一种认知无线电场景中的链路建立方法

摘要

一种认知无线电场景中的链路建立方法，属于无线通信技术领域。CR场景中，由于链路两端电磁环境的差异，会导致收发端可用频谱不完全一致，从而导致用户间的相互干扰和链路质量下降。包括初始链路验证和频谱检测结果交换两大步骤。初始链路验证中，MS通过接收BS发射的接入码CAC，解调得到的数据和MS的接入码相比较建立初始链路；频谱检测结果交换中，MS和BS之间通过频谱检测交换并不断取交集来减小其收发频谱罩之间的差异，最终建立稳定的链路。两大步骤中通过设定一定的门限值或频谱检测交换次数来判断链路质量的好坏。本发明通过BS和MS之间的频谱检测交换并配以相应的链路质量评估手段，能够建立起CR场景中稳定的通信链路；无需专用控制信道，适应各种应用场景，灵活性高。

说明书

技术领域

一种认知无线电场景中的链路建立方法，属于无线通信技术领域，特别涉及认知无线(Cognitive Radio，CR，内容详见S.Haykin，“Cognitive Radio：Brain-Empowered WirelessCommunications，”IEEE JSAC，Feb.2005，vol.23，no 2，pp.201-220)技术。

背景技术

CR技术已经成为一种提高频谱使用效率的最有吸引力的技术之一，但是在CR技术广泛使用之前，需要解决若干技术难题。例如，在物理层，当收发端的频谱检测结果不一致的时候，需要一种可靠的链路建立方法，交换初始的控制信息，包括频谱检测结果和频谱资源分配指令。传统的方法，比如专用控制信道、本地数据库和嵌入的全球定位系统(Global PositionSystem，GPS)可能会在某些程度上解决这个问题。但是这些方法会导致设备的复杂度和成本的提高，并缺乏适应动态变化的无线频谱环境的灵活性。

针对这个问题，已经有了一些初步的研究结果。部分研究者提出了一种boosting协议作为交换信令的机制，同时选择了一种基于正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM)的分配矢量发射方案作为传输信令的机制(内容详见，T.Weiss，J.Hillenbrand，A.Krohn，F.K.Jondral，“Efficient Signaling of Spectral Resources in SpectrumPooling Systems，”Proc.of the 10th Symposium on Communications and Vehicular TechnologySCVT 2003，Eindhoven，Netherlands，2003)。但是，该文章没有提供CR场景中初始链路的建立方法，并且和扩频传输机制相比，基于OFDM的信令交换机制在收发端频谱检测结果不一致的时候，会对授权用户(Incumbent Users)造成更加严重的干扰。另外的研究者为信令控制信道分配专用的逻辑信道，并将超宽带(Ultra-Wide Band，UWB)技术作为一种信令传输机制(内容详见，D.abriS.M.Mishra，D.Willkomm，R.Brodersen，A.Wolisz，“A CognitiveRadio Approach for Usage of Virtual Unlicensed Spectrum，”14th IST Mobile and WirelessCommunications Summit，June 2005)。为了解决CR场景中不断变化的可用频谱，有一些研究者提出了一种链路维护机制，但是，他们并没有对具体技术进行阐述(内容详见，D.Willkomm，J.Gross，and A.Wolisz，“Reliable Link Maintenance in Cognitive RadioSystems，”In Proc.of the IEEE Symposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum AccessNetworks(DySPAN 2005)，Baltimore(MD)，November 2005)。

现有方法一(基于boosting协议和OFDM的方法)：

假设接入点(Access Point，AP)已经广播了强制频谱资源分配矢量给所有移动台(MobileStation，MS)。该方法只考虑有新的授权用户接入和原来的授权用户退出的情况。

第一阶段：收集检测结果阶段。

第一步：各个移动台在作完信号检测之后，将新检测到的结果和上个检测周期之后广播的分配矢量相比较。如果有新的授权用户接入网络中，那么检测到新的授权用户接入的移动台在新接入用户接入的子载波上以最大的发射功率发射复值符号，比如1+j1，在其它子载波上不发射信号。

第二步：由于新接入的授权用户的信号被检测到其信号的移动台放大了，接入点设备很容易的检测到新接入的授权用户占用的频谱。

第三步：在旧的已分配的子带和空闲的子带之间做一一映射，移动台在对应已分配子带的空闲子带上以最大发射功率发射信号，退出网络的授权用户对应的子带对应的空闲子带上不发射信号。

