專利名稱：機(jī)會(huì)式認(rèn)知多載波鏈路層協(xié)議的接入方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)線認(rèn)知通信領(lǐng)域，尤其涉及一種機(jī)會(huì)式認(rèn)知多載波鏈路層協(xié)議的接
入方法。
背景技術(shù)：
802. 11DCF(Distributed Coordinate Function)分布式協(xié)作方式是在多個(gè)用 戶共享單個(gè)信道的前提下設(shè)計(jì)的多用戶競(jìng)爭(zhēng)單信道的接入策略，接入方式簡(jiǎn)單可行，在
802. 11協(xié)議廣泛使用；當(dāng)系統(tǒng)中存在多個(gè)可用信道時(shí)，用戶可以采用正交頻分多址的接入
方式接入多個(gè)信道完成通信。相對(duì)于采用單信道的協(xié)議而言，采用多個(gè)信道可以達(dá)到更高 的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。 單收發(fā)機(jī)的多信道鏈路層接入?yún)f(xié)議一般都是考慮節(jié)點(diǎn)數(shù)目和可用的信道數(shù)目相 同，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在競(jìng)爭(zhēng)信道時(shí)只選擇其中的一條信道。同時(shí)收發(fā)雙方節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)公共的控 制信道交換控制信息。因此，雙方在建立鏈路過(guò)程中只需偵聽(tīng)公共的控制鏈路信息即可。
Kaveh Ghaboosi ， Matti Latva-aho， Yang xiao在《A Distributed Multi-channelCognitive MAC Protocol for IEEE 802. lis Wireless Mesh Networks》 是提出了具有公共信令交換信道的認(rèn)知鏈路層接入?yún)f(xié)議，協(xié)議中給出了有效的信道切換方 法。但本文每個(gè)節(jié)點(diǎn)只競(jìng)爭(zhēng)一個(gè)信道，且采用公共的信令交換信息，沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)多個(gè) 信道的情況。在非授權(quán)系統(tǒng)中，由于授權(quán)用戶的活動(dòng)性，沒(méi)有辦法保證存在一個(gè)固定的控制 信道不受授權(quán)用戶的干擾，如果分配固定信道，則增加系統(tǒng)成本，且協(xié)議沒(méi)有解決隱藏終端 節(jié)點(diǎn)的問(wèn)題。 Carlos Cordeiro and Kiran Challapali在《C_MAC :A Cognitive MAC Protocolfor Multi-Channel Wireless Networks》提出了 C-MAC協(xié)議，協(xié)議采用超幀的包 結(jié)構(gòu)，每個(gè)信道邏輯上劃分時(shí)隙，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸前的BP時(shí)隙來(lái)交換信息和協(xié)商信道使用， 可以很好地解決隱藏終端節(jié)點(diǎn)的問(wèn)題。該協(xié)議采用公共控制鏈路，在沒(méi)有公共的控制信道， 且在收發(fā)雙發(fā)可能感知到不同空閑可用載波的情況下，該協(xié)議并不適用。
J皿gmin So and Nitin Vaidya在《Multi-Cha皿el MAC for Ad Hoc Networks : Handling Multi-Channel Hidden Terminals Using A single Transceiver》中提出了 MMAC協(xié)議，通過(guò)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)使用多個(gè)信道的方法提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。協(xié)議中每個(gè)節(jié)點(diǎn)配備半雙 工的收發(fā)機(jī)，通過(guò)設(shè)置偏好信道列表機(jī)制選擇接入信道，且通過(guò)ATIM窗口完成收發(fā)雙方的 信道接入過(guò)程，大大提高了系統(tǒng)的信道利用率。該協(xié)議將信道的接入偏好分為High,Middle 和Low,當(dāng)節(jié)點(diǎn)選擇當(dāng)前信道后，該信道對(duì)于該節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)為High，如果節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)該信道失 敗，則信道在該節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)為L(zhǎng)ow，沒(méi)有接入的信道則為Middle。經(jīng)過(guò)多次選擇更新后，每 個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一些固定的偏好信道優(yōu)先接入。