基于分层控制信道机制的认知无线电网络建立方法

摘要

本发明提供了一种基于双层控制信道机制的认知无线电网络建立方法，技术方案是：首先，在认知用户之间利用低层控制信道实现认知用户之间的握手。然后，握手的认知用户之间利用交换自身频谱传感器收集的频谱空洞信息。一旦某一认知用户发现其与另一认知用户之间存在共同的频谱空洞频率段，且带宽满足预定的频带宽度要求时，这一对认知用户之间利用此共同频点建立高层控制信道。之后，这一对认知用户之间充分交换各自搜集的所有电磁环境信息，找出该对认知用户间所有共同频谱空洞。最后，利用新找到的共同频谱空洞建立数据信道。本发明有效地解决了认知无线电网络建立过程中的控制信道的存在性与有效性之间存在的矛盾。

主权项

1.一种基于双层控制信道机制的认知无线电网络建立方法，其特征在于包括下述步骤：设任意认知用户之间控制信道的控制信号s(t)时域表达式如下：$s\left(t\right)=\sqrt{\frac{2P_{\mathrm{mask}}}{N_F}}g\cos (2\pi f_{c}t+{\phi }_c)g\underset{n=0}{\overset{G_{\mathrm{DS}}-1}{\Sigma }}{c}_{n}p(t-n{T}_c)$$g\underset{k=0}{\overset{N_F-1}{\Sigma }}{d}_{(k+n{N}_F+G_{\mathrm{DS}}{N}_F)}\mathrm{gexp}\left[j2\pi \frac{k·(t-n{T}_c)}{N_F}\right]$其中，P_mask为IEEE 802.15标准中的功率谱密度掩模；N_F为正交频分复用调制的子载波数；f_c为载波频率；φ_c为载波初始相位；c_n为第n个直扩序列扩谱码且c_n∈{-1，1}；p(·)为码片脉冲成形波形，G_DS为直接序列扩谱增益，即每符号码片数；T_c为码片的时间长度，为第k+nN_F+G_DSN_F个数据符号；设当前的认知用户节点为SU₀：第一步，SU₀与相邻认知用户握手；第(1)步，检测授权用户使用的频谱范围；SU₀创建与其对应的PU⁽⁰⁾列表，该列表中每条记录存储一个授权用户的参数信息，参数信息包括：授权用户中心频率、授权用户信号带宽；SU₀利用频谱传感器检测授权用户信号，并在PU⁽⁰⁾列表中记录检测到的授权用户的参数信息；第(2)步，测量并记录频谱空洞；SU₀利用频谱传感器，测量CRN工作频段的功率谱密度分布，并判定功率谱密度低于预设功率谱密度门限的频段为频谱空洞，功率谱密度门限选取规则为：取该频段常年平均噪声功率谱密度值和-41.3dBm/MHz中的较高者；SU₀创建与其对应的频谱空洞列表SH⁽⁰⁾，该列表中每条记录存储一个频谱空洞的参数信息，参数信息包括：频谱空洞编号、低端频率参数f′_SH、高端频率参数f″_SH、频谱空洞内噪声功率谱密度参数N_SH，f′_SH＜f″_SH；则频谱空洞所在频率段为[f′_SH，f″_SH]；第(3)步，SU0与相邻的认知用户握手；对控制信号s(t)进行参数配置得到控制信号s_L(t)：即令N_F＝1，1＜＜G_DS≤1/T_c；SU₀利用下述握手方式检测相邻的认知用户：SU₀利用控制信号s_L(t)发送自身名称，发送天线配置为单天线；SU₀接收相邻认知用户发送的控制信号s_L(t)，接收天线配置为多天线；同时，SU₀利用波达方向估计算法计算所有相邻认知用户的信号到达角；设SU₀的相邻认知用户依照与SU₀实现握手的先后顺序依次为SU₁至SU_u，u为自然数；将SU₀的相邻认知用户信息存储到SU⁽⁰⁾列表，该列表的每条记录存储一个相邻认知用户信息，包括以下字段：认知用户编号(即1至u)、SU名称(或序列号)、信号到达角；第二步，SU₀与相邻的认知用户交换频谱空洞信息；SU₀利用下述握手方式与相邻的认知用户交换频谱空洞信息：SU₀利用控制信号s_L(t)发送频谱空洞列表SH⁽⁰⁾，发送天线配置为单天线；SU₀接收相邻认知用户利用控制信号s_L(t)发送的其自身的频谱空洞列表，接收天线配置为多天线；设SU₀接收来自于相邻认知用户SU₁，SU₂，...，SU_u(即SU₁至SU_u)的频谱空洞列表，并分别存储为SH⁽¹⁾，SH⁽²⁾，...