基于WCDMA网络的具有认知功能的通信系统

摘要

本发明公开了一种基于WCDMA网络的具有认知功能的通信系统，主要解决WCDMA网络中频谱利用不合理的问题。其特点为：在WCDMA网络中增加IEEE1900.4定义的认知模块，包括在核心网CN中增加认知模块运营商频谱管理器OSM和网络重构管理器NRM，在无线接入网UTRAN中增加认知模块无线接入网重构控制器RRC和无线接入网测量收集器RMC，在用户设备UE中增加认知模块终端重构管理器TRM、终端重构控制器TRC和终端测量收集器TMC；并定义了网络重构管理器NRM和移动交换中心MSC，无线接入网重构控制器RRC和无线网络控制器RNC之间的传输消息帧格式。利用本方发明的系可进行非授权用户和授权用户的通信，提高了系统内的频谱利用率，减小了频谱利用的不合理性。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，设计一种基于WCDMA网络的具有认知功能的通信系统，用于提高无线频谱资源的利用率。

背景技术

无线通信的快速发展，更是使得人们对无线频谱的需求量增长飞快。而无线通信中原有的频谱利用策略，在通信业务不断增加的现状下，已显出频谱资源的匮乏。现有的频谱分配策略中，授权用户能够被分配到某一个频段用作通信，即使该用户不用此频段，其他用户也无权使用。通过长时间监测无线频谱时会发现：一些频谱长时间被占用，一些频谱只是部分时间被占用，还有一些频谱从未被使用。然而另一方面随着新技术和新业务的不断发展，新移动性要求的不断涌现，移动用户数的不断增加，无线频谱资源却显得越来越匮乏。综合以上两方面的矛盾，如何复用这些空闲频谱和未使用频谱，提高频谱利用率来解决频谱匮乏的问题就成为人们普遍关注的焦点了。认知无线电技术，能够很好的解决这一问题。它主要通过感知周围的无线环境，引入非授权用户对空闲频段和未使用频段的再次利用来提高频谱利用率。

现有无线通信网络中，传统的静态频谱规划使用，使得频谱资源的利用表现出了高度的不均衡性；多种异构无线接入技术并存的通信网络格局，造成了众多的“网络孤岛”。认知无线电技术在1999年被提出，随着科研人员对认知无线电技术的不断研究，该技术得到了很快的发展，提出了相关协议；并将该技术引入到无线通信中，从而提出了认知无线网络的概念。认知无线网络技术在理论上已有了很大的发展，但还缺乏实际的应用。在现有的无线通信网络中至今还没有应用认知技术进行频谱利用率的提高，因此无线网络中频谱利用的不合理性依然没有得到实际的解决。

发明内容

本说明的目的在于针对上述已有技术的问题，提出一种基于WCDMA网络的具有认知功能的通信系统，以将认知技术应用在WCDMA网络中，减小频谱利用的不合理性，提高频谱利用率。

为实现上述目的，本发明的系统包括核心网CN、无线接入网UTRAN和用户设备UE，其特征在于：

在核心网CN中，增设有IEEE1900.4标准定义的认知模块运营商频谱管理器OSM和网络重构管理器NRM；该NRM与OSM相连进行消息传输，且该NRM同时与WCDMA系统原有的模块移动交换中心MSC相连进行消息传输；

在无线接入网UTRAN中，增设有IEEE1900.4标准定义的认知模块无线接入网重构控制器RRC和无线接入网测量收集器RMC；该RRC与RMC相连进行消息传输，且该RRC同时与WCDMA系统中原有无线网络控制器RNC相连接进行消息传输；

在用户设备UE中，增设有IEEE1900.4标准定义的认知模块终端重构管理器TRM、终端重构控制器TRC和终端测量收集器TMC；该TRM与WCDMA系统中原有移动设备ME相连接，并分别与终端重构控制器TRC和终端测量收集器TMC相连接。

利用本发明的系统，不仅保留了原有WCDMA网络对授权用户的通信，而且增加了非授权用户的通信：

1、利用权利要求1所述通信系统进行非授权用户通信的方法，包括如下步骤：

(1)非授权用户申请接入，移动交换中心MSC对该用户进行鉴权识别，若识别出该用户在本网未注册，即该用户为非授权用户，则移动交换中心MSC将该用户的申请接入请求传给网络重构管理器NRM；

(2)网络重构管理器NRM根据运营商频谱管理器OSM发来的频谱分配策略，决定是否允许该用户接入；若允许该非授权用户接入，则发送允许接入的应答给移动交换中心MSC；

