发送者又是接收者所带来的控制信道建立失败问题。而且，此方法缩短了rts数据包帧及cts数据包帧中持续时间的时间长度，降低了由于非授权用户与其目标非授权用户不在同一频道上给其他非授权用户带来的控制信道建立延迟。
实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种认知无线电网络中控制信道建立方法，包括以下步骤：
(1)非授权用户接入可利用信道；
(2)非授权用户与其目的非授权用户交换控制信息；
(3)建立数据传输信道，实现数据传输。
进一步地，所述步骤(1)具体包括以下步骤：
(1.1)对授权信道进行感知，得到非授权用户可利用的信道集及可利用信道的密度信息；其中，信道密度信息的获取方法为：非授权用户通过监听其通信范围内的非授权用户的通信，获得其通信范围内的非授权用户所接入的信道，统计出各个信道中非授权用户的个数，从而求得各个可利用信道的信道密度；
(1.2)根据可利用信道集及信道跳跃方法生成信道跳跃序列；
(1.3)在每一个时隙开始时，如果非授权用户没有进行数据传输，它将根据其信道跳跃序列接入相应信道，其中，在接入信道前，首先对信道进行实时感知，感知是否有授权用户正在使用这一频段，若授权用户正在使用这一频段，非授权用户则跳过这一信道，尝试接入其信道跳跃序列中的下一个信道。
进一步地，所述步骤(2)具体包括：
(2.1)当非授权用户有数据需要传输时，将对信道的使用权进行竞争；
(2.2)当非授权用户成功地竞争到信道使用权后，非授权用户将把其感知到的可利用信道集及可利用信道的密度信息封装于rts数据包帧中传输给其目的非授权用户；其目的非授权用户成功地接收到rts数据包帧后，将获得发送rts数据包帧的非授权用户感知到的可利用信道集及各个信道的密度信息；
(2.3)当非授权用户没有需要传输的数据或者处于退避削减过程时，非授权用户进行实时监听；当非授权用户监听到rts数据包帧的目的用户是其自身时，则发送cts给rts数据包帧的发送者，用以告知其接收到的rts数据包帧的发送者已经与目的非授权用户成功地建立通信，以及决定好的数据传输信道；
(2.4)当发送rts数据包帧的非授权用户接收到cts数据包帧后，将跳转到cts数据包帧中包含的决定好的数据传输信道上进行数据传输；当发送rts数据包帧的非授权用户未收到cts数据包帧时，即发生rts数据包帧冲突或是非授权用户与其目的非授权用户没有接入同一信道，非授权用户则进行rts数据包帧重传过程，直到收到其目的非授权用户发来的cts数据包帧或者当前时隙的剩余时间不够用于rts数据包帧的发送以及cts数据包帧的接收。
进一步地，所述非授权用户使用基于分布式协调功能的载波监听多路访问/冲突检测方法来竞争信道的使用权。
进一步地，所述步骤(2)中rts数据包帧中包含：非授权用户及其目的非授权用户的地址信息、持续时间信息、非授权用户的可利用信道集、可利用信道集中信道的密度信息；其中，持续时间信息的时间长度为足够传输一个短帧间间隔sifs的时间。
进一步地，所述信道的密度由单位频段上的非授权用户的个数表示，计算公式为：
ρc＝mc/bc；
其中：ρc代表信道c的密度，mc代表信道c上非授权用户的个数，bc代表信道c的带宽；通常假设认知无线电网络中的频段被分为n个等带宽的信道，因此各个信道的带宽相等，即：bc＝b/n，其中b为认知无线电网络中频段的总带宽。
进一步地，所述步骤(2)中cts数据包帧包含：非授权用户及其目的非授权用户的地址信息、持续时间信息、以及决定好的数据传输信道信息；其中，持续时间信息的时间长度为足够完成一个cts数据包帧及一个短帧间间隔sifs传输的时间。
进一步地，所述每个时隙的时间又可分为用于信道切换的时间、用于信道感知的时间、用于信道竞争的时间以及用于数据传输的时间；
所述信道切换包括两种模式：信道切换模式1及信道切换模式2，信道切换模式1指的是非授权用户根据其信道跳跃序列进行跳跃信道切换；信道切换模式2指的是非授权用户按照控制信息交换过程中所确定下来的数据传输信道进行信道切换；
所述信道感知指的是非授权用户在接入信道之前先进行信道感知，感知信道是否被授权用户占用；
所述信道竞争指的是非授权用户之间竞争信道的使用权用以rts数据包帧的发送以尝试与其目的非授权用户建立控制信道。
