专利名称：一种认知无线电盲频率会聚方法
技术领域：
本发明涉及无线通信领域，特别涉及认知无线电中建立呼叫发起端和被呼端端通信链路的盲频率会聚方法。
背景技术：
随着无线通信的快速发展，稀缺的电磁频谱资源与日益增长的频谱需求之间的矛盾日益突出。在现有的固定频谱分配模式下，该矛盾已经极大地限制了新兴无线通信网络的发展和演进。而另一方面，大量的研究和统计数据表明，固定频谱分配政策导致了频谱使用率的低下。为了提高频谱利用率，缓解频谱需求的矛盾，人们在近年来提出了动态频谱接入的方式来共享频谱，从而有效提高频谱的利用率。认知无线电技术就是实现动态频谱资源共享的智能无线通信技木。
认知无线电实现之前需要解决一系列技术难题，通信双方之间的初始链路建立就是其中之一。传统通信技术由于事先知道系统參数信息，可以简单的在一条公共控制信道上通过协商完成初始链路的建立过程。但是，在认知无线电环境下，由于频谱资源的可用性是取决于主用户(即授权用户，对无线频谱的使用具有优先权)的行为的，只有当主用户未使用相应频谱的时候，认知用户(也称次用户，对无线频谱使用的优先级低于主用户)才能使用相应频谱空穴，因此，无法事先定义一条可用的公共控制信道。这就要求解决在无公共控制信道情况下，如何建立认知无线电通信双方初始链路的问题，该问题也称为盲频率会聚(Blind Frequency Rendezvous)。针对认知无线电盲频率会聚问题，目前已经有ー些研究結果。韩川等在其发明专利“一种认知无线电场景中的链路建立方法”(公开号CN 1829385A)中公开了ー种认知无线电场景中建立基站和移动台之间通信链路的方法，但是他们没有对基站以及移动台如何选择频率进行呼叫或应答等链路建立过程进行详细阐述。Horine等提出了ー种将多音信号作为呼叫信号的盲频率会聚方法(内容详见，B. Horine and D. Turgut，“Linkrendezvous protocol for cognitive radio networks, ^Proc.of IEEE DySPAN 2007,PP. 444-447，April2007)，发射端在检测到的频谱空穴上发送特定特征的多音信号，接收端通过宽带检测对这种特征的呼叫信号进行应答，从而完成握手过程。这种方法的缺点是接收端依赖这种多音信号的谱特征来对呼叫信号进行识别，因此，多个接收机可能同时检测到该呼叫信号并进行应答，从而引起除期望接收机外其他接收机不必要的回应。DaSilva以及Theis等研究人员提出了一种基于序列的盲频率会聚方法(内容详见，L. DaSilva and丄· waerreiro, “bequence based rendezvous for dynamic spectrum access,，，Proc.orIEEE DySPAN 2008，pp. 1-7, Oct. 2008 ;以及，N. C. Theis, R. ff. Thomas, and L. A. DaSilva,“Rendezvous for cognitive radios,，，IEEE Transactions on Mobile Computing,2010),发射端和接收端通过按照特定的序列访问各个信道，使得双方能够在某个相同信道上相遇。但是，他们并没有给出具体的握手过程，在无定时同步的情况下，即使待通信双方在同一个频谱空穴上相遇也并不一定能够保证成功握手建立链路。这种方法的另ー个缺点是其频率会聚过程所需耗费的时间较长。吴可镝等在发明专利“基于无速率码的认知无线电通信链路的建立和维护方法”(公开号CN 101325461A)中公开了ー种基于无速率码的认知无线电通信链路建立方法，发射端按照无速率码的编码方式对信息包进行编码并组帧发射，接收端通过无速率码的解码方法提取信息并应答，从而完成链路的建立。这种方法的缺点在于需要发送大量的数据包才能完成通信链路的建立，系统实现复杂度较高，所需的盲频率会聚时间较长。Pu等人提出了一种盲频率会聚协议(内容详见，D. Pu, A.M. Wygl inski，and M. McLemon,uK frequency rendezvous approach lor decentralized dynamicspectrum access networks, ’Troc. IEEE Int. Conf. Cognitive Radio Oriented WirelessNetw. Commun. , pp. 1-6, Jun. 2009),其中发射端和接收端均在未占用的频率上广播导频音。