專利名稱：一種基于認(rèn)知無線局域網(wǎng)的可變帶寬信道分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信和認(rèn)知無線電領(lǐng)域，特別涉及的是無線局域網(wǎng)信道的動(dòng)態(tài)分配，具體是指在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)下，利用可變帶寬信道分配方法，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)頻段以及廣播電視(TVffS )頻段信道帶寬的動(dòng)態(tài)分配。
背景技術(shù)：
近年來，隨著無線設(shè)備的大量普及和無線多媒體應(yīng)用的迅速增加，使得無線頻譜資源日趨緊張。傳統(tǒng)的蜂窩3G/4G通信，由于在同一個(gè)小區(qū)接入用戶較多，在信道帶寬受限的情況下，用戶傳輸速率降低，在面對(duì)帶寬需求量高的業(yè)務(wù)時(shí)不能確保其服務(wù)質(zhì)量，影響用戶使用產(chǎn)品的滿足度。而基于IEEE802.11系列的無線局域網(wǎng)技術(shù)，由于其具有高速率(低成本和易部署等特點(diǎn)，能有效的增加用戶在“最后一公里”使用在線多媒體應(yīng)用的服務(wù)，目前成為3G/4G蜂窩通信最佳的補(bǔ)充技術(shù)。
目前，運(yùn)營(yíng)商正在全國(guó)范圍內(nèi)的“熱點(diǎn)”區(qū)域構(gòu)建商用無線局域網(wǎng)，而構(gòu)建商用無線局域網(wǎng)的關(guān)鍵是無線接入點(diǎn)(AP)的部署和信道的配置。但是由于頻譜資源管理機(jī)構(gòu)和各大運(yùn)營(yíng)商并沒有很好地對(duì)無線AP的部署問題進(jìn)行處理，出現(xiàn)了各大運(yùn)營(yíng)商經(jīng)常在同一個(gè)熱點(diǎn)分別部署自己的無線AP，這樣就造成熱點(diǎn)區(qū)域內(nèi)高密度AP部署問題，造成了無線AP的重復(fù)覆蓋建設(shè)，不僅引起了 AP網(wǎng)絡(luò)之間的同頻干擾，而且使無線頻帶資源的利用率大大降低，使得日益緊張的無線資源更加匱乏。
目前，解決無線局域網(wǎng)中無線頻帶資源不足的方法主要有兩種:
一種是在熱點(diǎn)小區(qū)內(nèi)由網(wǎng)絡(luò)管理人員通過無線資源管理和分配技術(shù)對(duì)ISM信道進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃分配，以避免同頻信道干擾，提高頻帶資源利用率，但是該方法實(shí)現(xiàn)起來有非常多的不確定因素，無線AP分別歸屬不同的所有者，網(wǎng)絡(luò)管理人員不可能和這些所有者進(jìn)行協(xié)商，并且無線AP接入是動(dòng)態(tài)的，所以該方案實(shí)現(xiàn)起來難度較大。
另外一種就是動(dòng)態(tài)信道分配，打破了傳統(tǒng)的固定信道分配方式。首先統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)中的空白頻譜，然后根據(jù)用戶的帶寬需求尋找合適的空白頻段讓用戶接入，這樣雖然能一定程度上提高無線頻譜資源的利用率，但是這樣難免會(huì)引起相鄰信道之間的通信干擾。同時(shí)在用戶根據(jù)帶寬需要搶占空白頻段時(shí)，大的空白頻段難免會(huì)被分割成較小的頻段，會(huì)產(chǎn)生所謂頻譜碎片，這樣不能保證無線頻譜利用的最大化。
針對(duì)以上兩種方法的不足，為了更好的利用無線頻譜資源，本文提出了一種基于認(rèn)知無線局域網(wǎng)的可變帶寬信道分配方法。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種基于認(rèn)知無線局域網(wǎng)的可變帶寬信道分配方法，在不影響主用戶通信質(zhì)量的情況下，動(dòng)態(tài)的調(diào)配主用戶網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的頻譜資源，盡可能最大程度上滿足認(rèn)知用戶的需求，這樣不僅大大提高了無線頻譜資源的利用率，同時(shí)利用正交的信道分配方法能避免用戶之間的干擾，也能大大降低認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)之間的同頻干擾問題。
