一種適用于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的對稱同步跳頻通信方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的基于頻率跳變的通信交互方法。本發(fā)明基于兩種整數(shù)序列設(shè)計(jì)而成，所述兩種整數(shù)序列為循環(huán)升(circular increasing，CI)序列和循環(huán)降(circular decreasing，CD)序列。CI序列是從初始整數(shù)b∈ZK開始并以單次增加d∈ZK的速度不斷生成的包含K個(gè)整數(shù)的序列，即CD序列是從初始整數(shù)b∈ZK開始并以單次減少d∈ZK的速度不斷生成的包含K個(gè)整數(shù)的序列，即與現(xiàn)有對稱同步跳頻系統(tǒng)相比，本發(fā)明所提出的對稱同步跳頻系統(tǒng)能夠提供更短的平均匯聚間隔和更小的平均信道負(fù)載。
【專利說明】
一種適用于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的對稱同步跳頻通信方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的基于頻率跳變的通 信交互方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了在不干擾授權(quán)網(wǎng)絡(luò)通信的前提下靈活利用授權(quán)網(wǎng)絡(luò)的空閑頻譜資源進(jìn)行通 信，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)需要具備一套高效的控制信息交互機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)在認(rèn)知節(jié)點(diǎn)之間傳遞包 括頻譜感知結(jié)果、時(shí)鐘同步、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜屯ㄐ盼帐诸A(yù)約等大量控制信息。而基于頻率跳變的 控制信息交互方式能夠通過不斷地改變認(rèn)知節(jié)點(diǎn)交互控制信息的通信頻段(或信道），靈活 而快速地尋找到未被授權(quán)用戶占用的通信頻段(或信道），因而具備較好的抗授權(quán)用戶干擾 能力。
[0003] 與此同時(shí)，只有當(dāng)發(fā)送和接收認(rèn)知節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了跳頻匯聚，即在同一個(gè)時(shí)隙內(nèi)同時(shí) 跳躍到同一個(gè)信道上，它們才能進(jìn)行控制信息的交互。如果每個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)均采用對稱的方 式選擇其跳頻序列，即無論是控制信息的發(fā)送方還是接收方均需要從同一個(gè)的跳頻序列集 合中獨(dú)立而隨機(jī)地選擇其跳頻序列，那么不同認(rèn)知節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)隙內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)在多個(gè)信道 上的跳頻匯聚，從而有效避免基于單個(gè)固定控制信道交互控制信息所導(dǎo)致的控制信道流量 飽和問題。因此，如何為認(rèn)知節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)可選跳頻序列集合就成為影響基于跳頻匯聚的控制 信息交互性能的主要因素。
[0004]通常，衡量一個(gè)跳頻序列集合優(yōu)劣的參數(shù)包括：
[0005] 可匯聚信道個(gè)數(shù)，即該集合任意兩個(gè)跳頻序列可以匯聚的信道總個(gè)數(shù)。當(dāng)可匯聚 信道個(gè)數(shù)越多，則基于跳頻匯聚的控制信息交互具備更強(qiáng)的抗授權(quán)用戶干擾能力。
[0006] 平均匯聚時(shí)間間隔，即該集合任意兩個(gè)跳頻序列實(shí)現(xiàn)連續(xù)兩次匯聚的平均時(shí)間間 隔。當(dāng)平均匯聚時(shí)間間隔越短，則基于跳頻匯聚的控制信息交互具備更短的交互時(shí)延和更 高的控制信息傳輸吞吐量。
[0007] 平均信道負(fù)載，即在同一時(shí)隙內(nèi)出現(xiàn)同一信道上的平均跳頻序列個(gè)數(shù)與跳頻序列 總個(gè)數(shù)之間的比值。該比值的可能范圍為[0，1]。當(dāng)平均信道負(fù)載越小，則認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)基 于跳頻匯聚的控制信息交互所產(chǎn)生的控制信息碰撞或擁塞情況就越少，而控制信息交互的 性能就越好。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于為基于頻率跳變的認(rèn)知無線通信網(wǎng)絡(luò)提供一種能支持認(rèn)知節(jié) 點(diǎn)以對稱方式選擇其跳頻序列和能在所有可接入信道上實(shí)現(xiàn)跳頻匯聚的控制信息交互機(jī) 制。與現(xiàn)有基于跳頻匯聚的控制信息交互方式相比，該機(jī)制在滿足任意可匯聚信道個(gè)數(shù)的 前提下，可以獲取更小的平均會聚間隔和更小的信道負(fù)載。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)原理為：
