專利名稱：一種分級頻譜共享網絡的控制信道建立方法
技術領域：
本發(fā)明涉及屬于無線通信技術領域，特別涉及一種分級頻譜共享網絡的控 制信道建立方法。
背景技術：
分級頻譜共享網絡基于認知無線電提出了混合網絡，認知無線電也被稱為 智能無線電，從廣義上來說是指無線終端具備足夠的智能或者認知能力，通過 對周圍無線環(huán)境的歷史和當前狀況進行檢測、分析、學習、推理和規(guī)劃，利用 相應結果調整自己的傳輸參數，使用最適合的無線資源(包括頻率、調制方式、 發(fā)射功率等)完成無線傳輸。如圖1，認知無線電中各認知用戶干擾溫度與干擾 溫度限之間的差距在空間、時間和頻率上具有差異性，因此不同位置用戶在不 同頻帶允許的發(fā)射功率不同，各用戶通信可達范圍具有空時差異性，傳統(tǒng)的中 心控制或純分布式的網絡拓撲，己不適用于分級頻譜共享網絡中復雜多變的頻 譜環(huán)境，也不利于提高系統(tǒng)的頻譜利用率。為適應頻譜多變的環(huán)境以提高頻譜 利用率和通信可靠性，采用如圖1所示網絡結構，整個網絡擁有多個服務小區(qū)，
每個小區(qū)由頻譜共享基站(spectrum sharing base station, SSBS)和若干個頻譜 共享用戶(spectrum sharing user, SSU)組成，頻譜共享用戶之間可根據一定的 準則組成簇。
在分級頻譜共享網絡中，根據可用頻譜資源的來源，將不同網絡劃分優(yōu)先 級，如對于分級頻譜共享用戶需要擇機利用或借用其頻譜資源的網絡，定義為 高優(yōu)先級網絡，而對于分級頻譜共享用戶需與之以競爭方式獲取可用頻譜資源 的網絡，定義為同優(yōu)先級網絡。
分級共享網絡的可用頻譜資源包括擇機利用或借用的高優(yōu)先級網絡頻譜資源，與同優(yōu)先級網絡以競爭方式獲取的頻譜資源?？捎妙l譜資源可根據一定 準則或門限分類，然后根據頻譜用戶自身需求，選擇其具體使用的頻譜類型。
在分級頻譜共享網絡中，利用頻譜資源的特性，即對同一時間處于不同位 置的用戶以及同一位置不同時間的用戶，其可用的頻譜資源會有所不同，把有 效頻譜集合分成兩類，每一類頻譜集合分別應用于不同的應用場景。第一類有 效頻譜(TYPE1):可用較大的發(fā)射功率，可用于基站和用戶之間的直接通信; 第二類有效頻譜(TYPE 2):可用較低的發(fā)射功率，用于用戶之間的直接通信。
在分級頻譜共享網絡中，分級頻譜共享用戶使用一條帶外的頻譜作為公共 控制信道用于行令的交互，但是由于帶外頻譜帶寬有限并且由于通信方式的多 樣性，大量不同信令的交互機制造成控制信道擁塞不堪，如何協(xié)調控制用戶在 接入時，有效利用頻譜資源不發(fā)生沖突是十分重要的問題，而認知無線電系統(tǒng) 中除了帶外的控制信道外沒有固定可用的頻譜，所以需要設計一種新的信令交 互機制或者尋找新的控制信道以緩解公共控制信道的擁塞。在認知無線電系統(tǒng) 中，選取控制信道時需要考慮以下問題-
1) 尋找一個控制信道使認知用戶之間方便交換控制信息；
2) 當原控制信道不再可用時，能否迅速高效地選取另一控制信道；
3) 保證數據信道的質量使用戶間進行可靠通信。
現(xiàn)已有研究者提出一種分布式協(xié)作的方法，用以解決動態(tài)頻譜環(huán)境下控制
信道分配的問題，內容詳見JUN ZHAO， HAITAO ZHEN， AND GUANG-HUA YANG. Distributed Coordination in Dynamic Spectrum Allocation Networks. In Proc. of IEEE International Symposium on Dynamic Spectrum Access Networks (DySPAN)(2005)。在動態(tài)頻譜環(huán)境下，由于認知用戶間頻譜的異構性，很難建 立一條全局的控制信道用于行令的交互，于是提出在頻譜感知相似的鄰居用戶使用同一控制信道，形成一個群(group)，而不是所有用戶都共享同一控制信 道。在文章中，作者只是提出了此概念，并沒有提出怎樣建立此控制信道。本 專利從實現(xiàn)的角度出發(fā)，提出一種在分級頻譜共享網絡的控制信道建立方法，