进一步地，所述步骤(3)中建立数据传输信道的方法为：目的非授权用户将从rts数据包帧中获得的可利用信道集与其自身感知到的可利用信道集进行对比，选出公共可利用信道集；然后根据非授权用户及其目的非授权用户感知到的公共可利用信道集中信道的密度，计算出平均密度最小的信道作为数据传输信道。
进一步地，所述平均密度的计算公式为：
其中，ρcx'为cc中第x'个信道的平均密度，ρtx'与ρrx'分别为rts数据包发送者以及目的非授权用户感知到的第x'个信道的密度；cc为非授权用户及其目的非授权用户之间的公共可利用信道集。
与现有认知无线电网络中的控制信道建立方法相比，本发明的有益效果：
(1)本发明中的认知无线电网络中控制信道的建立方法，充分考虑了非授权用户与其目的非授权用户可能没有接入相同信道这一特性，为了减小由于此特性带来的对可利用信道无用的占用时间，本发明更改了传统的rts数据包帧及cts数据包帧结构，减小了rts数据包帧及cts数据包帧的大小，从而能够减少传递rts数据包帧及cts数据包帧所需的时间；此外，rts数据包帧中的持续时间信息由原有的包括传输cts数据包帧、ack数据包帧以及三个短帧间间隔sifs的时间更改为只包括一个足够短帧间间隔sifs的时间；传统的cts数据包帧中的持续时间为传统rts数据包帧中的持续时间减去传输cts数据帧包及一个短帧间间隔所需的时间，更改后的cts数据包帧中的持续时间长度为足够完成一个cts数据包帧及一个短帧间间隔sifs传输的时间。因此，相比于传统的rts/cts数据包帧中持续时间所包含的长度，更改后的rts/cts数据包帧缩短了其帧结构中的持续信息时间。而且，当非授权用户与其目的非授权用户不在同一信道时，缩短了其他非授权用户的等待时间。
(2)本发明中的认知无线电网络中控制信道的建立方法，避免了现有技术中由于非授权用户既是发送者又是接受者导致的控制信道建立失败问题，本发明中非授权用户在不发送rts数据包帧时，实时监听其所在信道中的通信。因此当其潜在发送者发送rts数据包帧时能够检测到并作为接收者接收来自其潜在发送者的数据。由于本发明中的控制信道建立方法中的非授权用户在没有接收到其目的非授权用户发送的cts数据包帧时，不会中止rts数据包帧的重传。因此，很大程度地避免了非授权用户既是发送者又是接收者导致的控制信道建立失败的问题。
(3)本发明中的认知无线电网络中控制信道建立方法，将控制信道与数据传输信道进行分离，增加了控制信道建立的尝试机会。因为，只要在一个时隙内的剩余时间足够rts数据包帧及cts数据包帧的传输即可，不需要留有足够数据传输所需的时间。
(4)本发明中的认知无线电网络中控制信道建立方法，考虑了非授权用户的分布不均问题，根据非授权用户之间的公共可利用信道集中信道的密度信息进行数据传输信道的选择，充分避免了部分频段过于拥挤，部分频段未被充分利用的问题。
附图说明
图1为认知无线电网络中控制信道建立的流程图；
图2为非授权用户的时隙组成部分示意图；
图3为rts数据包帧的结构示意图；
图4为cts数据包帧的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
本发明提出一种认知无线电网络中控制信道建立方法，考虑了控制信道建立过程中，多个非授权用户对频段的竞争问题，在此方法中，控制信道与数据传输信道可以是不同的信道，在控制信道建立后，非授权用户之间通过控制信息的交换以及信道的密度信息来选择合适的数据传输信道，解决了现有控制信道建立方法中非授权用户分布不均以及控制信道与数据传输信道为同一信道所面临的问题；此外，本发明中的非授权用户采用实时监听模式，避免了由于非授权用户既是发送者又是接收者所带来的控制信道建立失败问题，如图1所示，具体包括以下步骤：
(1)非授权用户接入可利用信道，具体包括以下步骤：
(1.1)对授权信道进行感知，得到非授权用户可利用的信道集及可利用信道的密度信息；其中，信道密度信息的获取方法为：非授权用户通过监听其通信范围内的非授权用户的通信，获得其通信范围内的非授权用户所接入的信道，统计出各个信道中非授权用户的个数，从而求得各个可利用信道的非授权用户的密度；
所述信道的密度由单位频段上的非授权用户的个数表示，即ρc＝mc/bc；其中：ρc代表信道c的密度，mc代表信道c上非授权用户的个数，bc代表信道c的带宽；通常假设认知无线电网络中的频段被分为n个等带宽的信道，因此各个信道的带宽相等，即：bc＝b/n，其中b为认知无线电网络中频段的总带宽。
(1.2)根据可利用信道集及信道跳跃方法生成信道跳跃序列；