第四步：接入点预先知道旧的已分配的子带和空闲子带之间的一一映射关系，所以它能检测出授权用户的退出。

第二阶段：广播分配矢量。

第一步：接入点设备将分配矢量划分为若干段，每一段用循环冗余校验(CyclicRedundancy Checksum，CRC)编码后组合成包分开传输。每个包在空闲的OFDM子载波上周期性的重复传输(至少重复3次)。

第二步：移动台在空闲的OFDM子载波上接收到接入点广播的包，得到新的频谱分配矢量。

方法一的缺点：

1、基于OFDM的信令传输机制，在收发端频谱检测结果不一致，特别是在有使用大量子带的新授权用户接入时，会对授权用户造成不必要的干扰。

2、只考虑了接入点和移动台之间链路维护机制，没有考虑移动台初始接入时的机制。

现有方法二(一种CR系统中的链路维护机制。机制在D.Willkomm，J.Gross，andA.Wolisz，“Reliable Link Maintenance in Cognitive Radio Systems，”In Proc.of the IEEESymposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks(DySPAN 2005)，Baltimore(MD)，November2005中提到，但是作者没有给出详细、具体的实现方法)：

方法二采用CORVUS(Cognitive Radio for usage of Virtual Unlicensed Spectrum，内容详见R.W.Broderson，A.Wolisz，D.abriS.M.Mishra，and D.Willkomm，“CORVUS：Acognitive radio approach for usage of virtual unlicensed spectrum，”White Paper，2004和D.abriS.M.Mishra，D.Willkomm，R.W.Broderson，and A.Wolisz，“A cognitive radioapproach for usage of virtual unlicensed spectrum，”in 14^th IST Mobile Wireless CommunicationsSummit 2005，Dresden，Germany，June 2005)的系统框架。其中，UWB被作为通用控制信道(Universal Control Channel，UCC)和组控制信道(Group Control Channel，GCC)的发射方案。

第一步：发射机和接收机检测频谱，决定哪些CR用户的子信道需要丢弃。

第二步：紧接着在组控制信道上发送控制信息，表明哪些子信道被授权用户干扰了。

第三步：如果有子信道被干扰了，为了维持CR用户的链路数据率，CR用户通过GCC得到新的子信道。

方法二的缺点：

1、由于发射信号的功率很小，基于UWB的GCC的覆盖范围会受到发射距离的限制；

2、需要通过与授权用户协调，预留专门的控制信道，影响系统的灵活性，导致系统复杂度增加。

发明内容

在认知无线电场景中，由于链路收发两端所处电磁环境的差异，会导致收发端的可用无线频谱并不完全一致，从而导致用户间的相互干扰和链路质量的下降。在这种情况下，为了进行可靠地通信并避免对授权用户造成严重的干扰，收发两端需要通过交换双方可用的频谱信息，建立通信链路。为了解决上述技术问题，本发明提出了一种认知无线电场景中的链路建立方法。

本发明技术方案为：

一种认知无线电场景中的链路建立方法，前提条件是假设CR网络中，一个BS(基站，Base Station)负责管理若干MS(移动台，Mobile Station)，BS和MS的频谱检测结果能真实、可靠的反映BS和MS端的可用频谱分布情况，每个BS有唯一的接入码(比如BS设备的物理地址或者不同相位偏移的伪随机序列)，任何希望接入该BS所管理的网络的MS事先知道该BS的接入码，其特征是，包括如下步骤：

步骤一：初始链路验证

在BS和MS之间的链路建立之前，BS通过它的发射频谱罩(A_{k_BS_Tx})，以它的最大可能发射功率周期广播其接入码C_AC。BS的最大发射功率由它的干扰温度限决定(内容详见，S.Haykin，“Cognitive Radio：Brain-Empowered Wireless Communications，”IEEE JSAC，Feb.2005，vol.23，no 2，pp.201-20)。想要接入到BS的MS通过它的接收频谱罩(A_{k_MS_Rx})接收BS发射的接入码C_AC，解调得到的数据和MS的接入码相比较评估初始链路质量。如果链路质量大于或等于门限值T₁(门限值T₁可以为信噪比，其取值范围取决于具体的应用场景，包括通信信道条件、所采用的发射方案和业务类型等)，那么认为链路可用并且MS发送接入码到BS，MS和BS之间进行步骤二的频谱检测结果交换步骤；如果链路质量小于门限值T₁，那么MS放弃接入，等待BS的下一个广播周期。