此控制信道依托于分簇結構的建立，并由MAC協(xié)議進行有效管理。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了提供一種適用于分級頻譜共享網絡的本地控制信道 建立方法。
為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，使用了如下方案 一種分級頻譜共享網絡的控制 信道建立方法，所述分級頻譜共享網絡中高優(yōu)先級用戶數為N，分級頻譜共享
用戶數為H，射頻端可支持的頻帶F可平均分為M個信道，該方法包括以下步
驟
51. 分級頻譜共享用戶通過計算可感知的高優(yōu)先級用戶信道權值對M個 信道進行排序；
52. 將接入同一信道的分級頻譜共享用戶建立為同一簇，并將此信道作 為本簇的本地控制信道；
53. 通過MAC協(xié)議設計對分簇后的分級頻譜共享用戶不同時隙的各種功 能進行管理。
本發(fā)明的有益效果由于本發(fā)明首先根據對高優(yōu)先用戶信道權值進行計算 并排序，獲得信道的優(yōu)先級，并根據此優(yōu)先級進行信道接入而建立分簇結構， 并將此信道作為本地控制信道，最后通過MAC協(xié)議設計對各種功能進行管理。 通過以上過程在分級頻譜共享網絡中建立起了本地控制信道用于分級頻譜共 享用戶的信令交互，有效地解決了認知無線電中沒有公共控制信道的難題。
圖1分級頻譜共享網絡架構。
圖2本發(fā)明的本地控制信道建立流程圖
圖3高優(yōu)先級用戶信道占用模型
圖4第i個高優(yōu)先級用戶信道0N-0FF模型
圖5 MAC協(xié)議圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的基本思路是為了解決分級頻譜共享網絡中公共控制信道難以獲 得的問題，本發(fā)明建立本地控制信道用于代替公共控制信道，此本地控制信道 依托于分簇結構的建立。其流程如圖2，首先根據對高優(yōu)先用戶信道權值進行 計算并排序，獲得信道的優(yōu)先級，并根據此優(yōu)先級進行信道接入而建立分簇結
構，并將此信道作為本地控制信道，最后通過MAC協(xié)議設計對各種功能進行管 理。 .
下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
一種分級頻譜共享網絡的控制信道建立方法，所述分級頻譜共享網絡中高 優(yōu)先級用戶數為N，分級頻譜共享用戶數為H，射頻端可支持的頻帶'F可平均 分為M個信道，其特征在于，包括以下步驟
Sl.分級頻譜共享用戶通過計算可感知的高優(yōu)先級用戶信道權值對M個 信道進行排序；
認知無線電對于頻譜的感知，是一個掃描頻譜尋找"空穴"的過程，即認 知用戶掃描當前的頻譜，尋找空穴以接入網絡。根據對高優(yōu)先級用戶的統(tǒng)計觀 察，高優(yōu)先級用戶頻譜狀態(tài)的變化利用近似服從ON-0FF過程，ON-OFF模型是 Mandelbrot等人在更新過程的基礎上提出的，也被稱為交替更新過程。如圖3 所示，這里對頻段利用0N-0FF模型來描述，并且假設各頻段之間是獨立的，用(W,，， ^U表示處于開狀態(tài)(ON-State)的隨機變量序列，用{, ，"^1}表示處 于關狀態(tài)(OFF-State)的隨機變量序列。這里假設{^, "^1}及{, , "^1}分別 都是獨立同分布的。用JV,表示任意的一個持續(xù)處于開狀態(tài)的時間，《表示任意 的一個持續(xù)處于關狀態(tài)(0FF-State)的時間，對任意的t、 s， iv,與《可以不 獨立，但為了分析簡便這里假設兩者之間是獨立的，因此{^,"21}和{《，"21} 也是獨立同分布的，并且分別服從參數為義,和//,(這里的義和^為人為定義的 高優(yōu)先級用戶的系統(tǒng)參數，它們與第i個高優(yōu)先級用戶頻段對應)的指數分布。 設f/,表示第i個高優(yōu)先級用戶頻段空閑的概率(也就是處于關狀態(tài)(0FF-State)
的概率，從認知系統(tǒng)的角度也稱為利用率)，則由交替更新過程的結論可以得 到式(l):
",=丄 式(l) 義,+//,
顯然，丄表示在每一個關狀態(tài)(0FF-State)中持續(xù)時間長度的均值，一 般地會認為丄的值越大則會導致關狀態(tài)(0FF-State)到開狀態(tài)(0N-State).
