本发明公开了一种多模式多速率认知无线电系统中的自适应参数选择方法，该方法包括通过交互收发双方感知的频谱信息，执行自适应算法，选择最佳的物理层通信参数，以提高无线认知网络的容量、频谱的利用率及通信的可靠性。本发明方法需要通信节点能够对周围信道进行实时感知，充分考虑了节点周围环境变化的多样性，而且能够有效地抵抗信道快速恶化和突发干扰，减轻突发情况对系统性能的影响。本发明方法采用灵活的自适应选择策略，能够根据上层业务数据所要求的传输成功率及误码率门限，灵活地选择最佳物理层参数，可以满足多种QoS业务的传输。
1.一种多模式多速率认知无线电系统中的自适应参数选择方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)节点进行频谱感知，生成本地可用频谱报告；
(2)当节点有数据要发送时，该节点需要和接收方建立连接：在网络公共的控制信道Fc上发送可用频谱报告FSR给接收节点，并包含此次传输上层业务的Qos级别；
(3)接收节点根据发送方以及自身的可用频谱的集合，进行交集操作，选择此次传输的频点Fs及可用带宽B；
(4)接收节点根据可用带宽B及QoS级别，执行自适应算法，选择此次传输参数，并告知发送节点，所述传输参数包括调制模式m和映射方式n；
(5)发送节点发送业务数据，并对正确接收到对方回馈的ACK情况进行统计，并根据ACK的接收结果决定是否存在干扰并重新进行感知；
(3.1)频点Fs和可用带宽B的选择；系统信道总带宽Bw分成K个频段，频段之间步进为Fstep＝Bw/K，频谱感知报告的格式为K点的0-1序列，‘0’代表该频点可用，‘1’代表该频点已被占用；RS收到来自TS的可用频谱报告FSR，并将这两个K点序列进行交集操作，得到可用频点序列Sa；在可用频点序列Sa中，搜索最长的连续可用的频段，并获得其起始可用频点Fb和结束可用频点Fe，得到可用带宽B＝Fstep*(Fe-Fb)，频点Fs＝(Fe+Fb)/2；
(3.2)根据业务Qos级别获得误码率门限Peth和误帧率门限Pbth；首先根据Qos级l别，查表获得当前业务所要求的误码率门限Peth；根据公式Pbth＝1-(1-Peth)，l为数据块的长度，获得误帧率Pbth；
(4.1)选择调制模式m，在设备支持的M种调制模式，每种调制模式占用的带宽都不相同；bm将带宽分成M个不重合的区间，区间的边界为 当可用带宽B∈[bm，bm+1)，m＝1，...，M时，选择调制模式m；
(4.2)根据不同映射方式下的误码率与信噪比的推导公式和误码率门限Peth，计算出映射方式n下最小信噪比的值γn；将SNR分成N个不重合的区间，区间的边界为当信噪比γ∈[γn，γn+1)，n＝1，...，N时，选择映射方式n。
2.如权利要求1所述的多模式多速率认知无线电系统中的自适应参数选择方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：在空闲状态，节点的链路层协议以一定的周期指示物理层进行频谱感知，链路层获得物理层频谱感知的结果，并生成该节点可用频谱报告。
3.如权利要求1所述的多模式多速率认知无线电系统中的自适应参数选择方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为：当发送节点TS需要向接收节点RS发送数据时，首先将包含了当前可用频谱报告的频段请求帧，在控制信道Fc上采用竞争的方式发送给RS，尝试和RS建立连接；在发送完FSR的一段时间内，如果TS还未收到对方的应答TPA时，将认定此次尝试失败，采取随机退避的方式，进行下一次的尝试；当尝试失败次数大于阀值Fth，认为连接建立失败并通知上层。
4.如权利要求1所述的多模式多速率认知无线电系统中的自适应参数选择方法，其特征在于，所述步骤(5)具体为：(5.1)对于ACK帧所包含的序号，总是为RS端最近到达的数据帧序号；当RS收到的ACK序号小于此次传输的数据帧序号，那么表示此次传输没有成功，TS端将重新发送此数据帧；
TS将对ACK的接收情况进行统计，发送DATA的次数为Td，正确接收反馈ACK的次数为Ra，得到传输成功率为Ra/Td；