这种方法的主要缺点在于广播导频音不同步时，各个导频音之间的干扰会比较严重，从而影响性能。由此可知，已有的这些认知无线电盲频率会聚方法要么是实现过程不完整，要么是所需耗费的时间过长、系统实现复杂度较高，因此，还缺少ー种实现简单、会聚快速、对频谱环境稳健的盲频率会聚方法，这正是本发明所要提出的方法要达到的目标所在。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供ー种认知无线电盲频率会聚方法，可在认知无线电系统中无需公共控制信道的条件下，快速、简单、稳健地建立发射端和接收端之间通信链路，该方法能适应待通信双方频谱环境一致或不全一致的情况。为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是ー种认知无线电盲频率会聚方法，包括呼叫发起端的盲频率会聚方法和被呼端的盲频率会聚方法；所述呼叫发起端的盲频率会聚方法包括如下步骤步骤I. I :进行宽带频谱感知，得到频谱空穴信息，并将各个空闲信道记为{朽}￡，其中M1为空闲的信道个数，令k= I ；步骤I. 2 :判断是否满足结束条件，如果是，则提示失败，过程终止，否则，继续下
ー步;步骤I. 3 :在信道灼上发送呼叫信号FRREQ，并侦听回应信号FRREP ；步骤1.4 :如果成功侦听到回应，则频率会聚成功，过程终止并开始通信，否则，继续下ー步；步骤I. 5 :令k = k+Ι，如果k > M1，跳至步骤I. I，否则，跳至步骤I. 2 ；所述被呼端的盲频率会聚方法包括如下步骤步骤2. I :进行宽带频谱感知，得到各个信道状态；步骤2. 2 :进行宽带频谱感知，得到各个信道状态，并将此次得到的信道状态与上一次得到的信道状态进行比较，如果发现某信道由空闲变成被占用，则将这信道记为
，其中M2为状态由空闲变为占用的信道数目，继续步骤2.3，否则，mmmpm
2.2 ；步骤2. 3 :根据信道选择机制从选择某信道进行解调分析，判断信道上的信号是否是发给自己的呼叫信号FRREQ，若是，则在该信道上发送回应信号FRREP，频率会聚成功，否则，跳至步骤2. 2。所述呼叫发起端的盲频率会聚方法步骤I. 2中，结束条件可以设定为所允许的最大时间Tmax，也可以设定为所尝试的最大呼叫次数Kmax，Tmax和Kmax为事先根据用户的服务质量要求设置的预定值。所述呼叫发起端的盲频率会聚方法步骤I. 3中，FRREQ总时间长度为2TS+Tp，其中Ts为宽带频谱感知所需耗费的时间，Tp为有用信息占用的时间，有用信息包括帧头、发射ID和接收ID，发射ID标识自身ID，接收ID标识期望接收该信号的认知无线电ID，被呼端需要根据这些信息是否匹配来判断是否是发给自己的FRREQ信号。有用信息包含的这三个域(帧头、发射ID和接收ID)是对FRREQ进行标识所需的最少域，实际中可以根据需要进行增カロ。
所述呼叫发起端的盲频率会聚方法步骤I. 4中，是否成功侦听到回应信号FRREP的判决依据为在信道灼上进行解调，从解调比特流中寻找帧头，如果成功找到帧头并且对应的接收ID与自身ID匹配，则认为成功侦听到了 FRREP，如果在时间Tp内无法找到帧头或找到帧头但是ID无法匹配，则认为没有成功侦听到回应FRREP。所述被呼端的盲频率会聚方法步骤2. 3中，信道选择机制可以采用以下三种方式中的ー种(I)从择ー个信道进行解调分析；(2)从((/ZyJjl21中选择m个信道进行并行解调分析，其中I < m < M2 ;(3)对所有信道进行并行解调分析，为降低计算复杂度，可选择多相滤波进行实现。所述被呼端的盲频率会聚方法步骤2. 3中，判断信道上的信号是否是发给自己的呼叫信号FRREQ的判断依据为在相应信道上进行解调，从解调比特流中寻找帧头，若找到帧头，则匹配接收ID与被呼端自身ID，若匹配，则认为成功接收到了 FRREQ，如果从解调开始时间Ts+Tp内无法找到帧头，或找到帧头但是ID不匹配，则认为没有成功接收到FRREQ。所述被呼端的盲频率会聚方法步骤2. 3中，FRREP设计为FRREP总时间长度为Tp，其中包括帧头、发射ID和接收ID。发射ID标识自身ID，接收ID标识期望接收该信号的认知无线电ID。三个域(帧头、发射ID和接收ID)是对FRREP进行标识所需的最少域，实际中可以根据需要进行增加。本发明可带来以下有益效果本发明的优点在于盲链路会聚过程无需事先存在公共控制信道，对通信双方频谱空穴一致或者不全一致的情况都具有稳健性，链路建立过程快速，实现简单，具有很强的可靠性。
