一种适用于认知无线网络的分布式接入控制方法与流程

本发明属于通信
技术领域：
，尤其涉及一种适用于多信道认知无线网络的接入控制协议设计。
背景技术：
：随着无线通信技术的飞速发展，有限的频谱资源已经成为制约无线通信发展亟待解决的问题。作为解决频谱资源日益紧张的一个重要技术手段，认知无线电技术可以使得认知用户节点机会式地接入到已被授权给主用户并且处于空闲状态的通信频段，在不影响主用户通信的前提下传输认知用户数据，从而可以有效地提高有限频谱资源的利用率和促进异构网络的融合。在由多个认知节点所组成的认知无线网络中，任意两个相邻认知节点需要在进行数据传输之前交互包含频谱感知结果、网络拓扑、时钟同步和信道预约在内的各类型控制信息，以增强认知节点对授权信道频谱感知的准确性和避免对主用户节点或者其它认知节点的通信造成干扰，从而最终在多个可能被主用户所占用的数据信道中选出彼此皆可用的数据信道进行认知数据传输。为此，认知无线网络可以利用一个独立于所有数据信道、不受主用户干扰、并且可以被所有认知节点随时接入的专用控制信道，以分布式的方式实现各类型控制信息的实时可靠交互。根据认知节点对数据信道进行感知和执行控制信息交互的先后顺序，基于专用控制信道的认知无线网络接入控制机制可以被划分为如下两类：感知-预约模式：在数据传输开始之前，认知收发节点首先对所有数据信道进行频谱感知，然后再根据频谱感知结果预约一组未被主用户占用的空闲数据信道进行认知数据传输。预约-感知模式：在数据传输开始之前，认知收发节点首先为认知数据传输预约一组数据信道，然后再对已预约数据信道进行频谱感知。如果感知到已预约数据信道正在被主用户所占用，那么就视为之前的数据信道预约失败。这两种接入控制机制存在各自的优缺点。其中，与预约-感知模式相比，感知-预约模式通常会导致认知收发节点对预约数据信道的频谱感知和基于这些数据信道的认知数据传输之间出现更长的时延，从而无法更好地适应主用户对数据信道的动态占用。另一方面，与感知-预约模式相比，预约-感知模式更容易使得认知收发节点预约到正在被主用户占用的数据信道，从而更容易出现数据信道预约失败的情况。此外，现有基于预约-感知模式的接入控制机制存在如下两个缺点：第一，只要认知收发节点的本地频谱感知检测到已预约数据信道未被主用户占用，那么它们就会在预约数据信道上传输认知数据。然而，由于现有本地频谱感知方法，例如能量检测、匹配滤波器、循环谱和小波检测等，的局限性，因此可能会存在认知收发节点均未感知到的隐藏主用户，而认知收发节点之间的数据传输则可能对隐藏主用户的通信造成干扰。第二，当一对认知收发节点成功地预约了一组数据信道，那么它们需要在结束该数据信道上的数据传输过程之后才能重新开始交互控制信息，而这一等待机制限制了这对认知收发节点数据传输效率的提升。技术实现要素：本发明针对现有基于感知-预约模式和基于预约-感知模式的认知无线网络接入控制机制所存在的各种缺陷，基于预约-感知模式设计一种新的基于专用控制信道的认知无线网络接入控制机制。与现有技术相比，本发明所提接入控制机制需要能更好地避免对隐藏主用户的通信造成干扰和更为充分地利用专用控制信道和其它未预约数据信道的时频资源进行认知数据传输。同时，与现有技术相比，本发明所提接入控制机制需要能实现更优的数据信道利用效率和网络数据传输吞吐量。一种适用于认知无线网络的分布式接入控制方法，具体步骤如下：s1、认知发送节点crt采用ieee802.11dcf协议的指数退避机制在专用控制信道上以竞争的方式向其目的接收节点crr发送rts帧，若rts帧发送成功，则跳转至s2，若rts帧发送不成功，则重新执行s1；s2、在成功收到crt发送的rts帧之后，crr会通过比较本地记录的未预约数据信道列表和rts控制帧中的未预约数据信道列表选择一个需要预约的数据信道dci，同时确定对预约数据信道执行基于能量检测的协作感知过程的起始时间点，并且向crt反馈一个cts控制帧以说明拟预约的数据