(5.2)对于ACK帧所包含的信噪比估计值，为上次接收数据时对信道信噪比的估计；TS将对SNR的情况进行统计，计算出最近一段时间内SNR平均值γa；
(5.3)当传输的成功概率小于门限(1-Pbth)或者γa＜γn时，TS将发出终止连接帧TEL，表示信道已经发生变化，双方需重新感知信道后再重新选择传输参数，Pbth为误帧率门限，γn为映射方式n下最小信噪比的值。
多模式多速率的认知无线电系统中的自适应参数选择方法
技术领域
[0001] 本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及多模式多速率认知无线电系统中的自适应参数选择方法。
背景技术
[0002] 随着无线通信的快速发展，由于无线通信自身的一些特性，如移动性，信道条件变化频繁等，现有的通信系统一直面临着两个关键的挑战。
[0003] 第一：通信系统如何能实时自适应于周围信道频繁的变化。如果无线网络中采用固定的速率和频段，无法适应信道变化而做出调整，就不能保证数据传输的成功率及频谱利用率。通信节点就需要具备能实时对自身的信道进行感知的能力，并能根据本地信道情况，进行可用带宽及通信频点选择。
[0004] 第二：通信节点如何能自适应于不同的业务对于QoS的变化。通信节点需要根据上层业务的QoS要求，采用不同特性的调制技术来实现数据传输。比如，对于近距离室内宽带无线通信，由于多径衰落严重，并且为了获得较高的传输速率，采用正交频分复用调制技术是一种有效的解决方法；而在卫星通信系统中，为了取得较高的功率效率和更远的传输距离，更多采用MPSK或CPFSK恒包络调制。
[0005] 为了迎合上述需求，通信系统必须具备感知、学习和适应变化的能力，能实时感知周围信道环境，并能改变物理层传输参数来适应环境的变化，而认知无线电(Cognitive Radio，CR)技术无疑提供了基础的技术平台。
[0006] 通信系统如何根据不同业务QoS要求和通信信道情况，来选择最佳传输参数，从而提升网络整体的性能，包括误码率、传输成功率及频谱利用率等指标，这也是近年来认知无线电研究的重要方向之一。
[0007] 在目前认知无线电的自适应算法中，大多是只考虑了在同一种调制方式下，选择不同的映射方式，来满足QoS误码率的要求。为了让通信系统可以在多种信道条件下，包括宽带AWGN信道、频率选择性衰落信道、高速移动/强Doppler频移，能够自适应地选择最佳的调制模式进行数据传输，可用带宽的变化范围可以从50kbps到2Mbps，如果只是采用一种调制方式，显然不能够达到很好的传输效果。
发明内容
[0008] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供多模式多速率认知无线电系统中的自适应参数选择方法。
[0009] 本发明通过以下技术方案实现，多模式多速率认知无线电系统中的自适应参数选择方法，包括以下步骤：
[0010] 1、节点进行频谱感知，生成本地可用频谱报告。具体方法是：在空闲状态，节点的链路层协议以一定的周期指示物理层进行频谱感知，链路层获得物理层频谱感知的结果，并生成该节点频谱感知报告。
[0011] 2、发送节点在请求数据发送前，需在控制信道Fc上发送自己的可用频谱给接收节点。具体方法是：当发送节点TS需要向接受节点RS发送数据时，首先将包含了当前频谱感知报告的频段请求帧FSR(Frequency Spectrum Report)，在控制信道Fc上采用竞争的方式发送给RS，尝试和RS建立连接。在发送完FSR的一段时间内，如果TS还未收到对方的应答TPA时，将认定此次尝试失败，采取随机退避的方式，进行下一次的尝试。当尝试失败次数大于阀值Fth，认为连接建立失败并通知上层。
[0012] 3、接收节点根据对方以及自己的可用频谱情况，选择此次传输频点Fs及得到可用带宽B。具体方法是：系统信道总带宽Bw分成K个频段，频段之间步进为Fstep＝Bw/K，频谱感知报告的格式为K点的0-1序列，‘0’代表该频点可用，‘1’代表该频点已被占用；RS收到来自TS的频谱感知报告FSR，并将这两个K点序列进行交集操作，得到可用频点序列Sa；在可用频点序列Sa中，搜索最长的连续可用的频段，并获得其起始可用频点Fb和结束可用频点Fe，得到可用带宽B＝Fstep*(Fe-Fb)，中心频率Fs＝(Fe+Fb)/2。根据业务Qos级别获得误码率门限Peth和误帧率门限Pbth。根据Qos级别，查表获得当前业务所要l