(1.3)在每一个时隙开始时，如果非授权用户没有进行数据传输，它将根据其信道跳跃序列接入相应信道，所述的信道跳跃序列的生成过程为现有技术，此处不赘述。在接入信道前，非授权用户首先对信道进行实时感知，感知是否有授权用户正在使用这一频段。若授权用户正在使用这一频段，非授权用户则跳过这一信道，尝试接入其信道跳跃序列中的下一个信道。
如图2所示，所述的每个时隙的时间可分为用于信道切换的时间、用于信道感知的时间、用于信道竞争的时间以及用于数据传输的时间；
所述信道切换包括两种模式：信道切换模式1及信道切换模式2；信道切换模式1指的是非授权用户根据其信道跳跃序列进行跳跃信道切换；信道切换模式2指的是非授权用户按照控制信息交换过程中所确定下来的数据传输信道进行信道切换。
所述信道感知指的是非授权用户在接入信道之前先进行信道感知，感知信道是否被授权用户占用；
所述信道竞争指的是非授权用户之间竞争信道的使用权用以rts数据包帧的发送以尝试与其目的非授权用户建立控制信道；
(2)非授权用户与目的非授权用户交换控制信息，具体包括：
(2.1)当非授权用户有数据需要传输时，将对信道的使用权进行竞争；优选地，所述非授权用户使用基于分布式协调功能的载波监听多路访问/冲突检测方法来竞争信道的使用权；该竞争过程为现有技术，本申请中不做过多的赘述；
(2.2)当非授权用户成功地竞争到信道使用权后，非授权用户将把其感知到的可利用信道集及可利用信道的密度信息封装于rts数据包帧中传输给其目的非授权用户；其目的非授权用户成功地接收到rts数据包帧后，将获得发送rts数据包帧的非授权用户感知到的可利用信道及各个信道的密度信息；
(2.3)当非授权用户没有需要传输的数据或者处于退避削减过程时，非授权用户进行实时监听；当非授权用户监听到rts数据包帧的目的用户是其自身时，则发送cts给rts数据包帧的发送者，用以告知其接收到的rts数据包帧的发送者已经与目的非授权用户成功地建立通信，以及决定好的数据传输信道；
(2.4)当发送rts数据包帧的非授权用户接收到cts数据包帧后，将跳转到cts数据包帧中包含的决定好的数据传输信道上进行数据传输；当发送rts数据包帧的非授权用户未收到cts数据包帧时，即发生rts数据包帧冲突或是非授权用户与其目的非授权用户没有接入同一信道，非授权用户则进行rts数据包帧重传过程，直到收到其目的非授权用户发来的cts数据包帧或者当前时隙的剩余时间不够用于rts数据包帧的发送以及cts数据包帧的接收；
其中：如图3所示，所述的rts数据包帧中包含：非授权用户及其目的非授权用户的地址信息、持续时间信息、非授权用户的可利用信道集、可利用信道集中信道的密度信息；其中，持续时间信息的时间长度为足够传输一个短帧间间隔sifs的时间；
如图4所示，所述的cts数据包帧包含：非授权用户及其目的非授权用户的地址信息、持续时间信息、以及决定好的数据传输信道信息；其中，持续时间信息的时间长度为足够完成一个cts数据包帧及一个短帧间间隔sifs传输的时间。
(3)建立数据传输信道，实现数据传输；在本发明中，当非授权用户与其目的非授权用户同时接入到同一可利用信道，则可根据控制信息交换过程建立数据传输信道，具体实现方法为：
目的非授权用户从rts数据包中获得rts数据包帧发送者感知到的可利用信道集
综上所述：
本发明公开了一种认知无线电网络中控制信道建立方法，包括可利用信道接入；控制信息交换；数据传输信道建立。非授权用户在进行控制信道建立前，首先感知其可利用的频段及频段密度信息；然后按照其信道跳跃序列接入可利用信道；当其有数据要传输时，则开启信道竞争模式；在信道竞争成功后，发送带有可利用频道及频道密度信息的rts数据包帧，当其目的节点接收到rts数据包帧后，根据两者的公共可利用频道及其密度信息决定两者之间的数据传输信道。本发明有效的解决了传统认知无线电网络中各频段非授权用户分布不均的问题带来的低效率频段利用问题。此外，本发明的方法中控制信道与数据传输信道分离，可以增加尝试控制信道建立的机会。另外，本发明中的方法充分考虑了认知无线电网络的特性，缩短了控制信息中包含的持续时间的长度，减小了由于非授权用户与其目的非授权用户不在一个频段所带来的控制信道建立延迟问题。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
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