信道编号和执行基于能量检测的协作感知过程的起始时间点，如果所预约的数据信道dci目前是空闲的，那么crr会将该起始时间点设为当前cts控制帧传输的结束时刻，并跳转到s3，否则，crr会将该起始时间点设为数据信道dci前一成功预约的结束时刻，并跳转s4；s3、全网所有认知节点立即冻结其在专用控制信道上基于指数退避的回退计数值，将它们设置在专用控制信道上的负责接收和发送控制帧的收发信机切换到数据信道dci上执行能量检测，并在完成能量检测后将同一收发信机再次切换到专用控制信道上，最后跳转到s5；s4、在crt和crr设定的数据信道dci的预约起始时刻，全网所有认知节点冻结其在专用控制信道上基于指数退避的回退计数值，将它们设置在专用控制信道上的负责接收和发送控制帧的收发信机切换到数据信道dci上执行能量检测，并在完成能量检测后将同一收发信机再次切换到专用控制信道上；s5、认知发送节点crt在专用控制信道上广播srp帧给所有认知节点进行时钟同步，并且通知所有认知节点开始执行基于忙音信号发送的感知信息融合；s6、所有认知节点均根据其在数据信道dci的能量检测结果决定是否发送忙音信号，如果一个认知节点通过能量检测发现dci正在被主用户所占用，那么它就会在专用控制信道上以足够大的发射功率发送一个忙音信号，而所有监听到该忙音信号的认知节点就会认为数据信道dci已被主用户所占用，否则，该认知节点就会保持沉默，在忙音信号发送时隙结束后跳转到s7；s7、认知发送节点crt根据其本地的能量检测结果和它在忙音信号发送时隙监听到的结果，决定是否在数据信道dci上传输认知数据，并且在专用控制信道上通过广播dcs帧将其决定通知所有的认知节点，如果crt的本地能量检测发现dci被占用或者监听到了忙音信号，那么它就会放弃在数据信道dci上的认知数据传输；否则，crt会选择在数据信道dci上向crr传输认知数据，如果crt决定在数据信道dci上传输认知数据，那么就跳转到s8，否则，就返回到s1；s8、认知收发节点crt和crr将负责发送和接收数据的收发信机切换到预约的数据信道dci上，采用data和ack交互的停等方式传输认知数据，直到本次数据信道预约结束为止，并最后返回到s1。本发明的有益效果是：与现有基于预约-感知模式的认知无线网络接入控制机制相比，本发明所提出的接入控制机制能够利用所有认知节点对预约数据信道的协作感知有效提高认知无线网络对主用户通信的检测准确性，更好地避免认知收发节点之间的数据传输对隐藏主用户的通信造成干扰。另一方面，当一对认知发送和接收节点基于本发明所提出的接入控制机制成功预约数据信道之后，它们无需等待在预约数据信道上的数据传输结束，而是可以在数据传输的同时立即重新开始在专用控制信道上执行基于ieee802.11dcf协议的rts/cts控制帧交互。这一数据和控制信息的并发传输可以有效提升认知无线网络的整体传输性能。最后，与现有基于感知-预约模式的认知无线网络接入控制机制相比，本发明所提出的接入控制机制能够有效地减少认知发送和接收节点基于预约数据信道的频谱感知和数据传输之间的时间间隔，从而更好地适应主用户对数据信道占用的动态编号，提高授权数据信道的利用效率，提升认知无线网络的整体数据传输吞吐量和递交率。附图说明图1为基于预约-感知模式的认知无线网络接入控制机制的时序图示例，图中的rts和cts下标代表这两个控制帧的发送节点编号。图2表示在基于预约-感知模式的认知无线网络接入控制机制中，认知收发节点预约了空闲数据信道的控制帧交互过程和基于能量检测的协作感知过程。图3表示在基于预约-感知模式的认知无线网络接入控制机制中，认知收发节点预约了非空闲数据信道的控制帧交互过程和基于能量检测的协作感知过程。图4为认知发送节点的工作流程图。图5为认知接收节点的工作流程图。图6为基于感知-预约模式的认知无线网络接入控制机制的时序图示例，图中的rts和cts下标分别代表这两个控制帧的发送节点编号。