(3)移动交换中心MSC收到网络重构管理器NRM发来的允许接入的应答消息，指示访问位置寄存器VLR为该非授权用户进行临时注册，并指配一个临时注册号，移动交换中心MSC将临时注册号发给网络重构管理器NRM；

(4)网络重构管理器NRM将临时注册号发给无线网络控制器RNC，再由该RNC将临时注册号发给无线接入网重构控制器RRC，该RRC将分配临时注册号响应发送给无线网络控制器RNC，同时，该RRC将临时注册号发送给终端重构管理器TRM，该TRM更改该非授权用户的临时注册号，

(5)非授权用户完成临时注册后，网络对其分配业务信道并完成呼叫接入，使该非授权用户能够与被叫用户实现通话；

(6)通话过程中，若授权用户接入量增加而使得可用信道数低于门限值时，网络重构管理器NRM将向临时注册的非授权用户告警，结束通话；

(7)告警后若非授权用户仍然坚持通话，系统将进行强制拆线。2、利用权利要求1所述通信系统进行授权用户通信的方法，包括如下步骤：

1)授权用户通过用户设备UE向无线网络控制器RNC发送无线资源控制连接请求，无线网络控制器RNC响应该用户请求，在前向接入信道FACH或者专用信道DCH上建立起无线资源控制连接；

2)无线网络控制器RNC与核心网CN之间建立起无线接入网络应用协议RANAP连接；

3)授权用户发起接入请求，核心网CN中的移动交换中心MSC对该用户进行鉴权识别，识别出该用户在本网注册，即该用户为授权用户，移动交换中心MSC为授权用户分配公共标识号；

4)鉴权完成后，核心网CN响应授权用户的接入请求，要求无线网络控制器RNC建立无线接入承载，建立成功后，授权用户与被叫用户进行通话；

5)授权用户通话完成后，WCDMA网络对该通话进行拆线，释放无线网络控制器RNC与核心网CN之间的无线接入网络应用协议RANAP连接，以及用户设备UE与无线网络控制器RNC之间的无线资源控制连接。

本发明由于在WCDMA网络中加入了认知模块，设置了非授权用户接入系统的通信协议流程，定义了新的接口消息帧格式，既保留原有WCDMA网络中授权用户的通信，又实现了WCDMA网络的认知功能，使非授权用户能够接入系统并利用系统中空闲的频谱信道来进行通信，因而与原有的WCDMA系统相比，提高了系统内的频谱利用率，减小了频谱利用的不合理性。

附图说明

图1是原有的WCDMA网络结构框图；

图2是本发明基于WCDMA网络的通信系统框图；

图3是利用本发明系统进行非授权用户通信的流程图；

图4是利用本发明系统进行授权用户通信的流程图；

图5是用本发明在不同接入情况下的频谱利用率仿真对比图。

具体实施方式

参照图1，原有的WCDMA系统结构包括：核心网CN、无线接入网UTRAN和用户设备UE三部分。核心网CN中包括移动交换中心MSC、分组服务支持节点SGSN、访问位置寄存器VLR和归属位置寄存器HLR等模块；无线接入网UTRAN中包括无线网络控制器RNC、基站控制器BSC和节点NodeB等模块；用户设备UE中包括移动设备ME、用户识别卡SIM和通用用户识别卡USIM三个模块。WCDMA系统的三部分中，核心网中的移动交换中心MSC或者分组服务支持节点SGSN，与无线接入网UTRAN中的无线网络控制器RNC相连并进行消息传输，无线接入网UTRAN中的节点NodeB与用户设备UE中的移动设备ME相连并进行消息传输。

参照图2，本发明是基于WCDMA网络的具有认知功能的通信系统，在原有WCDMA网络中增加IEEE 1900.4标准定义的认知模块，具体实现如下：

A)在WCDMA网络的核心网CN中，增加运营商频谱管理器OSM和网络重构管理器NRM两个认知模块；运营商频谱管理器OSM和网络重构管理器NRM两者之间保持消息传递，运营商频谱管理器OSM将频谱分配策略发送给网络重构管理器NRM，该NRM模块将频谱分配决策响应消息传给运营商频谱管理器OSM模块；网络重构管理器NRM同时与WCDMA网络原有模块移动交换中心MSC相连，该NRM模块能够接收关于整个WCDMA网络的实时使用情况，如用户接入情况，无线频谱使用情况，无线信道使用情况，移动性管理情况等；并将所得到的WCDMA网络中的频谱使用情况传回给运营商频谱管理器OSM，该OSM模块根据网络重构管理器NRM模块传送的消息，制定频谱分配决策。