該協(xié)議在設(shè)計(jì)信道選擇接入的過(guò)程中，成功接 入信道的概率波動(dòng)比較大，且需要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間用戶的偏好信道表才趨于穩(wěn)定，不適用于 授權(quán)用戶隨時(shí)到達(dá)的非授權(quán)用戶接入。 因此，在沒(méi)有公共控制信道的非授權(quán)系統(tǒng)中，各非授權(quán)用戶配備一個(gè)半雙工的收發(fā)機(jī)，收發(fā)雙方在可能感知到不同的空閑載波的情況下，交換控制信息建立鏈路。系統(tǒng)中， 通信時(shí)收發(fā)雙方都是在單跳的情況進(jìn)行的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述各方案中具體實(shí)現(xiàn)性，對(duì)公共控制信道的依賴性， 避免隱藏終端問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)非授權(quán)系統(tǒng)建立鏈路的簡(jiǎn)單性，提高鏈路的接入成功概率；針對(duì)配 備單收發(fā)機(jī)的節(jié)點(diǎn)在沒(méi)有公共控制信道時(shí)占用多個(gè)子載波的情況，提供一種機(jī)會(huì)式認(rèn)知多 載波鏈路層協(xié)議的接入方法。 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案是 機(jī)會(huì)式認(rèn)知多載波鏈路層協(xié)議的接入方法包括如下步驟 1)每個(gè)非授權(quán)用戶都配備一個(gè)半雙工的收發(fā)機(jī)，動(dòng)態(tài)地切換載波，實(shí)現(xiàn)偵聽(tīng)載波 或發(fā)送信息；各非授權(quán)用戶在加入非授權(quán)系統(tǒng)中，感知頻段內(nèi)所有載波的空閑狀態(tài)，并得到 非授權(quán)用戶使用載波的持續(xù)時(shí)間； 2)當(dāng)偵聽(tīng)到有數(shù)據(jù)需要接收時(shí)，該非授權(quán)用戶就接收數(shù)據(jù)；如果該非授權(quán)用戶需 要發(fā)送數(shù)據(jù)，將根據(jù)非授權(quán)系統(tǒng)每個(gè)用戶的業(yè)務(wù)需求確定用戶接入的載波數(shù)目n，非授權(quán)用 戶根據(jù)接入概率表選擇概率最大的n個(gè)載波接入，每次接入完成后，根據(jù)接入概率表更新 算法更新接入概率表； 3)在n個(gè)載波上發(fā)送頻譜協(xié)調(diào)請(qǐng)求包，包中攜帶了選擇接入的載波數(shù)目、可用載 波集及幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)某掷m(xù)時(shí)間，接收端在自己可用的子載波上接收到發(fā)送端的頻譜協(xié)調(diào)請(qǐng) 求包，結(jié)合自己的可用載波狀況，確定雙方共同通信的載波，并將最終確定的載波數(shù)、載波 集及持續(xù)時(shí)間以頻譜協(xié)調(diào)響應(yīng)包的形式反饋給發(fā)送方；如果在交換協(xié)調(diào)信息的過(guò)程中出 現(xiàn)多個(gè)用戶搶占同一個(gè)載波，此時(shí)用戶之間的頻譜協(xié)調(diào)請(qǐng)求包或者頻譜協(xié)調(diào)響應(yīng)包發(fā)生碰 撞，一旦發(fā)生碰撞，視為此次接入失?。皇瞻l(fā)雙方確定通信鏈路后開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù) 傳輸采用正交頻分多址的接入方式。 所述的步驟1)為每個(gè)非授權(quán)用戶包頭的識(shí)別信息由兩部分組成，一個(gè)是非授權(quán) 系統(tǒng)識(shí)別，一個(gè)是非授權(quán)用戶標(biāo)識(shí)，非授權(quán)系統(tǒng)識(shí)別部分?jǐn)y帶了系統(tǒng)的屬性信息，用于標(biāo)示 該包為授權(quán)系統(tǒng)傳輸包或者非授權(quán)系統(tǒng)傳輸包；一個(gè)新的非授權(quán)用戶在進(jìn)入非授權(quán)系統(tǒng) 后，在確保與其他非授權(quán)用戶同步的情況下，用戶開(kāi)始感知當(dāng)前非授權(quán)系統(tǒng)所在頻段內(nèi)載 波占用情況；如果載波空閑，則標(biāo)示為O，如果載波忙，則標(biāo)示為1 ;節(jié)點(diǎn)通過(guò)偵聽(tīng)每個(gè)忙載 波的包頭信息，確定該載波是否為授權(quán)用戶占用，如果不是，則偵聽(tīng)該包發(fā)送的持續(xù)時(shí)間及 發(fā)送的目的地址，并與自己的地址匹配核對(duì)是否需要接收。 所述的步驟2)為通過(guò)感知獲得當(dāng)前可用的子載波數(shù)目和當(dāng)前處于活動(dòng)狀態(tài)的 非授權(quán)用戶數(shù)，非授權(quán)用戶i根據(jù)自身的業(yè)務(wù)需求確定自己需要接入的載波數(shù)目& ;每個(gè) 非授權(quán)用戶都具有一張接入概率表，表示該用戶對(duì)所有可用子載波的接入概率；表中接入 概率的初始值為用戶隨機(jī)選擇載波的概率值；用戶通過(guò)接入概率表更新算法不斷更新自己 的接入概率表；接入概率表更新方法為 a)根據(jù)用戶的業(yè)務(wù)需求確定節(jié)點(diǎn)的接入載波數(shù)目& ; b)初始化非授權(quán)節(jié)點(diǎn)的接入概率，接入方式為隨機(jī)接入；對(duì)某一用戶i來(lái)講，接入 概率為n乂N，其中，&為用戶i的接入載波數(shù)目；Pi = [n乂N n乂N . . . n乂N];
