分布式认知无线电网络中的频谱切换方法

摘要

本发明公开了一种分布式认知无线电网络中的频谱切换方法，认知用户建立并维护自身的优选频点邻居列表和路由缓存列表。当作为源节点的认知用户检测到授权用户时：更新自身优选频点邻居列表；判断认知用户至下一跳邻居节点间是否存在可用频点，若存在，则根据所述可用频点选择准则选择第一新频点，并在所述第一新频点上进行数据传输；并将所述优选频点邻居列表中的所述可用频点更新为所述第一新频点周围的可用频点，并更新对应的邻居节点；若不存在，结合路由缓存列表进行频谱切换。本发明根据分布式网络认知环境的特点，考虑了路由因素，提供了具体的频谱切换流程及其信令设计，保证频谱切换的顺利完成，从而保证认知用户的通信持续性。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及分布式认知无线电网络中的频谱切换方法。

背景技术

分布式认知无线电网络中，存在授权用户和认知用户。授权用户优先占用频谱；认知用户具备认知能力，通过动态监测授权用户对频谱的占用情况，利用授权用户未占用的空闲频谱进行通信。当检测到授权用户开始占用此频谱时，或当前频谱不能满足认知用户业务需求时，认知用户让出该频谱，切换到其它适合的频谱上继续进行未完成的通信。这一过程即为认知无线电网络中的频谱切换。

分布式认知无线电网络由用户作为网络节点自主构成，没有中心设备。频谱切换过程由认知用户完成。目前，对认知无线电网络频谱切换问题的研究尚不成熟。尽管传统蜂窝网中基于移动的切换机制为此问题提供了一定的研究基础，仍然存在很多未解决的开放性论题有待进一步研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分布式认知无线电网络中的频谱切换方法。基于本发明可以保证频谱切换的顺利完成，进而确保认知用户的通信持续性。

一方面，本发明公开了一种分布式认知无线电网络中的频谱切换方法，在周期性地更新自身的优选频点邻居列表过程中，当作为源节点的认知用户检测到授权用户时，所述频谱切换方法包括如下步骤：更新自身的优选频点邻居列表；在检测到所述更新后的优选频点邻居列表后，判断所述源节点至下一跳邻居节点间是否存在可用频点，若存在，则根据所述可用频点选择准则选择第一新频点，并在所述第一新频点上进行数据传输；并将所述源节点的优选频点邻居列表中的所述可用频点更新为所述第一新频点周围设定范围内的可用频点，该设定范围由节点具体的硬件水平和通信需求决定。

上述频谱切换方法，优选所述根据频点选择准则选择第一新频点后，还包括判断所述第一新频点是否可用的步骤，包括：所述源节点向所述下一跳邻居节点发送确认所述第一新频点是否可用的信令；若可用，则所述下一跳邻居节点回传确认信息以进行在所述第一新频点上的数据传输；若不可用，则所述下一跳邻居节点向所述源节点回传该第一新频点不可用的信息；所述源节点收到该信息后更新优选频点邻居列表，再根据所述频点选择准则选择其它频点进行尝试。

上述频谱切换方法，优选当所述源节点至下一跳邻居节点间不存在可用频点时，检查所述源节点自身的路由缓存列表，判断所述源节点至目的节点间是否存在可用路由，若存在，则：所述源节点根据路由选择准则选择新路由；依据所述新路由确定所述源节点的在所述新路由中的下一跳邻居节点；所述源节点根据所述路由选择准则选择与所述新路由中的下一跳邻居节点对应的第二新频点，并在所述第二新频点上进行数据传输；所述源节点和所述新路由中的下一跳邻居节点更新各自的优选频点邻居列表，并将列表中的可用频点更新为所述第二新频点周围一定范围内的可用频点，该范围取决于节点具体的硬件水平及通信需求；并更新对应的邻居节点。

上述频谱切换方法，优选所述源节点根据所述路由选择准则选择与所述新路由中的下一跳邻居节点对应的第二新频点后，还包括判断所述第二新频点是否可用的步骤：所述源节点向所述源节点的下一跳邻居节点发送确认所述第二新频点、所述新路由是否可用的信息；若可用，所述源节点的下一跳邻居节点向所述源节点发送确认信息以进行在所述第二新频点上的数据传输；若不可用，则所述源节点的下一跳邻居节点向所述源节点回传不可用信息；所述源节点收到该信息后更新优选频点邻居列表和路由缓存列表，再重新检查所述路由缓存列表。

