基于双层控制信道机制的认知无线电网络时钟同步方法技术

本发明专利技术属于无线通信信号处理领域，公开了一种基于双层控制信道机制的认知无线电网络时钟同步方法，包括以下步骤：第一步，基于低层控制信道的邻居/层次发现和时钟同步初始化；第二步，基于低层控制信道的时钟粗同步；第三步，基于高层控制信道的时钟精同步。本发明专利技术将认知无线电网络的控制信道建立与时钟同步有机地结合起来，由于控制信道的建立过程可以得到时间同步过程的时间信息，所以可以加速控制信道的建立过程；提高了认知无线电网络在网络建立阶段的可用性，有助于认知无线电网络走向实用。

【技术实现步骤摘要】
基于双层控制信道机制的认知无线电网络时钟同步方法
本专利技术属于无线通信信号处理领域，具体涉及一种认知无线电网络时钟同步方法。
技术介绍
认知无线电网络(CognitiveRadioNetwork,CRN)是一种新型的无线网络通信系统，它由称作认知用户(CognitiveUser,CU)的认知无线电设备通过无线连接组成。认知无线电网络与传统无线通信网络的运行方式存在极大的不同，它能够与称作主用户(PrimaryUser,PU)的常规无线通信设备及其系统共存于同一区域的同一无线电频段中，并且不对后者造成有害影响。建立并运行认知无线电网络之前不需要向当地无线电频谱管理部门申请工作频段授权(或仅需要极小部分频段的授权)。认知无线电网络的这一特性引起无线通信领域的学术界、工业界、商用和军用用户以及各国无线电管理部门广泛、持续而密切的关注，相关技术在近年来发展迅速。技术上，安全建立并有效运行认知无线电网络大致需要以下步骤：首先，网络中的认知用户利用频谱传感器及网络数据库等手段收集并分析本地无线频谱使用状态信息、检测周边常规无线设备；之后，根据认知无线电网络的通信需求进行决策，制订出后续无线电行为方案；最后，通过应用灵活的无线波形与通信协议，认知无线电网络中的所有认知用户协调一致地实施上述无线电行为方案完成网络通信任务。实现上述技术途径需要解决多个关键技术问题，包括无线频谱监测、无线信道的参数估计、相邻认知用户的检测与识别及网络时钟同步等。由于认知无线电网络不具有固定频段的使用授权(或仅具有极少部分频点的使用授权)，因此解决这些问题具有极大的技术难度。特别地，在认知无线电网络的最初建立阶段，一方面由于认知用户缺乏可用频点、网络拓扑及网络时间基准等关键信息，另一方面，为避免对主用户的干扰，认知用户不能使用常规的信道探测、握手信令等通信辅助手段，上述技术问题的挑战性尤为突出。学术界将这一类问题统称为“认知无线电网络建立问题”(以下简称网络建立问题)，并展开了广泛的研究。前期，我们针对网络建立问题提出了基于双层控制信道机制的网络建立方法并获得国家专利技术专利(专利号ZL201110259192.4)。该方法的主要技术思路是将控制信道分成功率谱密度受限的低层控制信道(LowerLevelControlChannel，LLCC)和高信道容量的高层控制信道(HigherLevelControlChannel，HLCC)，在两种控制信道中采用不同的无线波形和通信协议，可以有效降低网络建立问题的技术难度。在低层控制信道中，采用干扰温度限制的波形设计可以保证认知用户与主用户共存于同一区域同一频段，使得认知无线电网络可以在缺乏频谱授权的条件下建立并持续运行。在低层控制信道实现基本控制信息交换的基础上，进一步建立高层控制信道，拓展控制信道覆盖范围并提高控制信息交换速率，从而分步实现认知无线电网络的有效建立。在基于上述方法的认知无线电网络研究与应用过程中，我们发现，网络时钟同步技术是解决认知无线电网络建立问题所必需的关键技术之一。原因如下:首先，认知无线电网络的运行依赖于频谱感知，频谱使用信息由分布于各个认知用户的频谱传感器获取，而为了有效融合这些频谱信息以形成全网可用的空闲频谱时空分布图，全网同步时钟是必需的。其次，为了更高效地利用探测到的空闲频段、建立高速认知信道、提高全网数据吞吐率，认知用户之间必须具备对认知信道的时分复用/双工机制；同时，由于认知信道在时间和空间上的分布都是随机的，只有建立全网时钟同步才能保证该时分复用/双工机制的精确度和稳定性。另外，全网时钟同步对于认知用户之间提取符号同步、位同步、帧同步等关键波形参数无疑是有利的，可以提高点对点传输性能。但是，如果把时钟同步过程与基于双层控制信道机制的认知无线电网络建立过程分开独立设计，会发现两者之间实际上存在着相互依赖、相互牵制的关系。一方面，时钟同步信息的分发与交换有赖于高层控制信道的建立。由于低层控制信道的波形功率受限，导致其覆盖范围小且信道容量较低，而且由多个认知用户通过时分方式共享使用，因此其只能用于实现一些对数据速率要求不高的业务，如邻居/层次探测(neighbor/hierarchydiscovery)等。