动态跳频无线区域网络中的频谱合作方法.pdf

一种动态跳频无线区域网络中的频谱合作方法，包括步骤：所有WRAN中的CPE进行频谱侦测并反馈相关的空闲信道信息至各自的控制基站；由高优先级的WRAN决定处于频谱碰撞状态的WRAN系统的频谱资源分配。采用本发明中的频谱合作方法来解决基于动态跳频的各交迭WRAN之间的频谱碰撞问题，从而有效地保证了各WRAN系统在保证各自QoS的同时有效避免了相邻WRAN由于免费空闲信道的缺乏所带来的无线接入不可实现或延时较大等严重问题。从而有效地提高了同一运营商在有效整合频谱资源提高整个WRAN区域覆盖范围内的通信质量及可靠性。

1.  一种动态跳频无线区域网络中的频谱合作方法，包括步骤：
所有WRAN中的CPE进行频谱侦测并反馈相关的空闲信道信息至各自的控制基站；
由高优先级的WRAN决定处于频谱碰撞状态的WRAN系统的频谱资源分配。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于首先检测到空闲信道CHB的WRAN具有高优先级。

3.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于具有高优先级的WRAN首先在空闲信道CHB收发数据。

4.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述频谱资源分配包括采用非正交的子载波分配或者是正交子载分配。

5.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述频谱资源分配时保护间隔的宽度也随子载波的类型、WRAN之间的交迭区域面积以及发送功率等多种因素共同决定。

6.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述频谱资源分配包括：
当具有高优先级的WRAN收到另一个WRAN发送的共享信道CHB的请求信息和带宽请求信息时，根据带宽请求信息和自身系统对业务QoS的需求决定是否共享信道CHB。

7.  根据权利要求6所述的方法，其特征在于如果具有高优先级的WRAN允许另一个WRAN与其共享信道CHB，则具有优先级的WRAN基站调度及分配相应空闲频段至具有优先级的WRAN和另一个WRAN，并发送带宽分配控制信息至另一个WRAN基站。