上述频谱切换方法，优选当所述源节点至所述目的节点间不存在可用路由时，执行如下步骤：所述源节点根据所述频点选择准则选择其他可用频点，启动路由发现过程；所述源节点广播频点和路由请求，向所述其他可用频点对应的邻居节点询问该可用频点是否可用，并询问该邻居节点是否具备到所述目的节点的可用路由；所述可用频点的邻居节点检查自身的路由缓存列表，是否存在到所述目的节点的可用路由；如果存在，向所述源节点回发频点和路由应答；如果不存在，则所述源节点的下一跳邻居节点也发起到所述目的节点的路由发现过程，建立起到所述目的节点的路由后更新自身路由缓存列表，并向所述源节点回发频点和路由应答；所述源节点收到所述频点和路由应答后更新其自身路由缓存列表，并在首次收到所述频点和路由应答后，依据频点和路由应答所确定的新频点和新路由上进行数据传输；同时在周期信令中通知邻居节点停止继续进行路由发现；并利用继续收到的频点和路由应答包含的路由信息更新自身的路由缓存列表；所述源节点和所述源节点的下一跳邻居节点更新各自的优选频点邻居列表，将可用频点更新为切换后的工作频点周围一定范围内的可用频点，并更新对应的邻居节点。

另一方面，本发明还公开了一种分布式认知无线电网络中的频谱切换方法，当作为中继节点的认知用户检测到授权用户时，依据所述中继节点接收数据或发送数据所用的工作频点与所述授权用户所用的工作频点间的关系进行频谱切换。

上述频谱切换方法，优选若所述中继节点接收数据与授权用户的工作频点相同，包括以下步骤：所述中继节点向上一跳邻居节点发送频点不可用信令，更新自身优选频点邻居列表和路由缓存列表；所述上一跳邻居节点收到所述频点不可用信令后，将所述上一跳邻居节点作为源节点，执行认知用户作为源节点的频谱切换方法。

上述频谱切换方法，优选若所述中继节点发送数据所用的工作频点与授权用户相同：在给定时间内，判断是否存在该中继节点至目的节点的路由，若存在，将所述中继节点作为源节点，执行上述源节点的频谱切换方法；若不存在，则向上一跳邻居节点发送路由不可用信令，所述上一跳邻居节点收到所述路由不可用信令后，将所述上一跳邻居节点作为源节点执行执行上述源节点的频谱切换方法。

另一方面，本发明还公开了一种分布式认知无线电网络中的频谱切换方法，当作为目的节点的认知用户检测到授权用户时，所述目的节点向上一跳邻居节点发送频点不可用信令并更新自身优选频点邻居列表和路由缓存列表；所述上一跳邻居节点收到所述频点不可用信令后，将所述上一跳邻居节点作为源节点，执行认知用户作为源节点时频谱切换方法。

相对于现有技术而言，本发明根据分布式网络认知环境的特点，考虑了路由因素，提供了具体的频谱切换流程及其信令设计，保证频谱切换的顺利完成，从而保证认知用户的通信持续性

附图说明

图1为认知用户作为源节点检测到授权用户的示意图；

图2A为认知用户作为中继节点，并且中继节点接收数据所用的工作频点与授权用户的工作频点相同时，检测到授权用户的示意图；

图2B为认知用户作为中继节点，并且中继节点发送数据所用的工作频点与P的工作频点相同时，检测到授权用户的示意图；

图3为认知用户为目的节点时，检测到授权用户的示意图；

图4为认知用户作为源节点，源节点在发送数据时检测到授权用户的频谱切换方法的步骤流程图；

图5A为认知用户作为源节点，该源节点的优选频点邻居列表PFNT中，该源节点到当前通信的邻居节点存在新频点且确认可用的情况下，频谱切换方法的具体步骤流程图；

图5B为认知用户作为源节点，该源节点的优选频点邻居列表PFNT中，该源节点到当前通信的邻居节点存在新频点且确认不可用的情况下，频谱切换方法的具体步骤流程图；

图6A为认知用户作为源节点，该源节点的优选频点邻居列表PFNT中，该源节点到当前通信的邻居节点不存在新频点；该源节点的路由缓存列表中存在不经过当前通信的邻居节点的新路由，且优选频点邻居列表中源节点到新路由包含的邻居节点存在新频点但确认不可用的情况下，具体步骤流程图；