步骤二：频谱检测结果交换

在步骤一所述的初始链路验证之后，MS和BS之间建立了一条可用的链路，但是MS和BS之间的收发频谱罩(Mask)仍然有差异。MS和BS之间通过频谱检测结果交换来减小其收发频谱罩(Mask)之间的差异，如图3所示，具体包括如下步骤：

第一步：MS通过其发射频谱罩(A_{k_MS_Tx})，发射它的频谱检测结果A_{k_MS}。

第二步：BS通过其接收频谱罩(A_{k_BS_Rx})接收到MS发射的信号，并且通过接收到的信号估计MS端的可用频谱资源；BS估计得到的结果和其本地的检测结果的交集作为BS新的发射频谱罩(A_{k_BS_Tx})和接收频谱罩(A_{k_BS_Rx})；BS实际的频谱检测结果A_{k_BS}通过新的发射频谱罩(A_{k_BS_Tx})发射出去。

第三步：MS通过其接收频谱罩(A_{k_MS_Rx})接收到BS发射的信号，并且通过接收到的信号估计BS端的可用频谱资源；MS估计得到的结果和其本地的检测结果的交集作为MS的新的发射频谱罩(A_{k_MS_Tx})和接收频谱罩(A_{k_MS_Rx})；MS实际的频谱检测结果A_{k_MS}通过新的发射频谱罩(A_{k_MS_Tx})发射出去。

第四步：经过MS和BS之间多次交换后，如果BS的收发频谱罩(Mask)在不断地变化，那么MS和BS之间不断地交换频谱检测结果，直到交换次数达到最大可以允许的次数M(M取决于不同应用场景中业务对时延的要求)。在交换次数超过M之后，如果BS的收发频谱罩(Mask)仍然在变化，那么放弃该链路；如果BS的收发频谱罩(Mask)和前一次交换相比差异小于或等于门限值T₃(门限值T₃可以为差错个数，其取值范围取决于具体的应用场景，包括通信信道条件、所采用的发射方案和业务类型等)，那么停止交换，完成链路建立，进行数据传输。

上述方案中，在所述步骤一中，若有多个MS同时发起对同一个BS的接入请求，此时多个MS之间需要竞争接入。为了解决这个问题，本发明采用一种类似于载波侦听/碰撞避免(Carrier Sensing Multiple Access/Collision Avoidance，CSMA/CA，内容详见K.Pahlavan and P.Krishnamurthy，Principles of Wireless Network：A Unified Approach，Prentice Hall，Inc.，2003)的算法，具体步骤如下：

第一步：接收到接入码之后，希望接入的MS通过接收到的BS接入码估计链路的质量。链路不可用的MS退出竞争。

第二步：余下的MS运行它们各自的随机计数器，开始随机回退。第一个计数器到期的MS返回该BS的接入码到BS。其它检测到接入码发射的MS停止它们的计数器，等待BS的下一个广播周期。

第三步：如果链路质量可以接受，那么BS返回一个ACK信号给MS，然后MS和BS之间进行前述步骤一以下的操作，直至建立链路；否则，将不会有链路建立。

上述技术方案中，如果系统的工作环境条件不够好，可在频谱检测结果交换步骤和数据传输步骤之间增加一个数据传输前的链路验证步骤。具体步骤为：BS通过其发射频谱罩(A_{k_BS_Tx})，以最大可能发射功率周期广播其接入码C_AC；MS通过它的接收频谱罩(A_{k_MS_Rx})接收接入码信号C_AC，解调得到的数据和MS的接入码相比较，估计链路质量；如果链路质量大于等于门限值T₂(T₂＞T₁，门限值T₂可以为信噪比，其取值范围取决于具体的应用场景，包括通信信道条件、所采用的发射方案和业务类型等)，那么认为链路可用，并且进入数据传输阶段，如果链路不可用，那么MS放弃接入，等待BS的下一个广播周期。

在整个链路使用过程中，定期重复步骤一和步骤二以对链路进行维护。

本发明的有益效果：

a)本发明通过BS和MS之间的频谱检测交换并配以相应的链路质量评估手段，能够建立起CR场景中稳定的通信链路；

b)提出了完整的初始接入、多用户接入和链路维护方法；

c)不需要专用控制信道，适应各种应用场景，灵活性高。

附图说明

图1为本发明提供的一种认知无线电场景中的链路建立方法流程示意图。

图2为本发明提供的在系统工作环境不够好的情况下的链路建立方法流程示意图。

图3中(a)为链路验证操作流程示意图，(b)为频谱检测结果交换流程示意图。

图4为多用户(MS)竞争接入的时序示意图。