图I为本发明认知无线电呼叫发起端的盲频率会聚方法流程图。图2为本发明所设计的FRREQ结构。图3为本发明认知无线电被呼端的盲频率会聚方法流程图。图4为本发明所设计的FRREP结构。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进ー步详细说明。以下结合附图和具体实施例进ー步阐述本发明。这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。本发明的认知无线电盲频率会聚方法，包括呼叫发起端的盲频率会聚方法和被呼端的盲频率会聚方法。设认知系统频谱资源按信道划分总共为300个信道，按照频率从小到大的顺序进行标号，记为[1，2，-,300];认知无线电对所有300个信道进行感知所需耗费的时间为3ms，即Ts = 3ms ;系统所能容忍的盲频率会聚时间最长为8秒；认知系统信息传输速率为50kbps ;系统中各个认知用户都有ー个20bit的ID对其进行唯一标识，所有用户都知道其他认知用户的ID。 认知无线电呼叫发起端的盲频率会聚方法(如图I所示)，包括如下步骤步骤I. I :对所有300个信道进行感知，将各个空闲信道记为·，其中M1为空闲的信道个数，M1 ^ 300，令k = I ；步骤I. 2 :判断是否满足结束条件(此实施例中即判断累计呼叫时间是否超过8秒)，若是，则提示“频率会聚失败”并终止过程，否则，继续下一歩；步骤I. 3 :在信道％上发送呼叫信号FRREQ (FRREQ格式如图2所示，其中帧头为30比特，对发射ID和接收ID采用1/2速率的信道编码)，并开始侦听回应信号FRREP ；步骤I. 4 :如果在信道％上成功侦听到回应(即成功获得帧头，并且FRREP的接收ID与自身ID匹配)，则频率会聚成功，过程终止；如果在信道％上没有成功侦听到回应(即在2. 2ms时间内没有找到帧头，或者找到帧头但是接收ID域与自身ID不匹配)，则继续下ー步;步骤L5:令k = k+l。如果k > M1,跳至步骤L I,否则,跳至步骤L 2。认知无线电被呼端的盲频率会聚方法(如图3所示)，包括如下步骤步骤2. I :进行宽带频谱感知，得到300个个信道状态(用O标识信道空闲，I标识信道被占用)；步骤2.2 :进行宽带频谱感知，得到各个信道状态(用O标识信道空闲，I标识信道被占用)，并将此次得到的信道状态与上一次得到的信道状态进行比较，如果发现某个(或某些)信道状态由空闲变成被占用，则将这个(或这些)信道记为{も}Jl21，其中M2为状态由空闲变为占用的信道数目，I < M2 < 300，继续步骤2. 3 ;如果没有任意一个信道状态由空闲变成被占用，则重新执行步骤2. 2 ；步骤2. 3 :采用如下三种步骤之一(I)从随机选择ー个信道进行解调分析，判断该信道上的信号是否是发给自己的呼叫信号FRREQ，若是(即在5. 2ms时间内成功找到帧头，并且对应接收ID与自身ID匹配)，则在该信道上发送回应信号FRREP (格式如图4所示，其中帧头为30比特，对发射ID和接收ID采用1/2速率的信道编码)，频率会聚成功，过程终止；否则(即在5. 2ms时间内找不到帧头，或者找到帧头但是对应接收ID与自身ID不匹配)，跳至步骤2. 2。(2)从UzziJil21随机选择多个信道(I <信道个数< M2)进行并行解调分析，在各个并行分支上，判断该信道上的信号是否是发给自己的呼叫信号FRREQ，若是(即在5. 2ms时间内成功找到帧头，并且对应接收ID与自身ID匹配)，则在该信道上发送回应信号FRREP (格式如图4所示，其中帧头为30比特，对发射ID和接收ID采用1/2速率的信道编码)，频率会聚成功，过程终止；如果所有分析的信道上的信号均不是FRREQ (即在5. 2ms时间内找不到帧头，或者找到帧头但是对应接收ID与自身ID不匹配)，跳至步骤2. 2。(3)对所有M2个信道进行并行解调分析，在各个并行分支上，判断该信道上的信号是否是发给自己的呼叫信号FRREQ，若是(即在5. 2ms时间内成功找到帧头，并且对应接收 ID与自身ID匹配)，则在该信道上发送回应信号FRREP (格式如图4所示，其中帧头为30比特，对发射ID和接收ID采用1/2速率的信道编码)，频率会聚成功，过程终止；如果所有M2个信道上的信号均不是FRREQ (即在5. 2ms时间内找不到帧头，或者找到帧头但是对应接收ID与自身ID不匹配)，跳至步骤2. 2。
权利要求
