專利名稱：基于分層控制信道機制的認知無線電網絡建立方法
技術領域：
本發(fā)明屬于無線通信信號處理領域，特別涉及認知無線電及其網絡
背景技術：
認知無線電(Cognitive Radio，CR)是一種具有感知無線環(huán)境、智能決策無線電行為以及靈活的無線頻譜接入能力的新型無線電設備。從1999年Jowph Mitola III提出認知無線電的概念至今，認知無線電受到了無線通信領域的學術界、工業(yè)界、商用和軍用用戶以及各國政府無線電管理部門的持續(xù)、廣泛而密切的關注。當前，公認的認知無線電應具備以下特征首先，它的收發(fā)機具有較傳統(tǒng)無線設備更寬的可工作頻率范圍，以及可變的工作帶寬，并根據具體應用需求確定當前的工作頻率及工作帶寬；其次，它裝備有頻譜傳感器， 能夠在上述可工作頻率范圍內測量無線頻譜、檢測周邊常規(guī)無線設備；之后，它能夠對從頻譜傳感器以及其他途徑得到的電磁環(huán)境信息進行分析，并根據操作者的需求進行決策，制訂出它的后續(xù)無線電行為方案；最后，它擁有靈活的無線波形與通信協(xié)議，可以實施其所選擇的無線電行為。認知無線電的這種特殊性能及行為方式使得由其構成的新型無線通信系統(tǒng)與傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)之間產生了巨大的差異，前者可以實現(xiàn)后者不可能實現(xiàn)的無線通信效果。 認知無線電網絡(Cognitive Radio Network, CRN)就是這樣一種典型的新型無線通信系統(tǒng)。認知無線電網絡即由稱作認知用戶(kcondaryUser，SU)的認知無線電組成的無線通信網絡，它可以在這樣一種極端特殊條件下運行首先，它不需要任何頻譜使用授權，也就是說，建立以及使用認知無線電網絡之前其操作者均不需要向有關無線電磁頻譜管理部門申請工作頻段；因此，它只能使用已經授權給其他無線通信系統(tǒng)但當前未被使用的頻段，而這樣的頻段內可能充斥著稱為授權用戶(Primary User, PU)的常規(guī)無線通信設備，認知無線電網絡的設計者與操作者必須保證認知用戶的無線電行為不對授權用戶造成有害影響； 最后，認知用戶需要感知、分析無線環(huán)境以找到稱作頻譜空洞(Spectrum Hole, SH)的空閑頻段，并運用認知無線電靈活的決策和行為能力加以利用。由于認知無線電網絡運行條件的特殊性，在其最初建立的階段，如何定義認知用戶的行為，是一個至今尚未得到公共認可解決方案的問題，稱為“網絡建立問題”。由于網絡建立問題的核心是對控制信道的選擇與利用問題，因此網絡建立問題也稱為“控制信道問題”。具體到某個認知用戶，它面臨的網絡建立問題可以這樣描述首先，認知用戶沒有頻譜使用授權；其次，尚未加入任何一個CRN的認知用戶所擁有的電磁環(huán)境信息僅限于其自身頻譜傳感器獲得的信息，而即使已經加入某個CRN中的認知用戶，在它與CRN之外的其他認知用戶初次建立連接時，它也不具備對方的電磁環(huán)境信息；另外，認知用戶必須保證其行為不對授權用戶的通信造成干擾；同時，它和鄰近的認知用戶之間需要一條控制信道以及一定的信息傳遞機制以相互發(fā)現(xiàn)；最后，它需要借助控制信道與相鄰其他認知用戶交換各自所搜集的電磁環(huán)境信息，從而發(fā)現(xiàn)共同的頻譜空洞以建立數(shù)據信道，為CRN的操作者提供通信服務。對于該問題的解決方案，主要存在兩方面的困難需要克服。
一方面是控制信道的存在性問題。網絡建立方案需要充分保證確實存在至少一條控制信道，可供需要建立新的CRN或者擴展現(xiàn)有CRN的認知用戶使用。通常有兩種控制信道選擇方法第一種方法是機會性的(opportunistic)，即認知用戶根據其頻譜傳感器報告的頻譜空洞，隨機選擇一個頻點(可能并非真正的頻譜空洞)作為最初的控制信道。第二種方法是確定性的(determinate)，即引入一個為所有認知用戶所共知的共用控制信道 (Common Control Channel, CCC) 0在機會性方法中，為使認知用戶能夠發(fā)現(xiàn)其他相鄰認知用戶，認知用戶的收發(fā)機利用隨機頻點發(fā)射與接收握手信號。因此，認知用戶的接收機工作帶寬必須與其傳感器的檢測帶寬一致，并且接收機中的握手波形檢測算法需要具有極強的頻率自適應能力，即在很寬的頻段內準確濾除可能存在的其他信號，同時完整保留CCC信號，以保證CCC的正常使用。這對于接收機設計提出了極高的要求。而在確定性控制信道選擇方法中，除非采用CRN專用的授權頻點(通常不具有可能性)，否則為避免CCC干擾授權用戶，CCC的信號發(fā)射功率必須受到嚴格限制，由此可能造成認知用戶數(shù)據信道信號使用頻段與CCC使用頻段的交疊。