图6B为认知用户作为源节点，该源节点的优选频点邻居列表PFNT中，该源节点到当前通信的邻居节点不存在新频点；该源节点的路由缓存列表中存在不经过当前通信的邻居节点的新路由，且优选频点邻居列表中源节点到新路由包含的邻居节点存在新频点但确认不可用的情况下的具体步骤流程图；

图7A为认知用户作为源节点，该源节点的优选频点邻居列表PFNT中，该源节点到当前通信的邻居节点不存在新频点；该源节点的路由缓存列表中不存在到目的节点的可用路由，优选频点邻居列表中新频点对应的邻居节点的路由缓存列表中存在到目的节点的可用路由情况下，频谱切换方法的具体步骤流程图；

图7B为认知用户作为源节点，该源节点的优选频点邻居列表PFNT中，该源节点到当前通信的邻居节点不存在新频点；该源节点的路由缓存列表中不存在到目的节点的可用路由；优选频点邻居列表中新频点对应的邻居节点的路由缓存列表中不存在到目的节点的可用路由情况下，频谱切换方法的具体步骤流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

首先，对优选频点邻居列表PFNT(Preferable Frequencies andNeighbors Table)进行说明。

分布式认知无线电网络中，每个节点拥有唯一的身份标识ID(Identification)，监测周围信道状况，并在公共控制信道CCC(Common Control Channel)上周期性地发送信令PS(PeriodicSignaling)通告自身状态。每个节点建立并维护自身的优选频点邻居列表PFNT，如表1所示。各节点的PFNT通过监测周围信道状态及其它节点发送的周期信令PS建立和更新，监测范围、发送PS的周期可根据具体要求和实际设备能力进行调整。本专利介绍的频谱切换过程，都基于PFNT完成。

下面，对PFNT的构成及构建规则进行说明：PFNT的首行中的f_j是可用频点，首列中的是邻居节点N_i的ID。其中可用频点通过监视周围信道状态得到。由于实际设备可监测的射频范围有限，PFNT仅缓存当前工作频点附近一定范围内的可用频点；该范围根据具体要求和实际设备能力进行调整。仅缓存一定范围内的可用频点而非所有的可用频点，符合实际设备的射频监测能力；选择当前工作频点附近的可用频点进行缓存，降低了对硬件水平的要求，有利于频谱切换的进行。邻居节点ID通过检测接收到的PS得到。

除最后一行和最后一列以外，表中的每个数值表项分为两部分。第一部分占一比特，取值0或1。当本节点与表格第i+1行对应的邻居节点N_i可在表格第j+1列对应的频点f_j上传输数据时，将该项设为1，否则设为0，第二部分序列号表示对应可用频点和邻居节点的新旧程度。初始值为0，每过一个PS周期，即加1。每次得到更新，即重设为初始值0。到达定时器门限后，该表项对应的可用频点和邻居节点失效，设置值为NULL。在实际处理中，这两部分可合并成一个数值项，用一个数值来表示。第一位用值0或1代表第一部分余下的几位代表第二部分

PFNT表中最后一列中的各数值表项是该邻居节点对应的可用频点数，即这里的可用频点指的是PFNT表中缓存的可用频点，而非该邻居节点对应的全部可用频点。最后一行中的数值表项是该可用频点对应的邻居节点数，即表1是优选频点邻居列表PFNT的示意图。

表1优选频点邻居列表PFNT

接下来，还要对路由缓存列表(Route Buffer，RB)进行说明。

每个节点存储一个路由缓存列表(Route Buffer，RB)，缓存一定数量的路由，并存储其对应的几个参数，以在进行需要重选路由的频谱切换时减小时延。如表2所示。Ri表示可用路由。h_i表示该路由的跳数。假设该节点可用路由Ri中，下一跳邻居节点是Ni，表示Ni的可用频点数。表示路由的新旧程度。初始值为0，每过一个PS周期，即加1。每次得到更新，即重设为初始值0。

表2路由缓存列表(Route Buffer，RB)