c)用戶i從接入概率表中選擇接入概率最大的rii個(gè)可用載波進(jìn)行接入，當(dāng)選擇接 入的載波概率相同時(shí)，隨機(jī)選擇相應(yīng)個(gè)數(shù)的載波進(jìn)行接入； d)當(dāng)只有一個(gè)用戶i接入載波j時(shí)，則用戶i成功接入了載波j，對(duì)應(yīng)接入概率表 中的Pi, j加上更新步長(zhǎng)st?。?e)當(dāng)多個(gè)用戶i， i+n， . . . ， i+m同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)載波j時(shí)，多個(gè)用戶的控制包會(huì)發(fā)生沖
突，產(chǎn)生碰撞，各個(gè)節(jié)點(diǎn)在各自的接入概率表中將對(duì)應(yīng)的Pi,j， Pi+n,j， ... ， Pi+m,j減去更新步
長(zhǎng)step ; f)完成接入后，各非授權(quán)用戶都得到一張更新過(guò)的接入概率表，即p = pi = [pi,。
... Pi,w-J，下一次的接入重新返回步驟a);
所述的步驟3)為收發(fā)雙方在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)沒(méi)有公共的控制信道用于交換 控制信令，發(fā)送端根據(jù)接入概率表選擇載波向接收端頻譜協(xié)調(diào)請(qǐng)求包，包中攜帶發(fā)送端選 擇傳輸?shù)妮d波數(shù)、發(fā)送端空閑載波集及幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)某掷m(xù)時(shí)間，接收端在自身節(jié)點(diǎn)的空閑 載波上偵聽(tīng)頻譜協(xié)調(diào)請(qǐng)求包后，將控制包接收下來(lái)，并由接收端選擇雙方都空閑的載波，并 在最終選擇的載波上傳輸頻譜協(xié)調(diào)響應(yīng)包回饋確認(rèn)載波選擇信息及持續(xù)時(shí)間，通知發(fā)送端 彼此共用的載波鏈路，同時(shí)告訴鄰居節(jié)點(diǎn)更新虛擬載波偵聽(tīng)標(biāo)識(shí)；
接收端確定接入載波的步驟如下 g)接收端首先將接收到發(fā)送端信息的載波列入接入載波集C/，如果收到信息載 波的數(shù)目nt—r等于發(fā)送端選擇接入的載波數(shù)目nt，則C- =C:，發(fā)送端在rvr個(gè)對(duì)應(yīng)的載波上 發(fā)送反饋信息頻譜協(xié)調(diào)響應(yīng)包； h)如果接收端收到信息載波的數(shù)目nti小于nt時(shí)，即發(fā)送端選擇接入的載波在接 收端并不完全可用，則接收端將對(duì)比發(fā)送端的空閑載波集CCK，從集合(C ^ C-,C <2 "}中
選擇nt-nt—r個(gè)概率最大且發(fā)送端空閑的載波進(jìn)行接入； i)如果雙方公共空閑的載波數(shù)目低于nt，則選擇所有公共空閑的載波，數(shù)目為nr， 并在這些選擇的載波上發(fā)送頻譜協(xié)調(diào)響應(yīng)包信息； 其中，發(fā)送端接入載波集為《=^,c,",...,。+,}, j ^ k ^ 0，接收端在載波 集C;—ff Q《中收到發(fā)送端發(fā)送的信息，接收端的接入載波集為= {Ci,C,+/，...，c,+4.}, j' ^k' ^0，發(fā)送端的空閑載波集為C^^h,。,…,cJ,NX)，接收端的空閑載波集為 <^={Cl,C,.,,...,Cjv.},N' X)，發(fā)送端、接收端最終選擇接入的載波數(shù)目分別為nt、nr，rvr為接 收端可以收到發(fā)送端信息的載波數(shù)目。 本發(fā)明具有的有益效果是在非授權(quán)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，當(dāng)非授權(quán)節(jié)點(diǎn)數(shù)目少于可用 的子載波數(shù)目時(shí)，每個(gè)非授權(quán)用戶節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)正交頻分多址接入的方式同時(shí)接入多個(gè)子 載波；由于授權(quán)用戶活動(dòng)性的不確定性，非授權(quán)系統(tǒng)沒(méi)有固定的控制信道用于交換控制信 息，因此協(xié)議采用非固定控制信道的模式，提高了系統(tǒng)頻譜資源的利用率；在鏈路建立過(guò)程 中，針對(duì)接入鏈路的選擇制定了合理的多用戶接入機(jī)制，減少非授權(quán)用戶在競(jìng)爭(zhēng)可用子載 波中引起的沖突，縮短數(shù)據(jù)鏈路建立的時(shí)間，提高整個(gè)系統(tǒng)信道的有效接入概率；同時(shí)各非 授權(quán)用戶節(jié)點(diǎn)采用單收發(fā)機(jī)的結(jié)構(gòu)，兼容性強(qiáng)。