[0010] 本發(fā)明基于兩種整數(shù)序列設(shè)計(jì)而成，所述兩種整數(shù)序列為循環(huán)升（circular increasing，Cl)序列和循環(huán)降（circular decreasing，⑶)序列。CI序列/丨夕是從初始整數(shù)b e Ζ κ開始并以單次增加d e Ζ κ的速度不斷生成的包含K個(gè)整數(shù)的序列，即 /匕1 =丨/，,/? + (6/ mod uloA：,+ (7C -1) modu丨〇 /C卜CD序列A匕1是從初始整數(shù)b e Ζκ開始并以單 次減少d e Ζ κ的速度不斷生成的包含Κ個(gè)整數(shù)的序列，即 OA說,…，力-(尤-丨Wmodulo尤j。其中，Ζκ表示對整數(shù)K取模所獲得的所有 非負(fù)整數(shù)集合。例如：/;7 ==.!2, 3, 4, 5, 6, 7, 0,丨丨.，Ζ^==.!2,丨，0, 7, 6, 5, 4, 3}， Df 1 = [6, 3, d, 5,2,1, 4, 1} 0
[0011] 如果存在整數(shù)j e [ 1，Κ]滿足/二(7> ^ ,keZK，則稱在整 數(shù)k上實(shí)現(xiàn)匯聚，其中，〇j)表示ci序列的第j個(gè)整數(shù)，DG(y)表示⑶序列乃以的第j 個(gè)整數(shù)。例如，序列和4s/在整數(shù)2和6上實(shí)現(xiàn)匯聚，即 /^(1) = /)^(1) = 2, 巧⑶=叱;(5) = 6，并且當(dāng)j辛1，5時(shí)# (J·)笑鴻1⑴，而序列4!?和 1^在整數(shù)3,5,7和1上實(shí)現(xiàn)匯聚，即；(2) = /^(2) = 3，；(4) = /^(4) = 5， ^(6)=城；(6) = 7，^(8)=哎3>(8) = 1，并且當(dāng)護(hù)2,4,6,8時(shí)/!81>(./)#代83 )(義
[0012] -種適用于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的對稱同步跳頻通信方法，具體如下：
[0013] 基于21^1個(gè)發(fā)送跳頻序列·^^，, 5^2L_]xui l和21^1個(gè)接收跳頻序 列和….構(gòu)建-個(gè)包含2k/21_1 = 2k+1_1個(gè)周期性跳頻序列的同 步對稱跳頻系統(tǒng)，其中，1 e [ 1，k-Ι ]，所述同步對稱跳頻系統(tǒng)的跳頻序列 migW)的周期時(shí)間長度為(k+i-i)22k-1個(gè)時(shí)隙，跳頻序列的周期可以被劃 分為k+1-l幀，即幀0，1，. . .，j，. . .，k-l，所述幀0，1，. . .，j，. . .，k-l為幀的編號，每幀均包 含 22k4 個(gè)時(shí)隙，ie[0，k-l]。
[0014] 進(jìn)一步地，對于任意幀j，
[0015] 若!_// 2^1為偶數(shù)，則跳頻序列(0的幀j即為22 k-1時(shí)隙跳頻序列
[0016] 若[/ / 為奇數(shù)，則跳頻序列《SSCi/i& (/)的幀j即為22 h1時(shí)隙跳頻序列
[0017] 本發(fā)明的有益效果是：
[0018] 與現(xiàn)有對稱同步跳頻系統(tǒng)相比，本發(fā)明所提出的對稱同步跳頻系統(tǒng)能夠提供更短 的平均匯聚間隔和更小的平均信道負(fù)載。而基于所提對稱同步跳頻系統(tǒng)的控制信息交互機(jī) 制能支持認(rèn)知節(jié)點(diǎn)具備靈活選擇控制信息發(fā)送和接收的能力，并使得認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)能充分 利用所有可接入的信道資源以實(shí)現(xiàn)跳頻匯聚，從而能夠有效避免對授權(quán)用戶的通信干擾和 極大地緩解基于單個(gè)公共控制信道進(jìn)行控制信息交互所面臨的控制信道流量飽和問題。與 基于跳頻匯聚的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)控制信息交互機(jī)制相比，基于所提對稱同步跳頻系統(tǒng)的控制 信息交互機(jī)制能有效地提高認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)控制信息的整體傳輸吞吐量，并且降低所有認(rèn)知 用戶控制信息交互的平均傳輸時(shí)延。
【附圖說明】
[0019]圖1為（3,2)循環(huán)差集構(gòu)造的quorum系統(tǒng)。
[0020]圖2為(8,4)循環(huán)差集構(gòu)造的quorum系統(tǒng)。
[0021] 圖3為SSC//;?與Q-MCH、L-MCH的吞吐量的結(jié)果對比。
[0022] 圖4為SSC/f^Q-MCH^-MCH的時(shí)延的結(jié)果對比。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0024] 實(shí)施例、
[0025] -種適用于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的對稱同步跳頻通信方法，具體如下：
[0026] 基于2k4個(gè)發(fā)送跳頻序列巧；^…個(gè)接收跳頻序 列, 構(gòu)建一個(gè)包含2V21-1個(gè)周期性跳頻序列的同 步對稱跳頻系統(tǒng)，其中，1 e [1，k_l]，所述同步對稱跳頻系統(tǒng)的跳頻序列 的周期時(shí)間長度為(k+l-l)22H個(gè)時(shí)隙，跳頻序列的周期可以被劃 分為k+1-l幀，即幀0，1，. . .，j，. . .，k-l，所述幀0，1，. . .，j，. . .，k-l為幀的編號，每幀均包 含221-1個(gè)時(shí)隙，ie[0，k-l]。對于任意幀j，若為偶數(shù)，則跳頻序列的幀 j即為22k-1時(shí)隙跳頻序列5p--1-~卩_2;-1，若μ/ 怒的幀j即為22k-1時(shí)隙跳頻序列部:丨…叫]力.
