专利名称：一种分布式认知无线电网络的信道初始化方法
技术领域：
本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种分布式认知无线电网络的信道初始化方法。
背景技术：
随着无线技术的发展及无线用户的不断增长，无线资源成为非常稀缺的资源。目前无线频谱主要是采用国家规划的方式，导致某些频段资源极其紧张，而某些频段资源却得不到充分的利用。为充分利用频谱资源，认知无线电(CR，Cognitive Radio)技术被提出，通过实时感知授权用户的存在与否以决定是否可以使用授权频段进行无线通信。在多跳分布式认知无线电网络中，由于所处的无线环境存在差异，各次用户节点的本地感知频谱信息不一致，从而使得预选的工作频点可能出现不一致的现象，这将造成次用户网络在初始建立过程中节点间信息交互不畅，为网络组建带来困难。另一方面，如何帮助迟入网节点接入网络也是需要解决的一个重要问题。因此，需要设计合适的信道初始化方法来解决网络初始建立时各节点之间的正常通信以及迟入网节点能够正确接入网络的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决网络初始建立时各节点之间的正常通信以及迟入网节点能够正确接入网络的问题，提出了一种分布式认知无线电网络的信道初始化方法。本发明的技术方案是一种分布式认知无线电网络的信道初始化方法，包括如下步骤Sl 选取一个根节点，根节点根据本地感知的可用信道信息选取分布式网络的N 个工作信道，开始工作并周期性广播Beacon报文；S2 对于未入网节点，在粗捕获阶段，N个信道机根据本地感知的可用信道结果， 从低到高依次侦听每个空闲信道，每个空闲信道的侦听周期为T0，粗捕获的执行的时间长
度为TC，这里，TC^ ^ ，其中，M为检测到的可用信道总数，在粗捕获阶段，统计每个空
闲信道上收到的Beacon报文的数目；S3 当粗捕获阶段结束时，如果在所有空闲信道上都没有捕获到Beacon报文，则转至S2继续执行粗捕获；反之则依据捕获到的Beacon报文数目依次选定数目最多的N个信道作为细捕获信道，开始执行细捕获，在此阶段，对收到的每个Beacon报文进行处理，建立一个细捕获结果列表，表项以节点ID区分，记录Beacon报文的源节点ID、根节点ID、 LID,以及捕获次数和工作信道，当收到一个Beacon报文时，读取Beacon报文中源节点ID， 在表中找到相应的节点，如没有则增加1个表项，记录下LID、根节点ID和通告的工作信道， 捕获次数加1 ；S4:当细捕获执行的时间长度大于设定的阈值，细捕获过程结束，如果细捕获结果列表中没有相应的记录信息，则转到S3，在粗捕获的结果中选取N个尚未执行细捕获但收到了 Beacon报文的信道重新执行细捕获；反之则在细捕获结果列表中，选取节点LID最小的表项对应的源节点ID作为该节点接入网络的父节点，若有多个LID最小的节点则选择 Beacon报文捕获次数最多的表项对应的源节点ID作为该节点接入网络的父节点，并将此表项中记录的N个工作信道作为自己的工作信道，并设置自己的LID值为父节点的LID值加1，同时在这N个工作信道上发送自身的Beacon报文和Info报文；在确定父节点后，根据自身的LID确定与细捕获结果列表记录的其它节点的邻居关系，形成一个树形网络拓扑结构； S5 将该节点接入网络，清除粗捕获结果与细捕获结果列表； S6 对其它未入网节点同样按照步骤S2到S5的操作，最终完成分布式认知无线电
网络的信道初始化。 本发明的有益效果本发明针对分布式认知无线电网络的信道初始化问题，设计了一种克服分布式网络中各个节点可用信道不一致而导致网络组建困难以及迟入网节点接入网络两个难题的一种信道初始化方法。本发明方法的N个信道机通过侦听空闲信道来捕获根节点发送的Beacon报文，整个侦听过程分为粗捕获和细捕获两个阶段，其中设置的根节点在整个信道初始化中起到了主导作用，其它节点通过捕获Beacon报文并根据其中通告的信息而接入网络。接入网络后，普通节点向上级节点发送Info报文汇报本地感知的可用信道信息，逐级汇聚到根节点，使得根节点可以统计全网可用空闲信道，有效的解决了各个节点可用信道不一致导致初始组网困难的问题；这种周期广播Beacon报文的机制，也有效的解决了迟入网节点接入网络问题。本发明在节点接入网络时维护了邻居关系，选取了父节点，形成了一个树形网络拓扑结构，为协议报文的传递提供了一条到根节点的优化传输路径。本发明的方法可以用于多信道多跳分布式认知无线电网络的信道初始化，进而使得次用户通过择机使用空闲的授权频段进行无线通信，实现与主用户网络的共存和共享频谱资源。