图7为基于时间划分的认知无线网络接入控制机制的时序图示例，图中的rts和cts下标分别代表这两个控制帧的发送节点编号。图8为基于预约-感知模式、感知-预约模式和时间划分的认知无线网络接入控制机制的网络时延性能随仿真时间的对比曲线。图9为基于预约-感知模式、感知-预约模式和时间划分的认知无线网络接入控制机制的网络递交率性能随仿真时间的对比曲线。图10为基于预约-感知模式、感知-预约模式和时间划分的认知无线网络接入控制机制的网络吞吐量性能随仿真时间的对比曲线。图11为基于预约-感知模式、感知-预约模式和时间划分的认知无线网络接入控制机制的网络时延性能随认知节点数据产生速率的对比曲线。图12为基于预约-感知模式、感知-预约模式和时间划分的认知无线网络接入控制机制的网络递交率性能随认知节点数据产生速率的对比曲线。图13为基于预约-感知模式、感知-预约模式和时间划分的认知无线网络接入控制机制的网络吞吐量性能随认知节点数据产生速率的对比曲线。图14为基于预约-感知模式、感知-预约模式和时间划分的认知无线网络接入控制机制的网络时延性能随认知节点个数变化的对比曲线。图15为基于预约-感知模式、感知-预约模式和时间划分的认知无线网络接入控制机制的网络递交率性能随认知节点个数变化的对比曲线。图16为基于预约-感知模式、感知-预约模式和时间划分的认知无线网络接入控制机制的网络吞吐量性能随认知节点个数变化的对比曲线。图17为基于预约-感知模式、感知-预约模式和时间划分的认知无线网络接入控制机制的网络吞吐量性能随认知网络中数据信道个数变化的对比曲线图。具体实施方式下面结合附图对本发明进行说明。如图1所示，在本发明专利设计的基于预约-感知模式的认知无线网络接入控制机制中，每个认知收发节点对均需要通过控制帧交互、基于能量检测的协作感知、以及数据传输等三个阶段才能完成一次的数据信道接入和认知数据传输。控制帧交互阶段在控制帧交互阶段中，每个认知发送节点对需要采用ieee802.11dcf协议的指数退避机制在专用控制信道上通过竞争的方式向其目的接收节点发送rts控制帧。在指数退避过程中，每个认知节点对均需要持续监听并且记录其它邻居认知节点在专用控制信道上的数据信道预约情况。在每个认知发送节点crt的回退计数变为0时，它均会向其目的认知接收节点crr发送一个rts控制帧，并且在该帧中说明其监听到的未被其它邻居节点所预约的数据信道列表。如果crr能够成功接收到这一rts控制帧，那么它就会选择一个需要预约的数据信道，确定对预约数据信道执行基于能量检测的协作感知过程的起始时间点，并且向crt反馈一个cts控制帧以说明拟预约的数据信道编号和执行基于能量检测的协作感知过程的起始时间点。如果crr通过比较本地记录的未预约数据信道列表和rts控制帧中的未预约数据信道列表发现认知无线网络可接入的n个数据信道存在至少一个未被其它邻居认知节点占用或者预约的空闲数据信道，那么它就会随机选择一个空闲的数据信道作为预约的数据信道，并如图2所示将执行基于能量检测的协作感知的起始时间点设为cts控制帧传输结束时刻；否则，crr会选择n个数据信道中在未来最先执行能量检测的数据信道作为本次预约的数据信道，并且如图3所示将它们在本次预约数据信道上执行基于能量检测的协作感知的起始时间点设为数据信道dci前一成功预约的结束时刻t+tcs，其中t是前一个成功预约dci的认知接收节点在该数据信道上执行基于能量检测的协作感知过程的起始时间点，而tcs代表每个成功预约了数据信道的认知收发节点对在基于能量检测的协作感知过程中所需要耗费的总时间长度。基于能量检测的协作感知阶段如图2和图3所示，在每对认知发送和接收节点，即crt和crr，发起的针对其预约数据信道dci执行的基于能量检测的协作感知过程中，全网所有认知节点均会暂时冻结其在专用控制信道上基于指数退避的回退计数值，并将它们设置在专用控制信道上的收发信机切换到crt和crr所预约的数据信道dci上执行能量检测。