本发明还涉及频点选择准则rule_f和路由选择准则rule_r，下面做详细的说明。

频点选择准则rule_f：当可用频点只有一个时，选用该频点；当可用频点有多个时，以下准则优先级由高到低：对应的邻居节点数最多的频点，频率较低的频点。

路由选择准则rule_r：所在路由最短的邻居节点；先接收到的RFACK的发送节点；对应的可用频点最多的邻居节点。可根据业务需要调整准则优先级，例如业务要求实时性强时，准则“所在路由最短”优先级最高；业务要求鲁棒性强时，可提高准则“对应的可用频点最多”的优先级。

(一)认知用户作为源节点S时的频谱切换流程

源节点S在工作频点f上，经路由S→R→…→D进行数据传输。其中R是S的下一跳邻居节点，D是目的节点，S、R和D都是认知用户。当源节点S检测到授权用户P出现时如图1所示，具体的频谱切换流程参照图4：

(1)S检测到授权用户，更新自身的PFNT，将表中f对应的列的数值表项的值全部设为0，i＝1，2，3…。代表该频点不可用；代表其对应的刚被更新，重新开始计时。

(2)S检查更新后的PFNT，S→R是否存在可用频点，即是否存在f′使δ_R，f′＝1。

情况1：若存在f′使δ_R，f′＝1，进行如下流程，1)S根据rule_f选择新频点f′。2)S向R发送FIS信令，确认f′是否可用。这个询问、确认过程可防止S的PFNT过期，同时起到通知R调用f′的作用。若可用，参照图5A所示，则R向S回传FACK；S收到FACK后在f′上进行数据传输；若不可用(S的PFNT过期：f′已被占用或邻居节点R已不可达)，如图5B所示，则R向S回传NFACK；S收到NFACK后更新PFNT，再根据rule_f选择PFNT中其它频点进行尝试。当尝试过PFNT中所有符合条件的频点后仍找不到确认可用的频点，即按情况2处理，下面将进行详述。3)成功选用可用频点，在新频点上进行数据传输。4)更新PFNT，根据PFNT的构建规则将表中的可用频点更新为切换后的工作频点周围一定范围内的可用频点，并更新对应的邻居节点。

若不存在f′使δ_R，f′＝1，则S检查自身的路由缓存列表RB，S→D是否存在其它可用路由。

情况2：若S的RB中存在S→D的可用路由，进行如下流程：1)S根据rule_r选择新路由r′。在路由r′中，S的下一跳邻居节点是R′。2)S根据rule_f选择与R′对应的可用新频点f′。3)S向R′发送FRIS信令，确认f′和r′是否可用。这个询问、确认过程可防止S的PFNT过期，同时起到通知R′调用f′和r′的作用。若可用，如图6A，则R′向S回传FRACK；S收到FRACK后在f′上进行数据传输；若不可用(S的PFNT过期：f′已被占用，或邻居节点R′已不可达，或R′的RB中r′已不可用)，如图6B，则R′向S回传NFRACK；S收到NFRACK后更新PFNT和RB，再重新检查RB。当尝试过RB中所有符合条件的路由后仍找不到确认可用的频点或路由，即按情况3处理，下面将进行详述。3)成功选用新的可用频点和路由，在新频点上进行数据传输。4)S和R′更新各自的PFNT，根据PFNT的构建规则将表中的可用频点更新为切换后的工作频点周围一定范围内的可用频点，并更新对应的邻居节点。

情况3：参照图5A，图5B：若S的RB中不存在S→D的可用路由，则1)S根据rule_f选择其它可用频点f′，启动路由发现过程。以下步骤实际是包含了频谱切换的路由发现过程。2)S广播频点和路由请求FRREQ(Frequency and Route Request)，向f′对应的邻居节点询问f′是否可用，并询问这些邻居节点是否具备到D的可用路由。3)可用f′的邻居节点R′(可能有一个或多个)检查自身的RB，是否存在到D的可用路由。如果存在，向S回发频点和路由应答FRREP(Frequency and Route Reply)；如果不存在，则R′也发起到D的路由发现过程，建立起到D的路由后更新自身RB，并向S回发FRREP。4)S收到FRREP后更新RB，并在首次收到FRREP后开始在新频点和新路由上进行数据传输；同时在周期信令PS中通知邻居节点停止继续进行路由发现；并利用继续收到的FRREP包含的路由信息更新RB。5)S和R′更新各自的PFNT，根据PFNT的构建规则将表中的可用频点更新为切换后的工作频点周围一定范围内的可用频点，并更新对应的邻居节点。