圖1是非授權(quán)用戶的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖； 圖2是機(jī)會(huì)式認(rèn)知多載波鏈路層接入?yún)f(xié)議(0卯ortunity SensingMulti-channel Media Access Control, OS-薩C)協(xié)議流程圖； 圖3是頻譜協(xié)調(diào)請(qǐng)求包(Spectrum Coordination Request, SC_Req)、頻譜協(xié)調(diào)響 應(yīng)包(Spectrum Coordination Response, SC_Req)控制包結(jié)構(gòu)；
圖4是OS-MMAC、 MAC的成功接入概率與接入次數(shù)關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式
機(jī)會(huì)式認(rèn)知多載波鏈路層協(xié)議的接入方法包括如下步驟 1)每個(gè)非授權(quán)用戶都配備一個(gè)半雙工的收發(fā)機(jī)，動(dòng)態(tài)地切換載波，實(shí)現(xiàn)偵聽(tīng)載波 或發(fā)送信息；各非授權(quán)用戶在加入非授權(quán)系統(tǒng)中，感知頻段內(nèi)所有載波的空閑狀態(tài)，并得到 非授權(quán)用戶使用載波的持續(xù)時(shí)間； 2)當(dāng)偵聽(tīng)到有數(shù)據(jù)需要接收時(shí)，該非授權(quán)用戶就接收數(shù)據(jù)；如果該非授權(quán)用戶需 要發(fā)送數(shù)據(jù)，將根據(jù)非授權(quán)系統(tǒng)每個(gè)用戶的業(yè)務(wù)需求確定用戶接入的載波數(shù)目n，非授權(quán)用 戶根據(jù)接入概率表選擇概率最大的n個(gè)載波接入，每次接入完成后，根據(jù)接入概率表更新 算法更新接入概率表； 3)在n個(gè)載波上發(fā)送頻譜協(xié)調(diào)請(qǐng)求包，包中攜帶了選擇接入的載波數(shù)目、可用載 波集及幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)某掷m(xù)時(shí)間，接收端在自己可用的子載波上接收到發(fā)送端的頻譜協(xié)調(diào)請(qǐng) 求包，結(jié)合自己的可用載波狀況，確定雙方共同通信的載波，并將最終確定的載波數(shù)、載波 集及持續(xù)時(shí)間以頻譜協(xié)調(diào)響應(yīng)包的形式反饋給發(fā)送方；如果在交換協(xié)調(diào)信息的過(guò)程中出 現(xiàn)多個(gè)用戶搶占同一個(gè)載波，此時(shí)用戶之間的頻譜協(xié)調(diào)請(qǐng)求包或者頻譜協(xié)調(diào)響應(yīng)包發(fā)生碰 撞，一旦發(fā)生碰撞，視為此次接入失敗；收發(fā)雙方確定通信鏈路后開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù) 傳輸采用正交頻分多址的接入方式。 所述的步驟1)為每個(gè)非授權(quán)用戶包頭的識(shí)別信息由兩部分組成，一個(gè)是非授權(quán) 系統(tǒng)識(shí)別，一個(gè)是非授權(quán)用戶標(biāo)識(shí)，非授權(quán)系統(tǒng)識(shí)別部分?jǐn)y帶了系統(tǒng)的屬性信息，用于標(biāo)示 該包為授權(quán)系統(tǒng)傳輸包或者非授權(quán)系統(tǒng)傳輸包；一個(gè)新的非授權(quán)用戶在進(jìn)入非授權(quán)系統(tǒng) 后，在確保與其他非授權(quán)用戶同步的情況下，用戶開(kāi)始感知當(dāng)前非授權(quán)系統(tǒng)所在頻段內(nèi)載 波占用情況；如果載波空閑，則標(biāo)示為O，如果載波忙，則標(biāo)示為1 ;節(jié)點(diǎn)通過(guò)偵聽(tīng)每個(gè)忙載 波的包頭信息，確定該載波是否為授權(quán)用戶占用，如果不是，則偵聽(tīng)該包發(fā)送的持續(xù)時(shí)間及 發(fā)送的目的地址，并與自己的地址匹配核對(duì)是否需要接收。 所述的步驟2)為通過(guò)感知獲得當(dāng)前可用的子載波數(shù)目和當(dāng)前處于活動(dòng)狀態(tài)的 非授權(quán)用戶數(shù)，非授權(quán)用戶i根據(jù)自身的業(yè)務(wù)需求確定自己需要接入的載波數(shù)目& ;每個(gè) 非授權(quán)用戶都具有一張接入概率表，表示該用戶對(duì)所有可用子載波的接入概率；表中接入 概率的初始值為用戶隨機(jī)選擇載波的概率值；用戶通過(guò)接入概率表更新算法不斷更新自己 的接入概率表；接入概率表更新方法為 a)根據(jù)用戶的業(yè)務(wù)需求確定節(jié)點(diǎn)的接入載波數(shù)目ni ; b)初始化非授權(quán)節(jié)點(diǎn)的接入概率，接入方式為隨機(jī)接入；對(duì)某一用戶i來(lái)講，接入 概率為n乂N，其中，&為用戶i的接入載波數(shù)目；Pi = [n乂N n乂N . . . n乂N];