在确保所有认知节点均完成该能量检测之后，它们会将其收发信机重新切换回专用控制信道上。在信道切换完成之后，crt会在专用控制信道上广播一个srp帧(即sensingreportpacket)，在对全网所有认知节点进行时钟同步的同时，通知这些认知节点开始执行基于忙音信号发送的感知信息融合。如果一个认知节点通过能量检测发现dci正在被主用户所占用，那么它就会在专用控制信道上以足够大的发射功率发送一个忙音信号，而所有监听到该忙音信号的认知节点就会认为数据信道dci已被主用户所占用；否则，该认知节点就会保持沉默。这一忙音发送过程实际上是实现了全网认知节点基于or法则的感知信息融合。在忙音发送时隙结束之后，crt会根据感知信息融合的结果会在专用控制信道上广播一个dcs(即datachannelstatus)帧，以通知所有的认知节点本次的数据信道预约是否成功以及本次数据信道预约的时间长度。由于数据信道dci上随时有可能有主用户占用，为确保crt和crr的认知数据传输不会对主用户通信造成过长时间的干扰，它们每次对数据信道预约的时间长度不能超过主用户所能容忍的干扰时长上限值。如果本次数据信道预约是成功的，那么crt就会在所预约的数据信道dci上开始向crr传输认知数据。此外，无论本次数据信道预约是否成功，crt和crr均可以在广播dcs帧之后立即开始下一轮的控制信息交互。认知数据传输阶段在每对认知发送和接收节点，即crt和crr，的数据传输阶段内，它们会在其预约数据信道上采用data和ack交互的停等方式传输认知数据，直到本次数据信道预约结束。下面给出了在基于预约-感知模式的认知无线网络接入控制机制中一对认知收发节点交互控制信息和传输认知数据的具体步骤：步骤1.认知发送节点crt采用ieee802.11dcf协议的指数退避机制在专用控制信道上以竞争的方式向其目的接收节点crr发送rts帧，以说明其监听到的未被其它邻居节点所预约的数据信道列表。如果rts帧发送成功，那么就跳转到步骤2，否则重新执行步骤1的随机回退计数。步骤2.在成功收到crt发送的rts帧之后，crr会通过比较本地记录的未预约数据信道列表和rts控制帧中的未预约数据信道列表选择一个需要预约的数据信道dci，确定对预约数据信道执行基于能量检测的协作感知过程的起始时间点，并且向crt反馈一个cts控制帧以说明拟预约的数据信道编号和执行基于能量检测的协作感知过程的起始时间点。如果所预约的数据信道dci目前是空闲的，那么crr会将该起始时间点设为当前cts控制帧传输的结束时刻，并跳转到步骤3；否则，crr会将该起始时间点设为数据信道dci前一成功预约的结束时刻，并跳转步骤4。步骤3.全网所有认知节点立即冻结其在专用控制信道上基于指数退避的回退计数值，将它们设置在专用控制信道上的负责接收和发送控制帧的收发信机切换到数据信道dci上执行能量检测，并在完成能量检测后将同一收发信机再次切换到专用控制信道上，最后跳转到步骤5。步骤4.在crt和crr设定的数据信道dci的预约起始时刻，全网所有认知节点冻结其在专用控制信道上基于指数退避的回退计数值，将它们设置在专用控制信道上的负责接收和发送控制帧的收发信机切换到数据信道dci上执行能量检测，并在完成能量检测后将同一收发信机再次切换到专用控制信道上，最后跳转到步骤5。步骤5.认知发送节点crt在专用控制信道上广播srp帧给所有认知节点进行时钟同步，并且通知所有认知节点开始执行基于忙音信号发送的感知信息融合，最后跳转步骤6。步骤6.所有认知节点均根据其在数据信道dci的能量检测结果决定是否发送忙音信号。如果一个认知节点通过能量检测发现dci正在被主用户所占用，那么它就会在专用控制信道上以足够大的发射功率发送一个忙音信号，而所有监听到该忙音信号的认知节点就会认为数据信道dci已被主用户所占用；否则，该认知节点就会保持沉默。在忙音信号发送时隙结束后跳转到步骤7。步骤7.