(二)中继节点R的频谱切换流程

当中继节点R检测到授权用户P出现时如图2所示，分为以下两种情况：

(1)R接收数据所用的工作频点与P的工作频点相同，如图2A，具体的频谱切换流程如下：1)R向上一跳邻居节点N发送频点不可用信令FNAS(Frequency Non-Available Signaling)，更新自身PFNT和RB。2)N收到FNAS后，将N作为源节点，进行上述的源节点S的频谱切换流程。

(2)R发送数据所用的工作频点与P的工作频点相同，如图2B，具体的频谱切换流程如下：1)开始如上所述的源节点S的频谱切换流程。2)如果在一定时间限制内找不到R→D的路由，向上一跳邻居节点N发送路由不可用信令RNAS(Route Non-AvailableSignaling)，N收到RNAS后，将N作为源节点，进行上述的S的频谱切换流程。

更新自身PFNT和RB。

(三)目的节点D的频谱切换流程

参照图3，开始如图5A所述的R接收数据所用的工作频点与P的工作频点相同时的频谱切换过程。

下面详细介绍本发明的信令设计。频谱切换流程中涉及到的信令在公共控制信道CCC(Common Control Channel)上传输，设计如下：

(1)周期信令PS(Periodic Signaling)：PS信令标记，信源地址，当前工作的工作频点或最近一次工作的工作频点附近一定范围内的可用频点。

(2)频点询问信令FIS(Frequency Inquiry Signaling)：FIS信令标记，信源地址，所选邻居节点地址，所选频点。

(3)频点确认信令FACK(Frequency ACK)：FACK\FNACK信令标记，频点确认位1(代表该频点可用)。

频点否认信令FNACK(Frequency NACK)：FACK\FNACK信令标记，频点确认位0(代表该频点不可用)。

(4)频点和路由询问信令FRIS(Frequency and Route InquirySignaling)：FRIS信令标记，信源地址，所选邻居节点地址，所选频点，所选路由。

(5)频点和路由确认信令FRACK(Frequency and Route ACK)：FRACK\FRNACK信令标记，频点确认位1(代表该频点可用)，路由确认位1(代表该路由可用)。

频点和路由否认信令FRNACK(Frequency and Route NACK)：FRACK\FRNACK信令标记，频点确认位(0代表该频点不可用)，路由确认位(0代表该路由不可用)。注意频点确认位和路由确认位只要有一个是0，即为FRNACK信令，将频点确认位和路由确认位分别表示有利于PFNT和RB分别更新。

(6)频点不可用信令FNAS：FNAS信令标记，信源地址，所选频点。

(7)路由不可用信令RNAS：RNAS信令标记，信源地址，所选路由：

(8)频点和路由请求FRREQ(Frequency and Route Request)：FRREQ信令标记，所用频点，信源地址，信宿地址，发送节点地址，跳计数(初始值为0)；

(9)频点和路由应答FRREP(Frequency and Route Reply)：FRREP信令标记，所用频点，信源地址，信宿地址，发送节点地址，跳计数(初始值为0)。

相对于现有技术，本发明具有如下优势：

第一、针对分布式认知无线电网络中由于认知用户检测到授权用户引起的频谱切换，设计了频谱切换的具体流程和相关信令，保证频谱切换过程的顺利完成。

第二、提出的频谱切换流程实现简单，通过节点对自身PFNT的检测获得周围信道状况和邻居节点的信息，减少了需要交换的信令及其交换次数，从而减小了系统负担。从流程图中可以明显看出，通过在节点处的计算处理，大大减少了信令交互。相对信令交互而言，节点内部的计算速度很快。

第三、节点对PFNT的检测完全在本地完成，处理速度快，减少了信令交换，有利于减小频谱切换时延。

第四、PFNT的设计考虑了硬件实现，缓存工作频点附近的可用频点，使新选用的频点尽量仍处于接收节点电台当前的射频工作范围内，在一定程度上避免了接收机的频繁切换。

第五、PFNT的设计结合了频谱切换和路由发现/维护，减小了切换时延和认知用户掉话率。省略了本地节点和邻居节点可用频点的适配过程。

第六、信令设计简单，容易产生和识别。

以上对本发明所提供的一种分布式认知无线电网络中的频谱切换方法进行详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。