c)用戶i從接入概率表中選擇接入概率最大的rii個(gè)可用載波進(jìn)行接入，當(dāng)選擇接 入的載波概率相同時(shí)，隨機(jī)選擇相應(yīng)個(gè)數(shù)的載波進(jìn)行接入； d)當(dāng)只有一個(gè)用戶i接入載波j時(shí)，則用戶i成功接入了載波j，對(duì)應(yīng)接入概率表 中的Pi, j加上更新步長(zhǎng)st??； e)當(dāng)多個(gè)用戶i， i+n， . . . ， i+m同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)載波j時(shí)，多個(gè)用戶的控制包會(huì)發(fā)生沖
突，產(chǎn)生碰撞，各個(gè)節(jié)點(diǎn)在各自的接入概率表中將對(duì)應(yīng)的Pi,j， Pi+n,j， ... ， Pi+m,j減去更新步
長(zhǎng)step ; f)完成接入后，各非授權(quán)用戶都得到一張更新過(guò)的接入概率表，即p = pi = [pi,。
... Pi,w-J，下一次的接入重新返回步驟a);
所述的步驟3)為收發(fā)雙方在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)沒(méi)有公共的控制信道用于交換 控制信令，發(fā)送端根據(jù)接入概率表選擇載波向接收端頻譜協(xié)調(diào)請(qǐng)求包，包中攜帶發(fā)送端選 擇傳輸?shù)妮d波數(shù)、發(fā)送端空閑載波集及幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)某掷m(xù)時(shí)間，接收端在自身節(jié)點(diǎn)的空閑 載波上偵聽(tīng)頻譜協(xié)調(diào)請(qǐng)求包后，將控制包接收下來(lái)，并由接收端選擇雙方都空閑的載波，并 在最終選擇的載波上傳輸頻譜協(xié)調(diào)響應(yīng)包回饋確認(rèn)載波選擇信息及持續(xù)時(shí)間，通知發(fā)送端 彼此共用的載波鏈路，同時(shí)告訴鄰居節(jié)點(diǎn)更新虛擬載波偵聽(tīng)標(biāo)識(shí)；
接收端確定接入載波的步驟如下 g)接收端首先將接收到發(fā)送端信息的載波列入接入載波集C/，如果收到信息載 波的數(shù)目nt—r等于發(fā)送端選擇接入的載波數(shù)目rit，則C- ,發(fā)送端在rvr個(gè)對(duì)應(yīng)的載波上 發(fā)送反饋信息頻譜協(xié)調(diào)響應(yīng)包； h)如果接收端收到信息載波的數(shù)目nti小于nt時(shí)，即發(fā)送端選擇接入的載波在接 收端并不完全可用，則接收端將對(duì)比發(fā)送端的空閑載波集CCK，從集合(C ^ C-，C "中 選擇nt-nt—r個(gè)概率最大且發(fā)送端空閑的載波進(jìn)行接入； i)如果雙方公共空閑的載波數(shù)目低于nt，則選擇所有公共空閑的載波，數(shù)目為nr， 并在這些選擇的載波上發(fā)送頻譜協(xié)調(diào)響應(yīng)包信息； 其中，發(fā)送端接入載波集為《={c,.,Cw,...,Ci+t}， j # k # 0，接收端在載波
集《—"￡《中收到發(fā)送端發(fā)送的信息，接收端的接入載波集為^=^^+/，..一+",
j' ^k' ^0，發(fā)送端的空閑載波集為C;:(c,，c,，…，c^，N^O，接收端的空閑載波集為
CCK = ",c,.,...，".},N' X)，發(fā)送端、接收端最終選擇接入的載波數(shù)目分別為nt、nr，rvr為接
收端可以收到發(fā)送端信息的載波數(shù)目。
實(shí)施例 如圖1所示，每個(gè)非授權(quán)節(jié)點(diǎn)都存在三種狀態(tài)，感知，接入和傳輸，且三種狀態(tài)都 具有固定的時(shí)間開(kāi)銷，分別為T(mén)s，Ta，Tt。節(jié)點(diǎn)首先感知可用的信道信息，感知到可用信道后 進(jìn)入接入狀態(tài)，并在成功競(jìng)爭(zhēng)信道后開(kāi)始傳輸發(fā)送數(shù)據(jù)，否則等待下一個(gè)感知時(shí)隙。
如圖2所示，在鏈路協(xié)商的過(guò)程中，A和B為一對(duì)收發(fā)節(jié)點(diǎn)，C為B的相鄰節(jié)點(diǎn)。在 感知時(shí)間L內(nèi)，節(jié)點(diǎn)A和B感知到多個(gè)可用的空閑子載波；當(dāng)節(jié)點(diǎn)A需要向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù) 時(shí)，節(jié)點(diǎn)A按照業(yè)務(wù)需求比例得到競(jìng)爭(zhēng)接入的子載波數(shù)目為nt。隨后，節(jié)點(diǎn)A根據(jù)接入概率 表(Access Probability List, APL)表選擇最大的nt個(gè)信道進(jìn)行接入，發(fā)送控制信息SC_ Req包給節(jié)點(diǎn)B，包中的每個(gè)接入子載波上都攜帶了 A選擇接入的子載波個(gè)數(shù)以及A感知到