[0027] 當(dāng)j = 0時(shí)，跳頻序列…，島⑶丨么口"-1)的幀〇分別為22k-1 時(shí)隙發(fā)送跳頻序列破匕_1:,…，虞，而-il),…， &^#:11以-《-1)的幀〇分別為22^1時(shí)隙接收跳頻序列<:丨_ 1,42:11，一，4::)11:。 1。類似 地，當(dāng)j>〇時(shí)，有2k<個(gè)跳頻序列的幀0分別為221- 1時(shí)隙發(fā)送跳頻序列d, 丄？1-1，· . · ， * 而剩余個(gè)跳頻序列的幀0分別為221-1時(shí)隙接收跳頻序列 , .因此，所有2k+l_l個(gè)跳頻序列在幀je[0,k_l]內(nèi)的平均信道負(fù)載 為21/2k。
[0028] 例如，當(dāng)k = 3和1 = 2時(shí)，基于本發(fā)明方法所生成的同步對稱跳頻系統(tǒng)55(??包含 以下4(=2k+l-l)個(gè)周期時(shí)間長度為32( = (k+l-l)22k-l)個(gè)時(shí)隙的跳頻序列：
[0029] 55^^(0) = (5,^:,5 !
[0030] SSCX^(1) = {C：,； </,：,}
[0031] SSC/i;s3)⑵={ iC;文8人4
[0032] ss'a/3(3)={iC; ?
[0033] 將相應(yīng)的發(fā)送和接收跳頻序列帶入，即得：
[0038]另一方面，當(dāng)k = 3和1 = 1時(shí)，基于本發(fā)明方法所生成的同步對稱跳頻系統(tǒng) 包含下述8個(gè)長度為96時(shí)隙的周期性跳頻序列：
[0047] 可以看出，跳頻序列~中的任意兩個(gè)均可在每個(gè)32時(shí)隙周期內(nèi) 在所有8個(gè)可接入信道上實(shí)現(xiàn)跳頻匯聚，其平均匯聚時(shí)間間隔和平均信道負(fù)載分別為3.33 和1/2;而跳頻序列~ 的任意兩個(gè)均可在每個(gè)96時(shí)隙周期內(nèi)在所有8個(gè)可 接入信道上實(shí)現(xiàn)跳頻匯聚，其平均匯聚時(shí)間間隔和平均信道負(fù)載分別為8.28和1/4。
[0048]基于0ΡΝΕΤ軟件進(jìn)行仿真性能分析。
[0049] 當(dāng)K = 8，q = 4時(shí)，由SSCH構(gòu)建算法得到對稱同步跳頻系統(tǒng)SSC//G，經(jīng)過SSCH構(gòu)建 算法改進(jìn)協(xié)議后，得到的跳頻序列為：
[0054] 現(xiàn)有的對稱同步跳頻協(xié)議是基于循環(huán)松弛差集(relaxed cyclic difference s e t)的思想提出了 quorum系統(tǒng)的概念，由此設(shè)計(jì)了同步對稱算法M-QCH與L-QCH。quorum系 統(tǒng)即由一個(gè)(n，k)循環(huán)差集與它的η個(gè)旋轉(zhuǎn)集合構(gòu)成。所有的(n，k)循環(huán)差集中，任意兩個(gè)集 合都存在至少一個(gè)元素的交集，并將此元素所在的所有位置設(shè)置為某一個(gè)信道編號。對于K 個(gè)信道的序列構(gòu)建，即將quorum系統(tǒng)順序延長K倍即可得到全部的信道匯聚。M-QCH構(gòu)造跳 頻序列是基于(3，2)的循環(huán)差集，而L-QCH構(gòu)造跳頻序列L-QCH是基于最小循環(huán)差集，其參數(shù) n，k的值可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。圖1為(3,2)循環(huán)差集構(gòu)造的M-QCH跳頻系統(tǒng)，其中，編號h 表示為隨機(jī)選擇的一個(gè)可用信道編號，圖2為(8,4)循環(huán)差集構(gòu)造的L-QCH跳頻系統(tǒng)。將(3， 2)循環(huán)差集與（8,4)循環(huán)差集進(jìn)行8倍長度的延長，便得到8個(gè)信道的1-0〇1系統(tǒng)與1^-0〇1系 統(tǒng)。這些算法在可匯聚信道個(gè)數(shù)及平均匯聚時(shí)間間隔上都表現(xiàn)出了很大的優(yōu)勢，但是信道 負(fù)載(ACL)較大。依然相對于信道個(gè)數(shù)K = 8的情況，表1總結(jié)了在此仿真中的所有的跳頻系 統(tǒng)的ATTR和ACL。所有的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)均從所設(shè)計(jì)的對稱同步序列集合中隨機(jī)的選取跳頻序列。