对于全网时钟同步过程，如果仅借助低层控制信道，同步精度和刷新率必然受到极大限制，因此需要高速信道的支持。另一方面，高速信道的建立又依赖于一定精度的时钟同步信息。例如，相邻的认知用户间需要实时协商共同可用的空闲频点，或称作频谱空洞(SpectrumHole)；高数据速率的通信波形及协议需要较高精度的符号同步、位同步、帧同步时钟等。出于上述考虑，我们进一步提出了一种基于双层控制信道机制的认知无线电网络时钟同步方法。该方法的主要技术路线是，首先利用LLCC提供低速控制信息交换能力，在实现邻居/层次探测等网络初始化过程的同时，完成全网时钟同步初始化过程，并提供低精度时钟同步以满足建立高层控制信道的需要。之后，在高层控制信道的建立过程中实现高精度全网时钟同步。相对于传统的无线网络时钟同步方法，该方法可以在双层控制信道的建立过程中提供并保持全网时钟同步，并且充分利用了双层控制信道的信道资源，逐步提高时钟同步精度。这一特性对于保证认知无线电网络中认知用户的无线行为的协调性、提高网络建立的效率以及改善网络运行的稳定性都有很大的帮助。
技术实现思路
针对认知无线电网络发展与应用中的网络时钟同步问题，本专利技术公开了一种基于双层控制信道机制的认知无线电网络时钟同步方法，包括以下步骤：设表示第n次簇首广播消息的簇首本地时间，n为自然数；设认知无线电网络中给定的用户簇中，包含至少一个认知用户；第一步，基于低层控制信道的邻居/层次发现和时钟同步初始化；第(S11)步，设某一个认知用户在低层控制信道等待簇首广播消息，如果没有检测到簇首广播消息，则确定该认知用户为簇首；第(S12)步，簇首通过低层控制信道发送簇首广播消息，簇首广播消息中包含该认知用户的ID号和本地发送时间第(S13)步，除簇首以外的认知用户从簇首广播消息中读取时间并记录簇首广播消息的到达时间同时向簇首返回一个加入请求消息或者退出请求消息，所述加入请求消息或者退出请求消息包括认知用户的ID号和本地发送时间第(S14)步，簇首通过低层控制信道收到来自某个认知用户的加入请求消息或者退出请求消息，并记录该消息到达时间此时，认知用户记作为簇成员；而后，向发送该消息的簇成员回复一个包括本地发送时间的允许加入消息或者允许退出消息；第(S15)步，簇成员收到第(S14)步中的簇首回复的允许加入消息或者允许退出消息后，记录本地到达时间并读取时间和通过计算得到对簇首时钟参数和簇广播消息传播时延的估计初值第(S16)步，簇成员通过计算得到对簇首时钟的估计值,完成簇成员与簇首之间的时钟同步初始化；第二步，基于低层控制信道的时钟粗同步；第(S21)步，簇首通过低层控制信道周期性继续发送N-1个簇首广播消息,并在发送消息中包括本地发送时间数据其中，n＝{2,...,N}，N为大于等于2的自然数；第(S22)步，簇成员接收簇首广播消息，记录本地接收时间为并且读取时间第(S23)步，结合第一步中获得的簇成员对簇首本地时钟参数估计初值和簇广播消息传播时延的估本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双层控制信道机制的认知无线电网络时钟同步方法，其特征在于包括下述步骤:设表示第n次簇首广播消息的簇首本地时间，n为自然数；设认知无线电网络中给定的用户簇中，包含至少一个认知用户；第一步，基于低层控制信道的邻居/层次发现和时钟同步初始化；第(S11)步，设某一个认知用户在低层控制信道等待簇首广播消息，如果没有检测到簇首广播消息，则确定该认知用户为簇首；第(S12)步，簇首通过低层控制信道发送簇首广播消息，簇首广播消息中包含该认知用户的ID号和本地发送时间第(S13)步，除簇首以外的认知用户从簇首广播消息中读取时间并记录簇首广播消息的到达时间同时向簇首返回一个加入请求消息或者退出请求消息，所述加入请求消息或者退出请求消息包括认知用户的ID号和本地发送时间第(S14)步，簇首通过低层控制信道收到来自某个认知用户的加入请求消息或者退出请求消息，并记录该消息到达时间此时，认知用户记作为簇成员；而后，向发送该消息的簇成员回复一个包括本地发送时间的允许加入消息或者允许退出消息；第(S15)步，簇成员收到第(S14)步中的簇首回复的允许加入消息或者允许退出消息后，记录本地到达时间并读取时间和通过计算得到对簇首时钟参数和簇广播消息传播时延的估计初值第(S16)步，簇成员通过计算得到对簇首时钟的估计值,完成簇成员与簇首之间的时钟同步初始化；第二步，基于低层控制信道的时钟粗同步；第(S21)步，簇首通过低层控制信道周期性继续发送N‑1个