求的误码率门限Peth；根据公式Pbth＝1-(1-Peth)，l为数据包长度，获得误帧率Pbth。
[0013] 4、接收节点根据可用带宽B及QoS要求，执行自适应算法，选择此次传输参数(调制模式m和映射方式p)，并告知发送节点。具体方法是：
[0014] (1)选择调制模式m，在设备支持的M种调制模式，每种调制模式占用的带宽都不相同。bm将带宽分成M个不重合的区间，区间的边界为 当可用带宽B∈[bm，bm+1)，m＝1，…，M时，选择调制模式m。
[0015] (2)根据不同映射方式下的误码率与信噪比的推导公式和Peth，计算出映射方式n下最小信噪比的值γn。将SNR分成N个不重合的区间，区间的边界为 当信噪比γ∈[γn，γn+1)，n＝1，…，N时，选择调制模式n。
[0016] 5、发送节点发送业务数据，并对对方回送的ACK情况进行统计，并根据ACK的接收结果决策是否存在干扰并重新进行感知。
[0017] (1)对于ACK帧所包含的序号，总是为RS端最近到达的数据帧序号。当RS收到的ACK序号小于此次传输的数据帧序号，那么表示此次传输没有成功，TS端将重新发送此数据帧。TS将对ACK的接收情况进行统计，发送DATA的次数为Td，正确接收反馈ACK的次数为Ra，得到传输成功率为Ra/Td。
[0018] (2)对于ACK帧所包含的信噪比估计值，为上次接收数据时对信道信噪比的估计。TS将对SNR的情况进行统计，计算出最近一段时间内SNR平均值γa。
[0019] (3)当传输的成功概率小于门限(1-Pbth)或者γa＜γn时，TS将发出终止连接帧TEL，表示信道已经发生变化，双方需重新感知信道后再重新选择传输参数。
[0020] 本发明的有益效果是，
[0021] 1、该方法能够实时感知周围信道的变化情况，根据自适应算法选择最佳的物理层调制模式和速率等参数，以提高无线认知网络的容量、频谱的利用率及通信的可靠性。
[0022] 2、本发明方法需要通信节点能够对周围信道进行实时感知，充分考虑了节点周围环境变化的多样性，而且能够有效地抵抗信道快速恶化和突发干扰，减轻突发情况对系统性能的影响。
[0023] 3、本发明方法采用灵活的自适应选择策略，能够根据上层业务数据所要求的传输成功率及误码率门限，灵活地选择最佳物理层参数，可以满足多种QoS业务的传输。
附图说明
[0024] 图1为本发明的通信协议流程图；
[0025] 图2为本发明的发送方和接收方的工作流程图；
[0026] 图3是本发明的传输参数的确定过程；
[0027] 图4是本发明业务类型和误码率容忍门限的对应关系。
具体实施方式
[0028] 以下结合收发双方的数据通信流程的具体实例来对本发明做详细描述。
[0029] 请参照图1所示，这是本系统的数据交互流程图。发送端RS和接收端TS的交互流程，包括感知阶段，建立连接阶段以及数据的传输阶段。具体步骤如下：
[0030] (1)节点起电后，进入空闲状态，以T为周期对信道进行感知，生成频谱感知报告。当发送节点TS需要向接受节点RS发送数据时，将包含了当前频谱感知报告的频段请求帧FSR(Frequency Spectrum Repon)，在控制信道fc上发送给RS，尝试和RS建立连接。
[0031] (2)RS根据双方的信道感知情况，选择合适的调制模式和映射方式及可用频段，并将决策的结果通过传输参数应答帧TPA(Transmission Parameters Answer)传递给TS。
[0032] (3)TS收到传输参数应答帧TPA后，配置物理层相关通信参数，切换到相应的空闲频段Fs，并发送连接请求RTS(Ready to Send)，确认双方都处于相应的频段，及告知此次连接需要发送的数据长度、时间等信息。
[0033] (4)RS接收到数据请求帧RTS后，回应数据请求应答帧CTS(Clear to Send)，表示连接已经建立，并进入接收数据状态。