認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型如

圖1所示，主用戶網(wǎng)絡(luò)工作在廣播電視頻段(TVWS)、次用戶網(wǎng)絡(luò)工作在工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)頻段。本發(fā)明僅考慮一個(gè)主用戶網(wǎng)絡(luò)中有多對(duì)次用戶的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)情況，其中主用戶網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)主用戶基站(PBS)和一個(gè)主用戶接收節(jié)點(diǎn)(簡(jiǎn)稱主用戶PU)，主用戶網(wǎng)絡(luò)工作在TVWS頻段，處于飽和廣播工作狀態(tài)。次用戶網(wǎng)絡(luò)由次用戶AP (SAP)和多個(gè)次用戶節(jié)點(diǎn)(簡(jiǎn)稱次用戶SU)組成，次用戶網(wǎng)絡(luò)初始狀態(tài)工作在ISM頻段，每個(gè)次用戶AP的發(fā)射功率都是一定的，同樣處于飽和下行傳輸工作狀態(tài)。當(dāng)次用戶網(wǎng)絡(luò)頻譜資源出現(xiàn)擁擠，且發(fā)現(xiàn)主用戶頻譜資源空閑時(shí)，在不影響現(xiàn)有主用戶服務(wù)質(zhì)量(QoS)的前提下，采用機(jī)會(huì)方式接入主用戶的TVWS頻段，達(dá)到提高系統(tǒng)頻譜資源利用率的目的。所有的主用戶和次用戶網(wǎng)絡(luò)都工作在多入多出(MMO)狀態(tài)下，并具有軟件無線電功能。PBS和SAP具備多射頻功能，且次用戶網(wǎng)絡(luò)工作在MMO OFDM (正交頻分復(fù)用)狀態(tài)。
在以上的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，系統(tǒng)的工作流程如圖2所示，可以詳細(xì)概述如下:SAP定期同步向可變帶寬分配服務(wù)器發(fā)送自己的負(fù)載需求，服務(wù)器在不影響主用戶QoS的前提下，通過最優(yōu)化算法進(jìn)行可變帶寬的分配，并將分配的結(jié)果反饋回各SAP。SAPs通過修改的信標(biāo)幀，將緩存給不同用戶的負(fù)載做出正交帶寬映射，然后廣播給關(guān)聯(lián)的所有用戶。需要接收數(shù)據(jù)的用戶在廣播幀中解調(diào)出各自的工作頻率和子帶寬，然后調(diào)整到對(duì)應(yīng)的射頻子信道并回復(fù)確認(rèn)幀。SAP在成功接收到SU的確認(rèn)幀之后，通過多射頻并發(fā)的向SU發(fā)送數(shù)據(jù)幀。
本方法主要包括兩個(gè)部分:SAP內(nèi)正交可變帶寬的并發(fā)媒體介入控制(MAC)機(jī)制，以及SAP間可變帶寬信道分配算法。
其中SAP內(nèi)的可變信道帶寬分配采用了正交的并發(fā)MAC機(jī)制，整個(gè)SAP網(wǎng)絡(luò)的帶寬由此小區(qū)內(nèi)的終端用戶正交分配。
(I)為SAP內(nèi)的用戶分配信道:假設(shè)主網(wǎng)絡(luò)中有M個(gè)次用戶網(wǎng)絡(luò)，為每個(gè)次用戶網(wǎng)絡(luò)SAPi分配的信道為Ci=LFiL,FiJ，則該認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的總帶寬為Bi=Fill-FiL,如果網(wǎng)絡(luò)SAPi內(nèi)有N個(gè)用戶μτ/⑴，sc/,(2),…，Si/,所有用戶的負(fù)載信息按照先進(jìn)先出原則按順序存儲(chǔ)在SAPi內(nèi)，假設(shè)SAPi內(nèi)第j個(gè)用戶的業(yè)務(wù)量為Tf，為其分配的帶寬為。由于SAPi的射頻數(shù)為2，每次只能滿足兩個(gè)用戶同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的要求，此時(shí)按照SAPi緩存中用戶的排序來選擇所要服務(wù)的用戶，假設(shè)該小區(qū)SAPi —次服務(wù)的兩個(gè)用戶為和.Si/廣+1)，我們可知此次服務(wù)用戶的業(yè)務(wù)量為+1)。