认知无线网络中基于认知用户信令传输与频谱感知的联合网络状态获取的无线通信方法

技术领域

本发明涉及通信系统中认知无线网络领域，具体涉及认知用户利用控制信道传输以及频谱感知联合的对当前网络状态进行感知的无线通信方法。 

背景技术

当前在认知无线网络领域普遍采用利用频谱感知单一的手段对网络状态(即授权用户是否出现以及每个频谱上认知用户的使用情况)进行感知。当前研究的频谱感知多采用周期非在线式频谱感知，即认知用户需要周期地对当前的频谱进行感知，当用户进行感知时需要停止当前的通信。一些提出的算法通过对授权用户的行为进行建模，对授权用户的出现规律进行预测，从而优化认知用户的感知周期以及感知片段的时长。 

但是单一的通过频谱感知对网络状态进行获取始终存在如下缺点：(1)认知用户必须周期地停止当前通信然后对当前频谱进行感知以检测授权用户是否出现。(2)由于是采用周期性感知，所以有可能与授权用户发生碰撞。(3)当授权用户出现时，认知用户必须立即停止当前通信转而对其它频谱进行顺序感知，当感知到可用频谱时再进行接入，这大大增加了认知用户的传输时延。 

发明内容

本发明是为了解决现有基于对网络状态进行获取方法的无线通信方法需要周期性地停止当前通信，以及认知用户的传输时延长的问题，从而提供一种认知无线网络中基于认知用户信令传输与频谱感知的联合网络状态获取的无线通信方法。 

认知无线网络中基于认知用户信令传输与频谱感知的联合网络状态获取的无线通信方法，其特征是：它由以下步骤实现： 

步骤一、认知基站采用STM模式感知认知无线网络的网络状态，获得STM模式下的网络状态结果； 

步骤二、认知基站判断步骤一获得的网络状态结果中是否有授权用户出现，如果判断结果为否，则返回执行步骤一；如果判断结果为是，则执行步骤三； 

步骤三、认知基站判断步骤二中所述的授权用户是否出现在认知无线网络的空闲频谱上，如果判断结果为是，则执行步骤三一；如果判断结果为否，则执行步骤四； 

步骤三一、认知基站将授权用户出现的信息广播给认知无线网络中的所有认知用户； 

步骤四、认知无线网络中的认知用户在退避算法的退避窗口中随机选择退避数，并将选定的退避数送入退避计时器； 

步骤五、认知基站判断信令信道是否被占用，如果判断结果为是，则执行步骤五一；如果判断结果为否，则执行步骤六； 

步骤五一、退避计时器停止计时，并返回执行步骤五； 

步骤六、退避计时器的计时数减一，并判断所述退避计时数是否归零，如果判断结果为否，则返回执行步骤五；如果判断结果为是，则执行步骤七； 

步骤七、认知基站判断信令信道是否有冲突，如果判断结果为是，则执行步骤八；如果判断结果为否，则传输成功，完成认知无线网络中认知基站与认知用户的无线通信； 

步骤八、认知基站判断退避窗口是否到达最大值，如果判断结果为否，则执行步骤八一；如果判断结果为是，则执行步骤九； 

步骤八一、认知基站将退避窗口扩大一倍，并返回执行步骤四； 

步骤九、认知基站采用SSM模式感知认知无线网络的网络状态，获得SSM模式下的网络状态结果，并经历延迟时间Dt；所述延迟时间Dt的范围是30秒～60秒； 

步骤十、认知基站检测步骤九中获得的网络状态结果中，授权用户的出现频率是否小于门限值F，如果判断结果为否，则返回执行步骤九；如果判断结果为是，则执行步骤十一；所述门限值F的范围是0.4次/秒～0.6次/秒； 

步骤十一、认知基站对所有的信道进行一次感知，根据感知结果更新注册表，并将更新后的注册表广播给认知无线网络中的所有认知用户，并返回执行步骤一。 

步骤一中的STM模式的含义是：利用在信令信道上传输的认知用户行为信息与频谱感知联合对信道状态进行获取的方法。 

步骤九中的SSM模式的含义是：利用频谱感知对信道状态进行获取的方法。 

步骤四中的退避算法具体为：当有N个用户同时准备发送请求时，该N个用户需要在退避窗口中随机地选择一个退避数并存入退避计时器，当退避定时器归零后，用户才能使用信道并发送信息；在用户等待退避计时器归零的时间段里，当有用户使用了当前信道时，需要暂停计时器，直到信道空闲为止；当一次发送竞争失败后，则退避窗口扩大一倍，直到发送成功后恢复原始窗口大小；当竞争失败直至退避窗口扩大为2^mW时，则系统切换至SSM模式，其中W为最小竞争窗口，m为最大的竞争次数。 

