本發(fā)明涉及一種適用于車載短距離通信網(wǎng)絡(luò)的無線認知信道管理方法，屬于車載網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

無線通信技術(shù)采用的靜態(tài)頻譜分配政策，將無線頻譜劃分為授權(quán)頻段和非授權(quán)頻段，造成了頻譜資源在時間和空間上存在大量頻譜空穴(spectrum holes)。

認知無線電(cognitive radio,CR)作為一種智能頻譜共享技術(shù)，通過感知外部環(huán)境，利用人工智能學習外部環(huán)境特征的變化，動態(tài)接入閑置頻譜，有效提高頻譜利用率。認知無線電將用戶分為主用戶(primary user,PU)和次用戶(secondary user,SU)，主用戶擁有授權(quán)頻譜授權(quán)，對信道有優(yōu)先使用權(quán)，而次用戶未獲得頻譜授權(quán)，對信道的使用權(quán)次于主用戶。次用戶在使用某信道前必須感知主用戶是否占用該信道，并且在主用戶占用所在信道通信時，必須退出該信道重新建立鏈接，以避免干擾主用戶通信。認知無線電通過動態(tài)頻譜管理機制，利用頻譜空穴，實現(xiàn)主次用戶共享頻譜。

車載短距離通信(Vehicle to X：V2X)網(wǎng)絡(luò)是通過無線通信、GPS/GIS、傳感等短距離通信技術(shù)實現(xiàn)的車內(nèi)(CAN-Controller Area Network)、車路(Vehicle-2-RSU)、車間(Vehicle-2-Vehicle)、車外(vehicle-2-Infrastructure)、人車(Vehicle-2-Person)之間的通信。

V2X具有固定授權(quán)的頻段，但是帶寬較窄，主要支持基本類業(yè)務(wù)，通過周期廣播的包含車輛標識和地理位置的消息(簡稱心跳信息)提供安全類應用等基本業(yè)務(wù)，對時延要求非常高。V2X中的大量信息服務(wù)類擴展類業(yè)務(wù)，由于授權(quán)帶寬的限制，影響其業(yè)務(wù)種類的拓展和業(yè)務(wù)內(nèi)容的多樣性。

認知無線電技術(shù)可以有效拓展V2X的工作頻段，為擴展類業(yè)務(wù)提供高帶寬的信道，由于V2X以信息服務(wù)為主的擴展類對時延要求不嚴格，非常適合在認知信道中傳輸。

但是，認知無線電需要通過較長時間的感知周圍環(huán)境的頻譜利用特性和學習，才能獲得較好的效果。V2X中，由于車載節(jié)點處于不斷運動中，很難有較長時間感受和學習某個區(qū)域的頻譜利用特性，加上車載節(jié)點成本和體積的限制，也很難配置具有復雜頻譜學習能力的軟硬件單元。

另外，認知無線電中，需要大量的相互協(xié)同機制，包括握手機制、鄰居發(fā)現(xiàn)、拓撲控制、路由建立和維護等，此外，在認知無線網(wǎng)絡(luò)中，需要共享用戶的頻譜感知和使用結(jié)果來協(xié)調(diào)本地無線區(qū)域的認知用戶的有序工作。

因此，將認知無線電技術(shù)應用于V2X中，面臨極大的挑戰(zhàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種適用于車載短距離通信網(wǎng)絡(luò)的無線認知信道管理方法，其主要方法是車載短距離通信網(wǎng)絡(luò)(V2X)中路側(cè)節(jié)點感知和學習頻譜利用特性，以認知信道池的方式廣播給經(jīng)過的車載節(jié)點，然后利用V2X中的心跳信息，在授權(quán)頻段通過擴展心跳信息實現(xiàn)部分認知控制信道的功能，支持車載節(jié)點之間認知信道的管理。

本發(fā)明包括三部分，路側(cè)節(jié)點認知信道的檢測和發(fā)布、車載節(jié)點信道協(xié)商和選擇、認知信道組維護。路側(cè)節(jié)點認知信道的檢測和發(fā)布中，路側(cè)節(jié)點感知本區(qū)域的頻譜應用特性，組成認知信道池廣播給經(jīng)過的車載節(jié)點；車載節(jié)點信道協(xié)商和選擇中，拓展各個車載節(jié)點周期性廣播的包含唯一標識和地理位置的消息，增加認知信道占用描述，在授權(quán)頻段進行協(xié)商，然后在認知頻段進行握手和確認，從而進行通信；在認知信道組維護中，利用授權(quán)頻段的心跳信息和認知信道更改協(xié)商方法，進行主用戶規(guī)避、車輛狀態(tài)和工作狀態(tài)變化時認知信道的相應變化，以及路側(cè)節(jié)點發(fā)布的認知信道池的更新。