1.一种认知无线电盲频率会聚方法，包括呼叫发起端的盲频率会聚方法和被呼端的盲频率会聚方法；所述呼叫发起端的盲频率会聚方法包括如下步骤 步骤1.1:进行宽带频谱感知，得到频谱空穴信息，并将各个空闲信道记为·( %^i1，其中M1为空闲的信道个数,令k = I ； 步骤I. 2 :判断是否满足结束条件，如果是，则提示失败，过程终止，否则，继续下一步； 步骤I. 3 :在信道％上发送呼叫信号FRREQ，并侦听回应信号FRREP ； 步骤I. 4 :如果成功侦听到回应，则频率会聚成功，过程终止并开始通信，否则，继续下一步; 步骤I. 5 :令k = k+Ι，如果k > M1，跳至步骤I. I，否则，跳至步骤I. 2 ； 所述被呼端的盲频率会聚方法包括如下步骤 步骤2. I :进行宽带频谱感知，得到各个信道状态； 步骤2. 2 :进行宽带频谱感知，得到各个信道状态，并将此次得到的信道状态与上一次得到的信道状态进行比较，如果发现某信道由空闲变成被占用，则将这信道记为，其中M2为状态由空闲变为占用的信道数目，继续步骤2. 3，否则，重新执行步骤2. 2 ； 步骤2. 3 :根据信道选择机制从丨(/Z1Jfi1选择某信道进行解调分析，判断信道上的信号是否是发给自己的呼叫信号FRREQ，若是，则在该信道上发送回应信号FRREP，频率会聚成功，否则，跳至步骤2. 2。
2.按照权利要求I所述的一种认知无线电盲频率会聚方法，其特征在于所述呼叫发起端的盲频率会聚方法步骤I. 2中，结束条件可以设定为所允许的最大时间Tmax，也可以设定为所尝试的最大呼叫次数Kmax，Tmax和Kmax为事先根据用户的服务质量要求设置的预定值。
3.按照权利要求I所述的一种认知无线电盲频率会聚方法，其特征在于所述呼叫发起端的盲频率会聚方法步骤I. 3中，FRREQ总时间长度为2TS+TP，其中Ts为宽带频谱感知所需耗费的时间，Tp为有用信息占用的时间，有用信息主要包括帧头、发射ID和接收ID，发射ID标识自身ID，接收ID标识期望接收该信号的认知无线电ID，被呼端需要根据这些信息是否匹配来判断是否是发给自己的FRREQ信号。
4.按照权利要求I所述的一种认知无线电盲频率会聚方法，其特征在于所述被呼端的盲频率会聚方法步骤2. 3中，FRREP设计为FRREP总时间长度为Tp，Tp为有用信息占用的时间，有用信息主要包括帧头、发射ID和接收ID。发射ID标识自身ID，接收ID标识期望接收该信号的认知无线电ID。
5.按照权利要求I所述的一种认知无线电盲频率会聚方法，其特征在于所述呼叫发起端的盲频率会聚方法步骤I. 4中，是否成功侦听到回应信号FRREP的判决依据为在信道%上进行解调，从解调比特流中寻找帧头，如果成功找到帧头并且对应的接收ID与自身ID匹配，则认为成功侦听到了 FRREP，如果在时间Tp内无法找到帧头或找到帧头但是ID无法匹配，则认为没有成功侦听到回应FRREP。
6.按照权利要求I所述的一种认知无线电盲频率会聚方法，其特征在于所述被呼端的盲频率会聚方法步骤2. 3中，信道选择机制可以采用以下三种方式中的一种 (1)从丨丨￡选择一个信道进行解调分析； (2)从丨丨Jl21中选择m个信道进行并行解调分析,其中I< m < M2 ;(3)对所有信道进行并行解调分析，为降低计算复杂度，可选择多相滤波进行实现。
7.按照权利要求I所述的ー种认知无线电盲频率会聚方法，其特征在于所述被呼端的盲频率会聚方法步骤2. 3中，判断信道上的信号是否是发给自己的呼叫信号FRREQ的判断依据为在相应信道上进行解调，从解调比特流中寻找帧头，若找到帧头，则匹配接收ID与被呼端自身ID，若匹配，则认为成功接收到了 FRREQ，如果从解调开始时间Ts+Tp内无法找到帧头，或找到帧头但是ID不匹配，则认为没有成功接收到FRREQ。
全文摘要
本发明涉及无线通信领域。所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种认知无线电盲频率会聚方法，可在认知无线电系统中无需公共控制信道的条件下，快速、简单、稳健的建立发射端和接收端之间通信链路，该方法能适应待通信双方频谱环境一致或不全一致的情况。所述认知无线电盲频率会聚方法，其包括认知无线电呼叫发起端的盲频率会聚方法和认知无线电被呼端的盲频率会聚方法。本发明通过设计呼叫信号格式、应答信号格式以及呼叫发起端和被呼端之间详细的握手协议，能够在不存在公共控制信道的条件下，自动快速建立待通信双方之间的初始通信链路，具有方法简单、过程快速、稳健性强的优点。
文档编号H04W76/02GK102869115SQ201110186028
公开日2013年1月9日 申请日期2011年7月5日 优先权日2011年7月5日
发明者郑仕链, 杨小牛, 楼财义 申请人:中国电子科技集团公司第三十六研究所