此時，CCC接收機要面對授權用戶信號和認知用戶數(shù)據信道信號的雙重干擾，因此其必須具有在大動態(tài)范圍信干噪比條件下工作的能力。另一方面，控制信道的有效性問題，即對于一個實用的認知無線網絡建立方案來說，還需要保證控制信道的信道容量，或者說在控制信道中最終能夠實現(xiàn)的數(shù)據傳輸速率。 從上述存在性問題的分析中可以看出，在網絡建立階段，無論采取機會性的或者確定性的初始控制信道選擇方法，如果面對較為復雜多變的電磁環(huán)境，由于授權用戶不可預期的頻譜使用行為而導致的同頻段非授權信道的性能下降是不可忽視的，因此初始控制信道的容量十分有限，很難保證CRN中所有認知用戶間同步更新電磁環(huán)境信息所需的數(shù)據帶寬。此時，認知用戶電磁行為的決策依據將主要依賴于其自身頻譜傳感器獲得的信息，而這將使得CRN的行為與當前電磁環(huán)境間產生難以預期的偏差。換句話說，假如CRN中某認知用戶從自身頻譜傳感器獲得的信息不能很好的描述整個CRN所處的電磁環(huán)境，那么該認知用戶的工作效能就將受到其所擁有的控制信道帶寬的限制，而該認知用戶的非正常運行最終將影響CRN的整體性能。因而，必須有一種方案使得控制信道帶寬可以在較大程度上跟隨CRN 的用戶數(shù)或覆蓋范圍一同擴張。綜上所述，認知無線電網絡建立方法的關鍵技術在于同時解決控制信道的存在性和有效性問題，但是這兩個問題之間存在一定的矛盾?，F(xiàn)有的認知無線電網絡建立方法公開研究成果較少，而且均未對存在性問題和有效性問題同時加以解決?？梢哉f，認知無線電網絡的網絡建立問題至今沒有得到有效解決。

發(fā)明內容
針對認知無線電網絡發(fā)展與應用中的網絡建立問題，本發(fā)明提供了一種基于雙層控制信道機制的認知無線電網絡建立方法，有效地解決了認知無線電網絡建立過程中的控制信道的存在性與有效性之間存在的矛盾。本發(fā)明基本思路為首先，在認知用戶之間利用一種不干擾授權用戶的功率譜密度受限波形建立低層控制信道(Lower Level Control Channel，LLCC)，從而實現(xiàn)認知用戶之間的握手。然后，實現(xiàn)握手的認知用戶之間，利用LLCC交換自身頻譜傳感器收集的頻譜空洞信息。一旦某一認知用戶發(fā)現(xiàn)其與另一認知用戶之間存在共同的頻譜空洞頻率段，且?guī)挐M足預定的頻帶寬度要求時，這一對認知用戶之間利用此共同頻點建立高層控制信道 (Higher Level Control Channel，HLCC)。之后，這一對認知用戶之間利用HLCC充分交換各自搜集的所有電磁環(huán)境信息(包括相鄰授權用戶、認知用戶、頻譜空洞信息)，找出該對認知用戶間所有共同頻譜空洞。最后，利用新找到的共同頻譜空洞建立數(shù)據信道。在CRN 各個節(jié)點間不斷進行上述操作，不斷建立并擴展數(shù)據信道，直至數(shù)據信道的數(shù)量及容量滿足CRN數(shù)據傳輸需求，或頻譜空洞資源用盡，至此CRN建立過程結束。本發(fā)明的技術方案是一種基于雙層控制信道機制的認知無線電網絡建立方法， 其特征在于包括下述步驟設任意認知用戶之間控制信道的控制信號s (t)時域表達式如下
權利要求
1. 一種基于雙層控制信道機制的認知無線電網絡建立方法，其特征在于包括下述步驟設任意認知用戶之間控制信道的控制信號s (t)時域表達式如下
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于雙層控制信道機制的認知無線電網絡建立方法，技術方案是首先，在認知用戶之間利用低層控制信道實現(xiàn)認知用戶之間的握手。然后，握手的認知用戶之間利用交換自身頻譜傳感器收集的頻譜空洞信息。一旦某一認知用戶發(fā)現(xiàn)其與另一認知用戶之間存在共同的頻譜空洞頻率段，且?guī)挐M足預定的頻帶寬度要求時，這一對認知用戶之間利用此共同頻點建立高層控制信道。之后，這一對認知用戶之間充分交換各自搜集的所有電磁環(huán)境信息，找出該對認知用戶間所有共同頻譜空洞。最后，利用新找到的共同頻譜空洞建立數(shù)據信道。本發(fā)明有效地解決了認知無線電網絡建立過程中的控制信道的存在性與有效性之間存在的矛盾。
文檔編號H04W16/18GK102307356SQ20111025919
公開日2012年1月4日 申請日期2011年9月5日 優(yōu)先權日2011年9月5日
發(fā)明者余莉, 韓方劍, 韓方景 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學