图1为Beacon报文的示意图。图2为Info报文的示意图。图3为实施例一的网络拓扑结构图。图4为实施例二的网络拓扑结构图。
具体实施例方式下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。为了实现高速无线通信，本发明中的每个无线节点均采用N个独立通道的信道机进行并行工作。由于各节点本地感知的可用信道(即空闲授权信道)各不相同，为了实现分布式网络的工作信道的统一分配，本发明指定了一个根节点，用于集中控制网络的组建；其它节点则统称为普通节点，它们向上级节点报告本地感知的信道状态，并接受上级节点对信道的控制。本发明采用核心树结构实现分布式网络的多跳多信道链路管理，每个节点分配了一个标识该节点级别的标识符，即LID(Level Identifier)，这里，根节点的LID可以设置为0，已入网的普通节点的LID可以设置为1 6，未入网普通节点的LID可以设置为 7;每个节点还维护了一跳范围内与其它节点的邻居关系，邻居关系共分四种，即父节点、上级节点、同级节点、下级节点。此外，本发明假设所有无线节点至少具有一个相同的可用信道。本发明采用Beacon机 制来维护分布式网络的核心树逻辑结构，即根节点与已入网普通节点均在工作信道上周期发送Beacon报文，普通节点通过监听相邻上级节点周期扩散的Beacon报文维护与相邻上级的连通性。与此同时，所有入网节点发送Info报文向上级节点汇报本地感知的可用信道信息，逐级汇聚到根节点。本发明设计了 Beacon和Info两种协议报文。Beacon报文的主要功能包括1)为延迟入网节点通告节点的级别号，根节点ID， 以及根节点的选定的工作信道；2)普通节点通过接收Beacon监测与上级节点的连通性；在多信道的环境中，约定只要有至少一个信道上能接收到上级节点的Beacon报文，则与上级节点的连通性有效。Info报文则用于已入网分布式节点向根节点汇报本地感知的可用信道信息。Beacon报文和Info报文的格式分别如图1和图2所示，Beacon报文和Info报文均包含MAC帧通用头部GMH、协议报文头部SMH与数据三个部分，其中，GMH占用6个字节， SMH占用4个字节，各个字段的说明如下GMH中的LID为节点级别标识符；SC表示是否分片，在本发明中其值为0，表示不分片；LEN表示除MAC帧通用头部之外的报文长度；RA表示报文的接收MAC地址，在此处为OxFFFF，表示广播接收地址；TA表示报文发送MAC地址；SMH 中的F表示是否是网内报文，在本发明实施例中其值为O，表示Beacon和Info两种报文均为网内报文；Type字段表示报文类型，Beacon报文为0x41，Info报文为0x42 ;R_ID为根节点的ID号；SN_ID为源节点的ID号；DN_ID为目的节点ID号；Beacon报文中的NUM_CH表示根节点选定的工作信道数，CHl至CHN表示选定的工作信道号。Info报文中的NUM_CH表示源节点本地感知可用信道数量，CHl至CHj表示源节点本地感知的可用信道号；Pad为可选的填充字段，一般设为OxFF。为了保证报文的对齐，这里，对于Beacon报文来说，如果N+1 为奇数，则需要Pad字段，否则不需要Pad字段；对于Info报文来说，如果j+Ι为奇数，则需要Pad字段，否则不需要Pad字段。其中，j表示全网的信道总数。当需要组建一个多信道多跳分布式认知无线电网络时，需要指定一个节点作为根节点，其LID为0，根节点周期性的广播Beacon报文；其它未入网节点通过捕获根节点的 Beacon报文而接入网络，并发送Beacon报文和Info报文。根节点根据本地感知的可用空闲信道信息来选择N个工作信道，在实施例一和实施例二中，N = 3，即都是选取3个工作信道，选择方式可以是随机选取，也可以是按信道号大小依次选取，在实施例中采取的是依次选取方式。下面通过实施例一和实施例二进行详细说明。实施例一如图3所示，这是一个多信道多跳分布式认知无线电网络的组建示意图，通信频段为694 806MHz频段，共分为14个信道，信道编号从O到13。圆圈中间的数字表示节点的LID标识，数字组合表示〈节点MAC地址、节点ID> ；这里，“〇”表示根节点、“ ”表示普通节点，如图3所示，可以看出不同位置的普通节点的LID是不同的，这个分布式网络的建立过程如下