B)在WCDMA无线接入网UTRAN中，增加无线接入网测量收集器RMC和无线接入网重构控制器RRC两个认知模块；该RMC模块与RRC模块相连接保持消息传递；无线接入网重构控制器RRC同时与WCDMA网络中原有无线网络控制器RNC或基站控制器BSC相连接，该RRC模块接收由无线网络控制器RNC发送来的临时注册号，并将分配临时注册号响应发送给无线网络控制器RNC。

C)在WCDMA系统的用户设备UE中，增加终端重构管理器TRM、终端重构控制器TRC和终端测量收集器TMC三个认知模块；该TRM模块与WCDMA网络中原有移动设备ME相连接，并分别与终端重构控制器TRC和终端测量收集器TMC相连接；终端重构管理器TRM向终端测量收集器TMC发送背景信息请求，终端测量收集器TMC响应请求，在终端搜集关于终端情况的背景信息，并且将背景信息传送给终端重构管理器TRM；该TRM模块给终端重构控制器TRC模块发送终端重构请求，终端重构控制器TRC模块响应终端重构请求。

本发明通过在原有WCDMA网络中增加IEEE 1900.4标准定义的认知模块，所形成的具有认知功能的通信系统，不仅保留了原有WCDMA网络对授权用户的通信，又增加了对非授权用户的通信。

参照图3，利用上述系统，本发明对非授权用户的通信步骤如下：

步骤1，非授权用户申请接入。

非授权用户通过WCDMA网络的公共控制信道CCCH向WCDMA网络的节点NodeB发送信道请求消息，NodeB分配给非授权用户一个专用控制信道DCCH，非授权用户在专用控制信道DCCH上向WCDMA网络的节点NodeB发送接入请求消息，节点NodeB再将接入请求消息发送给移动交换中心MSC，移动交换中心MSC鉴权识别该用户，识别出非授权用户在本网未注册，移动交换中心MSC再将接入请求消息发送给网络重构管理器NRM。

移动交换中心发送给网络重构管理器NRM的接入请求消息，按照表1所示的帧格式发送：总比特数为48比特，帧头为8比特，申请状态为2比特，用户类型为1比特，临时注册号为32比特，清除状态为2比特，其它为3比特。

表1

  帧头  申请状态  用户类型  临时注册号  清除状态  其它

步骤2，网络重构管理器NRM接收到非授权用户的接入请求，根据运营商频谱管理器OSM发来的频谱分配策略，决定是否允许该非授权用户接入；若允许该非授权用户接入，网络重构管理器NRM发送允许接入的应答消息给移动交换中心MSC。

网络重构管理器NRM发送给移动交换中心MSC的允许接入应答消息，按照表2所示的帧格式发送：总比特数为48比特，帧头为8比特，应答状态为3比特，临时注册号为32比特，告警拆线为1比特，清除状态为2比特，其它为2比特。

表2

  帧头  应答状态  临时注册号  告警拆线  清除状态  其它

步骤3，移动交换中心MSC接收到网络重构管理器NRM发来的允许接入应答消息，指示访问位置寄存器VLR为非授权用户进行临时注册，并分配一个临时注册号，移动交换中心MSC将临时注册号发给网络重构管理器NRM。

步骤4，网络重构管理器NRM将分配临时注册号消息发给无线网络控制器RNC，再由无线网络控制器RNC将分配临时注册号消息发给无线接入网重构控制器RRC。

无线网络控制器RNC发送给无线接入网重构控制器RRC的分配临时注册号消息，按照表3所示的帧格式发送：总比特数为48比特，帧头为8比特，申请状态为2比特，用户类型为1比特，临时注册号为32比特，告警拆线为1比特，清除状态为2比特，其它为2比特。

表3

  帧头  申请状态  用户类型  临时注册号  告警拆线  清除状态  其它

无线接入网重构控制器RRC接收到无线网络控制器RNC发送来的分配临时注册号消息后，将分配临时注册号响应消息发送给无线网络控制器RNC。

无线接入网重构控制器RRC发送给无线网络控制器RNC的分配临时号响应消息，按照表4所示的帧格式发送：总比特数为48比特，帧头为8比特，分配临时注册号响应为3比特，临时注册号为32比特，告警拆线响应为1比特，清除状态为2比特，其它为2比特。