本發(fā)明提供了一種適用于車載短距離通信(V2X)網(wǎng)絡(luò)的無線認知信道管理方法，該方法采用路側(cè)節(jié)點或者認知空閑信道池，廣播給本區(qū)域的車載節(jié)點，利用V2X中的心跳信息，在授權(quán)頻段擴展心跳信息實現(xiàn)部分認知控制信道的功能，支持車載節(jié)點之間認知信道的管理。

優(yōu)選地，具體包括如下步驟S1、S2、S3：

S1、路側(cè)節(jié)點認知信道的檢測和發(fā)布，其包括

S11、路側(cè)節(jié)點認知信道檢測；

S12、認知信道池發(fā)布和維護；

S2、車載節(jié)點信道協(xié)商和選擇，其包括

S21、鄰居發(fā)現(xiàn)；

S22、信道接入?yún)f(xié)商；

S3、認知信道組維護，其包括

S31、主用戶工作感知和規(guī)避；

S32、車輛和通信狀態(tài)變化維護；

S33、路側(cè)節(jié)點認知信道池的變化維護。

優(yōu)選地，所述步驟S11中，利用了路側(cè)節(jié)點位置固定，可以配置復雜無線認知硬件和軟件的特點，生成本區(qū)域的認知空閑信道池，廣播給經(jīng)過的車載節(jié)點統(tǒng)一使用。

優(yōu)選地，所述步驟S12中，路側(cè)節(jié)點將生成的認知信道池廣播并進行更新和維護，以適應本區(qū)域最新的頻譜使用特性。

優(yōu)選地，所述步驟S21中，拓展車載節(jié)點周期性廣播的包含車輛唯一標識和地理位置的心跳信息，增加認知信道使用描述部分。

優(yōu)選地，所述步驟S21中，鄰居發(fā)現(xiàn)是通過拓展后的心跳信息來實現(xiàn)的。

優(yōu)選地，所述步驟S22中，鄰居接入?yún)f(xié)商通過拓展后的心跳信息獲得覆蓋范圍內(nèi)認知信道的應用情況，同信道池運算后，得到為使用認知信道的信息。

優(yōu)選地，所述步驟S22中，車載節(jié)點首先在授權(quán)信道進行選擇的認知信道的協(xié)商，然后在認知信道進行握手，從而建立通信鏈路。

優(yōu)選地，所述步驟S22中，當覆蓋范圍內(nèi)認知信道都占用或者不能滿足某車載節(jié)點的業(yè)務(wù)需要時，發(fā)送認知信道請求，其他正在認知信道通信的節(jié)點各自協(xié)商，空出部分認知信道，然后通過擴展后的心跳信息告知，供發(fā)起請求的車載節(jié)點使用。

優(yōu)選地，所述步驟S31中，車載節(jié)點感知到主用戶工作后，在授權(quán)頻段進行協(xié)商，規(guī)避主用戶的信道，并重新協(xié)商新的認知信道組。

優(yōu)選地，所述步驟S32中，車載節(jié)點通過擴展后的心跳信息感知周圍車載節(jié)點的狀態(tài)發(fā)生變化后，重新進行協(xié)商，建立新的認知信道組，以提高通信能力。

優(yōu)選地，所述步驟S33中，車載節(jié)點接收到路側(cè)節(jié)點發(fā)布的信道認知信道池后，重新進行協(xié)商，建立新的認知信道組，以提高通信能力。