有益效果：本发明基于认知用户信令传输与频谱感知的联合网络状态获取的方法实现无线通信，相比于基于现有对网络状态进行获取的方法，本发明不需要周期性地停止当前 通信，大幅度降低了认知用户的传输时延。 

附图说明

图1是网状式认知网络拓扑结构示意图；图2是本发明的方法的流程示意图。 

具体实施方式

具体实施方式一、结合图2说明本具体实施方式，认知无线网络中基于认知用户信令传输与频谱感知的联合网络状态获取的无线通信方法，它由以下步骤实现： 

步骤一、认知基站采用STM模式感知认知无线网络的网络状态，获得STM模式下的网络状态结果； 

步骤二、认知基站判断步骤一获得的网络状态结果中是否有授权用户出现，如果判断结果为否，则返回执行步骤一；如果判断结果为是，则执行步骤三； 

步骤三、认知基站判断步骤二中所述的授权用户是否出现在认知无线网络的空闲频谱上，如果判断结果为是，则执行步骤三一；如果判断结果为否，则执行步骤四； 

步骤三一、认知基站将授权用户出现的信息广播给认知无线网络中的所有认知用户； 

步骤四、认知无线网络中的认知用户在退避算法的退避窗口中随机选择退避数，并将选定的退避数送入退避计时器； 

步骤五、认知基站判断信令信道是否被占用，如果判断结果为是，则执行步骤五一；如果判断结果为否，则执行步骤六； 

步骤五一、退避计时器停止计时，并返回执行步骤五； 

步骤六、退避计时器的计时数减一，并判断所述退避计时数是否归零，如果判断结果为否，则返回执行步骤五；如果判断结果为是，则执行步骤七； 

步骤七、认知基站判断信令信道是否有冲突，如果判断结果为是，则执行步骤八；如果判断结果为否，则传输成功，完成认知无线网络中认知基站与认知用户的无线通信； 

步骤八、认知基站判断退避窗口是否到达最大值，如果判断结果为否，则执行步骤八一；如果判断结果为是，则执行步骤九； 

步骤八一、认知基站将退避窗口扩大一倍，并返回执行步骤四； 

步骤九、认知基站采用SSM模式感知认知无线网络的网络状态，获得SSM模式下的网络状态结果，并经历延迟时间Dt；所述延迟时间Dt的范围是30秒～60秒； 

步骤十、认知基站检测步骤九中获得的网络状态结果中，授权用户的出现频率是否小于门限值F，如果判断结果为否，则返回执行步骤九；如果判断结果为是，则执行步骤十一；所述门限值F的范围是0.4次/秒～0.6次/秒； 

步骤十一、认知基站对所有的信道进行一次感知，根据感知结果更新注册表，并将更新后的注册表广播给认知无线网络中的所有认知用户，并返回执行步骤一。 

步骤一中的STM模式的含义是：利用在信令信道上传输的认知用户行为信息与频谱感知联合对信道状态进行获取的方法。 

步骤九中的SSM模式的含义是：利用频谱感知对信道状态进行获取的方法。 

步骤四中的退避算法具体为：当有N个用户同时准备发送请求时，该N个用户需要在退避窗口中随机地选择一个退避数并存入退避计时器，当退避定时器归零后，用户才能使用信道并发送信息；在用户等待退避计时器归零的时间段里，当有用户使用了当前信道时，需要暂停计时器，直到信道空闲为止；当一次发送竞争失败后，则退避窗口扩大一倍，直到发送成功后恢复原始窗口大小；当竞争失败直至退避窗口扩大为2^mW时，则系统切换至SSM模式，其中W为最小竞争窗口，m为最大的竞争次数。 