之間的轉換越慢。
在利用0N-0FF模型對高優(yōu)先級用戶信道利用情況進行建模時，分級頻譜 共享用戶需要關注兩個方面利用率C/,及標志高優(yōu)先級用戶從關狀態(tài) (0FF-State)到開狀態(tài)(0N-State)轉換頻度的//;。顯然f/,越大越好，這表
示認知系統(tǒng)能夠越多地利用該頻譜資源，同時1越大，則從關狀態(tài)(0FF-State)
到開狀態(tài)(0N-State)之間轉換的頻繁程度越小，可以避免認知系統(tǒng)對該頻譜 的頻繁操作。
從以上分析，可以得出可用頻譜特性與三個參數相關，開狀態(tài)(ON-State)指數分布的參數A，關狀態(tài)(OFF-State)指數分布的參數"以及頻譜的利用 率U。這里我們選取其中的U以及U作為路由選取的判斷依據，主要的原因有 兩個方面，首先應該選取可利用率高的頻譜資源，這樣的頻譜才會有更多的機 會被使用；其次，從圖4中可以清楚地看到y(tǒng)的變化將會影響開狀態(tài)(ON-State) 和關狀態(tài)(OFF-State)之間的轉換頻繁程度，這也是我們需要注意的，相同 的利用率會有不同的轉換情況。顯然具有較大利用率和較小"的頻段是較優(yōu) 的，但明顯地，這兩個參數不一定會同時達到最優(yōu)的，因此在這兩個參數不能 同時達到最優(yōu)的時候，兩者之間需要一個折衷。
根據前面的分析，分級頻譜共享用戶通過連續(xù)的采樣，可以獲得近似逼近 值O和p，估計出參數根據公式(2)計算出相應的信道權值
式中，g,(0表示第i個信道的信道權值，t為分級頻譜共享用戶對第i個信 道的當前感知時刻，S,(/)"0,lj為信道i在時刻t是否可用的狀態(tài)參數，"為
人為定義的一個小于l的權重因子，A和/z為人為定義的高優(yōu)先級用戶的系統(tǒng)參數。
S2.將接入同一信道的分級頻譜共享用戶建立為同一簇，并將此信道作 為本簇的本地控制信道；
在網絡初始化時進行分簇過程，分級頻譜共享用戶根據計算得到的高優(yōu) 先級用戶信道權值按照從高到低的順序接入信道，在接入過程中分級頻譜共享 用戶在加入網絡時會遇到三種情況
1)在0(O值選擇的信道上沒有接收到幀；
那么此分級頻譜共享用戶宣布為簇頭，此信道為本地控制信道，并在下一 幀中發(fā)送信標。
g(/) = S,(o*2) 在g(0值選擇的信道上接收到幀，并帶有信標；
那么分級頻譜共享用戶在簇間信令傳輸時隙請求加入此簇，簇頭接受請求
后，在鄰居廣播時隙(NBP)時隙中分配最小時隙給此分級頻譜共享用戶。如 果在NBP中沒有時隙可以分配或者簇頭反對加入，則此用戶選擇次g(/)作為本 地控制信道，再進行分簇過程。如果簇頭允許加入此用戶，則此用戶從下一幀 開始，依次根據0(/)列表，在信道上發(fā)送鄰居信息。
3) 接收到幀，但沒有帶有信標，而是帶有鄰居信息。
收到此信息時，意味著此分級頻譜共享用戶有個鄰居的簇，并且兩跳于鄰 居簇頭。分級頻譜共享用戶記錄鄰居信息，并且在在簇間信令傳輸時隙交換鄰 居簇信息，并且判定此信道是否為二類頻譜。如果此用戶還沒有分簇，將選擇 下一本地控制信道進行分簇過程。如果此用戶已經分簇，則從下一幀開始，依 次根據Q(O列表，在信道上發(fā)送鄰居信息。
分級頻譜共享用戶通過接入網絡，建立起分簇結構，同時也建立起本地控 制信道。
S3.通過MAC協(xié)議設計對分簇后的分級頻譜共享用戶不同時隙的各種功 能進行管理，如圖5所示，其具體實現(xiàn)過程包含如下步驟
531. 信標，分級頻譜共享用戶簇頭發(fā)送信標信息，用于資源分配； 如果此分級頻譜共享用戶已經建立了簇并成為簇頭，則周期性的發(fā)送信標
信息，此信息包括時間同步信息，簇內的控制和資源分配信息。
532. 頻譜感知，分級頻譜共享用戶進行頻譜感知；
533. 發(fā)送感知信息到基站，分級頻譜共享用戶將感知的頻譜信息傳送給認 知基站；