本發(fā)明利用V2X網(wǎng)絡(luò)中路側(cè)節(jié)點地理位置固定，天線假設(shè)位置高，覆蓋范圍大，可以配備比較復雜設(shè)備的特點，將路側(cè)節(jié)點長時間感知和學習周圍頻譜利用特點的結(jié)果，以信道池的方式廣播給經(jīng)過本區(qū)域的車載節(jié)點。另外，充分利用V2X中的心跳信息，在授權(quán)頻段，通過擴展心跳信息的方法，實現(xiàn)部分控制信道的功能，這樣，即不影響V2X授權(quán)頻段安全累應用對時延的要求，又能有效調(diào)度各個車載節(jié)點在認知信道的工作，從而為V2X擴展應用提供了需要的高帶寬信道。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明實施方式的工作流程圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明實施方式的認知信道的管理和學習軟件的功能示意圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明實施方式的認知信道池包格式示意圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明實施方式的車載節(jié)點的心跳信息廣播包格式示意圖；

圖5是根據(jù)本發(fā)明實施方式的車載節(jié)點A和車載節(jié)點B進行信道協(xié)商步驟示意圖；

圖6是根據(jù)本發(fā)明實施方式的另一個方面的車載節(jié)點A和車載節(jié)點B進行信道協(xié)商步驟示意圖。

具體實施方式

根據(jù)本發(fā)明方法的實施例，將V2X中的業(yè)務(wù)分為基本業(yè)務(wù)和擴展業(yè)務(wù)，基本業(yè)務(wù)是指對時延要求嚴格的業(yè)務(wù)，例如安全類業(yè)務(wù)。這類業(yè)務(wù)消息內(nèi)容短，但是要求周期性廣播，時延要求嚴格。擴展類業(yè)務(wù)是指對時延要求不嚴格的業(yè)務(wù)，例如非實時性業(yè)務(wù)和信息發(fā)布和服務(wù)業(yè)務(wù)，這類業(yè)務(wù)信息量大，但是對時延要求不嚴格。本實施例利用V2X中路側(cè)節(jié)點的授權(quán)頻譜作為基本業(yè)務(wù)廣播信道和認知控制信道，利用V2X中定期廣播的包含車輛標示(VIN)和地理位置信息的消息(以下簡稱心跳信息)，進行認知信道的協(xié)商、分配和管理，將擴展類業(yè)務(wù)在認知信道中傳輸。

根據(jù)本發(fā)明方法的實施例，無線認知信道管理方法由3個部分組成，路側(cè)節(jié)點認知信道的檢測和發(fā)布、車載節(jié)點信道協(xié)商和選擇、認知信道組維護。

以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述。

第一部分、路側(cè)節(jié)點認知信道的檢測和發(fā)布

1、路側(cè)節(jié)點認知信道檢測

路側(cè)節(jié)點位置固定，設(shè)置有專用的頻譜檢測硬件裝置和判斷處理軟件，其中硬件包括：寬帶射頻前端模塊、頻譜感知模塊、認知信道組處理和系統(tǒng)控制模塊。

認知信道的管理和學習軟件的功能如圖2，包括以下部分：

1.1、頻譜掃描：掃描可用頻段，檢測頻譜空洞；

1.2、頻譜分析：通過分析可用頻段的時間分布特性、占用帶寬、噪聲電平等信號特征對可用頻段的特性進行分析；

1.3、頻譜判決：經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)定的算法，得到對應于特定空間、時間和頻段的估計值，與設(shè)定好的門限值作比較，當滿足門限要求時便可認定為可用信道；

1.4、信道池輸出：路側(cè)節(jié)點將經(jīng)過頻譜判決的可用信道，按照系統(tǒng)設(shè)定的優(yōu)先選擇算法，例如時間分布特性、占用帶寬、噪聲電平等，對各個信道進行等級編號和排序，創(chuàng)建OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing正交頻分復用技術(shù))信道池，信道池采用XML語言(eXtensible Markup Language可擴展標記語言)進行描述。

1.5、信道池維護：重復1.1到1.4，對信道池進行更新和維護。

2、認知信道池發(fā)布和維護

1.6、路側(cè)節(jié)點信道池構(gòu)建

將信道認知獲得的信道組編號組成認知信道池，認知信道池包格式如圖3所示，其中；

Type：包類型，標識是路側(cè)節(jié)點的認知(CR)信道信道池廣播包；

ID：廣播編碼，表示廣播包的編碼，以區(qū)別同一個路側(cè)節(jié)點的不同廣播包。路側(cè)節(jié)點周期性廣播信道組包，如果兩次廣播之間信道池沒有變化，則保持相同的ID，如果有更新，則ID加1，達到最大值后歸零；