8.  根据权利要求7所述的方法，其特征在于按下式分配具有优先级的WRAN的带宽：
BW(WRAN-A)=α(1-2nN)·BW_CHB.]]>

9.  根据权利要求7所述的方法，其特征在于按下式分配另一个WRAN的带宽：
BW(WRAN-B)=(1-α)(1-2nN)·BW_CHB.]]>

动态跳频无线区域网络中的频谱合作方法
技术领域
本发明涉及基于认知无线电的无线通信系统领域，特别涉及动态跳频无线区域网络中的频谱合作方法。
背景技术
在目前的IEEE802.22等通信协议中，并没有规定和说明如何利用频谱合作的方法有效解决大于或等于两个交迭的WRAN系统之间的频谱冲撞。
在运用认知无线电技术的WRAN系统中，如何充分利用有限的免费空频段进行区域接入通信是当前无线通信领域的研究热点之一。
通常，当WRAN系统中的各客户端设备(CPE：Consumer PremiseEquipment)进行带内(In-band)频谱侦测时，该接入网络需要牺牲很长的通信时间用于静默期(Quiet period)进行相应频段内的授权合法用户的使用情况探测。
上述协议中提供了一种基于动态跳频的WRAN系统跳频工作方式，该结构有效地利用在不同的空闲信道上进行周期跳频从而大大缩短了用于带内频谱侦测的静默周期。图1示例了WRAN1系统104和WRAN2系统105在CHA信道101和CHB信道102及CHC信道103之间进行灵活跳频的示意图。从图中可以看出，在CHA信道101的第一个周期内，WRAN1系统104工作于该可用频段，在第二个运行期，WRAN1系统104跳频至空闲CHB信道102上进行通信，在第三个运行期间内，WRAN系统104又跳至空闲信道CHB103。类似地，对于WRAN2系统105而言，其分别在三个运行期内顺序由CHC信道103跳到CHA信道101和CHB信道102。从而不仅保证WRAN1系统104和WRAN系统2105能正常不间断地工作于空闲信道，同时也使得各CPE能在各信道的静默期对该信道是否空闲进行侦测。
图2给出了WRAN201在初始频谱侦测202阶段以及两个运行期203和204内的操作示意图。首先，WRAN内的各CPE进行初始频谱侦测202，找到该系统所能正常工作的空闲频段CHA及生效时间205；然后，在第二个周期，WRAN跳至CHA发送数据并同时对信道CH([0，A-n]，[A+n，N])进行频谱侦测203，得出CHB的生效时间206；接下来，在第三个周期内，WRAN跳至CHB并同时对信道CH([0，B-n]，[B+n，N])进行频谱侦测204。N为整个待侦测信道数目，n为保护间隔宽度。
但如何解决基于动态跳频的多个WRAN系统之间的频谱碰撞问题是目前的研究热点之一。一种较为普遍的解决方案是首先侦测到空闲信道CHA的WRAN1控制中心向周围的其他WRAN发出信令声明其对该信道的预占有并同时监听来自周围其他WRAN的声明广播。如果无其他声明预占有CHA的广播信息或其他系统的声明信息晚于WRAN1，则WRAN1将于接下来的周期跳频至CHA。因此，在WRAN系统利用这种基于碰撞避免的方案解决频谱冲突时，假设出现如图3所示的场景：
在第一个周期内，WRAN1系统301频谱侦测到CHA生效时间303，WRAN2系统302频谱侦测到CHD生效时间并分别于第二个周期跳频至CHA和CHD；在第二个周期内，发生如下两种情况：
(1)WRAN1系统301和WRAN2系统302均只侦测到CHB为空闲信道，但具有不同的生效时间，分别为CHB生效时间305和CHB生效时间306；
(2)WRAN1系统301仅侦测到空闲信道CHB，同时WRAN2系统侦测到空闲信道CHB和CHC。但CHC的生效时间超过系统所能承受的最大时延限制。
很显然，基于竞争机制的碰撞避免解决方案无法完美地解决上述两种情况下频谱碰撞问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一个利用频谱合作的方式解决多个交迭的WRAN系统之间频谱冲突的方法，从而使得各处于免费频段的WRAN系统更加高效地运作。
为实现上述目的，一种动态跳频无线区域网络中的频谱合作方法，包括步骤：
所有WRAN中的CPE进行频谱侦测并反馈相关的空闲信道信息至各自的控制基站；
由高优先级的WRAN决定处于频谱碰撞状态的WRAN系统的频谱资源分配。
采用本发明中的频谱合作方法来解决基于动态跳频的各交迭WRAN之间的频谱碰撞问题，从而有效地保证了各WRAN系统在保证各自QoS的同时有效避免了相邻WRAN由于免费空闲信道的缺乏所带来的无线接入不可实现或延时较大等严重问题。从而有效地提高了同一运营商在有效整合频谱资源提高整个WRAN区域覆盖范围内的通信质量及可靠性。
附图说明
图1显示多WRAN系统的动态跳频示意图；
图2显示WRAN系统中动态跳频运行示意图；
图3显示两交迭WRAN系统的频谱冲撞示意图；
图4显示基于本发明的交迭WRAN系统结构；
图5显示采用频谱合作方法的子信道划分算法；
图6显示基于本发明的系统运行流程图；
图7显示基于本发明的两交迭WRAN基站之间的控制信令。
具体实施方式
图4中，存在两个交迭的无线区域网WRAN-A401和WRAN-B402。此时，WRAN-A401进行频谱侦测并得到CHB信道可作为其下一周期的跳频目标频段；另外，WRAN-B402也频谱侦测到CHB可作为其下一周期的跳频目标频段。此时频谱冲突发生于WRAN-A401和WRAN-B402之间。
因此，本发明的核心思想是通过交迭WRAN的控制中心之间的信令交互从而实现两个无线区域网共享空闲频段CHB。其中，WRAN-A401占有频段CHB-par1 403；WRAN-B402占有频段CHB-part2 404。
图5给出了在时间频率坐标曲线上对WRAN-A501和WRAN-B502进行频率资源的划分和共享。图中，信道CHB被划分为0，1，…，N-1共N个子信道，其中子信道[k+n，N-1]被分配给WRAN-A501，子信道[0，k-n]被分配给WRAN-B502。为了避免两个互相交迭的无线区域接入系统对相邻子信道的干扰，留出2n个子信道作为保护间隔503。因此，分配给WRAN-A系统501的有效带宽为：
BW(WRAN-A)=α(1-2nN)·BW_CHB]]>
分配与WRAN-B系统502的有效带宽为：
BW(WRAN-B)=(1-α)(1-2nN)·BW_CHB]]>
保护间隔503的带宽为：
BW(GB)=2nN·BW_CHB]]>
a.其中保护间隔参数n值根据相邻的WRAN系统之间的交迭区域面积S及WRAN中基站的发送功率P相关；带宽分配参数α值由优先级较高的WRAN系统基站根据其他优先级较低的WRAN基站发送的带宽请求信息确定。具体优先级的确定以及交互控制信令将在发明的详细说明部分中进行详细阐述。
图6给出了根据本发明的系统运行流程图，图7给出了基于本发明的各WRAN系统之间的控制信令。根据图6和图7，本发明的WRAN系统操作步骤如下：
1.WRAN-A和WRAN-B中的各CPE进行频谱侦测，并把相应的侦测结果发送至各自的基站，由其决定下一跳频周期所能找到的空闲频段；
2.WRAN-A基站701和WRAN-B的基站702分别向周围WRAN广播声明信息Announcement_use_CHB703；同时监听来自周围其他WRAN的广播信息；(此处，我们不失一般性地假设WRAN-A首先侦测到空闲信道CHB从而先于WRAN-B基站702广播声明信号。因此这里WRAN-A系统具有更高的优先级)；
3.如果WRAN-A基站701在等待期间内没有收到由周围WRAN发送的声明Announcement_use_CHB703信息，则在下一周期动态跳频到CHB进行数据收发；如果WRAN-A基站701在等待期间收到由WRAN-B基站702向周围WRAN广播的声明信号Announcement_use_CHB704以及Announcement_use_CHC，则WRAN-A仍然在下一周期动态跳频到CHB进行数据收发；如果WRAN-A基站701在等待期间仅收到由WRAN-B基站702向周围WRAN广播的声明信号Announce_use_CHB704且时间戳显示晚于WRAN-A，则由此确定WRAN-A系统的高优先级地位；
4.WRAN-B基站702发送共享CHB的请求信息Req_co-use_CHB705至WRAN-A基站701；并同时发送带宽请求信息Req_Bandwidth_WRAN-B706；
5.WRAN-A基站702在接收到WRAN-B基站702发送的请求信息Req_co-use_CHB705后，根据带宽请求信息Req_Bandwidth_WRAN-B706以及自身系统对业务QoS的需求，决定是否共享CHB；
6.WRAN-A基站701发送共享信道的响应信息Rep_co-use-CHB707从而确定是否参与CHB的带宽共享；
7.如果WRAN-A系统允许可WRAN-B与其共享信道B，WRAN-A基站701调度及分配相应空闲频段至WRAN-A和WRAN-B，并发送带宽分配控制信息Bandwidth allocation_CHB708至WRAN-B基站702。