簇首广播消息,并在发送消息中包括本地发送时间数据其中，n＝{2,...,N}，N为大于等于2的自然数；第(S22)步，簇成员接收簇首广播消息，记录本地接收时间为并且读取时间第(S23)步，结合第一步中获得的簇成员对簇首本地时钟参数估计初值和簇广播消息传播时延的估计初值，更新簇成员对簇首的时钟参数估计值；第(S24)步，更新簇成员对簇首本地时钟的估计值；第三步，基于高层控制信道的时钟精同步；设在认知无线电网络的某一簇中存在两个簇成员，分别记作CMA和CMB，且它们已经分别与簇首完成了所述第一步的时钟同步初始化和第二步的时钟粗同步；第(S31)步，簇首在低层控制信道上继续发送簇首广播消息，并在消息中写有本地时间其中，n∈{N+1,...,N+m}，m为自然数；第(S32)步，CMA和CMB在低层控制信道上接收到簇首广播消息，读取并分别记录接收时间为和第(S33)步，CMB在高层控制信道上向CMA发送写有本地时间和簇首时间的发送请求消息；第(S34)步，CMA在高层控制信道上接收到CMB的发送请求消息，记录到达时间并且读出发送请求消息中的时间数据和根据CMA从本地数据库中找到对应的簇首广播消息到达时间第(S35)步，CMA向CMB发送一个写有和本地发送时间的发送许可消息；第(S36)步,CMB接收到发送许可消息，记录本地到达时间并读出和第(S37)步,计算CMB与CMA之间的相对时钟参数的估计值；第(S38)步,计算CMB对CMA本地时钟的估计值，完成CMA与CMB之间基于高层控制信道的时钟精同步过程。...

【技术特征摘要】
1.一种基于双层控制信道机制的认知无线电网络时钟同步方法，其特征在于包括下述步骤:将控制信道分成功率谱密度受限的低层控制信道(LLCC)和高信道容量的高层控制信道(HLCC)，在两种控制信道中采用不同的无线波形和通信协议；设表示第n次簇首广播消息的簇首本地时间，n为自然数；设认知无线电网络中给定的用户簇中，包含至少一个认知用户；第一步，基于低层控制信道的邻居/层次发现和时钟同步初始化；第(S11)步，设某一个认知用户在低层控制信道等待簇首广播消息，如果没有检测到簇首广播消息，则确定该认知用户为簇首；第(S12)步，簇首通过低层控制信道发送簇首广播消息，簇首广播消息中包含该认知用户的ID号和本地发送时间第(S13)步，除簇首以外的认知用户从簇首广播消息中读取时间并记录簇首广播消息的到达时间同时向簇首返回一个加入请求消息或者退出请求消息，所述加入请求消息或者退出请求消息包括认知用户的ID号和本地发送时间第(S14)步，簇首通过低层控制信道收到来自某个认知用户的加入请求消息或者退出请求消息，并记录该消息到达时间此时，认知用户记作为簇成员；而后，向发送该消息的簇成员回复一个包括本地发送时间的允许加入消息或者允许退出消息；第(S15)步，簇成员收到第(S14)步中的簇首回复的允许加入消息或者允许退出消息后，记录本地到达时间并读取时间和通过计算得到对簇首时钟参数和簇广播消息传播时延的估计初值第(S16)步，簇成员通过计算得到对簇首时钟的估计值,完成簇成员与簇首之间的时钟同步初始化；第二步，基于低层控制信道的时钟粗同步；第(S21)步，簇首通过低层控制信道周期性继续发送N-1个簇首广播消息,并在发送消息中包括本地发送时间数据其中，n＝{2,...,N}，N为大于等于2的自然数；第(S22)步，簇成员接收簇首广播消息，记录本地接收时间为并且读取时间第(S23)步，结合第一步中获得的簇成员对簇首本地时钟参数估计初值和簇广播消息传播时延的估计初值，更新簇成员对簇首的时钟参数估计值；第(S24)步，更新簇成员对簇首本地时钟的估计值；第三步，基于高层控制信道的时钟精同步；设在认知无线电网络的某一簇中存在两个簇成员，分别记作CMA和CMB，且它们已经分别与簇首完成了所述第一步的时钟同步初始化和第二步的时钟粗同步；第(S31)步，簇首在低层控制信道上继续发送簇首广播消息，并在消息中写有本地时间其中，n∈{N+1,...,N+m}，m为自然数；第(S32)步，CMA和CMB在低层控制信道上接收到簇首广播消息，读取并分别记录接收时间为和第(S33)步，CMB在高层控制信道上向CMA发送写有本地时间和簇首时间的发送请求消息；第(S34)步，CMA在高层控制信道上接收到CMB的发送请求消息，记录到达时间并且读出发送请求消息中的时间数据和根据CMA从本地数据库中找...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩方剑，余莉，吴克宇，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43