8的可用載波。節(jié)點(diǎn)B在部分載波上接收到節(jié)點(diǎn)A發(fā)送來(lái)的SC_Req包后，結(jié)合自身的APL表， 在雙方都可用的rir個(gè)載波上反饋SC_Rsp。當(dāng)節(jié)點(diǎn)A在收到節(jié)點(diǎn)B發(fā)來(lái)的反饋信息后，確認(rèn) 雙方共同可以接入的子載波。C節(jié)點(diǎn)由于沒(méi)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，因此偵聽(tīng)到B節(jié)點(diǎn)的SC_Rsp 控制包，并記錄B數(shù)據(jù)包的發(fā)送時(shí)長(zhǎng)。通過(guò)兩次的控制信息交互，不但可以有效避免隱藏終 端的問(wèn)題，更重要的是實(shí)現(xiàn)了時(shí)頻二維的資源利用。 如果A和B沒(méi)有公共的可用子載波，那么A在當(dāng)前的發(fā)送時(shí)隙里面不能向B發(fā)送 數(shù)據(jù)，而是必須要等到下一個(gè)傳輸周期重新感知，再和B協(xié)商建立傳輸鏈路。
圖3中分別給出了發(fā)送頻譜協(xié)調(diào)請(qǐng)求包SC_Req，頻譜協(xié)調(diào)響應(yīng)包SC_Rsp的結(jié)構(gòu)。 其中，SC_Req中的接入載波數(shù)為經(jīng)過(guò)比例分配后發(fā)送端選擇接入的載波數(shù)目，可用載波集 為發(fā)送端感知到的可用載波集合。SC_Rsp中的接入載波數(shù)為在收到SC—Req后接收端確定 的接入載波數(shù)目，可用載波集為發(fā)送端感知到的可用載波集合。 根據(jù)仿真結(jié)果得到APL概率表的更新步長(zhǎng)為0. 05時(shí)，系統(tǒng)成功接入的概率最大。 仿真中非授權(quán)用戶的收發(fā)節(jié)點(diǎn)為IO對(duì)，非授權(quán)系統(tǒng)中感知到的空閑可用載波數(shù)目為100， APL概率表的更新步長(zhǎng)為0. 05 ;各用戶的載波分配比例可以任意設(shè)置，初始接入時(shí)各用戶 隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)載波，在當(dāng)前感知信道結(jié)果的情況下，有300個(gè)傳輸時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙用戶都重新競(jìng) 爭(zhēng)載波。 接入概率表更新算法步驟 1)隨機(jī)生成10個(gè)用戶的載波分配比例，根據(jù)用戶的載波分配比例分配100個(gè)空閑 子載波，節(jié)點(diǎn)i的接入載波數(shù)目& ;非授權(quán)節(jié)點(diǎn)的初始接入概率為隨機(jī)接入概率Pi = [n乂 N n乂N…n乂N] |N = 1。。，ni為用戶i的接入載波數(shù)目，n乂N為用戶i隨機(jī)接入一個(gè)載波的概 率； 2)用戶i從APL表中選擇接入概率最大的&個(gè)可用載波進(jìn)行接入。當(dāng)選擇接入 的載波概率相同時(shí)，隨機(jī)選擇相應(yīng)個(gè)數(shù)的載波進(jìn)行接入； 3)當(dāng)只有一個(gè)用戶i接入載波j時(shí)，則用戶i成功接入了載波j，對(duì)應(yīng)APL中的Pi, j加上步長(zhǎng)0. 05 ; 4)當(dāng)多個(gè)用戶i， i+n， . . . ， i+m同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)載波j時(shí)，多個(gè)用戶的控制包會(huì)發(fā)生沖 突，產(chǎn)生碰撞，各個(gè)節(jié)點(diǎn)將APL中對(duì)應(yīng)載波概率值減去0. 05 ; 5)完成一次接入后，各非授權(quán)用戶都得到一張更新過(guò)的APL表，P' = Pi = [Pi,。
... Pi,N-J。下一次的接入重新回到步驟l)。
非授權(quán)用戶的接入概率表表示在授權(quán)用戶不占用子載波的情況下，非授權(quán)用戶接 入某一載波的偏好概率，如果載波j當(dāng)前被用戶i占用，那么下一次接入被用戶i繼續(xù)使用 的優(yōu)先級(jí)就高，用戶接入載波j的概率就高；而如果載波j被用戶i的鄰居用戶長(zhǎng)期使用或 者被i的多個(gè)鄰居用戶競(jìng)爭(zhēng)，為了避免碰撞用戶i接入j的概率要低，最后各用戶接入載波 的概率趨于穩(wěn)定。 通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真表明，對(duì)比Jungmin So and Nitin Vaidya在《Multi-ChannelMAC for Ad Hoc Networks :Handling Multi—Channel Hidden Terminals Using Asingle Transceiver》中提出了 MAC協(xié)議，本發(fā)明的多載波選擇接入具有較快地收斂速度和很高 的成功接入概率，可以顯著提高系統(tǒng)的吞吐量。MMAC協(xié)議將可用載波分為高，中，低三種狀 態(tài)，載波選用的狀態(tài)跳躍性比較強(qiáng)，很難合理地描述多用戶競(jìng)爭(zhēng)載波引發(fā)的沖突。而OS-MAC協(xié)議則通過(guò)遞進(jìn)式地描述非授權(quán)用戶接入載波的概率，接入成功的概率很快地趨于平穩(wěn)， 這非常適合于在授權(quán)用戶隨時(shí)到達(dá)的非授權(quán)系統(tǒng)中使用；同時(shí)，該協(xié)議在成功接入載波的 概率也比MAC協(xié)議大很多，較大程度地提高了系統(tǒng)的成功接入概率和吞吐量，顯示出極大 的優(yōu)勢(shì)。