认知发送节点crt根据其本地的能量检测结果和它在忙音信号发送时隙监听到的结果，决定是否在数据信道dci上传输认知数据，并且在专用控制信道上通过广播dcs帧将其决定通知所有的认知节点。如果crt的本地能量检测发现dci被占用或者监听到了忙音信号，那么它就会放弃在数据信道dci上的认知数据传输；否则，crt会选择在数据信道dci上向crr传输认知数据。如果crt决定在数据信道dci上传输认知数据，那么就跳转到步骤8；否则，就返回到步骤1。步骤8.认知收发节点crt和crr将负责发送和接收数据的收发信机切换到预约的数据信道dci上，采用data和ack交互的停等方式传输认知数据，直到本次数据信道预约结束为止，并最后返回到步骤1。图4和图5则分别给出了在基于预约-感知模式的认知无线网络接入控制机制中认知发送和接收节点的工作流程图。实施例、为了与现有基于感知-预约模式和基于非专用控制信道模式的认知无线网络接入控制机制进行性能对比，下面会首先针对两种现有的认知无线网络接入控制机制进行简要介绍，然后基于ns3网络仿真软件进行仿真性能对比与分析。基于感知-预约模式的认知无线网络接入控制机制如图6所示，基于感知-预约模式的接入控制机制将认知无线网络的专用控制信道和所有数据信道在时间域上同步地划分为多个时间长度相等的超帧(即superframe)。在每个超帧的开始，所有认知节点会首先对所有数据信道执行本地能量检测和基于忙音信号发送的协作感知，从而将被主用户占用的数据信道从可用数据信道列表里剔除。在当前超帧的剩余时段内，每对认知发送和接收节点会在专用控制信道上反复地基于ieee802.11dcf协议的指数退避机制竞争交互rts/cts控制帧，并且通过每次控制帧的成功交互从可用数据信道列表里选择适当的数据信道进行认知数据传输，直到当前超帧结束为止。基于时间划分的认知无线网络接入控制机制如图7所示，基于时间划分的认知无线网络接入控制机制不会区分专门的控制信道和数据信道，而是将认知无线网络所有的可接入信道在时间域上同步地划分为多个时间长度相等的超帧，并且将每个超帧进一步划分为一个控制期(controlperiod)和一个数据期(dataperiod)。在控制期内，所有认知节点会首先对所有数据信道执行本地能量检测和基于忙音信号发送的协作感知，从而将被主用户占用的数据信道从可用数据信道列表里剔除。然后，在当前控制期的剩余时段内，每对认知发送和接收节点会在某个特定的信道上反复地基于ieee802.11dcf协议的指数退避机制竞争交互rts/cts控制帧，从而在可用数据信道列表里为它们在数据期内的认知数据传输预约必要的时间和信道资源。最后，在数据期内，每个认知收发节点对会根据它们在控制期内预约到的时间和信道资源，将其收发信机在相应的预约时间切换到相应的预约信道上完成认知数据传输。特别地，在控制期内执行rts/cts控制帧竞争交互的特定信道也可以被认知收发节点对预约和利用在数据期内传输认知数据。仿真性能对比在仿真中，我们考虑了由2-100个认知用户组成的认知无线网络通信场景。在这一通信场景中，所有认知用户随机分布在150m×250m的矩形区域当中。每个主用户在一个数据信道上以指数分布的方式出现，而该主用户占用和不占用该数据信道进行通信的平均时间均为1秒。该仿真中的其它参数设置如表1所示。表1.仿真参数设置仿真参数参数值仿真参数参数值网络区域(m2)150*250数据信道数目6-14仿真时间(s)0-100认知节点数目2-100应用层数据包长度(byte)1000数据产生速率(packet/second)10-300mac层数据包缓存大小400mac层数据包最大时延(s)5.0信道速率(mbps)1.0信道带宽(mhz)22数据帧最大重传次数7控制帧最大重传次数7数据信道感知时间(us)20协作感知时间(us)20rts分组长度(byte)21cts分组长度(byte)23srp分组长度(byte)14预约感知模式dcs分组长度(byte)17感知预约模式dcs分组长度(byte)10时间划分模式(dbyctse)分组长度(byte)10超帧间隔(s)1.0控制期时长(s)0.1数据期时长(s)0.9每次预约数据信道时间长度(s)0.1在上述参数设定下，图8、图9和图10分别表示在数据信道个数固定为6个、认知节点个数设置为60个、认知节点应用层数据包长度为1000byte、应用层数据产生速率设置为单位时间产生80个数据包，采用不同随机数种子进行了5次独立实验并且求取平均值的前提条件下，基于预约-感知模式、基于感知-预约模式和基于时间划分的认知无线网络接入控制机制的平均数据传输时延、平均数据传输递交率和平均数据传输吞吐量等性能参数随仿真时间变化的仿真对比图。图11、图12和图13分别表示在数据信道个数固定为6个、认知节点个数设置为60个、认知节点应用层发送的数据包长度设置为1000byte，以认知节点应用层单位时间内产生数据包的个数为线索，采用不同随机数种子进行了5次独立实验并且求取平均值的前提条件下，基于预约-感知模式、基于感知-预约模式和基于时间划分的认知无线网络接入控制机制的平均数据传输时延、平均数据传输递交率和平均数据传输吞吐量等性能参数随认知节点数据产生速率变化的仿真对比图。图14、图15和图16分别表示数据信道个数固定为6个、认知节点应用层数据包长度固定为1000byte、认知节点单位时间发送50个数据包，以网络中的认知节点个数为线索，采用不同随机数种子进行了5次独立实验并且求取平均值的前提条件下，基于预约-感知模式、基于感知-预约模式和基于时间划分的认知无线网络接入控制机制的平均数据传输时延、平均数据传输递交率和平均数据传输吞吐量等性能参数随认知节点个数变化的仿真对比曲线图。图17表示认知节点个数设置为90个、认知节点应用层数据包长度为1000bytes、认知节点单位时间产生280个数据包的前提条件下，以认知网络中数据信道个数为线索，采用不同随机数种子进行了5次独立实验并且求取平均值的前提条件下，基于预约-感知模式、基于感知-预约模式和基于时间划分的认知无线网络接入控制机制的平均数据传输吞吐量随数据信道个数变化的仿真对比曲线图。从图10、图13、图16和图17中我们可以发现，本发明提出的基于预约-感知模式的接入控制机制在相同的仿真参数设置下能获得高于基于感知-预约模式和基于时间划分的接入控制机制的平均数据传输吞吐量。与基于预约-感知模式的接入控制机制相比，感知-预约模式和基于时间划分的接入控制机制都是先对数据信道进行基于能量检测的协作感知，从而将正在被主用户占用的数据信道从可用的数据信道列表中剔除掉。但是这种机制通常会导致认知收发节点对预约数据信道的频谱感知和基于预约信道的认知数据传输之间出现比较长的时延，从而无法更好地适应主用户对数据信道占用的动态变化和更容易导致认知节点出现数据信道预约失败的情况。从图9、图12和图15中我们可以发现，本发明提出的基于预约-感知模式的接入控制机制在相同的仿真参数设置下能获得高于基于感知-预约模式和基于时间划分的接入控制机制的平均数据传输递交率。由于本发明所提出的基于预约-感知模式的接入控制机制能更好地适应主用户对数据信道的动态占用，因此它能更加有效地利用频谱空穴进行认知数据传输，从而获得优于基于感知-预约模式和基于时间划分的接入控制机制的数据传输丢包率和递交率。从图8、图11和图14中我们可以发现，本发明提出的基于预约-感知模式的接入控制机制在相同的仿真参数设置下，在网络负载较轻的情况下能获得低于基于感知-预约模式和基于时间划分模式的接入控制机制的平均数据传输时延。这一现象出现的原因是，由于基于预约-感知模式的接入控制机制在相同的仿真参数设置下，能获得高于基于感知-预约模式和基于时间划分的接入控制机制的平均网络吞吐量，从而具有更强的数据传输能力，因此前者通常能够获得更小的网络端到端的时延，从而导致预约-感知模式的网络时延低于感知预约模式和基于时间划分模式的网络时延。当前第1页12