本发明提出了一种认知用户在不同网络吞吐量的情况下，使用控制信令在控制信道上的传输和频谱感知联合的网络状态获取的方法。本发明在频谱感知的基础上，联合认知用户利用控制信道信令传输来获取网络状态，同时为了避免信令控制信道发生碰撞事件的发生，本发明引入了退避算法，并通过设定退避窗口的大小来决定单一频谱感知与联合频谱感知两种模式的切换门限。 

本发明适用于网状式认知网络，所述网状式认知网络中，根据地理位置划分为多个本地网络，每个本地网络都有一个认知基站，本地网络包含若干认知用户且都在其通信覆盖范围之内，认知基站必须满足以下几点要求：(1)能利用控制信道与所有认知用户进行通信；(2)能接入其他的本地认知网络中。(3)能对本网络所有频谱进行感知。每个本地认知网络利用各自中心基站可以与其他的本地认知网络进行接入，认知用户根据自己当前的地理位置确定接入哪个本地认知网络。其中，每个本地网络中都有各自频点的信令信道，而各网络间有一个信令信道，它们的频点是独立的。其次，为每个认知用户分配一个注册表，注册表包含了认知用户需要的所有网络信息，当网络状态发生变化，即授权用户出现在或者离开某个信道；认知用户出现在或者离开某个信道，这时，认知用户需要更新自己的注册表，同时认知用户需要将自己的行为告知其他认知用户，其他认知用户在接收到信息之后需要升级注册表。具体包含以下几个方面：(1)当前本地网络的编号。每个集中式网络都有一个编号，当认知用户移动到其他网络中时需要改变网络编号。(2)控制信道的频率参数。每个网络所使用的控制信道可能不一样，所以当认知用户移动到其他网络中时，需要获得当前网络的信道参数。(3)信道列表。认知用户需要得到当前网络所有可以使用 的信道，包括认知用户或者授权用户正在使用的信道。(4)信道状态。对应每个信道，需要给出当前的信道状态，包括该信道上是否有认知用户或者授权用户。(5)授权用户信息。对应每个信道，需要得知授权用户的信息，包括授权用户的上一次离开的时间，授权用户的历史使用信息。当网络状态发生变化，即授权用户出现在或者离开某个信道；认知用户出现在或者离开某个信道，这时，认知用户需要更新自己的注册表，同时认知用户需要将自己的行为告知其他认知用户，其他认知用户在接收到信息之后需要升级注册表。 

在分配完注册表之后，需要从两个方面给出网络流程： 

一.新用户入网认证。新用户需要根据自己的位置信息选择接入哪一个网络，并通过公共信道接入认知基站。 

新用户入网认证步骤如下： 

第一步：认知用户利用GPS确定自己的地理位置，并在公共信道上广播自己的地理位置信息，由最近的认知基站应答，并给出自己本地网络的公共信道频率参数。 

第二步：认知用户向应答基站提出入网请求。 

第三步：认知基站向提出申请的用户分配注册表，并预分配一个信道给其使用，同时告知网内的其他用户。 

第四步：其他认知用户更新注册表，入网成功。 

二.认知用户信道切换。每个认知用户需要周期地对自己当前信道进行感知，当授权用户出现时，可以选择信道切换；或者认知用户发现有更好的信道时(如可用时长较长的信道)，也可进行信道切换。认知用户切换至目标信道，同时通过信令信道将这一信息告知认知基站，基站再以广播的形式告知每一个认知用户，认知用户在收到信息后更新注册表。 

本发明在SSM模式下，认知基站需要分析当前授权用户出现的频率，以选择何时切换回STM模式。首先，认知基站延迟一段时间Dt，并设定一个门限值F；当延迟时间Dt结束之后，开始统计授权用户出现频率，在一段时间Vt授权用户出现次数M满足 时，则选择切换回STM信道获取模式中，否则继续使用SSM模式进行感知，其中延迟时间Dt，门限值F，考察时间Vt根据据用户实际情况进行设定，本发明给出参考值：Dt取30～60秒，门限值F取0.4～0.6次/秒，考察时间Vt取5～10秒。但是，在切换之前，需要完成一次注册表更新。认知基站需要对当前所有频谱进行一次扫描，以获取当前的网络状态，并将最新的注册表以广播的形式告知每个认知用户，认知用户更新自己的注册表。