步骤1 选定一个节点ID为31的节点作为根节点，并假设该节点本地感知的可用信道为0、1、3、5、6、8、10、12、13，根节点通过计算采取依次选取策略确定0、1、3号三个信道作为本分布式网络的工作信道，进入工作状态，广播发送Beacon报文，发送周期为IOms ；报文中LID字段填写为0，R_ID填写为31，CHl至CH3三个字段依次填写0、1、3。步骤2 其它未入网节点分别在其感知到的空闲信道上开始侦听根节点发送的 Beacon报文，首先执行的是粗捕获。如图3中的节点32感知到的可用空闲信道是0、1、2、 3、5、7、10、12、13，则节点32在这些信道上开始执行粗捕获，每个空闲信道上停留的时间为 300ms,即每个空闲信道的侦听周期TO为300ms，检测到的可用信道总数M为14，选取N = 3个工作信道，这里，粗捕获的执行的时间长度TC为2s。步骤3 当粗捕获阶段结束时，根据粗捕获结果记录显示在0、1、3号信道上捕获的 Beacon数目分别是60、59、59，其它空闲信道上数目为0，按照捕获Beacon报文数目的多少选取0、1、3号信道作为细捕获信道，执行细捕获，这里，设定的阈值为ls，即细捕获执行的时间长度为Is。在细捕获阶段，详细记录收到来自每个节点的每个Beacon报文信息，包括源节点SN_ID、LID、根节点R_ID、CH1至CH3三个工作信道、捕获次数的计数共5个信息。 不同表项以SN_ID区分，来自相同源节点的Beacon报文信息统计在一个表项中，每收到一个来自不同源 节点的Beacon报文则增加一个表项。节点32的粗捕获结果如表1所示。表 1
信道 ο~ i~~2~|3~~|5]T\Iol 2 IF"
次数6059 0 59O--0 0 0 0~~步骤4 当细捕获执行的时间长度大于设定的阈值Is时，节点32的细捕获结束， 根据细捕获列表中的记录进行接入网络处理，由于节点32是根节点31的一跳邻居节点，其细捕获结果列表中只有一项，即来自根节点31的Beacon信息，根据记录结果显示的源节点 SN_ID为31，R_ID为31，捕获次数为299 (理论上为300，但实际由于信道质量原因有丢失)， 工作信道为0、1、3号信道。节点32依据此记录结果选取根节点31作为父节点接入分布式网络，并将自身的工作信道设置为0、1、3，同时发送自身的Beacon报文和Info报文，Beacon 报文中通告的工作信道为0、1、3号信道、LID为1，源节点SN_ID为32、R_ID为31 ；Info报文向根节点报告可用空闲信道为0、1、2、3、5、7、10、12、13。节点32的细捕获结果如表2所不。表 2
节点 LID~FjD 次数 CHl CH2 CH3 ~~31 031299 0 3步骤5 清除节点32的粗捕获和细捕获结果。步骤6 根节点收到节点32报告的空闲信道，经过融合，记录全网的可用空闲信道为 0、1、3、5、10、12、13。步骤7 与节点32同样处于根节点一跳邻居范围内的其它节点同时在执行信道初始化过程，基本上是与节点32同时接入根节点，并发送了 Beacon报文。而处于一跳范围之外的下游节点，此时也就能捕获到LID为1的Beacon报文，根据步骤2至步骤5执行信道初始化过程，按照父节点选取算法分别选取其父节点接入分布式网络，并发送Beacon和Info 报文，Beacon报文中通告的LID为2。这里，父节点选取算法具体为选取节点LID最小的表项对应的源节点ID作为该节点接入网络的父节点，若有多个LID最小的节点则选择Beacon报文捕获次数最多的表项对应的源节点ID作为该节点接入网络的父节点。步骤8 =LID为2的节点的下游节点同样执行步骤2至步骤5执行信道初始化过程，如此下去，则能逐渐形成一个树形分布式网络。
实施例二 如图4所示，表示一个迟入网节点接入一个已经分布式认知无线电网络该分布式网络的示意图，这里，“〇”表示根节点、“參”表示普通节点，“ I _丨”表示迟入网节点，假设当
前分布式网络的工作信道为1、2、3 ；迟入网节点49接入分布式网络的过程如下步骤1 迟入网节点49在其感知到的0、1、2、3、5、6、8、11、13信道侦听Beacon报文，首先执行粗捕获，每个空闲信道上停留的时间为300ms，这里，粗捕获的执行的时间长度 TC 为 2s。步骤2 当粗捕获阶段结束时，根据粗捕获结果记录显示在1、2、3号信道上捕获的 Beacon数目分别是120、118、119，其它空闲信道上数目为0，按照捕获Beacon报文数目的多少选取1、2、3号信道作为细捕获信道，执行细捕获，这里，设定的阈值为ls，即设定细捕获的执行的时间长度为Is。在细捕获阶段，详细记录收到来自每个节点的每个Beacon报文信息，包括源节点SN_ID、LID、根节点R_ID、CH1至CH3三个工作信道、捕获次数的计数共5 个信息。不同表项以源节点SN_ID区分，来自相同源节点的Beacon报文信息统计在一个表项中，每收到一个来自不同源节点的Beacon报文则增加一个表项。节点49的粗捕获结果如表3所示。表3