VIN：發(fā)送路側(cè)節(jié)點唯一標識，區(qū)別不同路側(cè)節(jié)點發(fā)布的信道池；

GP：路側(cè)節(jié)點的地理位置；

Ch-XML：采用XML的信道池整體描述和各個子信道的描述，其中包括信道池的整體信道數(shù)，各個子信道的頻段、帶寬、時間穩(wěn)定性、信噪比等系統(tǒng)設(shè)定的特性描述參數(shù)。

1.7、路側(cè)節(jié)點信道池的廣播和車載節(jié)點的接收

車載節(jié)點經(jīng)過路側(cè)節(jié)點覆蓋范圍內(nèi)，接收路側(cè)節(jié)點周期性廣播的信道池包，保持到本地，形成本地認知信道池緩存。

如果接收到同一個路側(cè)節(jié)點標識VIN的新ID認知信道池包，則更新本地的認知信道池。

第二部分、車載節(jié)點信道協(xié)商和選擇

車載節(jié)點的信道協(xié)商選擇實現(xiàn)車載節(jié)點之間通信前的鄰居發(fā)現(xiàn)、信道接入?yún)f(xié)商。

在無線認知系統(tǒng)中，用戶通過控制信道向鄰近用戶發(fā)送控制信息來表明其存在性，并以此維持鏈接和網(wǎng)絡(luò)的連通性。此外，用戶間通過控制信道分享彼此的頻譜感知信息。建立專門的控制信道需要占用V2X授權(quán)頻段較大的資源，本實施例通過拓展心跳信息，實現(xiàn)控制信道的部分功能，具體實現(xiàn)如下：

2.1、鄰居發(fā)現(xiàn)

車載節(jié)點在授權(quán)信道周期性廣播包括車載節(jié)點唯一標識、地理位置的消息包(以下簡稱心跳信息)，拓展心跳信息的結(jié)構(gòu)，增加該車載節(jié)點已經(jīng)使用的認知信道的描述，如圖4所示，包括：

Type：包類型，標識是車載節(jié)點的心跳信息廣播包；

VIN：車載節(jié)點的唯一標識，區(qū)別不同車載節(jié)點；

GP：車載節(jié)點該時刻的地理位置，取自車載節(jié)點的GPS或者北斗設(shè)備；

Ch-XML：采用XML描述的本車載節(jié)點認知信道的使用情況，通知覆蓋范圍內(nèi)(一般是半徑150米)的其他車載節(jié)點本節(jié)點正在使用的認知信道描述。

車載節(jié)點通過接收周圍節(jié)點的上述拓展后的心跳信息，獲得周圍車載節(jié)點包括車輛唯一標識、同本車載節(jié)點的距離、使用的認知信道的情況等信息，從而實現(xiàn)鄰居發(fā)現(xiàn)功能，通過匯總覆蓋范圍內(nèi)認知信道的使用情況，同本地緩存的路側(cè)節(jié)點廣播的信道池，計算出剩余的空閑認知信道。

2.2、信道接入?yún)f(xié)商

假設(shè)車載節(jié)點A向覆蓋范圍內(nèi)的車載節(jié)點B發(fā)起通信，需要進行信道發(fā)起協(xié)商。

節(jié)點A和B節(jié)協(xié)商各自的設(shè)備能力，根據(jù)通信服務(wù)的種類和需要，在共同覆蓋范圍內(nèi)協(xié)商使用的認知信道組合。

分為兩種情況：

1)如果空閑認知信道能支持需要的業(yè)務(wù)，協(xié)商步驟如圖5所示。首先在授權(quán)頻段，節(jié)點A根據(jù)自己的設(shè)備能力和通信業(yè)務(wù)理性，在信道組中選擇空閑的信道，然后將呼叫請求發(fā)送給節(jié)點B，其中包括節(jié)點A選定的信道組合S，節(jié)點B收到呼叫請求后，根據(jù)自己的設(shè)備能力，確定信道組合然后發(fā)送呼叫應答，其中包括S′。然后雙方在認知頻段，通過數(shù)據(jù)發(fā)送請求和數(shù)據(jù)同意發(fā)送的握手信號，建立認知信道的通信鏈路，雙方在認知信道組合S′中通信。

2)如果認知信道沒有空閑，或者空閑的認知信道不能支持節(jié)點要發(fā)起的業(yè)務(wù)，則節(jié)點A在授權(quán)頻段的心跳信息中發(fā)送認知信道申請請求，格式采用圖4的格式，其中