權(quán)利要求
一種機(jī)會(huì)式認(rèn)知多載波鏈路層協(xié)議的接入方法，其特征在于包括如下步驟1)每個(gè)非授權(quán)用戶都配備一個(gè)半雙工的收發(fā)機(jī)，動(dòng)態(tài)地切換載波，實(shí)現(xiàn)偵聽(tīng)載波或發(fā)送信息；各非授權(quán)用戶在加入非授權(quán)系統(tǒng)中，感知頻段內(nèi)所有載波的空閑狀態(tài)，并得到非授權(quán)用戶使用載波的持續(xù)時(shí)間；2)當(dāng)偵聽(tīng)到有數(shù)據(jù)需要接收時(shí)，該非授權(quán)用戶就接收數(shù)據(jù)；如果該非授權(quán)用戶需要發(fā)送數(shù)據(jù)，將根據(jù)非授權(quán)系統(tǒng)每個(gè)用戶的業(yè)務(wù)需求確定用戶接入的載波數(shù)目n，非授權(quán)用戶根據(jù)接入概率表選擇概率最大的n個(gè)載波接入，每次接入完成后，根據(jù)接入概率表更新算法更新接入概率表；3)在n個(gè)載波上發(fā)送頻譜協(xié)調(diào)請(qǐng)求包，包中攜帶了選擇接入的載波數(shù)目、可用載波集及幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)某掷m(xù)時(shí)間，接收端在自己可用的子載波上接收到發(fā)送端的頻譜協(xié)調(diào)請(qǐng)求包，結(jié)合自己的可用載波狀況，確定雙方共同通信的載波，并將最終確定的載波數(shù)、載波集及持續(xù)時(shí)間以頻譜協(xié)調(diào)響應(yīng)包的形式反饋給發(fā)送方；如果在交換協(xié)調(diào)信息的過(guò)程中出現(xiàn)多個(gè)用戶搶占同一個(gè)載波，此時(shí)用戶之間的頻譜協(xié)調(diào)請(qǐng)求包或者頻譜協(xié)調(diào)響應(yīng)包發(fā)生碰撞，一旦發(fā)生碰撞，視為此次接入失??；收發(fā)雙方確定通信鏈路后開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)傳輸采用正交頻分多址的接入方式。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機(jī)會(huì)式認(rèn)知多載波鏈路層協(xié)議的接入方法，其特征在于所述的步驟1)為每個(gè)非授權(quán)用戶包頭的識(shí)別信息由兩部分組成，一個(gè)是非授權(quán)系統(tǒng)識(shí)別，一個(gè)是非授權(quán)用戶標(biāo)識(shí)，非授權(quán)系統(tǒng)識(shí)別部分?jǐn)y帶了系統(tǒng)的屬性信息，用于標(biāo)示該包為授權(quán)系統(tǒng)傳輸包或者非授權(quán)系統(tǒng)傳輸包；一個(gè)新的非授權(quán)用戶在進(jìn)入非授權(quán)系統(tǒng)后，在確保與其他非授權(quán)用戶同步的情況下，用戶開(kāi)始感知當(dāng)前非授權(quán)系統(tǒng)所在頻段內(nèi)載波占用情況；如果載波空閑，則標(biāo)示為O，如果載波忙，則標(biāo)示為1 ;節(jié)點(diǎn)通過(guò)偵聽(tīng)每個(gè)忙載波的包頭信息，確定該載波是否為授權(quán)用戶占用，如果不是，則偵聽(tīng)該包發(fā)送的持續(xù)時(shí)間及發(fā)送的目的地址，并與自己的地址匹配核對(duì)是否需要接收。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機(jī)會(huì)式認(rèn)知多載波鏈路層協(xié)議的接入方法，其特征在于所述的步驟2)為通過(guò)感知獲得當(dāng)前可用的子載波數(shù)目和當(dāng)前處于活動(dòng)狀態(tài)的非授權(quán)用戶數(shù)，非授權(quán)用戶i根據(jù)自身的業(yè)務(wù)需求確定自己需要接入的載波數(shù)目& ;每個(gè)非授權(quán)用戶都具有一張接入概率表，表示該用戶對(duì)所有可用子載波的接入概率；表中接入概率的初始值為用戶隨機(jī)選擇載波的概率值；用戶通過(guò)接入概率表更新算法不斷更新自己的接入概率表；接入概率表更新方法為a) 根據(jù)用戶的業(yè)務(wù)需求確定節(jié)點(diǎn)的接入載波數(shù)目& ;b) 初始化非授權(quán)節(jié)點(diǎn)的接入概率，接入方式為隨機(jī)接入；對(duì)某一用戶i來(lái)講，接入概率為n乂N，其中，&為用戶i的接入載波數(shù)目;Pi = [n乂N n乂N n乂N];c) 