信道0 235 I 6| 8Π~~13~
次数0120 118 119 0 0 ~0 0 0步骤3 当细捕获执行的时间长度大于设定的阈值Is时，节点49的细捕获结束， 根据细捕获列表中的记录进行接入网络处理，细捕获结果列表中共有2项，即来自节点46、 47的Beacon信息，节点46的表项中显示的源节点SN_ID为46，R_ID为46，LID为2，捕获次数为292，工作信道为1、2、3号信道；节点47的表项中显示的源节点SN_ID为47，R_ID 为47，LID为3，捕获次数为286，工作信道为1、2、3号信道。根据父节点选取算法，选取节点46作为父节点接入分布式网络，并将自身的工作信道设置为1、2、3，LID设置为3，同时发送自身的Beacon报文和Info报文，Beacon报文中通告的工作信道为0、1、3号信道、LID 为3，源节点SN_ID为49、R_ID为49 ；Info报文向上级节点报告可用空闲信道为0、1、2、3、 5、6、8、11、13。节点49的细捕获结果如表4所示。
表 权利要求
1. 一种分布式认知无线电网络的信道初始化方法，其特征在于，包括如下步骤51选取一个根节点，根节点根据本地感知的可用信道信息选取分布式网络的N个工作信道，开始工作并周期性广播Beacon报文；52对于未入网节点，在粗捕获阶段，N个信道机根据本地感知的可用信道结果，从低到高依次侦听每个空闲信道，每个空闲信道的侦听周期为T0，粗捕获的执行的时间长度为tc，这里，，其中，M为检测到的可用信道总数，在粗捕获阶段，统计每个空闲信道上收到的Beacon报文的数目；53当粗捕获阶段结束时，如果在所有空闲信道上都没有捕获到Beacon报文，则转至 S2继续执行粗捕获；反之则依据捕获到的Beacon报文数目依次选定数目最多的N个信道作为细捕获信道，开始执行细捕获，在此阶段，对收到的每个Beacon报文进行处理，建立一个细捕获结果列表，表项以节点ID区分，记录Beacon报文的源节点ID、根节点ID、LID,以及捕获次数和工作信道，当收到一个Beacon报文时，读取Beacon报文中源节点ID，在表中找到相应的节点，如没有则增加1个表项，记录下LID、根节点ID和通告的工作信道，捕获次数加1;S4:当细捕获执行的时间长度大于设定的阈值，细捕获过程结束，如果细捕获结果列表中没有相应的记录信息，则转到S3，在粗捕获的结果中选取N个尚未执行细捕获但收到了 Beacon报文的信道重新执行细捕获；反之则在细捕获结果列表中，选取节点LID最小的表项对应的源节点ID作为该节点接入网络的父节点，若有多个LID最小的节点则选择Beacon 报文捕获次数最多的表项对应的源节点ID作为该节点接入网络的父节点，并将此表项中记录的N个工作信道作为自己的工作信道，并设置自己的LID值为父节点的LID值加1，同时在这N个工作信道上发送自身的Beacon报文和Info报文；在确定父节点后，根据自身的 LID确定与细捕获结果列表记录的其它节点的邻居关系，形成一个树形网络拓扑结构； S5 将该节点接入网络，清除粗捕获结果与细捕获结果列表；S6:对其它未入网节点同样按照步骤S2到S5的操作，最终完成分布式认知无线电网络的信道初始化。
全文摘要
本发明属于无线通信技术领域，公开了一种分布式认知无线电网络的信道初始化方法。本发明方法的N个信道机通过侦听空闲信道来捕获根节点发送的Beacon报文，整个侦听过程分为粗捕获和细捕获两个阶段，其中设置的根节点在整个信道初始化中起到了主导作用，其它节点通过捕获Beacon报文并根据其中通告的信息而接入网络。接入网络后，普通节点向上级节点发送Info报文汇报本地感知的可用信道信息，逐级汇聚到根节点，使得根节点可以统计全网可用空闲信道，有效的解决了各个节点可用信道不一致导致初始组网困难的问题；这种周期广播Beacon报文的机制，也有效的解决了迟入网节点接入网络问题。
文档编号H04W28/16GK102256265SQ20111023108
公开日2011年11月23日 申请日期2011年8月12日 优先权日2011年8月12日
发明者申如意, 黄晓燕 申请人:电子科技大学