[0034] (5)连接建立后，TS开始发送数据帧DATA，RS每收到一帧数据时，将发送确认帧ACK来告知接收情况.其中ACK包含了接收数据帧的序列号及此次传输的SNR估计值；TS根据ACK的内容和接收ACK的统计情况，确定是否需要重发数据和是否需要对信道进行重新评估。
[0035] (6)TS发送完一次连接的数据后，将发送连接终止帧TEL(Terminate Established Link)来告知RS数据发送完毕，双方切换到公共频段Fc并回到初始空闲状态。
[0036] 参照图2所示，这是本系统的收发双方工作的流程图。
[0037] 对于发送端TS，首先进行频谱感知，更新本地的可用频谱报告，并检查发送队列是否为空。如果发送队列有数据需要发送，TS向接收节点RS发送FSR，告知自己的频谱情况，并等待RS反馈的TPS数据帧。当接收到TPS后，根据其内容，配置物理层相关的通信参数，包括传输频点Fs、调制模式及映射方式。配置完成后，TS在频点Fs上向对方发送RTS，告知此次传输的数据的长度，并等待对方返回的CTS。接收到CTS后，从发送队列中取数据并发送给对方，并等待对方反馈的ACK。如果接收的ACK帧中包含的序列号和发送数据的序列号一致，则表明此次的传输成功，那么继续从发送队列中取数据，知道发送队列为空为止；否则表示此次传输失败，那么继续发送该数据，直到发送成功为止。TS会统计一段时间内ACK的接收情况及SNR的平均值，发送DATA的次数为Td，正确接收反馈ACK的次数为Ra，当传输成功率Ra/Td＜(1-Pbth)或者SNR平均值γa＜γn时，表示信道状况已经发生较大变化，双方需要重新对信道进行评估并重新选择传输参数，此时会向对方发送链接终止帧TEL。当TS发送队列为空时，表示此次数据发送完毕，TS发送链接终止帧TEL，来告知对方此次传输已经完毕。
[0038] 对于接收端RS，在空闲时进行频谱感知，当接收到来自发送端TS的FSR，结合自己本地的频谱报告，获得可用带宽B及选择传输频点Fs。根据可用带宽B，选择调制模式m，再根据信噪比SNR的估计以及上层业务要求的误码率，选择映射方式n，得到此次传输所采用的物理层配置参数，并发送TPA告知TS。当在频点Fs上接收到RTS，做好接收数据的准备，并发送CTS，表示对方可以发送数据。当收到数据帧DATA，将次正确接收的DATA帧的序列号及SNR的估计值，通过ACK帧反馈给TS，告知此数据已正确接收。当收到连接终止TEL帧，表示此次传输已经完毕，结束接收并切换到公共信道Fc。
[0039] 参照图3所示，这是本系统中接收端RS通信参数的选择流程。
[0040] 选择可用带宽B及传输频点Fs，系统信道总带宽Bw分成K个频段，频段之间步进为Fstep＝Bw/K，频谱感知报告的格式为K点的0-1序列，‘0’代表该频点可用，‘1’代表该频点已被占用；RS收到来自TS的频谱感知报告FSR，并将这两个K点序列进行交集操作，得到可用频点序列Sa；在可用频点序列Sa中，搜索最长的连续可用的频段，并获得其起始可用频点Fb和结束可用频点Fe，得到可用带宽B＝Fstep*(Fe-Fb)，中心频率Fs＝(Fe+Fb)/2。根据Qos级别，查表获得当前业务所要求的误码率门限Peth；根据公式Pbth＝l1-(1-Peth)，l为数据包长度，获得误帧率Pbth。
[0041] 选择调制模式m，在设备支持的M种调制模式，每种调制模式占用的带宽都不相同。bm将带宽分成M个不重合的区间，区间的边界为 当可用带宽B∈[bm，bm+1)，m＝1，…，M时，选择调制模式m。
[0042] 根据当前的业务类型，获得该业务下误码率的容忍门限Peth。再根据不同映射方式下的误码率与信噪比的推导公式和Peth，计算出映射方式n下最小信噪比的值γn。将SNR分成N个不重合的区间，区间的边界为 当信噪比γ∈[γn，γn+1)，n＝1，…，N时，选择调制模式n。
[0043] 参照图4所示，这是本系统中业务类型和误码率的容忍门限的对应关系。
[0044] 对于系统中的上层的业务类型，可按照该表格来选择误码率的容忍门限Peth，进而获得最佳的通信参数。
[0045] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