Type：包類型，標識是認知信道申請請求；

VIN：車載節(jié)點的唯一標識，區(qū)別不同車載節(jié)點；

GP：車載節(jié)點該時刻的地理位置，取自車載節(jié)點的GPS或者北斗設(shè)備；

Ch-XML：采用XML描述的業(yè)務(wù)需要的需要其他節(jié)點讓出的信道的總帶寬、支持本節(jié)點能力的頻段等信息。

周圍節(jié)點接收到信道申請請求后，例如節(jié)點C和節(jié)點D，首先根據(jù)業(yè)務(wù)，協(xié)商讓出部分信道，過程如圖6所示，

1)在授權(quán)頻段，節(jié)點C首先根據(jù)收到的心跳信息中的認知信道請求，在使用的認知信道中劃分出部分滿足A節(jié)點要求的信道S放到信道更改請求中發(fā)給D節(jié)點，

2)D節(jié)點接到后，選擇S中的全部信道或者部分信道反饋給C節(jié)點，

3)在認知頻段，C節(jié)點在改變后的信道組中進行發(fā)送數(shù)據(jù)的請求

4)D節(jié)點在改變后的信道組中接收到數(shù)據(jù)發(fā)送請求后，發(fā)送允許發(fā)送，C節(jié)點和D節(jié)點在新的信道組中進行通信

5)在授權(quán)頻段，C節(jié)點和D節(jié)點更新各自的心跳信息的認知信道占用描述部分，A節(jié)點通過C節(jié)點和D節(jié)點的心跳信息，知道發(fā)起的信道申請請求成功，

6)A節(jié)點和B節(jié)點按照圖5的步驟完成信道接入?yún)f(xié)商。

第三部分、認知信道組維護

由于通信過程中，主用戶隨時使用認知信道中的信道，以及車輛的快速移動使得周圍車輛使用認知信道的情況處于變化中，需要動態(tài)對車載節(jié)點使用的認知信道組進行維護，分為3種情況，第一種情況是主用戶工作，使用了車載節(jié)點正在使用的部分信道，第二種情況是周圍車輛變化或通信狀態(tài)變化帶來的認知信道的變化，第三種是路側(cè)節(jié)點發(fā)布認知信道池的變化。

3.1、主用戶工作感知和規(guī)避

當主用戶工作在其授權(quán)信道，車載節(jié)點檢測到對應信道的信噪比下降，則雙方按照圖6的步驟，協(xié)商規(guī)避的信道，重新建立通信信道，然后在心跳信息中的Ch-XML段描述中去掉正在使用的對用頻段的描述。

3.2、車輛和通信狀態(tài)變化維護

當占用部分認知信道的車輛駛離車載節(jié)點A和B的覆蓋范圍，或者部分節(jié)點通信完畢釋放占用的認知信道，車載節(jié)點A和B在心跳信息中認知信道占用描述中計算出空閑的認知信道，雙方按照圖6的步驟，協(xié)商增加使用的信道，重新建立通信信道，然后在心跳信息中的Ch-XML段描述中增加正在使用的對用頻段的描述。

3.3、路側(cè)節(jié)點認知信道池的變化維護

當車載節(jié)點經(jīng)過不同的路側(cè)節(jié)點的區(qū)域時，認知信道池發(fā)生變化后，通信雙方的車載節(jié)點A和車載節(jié)點B首先采用圖6讓出信道的協(xié)商方式，刪除掉信道池中沒有的信道，然后采用圖5的步驟重新建立新的信道組。

本發(fā)明提供了一種適用于車載短距離通信網(wǎng)絡(luò)的無線認知信道管理方法，其主要方法是車載短距離通信網(wǎng)絡(luò)(V2X)中路側(cè)節(jié)點感知和學習的頻譜利用特性，以信道池的方式廣播給經(jīng)過本區(qū)域的車載節(jié)點，利用V2X中的心跳信息，在授權(quán)頻段通過擴展心跳信息的方法，實現(xiàn)部分控制信道的功能，實現(xiàn)車載節(jié)點之間認知信道的管理。

以上所述是本發(fā)明的較佳實施例及其所運用的技術(shù)原理，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，任何基于本發(fā)明技術(shù)方案基礎(chǔ)上的等效變換、簡單替換等顯而易見的改變，均屬于本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。