表4

  帧头  分配注册号响应  临时注册号  告警拆线响应  清除状态  其它

同时，无线接入网重构控制器RRC将分配临时注册号消息发送给终端重构管理器TRM，该TRM模块更改该非授权用户的临时注册号。

步骤5，非授权用户完成临时注册后，非授权用户在专用控制信道DCCH上再次向节点NodeB提出接入请求，节点NodeB对其分配业务信道并完成接入，这样，该非授权用户能够按照WCMDA网络中原有的授权用户的通信流程与被叫用户实现通信。

步骤6，通话过程中，若授权用户接入量增加而使得WCDMA网络内可用信道数低于由运营商频谱管理器OSM制定的门限值时，网络重构管理器NRM将信道数低于该门限的响应消息发送给无线接入网重构控制器RRC，该RRC模块再将信道数低于门限的告警消息发送给终端重构管理器TRM，该TRM模块向非授权用户发送告警消息，此时非授权用户应结束通话，结束通话后，用户设备UE将结束通话响应消息发送给节点NodeB，节点NodeB将结束通话响应消息发送给移动交换中心MSC，移动交换中心MSC将结束通话消息发送给网络重构管理器NRM。

步骤7，告警后若非授权用户仍然坚持通话，终端重构管理器TRM将未结束通话响应消息发给无线接入网重构控制器RRC，无线接入网重构控制器RRC将未结束通话响应消息发送给网络重构管理器NRM，网络重构管理器NRM收到未结束通话响应消息后，向移动交换中心MSC发送告警拆线消息，移动交换中心该MSC将告警拆线消息发送给节点NodeB，节点NodeB得到告警拆线消息后对非授权用户进行强制拆线，结束非授权用户通信。

参照图4，本发明对授权用户的通信步骤如下：

1)授权用户通过用户设备UE向无线网络控制器RNC发送无线资源控制连接请求，无线网络控制器RNC响应该用户请求，在前向接入信道FACH或者专用信道DCH上建立起无线资源控制连接；

2)无线网络控制器RNC与节点NodeB建立起NBAP节点B应用协议连接，无线网络控制器RNC与核心网CN中的移动交换中心MSC之间建立起无线接入网络应用协议RANAP连接；

3)授权用户发起接入请求，核心网CN中的移动交换中心MSC对该用户进行鉴权识别，识别出该用户在本网注册，即该用户为授权用户，移动交换中心MSC为授权用户分配公共标识号；

4)鉴权完成后，核心网CN响应授权用户的接入请求，要求无线网络控制器RNC建立无线接入承载，建立成功后，授权用户与被叫用户进行通话；

5)授权用户通话完成后，WCDMA网络对该通话进行拆线，释放无线网络控制器RNC与核心网CN之间的无线接入网络应用协议RANAP连接，以及用户设备UE与无线网络控制器RNC之间的无线资源控制连接。

仿真实例

仿真环境取WCDMA网络中的单小区，上行负载为50％，在只有语音通话AMR12.2业务的情况下，单小区同时通话用户数为50，即有50个通话信道。

仿真分为两种情况：一种为只有授权用户接入的情况，另一种是授权用户与非授权用户都接入的情况。

两种情况仿真完成后，对系统内50个通话信道使用情况进行统计分析，得出两种仿真情况下的通话信道使用情况对比图，如图5。

从图5可见，在只有授权用户接入的情况下，系统内的各通话信道利用率最高只有50％，而授权用户与非授权用户都接入的情况下，系统内的各通话信道利用率明显提高，大部分信道的利用率都超过了50％。由此可见，非授权用户能够接入本发明基于WCDMA网络的具有认知功能的通信系统，利用该系统中空闲的频谱信道来进行通信，从而提高了WCMDA网络内的频谱利用率，减小了频谱利用的不合理性。

缩略语说明

  缩略语  英文名称  中文名称  AuC  Authentication Center  鉴权中心  BSC  Base Station Controller  基站控制器  BSS  Base Station Subsystem  基站子系统  BTS  Base Transceiver Station  基站收发台  CCCH  Common Controll Channel  公共控制信道  CN  Core Network  核心网  DCCH  Dedicated Controll Channel  专用控制信道  DCH  Dedicated Channel  专用信道  EIR  Equipment Identity Register  设备标识寄存器  FACH  Forward Access Channel  前向接入信道  GGSN  Gateway GPRS Support Node  网关分组服务支持节点

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