用戶i從接入概率表中選擇接入概率最大的&個(gè)可用載波進(jìn)行接入，當(dāng)選擇接入的載波概率相同時(shí)，隨機(jī)選擇相應(yīng)個(gè)數(shù)的載波進(jìn)行接入；d) 當(dāng)只有一個(gè)用戶i接入載波j時(shí)，則用戶i成功接入了載波j，對(duì)應(yīng)接入概率表中的Pi,j加上更新步長(zhǎng)st印；e) 當(dāng)多個(gè)用戶i， i+n，. . . ， i+m同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)載波j時(shí)，多個(gè)用戶的控制包會(huì)發(fā)生沖突，產(chǎn)生碰撞，各個(gè)節(jié)點(diǎn)在各自的接入概率表中將對(duì)應(yīng)的Pi, j， Pi+n, j， . . . ， Pi+m, j減去更新步長(zhǎng)st?。籪) 完成接入后，各非授權(quán)用戶都得到一張更新過(guò)的接入概率表，即P = Pi = [Pi,。 Pu...Pu-J，下一次的接入重新返回步驟a);
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機(jī)會(huì)式認(rèn)知多載波鏈路層協(xié)議的接入方法，其特征在于所述的步驟3)為收發(fā)雙方在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)沒(méi)有公共的控制信道用于交換控制信令，發(fā)送端根據(jù)接入概率表選擇載波向接收端頻譜協(xié)調(diào)請(qǐng)求包，包中攜帶發(fā)送端選擇傳輸?shù)妮d波數(shù)、發(fā)送端空閑載波集及幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)某掷m(xù)時(shí)間，接收端在自身節(jié)點(diǎn)的空閑載波上偵聽(tīng)頻譜協(xié)調(diào)請(qǐng)求包后，將控制包接收下來(lái)，并由接收端選擇雙方都空閑的載波，并在最終選擇的載波上傳輸頻譜協(xié)調(diào)響應(yīng)包回饋確認(rèn)載波選擇信息及持續(xù)時(shí)間，通知發(fā)送端彼此共用的載波鏈路，同時(shí)告訴鄰居節(jié)點(diǎn)更新虛擬載波偵聽(tīng)標(biāo)識(shí)；接收端確定接入載波的步驟如下g) 接收端首先將接收到發(fā)送端信息的載波列入接入載波集C/，如果收到信息載波的數(shù)目nt—r等于發(fā)送端選擇接入的載波數(shù)目nt，則Cf = ,發(fā)送端在nt—r個(gè)對(duì)應(yīng)的載波上發(fā)送反饋信息頻譜協(xié)調(diào)響應(yīng)包；h) 如果接收端收到信息載波的數(shù)目nt—r小于nt時(shí)，即發(fā)送端選擇接入的載波在接收端并不完全可用，則接收端將對(duì)比發(fā)送端的空閑載波集CCK，從集合(C e Cf,C q: "中選擇nt-nti個(gè)概率最大且發(fā)送端空閑的載波進(jìn)行接入；i) 如果雙方公共空閑的載波數(shù)目低于nt，則選擇所有公共空閑的載波，數(shù)目為rir，并在這些選擇的載波上發(fā)送頻譜協(xié)調(diào)響應(yīng)包信息；其中，發(fā)送端接入載波集為C^ ，...,c,+i}, j # k # 0，接收端在載波集(^- 中收到發(fā)送端發(fā)送的信息，接收端的接入載波集為C::^^c,+戶…,。+d， j' ^k' #0，發(fā)送端的空閑載波集為= {Cl,。，..., },A^0 , N > 0，接收端的空閑載波集為Cc" ={Cl，c,.，. ， .},N' X)，發(fā)送端、接收端最終選擇接入的載波數(shù)目分別為nt、nr，rvr為接收端可以收到發(fā)送端信息的載波數(shù)目。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種機(jī)會(huì)式認(rèn)知多載波鏈路層協(xié)議的接入方法。每個(gè)非授權(quán)用戶感知載波的使用狀態(tài)；根據(jù)各用戶業(yè)務(wù)需求生成一張初始接入概率表。收發(fā)雙方根據(jù)接入概率表選擇接入的信道建立鏈路；并根據(jù)前期接入引發(fā)的沖突概率更新接入概率表表；此外，在鏈路協(xié)商的過(guò)程中，提出了一種時(shí)頻二維的信令交換方式，解決了收發(fā)雙方信息不對(duì)稱的問(wèn)題，且有效避免了隱藏終端的問(wèn)題。本發(fā)明在充分利用時(shí)頻二維因素的情況下，較大程度地利用了系統(tǒng)的資源，減少碰撞次數(shù)，提高了節(jié)點(diǎn)接入的成功概率，具有很好的實(shí)用價(jià)值。
文檔編號(hào)H04W76/00GK101754242SQ20091015585
公開(kāi)日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2009年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月29日
發(fā)明者唐穎, 姜松, 張建敏, 張朝陽(yáng), 李雪嬌, 林澤, 王培雅, 王秋芳, 陳少磊, 陳曉明, 陳淑保 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)