為了減少用戶信道之間的干擾，網(wǎng)絡(luò)SAPi內(nèi)Si/”和Si/,(i+"之間的信道頻點(diǎn)必須遵循正交可變帶寬分配的原則:每個(gè)用戶信道的頻帶不能重疊，且SAPi內(nèi)用戶的總帶寬之和為為了保證網(wǎng)絡(luò)SAPi內(nèi)各用戶的接ψ (^ )入公平性，則分配s[/⑷和5f/(一的帶寬應(yīng)按業(yè)務(wù)量的比例分配為J廣B,,Bv5,,為其分配的信道中心頻點(diǎn)為:fik、= r +0 5β⑴#+I) =^l+^f}+O-S^f+11 ,其中 k e {1,2, , N-1}。
(2)修改信標(biāo)幀 ，將信道的分配情況映射到修改的的信標(biāo)幀中(如圖3所示)，次接入點(diǎn)通過修改的信標(biāo)幀向小區(qū)內(nèi)的用戶廣播信道分配情況。
(3)由于SAP小區(qū)的頻帶資源有限，為了保證終端用戶的QoS，每個(gè)SAP節(jié)點(diǎn)一次僅能為兩個(gè)用戶(SUs)服務(wù)，SAP根據(jù)先來先服務(wù)的原則將待傳的用戶數(shù)據(jù)緩存在存儲(chǔ)器中，SAP下行傳輸?shù)腣OC (可變正交信道)-MAC流程如圖4，SAP根據(jù)緩存器中的順序向用戶發(fā)送廣播幀，用戶接收到廣播幀后從中解析出信道和帶寬信息，然后向SAP發(fā)送確認(rèn)幀，待SAP接收到之后開始向用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，用戶接收完數(shù)據(jù)后再次向SAP發(fā)送確認(rèn)幀，SAP接收到之后便可釋放信道，進(jìn)而開始第二輪用戶的數(shù)據(jù)傳輸。
而SAP間信道帶寬的動(dòng)態(tài)分配采用的是基于負(fù)載感知的可變帶寬信道分配算法，假設(shè)在主用戶網(wǎng)絡(luò)覆蓋下有M個(gè)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)[SAP1, SAP2,…，SAPJ，具體算法描述如下:
(I)由各個(gè)SAP感知主用戶網(wǎng)絡(luò)中TVWS頻段和ISM頻段的空閑頻譜寬度Btvws和Bism,感知自己的位置、主用戶發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率Pp、相鄰SAP發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率Ps和各自的負(fù)載情況Li,并將其負(fù)載信息統(tǒng)計(jì)后反饋到可變帶寬分配服務(wù)器。
(2)由可變帶寬分配服務(wù)器統(tǒng)計(jì)各小區(qū)的負(fù)載信息，按照頻譜利用率最大、SAP間 干擾最小的原則，計(jì)算出各SAPi占據(jù)的負(fù)載比例
權(quán)利要求
1.一種基于認(rèn)知無線局域網(wǎng)的可變帶寬信道分配方法，此方法包括了次接入點(diǎn)內(nèi)正交可變帶寬的并發(fā)媒體接入控制機(jī)制，以及次接入點(diǎn)間可變帶寬信道分配方法。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于認(rèn)知無線局域網(wǎng)的可變帶寬信道分配方法，其特征在于，次接入點(diǎn)內(nèi)的可變信道帶寬分配采用了正交的并發(fā)媒體接入控制機(jī)制，整個(gè)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的帶寬由此小區(qū)內(nèi)的用戶正交分配；首先，將信道的分配情況映射到修改的信標(biāo)幀中，向次接入點(diǎn)小區(qū)內(nèi)的用戶廣播信道分配情況；其次，由于次接入點(diǎn)小區(qū)的頻帶資源有限，為了保證用戶的服務(wù)質(zhì)量，每個(gè)次接入點(diǎn)一次僅能為兩個(gè)終端用戶服務(wù)，小區(qū)內(nèi)的所有終端用戶根據(jù)先來先服務(wù)的原則進(jìn)行排隊(duì)式通信。