，SH^(u)列表；第三步，建立高层控制信道；第(1)步，寻找共同频谱空洞；对于任何v∈{1，…，u}，将SH⁽⁰⁾列表与SH^(v)列表做对比，如果找到频率段[f′_ISH(v)，f″_ISH(v)]同时属于SH⁽⁰⁾列表与SH^(v)列表，则设置ISH_v为集合{f′_ISH(v)，f″_ISH(v)}；如果没有找到共同的频谱空洞，则设置ISH_v为空集；其中，需要满足以下条件：对于任何v∈{1，…，u}，f″_ISH(v)-f′_ISH(v)大于等于CRN工作频段的相干带宽B_c；对于任何v₁，v₂∈{1，…，u}，v₁≠v₂，[f′_ISH(v₁)，f″_ISH(v₁)]与[f′_ISH(v₂)，f″_ISH(v₂)]不重叠；第(2)步，配置高层控制信道；对控制信号s(t)进行参数配置得到高层控制信道的控制信号s_H(t)：设置N_F＝2^w，w为自然数，且N_F≥2(f_H-f_L)/B_c，其中f_L为所有f′_ISH(v)(v∈{1，…，u})中的最小值，f_H为所有f″_ISH(v)中的最大值；G_DS＝1，c_n≡1或c_n≡-1；第(3)步，设置收/发波束方向；SU₀根据SU⁽⁰⁾列表中的信号到达角字段，并利用接收和发射波束成型算法，设置针对SU₁至SU_u的高层控制信道收/发波束方向；第(4)步，实现高层控制信道的控制链路；对于任何v∈{1，…，u}且ISH_v不为空集，SU₀利用控制信号s_L(t)以握手方式通知SU_v在ISH_v频段建立高层控制信道HLCC(v)；随后在HLCC(v)上利用点对点协议(Point-to-Point Protocol，PPP)实现控制链路；第四步，利用高层控制信道共享电磁环境信息；第(1)步，交换自身节点搜集的电磁环境信息；对于任何v∈{1，…，u}且HLCC(v)已建立，SU₀利用HLCC(v)向SU_v发送PU⁽⁰⁾列表、SU⁽⁰⁾列表以及SH⁽⁰⁾列表；同样对于任何v∈{1，…，u}且HLCC(v)已建立，SU₀利用HLCC(v)接收SU_v的授权用户列表PU^(v)和相邻认知用户列表SU^(v)，接收SU_v的频谱空洞列表并更新SH^(v)列表；第(2)步，转发相邻节点的电磁环境信息；对于任何v₁，v₂∈{1，…，u}，且HLCC(v₁)、HLCC(v₂)均已建立，SU₀将SUv₁的电磁环境信息通过HLCC(v₂)转发至SUv₂，SU₀将SUv₂的电磁环境信息通过HLCC(v₁)转发至SUv₁；最终，所有通过HLCC(v)相连的SU之间实现完全的电磁环境信息共享；电磁环境信息包括认知用户节点的授权用户列表、相邻认知用户列表和频谱空洞列表；第五步，建立并维护数据信道频率使用计划；第①步，制订初步数据信道频率使用计划；对于任何v∈{1，…，u}且HLCC(v)已建立，SU₀建立DC^(0，v)列表，该列表的每一记录存储一个共同频率段信息，其字段包括：共同频率段编号、低端频率参数f′_SH-DC、高端频率参数f″_SH-DC(f′_SH-DC＜f″_SH-DC)；SU₀将SH⁽⁰⁾列表与SH^(v)列表做对比，找到除用于ISH_v以外的所有共同频率段，每一共同频率段对应于DC^(0，v)列表中的一条记录；对于任何v₁，v₂∈{1，…，u}，如果列表和列表中均存在至少一条记录，SU₀检查两列表中是否存在频率段重叠的现象；如果存在，将重叠频率段从共同频率段总长度较长的列表中删除；此时，所有共同频率段列表的总和称为SU₀的初步数据信道频率使用计划；第②步，确认数据信道频率使用计划；对于任何v∈{1，…，u}且DC^(0，v)列表中存在至少一条记录，SU₀利用HLCC(v)将DC^(0，v)列表发送给SU_v，待收到SU_v修改并确认的共同频率段列表后，更新DC^(0，v)；其中，SU_v修改共同频率段列表的方法同第③步第一段中SU₀更新DC^(0，v)列表的方法；所有共同频率段列表的总和称为SU₀的数据信道频率使用计划；最后，对于任何v∈{1，…，u}且DC^(0，v)列表中存在至少一条记录，SU₀的数据信道收发机将利用DC^(0，v)列表信息与SU_v节点建立数据信道；第③步调整数据信道频率使用计划；对于任何v∈{1，…，u}且HLCC(v)已建立，如果SU₀通过HLCC(v)收到SU_v发送来的请求确认的共同频率段列表；首先，SU₀将其存储为DC^(0,v)′，将DC^(0，v)′列表与DC^(0，v)列表之中共同的频率段存储于新DC^(0，v)列表中；随后，SU₀按照第五步第①步的第二段中的方法确认所有共同频率段列表间不存在重叠频率段；最后，SU₀利用HLCC(v)将DC^(0，v)列表发还SU_v以确认；SU₀的数据信道收发机更新其数据信道频率使用计划。