[0055] 表1Κ = 8時(shí)，不同的跳頻序列的參數(shù)對比
[0056]
[0057] 在仿真中，考慮了由4-108個(gè)認(rèn)知用戶組成的基于頻率跳躍的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)通信 場景。在這一通信場景中，所有認(rèn)知用戶均勻的分布在l〇〇〇m在的認(rèn)知無線的正方形區(qū)域當(dāng) 中。每個(gè)授權(quán)用戶在一個(gè)授權(quán)信道上以指數(shù)分布的方式出現(xiàn)，即授權(quán)用戶占用該授權(quán)信道 的平均時(shí)間和平均空閑時(shí)間均為1秒。每個(gè)認(rèn)知發(fā)送節(jié)點(diǎn)均從同一個(gè)發(fā)送序列集合中選擇 一個(gè)發(fā)送跳頻序列，而每個(gè)認(rèn)知接收節(jié)點(diǎn)均從同一個(gè)接收序列集合中選擇一個(gè)接收跳頻序 列。為實(shí)現(xiàn)認(rèn)知發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)對之間的跳頻匯聚，
[0058]根據(jù)本發(fā)明所提出的SSCHg系統(tǒng)和現(xiàn)有的M-QCH、L-QCH進(jìn)行了仿真分析。仿真中 的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2所示。
[0059]表2網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)屬性仿真參數(shù)設(shè)計(jì) [0060]
[0061]為減小波動同時(shí)提高仿真的準(zhǔn)確定，每次仿真的結(jié)果都是至少10次仿真的均值。 圖3表示不同的節(jié)點(diǎn)密度下，使用算法SSC//匕對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量的影響 結(jié)果對比。圖4表示不同的節(jié)點(diǎn)密度下，使用算法與M-QCH、L-MCH對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延 的影響結(jié)果對比。從圖中顯然可以看出：無論節(jié)點(diǎn)密度如何，的性能始終優(yōu)于L-MCH 和M-QCH;而在節(jié)點(diǎn)密度較小時(shí)，M-QCH比L-MCH的性能要好一些，反之，節(jié)點(diǎn)密度大時(shí)，L-MCH 比M-QCH好一些。這都是由這些算法的ACL與ATTR相互制衡的結(jié)果。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種適用于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的對稱同步跳頻通信方法，其特征在于，具體如下： 基于21-1個(gè)發(fā)送跳頻序列卜接收跳頻序列勾建一個(gè)包含272^ = 215+1個(gè)周期性跳頻序列的同步 對稱跳頻系統(tǒng)，其中，ie [i，k-i]，所述同步對稱跳頻系統(tǒng)的跳頻序列 ⑴的周期時(shí)間長度為(k+l-l)22H個(gè)時(shí)隙，跳頻序列的周期可以被劃 分為k+1-l幀，即幀0，1，.. .，j，.. .，k-l，所述幀0，1，. ..，j，. ..，k-l為幀的編號，每幀均包 含 221^1 個(gè)時(shí)隙，ie[〇，k-l]。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的對稱同步跳頻通信方法，其特征 在于:對于任意幀j， 若[// 為偶數(shù)，則跳頻序列MCW1H (/)的幀j即為2 2 k - 1時(shí)隙跳頻序列若L//2lb'J為奇數(shù)，則跳頻序列MCWg \ (〇的幀j即為2 2 k - 1時(shí)隙跳頻序列
【文檔編號】H04W16/14GK106028347SQ201610322061
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月13日
【發(fā)明人】譚雪松, 吳玉香
【申請人】電子科技大學(xué)