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于認(rèn)知無線局域網(wǎng)的可變帶寬信道分配方法，其特征在于，次接入點(diǎn)間信道帶寬的動(dòng)態(tài)分配采用基于負(fù)載感知的可變帶寬信道分配算法；首先，各認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)統(tǒng)計(jì)本小區(qū)內(nèi)的通信負(fù)載情況，并將其負(fù)載信息反饋到可變帶寬分配服務(wù)器。然后由可變帶寬分配服務(wù)器統(tǒng)計(jì)各小區(qū)的負(fù)載信息，并計(jì)算出不同的次用戶網(wǎng)絡(luò)之間的負(fù)載比例，最后由可變帶寬分配服務(wù)器根據(jù)此用戶網(wǎng)絡(luò)之間的負(fù)載比例為其分配相應(yīng)的帶寬。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于，為了能夠使次接入點(diǎn)準(zhǔn)確地為其終端用戶分配正交的信道，需要修改信標(biāo)幀的幀實(shí)體中的獨(dú)立基本服務(wù)集單元，將信道帶寬的分配情況映射到相應(yīng)的幀結(jié)構(gòu)中，從而使次接入點(diǎn)能夠準(zhǔn)確地向其用戶廣播信道分配信息，其中修改后信標(biāo)幀的獨(dú)立基本服務(wù)集單元的格式為:單元識(shí)別碼(I字節(jié))，長(zhǎng)度(I字節(jié))，用戶k標(biāo)識(shí)碼(0.5字節(jié))，用戶k中心頻點(diǎn)(I字節(jié))，用戶k帶寬(I字節(jié))，用戶k+Ι標(biāo)識(shí)碼(0.5字節(jié))，用戶k+Ι中心頻點(diǎn)(I字節(jié))，用戶k+Ι帶寬(I字節(jié))。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的次接入點(diǎn)間信道帶寬的動(dòng)態(tài)分配方法，其特征在于，每個(gè)次接入點(diǎn)都需具有負(fù)載感知功能，能夠感知本小區(qū)內(nèi)終端用戶的負(fù)載情況，并將感知到的負(fù)載信息發(fā)送給可變帶寬信道分配服務(wù)器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的次接入點(diǎn)間信道帶寬的動(dòng)態(tài)分配方法的要求，其特征在于，可變帶寬分配服務(wù)器需要統(tǒng)計(jì)出主用戶頻段和認(rèn)知用戶頻段的空白頻譜資源的利用情況，同時(shí)為了盡可能的減少認(rèn)知用戶對(duì)主用戶的干擾，映射的基本原則是首先映射工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)頻段資源，然后映射廣播電視(TVWS)頻段資源。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于認(rèn)知無線局域網(wǎng)的可變帶寬信道分配方法，其具體為(1)次接入點(diǎn)定期同步向可變帶寬分配服務(wù)器發(fā)送自己的負(fù)載需求；(2)可變帶寬分配服務(wù)器在不影響主用戶服務(wù)質(zhì)量的前提下，通過最優(yōu)化算法進(jìn)行可變帶寬的分配，并將分配的結(jié)果反饋回各次接入點(diǎn)；(3)次接入點(diǎn)通過修改的信標(biāo)幀，將緩存給不同終端用戶的負(fù)載做出正交帶寬映射，然后廣播給關(guān)聯(lián)的所有終端用戶；(4)需要接收數(shù)據(jù)的終端用戶通過接收修改的信標(biāo)幀中的工作頻率和子帶寬調(diào)整到對(duì)應(yīng)的射頻子信道并且回復(fù)確認(rèn)幀；(5)次接入點(diǎn)在成功接收到終端用戶的確認(rèn)幀之后，通過多射頻并發(fā)地向終端用戶發(fā)送數(shù)據(jù)。
文檔編號(hào)H04W84/12GK103200578SQ20131012944
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月15日
發(fā)明者廖勇, 魏海波, 曹杰, 楊宏 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)