534. 簇內信令傳輸，簇內用戶交換控制信息。535. 認知基站廣播感知結果，認知基站將收集到的感知信息作出判決后， 將可用頻譜信息廣播給分級頻譜共享用戶，在分級頻譜共享網絡中，根據對頻 譜分類的定義，此頻譜信息為第一類有效頻譜(TYPE 1):可用較大的發(fā)射功 率，可用于基站和用戶之間的直接通信。
536. 鄰居廣播，分級頻譜共享用戶之間進行鄰居廣播。
此鄰居廣播時隙劃分為固定的小時隙，在簇內每個簇內成員占用一個小時
隙，用于廣播自己的身份(ID)和鄰居信息，鄰居信息包括鄰居的ID和鄰居 的頻譜信息，頻譜信息為除了第一類頻譜外剩余待檢查的并且沒有超過高優(yōu)先 級用戶干擾限制的頻譜列表。如果在此時隙內，鄰居用戶接收到此廣播信息， 將回送一個信息，并根據前面對第二類頻譜的定義，標示此信道為第二類頻譜。
537. 數據傳輸，分級頻譜共享用戶進行數據傳輸-，
538. 簇間信令傳輸，此時，簇間用戶交換控制信息。 本領域的普通技術人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理
解本發(fā)明的原理，應被理解為發(fā)明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實 施例。凡是根據上述描述做出各種可能的等同替換或改變，均被認為屬于本發(fā) 明的權利要求的保護范圍。
權利要求
1.一種分級頻譜共享網絡的控制信道建立方法，所述分級頻譜共享網絡中高優(yōu)先級用戶數為N，分級頻譜共享用戶數為H，射頻端可支持的頻帶F可平均分為M個子信道，其特征在于，包括以下步驟S1.分級頻譜共享用戶通過計算可感知的高優(yōu)先級用戶信道權值對M個信道進行排序；S2.將接入同一信道的分級頻譜共享用戶建立為同一簇，并將此信道作為本簇的本地控制信道；S3.通過MAC協(xié)議設計對分簇后的分級頻譜共享用戶不同時隙的各種功能進行管理。
2. 根據權利要求1所述的一種分級頻譜共享網絡的控制信道建立方法， 其特征在于，步驟S1中計算信道權值的具體公式為義， "、1式中，2(,)表示第i個信道的信道權值，t為分級頻譜共享用戶對第i個信道的當前感知時刻，S,W^O，0為信道/在時刻f是否可用的狀態(tài)參數，"為人 為定義的一個小于1的權重因子，義和//為人為定義的高優(yōu)先級用戶的系統(tǒng)參 數。
3. 根據權利要求2所述的一種分級頻譜共享網絡的控制信道建立方法， 其特征在于，步驟S2中，分級頻譜共享用戶根據計算得到的高優(yōu)先級用戶信 道權值按照從高到低的順序接入信道。
4. 根據權利要求1所述的一種分級頻譜共享網絡的控制信道建立方法， 其特征在于，步驟S3中，其具體實現(xiàn)過程包含如下步驟S31.分級頻譜共享用戶簇頭發(fā)送信標信息，用于資源分配；,532. 分級頻譜共享用戶進行頻譜感知；,533. 分級頻譜共享用戶將感知的頻譜信息傳送給認知基站;,534. 簇內用戶交換控制信息；,535. 認知基站廣播感知結果；,536. 分級頻譜共享用戶之間進行鄰居廣播；,537. 分級頻譜共享用戶進行數據傳輸；,538. 簇間用戶交換控制信息。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種分級頻譜共享網絡的控制信道建立方法。所述分級頻譜共享網絡中高優(yōu)先級用戶數為N，分級頻譜共享用戶數為H，射頻端可支持的頻帶F可平均分為M個子信道，其特征在于，包括以下步驟S1.分級頻譜共享用戶通過計算可感知的高優(yōu)先級用戶信道權值對M個信道進行排序；S2.將接入同一信道的分級頻譜共享用戶建立為同一簇，并將此信道作為本簇的本地控制信道；S3.通過MAC協(xié)議設計對分簇后的分級頻譜共享用戶不同時隙的各種功能進行管理。本發(fā)明的有益效果通過以上過程在分級頻譜共享網絡中建立起了本地控制信道用于分級頻譜共享用戶的信令交互，有效地解決了認知無線電中沒有公共控制信道的難題。
文檔編號H04W72/00GK101594617SQ20091005966
公開日2009年12月2日 申請日期2009年6月19日 優(yōu)先權日2009年6月19日
發(fā)明者唐萬斌, 軍 王, 磊 龔 申請人:電子科技大學